Физические основы измерений

Введение

Физические основы измерений (ФОИ) – это предмет, в котором изучают общие принципы и методы измерений физических величин, основанные на конкретных физических явлениях и законах, а также изучают источники погрешностей измерений и методы повышения точности измерений.

Физических величин, которые приходиться измерять в быту и производстве несколько тысяч, для каждой из них разрабатываются и используются (и не один) метод измерений и свое (СИ).

Учебный курс ФОИ отличается от курса метрологии. Метрология – учение о мерах, методах и средствах обеспечения единства измерений в рамках требуемой точности.

Метрология делится на законодательную и научную. Научная метрология занимается разработкой мер, методов и средств обеспечения единства измерений в рамках требуемой точности. Образно можно сказать, что научная метрология – это философия измерений.

 

Законодательная метрология – это своеобразный “юридический кодекс” в области измерений. Законодательная метрология следит за строгим соблюдением методов, методик и правил, обеспечивающих единство измерений в рамках требуемой точности.

Классификация физических величин

Величины, которые приходиться измерять, можно разделить на 2 вида:

  • нефизические;
  • физические.

Нефизические величины: мораль, красота, ум, … . Эти величины сравнивают между собой с помощью так называемых экспертных оценок. Они не имеют количественных свойств, хотя могут измеряться в баллах, выставляемых экспертами (специалистами, признанными в своем деле общественностью или другими специалистами).

Физическая величина – свойство материальных объектов, общее в качественном отношении для множества объектов, но индивидуальное в количественном отношении для каждого из них.

Например, масса – мера инертности (инертная масса) или мера гравитационного взаимодействия (гравитационная масса) любых материальных объектов, но не существует макроскопических материальных объектов с одинаковой массой.

Физические величины обладают и качественными, и количественными свойствами. Например, масса как мера инертности (лучше говорить – инерционности) включает в себя качественное свойство материи – инерционность как способность тел сохранять значение импульса при отсутствии действия внешних сил и включает в себя количественное свойство – величину массы.

У любого физического объекта имеется бесконечное количество свойств, и любая классификация объединяет или выделяет лишь малую часть этих свойств.

Примеры классификации.

1. По качественным физическим свойствам: инерционность (масса); степень “нагретости” (температура); взаимодействие с постоянным электрическим полем (диэлектрическая проницаемость); и так далее.

Таким образом, можно ввести электрические, механические, оптические, акустические и другие величины.

2. По зависимости величины от направления в данной точке пространства. Эту зависимость описывают три вида физических величин:

  • скаляры (температура, давление, масса, плотность). Их значение не зависит от направления;
  • векторы (скорость, сила, напряженность электрического и магнитного полей, импульс). Значения этих величин не равны нулю только в определенном направлении;

Сюда же относятся и квазивекторы. В данном случае вектор, описывающий данную физическую величину, расположен вдоль выбранной оси и его направление вдоль этой оси зависит от соглашения. Например, направление вектора, являющегося результатом векторного произведения двух обычных векторов, выбирается обычно по правилу правого винта (в частности, так выбирается направление момента силы ). Квазивектором является угловая скорость;

  • тензоры. В данном случае значение физической величины в данной точке пространства зависит от направления. В разных направлениях значение физической величины разное.

Рассмотрим это свойство тензоров подробнее на примере соотношения между векторами и .

Вектор электрической индукции обычно определяется по формуле, где ε-диэлектрическая проницаемость. Из этой формулы видно, что вектор всегда параллелен вектору напряженности электрического поля , и его величина пропорциональна величине вектора . Однако эта формула справедлива в так называемых изотропных средах, в которых значение ε одинаково в любых направлениях в пространстве (воздух, стекло). Здесь ε – является скаляром.

Когда между обкладками конденсатора расположено кристаллическое вещество вектор может быть не параллельным вектору . Тогда соотношение между и записывают в виде системы уравнений . В этой системе уравнений – числа, которые описывают диэлектрические свойства анизотропного вещества в выбранной системе координат xyz, и – проекции вектора и вектора в этой системе координат. В частности, если на рис. Ex ≠0 и Ey=Ez=0, имеем . Указанная выше система уравнений может быть записана в виде . Числа называют компонентами тензора второго ранга. Таких чисел всего девять. Их можно записать в виде матрицы: . Как правило, для физических величин выполняется равенство , т.е. тензор является симметричным.

Существуют также физические величины, свойства которых описываются тензорами третьего, четвертого и более высокого ранга. Скаляры можно назвать тензорами нулевого ранга, векторы – тензорами первого ранга.

3. По отношению к процессу измерения:

  • активные и пассивные;
  • аддитивные и интенсивные.

Активные – величины, которые могут быть преобразованы в сигналы измерительной информации без вспомогательных источников энергии (например: ЭДС, сила тяжести и т.д.).

Пассивные – величины, которые при измерении требуют использования источника энергии и преобразования в активные величины (например: сопротивление, индуктивность, емкость и т.д.).

Аддитивные – величины, к которым применимы операции суммирования и вычитания (например: масса, длина, ЭДС, заряд и т.д.).

Интенсивные (неаддитивные) – величины, к которым не применимы операции суммирования и вычитания (например: температура, удельная электропроводность, диэлектрическая проницаемость и т.д.).