Измерение как способ определения значения физической величины
методическая разработка по физике (10, 11 класс) на тему

Измерение как способ определения значения физической величины

© Скаржинский Я.Х.

Для нахождения определенного значения величины осуществляют проведение измерений.

Внешне видимые, простые проводимые измерения осуществляли в первой науке «Арифметика». В ней не «оценивали» (не характеризовали) сам элемент, с помощью которого проводили измерение. При таких измерениях получали одну числовую характеристику.

В науке «Математика» при таких внешне видимых, простых проводимых измерениях «оценивали» (характеризовали) и сам элемент, сделав его эталоном. При таких измерениях, получая две характеристики и объединив их в одну, определяют значение математической величины.

Наука, которая стала осуществлять более сложные, не всегда, а то и совсем внешне невидимые измерения и использовать их в своей теории, получила название «Физика». Физика – наука, следующая за математикой по изучению окружающих объектов (природы) на более глубоком уровне. Рассмотрение измерений, их оценку осуществляет в своей теории наука метрология.

Физика как наука изучает широкий круг физических явлений. Для оценки физических явлений очень важно знать значения физических величин, которые и характеризуют эти явления. Для определения значений физических величин осуществляют измерения, производимые над рассматриваемым объектом.

Возьмем за основу определение из Международного словаря по терминам в метрологии, 1994 г. «Измерение - совокупность операций, имеющих целью определить значение величины». Данное суждение ближе можно отнести к указанию цели по определения значения величины через совокупность операций. Каких операций?

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Определение: Измерение — совокупность операций для определения отношения одной (измеряемой) величины к другой однородной величине, принятой за единицу, хранящуюся в техническом средстве (средстве измерений). Получившееся значение называется числовым значением измеряемой величины, числовое значение совместно с обозначением используемой единицы называется значением физической величины. Измерение физической величины опытным путём проводится с помощью различных средств измерений — мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, систем, установок и т. д. Измерение физической величины включает в себя несколько этапов: 1) сравнение измеряемой величины с единицей; 2) преобразование в форму, удобную для использования (различные способы индикации).

Примеры измерений:

1. В простейшем случае, прикладывая линейку с делениями к какой-либо

детали, по сути сравнивают её размер с единицей, хранимой линейкой, и, произведя отсчёт, получают значение величины (длины, высоты, толщины и других параметров детали).

2. С помощью измерительного прибора сравнивают размер величины, преобразованной в перемещение указателя, с единицей, хранимой шкалой этого прибора, и проводят отсчёт.

Наука, предметом изучения которой являются все аспекты измерений, называется метрологией [19].

Примечание: Красным цветом выделено спорное суждение (особенно подчеркнутое), синим – суждение, требующее раскрытия.

Отметим следующее, что измерения не производят для определения значения множества. Множество как характеристика появилась при оценке объединений, состоящих из одинаковых элементов. Значение множества определяют обычным счетом числа элементов объединения, т.е. состоит из арифметической характеристики (числа элементов).

        Измерение — это нахождение значения физической величины с помощью специальных технических средств. Измерение - определение опытным путем значения определенной величины, являющейся характеристикой объекта. Т.е. характеристики, состоящей из арифметической характеристики (числа элементов) и характеристики самого элемента. Поэтому необходимо иметь сам элемент для измерения, проводимого над объектом. Такой элемент для единой равнозначной оценки со всеми странами согласовывается и принимает определенную одинаковую характеристику. Поэтому создают эталон с определенной характеристикой, т.е. один материальный объект, по которому затем создают копии. Копии размножают, и на их основе создают измерительные устройства, которые можно назвать техническим средством измерения. При помощи его и осуществляют производимые измерения. Сам эталон хранят в палате мер и весов.

Измерения можно разделить на виды:

1) Прямое измерение - совокупность операций, направленных на нахождение значения величины с применением технических средств. Техническое средство как объект сопоставляется, сравнивается с измеряемым объектом см. рисунок 2.1. Отсюда следует, что данный способ измерения является технологическим процессом.

2) Косвенное измерение - совокупность математических действий, направленных на нахождение значения величины с применением математических формул и арифметических вычислений. В данном случае техническое средство не применяется. Техническое средство, например, компьютер, может применяться только для облегчения арифметических вычислений. Отсюда следует, что данный способ измерения является методическим процессом т.к. требует осуществления в определенной последовательности математических действий.

1 Прямое измерение

        Рассмотрим прямое измерение, направленное на нахождение значения величины. В чем смысл данного измерения? - В действии, процедуре, направленной на описание объекта, объединения. Описать объект, объединение - значит дать ему характеристику.

Характеристика бывает алгебраическая (неполная) - «множество», значение которой состоит из арифметической характеристики (числа элементов). Данная характеристика присуща объединению. И характеристика бывает более полная - математическая. Более полной характеристике присвоили другое научное название «величина». Величина как характеристика присуща объекту. Значение величины включает в себя арифметическую характеристику (числа элементов) и характеристику самого элемента, из которого состоит рассматриваемый объект. Характеристику самого элемента называют единицей измерения значения величины. Величина бывает физической, химической, географической, исторической и т.д., в зависимости от того, какой наукой изучается и характеризуется элемент рассматриваемого объекта. Поэтому «величина» объединяет в себе два понятия - арифметическое понятие как науки и понятие наук, изучающих элемент рассматриваемого объединения. Такие величины называют скалярными величинами. Есть величины векторные, которые объединяют три характеристики - это две вышеперечисленные и третья - ориентация в пространстве. С данным описанием этих характеристик познакомимся в § 15. «Разновидности величин. Единицы измерения значений величин».

Для проведения процедур измерения, как было сказано выше, применяют всевозможные устройства, приборы – технические средства. Технические средства можно разделить на два типа.

Первый тип технических средств такой, который имеет в себе хранение элемента, где приписана характеристика в виде единичного, элементарного объекта. Значение элементарного объекта оценивается (принято) за единичное (например, 1м, 1кг, 1с, 1м3 и т.д.). Из определенного количества этих же элементов состоит оцениваемое (измеряемое) объединение (объект, который не является элементарным). Данный единичный элемент или их может быть несколько находится в техническом средстве. Он сравнивается с измеряемым объединением (объектом). Такое сравнение при измерении техническим средством можно назвать непосредственным, прямым. К таким техническим средствам относятся: линейка или метр (см. рисунок 4.1), штангенциркуль и т.п.; гири или разновесы совместно с рычажными весами; мензурка; и т.д. Такие измерительные технические средства нашли применение при построении теоретической науки математики, которая рассматривает и оценивает внешние характеристики рассматриваемых объектов.

Единичному элементу приписана его характеристика. В результате измерения определение значения величины осуществляется по формуле В=n·[В]. Где В – величина, значение которой определяют при измерении; n – множество - числовая характеристика объекта (число элементов из которых состоит объект), определяемая при измерении; [В] - характеристика элемента (единица измерения) для величины В, условно написанная на техническом средстве.

Второй тип технических средств, это такие, которые реагирует определенным действием при производимом измерении объекта, сравнивая это воздействие с воздействием единичного элемента. Реагированию определенным действием на единичный элемент приписывают характеристику единицы измерения. Такое сравнение при измерении техническим средством можно назвать не прямым, а косвенным сравнением. Таким техническим устройством обладает большинство технических средств. Например: динамометр, амперметр – приборы с однократной ступенью реагирования на единичный элемент объекта; счётчик Гейгера, электронные весы, весы пружинные и т.п. На основе электронных весов созданы оценочные весы, весы с выдачей оценочного чека и т.п. Так создают приборы с несколькими ступенями реагирования на единичный элемент объекта с последующим применением реагирования на более крупные или мелкие измеряемые объединения (объекты). Данное понятие ступенчатого косвенного оценивания характеристик, определения значения той или иной величины, характеризующей объект, даёт широту творческой мысли на создание различных более сложных технических средств, т.е. измерительных приборов и не только их. Такие технические средства косвенного измерения нашли применение при построении теоретических наук, которые изучают характеристики объектов, определяемые не по внешним способам измерения, а характеристики, которые оценивают более сложные внутренние свойства объектов. К таким наукам относится в первую очередь физика, химия и т.д.

Определение значения величины при измерении осуществляется будто бы по формуле А=n·[A]. Где А – величина с определяемым значением методом измерения производимым над объектом, n – множество - числовая характеристика объекта, определяемая по степени ступенчатого реагирования технического средства при измерении, [А] – условно написанная характеристика элементу на техническом средстве.

Например:

        - А – стоимость товара «Бананы»;

- n - множество - числовая арифметическая характеристика объекта, определяемая по степени реагирования технического средства при измерении массы товара. Например, n=2,5;

- [А] - условно написанная и установленная характеристика элементу (для 1-го килограмма бананов) на техническом средстве. Например [А]=45,5 руб;

        - А=n·[A] т.е. имеем А=2,5·45,5 руб=113,75 руб.

Результат получения значения величины А определен проградуированной шкалой или может рассчитываться техническим средством по данной формуле. Таким образом, на основе выше предложенного определения по материалу из Википедии — свободной энциклопедии, заменив понятия отношения для величин на соотношения между элементом объекта и самим объектом, можно получить определение: «Прямое измерение - операция применения технического средства, хранящего характеристику элемента, к объекту, обеспечивающая нахождение их числового соотношения (в явном или неявном виде) для получения значения величины, характеризующей этот объект». Или определение такого же смысла: «Прямое измерение - направленное действие определения числового соотношения рассматриваемого объекта с единичным элементом, хранящегося в техническом средстве для получения значения величины характеризующей этот объект». Или «Прямое измерение - сравнение данного объекта с элементом, принятым за единицу измерения, однородным с элементами, из числа которых состоит это объект».

        Но если результат получения значения величины после прямого измерения определяется человеком совокупностью операций по математическим формулам и арифметическим вычислениям, то такое измерение является косвенным. Однако при развитии современных технических средств расчеты могут осуществляться электронным способом с помощью технических средств. Такой вид измерения можно назвать 3-м видом – смешанным видом.

В О П Р О С Ы

1 Для какой цели осуществляют измерение?

2 Что собой представляет наука метрология?

3 Какие виды измерений вы знаете?

4 Что собой представляет прямое измерение?

5 Какое измерение называют косвенным?

6 Какие типы технических средств, применяемых для измерений, вы знаете?