Измеряемые величины.

Предметом познания, как известно, являются объекты, свойства, и явления окружающего мира. Таким объектом, например, является окружающее нас пространство, а его свойством - протяженность. Она может характеризоваться различными способами.

Общепринятой характеристикой (мерой) пространственной протяженности служит длина. Однако протяженность реального физического пространства является сложным свойством, которое не может характеризоваться только длиной. Для полного описания пространства рассматривается его протяженность по нескольким направлениям (координатам) или используются еще такие меры, как угол, площадь, объем. Таким образом, пространство является многомерным.

Любые события и явления в реальном мире происходят не мгновенно, а имеют некоторую длительность. Это свойство окружающего нас мира качественно отличается от пространственной протяженности. Его также можно характеризовать по-разному, но общепринятой мерой здесь является время.

Свойство тел сохранять в отсутствии внешних воздействий состояние покоя или равномерного прямолинейного движения называется инертностью. Мерой инертности является масса.

Свойство тел, состоящее в том, что они нагреты до некоторого состояния, качественно отличается от предыдущего. Оно могло бы характеризоваться средней скоростью теплового движения молекул, но распространение получила мера нагретости тел, называемая термодинамической температурой.

Общепринятые или установленные законодательным путем характеристики (меры) различных свойств, общих в качественном отношении для многих физических объектов (физических систем, их состояний и происходящих в них процессов), но в количественном отношении индивидуальных для каждого из них называются физическими величинами.

Кроме длины, времени, температуры, массы к физическим величинам относятся плоский и телесный угол, сила, давление, скорость, ускорение, электрическое напряжение, сила электрического тока, индуктивность, освещенность и многие другие. Все они определяют некоторые общие в качественном отношении физические свойства, количественные характеристики которых могут быть совершенно различными. Получение сведений об этих количественных характеристиках как раз и является задачей измерений.

Переход к количественным методам исследований на основе измерительной информации в биологии, психологии, спорте, искусстве, медицине, педагогике, социологии и т.д. стал отличительной чертой нашего времени. Привычным стало измерение знаний учащихся, мастерства спортсменов и исполнителей художественных произведений, вдохновения, красоты, таланта и других свойств, общих в качественном, но индивидуальных в количественном отношении.

Между измеряемыми величинами существуют связи и зависимости, выражаемые математическими отношениями и формулами. Эти формулы и соотношения могут отражать законы природы, как, например, закон Ома:

I=U/R

Или второй закон Ньютона: F=m × a

В подобных зависимостях одни величины выступают как основные, а другие - как производные от них. Основные величины не зависимы друг от друга, но они могут служить основой для установления связей с другими физическими величинами, которые называют производными от них.

Основными принято называть единицы, величины которых определяют по специальным образцам – эталонам. Выбрав несколько основных единиц, вводят связанные с ними «производные» единицы измерения. Производные единицы измерения могут быть получены из основных путем несложных арифметических преобразований или формул. Так, единица измерения длины (метр - м) и единица измерения времени (секунда – с) – основные единицы, а единица измерения скорости (метр за секунду – м/с) – производная единица измерения.

Словом " величина" часто пытаются выразить размер данной конкретной физической величины. Говорят: величина давления, величина скорости, величина напряжения. Это неправильно, так как давление, скорость, напряжение в правильном понимании этих слов являются величинами, и говорить о величине величины нельзя.

В приведенных выше случаях применение слова " величина" является лишним. Действительно, зачем говорить о большой или малой " величине" давления, когда можно сказать большое или малое давление и т.п.

Единица физической величины - физическая величина, которой по определению придано значение, равное единице. Можно сказать также, что единица физической величины - такое ее значение, которое принимают за основание для сравнения с ним физических величин того же рода при их количественной оценке.

Количественная оценка конкретной физической величины, выраженная в виде некоторого числа единиц данной величины, называется значением физической величины. Отвлеченное число, входящее в " значение" величины, называется числовым значением.

Первоначально единицы физических величин выбирались произвольно, без какой-либо связи друг с другом, что создавало большие трудности. Значительное число произвольных единиц одной и той же величины затрудняло сравнение результатов измерений, произведенных различными наблюдателями.

В каждой стране, а иногда даже в каждом городе создавались свои единицы. Перевод одних единиц в другие был очень сложен и приводил к существенному снижению точности результатов измерений.

Основой системы мер в древнерусской практике послужили древнеегипетские единицы измерений, а они, в свою очередь были заимствованы в древней Греции и Риме. Естественно, что каждая система мер отличалась своими особенностями, связанными не только с эпохой, но и с национальным менталитетом.

Наименования единиц и их размеры соответствовали возможности осуществления измерений " подручными" способами, не прибегая к специальным устройствам. Так, на Руси основными единицами длины были пядь и локоть, причем пядь служила основной древнерусской мерой длины и означала расстояние между концами большого и указательного пальца взрослого человека. Позднее, когда появилась другая единица - аршин - пядь (1/4 аршина) постепенно вышла из употребления.

Мера " локоть" пришла к нам из Вавилона и означала расстояние от сгиба локтя до конца среднего пальца руки (иногда - сжатого кулака или большого пальца).

С 18 в. в России стали применяться дюйм, заимствованный из Англии (назывался он " палец"), а также английский фут. Особой русской мерой была сажень, равная трем локтям (около 152 см) и косая сажень (около 248 см).

Пожалуй, каждый мальчишка знает размеры футбольных ворот – ширина 7, 32 и длина 2, 44 метра. Странные цифры? Почему 7, 32, а не ровно 7 или 7, 5 метра? А потому, что у родоначальников футбола – англичан, 7, 32 метра это ровно 24 фута, а 2, 44 метра – ровно 8 футов. Фут, по-английски, значит нога, ступня. Он равен 0, 305 метр.

Рис. 1. Наглядные значения «древних» единиц «фута» и «косой сажени».

Указом Петра 1 русские меры длины были согласованы с английскими, и это по существу стало первой ступенью гармонизации российской метрологии с европейской.

По мере развития техники, а также международных связей трудности использования результатов измерений возрастали и тормозили дальнейший научно-технический прогресс. Положение осложнялось еще и тем, что соотношения между дельными и кратными единицами были необычайно разнообразны. В качестве примера приведем некоторые единицы, применявшиеся в России до Октябрьской революции, и соотношения между ними и метрическими мерами:

1 аршин=16 вершкам=28 дюймам=0, 71120 м;

1 дюйм= 25, 4 мм;

1 сажень=3 аршинам=7 футам=2, 1336 мм;

1 фут=12 дюймам=304, 8 мм;

1 пуд=40 фунтам=16, 38 кг;

1 фунт=96 золотникам=409, 5 г;

1 золотник=96 долям=4, 266 г.

Во второй половине ХУШ в. в Европе насчитывалось до сотни футов различной длины, около полусотни различных миль, свыше 120 различных фунтов.