Тема лекции: “Физические величины как объект измерений. Эталоны”

Лекция №3

Тема лекции: “Физические величины как объект измерений. Эталоны”

План лекции:

1.Определение физической величины

2.Международная система единиц физических величин

3.Эталоны, их классификация

1.Определение физической величины

В науке, технике и повседневной жизни человек имеет дело с разнообразными свойствами окружающих нас физических объектов. Их описание производится посредством физических величин.

Физическая величина (ФВ) – свойство физического объекта, общее для многих объектов в качественном отношении (это вид величины – R), но индивидуальное в количественном отношении (это размер величины – 10 Ом).

Для того, чтобы можно было установить для каждого объекта различия в количественном содержании свойства, отображаемого физической величиной, в метрологии введены понятия ее размера и значения.

Размер ФВ – это количественное содержание в данном объекте свойства, соответствующего понятию ФВ – все тела различаются по массе, т. е. по размеру этой ФВ.

Значение ФВ – это оценка ее размера в виде некоторого числа принятых для нее единиц. Его получают в результате измерения или вычисления ФВ.

Единица ФВ – это ФВ фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение, равное 1.

Пример: ФВ – масса,

единица этой ФВ – 1кг.

значение - масса предмета = 5 кг.

Классификация единиц ФВ

1. системные внесистемные

Системные – которые входят в одну из принятых систем.

*это все основные, производные, кратные и дольные единицы.

Внесистемные – которые не входят ни в одну из принятых систем единиц ФВ.

*литр (единица объема), морская миля, карат (единица массы в ювелирном деле), лошадиная сила (устаревшая единица мощности).

2. кратные дольные

Кратная единица – это единица ФВ, значение которой в целое число раз больше системной или внесистемной единицы.

*единица длины км, т. е. кратна метру.

Дольная единица – это единица ФВ, значение которой в целое число раз меньше системной или внесистемной единицы.

*единица длины мм, т. е. является дольной.

Классификация ФВ

основные (условно независимые) производные (условно зависимые)

Основные величины не зависят друг от друга, и служат основой для установления связей с другими физиче­скими величинами, которые называют производными от них.

* в формуле Эйнштейна (?) , масса – это основная единица, а энергия - это производ­ная единица, .

Основным величинам соответст­вуют основные единицы измерений, а производным - произ­водные единицы измерений.

Совокупность основных и производных единиц называется системой единиц физических величин.

В названии системы ФВ применяют символы величин, принятые за основные - например, Международная система единиц (СИ), должна обозначаться символами LMTIQNJ, обозначающими соответственно: длину, массу, время, силу тока, температуру, кол-во вещества и силу света.

История развития систем единиц физических величин:

1.Метрическая система - первая система единиц. В ней еще не было четкого подразделения единиц величин на основные и производные.

2.Абсо­лютная – была предложена немецким ученым в 1832 г. В ее основе – мысль о том, что система единиц - это совокупность основных и про­изводных единиц.

3.СГС (т. е. основными единицами являются (?) сантиметр, грамм и секунда) - была принята в 1881 г. Неудобство системы СГС состояло в трудностях пересчета многих единиц в другие системы для определения их соотношения.

4.МКС (т. е.основными единицами являются (?) метр, килограмм и секунда) – предложил в начале XX в. итальянский ученый Джорджи. Она довольно широко распространилась в мире.

Были и другие предложения, что указывает на стремление к единству измерений в международном аспекте. В то же время да­же сейчас некоторые страны не отошли от исторически сложив­шихся у них единиц измерения. Известно, что Великобритания, США, Канада основной единицей массы считают фунт.

	L	M	T	F	A(Q)	I	P	S	Объем	Вместим-ость
Метрическая	м	г						ар	стер	литр
Абсолютная (1832)	мм	мг	сек
СГС (1881)	см	г	сек	кг-сила	эрг
МКС (1900)	м	кг	сек	Н	Дж	А	Вт

P. S. Жирные – основные.

Грамм - вес 1 см3 химически чистой воды при температуре около +4°С.

Ар - площадь квадрата со стороной 10 м.

Стер - объем куба с ребром 10 м.

Литр - объем куба с ребром 0,1 м.

2. Международная система единиц физических величин

В 1960 г XI Гене­ральная конференция по мерам и весам (ГКМВ) приняла Международную систему единиц (Systeme International d' Unites), обозначаемую SI (от началь­ных букв названия).

Она считается наиболее совершен­ной и универсальной по сравнению с предыдущими. В ней для любой физической величины (такой, как длина, время или сила), предусматривается одна и только одна единица измерения.

Система содержит основные, допол­нительные и производные единицы физических величин. Причем дополнительные единицы, к которым отнесены единицы плоского и телесного углов – радиан и стерадиан введены впервые.

ФВ	Единица ФВ
Основные
Длина	Метр (м)
Масса	Килограмм (кг)
Время	Секунда (с)
Сила электрического тока	Ампер (А)
Сила термодинамической температуры	Кельвин (К)
Количество вещества	Моль (моль)
Сила света	Канделла (кд)
Дополнительные
Плоский угол	Радиан (рад)
Телесный угол	Стерадиан (ср)
Некоторые производные
Частота	Герц (Гц) Гц=[], т. к.
Сила	Ньютон (Н) Н=[], т. к.
Количество электричества	Кулон (Кл) Кл=[], т. к.

Радиан – плоский угол между двумя радиусами окружности, длина дуги между которыми равна радиусу.

Стерадиан - равен телесному углу с вершиной в центре сферы, вырезающему на ее поверхности площадь, равную площади квадрата со стороной, равной радиусу сферы.

Кулон – количество электричества, проходящее через поперечное сечение проводника при постоянном токе силой 1 А за время 1 с.

Ньютон - сила, которая придает массе в один килограмм ускорение, равное одному метру за секунду в квадрате.

Другие производные (?):

Давление	паскаль
Энергия, работа, теплота	джоуль
Мощность	ватт
Напряжение, потенциал, ЭДС	вольт
Эл. емкость	фарад
Эл. сопротивление	ом
Магнитная индукция	тесла
Магнитный поток	вебер

Также ГКМВ разработала следующие определения основных единиц:

единица длины	метр	длина пути, которую проходит свет в вакууме за 1/ долю секунды
единица массы	килограмм	масса, равная массе международного прототипа килограмма
единица времени	секунда	продолжительность периодов излучения, соответствующего переходу между двумя уровнями сверхтонкой структуры ос­новного состояния атома цезия-133 при отсутствии воз­мущения со стороны внешних полей
единица силы электрического тока	ампер	сила неизме­няющегося тока, который при прохождении по двум па­раллельным проводникам бесконечной длины и ничтож­но малого кругового сечения, расположенным на рас­стоянии 1 м один от другого в вакууме, создал бы между этими проводниками силу, равную 2•10-7 Н на каждый метр длины
единица термодинамич. температуры	кельвин	1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды.
единица количества вещества	моль	количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько атомов содержится в нуклиде углерода-12 массой 0,012 кг
единица силы света	кандела	сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540•1012 Гц, энергетическая сила ко­торого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср2

Приведенные определения довольно сложны. Но такое толкование представляет основные единицы как достовер­ные и понят­ные для всех стран мира, что является главным условием для того, чтобы система единиц стала международной.

После принятия Международной системы единиц ГКМВ практически все крупнейшие страны стали использовать ее в своей метрологической деятельности.

В нашей стране система СИ официально была принята в 1963 г.

На сегодняшний день система СИ действительно стала ме­ждународной, но вместе с тем применяются и внесистемные еди­ницы, например, тонна, сутки, литр, гектар и др.

3.Эталоны, их классификация

Для обеспечения единства измерений необходима тождественность единиц, в которых проградуированы все существующие СИ одной и той же величины. Это достигается путем точного воспроизведения и хранения в специализированных учреждениях установленных единиц ФВ и передачи их размеров применяемым СИ.

Воспроизведение единицы ФВ – это совокупность операций по материализации единицы ФВ с наивысшей точностью с помощью эталона.

Хранение единицы ФВ – это совокупность операций обеспечивающих неизменность во времени размера единицы ФВ, присущего данному СИ.

Например, при хранении первичного эталона выполняются регулярные его исследования, включая сличения с национальными эталонами др. стран с целью повышения точности воспроизведения единицы и совершенствования методов передачи ее размера.

Размер единицы передается сверху вниз – от более точных СИ к менее точным.

Эталон – это высокоточное средство измерения, предназначенное для воспроизведения и хранения единицы ФВ с целью пере­дачи ее размера другим средствам измерений (СИ) данной величины.

Эталон выполняется по особой спецификации и официально утвержден.

Перечень эталонов не повторяет перечня ФВ. Для ряда единиц эталоны не создаются из-за того, что нет возможности непосредственно сравнить соответствующие ФВ, например, нет эталона площади.

От эталона единица величины передаётся разрядным эталонам, от них – рабочим средствам измерений.

– применяются для определения параметров технических устройств, технологических процессов.

Наши предки тоже пользовались эталонами, хотя тогда такого понятия еще не существовало:

·Золотой пояс киевского князя Святослава Ярославовича - мера длины, о которой старинная грамота (1073 г.) говорит: ”Сё мера и основание”, его длина была 108 см.

·Ярд – расстояние от кончика носа короля Англии Генриха I (XI –XII вв.) до конца среднего пальца его вытянутой руки (по другим источникам –длина его меча).

·Шток – 16 футов – длина ступней 16 человек, вышедших первыми из церкви от заутрени в воскресенье.

Современные эталоны классифицируются на:

первичные вторичные рабочие.

1)Первичный эталон - воспроизводит единицу физической величины с наивысшей точностью (!), возможной в данной области измерений.

Первичный эталон может быть:

на­циональным (государственным) международным:

·Национальный эталон утверждается в качестве исходного средства измерения для страны национальным органом по мет­рологии. В России - это Госстандарт РФ.

Эти эталоны создаются, хранятся и применяются центральными метрологическими научными институтами страны.

·Международные эталоны хранит и поддерживает Междуна­родное бюро мер и весов (МБМВ) (? Где – г. Севр, Франция).

Важнейшая задача деятель­ности МБМВ состоит в систематических международных сли­чениях национальных эталонов крупнейших метрологических лабораторий разных стран с международными эталонами, что необходимо для обеспечения досто­верности, точности и единства измерений как одного из усло­вий международных экономических связей.

Установлены определенные периоды сличения. На­пример, эталоны метра и килограмма сличают каждые 25 лет, а электрические и световые эталоны - один раз в 3 года.

Световой эталон - мера, воспроизводящая с максимально достижимой точностью световые единицы. Основой светового эталона служит абсолютно черное тело при рабочей температуре 2042.1 К яркостью в 60 стильбов.

Электрические эталоны – поскольку электрический ток (напряжение) есть процесс, протекающий во времени, эталон тока (напряжения) невозможно сохранять. На практике величина ампера воспроизводится путем фактического измерения силы взаимодействия витков провода, несущих ток.

А вольт на практике воспроизводится с помощью группы нормальных элементов, в основе эффект Джозефсона на переменном токе (частота переменного тока между двумя сверхпроводящими пластинами пропорциональна внешнему напряжению).

Первичному эталону соподчинены вторичные и рабочие (разрядные) эталоны.

2)В целях проведения различных метрологических работ со­здаются вторичные эталоны.

Вторичные эталоны хранят размер единицы, полученной путем сличения с первичным эталоном соответствующей ФВ.

Они используются в тех случаях, когда необходимо проводить поверочные работы, а так же для обеспечения сохранности и наименьшего износа государственного эталона.

Вторичные эталоны делят на: эталоны-свидетели, эталоны-копии, эталоны-сравнения.

·Эталоны-свидетели предназначены для поверки сохран­ности и неизменности государственного эталона и для заме­ны его в случае порчи или утраты.

·Эталоны-сравнения при­меняются для сличения эталонов, которые по каким-либо причинам не могут непосредственно сличаться друг с дру­гом.

·Эталоны-копии используются для передачи размеров единиц рабочим эталонам.

Вто­ричные эталоны могут утверждаться либо Госстандартом РФ, либо государственными научными метрологическими центрами.

3)Рабочие эталоны - воспринимают размер единицы от вторичных эталонов и в свою очередь слу­жат для передачи размера менее точному рабочему эталону (эталону более низкого разряда) и рабочим средствам из­мерений.

Рабочие эталоны являются наиболее распространенными эталонами (сотни тысяч единиц).

Рабочие эталоны раз­деляются по разрядам (1, 2, 3, иногда — 4). От рабочих эта­лонов низшего разряда размер передается рабочим средствам измерения (РСИ). РСИ обладает различной точностью из­мерений: точные РСИ при поверке получают размер от рабо­чих эталонов 1-го разряда; менее точные — от эталонов низ­шего 3-го или 4-го разряда (рис. 2). С помощью РСИ выпол­няются измерения при контроле качества продукции, осу­ществляется получение информации, необходимой для уп­равления технологическими процессами.

Обеспечение правильной передачи размера единиц ФВ во всех звеньях метрологической цепи достигается с помощью применения поверочных схем – это нормативный документ, который устанавливает соподчинение СИ, участвующих в передаче размера единицы от эталона к рабочим СИ, с указанием методов и погрешностей.

Самыми первыми официально утвержденными эталонами были прототипы метра и килограмм, принятые во Франции в 1799 г.

Эталон длины - метр - равен одной десятимиллионной части четверти дуги земного меридиана.

Эталон массы - грамм - масса одной миллионной кубического метра воды при ее максимальной плотности.

Поскольку было бы не очень удобно проводить измерения четверти земного меридиана при каждой продаже метра ткани или уравновешивать корзинку картофеля на рынке соответствующим количеством воды, были созданы металлические эталоны (решили не мудрить!), с предельной точностью воспроизводящие указанные идеальные определения:

Эталон метра представлял собой линейку из сплава платины с 10% иридия. Метр определялся как расстояние между центрами двух штрихов, нанесенных поперек линейки на ее концах, при температуре эталона, равной 00С.

Эталон килограмма - это масса цилиндра, сделанного из того же платино-иридиевого сплава, высотой и диаметром около 3,9 см.

Вскоре выяснилось, что металлические эталоны длины и массы можно сравнивать друг с другом, внося гораздо меньшую погрешность, чем при сравнении любого такого эталона с четвертью земного меридиана или с массой соответствующего объема воды.

В связи с этим Международная комиссия в 1872 постановила принять их за эталон длины и массы соответственно. Они были переданы на хранение Международному бюро мер и весов, расположенному в Севре – пригороде Парижа.

Международное бюро мер и весов и Генеральная конференция по мерам и

весам незамедлительно занялись разработкой международных эталонов длины и массы и передачей их копий всем странам-участницам подписанного соглашения.

Но благодаря современным достижениям науки и техники, в 1983 г. Генеральная конференция по мерам и весам приняла новое определение метра как длины пути, проходимого светом за 1/ доли секунды в условиях ваккума.