Физические свойства величины и шкалы

 

Изопределения метрологии следует, что основным понятием её и ее производных – стандартизации и сертификации, является единица измерения физической величины ( для некоторых величин – шкала). В дальнейшем будем говорить «физическая единица», или просто – единица.

Единица измерения - это физическая величина (конкретная), числовое значение которой по условию принято равным 1.

 

Шкалой величиныназывается принятая по соглашению последовательность значений одноимённых величин различного размера (напр., температурная шкала, шкала твёрдости по Бринеллю).

В метрологии, как и в физике, величина трактуется, как общее свойство в качественном и в количественном отношении  для многих объектов (систем), а также как индивидуальное свойство для каждого объекта. Т. е. как свойство, которое может быть для одного объекта в то или иное число раз больше или меньше, чем для другого (напр., длина, масса, плотность, температура, сила, скорость).

 

Величины можно разделить на два вида: реальные и идеаль­ные (рис. 1.1).

 

 

                              Рис.1.1. Классификация величин

 

Идеальные величины главным образом относятся к математи­ке и являются обобщением (моделью) конкретных реальных по­нятий.

 

Реальные величины делятся, в свою очередь, на физические и нефизические.

Физическая величина (ФВ) в общем случае может быть определена как величина, свойственная материальным объек­там (процессам, явлениям), изучаемым в естественных (физика, химия) и технических науках.

 

К нефизическим относятся величины, присущие общественным (нефизическим) наукам - философии, социологии, экономике и т.д.

 

Рекомендации по межгосударственной стандартизации (РМГ 29-99) трактуют физическую величину, как одно из свойств физического объекта, в качественном отноше­нии общее для многих физических объектов, а в количествен­ном — индивидуальное для каждого из них.

Индивидуальность в количественном отношении понимают в том смысле, что свой­ство может быть для одного объекта в определенное число раз: больше или меньше, чем для другого.

 

Таким образом, физические величины — это измеренные свойства физических объектов и про­ цессов, с помощью которых они могут быть изучены.

Физические величины подразделяются на измеряемые и оцениваемые.

Измеряемые ФВ могут быть выражены количественно в виде определённого числа установленных единиц измерения. Возможность введения и использования последних является важ­ным отличительным признаком измеряемых ФВ.

Физические ве­личины, для которых по тем или иным причинам не может быть введена единица измерения, могут быть только оценены. Величи­ны оценивают при помощи шкал.

Шкала величины — упорядочен­ная последовательность ее значений, принятая по соглашению на основании результатов точных измерений.

 

Нефизические величины, для которых единица измерения в прин­ципе не может быть введена, могут быть только оценены. Стоит отметить, что оценивание нефизических величин не входит в задачи теоретической метрологии.

Физические величины классифицируются (рис.1.2)

 

По видам явлений ФВ делятся на следующие группы:

- вещественные, т.е. описывающие физические и физико-хи­мические свойства веществ, материалов и изделий из них. К этой группе относятся масса, плотность, электрическое сопротивление, емкость, индуктивность и др. Иногда указанные ФВ называют пассивными. Для их измерения необходимо использовать вспо­могательный источник энергии, с помощью которого формируется сигнал измерительной информации. При этом пассивные ФВ преобразуются в активные, которые и измеряются

    - энергетические, т. е. величины, описывающие энергетические характеристики процессов преобразования, передачи и использо­вания энергии. К ним относятся ток, напряжение, мощность, энергия. Эти величины называют активными. Они могут быть пре­образованы в сигналы измерительной информации без использо­вания вспомогательных источников энергии;

    - характеризующие протекание процессов во времени. К этой груп­пе относятся различного рода спектральные характеристики, кор­реляционные функции и др.

По принадлежности к различным группам физических процессов ФВ делятся на пространственно-временные, механические, теп­ловые, электрические и магнитные, акустические, световые, фи­зико-химические, ионизирующих излучений, атомной и ядерной физики.

 

ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ

Энергетические (активные)

Вещественные (пассивные)

Характеризующие процессы

Пространственно-временные

Механические

Тепловые

Электрические и магнитные

Акустические

Световые

Ионизирующих излучений

Атомной и ядерной физики

Физико-химические

Основные

Производные

Дополнительные

Размерные

Безразмерные

Рис. 1.2. Классификация физических величин

 

По степени условной независимости от других величин данной группы ФВ делятся на основные (условно независимые), произ­водные (условно зависимые) и дополнительные.

В настоящее время в системе СИ используется семь физических величин, выбранных в качестве основных: длина, время, масса, температура, сила электрического тока, сила света и количество вещества. К дополнительным физическим величинам относятся плоский и телесный углы.

По наличию размерности ФВ делятся на размерные величины, т. е. имеющие размерность, и безразмерные.

Измерение — познавательный процесс, заключающийся в срав­нении путем физического эксперимента данной ФВ с известной ФВ, принятой за единицу измерения.

В практической деятельности необходимо проводить измерения различных величин, характеризующих свойства тел, веществ, явле­ний и процессов. Некоторые свойства проявляются только каче­ственно, другие — количественно.

Разнообразные проявления (ко­личественные или качественные) любого свойства образуют множества, отображения элементов которых на упорядоченное множество чисел или в более общем случае условных Знаков об­разуют шкалы измерения этих свойств.

 

Шкала измерений количе­ственного свойства является шкалой ФВ.

 

Шкала физической вели­чины — это упорядоченная последовательность значений ФВ, при­нятая по соглашению на основании результатов точных измерений. Термины и определения теории шкал измерений изложены в метрологической инструкции  МИ 2365—96.                                                |

В соответствии с логической структурой проявления свойств различают пять основных типов шкал измерений.

 

1. Шкала наименований (шкала классификации).

Такие шкалы используются для классификации эмпирических объектов, свой­ства которых проявляются только в отношении эквивалентности. Эти свойства нельзя считать физическими величинами, поэтому шкалы такого вида не являются шкалами ФВ. Это самый простой тип шкал, основанный на приписывании качественным свойствам объектов чисел, играющих роль имен.

Примером шкал наиме­нований являются широко распространенные атласы цветов, пред­назначенные для идентификации цвета.

2.Шкала порядка (шкала рангов).

Если свойство данного эмпи­рического объекта проявляет себя в отношении эквивалентности и порядка по возрастанию или убыванию количественного проявления свойства, то для него может быть построена шкала порядка. Она является монотонно возрастающей или убывающей и позволяет установить отношение больше/меньше между величинами, характеризующими указанное свойство. В шкалах порядка суще­ствует или не существует нуль, но принципиально нельзя ввести единицы измерения, так как для них не установлено отношение пропорциональности и соответственно нет возможности судить, во сколько раз больше или меньше конкретные проявления свой­ства.

В случаях, когда уровень познания явления не позволяет точно установить отношения, существующие между величинами данной характеристики, либо применение шкалы удобно и достаточно для практики, используют условные (эмпирические) шкалы по­рядка.

Условная шкала — это шкала ФВ, исходные значения кото­рой выражены в условных единицах. Например, шкала вязкости Энглера, 12-балльная шкала Бофорта для измерения силы морс­кого ветра.

 

Широкое распространение получили шкалы порядка с нане­ сенными на них реперными точками.

К таким шкалам, например, относится шкала Мооса для определения твердости минералов, которая содержит 10 опорных (реперных) минералов с различ­ными условными числами твердости: тальк — 1; гипс — 2; каль­ций — 3; флюорит — 4; апатит — 5; ортоклаз — 6; кварц — 7; топаз — 8; корунд — 9; алмаз — 10.

Отнесение минерала к той или иной градации твердости осуществляется на основании экспери­мента, который состоит в том, что испытуемый материал царапа­ется опорным. Если после царапанья испытуемого минерала квар­цем (7) на нем остается след, а после ортоклаза (6) — не остает­ся, то твердость испытуемого материала составляет более 6, но менее 7. Более точного ответа в этом случае дать невозможно.

В условных шкалах одинаковым интервалам между размерами данной величины не соответствуют одинаковые размерности чи­сел, отображающих размеры. С помощью этих чисел можно найти вероятности, моды, медианы, квантили, однако их нельзя ис­пользовать для суммирования, умножения и других математичес­ких операций.

Определение значения величин при помощи шкал порядка нельзя считать измерением, так как на этих шкалах не могут быть введены единицы измерения.

Операцию по приписыванию числа требуемой величине следует считать оцениванием. Оценивание по шкалам порядка является неоднозначным и весьма условным.

2. Шкала интервалов (шкала разностей).

  Эти шкалы являются дальнейшим развитием шкал порядка и применяются для объек­тов, свойства которых удовлетворяют отношениям эквивалентно­сти, порядка и аддитивности.

  Шкала интервалов состоит из оди­наковых интервалов, имеет единицу измерения и произвольно выбранное начало — нулевую точку.

  К таким шкалам относится летосчисление по различным календарям, в которых за начало отсчета Принято либо сотворение мира, либо Рождество Христо­во и т.д. [1] Температурные шкалы Цельсия, Фаренгейта, Реомюра также являются шкалами интервалов.

 

4. Шкала отношений.

Эти шкалы описывают свойства эмпири­ческих объектов, которые удовлетворяют отношениям эквивален­тности, порядка и аддитивности (шкалы второго рода — аддитив­ные), а в ряде случаев и пропорциональности (шкалы первого рода — пропорциональные).

Их примерами являются шкала мас­сы (второго рода), термодинамической температуры (первого рода).

В шкалах отношений существует однозначный естественный критерий нулевого количественного проявления свойства и еди­ница измерений. С формальной точки зрения шкала отношений является шкалой интервалов с естественным началом отсчета. К значениям, полученным по этой шкале, применимы все ариф­метические действия, что имеет важное значение при измере­нии ФВ.

5. Абсолютные шкалы.

Под абсолютными понимают шкалы, обладающие всеми признаками шкал отношений, но дополни­тельно имеющие естественное однозначное определение едини­цы измерения и не зависящие от принятой системы единиц изме­рения.

Такие шкалы соответствуют относительным величинам: ко­эффициенту усиления, ослабления и др. Для образования многих производных единиц в системе СИ используются безразмерные и счетные единицы абсолютных шкал.

Отметим, что шкалы наименований и порядка называют не­метрическими (концептуальными), а шкалы интервалов и отноше­ ний — метрическими (материальными).

Абсолютные и метричес­ кие шкалы относятся к разряду линейных.

Практическая реализация шкал измерений осуществляется путем стандартизации как самих шкал и единиц измерений, так и, в необходимых случаях, способов и условий их однозначного воспроизведения.