Измерение физических величин является фундаментом естественных наук. Чтобы получить объективные и воспроизводимые результаты измерений, необходимо использовать стандартизированные единицы измерения. В данной статье мы рассмотрим основные понятия, связанные с единицами измерения, историю создания систем единиц, а также важность учета погрешностей и неопределенности при проведении измерений.
Начнем с того, что единица измерения - это конкретное значение величины, принятое за единицу сравнения с другими однородными величинами. Единицы измерения позволяют установить количественные соотношения между физическими величинами, делают результаты измерений объективными и сопоставимыми.
Основные и производные единицы
Единицы измерения делятся на основные и производные. Основные единицы устанавливаются для основных физических величин в каждой системе единиц. Например, в Международной системе единиц (СИ) основными являются 7 единиц: метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль и кандела.
Они соответствуют таким физическим величинам, как длина, масса, время, сила электрического тока, термодинамическая температура, количество вещества и сила света. Размеры основных единиц установлены по соглашению и зафиксированы с помощью эталонов или фундаментальных физических констант.
Производные единицы выражаются через основные единицы на основе связей между физическими величинами в рамках конкретной системы. Например, в СИ производной единицей является Джоуль, который определяется как кг*м^2/с^2. Таким образом, все производные единицы СИ могут быть представлены как комбинации основных единиц этой системы.
- Основные единицы устанавливаются произвольно по соглашению.
- Производные единицы выражаются через основные.
История создания систем единиц
Потребность в единых единицах измерения возникла еще в глубокой древности. Известно, что уже в 3-4 тысячелетии до н.э. древние цивилизации Месопотамии, Египта и Индии использовали системы мер длины, площади, объема и веса. Однако эти системы значительно различались в разных регионах и государствах.
В Средние века в Европе также отсутствовала единая система мер. Король Англии Иоанн Безземельный в 1215 году в Великой хартии вольностей призвал установить единые меры длины тканей и зерна на всей территории королевства, однако на практике этого добиться не удалось.
Первая попытка создания универсальной системы единиц измерения была предпринята во Франции в 1790 году, когда Национальное собрание поручило Французской академии наук разработать такую систему. Эта работа заложила фундамент méтрической системы - предшественницы современной Международной системы единиц (СИ).
В 1875 году 17 стран подписали Méтрическую конвенцию и создали Международное бюро мер и весов для координации работ по унификации единиц измерения. На основе этих наработок в 1960 году на Генеральной конференции по мерам и весам была официально принята Международная система единиц (СИ), получившая широкое распространение в мире.
Таким образом, создание универсальной системы единиц измерения - длительный исторический процесс, в основе которого лежат усилия многих стран по координации, унификации и совершенствованию национальных систем единиц.
Международная система единиц СИ
Международная система единиц (СИ) - это современный вариант метрической системы, принятый в 1960 году Генеральной конференцией по мерам и весам. СИ является основополагающей системой единиц измерения физических величин, получившей наиболее широкое распространение в мире по сравнению с другими системами.
В основе СИ лежит Международная система величин, определяющая 7 основных физических величин: длина, масса, время, электрический ток, термодинамическая температура, количество вещества и сила света. Для этих величин в СИ установлены 7 основных единиц измерения: метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль и кандела.
Определения основных единиц измерения в СИ неоднократно уточнялись. В 2018 году были утверждены новые определения для килограмма, ампера, кельвина и моля. Теперь эти единицы установлены не на основе материальных эталонов, а на основе фиксирования численных значений фундаментальных физических констант.
В дополнение к семи основным единицам измерения, СИ содержит также систему допустимых для использования десятичных приставок для образования производных единиц. Например, к основной единице «метр» могут добавляться такие приставки, как «санти-», «деци-», «кило-» и другие для получения единиц «сантиметр», «дециметр», «километр» и т.д.
Кроме перечня основных и производных единиц измерения, СИ регламентирует также правила их практического применения и записи. В частности, установлены стандартизированные сокращенные наименования и обозначения для всех единиц СИ на разных языках.
Точность и неопределенность измерений
Любые измерения, в том числе и с использованием единиц СИ, сопряжены с определенной погрешностью или неопределенностью. Абсолютно точных измерений на практике не существует.
Неопределенность измерений может быть обусловлена такими факторами, как погрешность измерительных приборов и установок, влияние внешних условий, неточность методики измерений, а также вероятность ошибок со стороны человека.
Современные эталоны основных единиц СИ имеют неопределенность порядка 10^{-8} и 10^{-10}, что дает практически абсолютную точность при передаче размера от эталонов рабочим средствам измерения.
Однако на каждом последующем этапе передачи единицы измерения, например от рабочего средства измерения к измеряемому объекту, неопределенность единицы возрастает. Поэтому при использовании единиц измерения на практике необходимо всегда указывать диапазон погрешности или неопределенности измерений.
Таким образом, выбор оптимального метода и средств измерения для конкретной задачи всегда предполагает поиск разумного компромисса между требуемой точностью результатов измерений и затратами на их получение с такой точностью.
Значение точных измерений
Несмотря на неизбежное наличие погрешностей, стремление к максимально возможной точности измерений имеет большое практическое значение во всех областях человеческой деятельности.
В научных исследованиях точные измерения с использованием единых эталонных единиц позволяют получать объективные, проверяемые и сопоставимые данные об изучаемых объектах, явлениях и процессах. Это является фундаментом для построения адекватных научных теорий.
В производственной сфере применение точных средств измерения, откалиброванных в единых эталонных единицах, обеспечивает выпуск продукции стабильно высокого качества и минимизирует брак.
В повседневной жизни использование надежных измерительных приборов и инструментов, градуированных в стандартных единицах измерения, позволяет достичь требуемых результатов с наименьшими затратами ресурсов и усилий.
Таким образом, единая эталонная база измерений и точные средства измерения в стандартизированных единицах - это важнейшие элементы инфраструктуры, обеспечивающие эффективное функционирование всех сфер общественной жизни.
Минимизация погрешностей
Хотя абсолютно точных измерений не существует, во многих случаях возможно существенно минимизировать погрешности за счет грамотного подбора методов и средств измерения.
В первую очередь, необходимо использовать такие средства измерения, метрологические характеристики которых соответствуют требованиям конкретной измерительной задачи. Например, если требуется измерить массу предмета с точностью до грамма, следует использовать весы с ценой деления не более одного грамма.
Все средства измерения в обязательном порядке должны регулярно поверяться для подтверждения их метрологических характеристик. При этом поверка осуществляется с использованием эталонов единиц измерения более высокого разряда.
Другим важным фактором является соблюдение условий эксплуатации средств измерения, рекомендованных производителем, а также требований к условиям проведения измерений. Например, измерение линейных размеров должно проводиться при стабильной температуре и влажности.
Наконец, существенное влияние на точность измерений оказывает квалификация персонала и строгое соблюдение методики выполнения измерений. Применение автоматизированных средств и роботизированных комплексов позволяет свести к минимуму влияние «человеческого фактора».
Таким образом, комплекс мер по обеспечению прослеживаемости, поверке эталонов и средств измерения, контролю условий измерений и автоматизации процессов позволяет многократно повысить достоверность результатов измерений с использованием стандартизованных единиц.
Пути повышения точности
Для повышения точности измерений используются различные методы. К основным из них относятся:
- Применение более точных измерительных приборов и эталонов
- Усреднение результатов многократных измерений
- Автоматизация процесса измерений
Использование более совершенных эталонов и измерительных систем позволяет существенно повысить точность. Например, замена механических весов электронными, или использование лазерных дальномеров вместо рулеток.
Многократное измерение одной и той же величины с последующим усреднением результатов также ведет к повышению точности за счет уменьшения случайной погрешности.
Автоматизация измерений позволяет исключить ошибки, связанные с человеческим фактором. Кроме того, это дает возможность проводить гораздо большее количество измерений за тот же промежуток времени.
