Физическая величина

Физи́ческая величина́ - физическое свойство материального объекта, физического явления , процесса, которое может быть охарактеризовано количественно.

Значение физической величины - одно или несколько (в случае тензорной физической величины) чисел, характеризующих эту физическую величину, с указанием единицы измерения , на основе которой они были получены.

Размер физической величины - значения чисел, фигурирующих в значении физической величины .

Например, автомобиль может быть охарактеризован с помощью такой физической величины , как масса. При этом, значением этой физической величины будет, например, 1 тонна, а размером - число 1, или же значением будет 1000 килограмм, а размером - число 1000. Этот же автомобиль может быть охарактеризован с помощью другой физической величины - скорости. При этом, значением этой физической величины будет, например, вектор определённого направления 100 км/ч, а размером - число 100.

Размерность физической величины - единица измерения , фигурирующая в значении физической величины . Как правило, у физической величины много различных размерностей: например, у длины - нанометр, миллиметр, сантиметр, метр, километр, миля, дюйм, парсек, световой год и т. д. Часть таких единиц измерения (без учёта своих десятичных множителей) могут входить в различные системы физических единиц - СИ , СГС и др.

Часто физическая величина может быть выражена через другие, более основополагающие физические величины. (Например, сила может быть выражена через массу тела и его ускорение). А значит, соответственно, и размерность такой физической величины может быть выражена через размерности этих более общих величин. (Размерность силы может быть выражена через размерности массы и ускорения). (Часто такое представление размерности некоторой физической величины через размерности других физических величин является самостоятельной задачей, которая в некоторых случаях имеет свой смысл и назначение.) Размерности таких более общих величин часто уже являются основными единицами той или другой системы физических единиц, то есть такими, которые сами уже не выражаются через другие, ещё более общие величины.

Пример.
Если физическая величина мощность записывается как

P = 42,3 × 10³ Вт = 42,3 кВт, Р - это общепринятое литерное обозначение этой физической величины, 42,3 × 10³ Вт - значение этой физической величины, 42,3 × 10³ - размер этой физической величины.

Вт - это сокращённое обозначение одной из единиц измерения этой физической величины (ватт). Литера к является обозначением десятичного множителя «кило » Международной системы единиц (СИ) .

Размерные и безразмерные физические величины

• Размерная физическая величина - физическая величина, для определения значения которой нужно применить какую-то единицу измерения этой физической величины. Подавляющее большинство физических величин являются размерными.
• Безразмерная физическая величина - физическая величина, для определения значения которой достаточно только указания её размера. Например, относительная диэлектрическая проницаемость - это безразмерная физическая величина.

Аддитивные и неаддитивные физические величины

• Аддитивная физическая величина - физическая величина, разные значения которой могут быть суммированы, умножены на числовой коэффициент, разделены друг на друга. Например, физическая величина масса - аддитивная физическая величина.
• Неаддитивная физическая величина - физическая величина, для которой суммирование, умножение на числовой коэффициент или деление друг на друга её значений не имеет физического смысла. Например, физическая величина температура - неаддитивная физическая величина.

Экстенсивные и интенсивные физические величины

Физическая величина называется

• экстенсивной, если величина её значения складывается из величин значений этой физической величины для подсистем, из которых состоит система (например, объём , вес);
• интенсивной , если величина её значения не зависит от размера системы (например, температура , давление).

Некоторые физические величины, такие как момент импульса , площадь , сила , длина , время , не относятся ни к экстенсивным, ни к интенсивным.

От некоторых экстенсивных величин образуются производные величины:

• удельная величина - это величина, делённая на массу (например, удельный объём);
• молярная величина - это величина, делённая на количество вещества (например, молярный объём).

Скалярные, векторные, тензорные величины

В самом общем случае можно сказать, что физическая величина может быть представлена посредством тензора определённого ранга (валентности) .

Система единиц физических величин

Система единиц физических величин - совокупность единиц измерений физических величин, в которой существует некоторое число так называемых основных единиц измерений, а остальные единицы измерения могут быть выражены через эти основные единицы. Примеры систем физических единиц - Международная система единиц (СИ) , СГС .

Символы физических величин

Литература

• РМГ 29-99 Метрология. Основные термины и определения.
• Бурдун Г. Д., Базакуца В. А. Единицы физических величин . - Харьков : Вища школа, .

Физика, как мы уже установили, изучает общие закономерности в окружающем нас мире. Для этого ученые проводят наблюдения физических явлений. Однако при описании явлений принято использовать не повседневный язык, а специальные слова, имеющие строго определенный смысл, - термины. Некоторые физические термины уже встречались вам в предыдущем параграфе. Многие термины вам только предстоит узнать и запомнить их значения.

Кроме того, физикам необходимо описывать различные свойства (характеристики) физических явлений и процессов, причем характеризовать их не только качественно, но и количественно. Приведем пример.

Исследуем зависимость времени падения камня с высоты, с которой он падает. Опыт показывает: чем больше высота, тем больше время падения. Это качественное описание, оно не позволяет подробно описать результат эксперимента. Чтобы понять закономерность такого явления, как падение, нужно знать, например, что при увеличении высоты в четыре раза время падения камня обычно увеличивается в два раза. Это и есть пример количественных характеристик свойств явления и взаимосвязи между ними.

Для того чтобы количественно описывать свойства (характеристики) физических объектов, процессов или явлений, используют физические величины. Примеры известных вам физических величин - длина, время, масса, скорость.

Физические величины количественно описывают свойства физических тел, процессов, явлений.

С некоторыми величинами вам доводилось сталкиваться раньше. На уроках математики, решая задачи, вы измеряли длины отрезков, определяли пройденный путь. При этом вы пользовались одной и той же физической величиной - длиной. В других случаях вы находили продолжительность движения различных объектов: пешехода, автомобиля, муравья - и также использовали для этого только одну физическую величину - время. Как вы уже заметили, для разных объектов одна и та же физическая величина принимает различные значения. Например, длины разных отрезков могут быть неодинаковы. Поэтому одна и та же величина может принимать разные значения и быть использована для характеристики самых разных объектов и явлений.

Необходимость введения физических величин заключается еще и в том, что с их помощью записывают законы физики.

В формулах и при расчетах физические величины обозначают буквами латинского и греческого алфавитов. Есть общепринятые обозначения, например длина - l или L, время - t, масса - m или M, площадь - S, объем - V и т. п.

Если вы запишете значение физической величины (ту же самую длину отрезка, получив ее в результате измерения), то заметите: это значение - не просто число. Сказав, что длина отрезка равна 100, обязательно нужно уточнить, в каких единицах она выражена: в метрах, сантиметрах, километрах или в чем-то еще. Поэтому говорят, что значение физической величины - именованное число. Его можно представить как число, за которым указано наименование единицы этой величины.

Значение физической величины = Число * Единица величины.

Единицы многих физических величин (например, длины, времени, массы) первоначально возникли из потребностей обыденной жизни. Для них в разные времена разными народами были придуманы различные единицы. Интересно, что названия многих единиц величин у разных народов совпадают, потому что при выборе этих единиц использовались размеры тела человека. Например, единица длины, называемая «локоть», использовалась в Древнем Египте, Вавилоне, арабском мире, Англии, России.

Но длину измеряли не только локтями, но и в вершках, футах, лье и т. п. Следует сказать, что даже при одинаковых названиях единицы одной и той же величины у разных народов были разными. В 1960 г. ученые разработали Международную систему единиц (СИ, или SI). Эта система принята многими странами, в том числе и Россией. Поэтому использование единиц этой системы является обязательным.
Принято различать основные и производные единицы физических величин. В СИ основные механические единицы - длина, время и масса. Длину измеряют в метрах (м), время - в секундах (с), массу - в килограммах (кг). Производные единицы образуют из основных, используя соотношения между физическими величинами. Например, единица площади - квадратный метр (м 2) - равна площади квадрата с длиной стороны один метр.

При измерениях и вычислениях часто приходится иметь дело с физическими величинами, численные значения которых во много раз отличаются от единицы величины. В таких случаях к названию единицы добавляют приставку, означающую умножение или деление единицы на некоторое число. Очень часто используют умножение принятой единицы на 10, 100, 1000 и т. д. (кратные величины), а также деление единицы на 10, 100, 1000 и т. д. (дольные величины, т. е. доли). Например, тысяча метров - это один километр (1000 м = 1 км), приставка - кило-.

Приставки, означающие умножение и деление единиц физических величин на десять, сто и тысячу, приведены в таблице 1.
Итоги

Физическая величина является количественной характеристикой свойств физических объектов, процессов или явлений.

Физическая величина характеризует одно и то же свойство самых разных физических объектов и процессов.

Значение физической величины - именованное число.
Значение физической величины = Число * Единица величины.

Вопросы

1. Для чего служат физические величины? Приведите примеры физических величин.
2. Какие из перечисленных ниже терминов являются физическими величинами, а какие - нет? Линейка, автомобиль, холод, длина, скорость, температура, вода, звук, масса.
3. Как записывают значения физических величин?
4. Что такое СИ? Для чего она нужна?
5. Какие единицы называют основными, а какие производными? Приведите примеры.
6. Масса тела равна 250 г. Выразите массу этого тела в килограммах (кг) и миллиграммах (мг).
7. Выразите расстояние 0,135 км в метрах и в миллиметрах.
8. На практике часто используют внесистемную единицу объема - литр: 1 л = 1 дм 3 . В СИ единица объема носит название кубический метр. Сколько литров в одном кубическом метре? Найдите, какой объем воды содержит кубик с ребром 1 см, и выразите этот объем в литрах и кубических метрах, используя необходимые приставки.
9. Назовите физические величины, которые необходимы для описания свойств такого физического явления, как ветер. Используйте сведения, полученные на уроках естествознания, а также результаты ваших наблюдений. Запланируйте физический эксперимент с целью измерения этих величин.
10. Какие старинные и современные единицы длины и времени вы знаете?

Изучение физических явлений и их закономерностей, а также использование этих закономерностей в практической деятельности человека связано с измерением физических величин.

Физическая величина - это свойство, в качественном отношении общее многим физическим объектам (физическим системам, их состояниям и происходящим в них процессам), но в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта.

Физической величиной является например, масса. Массой обладают разные физические объекты: все тела, все частицы вещества, частицы электромагнитного поля и др. В качественном отношении все конкретные реализации массы, т. е. массы всех физических объектов, одинаковы. Но масса одного объекта может быть в определенное число раз больше или меььше, чем масса другого. И в этом количественном смысле масса есть свойство, индивидуальное для каждого объекта. Физическими величинами являются также длина, температура, напряженность электрического поля, период колебаний и др.

Конкретные реализации одной и той же физической величины называются однородными величинами. Например, расстояние между зрачками ваших глаз и высота Эйфелевой башни есть конкретные реализации одной и той же физической величины - длины и потому являются однородными величинами. Масса данной книги и масса спутника Земли «Космос-897» также однородные физические величины.

Однородные физические величины отличаются друг от друга размером. Размер физической величины - это

количественное содержание в данном объекте свойства, соответствующего понятию «физическая величина».

Размеры однородных физических величин различных объектов можно сравнивать между собой, если определить значения этих величин.

Значением физической величины называется оценка физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц (см. с. 14). Например, значение длины некоторого тела, 5 кг - значение массы некоторого тела и т. д. Отвлеченное число, входящее в значение физической величины (в наших примерах 10 и 5), называется числовым значением. В общем случае значение X некоторой величины можно выразить в виде формулы

где числовое значение величины, ее единица.

Следует различать истинное и действительное значения физической величины.

Истинное значение физической величины - это значение величины, которое идеальным образом отражало бы в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство объекта.

Действительное значение физической величины есть значение величины, найденное экспериментальным путем и настолько приближающееся к истинному значению, что для данной цели может быть использовано вместо него.

Нахождение значения физической величины опытным путем при помощи специальных технических средств называется измерением.

Истинные значения физических величин, как правило, неизвестны. Например, никто не знает истинных значений скорости света, расстояния от Земли до Луны, массы электрона, протона и других элементарных частиц. Мы не знаем истинного значения своего роста и массы своего тела, не знаем и не можем узнать истинного значения температуры воздуха в нашей комнате, длины стола, за которым работаем, и т. д.

Однако, пользуясь специальными техническими средствами, можно определить действительные

значеиия всех этих и многих других величин. При этом степень приближения этих действительных значений к истинным значениям физических величин зависит от совершенства применяемых при этом технических средств измерения.

К средствам измерений относятся меры, измерительные приборы и др. Под мерой понимают средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера. Например, гиря - мера массы, линейка с миллиметровыми делениями - мера длины, измерительная колба - мера объема (вместимости), нормальный элемент - мера электродвижущей силы, кварцевый генератор - мера частоты электрических колебаний и др.

Измерительный прибор - это средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдением. К измерительным приборам относятся динамометр, амперметр, манометр и др.

Различают измерения прямые и косвенные.

Прямым измерением называют измерение, при котором искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных. К прямым измерениям относятся, например, измерение массы на равноплечных весах, температуры - термометром, длины - масштабной линейкой.

Косвенное измерение - это измерение, при котором искомое значение величины находят на основании известной зависимости между ней и величинами, подвергаемыми прямым измерениям. Косвенными измерениями являются, например, нахождение плотности тела по его массе и геометрическим размерам, нахождение удельного электрического сопротивления проводника по его сопротивлению, длине и площади поперечного сечения.

Измерения физических величин основываются на различных физических явлениях. Например, для измерения температуры используется тепловое расширение тел или термоэлектрический эффект, для измерения массы тел взвешиванием - явление тяготения и т.д. Совокупность физических явлений, на которых основаны измерения, называют принципом измерения. Принципы измерений не рассматриваются в данном пособии. Изучением принципов и методов измерений, видов средств измерений, погрешностей измерений и других вопросов, связанных с измерениями, занимается метрология.

Физика как наука, изучающая явления природы, использует стандартную методику исследования. Основными этапами можно назвать: наблюдение, выдвижение гипотезы, проведение эксперимента, обоснование теории. В ходе наблюдения устанавливаются отличительные черты явления, ход его течения, возможные причины и последствия. Гипотеза позволяет пояснить ход явления, установить его закономерности. Эксперимент подтверждает (или не подтверждает) справедливость гипотезы. Позволяет установить количественное соотношение величин в ходе опыта, что приводит к точному установлению зависимостей. Подтвержденная в ходе опыта гипотеза ложится в основу научной теории.

Ни одна теория не может претендовать на достоверность, если не получила полного и безоговорочного подтверждения в ходе эксперимента. Проведение последнего сопряжено с измерениями физических величин, характеризующих процесс. - это основа измерений.

Что это такое

Измерение касается тех величин, которые подтверждают справедливость гипотезы о закономерностях. Физическая величина - это научная характеристика физического тела, качественное отношение которой является общим для множества аналогичных тел. Для каждого тела такая количественная характеристика сугубо индивидуальна.

Если обратиться к специальной литературе, то в справочнике М. Юдина и др. (1989 года издания) читаем, что физическая величина это: “характеристика одного из свойств физического объекта (физической системы, явления или процесса), общая в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальная для каждого объекта”.

Словарь Ожегова (1990 года издания) утверждает, что физическая величина это - "размер, объем, протяженность предмета".

К примеру, длина - физическая величина. Механика длину трактует как пройденное расстояние, электродинамика использует длину провода, в термодинамике аналогичная величина определяет толщину стенок сосудов. Суть понятия не меняется: единицы величин могут быть одинаковыми, а значение - различным.

Отличительной чертой физической величины, скажем, от математической, является наличие единицы измерения. Метр, фут, аршин - примеры единиц измерения длины.

Единицы измерения

Чтобы измерить физическую величину, ее следует сравнить с величиной, принятой за единицу. Вспомните замечательный мультфильм «Сорок восемь попугаев». Чтобы установить длину удава, герои измеряли его длину то в попугаях, то в слонятах, то в мартышках. В этом случае длину удава сравнивали с ростом других героев мультфильма. Результат количественно зависел от эталона.

Величины - мера ее измерения в определенной системе единиц. Путаница в этих мерах возникает не только вследствие несовершенства, разнородности мер, но иногда и из-за относительности единиц.

Русская мера длины - аршин - расстояние между указательным и большим пальцами руки. Однако руки у всех людей разные, и аршин, измеренный рукой взрослого мужчины, отличается от аршина на руке ребенка или женщины. Такое же несоответствие мер длины касается сажени (расстояние между кончиками пальцев расставленных в стороны рук) и локтя (расстояние от среднего пальца до локтя руки).

Интересно, что в лавки приказчиками брали мужчин небольшого роста. Хитрые купцы экономили ткань при помощи несколько меньших мерил: аршин, локоть, сажень.

Системы мер

Такое разнообразие мер существовало не только в России, но и в других странах. Введение единиц измерения зачастую было произвольным, иногда эти единицы вводились только вследствие удобства их измерения. Например, для измерения атмосферного давления ввели мм ртутного столба. Известный в котором использовалась трубка, заполоненная ртутью, позволил ввести такую необычную величину.

Мощность двигателей сравнивали с (что практикуется и в наше время).

Различные физические величины измерение физических величин делали не только сложными и недостоверными, но и усложняющими развитие науки.

Единая система мер

Единая система физических величин, удобная и оптимизированная в каждой промышленно развитой стране, стала насущной необходимостью. За основу была принята идея выбора как можно меньшего количества единиц, с помощью которых в математических соотношениях можно было бы выразить и другие величины. Такие основные величины не должны быть связаны друг с другом, их значение определяется однозначно и понятно в любой экономической системе.

Эту проблему решить пытались в различных странах. Создание единой СГС, МКС и другие) предпринималось неоднократно, но эти системы были неудобны либо с научной точки зрения, либо в бытовом, промышленном применении.

Задачу, поставленную в конце 19 века, решить получилось только в 1958 году. На заседании Международного комитета законодательной метрологии была представлена унифицированная система.

Унифицированная система мер

1960 год ознаменовался историческим заседанием Генеральной конференции по мерам и весам. Уникальная система, названная «Systeme internationale d"unites» (сокращенно SI) была принята решением этого почетного собрания. В российской версии эта система названа Система интернациональная (аббревиатура СИ).

За основу приняты 7 основных единиц и 2 дополнительных. Их численное значение определяется в виде эталона

Таблица физических величин СИ

Наименование основной единицы	Измеряемая величина	Обозначение
		Интернациональное	российское
Основные единицы
килограмм
	Сила тока
	Температура
	Количество вещества
	Сила света
Дополнительные единицы
	Плоский угол
Стерадиан	Телесный угол

Сама система не может состоять только из семи единиц, поскольку разнообразие физических процессов в природе требует введения все новых и новых величин. В самой структуре предусмотрено не только внедрение новых единиц, но и их взаимосвязь в виде математических соотношений (их чаще называют формулами размерностей).

Единица физической величины получается с применением умножения, и деления основных единиц в формуле размерностей. Отсутствие числовых коэффициентов в таких уравнениях делает систему не только удобной во всех отношениях, но и когерентной (согласованной).

Производные единицы

Единицы измерения, которые формируются из семи основных, получили название производных. Кроме основных и производных единиц, возникла необходимость введения дополнительных (радиан и стерадиан). Их размерность принято считать нулевой. Отсутствие измерительных приборов для их определения делает невозможным их измерение. Их введение обусловлено применением в теоретических исследованиях. Например, физическая величина «сила» в этой системе измеряется в ньютонах. Поскольку сила - мера взаимного действия тел друг на друга, являющаяся причиной варьирования скорости тела определенной массы, то определить ее можно как произведение единицы массы на единицу скорости, деленную на единицу времени:

F = k٠M٠v/T, где k - коэффициент пропорциональности, M - единица массы, v - единица скорости, T - единица времени.

СИ дает следующую формулу размерностей: Н = кг٠м/с 2 , где использованы три единицы. И килограмм, и метр, и секунда отнесены к основным. Коэффициент пропорциональности равен 1.

Возможно введение безразмерных величин, которые определяются в виде соотношения однородных величин. К таковым можно отнести как известно, равный отношению силы трения к силе нормального давления.

Таблица физических величин, производных от основных

Наименование единицы	Измеряемая величина	Формула размерностей
		кг٠м 2 ٠с -2
	давление	кг٠ м -1 ٠с -2
	магнитная индукция	кг ٠А -1 ٠с -2
	электрическое напряжение	кг ٠м 2 ٠с -3 ٠А -1
	Электрическое сопротивление	кг ٠м 2 ٠с -3 ٠А -2
	Электрический заряд
	мощность	кг ٠м 2 ٠с -3
	Электрическая емкость	м -2 ٠кг -1 ٠c 4 ٠A 2
Джоуль на Кельвин	Теплоемкость	кг ٠м 2 ٠с -2 ٠К -1
Беккерель	Активность радиоактивного вещества
	Магнитный поток	м 2 ٠кг ٠с -2 ٠А -1
	Индуктивность	м 2 ٠кг ٠с -2 ٠А -2
	Поглощенная доза
	Эквивалентная доза излучения
	Освещенность	м -2 ٠кд ٠ср -2
	Световой поток
	Сила, вес	м ٠кг ٠с -2
	Электрическая проводимость	м -2 ٠кг -1 ٠с 3 ٠А 2
	Электрическая емкость	м -2 ٠кг -1 ٠c 4 ٠A 2

Внесистемные единицы

Использование исторически сложившихся величин, не входящих в СИ или отличающихся только числовым коэффициентом, допускается при измерении величин. Это внесистемные единицы. Например, мм ртутного столба, рентген и другие.

Числовые коэффициенты используются для введения дольных и кратных величин. Приставки соответствуют определенному числу. Примером могут служить санти-, кило-, дека-, мега- и многие другие.

1 километр = 1000 метров,

1 сантиметр = 0,01 метра.

Типология величин

Попытаемся указать несколько основных признаков, которые позволяют установить тип величины.

1. Направление. Если действие физической величины напрямую связано с направлением, ее называют векторной, иные - скалярные.

2. Наличие размерности. Существование формулы физических величин дает возможность называть их размерными. Если в формуле все единицы имеют нулевую степень, то их называют безразмерными. Правильнее было бы назвать их величинами с размерностью, равной 1. Ведь понятие безразмерной величины нелогично. Основное свойство - размерность - никто не отменял!

3. По возможности сложения. Аддитивная величина, значение которой можно складывать, вычитать, умножать на коэффициент и т. д. (например, масса) - физическая величина, являющаяся суммируемой.

4. По соотношению с физической системой. Экстенсивная - если ее значение можно составить из значений подсистемы. Примером может служить площадь, измеряемая в метрах квадратных. Интенсивная - величина, значение которой не зависит от системы. К таковым можно отнести температуру.