Лекция № 3 Физические величины как объект измерения.

Измерение- нахождение значения физической величины опыт­ным путем с помощью специальных технических средств.

От термина «Измерение» происходит термин «измерять». Не сле­дует применять другие термины - «мерить», «обмерять», «замерять», «промерять». Они не вписываются в систему метрологических тер­минов.

Для проведения измерения необходимо наличие: физической величины; метода измерений; средства измерений; оператора; условий, необходимых для измерения.

Цель измерения - получение значения физической величины в форме, наиболее удобной для пользования.

Что понимают под физической величиной, значение которой находят опытным путем?

Физическая величина,как уже отмечалось выше, - это характери­стика физического объекта (физической системы, явления или процесca), общая в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальная для каж­дого из них.

Индивидуальность понимается в том смысле, что свойство может для одного объекта в определенное число раз быть больше или мень­ше, чем для другого объекта. Примерами физических величин могут служить плотность, температура плавления, показатель прелом­ления света и многие другие.

Физическая величина характеризуется размером, значением, числовым значением, истинным и действительным значениями.

Размер физической величины - количественная определенность физической величины, присущая конкретному материальному объекту, системе, явлению или процессу.

Значение физической величины - выражение размера физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц.

Числовое значение физической величины - отвлеченное число, входящее в значение величины.

«Величина» - многовидовое понятие. Но термином «величина» часто выражают размер конкретной физической величины. Не­правильно говорить «величина скорости», «величина напряжения», так как и скорость, и напряжение являются величинами.

Между размером и значением величины есть разница. Размер величины существует реально. Выразить размер величины можно любой из единиц данной величины при помощи числового значения. Числовое значение изменяется в зависимости от выбранных единиц, тогда как физический размер величины остается неизменным.

Единица физической величины- физическая величина фиксиро­ванного размера, которой условно присвоено числовое значение, равное 1.

Физическую величину характеризует ее истинное значение, которое идеальным образом отражает в качественном и количест­венном отношении соответствующее свойство объекта.

Действительным называют значение физической величины, найденное экспериментальным путем и настолько приближенное к истинному значению, что для данной цели может быть использо­вано вместо него.

Виды измерений. По способу получениячислового значения измеряемой величины все измерения делятся на четыре основных вида: прямые, косвенные, совокупные и совместные.

Прямыми называются измерения, при которых искомое значение физической величины получают непосредственно из опытных дан­ных (например, измерение массы на весах, длины детали микро­метром).

Строго говоря, измерение всегда прямое и рассматривается как сравнение величины с ее единицей. В этом случае лучше применять термин «прямой метод измерения».

Косвенные измерения - определение искомого значения физиче­ской величины на основании результатов прямых измерений других физических величин, функционально связанных с искомой величи­ной.

Косвенные измерения проводятся в тех случаях, когда:

* значение измеряемой величины легче находить путем косвен­ных измерений, чем путем прямых измерений;

* прямые измерения той или иной величины отсутствуют;

* косвенные измерения дают меньшую погрешность, чем прямые измерения.

Уравнение косвенных измерений: у = f (х₍, х₂,... х_п), где у - искомая величина, являющаяся функцией аргументов х,, х₂,..., х_п, полученных прямыми измерениями.

Примером косвенных измерений является определение твердости (НВ) металлов путем вдавливания стального шарика определенного диаметра (D) с определенной нагрузкой (Р) и получения при этом определенной глубины отпечатка (h): НВ = P/(tcD • h).

Совокупными называются проводимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых значения искомых величин находят решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях.

Например, измерения, при которых массы отдельных гирь набо­ра находят по известной массе одной из них и по результатам пря­мых сравнений масс различных сочетаний гирь.

Совместные измерения - это производимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для нахож­дения функциональной зависимости между ними. Например, опре­деления зависимости длины тела от температуры, температур кипе­ния и плавления от давления и т.д.

Измерения могут быть классифицированы:

а) по характеристике точности - равноточные (ряд измерений какой-либо величины, выполненных одинаковыми по точности средствами измерения и в одних и тех же условиях) и неравноточные (ряд измерений какой-либо величины, выполненных несколькими
различными по точности средствами измерения и (или) в нескольких разных условиях);

б) по числу измерений в ряду измерений - однократные и много кратные;

в) по отношению к изменению измеряемой величины - статические (измерение неизмененной во времени физической величины, например, измерение длины детали при нормальной температуре или измерение размеров земельного участка) и динамические (измерение изменяющейся по размеру физической величины, например,
измерение переменного напряжения электрического тока, измерение
расстояния до уровня земли со снижающегося самолета);

г) по выражению результата измерения - абсолютные (измерение, основанное на прямых измерениях величин и (или) использовании значений физических констант, например, измерение силы F основано на измерении основной величины массы m и использовании физической постоянной - ускорения свободного падения g) и относительные (измерение отношения величины к одноименной вели­чине, выполняющей роль единицы).

Измерить состав или свойство веществ или измерить физическую величину можно, используя тот или иной метод измерения.

Метод измерения- это прием или совокупность приемов срав­нения измеряемого состава или свойства вещества или измеряемой физической величины с известным составом или свойством вещества или с единицей физической величины в соответствии с реализован­ным принципом измерений.

Принцип измерений- это явление или эффект, положенные в основу измерений.

Рассмотрим некоторые принципы, которые положены в основу измерений.

Если нагревать места спая двух электродов из разнообразных материалов, то возникает ЭДС. Указанное явление положено в осно­ву измерения температуры с высокой точностью (термопары).

При нагревании электрических проводников и полупроводников изменяется их сопротивление. Это явление позволяет получать высо­кую точность измерения температуры, особенно с применением платины. Применение полупроводников дает возможность измерять малые интервалы температур и температуру тел, имеющих очень малые объемы.

При растяжении или сжатии некоторых материалов изменяется их электрическое сопротивление, что положено в основу измерения малых деформаций тел, а также высокого и сверхвысокого давлений. На границе металла и полупроводника при освещении возникает ЭДС, так называемый фотоэлектрический эффект. На использо­вании фотоэффекта основаны фотоэлементы, которые применяются во многих средствах измерений.

Яркость свечения тела зависит от температуры, которая, в свою очередь, зависит от силы тока, накаливающего тело. На этом явле­нии основан бесконтактный метод измерения температуры (опти­ческий пирометр).