Фізична величина - це ... Вимірювання фізичних величин. Система фізичних величин

Фізика як наука, що вивчає явища природи, використовує стандартну методику дослідження. Основними етапами можна назвати: спостереження, висування гіпотези, проведення експерименту, обґрунтування теорії. У ході спостереження встановлюються відмінні риси явища, хід його перебігу, можливі причини та наслідки. Гіпотеза дозволяє пояснити хід явища, встановити його закономірності. Експеримент підтверджує (або не підтверджує) справедливість гіпотези. Дозволяє встановити кількісне співвідношення величин в ході досвіду, що призводить до точному встановленню залежностей. Підтверджена в ході досвіду гіпотеза лягає в основу наукової теорії.

Жодна теорія не може претендувати на достовірність, якщо не отримала повного і беззастережного підтвердження в ході експерименту. Проведення останнього пов`язане з вимірюваннями фізичних величин, що характеризують процес. Фізична величина - це основа вимірювань.

Що це таке

Вимірювання стосується тих величин, які підтверджують справедливість гіпотези про закономірності. Фізична величина - це наукова характеристика фізичного тіла, якісне ставлення якої є загальним для безлічі аналогічних тел. Для кожного тіла така кількісна характеристика суто індивідуальна.

Якщо звернутися до спеціальної літератури, то в довіднику М. Юдіна та ін. (1989 року видання) читаємо, що фізична величина це: "характеристика однієї з властивостей фізичного об`єкта (фізичної системи, явища або процесу), загальна в якісному відношенні для багатьох фізичних об`єктів, але в кількісному відношенні індивідуальна для кожного об`єкта ".

Словник Ожегова (1990 року видання) стверджує, що фізична величина це - "розмір, обсяг, протяжність предмета".

Наприклад, довжина - фізична величина. Механіка довжину трактує як пройдену відстань, електродинаміка використовує довжину проводу, в термодинаміки аналогічна величина визначає товщину стінок судин. Суть поняття не змінюється: одиниці величин можуть бути однаковими, а значення - різним.

Відмінною рисою фізичної величини, скажімо, від математичної, є наявність одиниці виміру. Метр, фут, аршин - приклади одиниць вимірювання довжини.

Одиниці виміру

Щоб виміряти фізичну величину, її слід порівняти з величиною, прийнятої за одиницю. Згадайте чудовий мультфільм «Сорок вісім папуг». Щоб встановити довжину удава, герої вимірювали його довжину то в папуг, то в слоненята, то в мавпах. У цьому випадку довжину удава порівнювали з ростом інших героїв мультфільму. Результат кількісно залежав від еталону.

Одиниця фізичної величини - міра її вимірювання в певній системі одиниць. Плутанина в цих заходах виникає не тільки внаслідок недосконалості, різнорідності заходів, але іноді й через відносності одиниць.

Російська міра довжини - аршин - відстань між вказівним і великим пальцями руки. Однак руки у всіх людей різні, і аршин, виміряний рукою дорослого чоловіка, відрізняється від аршини на руці дитини або жінки. Така ж невідповідність мір довжини стосується сажні (відстань між кінчиками пальців розставлених у сторони рук) і ліктя (відстань від середнього пальця до ліктя руки).

Цікаво, що в крамниці прикажчиками брали чоловіків невеликого зросту. Хитрі купці економили тканину за допомогою кілька менших міряв: аршин, лікоть, сажень.

Системи заходів

Така різноманітність заходів існувало не тільки в Росії, але і в інших країнах. Введення одиниць виміру найчастіше було довільним, іноді ці одиниці вводилися тільки внаслідок зручності їх вимірювання. Наприклад, для вимірювання атмосферного тиску ввели мм ртутного стовпа. Відомий досвід Торрічеллі, в якому використовувалася трубка, заполонений ртуттю, дозволив запровадити таку незвичайну величину.

Потужність двигунів порівнювали з кінською силою (Що практикується і в наш час).

Різні фізичні величини вимір фізичних величин робили не тільки складними і недостовірними, але й ускладнюють розвиток науки.

Єдина система заходів

Єдина система фізичних величин, зручна і оптимізована в кожній промислово розвиненій країні, стала нагальною потребою. За основу була прийнята ідея вибору якомога меншої кількості одиниць, за допомогою яких в математичних співвідношеннях можна було б висловити й інші величини. Такі основні величини не повинні бути пов`язані один з одним, їх значення визначається однозначно і зрозуміло в будь-якій економічній системі.

Цю проблему вирішити намагалися в різних країнах. Створення єдиної системи заходів (Метрична, СГС, МКС та інші) робилося неодноразово, але ці системи були незручні або з наукової точки зору, або в побутовому, промисловому застосуванні.

Завдання, поставлене в кінці 19 століття, вирішити вийшло тільки в 1958 році. На засіданні Міжнародного комітету законодавчої метрології була представлена уніфікована система.

Уніфікована система заходів

1960 ознаменувався історичним засіданням Генеральної конференції з мір та ваг. Унікальна система, названа «Systeme internationale d`unites» (скорочено SI) була прийнята рішенням цього почесного зібрання. У російській версії ця система названа Система інтернаціональна (абревіатура СІ).

За основу прийняті 7 основних одиниць і 2 додаткових. Їх чисельне значення визначається у вигляді еталону

Таблиця фізичних величин СІ

Сама система не може складатися тільки з семи одиниць, оскільки різноманітність фізичних процесів у природі вимагає введення все нових і нових величин. У самій структурі передбачено не тільки впровадження нових одиниць, але і їх взаємозв`язок у вигляді математичних співвідношень (їх частіше називають формулами розмірностей).

Одиниця фізичної величини виходить із застосуванням множення, зведення в ступінь і ділення основних одиниць у формулі размерностей. Відсутність числових коефіцієнтів у таких рівняннях робить систему не тільки зручною в усіх відношеннях, але і когерентної (узгодженої).

Похідні одиниці

Одиниці виміру, які формуються з семи основних, отримали назву похідних. Крім основних і похідних одиниць, виникла необхідність введення додаткових (радіан і стерадіан). Їх розмірність прийнято вважати нульовою. Відсутність вимірювальних приладів для їх визначення унеможливлює їх вимір. Їх введення обумовлено застосуванням у теоретичних дослідженнях. Наприклад, фізична величина «сила» в цій системі вимірюється в ньютонах. Оскільки сила - міра взаємної дії тіл один на одного, що є причиною варіювання швидкості тіла певної маси, то визначити її можна як добуток одиниці маси на одиницю швидкості, поділену на одиницю часу:

F = k? M? V / T, де k - коефіцієнт пропорційності, M - одиниця маси, v - одиниця швидкості, T - одиниця часу.

СІ дає наступну формулу размерностей: Н = кг? М / с², де використані три одиниці. І кілограм, і метр, і секунда віднесені до основних. Коефіцієнт пропорційності дорівнює 1.

Можливо введення безрозмірних величин, які визначаються у вигляді співвідношення однорідних величин. До таких можна віднести коефіцієнт тертя, як відомо, дорівнює відношенню сили тертя до сили нормального тиску.

Таблиця фізичних величин, похідних від основних

Позасистемні одиниці

Використання історично сформованих величин, що не входять в СІ або відрізняються тільки числовим коефіцієнтом, допускається при вимірюванні величин. Це позасистемні одиниці. Наприклад, мм ртутного стовпа, рентген та інші.

Числові коефіцієнти використовуються для введення часткових і кратних величин. Приставки відповідають певному числу. Прикладом можуть служити санти, кило-, дека-, мега- і багато інших.

1 кілометр = 1000 метрів,

1 сантиметр = 0,01 метра.

Типологія величин

Спробуємо вказати кілька основних ознак, які дозволяють встановити тип величини.

1. Напрямок. Якщо дія фізичної величини безпосередньо пов`язано з напрямком, її називають векторної, інші - скалярні.

2. Наявність розмірності. Існування формули фізичних величин дає можливість називати їх розмірними. Якщо у формулі всі одиниці мають нульову ступінь, то їх називають безрозмірними. Правильніше було б назвати їх величинами з розмірністю, рівної 1. Адже поняття безрозмірною величини нелогічно. Основна властивість - розмірність - ніхто не відміняв!

3. По можливості складання. Аддитивная величина, значення якої можна складати, віднімати, множити на коефіцієнт і т. Д. (Наприклад, маса) - фізична величина, що є сумовною.

4. За співвідношенням з фізичної системою. Екстенсивна - якщо її значення можна скласти з значень підсистеми. Прикладом може служити площа, яка вимірюється в метрах квадратних. Інтенсивна - величина, значення якої не залежить від системи. До таких можна віднести температуру.