Международная система единиц физических величин
В 1954г на Генеральной конференции по мерам и весам (ГКМВ) были определены шесть основных единиц физических величин для их использования в международных отношениях: метр, килограмм, секунда, ампер, градус Кельвина и свеча. В 1960г на этой конференции была утверждена Международная система единиц — SI. Аббревиатура системы составлена из начальных букв французского названия «Systeme International d'Unites» — система интернациональная (СИ). В последующие годы на заседаниях ГКМВ были приняты ряд дополнений и изменений, в результате чего в систему стали входить семь основных единиц, две дополнительных и ряд производных единиц физических величин. Были также разработаны следующие определения основных единиц:
Ø единица длины — метр — длина пути, который проходит свет в вакууме за 1/299.792.458 долю секунды;
Ø единица массы — килограмм — масса, равная массе международного прототипа килограмма;
Ø единица времени — секунда — время, равное 9,192,631,770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133 при отсутствии возмущения со стороны внешних полей;
Ø единица силы электрического тока — ампер — сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1м друг от друга, создал бы на каждом участке проводника длиной 1м силу взаимодействия, равную 2∙10‒7Н;
Ø единица термодинамической температуры — Кельвин — термодинамическая температура, равная 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды. Кроме термодинамической температуры допускается применение температуры Цельсия (единица — градус Цельсия);
Ø единица количества вещества — моль — количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в изотопе углерода-12 (12C) массой 0,012кг;
Ø единица силы света — кандела — сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540∙1012Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683Вт/ср.
Кроме основных в СИ есть дополнительные единицы для измерения плоского и телесного углов — радиан и стерадиан соответственно, а также большое количество производных единиц пространства и времени, механических, электрических, магнитных, тепловых, световых и акустических величин, а также производных единиц в области ионизирующих излучений. В России СИ официально была принята путем введения в 1963г соответствующего государственного стандарта.
Основные понятия об измерениях
Измерением называется процесс нахождения значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. Получаемая при этом информация называется измерительной.
Определенная информация об объекте измерения должна быть известна до проведения исследований, что является важным фактором, обусловливающим эффективность измерения. Такую информацию об объекте измерения называют априорной. При полном отсутствии этой информации измерение невозможно, так как неизвестно, что же необходимо измерить, а следовательно, нельзя выбрать нужные методы и средства измерений.
Информация, получаемая в результате измерения, может содержаться в объекте измерения в двух формах: пассивной и активной. Пассивная информация представляет собой совокупность сведений характеризующих объект. К такой информации, например, относится информация о величине напряжения источника питания. Информация является активной, если она имеет форму энергетической характеристики какого-либо явления. Подобные энергетические явления называются сигналами. Их примерами являются электрические, оптические и акустические сигналы, используемые для передачи информации.
При определении значения интересующей физической величины результат измерения может быть представлен в виде аналитического соотношения, известного как основное уравнение метрологии:
A = kA0,
где A — значение измеряемой физической величины; k — отношение измеряемой величины к образцу; A0 — значение величины, принятой за образец.
Принцип измерений представляет собой совокупность физических принципов, на которых основаны измерения, например применение эффекта Холла для измерения мощности или эффекта Джозефсона для измерения электрического напряжения.
Метод измерений — это совокупность использования принципов и средств измерений. Это общее определение на практике часто конкретизируют, относя его только к применяемым средствам измерений, например метод измерения частоты частотомером, напряжения — вольтметром, силы тока — амперметром и т.д.
Метод измерений следует отличать от методики измерений, которая представляет собой общий или поэтапный план проведения измерений, т.е. намеченного распорядка измерений, определяющего состав применяемых приборов, последовательность и правила проведения операций.
Объект измерений — это реальный физический объект, свойства которого характеризуются одной или несколькими измеряемыми физическими величинами.
В технической литературе и нормативной документации часто упоминается алгоритм измерений, под которым следует понимать точное предписание о перечне и порядке выполнения операций, обеспечивающих измерение искомого значения физической величины.
Достоверность измерений определяется степенью доверия к результату измерения и характеризуется вероятностью того, что истинное значение измеряемой величины находится в указанных пределах. Данную вероятность называют доверительной.
Правильность измерений — это метрологическая характеристика, отражающая близость к нулю так называемых систематических погрешностей результатов измерений.
Сходимость результата измерений определяет качество измерений и отражает близость друг к другу результатов измерений одной и той же величины, выполняемых повторно одними и теми же методами и средствами измерений в одних и тех же условиях.
Воспроизводимость результатов измерений характеризует качество измерений и отражает близкие результаты измерений одной и той же величины, полученные в разных местах, разными методами и средствами измерений, разными операторами, но приведенные к одним и тем же условиям.
Измерения как экспериментальные процедуры определения значений измеряемых величин весьма разнообразны. Их классифицируют по определенным признакам, например по способу получения результата измерения подразделяют на прямые и косвенные.
Прямым называется измерение, когда искомое значение физической величины находится непосредственно из опытных данных. Часто под прямыми понимаются такие измерения, при которых не производится промежуточных преобразований. Это, например, измерение напряжения и силы тока такими электроизмерительными приборами, как вольтметр и амперметр. Прямые измерения очень распространены в практике измерений. Математически прямые измерения можно охарактеризовать элементарной формулой
A = x,
где A — измеряемая величина; x — значение величины, найденное путем ее измерения и называемое результатом измерения.
Косвенным называется измерение, при котором искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям. Косвенные измерения можно охарактеризовать следующей формулой:
A = (X1, X2..., Xm),
где X1, X2..., Xm — результаты прямых измерений величин, связанных известной функциональной зависимостью с искомым значением измеряемой величины A.
Косвенные измерения характерны для практики измерений, например измерение мощности методом амперметра—вольтметра, определение резонансной частоты колебательного контура по результатам прямых измерений емкости и индуктивности контура и т.д.
Контрольные вопросы
1Что такое метрология? Какие составляющие эта наука включает в себя?
2Какие единицы измерений применялись на Руси?
3Когда и где введена Метрическая система мер?
4Когда было принято новое определение метра и как это стало возможным?
5Что такое «Законодательная метрология»?
6Что такое абсолютная система единиц?
7В чем заключается суть понятий основной и производной физических величин?
8Что представляет собой Международная система единиц?
9Когда в России было принята система СИ?
10Что такое измерение, объект измерения, методы и средства измерений?
11В каких формах содержится информация в объекте измерения?
12Какие основные виды и методы измерений вы знаете?