Элементы системы измерения физических величин

Главные элементы, полностью характеризующие систему измерения всех физических величин, представлены на рис. 1.

Какие бы виды измерений физических величин не выполнялись, они все вероятны только при наличии принятых единиц измерений (метров, секунд, кг и т. п.) и шкал измерений, позволяющих упорядочить измеряемые объекты и приписать им числа. Это обеспечивается внедрением соответственных Элементы системы измерения физических величин средств измерений, позволяющих получить нужную точность. Для заслуги единства измерений есть разработанные эталоны и правила.

Необходимо подчеркнуть, что измерение физических величин является основой всех без исключения измерений в спортивной практике. Оно может иметь самостоятельный нрав, к примеру, при определении массы звеньев тела; служить первым шагом оценивания спортивных результатов и результатов тестов Элементы системы измерения физических величин, к примеру, при выставлении оценки в баллах по результатам измерения длины прыжка с места; косвенно оказывать влияние на доброкачественную оценку исполнительского мастерства, к примеру, по амплитуде движений, ритму, положению звеньев тела.

Рис. 1. Главные элементы системы измерения физических величин


Виды измерений

Измерения делятся по средствам измерения (органолептические и инструментальные) и Элементы системы измерения физических величин по методу получения числового значения измеряемой величины (прямые, косвенные, совокупные, совместные).

Органолептическими именуются измерения, основанные на использовании органов эмоций человека (зрения, слуха и т. д.). К примеру, человечий глаз может с высочайшей точностью найти при попарном сопоставлении относительную яркость источников света. Одним из видов органолептических измерений является обнаружение – решение о Элементы системы измерения физических величин том, отлично от нуля значение измеряемой величины либо нет.

Инструментальными именуются измерения, выполняемые при помощи особых технических средств. Большая часть измерений физических величин являются инструментальными.

Прямые измерения – это измерения, при которых разыскиваемое значение находят конкретно сопоставлением физической величины с мерой. К таким измерениям можно отнести, к примеру, определение Элементы системы измерения физических величин длины предмета методом ее сопоставления с мерой – линейкой.

Косвенные измерения отличаются тем, что значение величины устанавливают по результатам прямых измерений величин, связанных с разыскиваемой определенной многофункциональной зависимостью. Так, измерив объем и массу тела, можно вычислить (косвенно измерить) его плотность либо, измерив продолжительность полетной фазы прыжка, вычислить его высоту Элементы системы измерения физических величин.

Совокупными измерениями именуются такие, в каких значения измеряемых величин находят по данным их повторных измерений при разных сочетаниях мер. Результаты повторных измерений подставляются в уравнения, и рассчитывается разыскиваемая величина. К примеру, объем тела может быть поначалу найден по измерению объема вытесненной воды, а потом – по измерению его геометрических размеров.

Совместные измерения Элементы системы измерения физических величин – это одновременные измерения 2-ух и поболее неоднородных физических величин для установления многофункциональной зависимости меж ними. К примеру, определение зависимости электронного сопротивления от температуры.

Единицы измерений

Единицы измерений физических величин представляют собой значения данных величин, которые по определению числятся равными единице. Они ставятся за числовым значением какой-нибудь величины в виде знака Элементы системы измерения физических величин (5,56 м; 11,51 с и т. п.). Единицы измерений пишутся с большой буковкы, если названы в честь узнаваемых ученых (724 Н; 220 В и т. п.). Совокупа единиц, относящихся к некой системе величин и построенных в согласовании с принятыми принципами, образует систему единиц.

Система единиц содержит в себе главные и производные Элементы системы измерения физических величин единицы. Основными именуются избранные и независящие друг от друга единицы. Величины, единицы которых принимаются за главные, обычно, отражают более общие характеристики материи (протяженность, время и т. п.). Производными именуются единицы, выраженные через главные.

В протяжении истории сложилось довольно много систем единиц измерений. Введение в 1799 г. во Франции единицы длины – метра, равного Элементы системы измерения физических величин одной десятимиллионной части четверти дуги Парижского меридиана, послужило основой метрической системы. В 1832 г. германским ученым Гауссом была предложена система, нареченная абсолютной, в какой в качестве главных единиц были введены мм, миллиграмм, секунда. В физике отыскала применение система СГС (сантиметр, гр, секунда), в технике – МКС (метр, килограмм-сила, секунда).

Более Элементы системы измерения физических величин универсальной системой единиц, обхватывающей все отрасли науки и техники, является Интернациональная система единиц (Systeme International ďUnites – франц.) с сокращенным заглавием «SI», в российской транскрипции «СИ». Она была принята в 1960 г. XI Генеральной конференцией по мерам и весам. В текущее время в систему СИ входят семь главных и две Элементы системы измерения физических величин дополнительные единицы (табл. 1).


Таблица 1. Главные и дополнительные единицы системы СИ

Величина Единицы
Наименование Обозначение
российское международное
Главные
Длина Метр м m
Масса Килограмм кг kg
Время Секунда с s
Сила электронного тока Ампер А A
Термодинамическая температура Кельвин К K
Количество вещества Моль моль mol
Сила света Кандела кд Элементы системы измерения физических величин cd
Дополнительные
Тонкий угол Радиан рад rad
Телесный угол Стерадиан ср sr

Не считая перечисленных в таблице 1, в систему СИ введены единицы количества инфы бит (от binary digit – двоичный разряд) и б (1 б равен 8-и битам).

Система СИ насчитывает 18 производных единиц, имеющих особые наименования. Некие из их, находящие применение в спортивных Элементы системы измерения физических величин измерениях, представлены в таблице 2.

Таблица 2. Некие производные единицы системы СИ

Величина Единицы
Наименование Обозначение
Частота Герц Гц
Сила Ньютон Н
Давление Паскаль Па
Энергия, работа Джоуль Дж
Мощность Ватт Вт
Электронное напряжение Вольт В
Электронное сопротивление Ом Ом
Освещенность Люкс лк

Внесистемные единицы измерений, не относящиеся ни Элементы системы измерения физических величин к системе СИ, ни к какой-нибудь другой системе единиц, употребляются в физкультуре и спорте в силу традиции и распространенности в справочной литературе. Применение неких из их ограничено. Более нередко употребляются последующие внесистемные единицы: единица времени – минутка (1 мин = 60 с), плоского угла – градус (1 град = π/180 рад), объема – литр (1 л = 10-3 м3), силы Элементы системы измерения физических величин – килограмм-сила (1 кГ = 9,81 Н) (не следует путать килограмм-силу кГ с килограммом массы кг), работы – килограммометр (1 кГ·м = 9,81 Дж), количества теплоты – калория (1 кал = 4,18 Дж), мощности – лошадиная сила (1 л. с. = 736 Вт), давления – мм ртутного столба (1 мм рт. ст. = 121,1 Н/м2).

К внесистемным единицам относятся десятичные кратные и дольные единицы, в Элементы системы измерения физических величин наименовании которых имеются приставки: кило – тыща (к примеру, килограмм кг = 103 г), мега – миллион (мегаватт МВт = 106 Вт), милли – одна тысячная (миллиампер мА = 10-3 А), микро – одна миллионная (микросекунда мкс = 10-6 с), нано – одна миллиардная (нанометр нм = 10-9 м) и др. В качестве единицы длины также употребляется ангстрем – одна десятимиллиардная метра (1 Å = 10-10 м). К этой же группе Элементы системы измерения физических величин относятся национальные единицы, к примеру, английские: дюйм = 0,0254 м, ярд = 0,9144 м либо такие специальные, как морская миля = 1852 м.

Если измеренные физические величины употребляются конкретно при педагогическом либо биомеханическом контроле, и с ними не выполняются последующие вычисления, то они могут быть представлены в единицах различных систем либо внесистемных единицах Элементы системы измерения физических величин. К примеру, объем нагрузки в тяжеленной атлетике может быть определен в килограммах либо тоннах; угол сгибания ноги легкоатлета при беге – в градусах и т. п. Если же измеренные физические величины участвуют в вычислениях, то они непременно должны быть представлены в единицах измерений одной системы. К примеру, в формулу для расчета момента Элементы системы измерения физических величин инерции человеческого тела способом маятника период колебаний должен подставляться в секундах, расстояние – в метрах, масса – в килограммах.

Шкалы измерений

Шкалы измерений представляют собой упорядоченные совокупы значений физических величин. В спортивной практике находят применение четыре вида шкал.

Шкала наименований (номинальная шкала) является самой обычной из всех шкал. В ней Элементы системы измерения физических величин числа служат для обнаружения и различения изучаемых объектов. К примеру, каждому игроку футбольной команды присваивается конкретное число – номер. Соответственно, игрок под номером 1 отличается от игрока под номером 5 и т. д., но как они отличаются и в чем конкретно измерить нельзя. Можно только подсчитать, как нередко встречается то либо другое Элементы системы измерения физических величин число.

Шкала порядка состоит из чисел (рангов), которые присваиваются спортсменам соответственно показанным результатам, к примеру, местам на соревнованиях по боксу, борьбе т. п. В отличие от шкалы наименований, по шкале порядка можно установить, кто из спортсменов посильнее, а кто слабее, но как посильнее либо слабее сказать нельзя. Шкала порядка обширно употребляется Элементы системы измерения физических величин для оценки высококачественных характеристик спортивного мастерства. С рангами, отысканными по шкале порядка, можно создавать огромное число математических операций, к примеру, рассчитывать ранговые коэффициенты корреляции.

Шкала интервалов отличается тем, что числа в ней не только лишь упорядочены по рангам, да и разбиты определенными интервалами. В этой шкале установлены единицы Элементы системы измерения физических величин измерения, и измеряемому объекту присваивается число, равное количеству единиц измерения, которое он содержит. Нулевая точка в шкале интервалов выбирается произвольно. Примером использования данной шкалы может быть измерение календарного времени (начало отсчета может быть выбрано различным), температуры по Цельсию, возможной энергии.

Шкала отношений имеет строго определенную нулевую точку. По этой Элементы системы измерения физических величин шкале можно выяснить, во сколько раз один объект измерения превосходит другой. К примеру, при измерении длины прыжка находят, во сколько раз эта длина больше длины тела, принятого за единицу (метровой линейки). В спорте по шкале отношений определяют расстояние, силу, скорость, ускорение и т. п.

Точность измерений

Точность измерения – это степень приближения Элементы системы измерения физических величин результата измерения к реальному значению измеряемой величины. Погрешностью измерения именуется разность меж приобретенным при измерении значением и реальным значением измеряемой величины. Определения «точность измерения» и «погрешность измерения» имеют обратный смысл и в равной мере употребляются для свойства результата измерения.

Никакое измерение не может быть выполнено полностью точно, и итог измерения Элементы системы измерения физических величин безизбежно содержит погрешность, значение которой тем меньше, чем поточнее способ измерения и измерительный прибор.

По причинам появления погрешность делят на методическую, инструментальную и личную.

Методическая погрешность обоснована несовершенством используемого способа измерений и неадекватностью применяемого математического аппарата. К примеру, маска для забора выдыхаемого воздуха затрудняет дыхание, что понижает измеряемую Элементы системы измерения физических величин работоспособность; математическая операция линейного сглаживания по трем точкам зависимости ускорения звена тела спортсмена от времени может не отражать особенности кинематики движения в соответствующие моменты.

Инструментальная погрешность вызывается несовершенством средств измерения (измерительной аппаратуры), несоблюдением правил эксплуатации измерительных устройств. Она обычно приводится в технической документации на средства измерений.

Личная погрешность Элементы системы измерения физических величин появляется вследствие невнимательности либо недостаточной подготовленности оператора. Эта погрешность фактически отсутствует при использовании автоматических средств измерений.

По нраву конфигурации результатов при повторных измерениях погрешность делят на периодическую и случайную.

Периодической именуется погрешность, значение которой не изменяется от измерения к измерению. Вследствие этого она нередко может быть заблаговременно предсказана и Элементы системы измерения физических величин устранена. Периодические погрешности бывают известного происхождения и известного значения (к примеру, запаздывание светового сигнала при измерении времени реакции из-за инертности электронной лампочки); известного происхождения, но неведомого значения (прибор повсевременно завышает либо занижает измеряемое значение на разную величину); неведомого происхождения и неведомого значения.

Для исключения периодической погрешности вводятся Элементы системы измерения физических величин надлежащие поправки, устраняющие сами источники погрешностей: верно размещается измерительная аппаратура, соблюдаются условия ее эксплуатации и т. д. Применяется тарировка (нем. tariren – градуировать) – проверка показаний прибора методом сопоставления с образцами (примерными мерами либо примерными измерительными устройствами).

Случайной именуется погрешность, возникающая под действием различных причин, которые нельзя заблаговременно предсказать и учитывать. Вследствие Элементы системы измерения физических величин того, что на организм спортсмена и на спортивный итог оказывают влияние огромное количество причин, фактически все измерения в области физической культуры и спорта имеют случайные погрешности. Они принципно неискоренимы, но, при помощи способов математической статистики можно оценить их значение, найти нужное число измерений для получения результата с данной Элементы системы измерения физических величин точностью, верно интерпретировать результаты измерений. Главным методом уменьшения случайных погрешностей является проведение ряда повторных измерений.

В отдельную группу выделяют так именуемую грубую погрешность, либо промахи. Это – погрешность измерения, значительно превосходящая ожидаемую. Промахи появляются, к примеру, из-за неверного отсчета по шкале прибора либо ошибки в записи результата, неожиданного скачка напряжения в сети Элементы системы измерения физических величин и т. п. Промахи просто обнаруживаются, потому что резко выпадают из общего ряда приобретенных чисел. Есть статистические способы их обнаружения. Промахи должны быть отброшены.

По форме представления погрешность делят на абсолютную и относительную.

Абсолютная погрешность (либо просто погрешность) ΔX равна разности меж результатом измерения X и Элементы системы измерения физических величин настоящим значением измеряемой величины X0:

ΔX = X – X0 (1)

Абсолютная погрешность измеряется в тех же единицах, что и сама измеряемая величина. Абсолютная погрешность линеек, магазинов сопротивлений и других мер почти всегда соответствует стоимости деления. К примеру, для миллиметровой линейки ΔX = 1 мм.

Потому что настоящее значение измеряемой величины обычно установить не представляется вероятным Элементы системы измерения физических величин, в его качестве принимают значение данной величины, приобретенное более четким методом. К примеру, определение частоты шагов при беге на базе подсчета количества шагов за просвет времени, измеренный при помощи ручного секундомера, отдало итог 3,4 шаг/с. Тот же показатель, измеренный средством радиотелеметрической системы, включающей в себя контактные датчики-переключатели Элементы системы измерения физических величин, оказался 3,3 шаг/с. Как следует, абсолютная погрешность измерения при помощи ручного секундомера составляет 3,4 – 3,3 = 0,1 шаг/с.

Погрешность средств измерения должна быть значительно ниже самой измеряемой величины и спектра ее конфигураций. В неприятном случае результаты измерений не несут никакой беспристрастной инфы об изучаемом объекте и не могут быть применены при Элементы системы измерения физических величин любом виде контроля в спорте. К примеру, измерение наибольшей силы сгибателей кисти динамометром с абсолютной погрешностью 3 кГ с учетом того, что значение силы находится обычно в границах 30 – 50 кГ, не позволяет использовать результаты измерений при текущем контроле.

Относительная погрешность ԑ представляет процентное отношение абсолютной погрешности ΔX к значению измеряемой величины X (символ ΔX Элементы системы измерения физических величин не учитывается):

(2)

Относительная погрешность измерительных устройств характеризуется классом точности K. Класс точности – это процентное отношение абсолютной погрешности прибора ΔX к наибольшему значению измеряемой им величины Xmax:

(3)

К примеру, по степени точности электромеханические приборы делятся на 8 классов точности от 0,05 до 4.

В случае, когда погрешности измерений носят случайный нрав, а Элементы системы измерения физических величин сами измерения прямые и проводятся неоднократно, то их итог приводится в виде доверительного интервала при данной доверительной вероятности. При маленьком количестве измерений n (объем подборки n ≤ 30) доверительный интервал:

(4)

при большенном количестве измерений (объем подборки n ≥ 30) доверительный интервал:

(5)

где - выборочное среднее арифметическое (среднее арифметическое из измеренных значений);

S - выборочное стандартное отклонение Элементы системы измерения физических величин;

tα - граничное значение t-критерия Стьюдента (находится по таблице t-распределения Стьюдента зависимо от числа степеней свободы ν = n–1 и уровня значимости α; уровень значимости обычно принимается α = 0,05, что соответствует достаточной для большинства спортивных исследовательских работ доверительной вероятности 1 – α = 0,95, другими словами 95%-й доверительной вероятности);

uα - процентные точки нормированного обычного рассредотачивания (для α = 0,05 u Элементы системы измерения физических величинα = u0,05 = 1,96).

В области физической культуры и спорта вместе с выражениями (4) и (5) итог измерений принято приводить (с указанием n) в виде:

(6)

где - стандартная ошибка среднего арифметического .

Значения и в выражениях (4) и (5), также в выражении (6) представляют собой абсолютную величину разности меж выборочным средним и настоящим значением измеряемой величины и, таким макаром, охарактеризовывают точность Элементы системы измерения физических величин (погрешность) измерения.

Выборочные среднее арифметическое и стандартное отклонение, также другие числовые свойства могут быть рассчитаны на компьютере с внедрением статистических пакетов, к примеру, STATGRAPHICS Plus for Windows (работа с пакетом тщательно изучается в курсе компьютерной обработки данных экспериментальных исследовательских работ – см. пособие А.Г. Катранова и Элементы системы измерения физических величин А.В. Самсоновой, 2004).

Необходимо подчеркнуть, что измеряемые в спортивной практике величины не только лишь определяются с той либо другой погрешностью измерения (ошибкой), да и сами, обычно, варьируют в неких границах в силу собственной случайной природы. Почти всегда ошибки измерения значительно меньше значения естественного варьирования определяемой величины, и общий итог измерения, как Элементы системы измерения физических величин и в случае случайной погрешности, приводится в форме выражений (4)-(6).

В качестве примера можно разглядеть измерение результатов в беге на 100 м группы школьников в количестве 50 человек. Измерения проводились ручным секундомером с точностью до 10-х толикой секунды, другими словами с абсолютной погрешностью 0,1 с. Результаты варьировали от 12,8 с до 17,6 с. Видно Элементы системы измерения физических величин, что погрешность измерения значительно меньше результатов в беге и их варьирования. Вычисленные выборочные свойства составили: = 15,4 с; S = 0,94 с. Подставляя данные значения, также uα = 1,96 (при 95%-й доверительной вероятности) и n = 50 в выражение (5) и беря во внимание, что нет смысла вычислять границы доверительного интервала с большей точностью, чем точность измерения времени бега ручным Элементы системы измерения физических величин секундомером (0,1 с), окончательный итог записывается в виде:

(15,4 ± 0,3) с, α = 0,05.

Нередко при проведении спортивных измерений появляется вопрос: какое количество измерений нужно произвести, чтоб получить итог с данной точностью? К примеру, сколько нужно выполнить прыжков в длину с места при оценке скоростно-силовых возможностей, чтоб с 95%-й вероятностью найти средний итог Элементы системы измерения физических величин, отличающийся от настоящего значения менее, чем на 1 см? Если измеряемая величина является случайной и подчиняется нормальному закону рассредотачивания, то количество измерений (объем подборки) находится по формуле:

(7)

где d – отличие выборочного среднего результата от его настоящего значения, другими словами точность измерения, которая задается заблаговременно.

В формуле (7) выборочное стандартное Элементы системы измерения физических величин отклонение S рассчитывается на базе определенного количества за ранее проведенных измерений.

Средства измерений

Средства измерений – это технические устройства для измерения единиц физических величин, имеющие нормированные погрешности. К средствам измерений относятся: меры, датчики-преобразователи, измерительные приборы, измерительные системы.

Мерой именуется средство измерения, созданное для проигрывания физических величин данного размера (линейки, гири, электронные сопротивления и Элементы системы измерения физических величин др.).

Датчиком-преобразователем именуется устройство для обнаружения физических параметров и преобразования измерительной инфы в форму, комфортную для обработки, хранения и передачи (концевые выключатели, переменные сопротивления, фоторезисторы и др.).

Измерительные приборы – это средства измерений, дозволяющие получить измерительную информацию в форме, комфортной для восприятия юзером. Они состоят из Элементы системы измерения физических величин преобразовательных частей, образующих измерительную цепь, и отсчетного устройства. В практике спортивных измерений обширно используются электромеханические и цифровые приборы (амперметры, вольтметры, омметры и др.).

Измерительные системы состоят из функционально объединенных средств измерения и вспомогательных устройств, соединенных каналами связи (система измерения межзвенных углов, усилий и т. п.).

С учетом используемых способов средства измерений Элементы системы измерения физических величин разделяются на контактные и бесконтактные. Контактные средства подразумевают конкретное взаимодействие с телом испытуемого либо спортивным снарядом. Бесконтактные средства основаны на светорегистрации. К примеру, ускорение спортивного снаряда может быть измерено с помощью контактных средств с внедрением датчиков-акселерометров либо бесконтактных средств с внедрением стробосъемки.

В ближайшее время появились Элементы системы измерения физических величин массивные автоматические измерительные системы, такие, как система определения и оцифровки движений человека MoCap (motion capture – захват движения). Данная система представляет собой набор датчиков, прикрепляемых к телу спортсмена, информация с которых поступает на компьютер и обрабатывается подходящим программным обеспечением. Координаты каждого датчика пеленгуются особыми сенсорами 500 раз за секунду. Система обеспечивает Элементы системы измерения физических величин точность измерения пространственных координат не ужаснее 5 мм.

Тщательно средства и способы измерений рассматриваются в соответственных разделах теоретического курса и практикума по спортивной метрологии.

Единство измерений

Единство измерений представляет собой такое состояние измерений, при котором обеспечивается их достоверность, а значения измеряемых величин выражаются в легализованных единицах. Единство измерений базируется на правовых, организационных Элементы системы измерения физических величин и технических основах.

Правовые базы обеспечения единства измерений представлены законом Русской Федерации «Об обеспечении единства измерений», принятым в 1993 г. Главные статьи закона устанавливают: структуру муниципального управления обеспечения единства измерений; нормативные документы по обеспечению единства измерений; единицы величин и муниципальные образцы единиц величин; средства и методики измерений.

Организационные базы Элементы системы измерения физических величин обеспечения единства измерений заключаются в работе метрологической службы Рф, которая состоит из гос и ведомственных метрологических служб. Ведомственная метрологическая служба есть и в спортивной области.

Технической основой обеспечения единства измерений является система проигрывания определенных размеров физических величин и передачи инфы о их всем без исключения средствам измерений в стране.


elementi-interfejsa-graficheskogo-redaktora.html
elementi-izdatelskogo-dela.html
elementi-klassicheskoj-statistiki.html