Физические свойства и величины. Международная система СИ.

Все объекты окружающего нас мира характеризуются своими свойствами. Свойство – философская категория, которая выражает ту сторону объекта (явления, процесса), обуславливающую его различие или его общность с другими объектами (явлениями, процессами) и обнаруживаемая в его отношениях к ним. Свойство – категория качественная. Для количественного описания различных свойств, процессов и физических тел вводится понятие величины. Величина – это свойство чего-либо, которое может быть выделено среди других свойств и оценено каким-либо способом (в том числе и количественно). Величина не существует сама по себе, имеет место лишь поскольку, постольку существует объект со свойствами, выраженными данной величиной.

Все существующие величины можно разделить на две группы: величины материального вида (реальные) и величины идеальных моделей реальности (идеальные), которые относятся главным образом к математике и являются модельными представлением реальных понятий [3].

Реальные величины можно разделить также на два вида: физические и нефизические. Физическая величина в самом общем случае определяется как величина, свойственная материальным объектам (процессам, явлениям), изучаемым в естественных и технических науках. К нефизическим величинам относят величины, присущие общественным наукам – философии, социологии, экономике и т.д.

В РМГ 29-99 [1] дается следующее понятие физической величины: «Это одно из свойств физического объекта, общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них». Последнее понимают в том смысле, что свойство может быть для одного объекта в определенное число раз больше или меньше, чем для другого.

Физические величины можно разделитьна измеряемые и оцениваемые. Измеряемые выражаются количественно в виде определенного числа установленных единиц измерения. Возможность введения и использования таких единиц является отличительным признаком измеряемых физических величин. Физические величины, для которых не может быть введена единица измерения, могут быть оценены. Оценивание – это операция приписывания данной величине определенного числа, которая проводится по установленным правилам. Оценивание величины производится при помощи шкал. Шкала величины – упорядоченная совокупность значений величины, служащая исходной основой для измерения данной величины.

Что же касается нефизических величин (уровень интеллекта, уровень знаний, оцениваемых в баллах ЕГЭ и т.д.), то они могут быть только оценены, т.к. в принципе для них единица измерения не может быть введена.

Вернемся к более детальному изучению физических величин. В метрологии существует несколько классификаций физических величин: по видам явлений; по принадлежности к различным группам физических процессов; по степени условной независимости от других величин; по наличию размерности.

По видам явлений физические величины разделяются на [3]:

· вещественные – это величины, описывающие физические и физико-химические свойства веществ, материалов и изделий из них. К этой группе относятся масса, плотность, электрическое сопротивление, емкость, индуктивность и др. Еще эти физические величины называют пассивными, так как для формирования сигнала измерительной информации необходимо использовать вспомогательный источник энергии, чтобы преобразовать пассивные физические единицы в активные, которые затем и измеряются;

· энергетические – величины. Описывающие энергетические характеристики процессов преобразования, передачи и использования энергии: сила тока, напряжение, мощность, энергия. Эти величины называют активными, т.к. они могут быть преобразованы в сигналы измерительной информации без использования вспомогательных источников энергии;

· характеризующие протекание процессов по времени. Это могут быть различного вида спектральные характеристики, корреляционные функции.

Согласно второй классификации по принадлежности к различным группам физических процессов физические величины делятся на пространственно-временные, механические, электрические и магнитные, тепловые, акустические, световые, физико-химические, ионизирующих излучений, атомной и ядерной физики [3].Эта классификация проводится в соответствии со всеми возможными разделами физики и химии.

По степени условной независимости от других величин данной группы все физические величины делятся на основные (условно независимые) и производные (условно зависимые) [1]. Это разделение является действительно условным, поскольку зависит от произвольности выбора системы единиц.

Основная физическая величина – это физическая величина, входящая в систему величин и условно принятая в качестве независимой от других величин этой системы.

Производная физическая величина – это физическая величина, входящая в систему величин и определяемая через основные величины этой системы. Производные величины выражаются через основные при помощи уравнений связи. Примеры производных величин: скорость – перемещение в единицу времени, плотность – масса единицы объема вещества

Система единиц – это совокупность основных и производных единиц физических величин, образованная в соответствии с принятыми принципами.

В нашей стране используется Международная система единиц СИ, где в качестве основных единиц приняты метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль и кандела (Таблица 1.1) [4].

Таблица.1.1

Основные единицы физических величин системы СИ

№ п/п	Физическая величина	Единица измерения физической величины
	Наименование	Наименование	Обозначение
			Русское	Междуна-родное
1	Длина	метр	м	m
2	Масса	килограмм	кг	kg
3	Время	секунда	с	s
4	Сила электрического тока	ампер	А	A
5	Термодинами-ческая температура	кельвин	К	K
6	Количество вещества	моль	моль	mol
7	Сила света	кандела	кд	cd

Метр – единица длины, равная пути, проходимого светом в вакууме за интервал времени 1/299 792 458 c.

Килограмм – единица массы, равная массе международного прототипа килограмма.

Секунда – единица времени, равная 9 192 31 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.

Ампер – единица силы электрического тока. Ампер равен силе неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 метр один от другого, вызвал бы на каждом участке проводника длиной 1 метр силу взаимодействия, равную 2 · 10^-7 Н.

Кельвин – единица термодинамической температуры, равная 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды.Заметим, что в нашей стране разрешено использовать для температуры градусы Цельсия (°С).

Кандела – единица силы света. Кандела есть сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540 · 10¹² Гц, электрическая сила света которого в данном направлении составляет 1/683 Вт/ср.

Моль – единица количества вещества. Моль есть количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0,012 кг. Структурные элементы при применении моля должны быть специфицированы и могут быть атомами, ионами, электронами и другими частицами.

Система СИ принята и используется во многих странах мира. Она имеет много преимуществ перед другими системами единиц: она, во-первых, универсальна (охватывает все области науки и техники); во-вторых, позволяет унифицировать все области и виды измерений; в-третьих, когерентна (в уравнениях связи между величинами коэффициенты равны единице); в-четвертых, упрощает записи научных формул и технических расчетов в связи с отсутствием переводных коэффициентов; в-пятых, имеет единую систему образования кратных и дольных единиц, которые имеют собственные наименования (Таблица 1.2)[4].

Таблица 1.2.

Наименование множителей и приставок для

образования десятичных кратных и дольных единиц.

Множитель	Приставка	Обозначение приставки
		международное	русское
1024	йотта	Y	И
1018	экса	Е	Э
1015	пета	Р	П
1012	тера	Т	Т
109	гига	G	Г
106	мега	М	М
103	кило	k	к
102	гекто	h	г
101	дека	da	да
10-1	деци	d	д
10-2	санти	c	с
10-3	милли	m	м
10-6	микро	µ	мк
10-9	нано	n	н
10-12	пико	p	п
10-15	фемто	f	ф
10-18	атто	a	а
10-24	йокто	y	и

 

Все единицы измерения физических величин, разрешенные для применения в нашей стране, записаны в ГОСТ 8.417 - 2001 [4]. Кроме единиц СИ в некоторых областях разрешено применение других единиц, например, время можно измерять в минутах, часах и сутках; объем – в литрах; массу – в тоннах. Также в этом ГОСТе записаны правила написания единиц измерения. Перечислим хотя бы некоторые: во всем тексте можно использовать или английские наименования единиц или русские; единицы измерения должны отделяться от числа пробелом (за исключением обозначений долготы и широты, выражающихся в градусах, минутах и секундах); сокращенное наименование единиц, имеющих наименования в честь ученых, надо писать с большой буквы (один вольт – 1 В).