2. Понятие измерения

Измерение является одной из древнейших операций в процессе познания человеком окружающего материального мира. Вся история цивилизации представляет собой непрерывный процесс становления и развития измерений, совершенствования средств и методов измерений, повышения их точности.

В процессе своего развития человечество прошло путь от измерений на основе органов чувств и частей человеческого тела до научных основ измерений и использования для этих целей сложнейших физических процессов и технических устройств. В настоящее время измерениями охватываются все физические свойства материи практически независимо от диапазона изменения этих свойств.

С развитием человечества измерения приобретали все большее значение в науке, технике, производственной деятельности. Многие науки стали называться точными благодаря тому, что они могут устанавливать с помощью измерений количественные соотношения между явлениями природы. Не меньшее значение имеют измерения в технике, производственной деятельности, при учете материальных ценностей, при обеспечении безопасных условий труда и здоровья человека, в сохранении окружающей среды. Доля затрат на измерения составляет 10–15 % всех затрат общественного труда, достигая в электронике и точном машиностроении 50–70 %, при создании современных электронных систем до 60–80 % затрат приходится на измерения параметров материалов, компонентов и готовых изделий.

Существуют различные определения понятия «измерение», например:

1) совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, которые обеспечивают нахождение соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой величины (Рекомендации по межгосударственной стандартизации РМГ 29-99 Метрология. Основные термины и определения, 1999 г.);

2) совокупность операций, имеющих целью определить значение величины (Международный словарь по терминам в метрологии, 1994 г.);

3) совокупность операций, выполняемых для определения значения величины (Закон Республики Беларусь «Об обеспечении единства измерений» от 5 сентября 1995 г. № 3848-XІІ).

Приведенные выше определения измерения могут быть выражены уравнением, которое в метрологии называется основным уравнением измерений:

X={X}[X],

где X – измеряемая величина; {X} – числовое значение измеряемой вели чины; [X] – единица измерения.

Во всех определениях измерения присутствует понятие величины, или более строго физической величины.

2. Физические величины и их измерения

Физическая величина – одно из свойств физического объекта (физической системы, явления или процесса), общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них.

Слово «величина» часто применяется в двух смыслах: как вообще свойство, к которому применимо понятие больше или меньше, и как количество этого свойства. В последнем случае приходилось бы говорить о «величине величины», поэтому в дальнейшем речь будет идти о величине как о значении - именно как свойстве физического объекта; во втором же смысле как о физической величине.

В последнее время все большее распространение получает подразделение величин на физические и нефизические. При этом под физическими понимают величины, которые характеризуют свойства физического мира и применяются в физических науках и технике. Для них существуют единицы измерения. Физические величины в зависимости от правил их измерения подразделяются на три группы:

– величины, характеризующие свойства объектов (длина, масса);

– величины, характеризующие состояние системы (давление, температура);

– величины, характеризующие процессы (скорость, мощность).

К нефизическим относят величины, для которых нет единиц измерения. Они могут характеризовать как свойства материального мира, так и понятия, используемые в общественных науках, экономике, медицине. В соответствии с таким разделением величин принято выделять измерения физических величин и нефизические измерения. Измерения нефизических величин фигурируют в медико-биологических исследованиях, в частности в психологии, экономике, социологии и других общественных науках. В этом случае правильнее было бы говорить не об измерении, а об оценивании величин, понимая оценивание как установление качества, степени, уровня чего-либо в соответствии с установленными правилами. Например, определение силы ветра или землетрясения, выставление оценки фигуристам или оценок знаний учащихся по пятибалльной шкале.

Понятие «измерение», предполагающее наличие единицы измерения (меры), соответствует понятию измерения в узком смысле и является более традиционным и классическим. В этом смысле оно и будет пониматься как измерение физических величин.

Существуют основные и производные величины. В качестве основных выбирают величины, которые характеризуют фундаментальные свойства материального мира: масса, время, температура, количество вещества, сила света, сила электрического тока, с помощью которых создается все многообразие производных физических величин и обеспечивается описание любых свойств физических объектов и явлений.

Совокупность основных и производных единиц называется системой единиц физических величин.

В 1960 г. Генеральная конференция по мерам и весам утвердила Международную систему единиц СИ (System International of Units).

Измеряемые величины имеют качественную и количественную характеристики.

Формализованным отражением качественного различия измеряемых величин является их размерность. Согласно ИСО размерность обозначается символом dim (от лат. dimension – размерность). Размерность основных физических величин обозначается соответствующими буквами:

Dim l = L, dim m = M, dim t = T.

Размерность производной физической величины выражается через размерность основных физических величин с помощью степенного одночлена:

Dim X = L^a … и т. д.,

где L размерность длины; a – показатель размерности или показатель степени, в которую возведены размерности основных физических величин.

Каждый показатель размерности может быть положительным или отрицательным, целым, дробным или нулем. Если все показатели размерности равны нулю, тот величина называется безразмерной. Она может быть относительной, определяемой как отношение одноименных величин (например, относительная диэлектрическая проницаемость), и логарифмической, определяемой как логарифм относительной величины.

Количественной характеристикой измеряемой величины служит ее размер. Получение информации о размере физической или нефизической величины является содержанием любого измерения.

Ниже приведены основные понятия, относящиеся к физической величине (основные понятия приводятся по СТБ П 8021 – 2003 (РМГ 29-99) «Система обеспечения единства измерений Республики Беларусь. Метрология. Основные термины и определения»:

– 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;

– истинное значение физической величины – значение физической величины, которое идеальным образом характеризует в качественном и количественном отношении соответствующую физическую величину (может быть соотнесено с понятием абсолютной истины и получено только в результате бесконечного процесса измерений с бесконечным совершенствованием методов и средств измерений);

– действительное значение физической величины – значение физической величины, полученное экспериментальным путем и настолько близкое к истинному значению, что в поставленной измерительной задаче может быть использовано вместо него;

– единица измерения физической величины – физическая величина фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение, равное 1, и применяемая для количественного выражения однородных с ней физических величин;

– система физических величин – совокупность физических величин, образованная в соответствии с принятыми принципами, когда одни величины принимаются за независимые, а другие определяются как функции этих независимых величин;

– основная физическая величина – физическая величина, входящая в систему величин и условно принятая в качестве независимой от других величин этой системы;

– производная физическая величина – физическая величина, входящая в систему величин и определяемая через основные величины этой системы;

– система единиц физических величин – совокупность основных и производных единиц физических величин, образованная в соответствии с принципами для заданной системы физических величин. Например, международная система единиц (СИ).