Основные величины и единицы измерения
Физическая величина |
Обозна- |
Единица |
Обозначе- |
|
чение |
измерения |
ние едини- |
|
|
|
цы изм. |
|
|
|
|
Длина |
l |
Метр |
м |
|
|
|
|
Масса |
m |
Килограмм |
кг |
|
|
|
|
Время |
t |
Секунда |
с |
|
|
|
|
Сила электрич. тока |
I |
Ампер |
А |
|
|
|
|
Температура |
Т |
Кельвин |
К |
|
|
|
|
Количество вещества |
n |
Моль |
моль |
|
|
|
|
Сила света |
I |
Кандела |
кд |
|
|
|
|
Отметим, что на практике эти определения реализуются с конечной точностью. Для этого используют разнообразные методы измерений, которые постоянно совершенствуются. Если обратиться к истории, то мы увидим, как, с одной стороны, возрастали требования к точности определения единиц физических величин, а с другой стороны, возникали принципиально новые способы их измерения. Исследователи стремились и стремятся связать основные физические величины с фундаментальными постоянными, которые можно в любое время измерить с хорошей воспроизводимостью.
Определим теперь понятие размерности физической величины. Размерность показывает, как связана данная величина с основными физическими величинами. Поэтому нет нужды отдельно определять единицу измерения для каждой физической величины: они выражаются через произведение основных физических единиц с целыми показателями степени и численными множителями, равными 1. В Международной системе единиц СИ основным физическим величинам соответствуют основные единицы измерения: длина, масса, время, сила тока, температура, количество вещества и сила света. Их обычно обозначают прописными буквами L, М, Т, I, Θ, N и J.
6
Физическая величина и ее размерность - это не одно и тo жe. Одинаковую размерность могут иметь cовершенно разные по своей природе физические величины, например работа и вращающий момент или сила электрического тока и напряженность магнитного поля. Размерность не содержит информации о том, является ли данная физическая величина скаляром, вектором или тензором. Однако величина размерности важна для проверки правильности соотношений между физическими величинами.
Возможное рабочее описание термина «измерение», согласующееся с нашей интуицией, звучит так: «измерение - это получение информации». Одним из наиболее существенных аспектов измерения является сбор информации; измерения производятся для того, чтобы что-то узнать об объекте измерения, то есть об измеряемой величине. Это означает, что результат измерения должен описывать то состояние или то явление в окружающем нас мире, которое мы измеряем. Между этим состоянием или явлением и результатом измерения должно существовать то или иное соотношение. Хотя получение информации очевидно, оно является лишь необходимым, но не достаточным для определения измерения: когда кто-то читает учебник, он накапливает информацию, но не выполняет измерения.
Второй аспект измерения состоит в том, что оно должно быть избирательным. Оно может снабдить нас сведениями только о том, что мы хотим измерить (об измеряемой величине), но ничего не говорит ни об одном из многих других состояний или явлений вокруг нас. Это обстоятельство тоже необходимо, но не достаточно для определения измерения. Любуясь картиной в пустой комнате, где нет ничего другого, вы получите информацию только об этой картине, но это не будет измерением.
Третьей, и также необходимой стороной дела, является тот факт, что измерение должно быть объективным. Исход измерения не должен зависеть от наблюдателя. Любой наблюдатель
7
должен извлекать из измерения одну и ту же информацию и приходить к одним и тем же выводам. Но это почти невозможно, если наблюдатель будет пользоваться только своими собственными органами чувств. Наблюдения, выполненные с помощью наших органов чувств, в очень большой степени субъективны. Например, наше восприятие температуры сильно зависит от ощущения тепла или холода, предшествующего измерению. В этом легко убедиться, пытаясь определить рукой температуру кувшина с водой. Если сначала окунуть руку в холодную воду, то вода в кувшине покажется сравнительно теплой, а если вначале опустить руку в теплую воду, то вода в кувшине покажется относительно холодной. Помимо субъективности восприятия человек-наблюдатель испытывает также затруднение оттого, что существует много состояний и явлений в окружающем нас реальном мире, которые мы либо вовсе не ощущаем (например магнитные поля), либо воспринимаем лишь качественно (например очень низкие температуры или движение с большой скоростью). Таким образом, чтобы гарантировать объективность измерения, мы должны воспользоваться теми или иными приспособлениями (средствами, приборами). Назначение этих приборов состоит в том, чтобы преобразовать наблюдаемое состояние или явление в другое состояние или явление, которое наблюдатель уже не может истолковать неверно. Другими словами, прибор преобразует исходное наблюдение к такому виду, в котором оно доступно любому наблюдателю и относительно которого между наблюдателями не может быть разногласия. Поэтому желательно, чтобы результат измерения на выходе прибора можно было воспринимать объективно, например как число на алфавитноцифровом дисплее, а не в виде субъективной оценки таких характеристик, как цвет и т.п. Измерительная техника как раз и занимается созданием таких приборов, называемых измерительными системами.
С помощью качественного измерения устанавливают природу того, что должно быть измерено; качественное измерение
8
обеспечивает нас информацией, необходимой для того, чтобы выбрать приборы для проведения количественного измерения. Однако почти во всех случаях у нас уже имеется эта структурная информация и нам нужно выполнить только количественные измерения.
При измерении физических величин конкретных материалов в материаловедении или технике измеряемые характеристики часто называют параметрами. Всю совокупность измеряемых параметров можно разделить на три большие группы.
1.Фундаментальные параметры, т.е. такие, величина которых слабо зависит от наличия примесей. Примерами таких параметров могут служить: упругие модули, ширина запрещенной зоны, концентрация основных носителей, магнитная индукция насыщения ферромагнитных материалов и др.
2.Характеристические параметры, т.е. такие, величина которых существенно зависит от наличия примесей. Примерами таких параметров могут служить плотность дислокаций в кристалле, удельное электрическое сопротивление полупроводников, магнитная проницаемость ферромагнетиков и т.д. Величина характеристических параметров может изменяться в миллионы раз, и поэтому, они могут быть и технологическими параметрами, т.е. характеристиками, определяющими качество аттестуемого материала или прибора. Допустимые пределы изменения величин этих параметров оговорены техническими условиями.
3.Физико-химические параметры, включающие в себя характеристики или величины, знание которых необходимо для технологии получения аттестуемых материалов и приборов на их основе. Сюда относятся температуры фазовых превращений (кристаллизации, испарения, переходов из одной кристаллической модификации в другую, температура Кюри и др.), пределы растворимости примесей и т.д.
Проблема качества аттестуемого материала, определяемого характеристическими параметрами, оказывает существенное влияние на эффективность производства из него готовых твер-
9
дотельных приборов. Для успешного решения вопроса повышения эффективности производства необходимо иметь надежную систему контроля качества таких материалов. При создании этой надежной системы выделяют три самостоятельных направления:
-разработка методики измерения;
-разработка аппаратуры, позволяющей реализовать выбранную методику и организация ее производства;
-метрологическое обеспечение измерений, включающее установление реальной точности методик и измерительной аппаратуры, поддержание ее в процессе эксплуатации, а также разработка системы поверок и аттестаций. Сюда же относится организация производства стандартизации образцов.
Указанные три направления развиваются неодинаково. Как правило, разработка методик опережает разработку аппаратуры и метрологию. В предлагаемом учебном пособии рассматриваются физические основы наиболее часто используемых в производственных и лабораторных условиях методов испытания, исследования и измерения основных параметров функциональных и конструкционных материалов.
10