Понятие физической величины. Основные и производные физические величины

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное  учреждение

Высшего профессионального  образования

Уральский государственный экономический университе 

            Контрольная работа

По дисциплине

« Метрология, стандартизация и сертификация.»

Вариант 9 

Тема: Понятие физической величины. Основные и производные физические величины. Государственный метрологический контроль, его виды, особенности организации. 
 
 

                                                               Выполнил студент

                                                                группы: УК – 10Р

                                                                Скрябин А.С.

                                                                Проверил преподаватель

                                                                Шарафутдинова Е.Н. 

                                         Екатеринбург 2011

Вариант 9 

1. Понятие  физической величины. Основные и производные физические величины.

2. Государственный  метрологический контроль, его виды, особенности организации. 

      Понятие физической величины. Основные и производные  физические величины. 

     Физическая  величина является понятием как минимум  двух наук: физики и метрологии. По определению физическая величина представляет собой некое свойство объекта, процесса, общее для целого ряда объектов по качественным параметрам, отличающееся, однако, в количественном отношении (индивидуальная для каждого объекта). Классическим примером иллюстрации этого определения служит тот факт, что, обладая собственной массой и температурой, все тела имеют индивидуальные числовые значения этих параметров. Соответственно размер физической величины считается ее количественным наполнением, содержанием, а в свою очередь значение физической величины представляет собой числовую оценку ее размеров. В связи с этим существует понятие однородной физической величины, когда она является носителем аналогичного свойства в качественном смысле Таким образом, получение информации о значениях физической величины как некоего числа принятых для нее единиц и есть главная задача измерений. И, соответственно, физическая величина, которой по определению присвоено условное значение, равное единице, есть единица физической величины. Вообще же все значения физических величин традиционно делят на: истинные и действительные. Первые представляет собой значения, идеальным образом отражающие в качественном и количественном отношении соответствующие свойства объекта, а вторые – значения, найденные экспериментальным путем и настолько приближенные к истине, что могут быть приняты вместо нее. Однако этим классификация физических величин не исчерпывается. Есть целый ряд классификаций, созданных по различным признакам Основными из них является деления на: 

     1) активные и пассивные физические  величины – при делении по  отношению к сигналам измерительной  информации. Причем первые (активные) в данном случае представляют  собой величины, которые без использования  вспомогательных источников энергии имеют вероятность быть преобразованными в сигнал измерительной информации. А вторые (пассивные) представляют собой такие величины, для измерения которых нужно использовать вспомогательные источники энергии, создающие сигнал измерительной информации; 

     2) аддитивные (или экстенсивные) и  неаддитивные (или интенсивные) физические  величины – при делении по  признаку аддитивности. Считается,  что первые (аддитивные) величины  измеряются по частям, кроме того, их можно точно воспроизводить  с помощью многозначной меры, основанной на суммировании размеров отдельных мер. А вторые (неаддитивные) величины прямо не измеряются, так как они преобразуются в непосредственное измерение величины или измерение путем косвенных измерений. 

     В 1791 г. Национальным собранием Франции была принята первая в истории система единиц физических величин. Она представляла собой метрическую систему мер. В нее входили: единицы длин, площадей, объемов, вместимостей и веса. А в их основу были положены две общеизвестные ныне единицы: метр и килограмм. Ряд исследователей считают, что, строго говоря, эта первая система не является системой единиц в современном понимании. И лишь в 1832 г. немецким математиком К. Гауссом была разработана и опубликована новейшая методика построения системы единиц, представляющая собой в данном контексте некую совокупность основных и производных единиц. 

     В основу своей методики ученый заложил  три основные независимые друг от друга величины: массу, длину, время. А в качестве основных единиц измерения  данных величин математик взял миллиграмм, миллиметр и секунду, поскольку все остальные единицы измерения можно с легкостью вычислить с помощью минимальных. К. Гаусс считал свою систему единиц абсолютной системой. С развитием цивилизации и научно—технического прогресса возникли еще ряд систем единиц физических величин, основанием для которых служит принцип системы Гаусса. Все эти системы построены как метрические, однако их отличием служат различные основные единицы. Так, на современном этапе развития выделяют следующие основные системы единиц физических величин: 

     1) система СГС (1881 г.) или Система  единиц физических величин СГС,  основными единицами которых  являются следующие: сантиметр  (см) – представленный в виде  единицы длины, грамм (г) –  в виде единицы массы, а также  секунда (с) – в виде единицы времени; 

     2) система МКГСС (конец XIX в.), использующая  первоначально килограмм как  единицу веса, а впоследствии  как единицу силы, что вызвало  создание системы единиц физических  величин, основными единицами  которой стали три физических единицы: метр как единица длины, килограмм—сила как единица силы и секунда как единица времени; 

     3) система МКСА (1901 г.), основы которой  были созданы итальянским ученым  Дж. Джорджи, который предложил  в качестве единиц системы  МКСА метр, килограмм, секунду и ампер.[1] 

     На  сегодняшний день в мировой науке  существует неисчислимое количество всевозможных систем единиц физических величин, а  также немало так называемых внесистемных единиц. Это, конечно, приводит к определенным неудобствам при вычислениях, вынуждая прибегать к пересчету при переводе физических величин из одной системы единиц в другую. Сложилась ситуация, при которой возникла серьезная необходимость унификации единиц измерения. Требовалось создать такую систему единиц физических величин, которая подходила бы для большинства различных отраслей области измерений. Причем в роли главного акцента должен был звучать принцип когерентности, подразумевающий под собой, что единица коэффициента пропорциональности равна в уравнениях связи между физическими величинами. Подобный проект был создан в 1954 г. комиссией по разработке единой Международной системы единиц. Он носил название «проект Международной системы единиц» и был в конце концов утвержден Генеральной конференцией по мерам и весам. Таким образом, система, основанная на семи основных единицах, стала называться Международной системой единиц, или сокращенно СИ, что происходит от аббревиатуры французского наименования «Systeme International* (SI). Международная система единиц, или сокращенно СИ, содержит семь основных, две дополнительных, а также несколько внесистемных, логарифмических единиц измерения, что можно видеть в таблице 1.

     Таблица 1

     Международная система единиц или СИ

      [3]

     Решениями Генеральной конференции по мерам  и весам приняты такие определения основных единиц измерения физических величин: 

     1) метр считается длинной пути, который проходит свет в вакууме  за 1/299 792 458 долю секунды; 

     2) килограмм считается приравненным  к существующему международному  прототипу килограмма; 

     3) секунда равна 919 2631 770 периодам излучения, соответствующего тому переходу, который происходит между двумя так называемыми сверхтонкими уровнями основного состояния атома Cs133; 

     4) ампер считается мерой той  силы неизменяющегося тока, вызывающего  на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия при условии прохождения по двум прямолинейным параллельным проводникам, обладающим такими показателями, как ничтожно малая площадь кругового сечения и бесконечная длина, а также расположение на расстоянии в 1 м друг от друга в условиях вакуума; 

     5) кельвин равен 1/273,16 части термодинамической  температуры, так называемой тройной  точки воды; 

     6) моль равен количеству вещества  системы, в которую входит такое  же количество структурных элементов,  что и в атомы в C 12 массой 0,012 кг.[2] 

     Кроме того, Международная система единиц содержит две достаточно важные дополнительные единицы, необходимые для измерения  плоского и телесного углов. Так, единица плоского угла – это радиан, или сокращенно рад, представляющий собой угол между двух радиусов окружности, длина дуги между которыми равняется радиусу окружности. Если речь идет о градусах, то радиан равен 57°17 48 '. А стерадиан, или ср, принимаемый за единицу телесного угла, представляет собой, соответственно, телесный угол, расположение вершины которого фиксируется в центре сферы, а площадь, вырезаемая данным углом на поверхности сферы, равна площади квадрата, сторона которого равна длине радиуса сферы Другие дополнительные единицы СИ используются для формирования единиц угловой скорости, а также углового ускорения и т. д. Радиан и стерадиан используются для теоретических построений и расчетов, поскольку большая часть значимых для практики значений углов в радианах выражаются трансцендентными числами. К внесистемным единицам относятся следующие: 

     1) за логарифмическую единицу принята  десятая часть бела, децибел (дБ); 

     2) диоптрия – сила света для  оптических приборов; 

     3) реактивная мощность – Вар  (ВА); 

     4) астрономическая единица (а. е.) – 149,6 млн км; 

     5) световой год, под которым понимается такое расстояние, которое луч света проходит за 1 год; 

     6) вместимость – литр; 

     7) площадь – гектар (га). 

     Кроме того, логарифмические единицы традиционно  делят на абсолютные и относительные. Первые абсолютные логарифмические  единицы – это десятичный логарифм соотношения физической величины и нормированного значения Относительная логарифмическая единица образуется как десятичный логарифм отношения любых двух однородных величин. Существуют также единицы, вообще не входящие в СИ. Это в первую очередь такие единицы, как градус и минута. Все остальные единицы считаются производными, которые согласно Международной системе единиц образуются с помощью самых простейших уравнений с использованием величин, числовые коэффициенты которых приравнены к единице. Если в уравнении числовой коэффициент равен единице, производная единица называется когерентной.

     Основная  единица системы единиц физических величин единица основной физической величины в данной системе единиц.[5] 

     Основными единицами Международной системы СИ являются: метр, килограмм, секунда, ампер, градус Кельвина, канделла, моль. При выборе этих единиц руководствовались только практической целесообразностью, т.е. удобством применения единиц в деятельности человека. 

     Метр - единица длины, равная пути, проходимому в вакууме светом за 1/299792458 долю секунды. Первоначально метр был определен как длина 1/40000000 доли длины Парижского меридиана и воспроизводился как расстояние между рисками, нанесенными на платиновом, а позднее платиноиридиевом брусе Х-образного сечения. Но эта величина оказалась нестабильной, поэтому метр стали выражать с помощью длины волны излучения красной линии кадмия, а в настоящее время - оранжевой линии излучения атома криптона-86. 1 метр соответствует 1650763,73 длин волн излучения в вакууме, соответствующего переходу между уровнями 2p10 и 5d5 атома Kr-86. 

     Метр  определяют косвенными методами на радиометрических мостах. Они состоят из ряда последовательно  расположенных радиотехнических генераторов  и лазеров с умножением частоты между ними. На вход подается эталонная частота 5 Мгц от генератора, синхронизированного через систему умножителей частоты с водородными генераторами эталона времени и частоты, откалиброванными по цезиевому реперу частоты. Мост умножает эту частоту до значения около 1*1014 Гц. Задача его - измерять частоты стабилизированных лазеров. Зная их, вычисляют длины волн их излучения и с помощью оптических интерферометров аттестуют и поверяют различные меры длины. 

     Килограмм - единица массы, равная массе 1,000028 дм3 воды при температуре ее наибольшей плотности 4 єС. 

     Эталон  килограмма в России представляет собой  цилиндр высотой и диаметром  по 39 мм с закругленными ребрами. Ведутся работы по определению килограмма через Вольт и Ом с помощью  обращенных ампер-весов. 

     Секунда - единица времени, равная 9192631770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. Эталон секунды установлен в 1967 г. Он основан на способности атомов излучать и поглощать энергию во время перехода между двумя энергетическими состояниями в области радиочастот. Репер, или квантовый стандарт частоты, представляет собой устройство для точного воспроизведения частоты электромагнитных колебаний в сверхвысокочастотных и оптических спектрах, основанное на измерении частоты квантовых переходов атомов, ионов или молекул. В пассивных квантовых стандартах используются частоты спектральных линий поглощения, в активных - вынужденное испускание фотонов частицами. Применяются активные квантовые стандарты частоты на пучке молекул аммиака (так называемые молекулярные генераторы) и атомов водорода (водородные генераторы). Пассивные стандарты частоты - на пучке атомов цезия (цезиевые реперы частоты) 

     Для воспроизведения секунды используются цезиевые генераторы (эталоны) частоты - это высокостабильные генераторы монохроматического излучения (сигнала) с частотой 9192631770 Гц; погрешность частоты не превышает 1,5*10 -13. В государственном эталоне России используются водородные генераторы периодически сличаемые с цезиевыми, их долговременная частота не постулирована, но нестабильность меньше 3*10 -14. кроме того эталон содержит аппаратуру формирования и хранения шкал времени. Основная шкала ТА - равномерного атомного времени с фиксированным нулем, не связанным с вращением и положением в пространстве Земли. Другие шкалы: UT0 - всемирного времени (средняя солнечная «с» ); UT1 с поправкой на колебания полюсов земли; UT2 - с поправкой на сезонную неравномерность вращения Земли. Это всемирные шкалы, постепенно расходящиеся с ТА из-за замедления скорости вращения Земли. Чтобы их согласовать, введена шкала UTC, в которой 1с utc=1с та, а начало счета может меняться на 1с с 1-го числа каждого месяца (1.01 или 1.06) В России по шкале UTC передают сигналы времени по TV или радио. 

     Ампер - единица силы электрического тока. Ампер равен силе неизменяющегося  тока, который, проходя по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной  длины и ничтожно малой площади  кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, вызывал бы на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2·10-7 Н. 

     В качестве эталонов Ампера используются ампер-весы, реализующие А путем  измерений силы, либо путем измерения  момента силы, действующего на катушку с током, помещенную в магнитное поле другой катушки. Это точные равноплечие весы, выполненные из немагнитных материалов. На одном конце коромысла подвешена чашка для размещения постоянного и дополнительного уравновешивающих грузов. К другому концу коромысла подвешивается подвижная катушка, входящая коаксиально в неподвижную катушку большего диаметра. Обмотки катушек (в простейшем случае) соединены последовательно. В обесточенном режиме весы уравновешиваются. При прохождении через катушки электрического тока подвижная катушка втягивается в неподвижную (или выталкивается из нее ). Для восстановления равновесия служит дополнительный уравновешивающий груз. По результатам метрологического исследования рассчитывают значение массы этого груза, соответствующего, например, силе электрического тока 1А. Включив в цепь катушек эталонный резистор, можно откалибровать эталонные меры ЭДС (эталонные меры силы тока пока не применяются). 

     Более точные эталоны, основанные на измерениях магнитной индукции методом ядерного магнитного резонанса, используются пока только в качестве вторичных. В 1992 г. в России утвержден национальный эталон А, размер которого воспроизводится с использованием элементов Вольта и Ома. Cреднее квадратическое отклонение (СКО) не более 1·10-8, не исключенные систематические погрешности (НСП) не более 1·10 -7 (у ампер-весов CKO?4·10-6, HCП?8·10-6). 

     Кельвин - единица термодинамической температуры, равная 1/273,16 части термодинамической  температуры тройной точки воды. Тройная точка воды - это состояние  воды в запаянном стеклянном сосуде, при котором лед, вода и ее пары находятся в равновесии: вода не замерзает, не испаряется, лед не тает, пар не конденсируется. 

     Государственные первичные эталоны России воспроизводят  международную градусную шкалу  МГШ-90 в двух поддиапазонах: 0,8…273,16 К и 373,16…2773 К. В состав низкотемпературного  эталона в качестве основной его части входят две группы железо-родиевых и платиновых термометров сопротивления, градуировочные зависимости которых определены по результатам сличений результатов, полученных в лабораториях России, Англии, США, Австралии и Голландии. Каждая группа содержит два платиновых и два железо-родиевых термометра, постоянно находящихся в блоке сравнения - массивном цилиндре с четырьмя продольными каналами для термометров. Передача шкалы термометрам - вторичным и рабочим эталонам осуществляется приведением их в тепловой контакт с эталонным блоком сравнения и сличением в криостате. В набор контрольной аппаратуры эталона помимо устройств для точных измерений сопротивлений входит комплект установок для реализации температур реперных точек, газовый интерполяционный термометр с уникальным ртутным манометром и криостат сравнения. СКО эталона 0,3…1,0 мК, НСП 0,4…1,5 мК наименьшее значение воспроизводимой температуры - 0,8 К. 

     В состав второго эталона входят платиновые термометры сопротивления, температурные  лампы, аппаратура воспроизведения реперных точек в диапазоне 273,16…1355,77 К, (СКО?5·10-5...1·10-2; НСП?1·10-45…10-3). Установлены следующие соотношения по различным температурным шкалам: 

     шкале Цельсия: С=К=tС+273,16 

     шкале Реомюра:1R=1,25 C; tС=1,25 tR; T=1,25 tR+273,16 

     шкале Фаренгейта: 1F=5/9C=5/9K; tС=5/9( tF-32); T=5/9( tF-32)+273,16 

     Канделла - единица силы света, равная силе света  в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение  частотой 540·1012 Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср. Инициаторами введения этой единицы были астрономы. В государственном эталоне свет испускается с определенной поверхности затвердевающей платины при определенных внешних условиях и воспринимается первичным фотометром, созданным на основе неселективного радиометра, спектральная чувствительность которого скоррелирована на специальном фильтре под функциональную зависимость от длины волны. Эталон воспроизводит единицу силы света в диапазоне 30…110 кд с СКО?0,1·10-2 и НСП?0,25·10-2. 

     Моль - единица количества вещества, равная количеству вещества, содержащему столько  же структурных элементов (атомов, молекул), сколько их содержится в 0,012 кг углерода-12. Эталоны моля никогда не создавались, так как масса одного моля различных веществ или структур, численно равная числу Авогадро - 6,025·1023 частиц; средства измерений, отградуированные в молях, не выпускаются. Есть обоснованные предложения исключить моль из основных единиц СИ и допустить его к применению наравне с единицами СИ как специальную единицу массы, удобную для химических расчетов. 

     Эталонная база России имеет 114 государственных  эталонов и более 250 вторичных эталонов единиц ФВ. Из них 52 находятся во ВНИИМ  им. Д.И.Менделеева (С.-Пб.), в т.ч. эталоны  м, кг, А, К, рад; 25 - во ВНИИФТРИ (физико-технических и радиотехнических измерений, г.Москва, в т.ч. эталоны единиц времени и частоты; 13 - во ВНИИ оптико-физических измерений в т.ч. канделлы; соответственно 5 и 6 - в Уральском и Сибирском НИИ метрологии.

     Производная единица системы единиц физических величин - единица производной физической величины системы единиц, образованная в соответствии с уравнением, связывающим ее с основными единицами или же с основными и уже определенными производными. 

     Производные единицы СИ образуются из основных, дополнительных и ранее образованных производных единиц СИ при помощи уравнений связи между физическими величинами, в которых числовые коэффициенты равны единице. Для этого величины в правой и левой частях уравнения связи принимают равными единицам СИ. Например, для производной единицы скорости, определяемой из уравнения v = L/T, записывают уравнение единиц [v] = [L] /[T], а вместо символов Lи T подставляют их единицы (1 м и 1 с) и получают [V]=1 м/1 с = 1 м/с. Это означает, что единицей скорости в СИ является метр в секунду. Производным единицам могут присваиваться наименования в честь известных ученых. Так, уравнение связи между величинами для определения единицы давления p=F/S, уравнение связи между единицами давления, силы и площади [р]= [F]/[S]. Подставив вместо F и S единицы этих величин в СИ (1 Н и 1 м2), получим [р]=1 н/ 1 м2 = 1 Н/м2. Этой единице присвоено наименование - паскаль (Па) по имени французского математика и физика Блеза Паскаля. 
 

     Государственная метрологическая служба России (ГМС) представляет собой совокупность государственных метрологических органов и создается для управления деятельностью по обеспечению единства измерений. 

     Общее руководство ГМС осуществляет Ростехрегулирование (или Госстандарт РФ), на которое Законом "Об обеспечении единства измерений" возложены следующие функции:

     • межрегиональная и межотраслевая  координация деятельности по обеспечению  единства измерений;

     • представление Правительству РФ предложений по единицам величин, допускаемым  к применению;

     • установление правил создания, утверждения, хранения и применения эталонов единиц величин;

     • определение общих метрологических  требований к средствам, методам  и результатам измерений;

     • государственный метрологический  контроль и надзор;

     • контроль за соблюдением условий международных договоров РФ о признании результатов испытаний и поверки средств измерений;

     • руководство деятельностью Государственной  метрологической службы и иных государственных  служб обеспечения единства измерений;

     • участие в деятельности международных организаций по вопросам обеспечения единства измерений;

     • утверждение нормативных документов по обеспечению единства измерений;

     • утверждение государственных эталонов;

     • установление межповерочных интервалов средств измерений;

     • отнесение технических устройств к средствам измерений;

     • установление порядка разработки и  аттестации методик выполнения измерений;

     • ведение и координация деятельности Государственных научных метрологических  центров (ГНМЦ), Государственной метрологической  службы, Государственной службы времени и частоты (ГСВЧ), Государственной службы стандартных образцов (ГССО), Государственной службы стандартных справочных данных (ГСССД);

     • аккредитация государственных центров  испытаний средств измерений;

     • утверждение типа средств измерения;

     • ведение Государственного реестра  средств измерений;

     • аккредитация метрологических служб  юридических лиц на право поверки  средств измерений;

     • утверждение перечней средств измерений, подлежащих поверке;

     • установление порядка лицензирования деятельности юридических и физических лиц по изготовлению, ремонту, продаже и прокату средств измерений;

     • организация и координация деятельности государственных инспекторов по обеспечению единства измерений

     • организация деятельности и аккредитация метрологических служб юридических лиц на право проведения калибровочных работ;

     • планирование и организация выполнения метрологических работ.

     2. В состав ГМС входят семь  государственных научных метрологических  центров, Всероссийский научно-исследовательский  институт метрологической службы (ВНИИМС) и около 100 центров стандартизации и метрологии. Наиболее крупные среди научных центров — НПО "ВНИИ метрологии имени Д.И. Менделеева" (ВНИИМ, Санкт-Петербург), НПО "ВНИИ физико-технических и радиотехнических измерений" (ВНИИФТРИ, Московская область), Сибирский государственный научно-исследовательский институт метрологии (СНИИМ, Новосибирск), Уральский научно-исследовательский институт метрологии (УНИИМ, Екатеринбург). Научные центры являются держателями государственных эталонов, а также проводят исследования по теории измерений, принципам и методам высокоточных измерений, разработке научно-методических основ совершенствования российской системы Намерений.