Измерение — это количественная оценка атрибутов объекта или 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 науках и технике 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 в социальных и поведенческих науках , измерения могут иметь несколько уровней , которые могут включать номинальную, порядковую, интервальную и пропорциональную шкалу. [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-го 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.
Измерение свойства можно классифицировать по следующим критериям: тип , величина , единица измерения и неопределенность . [ нужна цитация ] Они позволяют однозначно сравнивать измерения.
При измерениях чаще всего в качестве основы для сравнения используется Международная система единиц (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 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 спектральной линии . [6] Это напрямую повлияло на эксперимент Майкельсона-Морли ; Майкельсон и Морли цитируют Пирса и совершенствуют его метод. [7]
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 сообщества имели 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), учрежденная 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 коммерческие измерения регулируются Национальным институтом стандартов и технологий ( NIST ), подразделением Министерства торговли США . В Великобритании эту роль выполняет Национальная физическая лаборатория (NPL), в Австралии — Национальный измерительный институт , [8] в Южной Африке — Совет по научным и промышленным исследованиям , а в Индии — Национальная физическая лаборатория Индии .
единица — известная или стандартная величина, в единицах которой измеряются другие физические величины.
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 — 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.
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 . Система 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. Единицы СИ для семи основных физических величин: [9]
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 .
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.
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 , а для немаркированной линейки используется специальное название — линейка. Слово « мера» в смысле 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 поместилась в кармане, а пятиметровая рулетка легко убирается и помещается внутрь. небольшое жилье.
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.
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.
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.
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 .
Для отображения точности измерений обычно применяются следующие правила: [11]
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 возникающих ошибок :
Кроме того, к другим источникам экспериментальных ошибок относятся:
Научные эксперименты должны проводиться с большой осторожностью, чтобы исключить как можно больше ошибок и сохранить реалистичность оценок ошибок.
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]
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 неявная работа Стэнли Смита Стивенса [15] , числа необходимо присваивать только в соответствии с правилом.
Понятие измерения часто неправильно понимается как просто присвоение значения, но можно присвоить значение способом, который не является измерением с точки зрения требований аддитивного совместного измерения. Можно присвоить значение росту человека, но если 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 оно не удовлетворяет необходимым критериям.
Три типа репрезентативной теории
1) Эмпирическое соотношение
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.
2) Правило отображения
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
3) Условия представления измерения
Теория информации признает, что все данные являются неточными и статистическими по своей природе. 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.
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 является нерешенной фундаментальной проблемой квантовой механики ; наиболее распространенная интерпретация состоит в том, что при проведении измерения волновая функция квантовой системы « сжимается » до одного определенного значения. [18]
В биологии обычно не существует устоявшейся теории измерения. Однако подчеркивается важность теоретического контекста. [19] Более того, теоретический контекст, вытекающий из теории эволюции, приводит к формулированию теории измерения и историчности как фундаментального понятия. [20] Среди наиболее развитых областей измерения в биологии — измерение генетического разнообразия и видового разнообразия. [21]
СМИ, связанные с измерениями, на Викискладе?