1. Вимірювання фізичних величин

1.1. Фізичні величини

Фізична величина – це властивість, в якісному відношенні загальна багатьом фізичним об'єктам, в кількісному відношенні індивідуальне для кожного об'єкту. Наприклад маса, довжина, температура, період коливань та ін.

Розмір фізичної величини – це кількісний вміст в даному об'ємі властивості, відповідний поняттю "фізична величина". Не слідує замість терміну "розмір" застосовувати термін "величина", наприклад "величина сили", "величина тиску" і т.п. Оскільки ці властивості (сила, тиск) самі є величинами.

Значення фізичної величини – це оцінка фізичної величини у вигляді деякого числа прийнятих для неї одиниць. Наприклад, 10 м – значення довжини деякого тіла, 5 кг – значення маси деякого тіла. Відвернуте число, що входить в значення фізичної величини (10 і 5 в приведених прикладах), називається числовим значенням.

Дійсне значення фізичної величини - це значення величини, яке ідеальним чином відображало б в якісних і кількісних відносинах відповідну властивість об'єкту. Дійсне значення фізичних величин, як правило, невідомо.

Дійсне значення фізичних величин є значення величини, знайдене експериментальним шляхом і що настільки наближається до дійсного значення, що для даної мети може бути використано замість нього.

2. Завдання вимірювань

Вимірюванням фізичної величини називається знаходження її значення дослідним шляхом за допомогою спеціальних технічних засобів.

Вимірювання можливо лише в тому випадку, якщо для кожної фізичної величини вибрані відповідні одиниці. В результаті вимірювання ми дізнаємося, в скільки разів вимірювана величина більше або менше відповідної величини, прийнятої за одиницю.

Одиниця фізичної величини – це фізична величина, якій за визначенням привласнено числове значення, рівне 1.

Ніяке вимірювання не може бути виконано абсолютно точно. Тому в результаті вимірювань ми завжди набуваємо значення фізичної величини з деякою погрішністю. Таким чином, в задачу вимірювань входить не тільки знаходження значення фізичної величини, але також і оцінка допущеної при вимірюванні погрішності.

Прямим вимірюванням - називають вимірювання, при якому шукане значення величини знаходять безпосередньо з дослідних даних. Наприклад, вимірювання каси на равноплечих вагах, температури – термометром.

Непряме вимірювання – вимірювання, при якому шукане значення величини знаходять на підставі відомої залежності між нею і величинами, що піддаються прямим вимірюванням. Наприклад, знаходження щільності тіла по його масі і геометричним розмірам.

3. Типи помилок

Систематичними називають помилки, величина яких однакова у всіх вимірюваннях, що проводяться одним і тим же методом за допомогою одних і тих же приладів. Вони викликаються групою факторів, які діють однаковим чином при багаторазовому повторенні одних і тих же вимірювань. До їх числа відноситься погрішність вимірювальних приладів, яка визначається класом точності приладу.

Електровимірювальні прилади, характеризуються звичайно класом точності в межах 0,05 до 4. Менш точні прилади позначення класу не мають. Максимальні погрішності, що даються вимірювальними лінійками, мікрометрами і іншими приладами, наносяться на самому приладі або указуються в паспорті.

Систематичні помилки описаного типа не можуть бути виключені, але їх найбільше значення відоме і його може бути враховано. Наприклад, якщо на приладі вказаний клас точності 0,5, то це означає, що показання приладу правильні з точністю 0,5% від всієї діючої шкали 150 В. Тобто прилад дає помилку у вимірюванні напруги не більше 0,75 В. Якщо вимірюючи напругу набули значення 65,3 В, то слід писати: U = (65,3 ± 0,75) В.

Випадковими називають такі помилки, величина яких різна навіть для вимірювань, виконаних однаковим чином. Випадкові помилки зобов'язані своїм походженням ряду причин, дія яких не однаково в кожному досліді і не може бути врахована. При повторних вимірюваннях однієї і тієї ж величини змінює показники випадковим чином.

Правила визначення випадкових помилок вивчаються в теорії помилок. Математична обробка результатів вимірювань буде приведена нижче.

Грубі помилки або промахи є результатом недостатньої уваги експериментатора. Наприклад, невірний запис показань приладу, помилки при виборі зразків і т.п. Виявляють промахи і виключають їх з розгляду при обробці результатів вимірювання.

Практично виключити багато невідомих систематичних помилок дозволяє прийом рандомізації (перетворення систематичної помилки у випадкову). При цьому вимірювання слід організувати так, щоб постійний фактор, що впливає на результат вимірювань, діяв випадковим чином.

Правила вимірювань:

– якщо величина систематичної помилки більше величини випадкової помилки, властивої даному методу, то досить виконати вимірювання один раз (одноразові вимірювання);

– якщо випадкова помилка є такою, що визначає, то вимірювання слід проводити кілька разів (вимірювання з багаторазовими спостереженнями). Число вимірювань доцільно збільшувати до тих пір, поки випадкова помилка середнього арифметичного не стане менше систематичної помилки, з тим щоб останнє визначало остаточну помилку результату.

Одноразові вимірювання виконуються за допомогою засобів з відомими метрологічними характеристиками, якщо дозволяється похибки вимірювання, яка досягає подвоєного середнього квадратичного відхилення складаючої погрішності засобів вимірювання.