Физика как наука, изучающая явления природы, использует стандартную методику исследования. Основными этапами можно назвать: наблюдение, выдвижение гипотезы, проведение эксперимента, обоснование теории. В ходе наблюдения устанавливаются отличительные черты явления, ход его течения, возможные причины и последствия. Гипотеза позволяет пояснить ход явления, установить его закономерности. Эксперимент подтверждает (или не подтверждает) справедливость гипотезы. Позволяет установить количественное соотношение величин в ходе опыта, что приводит к точному установлению зависимостей. Подтвержденная в ходе опыта гипотеза ложится в основу научной теории.
Ни одна теория не может претендовать на достоверность, если не получила полного и безоговорочного подтверждения в ходе эксперимента. Проведение последнего сопряжено с измерениями физических величин, характеризующих процесс. Физическая величина - это основа измерений.
Что это такое
Измерение касается тех величин, которые подтверждают справедливость гипотезы о закономерностях. Физическая величина – это научная характеристика физического тела, качественное отношение которой является общим для множества аналогичных тел. Для каждого тела такая количественная характеристика сугубо индивидуальна.
Если обратиться к специальной литературе, то в справочнике М. Юдина и др. (1989 года издания) читаем, что физическая величина это: “характеристика одного из свойств физического объекта (физической системы, явления или процесса), общая в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальная для каждого объекта”.
Словарь Ожегова (1990 года издания) утверждает, что физическая величина это - "размер, объем, протяженность предмета".
К примеру, длина – физическая величина. Механика длину трактует как пройденное расстояние, электродинамика использует длину провода, в термодинамике аналогичная величина определяет толщину стенок сосудов. Суть понятия не меняется: единицы величин могут быть одинаковыми, а значение – различным.
Отличительной чертой физической величины, скажем, от математической, является наличие единицы измерения. Метр, фут, аршин – примеры единиц измерения длины.
Единицы измерения
Чтобы измерить физическую величину, ее следует сравнить с величиной, принятой за единицу. Вспомните замечательный мультфильм «Сорок восемь попугаев». Чтобы установить длину удава, герои измеряли его длину то в попугаях, то в слонятах, то в мартышках. В этом случае длину удава сравнивали с ростом других героев мультфильма. Результат количественно зависел от эталона.
Единица физической величины – мера ее измерения в определенной системе единиц. Путаница в этих мерах возникает не только вследствие несовершенства, разнородности мер, но иногда и из-за относительности единиц.
Русская мера длины – аршин – расстояние между указательным и большим пальцами руки. Однако руки у всех людей разные, и аршин, измеренный рукой взрослого мужчины, отличается от аршина на руке ребенка или женщины. Такое же несоответствие мер длины касается сажени (расстояние между кончиками пальцев расставленных в стороны рук) и локтя (расстояние от среднего пальца до локтя руки).
Интересно, что в лавки приказчиками брали мужчин небольшого роста. Хитрые купцы экономили ткань при помощи несколько меньших мерил: аршин, локоть, сажень.
Системы мер
Такое разнообразие мер существовало не только в России, но и в других странах. Введение единиц измерения зачастую было произвольным, иногда эти единицы вводились только вследствие удобства их измерения. Например, для измерения атмосферного давления ввели мм ртутного столба. Известный опыт Торричелли, в котором использовалась трубка, заполоненная ртутью, позволил ввести такую необычную величину.
Различные физические величины измерение физических величин делали не только сложными и недостоверными, но и усложняющими развитие науки.
Единая система мер
Единая система физических величин, удобная и оптимизированная в каждой промышленно развитой стране, стала насущной необходимостью. За основу была принята идея выбора как можно меньшего количества единиц, с помощью которых в математических соотношениях можно было бы выразить и другие величины. Такие основные величины не должны быть связаны друг с другом, их значение определяется однозначно и понятно в любой экономической системе.
Эту проблему решить пытались в различных странах. Создание единой системы мер (Метрическая, СГС, МКС и другие) предпринималось неоднократно, но эти системы были неудобны либо с научной точки зрения, либо в бытовом, промышленном применении.
Задачу, поставленную в конце 19 века, решить получилось только в 1958 году. На заседании Международного комитета законодательной метрологии была представлена унифицированная система.
Унифицированная система мер
1960 год ознаменовался историческим заседанием Генеральной конференции по мерам и весам. Уникальная система, названная «Systeme internationale d'unites» (сокращенно SI) была принята решением этого почетного собрания. В российской версии эта система названа Система интернациональная (аббревиатура СИ).
За основу приняты 7 основных единиц и 2 дополнительных. Их численное значение определяется в виде эталона
Таблица физических величин СИ
Наименование основной единицы | Измеряемая величина | Обозначение | |
Интернациональное | российское | ||
Основные единицы | |||
килограмм | Масса | kg | кг |
метр | Длина | m | м |
секунда | Время | s | с |
ампер | Сила тока | А | А |
кельвин | Температура | К | К |
моль | Количество вещества | mol | моль |
кандела | Сила света | cd | кд |
Дополнительные единицы | |||
Радиан | Плоский угол | rad | рад |
Стерадиан | Телесный угол | sr | ср |
Сама система не может состоять только из семи единиц, поскольку разнообразие физических процессов в природе требует введения все новых и новых величин. В самой структуре предусмотрено не только внедрение новых единиц, но и их взаимосвязь в виде математических соотношений (их чаще называют формулами размерностей).
Единица физической величины получается с применением умножения, возведения в степень и деления основных единиц в формуле размерностей. Отсутствие числовых коэффициентов в таких уравнениях делает систему не только удобной во всех отношениях, но и когерентной (согласованной).
Производные единицы
Единицы измерения, которые формируются из семи основных, получили название производных. Кроме основных и производных единиц, возникла необходимость введения дополнительных (радиан и стерадиан). Их размерность принято считать нулевой. Отсутствие измерительных приборов для их определения делает невозможным их измерение. Их введение обусловлено применением в теоретических исследованиях. Например, физическая величина «сила» в этой системе измеряется в ньютонах. Поскольку сила – мера взаимного действия тел друг на друга, являющаяся причиной варьирования скорости тела определенной массы, то определить ее можно как произведение единицы массы на единицу скорости, деленную на единицу времени:
F = k٠M٠v/T, где k – коэффициент пропорциональности, M – единица массы, v – единица скорости, T – единица времени.
СИ дает следующую формулу размерностей: Н = кг٠м/с2, где использованы три единицы. И килограмм, и метр, и секунда отнесены к основным. Коэффициент пропорциональности равен 1.
Возможно введение безразмерных величин, которые определяются в виде соотношения однородных величин. К таковым можно отнести коэффициент трения, как известно, равный отношению силы трения к силе нормального давления.
Таблица физических величин, производных от основных
Наименование единицы | Измеряемая величина | Формула размерностей |
Джоуль | энергия | кг٠м2٠с-2 |
Паскаль | давление | кг٠ м-1 ٠с-2 |
Тесла | магнитная индукция | кг ٠А-1 ٠с-2 |
Вольт | электрическое напряжение | кг ٠м2 ٠с-3٠А-1 |
Ом | Электрическое сопротивление | кг ٠м2 ٠с-3٠А-2 |
кулон | Электрический заряд | А٠ с |
Ватт | мощность | кг ٠м2 ٠с-3 |
Фарад | Электрическая емкость | м-2٠кг-1 ٠c4٠A2 |
Джоуль на Кельвин | Теплоемкость | кг ٠м2٠с-2 ٠К-1 |
Беккерель | Активность радиоактивного вещества | С-1 |
Вебер | Магнитный поток | м2 ٠кг ٠с-2٠А-1 |
Генри | Индуктивность | м2 ٠кг ٠с-2 ٠А-2 |
Герц | Частота | с-1 |
Грей | Поглощенная доза | м2 ٠с-1 |
Зиверт | Эквивалентная доза излучения | м2 ٠с-2 |
Люкс | Освещенность | м-2 ٠кд ٠ср-2 |
Люмен | Световой поток | кд ٠ср |
Ньютон | Сила, вес | м ٠кг ٠с-2 |
Сименс | Электрическая проводимость | м-2 ٠кг-1 ٠с3 ٠А2 |
Фарад | Электрическая емкость | м-2 ٠кг-1 ٠c4 ٠A2 |
Внесистемные единицы
Использование исторически сложившихся величин, не входящих в СИ или отличающихся только числовым коэффициентом, допускается при измерении величин. Это внесистемные единицы. Например, мм ртутного столба, рентген и другие.
Числовые коэффициенты используются для введения дольных и кратных величин. Приставки соответствуют определенному числу. Примером могут служить санти-, кило-, дека-, мега- и многие другие.
1 километр = 1000 метров,
1 сантиметр = 0,01 метра.
Типология величин
Попытаемся указать несколько основных признаков, которые позволяют установить тип величины.
1. Направление. Если действие физической величины напрямую связано с направлением, ее называют векторной, иные – скалярные.
2. Наличие размерности. Существование формулы физических величин дает возможность называть их размерными. Если в формуле все единицы имеют нулевую степень, то их называют безразмерными. Правильнее было бы назвать их величинами с размерностью, равной 1. Ведь понятие безразмерной величины нелогично. Основное свойство – размерность – никто не отменял!
3. По возможности сложения. Аддитивная величина, значение которой можно складывать, вычитать, умножать на коэффициент и т. д. (например, масса) - физическая величина, являющаяся суммируемой.
4. По соотношению с физической системой. Экстенсивная - если ее значение можно составить из значений подсистемы. Примером может служить площадь, измеряемая в метрах квадратных. Интенсивная - величина, значение которой не зависит от системы. К таковым можно отнести температуру.
