1.2. Физическая величина

Бесконечное множество физических объектов, окружающих нас, об­ладает бесконечным множеством различных качеств и свойств. Из этого огромного количества человек выделяет некоторое ограниченное число свойств, общих в качественном отношении для ряда однородных объек­тов и достаточных для их описания. В каждом таком качестве, в свою очередь, может быть выделено множество градаций. Если мы в состоя­нии установить размер градации, т.е. единицу данного свойства, и фи­зически реализовать ее в виде меры или шкалы, то сопоставив размер интересующего нас свойства объекта с такой мерой или со шкалой, мы получим его количественную оценку. Свойства, для которых могут быть установлены и воспроизведены градации определенного размера, назы­ваются физическими величинами.

В стандарте на термины и определения в области метрологии фи­зическая величина определена как свойство, общее в качественном от­ношении для множества объектов, физических систем, их состояний и происходящих в них процессов, но индивидуальное в количественном отношении для каждого из них.

Качественная сторона понятия физическая величина определяет «род» величины (длина, как характеристика протяженности вообще; электри­ческое сопротивление, как общее свойство проводников электричества и т.п.), а количественная — ее «размер» (длина конкретного предмета, со­противление конкретного проводника). Размер физической величины су­ществует объективно, независимо от того, знаем мы его или не знаем.

Целью измерения и его конечным результатом является нахождение значения физической величины. Значение физической величины — оценка физической величины в принятых для измерения данной величины еди­ницах. Понятно, что числовое значение результата измерения будет за­висеть от выбора единицы физической величины. Так, в известном муль­типликационном фильме «38 попугаев» для измерения длины удава в качестве единицы длины была выбрана длина попугая и результат из­мерения составил 38 попугаев. Если же за единицу длины выбрать уза­коненную единицу — метр, то числовое значение длины удава будет иным, хотя размер его остался прежним.

Теория измерений изучает и имеет дело только с измерениями физических ве­личин, т.е. величин, для которых может существовать физически реализуе­мая и воспроизводимая единица величины. Однако нередко к измерениям неправомерно относят различного рода оценивания таких свойств, которые формально хотя и подпадают под приведенное определение физической ве­личины, но не позволяют реализовать соответствующую единицу. Так, ши­роко распространенную в психологии оценку умственного развития человека называют измерением интеллекта; оценку качества продукции — измерением качества. И хотя в этих процедурах частично используются мет­рологические идеи и методы, они не могут квалифицироваться как измере­ния в том смысле, как это принято в метрологии: невозможно себе предста­вить единицу интеллекта или единицу качества, которые к тому же можно было бы реализовать в виде определенной физической меры. Таким обра­зом, в дополнение к приведенному определению, подчеркнем, что возмож­ность физической реализации единицы является определяющим признаком понятия «физическая величина».

Приведем еще ряд терминов, относящихся к понятию «физическая величина» и используемых в последующих главах.

В теории измерений вводятся понятия истинного измеренного и дей­ствительного значения физической величины.

Нахождение истинного значения измеряемой физической величины яв­ляется центральной проблемой метрологии. Стандарт определяет истин­ное значение как значение физической величины, которое идеальным образом отражало бы в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство объекта. Одним из постулатов метрологии является положение о том, что истинное значение физической величины существует, однако определить его путем измерения невозможно.

В обычном представлении под истинным понимается некое детерми­нированное значение физической величины, отражающее свойство объ­екта, абсолютно адекватно. Однако измерение как процесс познания количественных определенностей материального мира не должно абст­рагироваться от физической природы изучаемых свойств и обязано учитывать те качественные границы, внутри которых те или иные опре­деления имеют смысл.

Рассмотрим пример измерения диаметра круглого диска. Казалось бы, что измерение диаметра диска можно проводить со все более и более высокой точностью, стоит лишь выбрать соответствующие по точности средства измерений. Но когда погрешность средства измерения станет порядка размеров молекулы, мы обнаружим, что наблюдается как бы размывание краев диска, обусловленное хаотическим движением молекул и за каким-то пределом точности само понятие диаметра диска по­теряет свой первоначальный смысл, и дальнейшее повышение точности измерения бесполезно. Очевидно, что понятие «истинного» значения диаметра в этом случае приобретает совсем иной, вероятностный, смысл и можно лишь с определенной вероятностью установить интервал значений, в котором оно находится. Следовательно, приведенное в стандарте определение истинного значения может быть применено лишь для объектов макромира.

Поскольку истинное значение физической величины определить не­возможно, в практике измерений оперируют понятием действительного значения. Действительное значение – значение физической величины, найденное экспериментальным путем и настолько приближающееся к истинному, что для данной цели может быть использовано вместо него. Под измеренным значением понимается значение величины, отсчитанное по отсчетному устройству средства измерения.

Измеряемая физическая величина – физическая величина, подлежа­щая измерению в соответствии с поставленной измерительной задачей.

Влияющая физическая величина – физическая величина, непосредст­венно не измеряемая средством измерения, но оказывающая влияние на него или на объект измерения таким образом, что это приводит к иска­жению результата измерения. Так, например, при измерении сопротив­ления резистора влияющей величиной может быть температура, если сопротивление резистора зависит от температуры.

Физический параметр – физическая величина, характеризующая частную особенность измеряемой величины. Например, при измерении напряжения переменного тока в качестве параметров напряжения могут выступать амплитуда колебаний, мгновенное значение напряжения, среднее квадратическое значение и др.

Постоянная величина – физическая величина, размер которой по ус­ловиям измерительной задачи можно считать не изменяющимся за вре­мя, превышающее длительность измерения.

Переменная величина – физическая величина, изменяющаяся по раз­меру в процессе измерения.