Физическая величина: определение и классификация¶
Физическая величина — это свойство физического объекта или явления, которое можно количественно определить, то есть выразить числом с указанием единицы измерения. Физические величины служат основой количественного описания природы: любое физическое законы, уравнение и измерение формулируются через них. Примеры физических величин: длина, масса, время, скорость, температура, электрическое сопротивление.
¶Основные понятия
Физическая величина характеризуется двумя обязательными атрибутами: числовым значением и единицей измерения. Одно и то же свойство может быть выражено разными числами в зависимости от выбранной единицы: длина 1 м равна 100 см или 1000 мм. При этом физический смысл величины не меняется.
Величины делятся на скалярные (описываются одним числом — масса, энергия, температура) и векторные (характеризуются числом и направлением — сила, скорость, ускорение, перемещение). Существуют также тензорные величины (например, тензор напряжений), но в школьном и базовом вузовском курсе они встречаются редко.
¶Основные и производные величины
По способу введения различают:
- Основные величины — выбираются произвольно и не определяются через другие. В Международной системе единиц (СИ) таких величин семь: длина (метр), масса (килограмм), время (секунда), электрический ток (ампер), термодинамическая температура (кельвин), количество вещества (моль), световая величина (кандела).
- Производные величины — определяются через основные по физическим формулам. Например, скорость — это отношение пути ко времени (м/с), сила — произведение массы на ускорение (Н = кг·м/с²).
¶Классификация физических величин
| Признак | Виды |
|---|---|
| Математический характер | скалярные, векторные, тензорные |
| Способ образования | основные, производные |
| Физическая природа | механические, тепловые, электрические, магнитные, оптические, атомные и др. |
| Отношение к системе | алгебраические (могут быть отрицательными), модули (только положительные) |
¶Единицы измерения
Для каждой физической величины устанавливают единицу измерения. Исторически единицы возникали из практических потребностей: метр первоначально был определён как одна десятимиллионная часть расстояния от экватора до полюса, килограмм — как масса литра воды при 4 °C.
В 1960 году Генеральная конференция по мерам и весам приняла Международную систему единиц СИ, в которой все единицы связаны с семью основными. В 2019 году прошла ревизия определений: основные величины были переопределены через фундаментальные константы (постоянная Планка, элементарный заряд, постоянная Больцмана и др.), что сделало систему более устойчивой и точной.
Для удобства используют кратные и дольные единицы с приставками: кило-, мега-, милли-, микро-, нано- и т. д. Например, 1 км = 1000 м, 1 мм = 0,001 м.
¶Измерения и погрешности
Любое измерение физической величины связано с погрешностью — отклонением измеренного значения от истинного. Погрешности делятся на систематические (обусловлены недостатками прибора или метода) и случайные (связаны с непредсказуемыми колебаниями условий). Для уменьшения случайных погрешностей выполняют серию измерений и берут среднее значение.
Результат измерения записывают в виде: измеренное значение ± погрешность, например: (9,81 ± 0,01) м/с².
¶Размерность
Каждой производной величине соответствует размерность — выражение через основные величины. Размерность скорости — [L/T] (длина, делённая на время), размерность силы — [L·M/T²]. Проверка размерности позволяет выявлять ошибки в физических формулах: в корректном уравнении размерности левой и правой частей совпадают.
¶Значение понятия
Понятие физической величины лежит в основе метрологии — науки об измерениях. Количественное описание свойств материи позволяет формулировать законы природы в математической форме, проводить точные эксперименты и создавать инженерные расчёты. Без введения физических величин и единиц измерения невозможно развитие техники, медицины, промышленности и научных исследований.
Исторически переход от качественных описаний к количественным произошёл в XVII–XVIII веках, когда Галилей, Ньютон и их последователи сформулировали первые математические законы механики. С тех пор набор физических величин постоянно расширяется: в XX веке были введены величины квантовой механики и теории относительности (спин, кривизна пространства-времени).
Источники:
- ГОСТ 8.417-2002. «Единицы измерения величин». — М.: Издательство стандартов.
- Сивухин Д. В. «Общий курс физики. Том I. Механика».
- Ландсберг Г. С. «Элементарный учебник физики. Том 1».
- Международная система единиц (СИ): доклад 9-й редакции (2019). — М.: ВНИИМетрологии.
- Яворский Б. М., Детлаф А. А. «Справочник по физике для инженеров и студентов вузов».