Измерение
Измерение — это объекта или количественная оценка атрибутов события, которую можно использовать для сравнения с другими объектами или событиями. [1] [2] Другими словами, измерение — это процесс определения того, насколько велика или мала физическая величина по сравнению с базовой эталонной величиной того же типа. [3] Объем и применение измерений зависят от контекста и дисциплины. В естественных и технических науках измерения не применяются к номинальным свойствам объектов или явлений, что соответствует рекомендациям Международного словаря по метрологии, издаваемого Международным бюро мер и весов . [2] Однако в других областях, таких как статистика , а также социальные и поведенческие науки , измерения могут иметь несколько уровней , которые могут включать номинальную, порядковую, интервальную шкалу и шкалу отношений. [1] [4]
Измерения являются краеугольным камнем торговли , науки , технологий и количественных исследований во многих дисциплинах. Исторически сложилось так, что для различных областей человеческого существования существовало множество систем измерения , облегчающих сравнение в этих областях. Часто это достигалось посредством местных соглашений между торговыми партнерами или сотрудниками. Начиная с 18 века, развитие шло к унификации широко принятых стандартов, что привело к созданию современной Международной системы единиц (СИ). Эта система сводит все физические измерения к математической комбинации семи базовых единиц. Наука об измерениях развивается в области метрологии .
Измерение определяется как процесс сравнения неизвестной величины с известной или стандартной величиной.
История [ править ]
Методология [ править ]
Измерение свойства можно классифицировать по следующим критериям: тип , величина , единица измерения и неопределенность . [ нужна ссылка ] Они позволяют однозначно сравнивать результаты измерений.
- Уровень измерения представляет собой таксономию методологического характера сравнения. Например, два состояния свойства можно сравнивать по соотношению, разнице или порядковому предпочтению. Тип обычно не выражается явно, а подразумевается в определении процедуры измерения.
- Величина – это числовое значение характеристики, обычно получаемое с помощью правильно выбранного измерительного прибора .
- Единица . присваивает математический весовой коэффициент величине, которая получается как отношение к свойству артефакта, используемому в качестве стандарта или естественной физической величины
- Неопределенность процедуры представляет собой случайные и систематические ошибки измерения; это указывает на уровень достоверности измерения. Погрешности оцениваются путем методического повторения измерений и учета точности и прецизионности средства измерений.
Стандартизация единиц измерения [ править ]
При измерениях чаще всего используется Международная система единиц в качестве основы для сравнения (СИ). Система определяет семь основных единиц : килограмм , метр , кандела , секунда , ампер , кельвин и моль . Все эти единицы определяются без привязки к конкретному физическому объекту, который служит стандартом. Определения без артефактов фиксируют измерения на точном значении, связанном с физической константой или другими неизменными явлениями в природе, в отличие от стандартных артефактов, которые подвержены порче или разрушению. Вместо этого единица измерения может когда-либо меняться только за счет повышения точности определения значения константы, к которой она привязана.
Первое предложение привязать базовую единицу СИ к экспериментальному стандарту, независимому от указа, было сделано Чарльзом Сандерсом Пирсом (1839–1914). [5] который предложил определять метр через длину волны линии спектральной . [6] Это напрямую повлияло на эксперимент Майкельсона-Морли ; Майкельсон и Морли цитируют Пирса и совершенствуют его метод. [7]
Стандарты [ править ]
За исключением нескольких фундаментальных квантовых констант, единицы измерения определяются историческими соглашениями. Ничто в природе не требует, чтобы дюйм был определенной длины, а миля — лучшая мера расстояния, чем километр . Однако на протяжении человеческой истории сначала для удобства, а затем по необходимости стандарты измерения развивались так, что у сообществ были определенные общие критерии. Законы, регулирующие измерения, изначально были разработаны для предотвращения мошенничества в торговле.
Единицы измерения обычно определяются на научной основе, контролируются государственными или независимыми агентствами и устанавливаются в международных договорах, выдающимся из которых является Генеральная конференция по мерам и весам (CGPM), созданная в 1875 году Метрической конвенцией , контролирующая Международная система единиц (СИ). Например, метр был переопределен в 1983 году CGPM с точки зрения скорости света, килограмм был переопределен в 2019 году с точки зрения постоянной Планка , а международный ярд был определен в 1960 году правительствами США и Соединенного Королевства. , Австралия и Южная Африка составляют ровно 0,9144 метра.
В Соединенных Штатах Национальным институтом стандартов и технологий ( NIST ), подразделением Министерства торговли США коммерческие измерения регулируются . В Великобритании эту роль выполняет Национальная физическая лаборатория (NPL), в Австралии — Национальный институт измерений , [8] в Южной Африке — Советом по научным и промышленным исследованиям , а в Индии — Национальной физической лабораторией Индии .
Единицы и системы [ править ]
единица — известная или стандартная величина, в единицах которой измеряются другие физические величины.
Имперская и системы обычная США
До того, как единицы СИ получили широкое распространение во всем мире, британские системы английских единиц , а затем и имперские единицы, использовались в Великобритании, Содружестве и Соединенных Штатах. Эта система стала известна в Соединенных Штатах как обычные единицы измерения и до сих пор используется там, а также в некоторых странах Карибского бассейна . Эти различные системы измерения иногда назывались системами фут-фунт-секунда в честь имперских единиц длины, веса и времени, хотя, например, тонны, центнеры, галлоны и морские мили различаются для американских единиц измерения. Многие имперские единицы по-прежнему используются в Великобритании, которая официально перешла на систему СИ, за некоторыми исключениями, такими как дорожные знаки, которые все еще измеряются в милях. Разливное пиво и сидр должны продаваться за имперскую пинту, а молоко в возвратных бутылках можно продавать за имперскую пинту. Многие люди измеряют свой рост в футах и дюймах, а вес — в стоунах и фунтах, и это лишь несколько примеров. Имперские единицы используются во многих других местах, например, во многих странах Содружества, которые считаются метрическими, площадь земли измеряется в акрах, а площадь - в квадратных футах, особенно для коммерческих операций (а не для государственной статистики). Точно так же бензин продается галлонами во многих странах, которые считаются метрическими.
Метрическая система [ править ]
Метрическая система — десятичная система измерения, основанная на единицах длины — метра и массы — килограмма. Он существует в нескольких вариантах с разными вариантами базовых единиц , хотя это не влияет на его повседневное использование. С 1960-х годов Международная система единиц (СИ) является международно признанной метрической системой. Метрические единицы массы, длины и электричества широко используются во всем мире как в бытовых, так и в научных целях.
единиц система Международная
Международная система единиц (сокращенно СИ от французского названия Système International d'Unités ) представляет собой современную версию метрической системы . Это наиболее широко используемая в мире система единиц как в повседневной торговле , так и в науке . СИ была разработана в 1960 году на основе системы метр-килограмм-секунда (МКС), а не системы сантиметр-грамм-секунда (СГС), которая, в свою очередь, имела множество вариантов. Единицами СИ для семи основных физических величин являются: [9]
| Базовое количество | Базовый блок | Символ | Определение константы |
|---|---|---|---|
| время | второй | с | сверхтонкое расщепление цезия-133 |
| длина | метр | м | скорость света , с |
| масса | килограмм | кг | Постоянная Планка , ч |
| электрический ток | ампер | А | элементарный заряд , e |
| температура | Кельвин | К | Постоянная Больцмана , k |
| количество вещества | моль | моль | Констант , Н.А. Авогадро |
| сила света | кандела | компакт-диск | светоотдача источника 540 ТГц, К кд |
В системе СИ базовыми единицами являются простые измерения времени, длины, массы, температуры, количества вещества, электрического тока и силы света. Производные единицы создаются на основе базовых единиц, например, ватт , т.е. единица мощности, определяется на основе базовых единиц как м. 2 ·кг·с −3 . Другие физические свойства могут измеряться в составных единицах, например, плотность материала, измеряемая в кг/м. 3 .
Преобразование префиксов [ править ]
SI позволяет легко умножать при переключении между единицами, имеющими одинаковую базу, но разные префиксы. Для перевода метров в сантиметры необходимо всего лишь умножить количество метров на 100, так как в метре 100 сантиметров. И наоборот, чтобы перейти от сантиметров к метрах, нужно умножить количество сантиметров на 0,01 или разделить количество сантиметров на 100.
Длина [ править ]
Линейка или правило — это инструмент, используемый, например, в геометрии , техническом черчении , машиностроении и столярном деле для измерения длин или расстояний или для рисования прямых линий. Строго говоря, линейка — это инструмент, используемый для управления прямыми линиями, а калиброванный инструмент, используемый для определения длины, называется мерой , однако в обычном использовании оба инструмента называются линейками специальное название — линейка , а для немаркированной линейки используется . Слово « мера » в значении измерительного инструмента сохранилось только во фразе « рулетка» — инструмент, который можно использовать для измерения, но нельзя использовать для рисования прямых линий. Как видно на фотографиях на этой странице, двухметровую столярную линейку можно сложить до длины всего лишь 20 сантиметров, чтобы она легко помещалась в кармане, а пятиметровая рулетка легко убирается и помещается вовнутрь. небольшое жилье.
Время [ править ]
Время — это абстрактное измерение элементарных изменений в непространственном континууме. Он обозначается числами и/или именованными периодами, такими как часы , дни , недели , месяцы и годы . Это явно необратимая серия событий внутри этого непространственного континуума. Он также используется для обозначения интервала между двумя относительными точками этого континуума.
Массовый [ править ]
Масса относится к внутреннему свойству всех материальных объектов сопротивляться изменениям их импульса. Вес , с другой стороны, относится к направленной вниз силе, возникающей, когда масса находится в гравитационном поле. В свободном падении (нет чистых гравитационных сил) объекты теряют вес, но сохраняют свою массу. Имперские единицы массы включают унцию , фунт и тонну . Метрические единицы грамм и килограмм являются единицами массы.
Одно устройство для измерения веса или массы называется весами или, часто, просто весами . Пружинные весы измеряют силу, но не массу, весы сравнивают вес, и для работы обоих требуется гравитационное поле. Некоторые из наиболее точных приборов для измерения веса или массы основаны на тензодатчиках с цифровым считыванием, но для их функционирования требуется гравитационное поле, и они не будут работать в свободном падении.
Экономика [ править ]
В экономике используются физические меры, меры номинальной стоимости и меры реальной цены . Эти меры отличаются друг от друга переменными, которые они измеряют, и переменными, исключенными из измерений.
Опросное исследование [ править ]
В области опросных исследований измеряются индивидуальные отношения, ценности и поведение с использованием анкет в качестве инструмента измерения. Как и все другие измерения, измерения в обзорных исследованиях также подвержены ошибкам измерения , т.е. отклонениям от истинного значения измерения и значения, полученного с помощью измерительного прибора. [10] В содержательных опросных исследованиях ошибка измерения может привести к предвзятым выводам и неправильной оценке эффектов. Для получения точных результатов при появлении ошибок измерения результаты необходимо корректировать на погрешности измерений .
Обозначение точности [ править ]
Для отображения точности измерений обычно применяются следующие правила: [11]
- Все цифры, отличные от 0, и любые 0, стоящие между ними, важны для точности любого числа. Например, число 12000 имеет две значащие цифры и подразумевает пределы 11500 и 12500.
- Дополнительные нули могут быть добавлены после десятичного разделителя для обозначения большей точности и увеличения количества десятичных знаков. Например, 1 подразумевает пределы 0,5 и 1,5, тогда как 1,0 предполагает пределы 0,95 и 1,05.
Трудности [ править ]
Поскольку точные измерения необходимы во многих областях и поскольку все измерения обязательно являются приблизительными, необходимо приложить немало усилий, чтобы сделать измерения как можно более точными. Например, рассмотрим задачу измерения времени, за которое объект упадет на расстояние в один метр (около 39 дюймов ). Используя физику, можно показать, что в гравитационном поле Земли любому объекту потребуется около 0,45 секунды, чтобы упасть на один метр. Однако ниже приведены лишь некоторые из источников ошибок возникающих :
- В этом вычислении использовалось ускорение силы тяжести 9,8 метра в секунду в квадрате (32 фута/с). 2 ). Но это измерение не точное, а с точностью до двух значащих цифр.
- Гравитационное поле Земли незначительно меняется в зависимости от высоты над уровнем моря и других факторов.
- Вычисление за 0,45 секунды включало извлечение квадратного корня — математическую операцию , требующую округления до некоторого количества значащих цифр, в данном случае до двух значащих цифр.
Кроме того, к другим источникам экспериментальных ошибок относятся:
- невнимательность,
- определение точного времени выпуска объекта и точного времени его падения на землю,
- измерение высоты и измерение времени содержат некоторую погрешность.
- сопротивление воздуха ,
- позы участников-людей. [12]
Научные эксперименты должны проводиться с большой осторожностью, чтобы исключить как можно больше ошибок и сохранить реалистичность оценок ошибок.
и теории Определения
Классическое определение [ править ]
В классическом определении, которое является стандартным для всех физических наук, измерение — это определение или оценка отношений величин. [13] Количество и измерение взаимно определены: количественные атрибуты — это те, которые можно измерить, по крайней мере в принципе. Классическую концепцию количества можно проследить до Джона Уоллиса и Исаака Ньютона , и она была предвосхищена в «Началах» Евклида . [13]
Репрезентативная теория [ править ]
В теории представлений измерение определяется как «корреляция чисел с сущностями, которые не являются числами». [14] Наиболее технически разработанная форма теории представлений также известна как аддитивное совместное измерение . В этой форме теории представлений числа присваиваются на основе соответствий или сходства между структурой числовых систем и структурой качественных систем. Свойство является количественным, если можно установить такое структурное сходство. В более слабых формах репрезентативной теории, таких как та, которая имплицитно присутствует в работах Стэнли Смита Стивенса , [15] номера необходимо назначать только в соответствии с правилом.
Понятие измерения часто неправильно понимается как просто присвоение значения, но можно присвоить значение таким способом, который не является измерением с точки зрения требований аддитивного совместного измерения. Можно присвоить значение росту человека, но пока не будет установлено, что существует корреляция между измерениями роста и эмпирическими отношениями, это измерение не является измерением в соответствии с аддитивной совместной теорией измерения. Аналогично, вычисление и присвоение произвольных значений, таких как «балансовая стоимость» актива в бухгалтерском учете, не является измерением, поскольку не удовлетворяет необходимым критериям.
Три типа репрезентативной теории
- Эмпирическое отношение
- В науке эмпирические отношения — это отношения или корреляции, основанные исключительно на наблюдениях, а не на теории. Эмпирическая связь требует только подтверждающих данных независимо от теоретической основы.
- Правило картографии
- Реальный мир — это область отображения, а математический мир — это диапазон. когда мы сопоставляем атрибут с математической системой, у нас есть много вариантов отображения и диапазона.
- Представление условия измерения
Теория [ править ]
Все данные носят неточный и статистический характер. Таким образом, определение измерения звучит так: «Набор наблюдений, которые уменьшают неопределенность, когда результат выражается в виде количества». [16] Это определение подразумевает, что на самом деле делают ученые, когда они что-то измеряют и сообщают как среднее значение , так и статистику измерений. С практической точки зрения, каждый начинает с первоначального предположения об ожидаемом значении величины, а затем, используя различные методы и инструменты, уменьшает неопределенность значения. С этой точки зрения, в отличие от позитивистской репрезентативной теории, все измерения неопределенны, поэтому вместо присвоения одного значения измерению присваивается диапазон значений. Это также означает, что не существует четкого и четкого различия между оценкой и измерением.
Квантовая механика [ править ]
В квантовой механике измерение — это действие, определяющее определенное свойство (положение, импульс, энергию и т. д.) квантовой системы. Квантовые измерения всегда представляют собой статистические выборки из распределения вероятностей; распределение многих квантовых явлений дискретно. [17] : 197 Квантовые измерения изменяют квантовые состояния , но повторные измерения квантового состояния воспроизводимы. Измерение действует как фильтр, изменяя квантовое состояние на состояние с единственным измеренным квантовым значением. [17] Однозначный смысл квантового измерения — нерешенная фундаментальная проблема квантовой механики ; наиболее распространенная интерпретация состоит в том, что при проведении измерения волновая функция квантовой системы « сжимается » до одного определенного значения. [18]
Биология [ править ]
В биологии обычно не существует устоявшейся теории измерения. Однако подчеркивается важность теоретического контекста. [19] Более того, теоретический контекст, вытекающий из теории эволюции, позволяет сформулировать теорию измерения и историчности как фундаментальное понятие. [20] Среди наиболее развитых областей измерения в биологии — измерение генетического разнообразия и видового разнообразия. [21]
См. также [ править ]
- Преобразование единиц
- Электрические измерения
- История измерений
- ISO 10012 , Системы менеджмента измерений
- Уровни измерения
- Список юмористических единиц измерения
- Список необычных единиц измерения
- Измерение в квантовой механике
- Неопределенность измерения
- НКСЛ Интернэшнл
- Наблюдаемое количество
- Порядки величины
- Количественная оценка (наука)
- Стандарт (метрология)
- Хронология технологии измерения температуры и давления
- Хронология технологии измерения времени
- Веса и меры
Ссылки [ править ]
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Педазур, Элазар Дж.; Шмелькин, Леора и Альберт (1991). Измерение, проектирование и анализ: комплексный подход (1-е изд.). Хиллсдейл, Нью-Джерси: Lawrence Erlbaum Associates. стр. 15–29 . ISBN 978-0-8058-1063-9 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Международный словарь метрологии - основные и общие понятия и связанные с ними термины (VIM) (PDF) (3-е изд.). Международное бюро мер и весов. 2008. с. 16.
- ^ Янг, Хью Д.; Фридман, Роджер А. (2012). Университетская физика (13-е изд.). Pearson Education Inc. ISBN 978-0-321-69686-1 .
- ^ Кирх, Вильгельм, изд. (2008). «Уровень измерения». Энциклопедия общественного здравоохранения . Том. 2. Спрингер. п. 81. ИСБН 978-0-321-02106-9 .
- ^ Crease 2011 , стр. 182–4.
- ^ К.С. Пирс (июль 1879 г.) «Заметка о ходе экспериментов по сравнению длины волны с метром» Американский журнал науки , по ссылке Crease 2011 , стр. 203
- ^ Криз, Роберт П. (2011). Мир на волоске: исторический поиск абсолютной системы измерения . Нью-Йорк и Лондон: WW Нортон. п. 203. ИСБН 978-0-393-34354-0 .
- ^ "О нас" . Национальный измерительный институт Австралии . 3 декабря 2020 г.
- ^ Le Système International d'Unités [ Международная система единиц ] (PDF) (на французском и английском языках) (9-е изд.), Международное бюро мер и весов, 2019, ISBN 978-92-822-2272-0
- ^ Гроувс, Роберт (2004). Методика опроса . Нью-Джерси: Уайли. ISBN 9780471483489 . «Под ошибкой измерения мы подразумеваем отклонение от значения измерения применительно к единице выборки и предоставленного значения». С. 51–52.
- ^ Страница 41 в: ВанПул, Тодд (2011). Количественный анализ в археологии . Чичестер Молден: Уайли-Блэквелл. ISBN 978-1-4443-9017-9 . OCLC 811317577 .
- ^ Гилл, Симеон; Паркер, Кристофер Дж. (2017). «Определение позы при сканировании и измерение обхвата бедер: влияние на дизайн одежды и сканирование тела» . Эргономика . 60 (8): 1123–1136. дои : 10.1080/00140139.2016.1251621 . ПМИД 27764997 . S2CID 23758581 .
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Мичелл, Дж. (1999). Измерение в психологии: критическая история методологической концепции. Нью-Йорк: Издательство Кембриджского университета.
- ^ Эрнест Нагель: «Измерение», Erkenntnis, Том 2, номер 1 / декабрь 1931 г., стр. 313–335, опубликовано Springer , Нидерланды.
- ^ Стивенс, С.С. К теории весов и измерений 1946. Наука. 103, 677–80.
- ^ Дуглас Хаббард: «Как измерить что угодно», Wiley (2007), стр. 21
- ^ Jump up to: Перейти обратно: а б Мессия, Альберт (1966). Квантовая механика . Северная Голландия, Джон Уайли и сыновья. ISBN 0486409244 .
- ^ Пенроуз, Роджер (2007). Дорога к реальности: полное руководство по законам Вселенной . Нью-Йорк: Винтажные книги. ISBN 978-0-679-77631-4 . «Переход квантового состояния в одно из собственных состояний Q — это процесс, называемый редукцией вектора состояния или коллапсом волновой функции . Это одна из самых загадочных особенностей квантовой теории…» Квантовая механика, используемая на практике, заключается в том, чтобы заставить состояние действительно прыгать таким любопытным образом всякий раз, когда предполагается, что измерение имеет место». с.528 Позже Глава 29 озаглавлена «Парадокс измерения».
- ^ Хоул, Дэвид; Пелабон, Кристоф; Вагнер, Гюнтер П.; Хансен, Томас Ф. (2011). «Измерение и значение в биологии» (PDF) . Ежеквартальный обзор биологии . 86 (1): 3–34. дои : 10.1086/658408 . ISSN 0033-5770 . ПМИД 21495498 . S2CID 570080 . Архивировано из оригинала (PDF) 29 мая 2019 г.
- ^ Монтевиль, Маэль (2019). «Измерение в биологии методизируется теорией» . Биология и философия . 34 (3). дои : 10.1007/s10539-019-9687-x . ISSN 0169-3867 . S2CID 96447209 .
- ^ Магурран, А.Э. и МакГилл, Б.Дж. (Hg.) 2011: Биологическое разнообразие: границы в измерении и оценке Oxford University Press.
Внешние ссылки [ править ]
СМИ, связанные с измерениями, на Викискладе? - Шлаудт, Оливер 2020: «измерение». В: Кирхгоф, Томас (ред.): Интернет-энциклопедия «Философия природы». Гейдельберг: Universitätsbibliothek Heidelberg, измерения .
- Таль, Эра 2020: «Измерение в науке». В: Залта, Эдвард Н. (ред.): Стэнфордская энциклопедия философии (выпуск осенью 2020 г.), URL = < Измерение в науке >.
- Болл, Роберт Ставелл (1883). . Британская энциклопедия . Том. XV (9-е изд.). стр. 659–668.
- Словарь единиц измерения, заархивированный 6 октября 2018 г. в Wayback Machine.
- «Метрология – кратко» 3-е издание, июль 2008 г. ISBN 978-87-988154-5-7
