Измерение — это количественное определение атрибутов объекта или события, которое может использоваться 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 справочной величиной того же рода. [3] Область применения и применение измерения зависят от контекста и дисциплины. В естественных науках и технике измерения не применяются к номинальным свойствам объектов или событий, что согласуется с руководящими принципами Международного словаря метрологии, опубликованного 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 включают номинальные, порядковые, интервальные и шкалы отношений. [1] [4]
Измерение является краеугольным камнем торговли , науки , технологий и количественных исследований во многих дисциплинах. Исторически существовало множество систем измерений для различных областей человеческого существования, чтобы облегчить сравнения в этих областях. Часто это достигалось путем локальных соглашений между торговыми партнерами или сотрудниками. С 18 века развитие продвигалось в направлении унификации, широко принятых стандартов, что привело к появлению современной Международной системы единиц (СИ). Эта система сводит все физические измерения к математической комбинации семи основных единиц. Наука об измерениях осуществляется 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 и неопределенность . [ необходима ссылка ] Они позволяют проводить однозначные сравнения между измерениями.
Измерения чаще всего используют Международную систему единиц (СИ) в качестве основы для сравнения. Система определяет семь основных единиц : килограмм , метр , кандела , секунда , ампер , кельвин и моль . Все эти единицы определяются без ссылки на конкретный физический объект, 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 износу или разрушению. Вместо этого единица измерения может изменяться 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) [6] , который предложил определить метр в терминах длины волны спектральной линии . [ 7] Это напрямую повлияло на эксперимент Майкельсона–Морли ; Майкельсон и Морли цитируют Пирса и улучшают его метод. [8]
За исключением нескольких фундаментальных квантовых констант, единицы измерения выводятся из исторических соглашений. Ничто, присущее природе, не диктует, что дюйм должен быть определенной длины, или что миля является лучшей мерой расстояния, чем километр . Однако в ходе человеческой истории, сначала для удобства, а затем по необходимости, стандарты измерения развивались так, чтобы сообщества имели определенные общие ориентиры. Законы, регулирующие измерения, изначально были разработаны для предотвращения мошенничества в торговле.
Единицы измерения, как правило, определяются на научной основе, контролируются правительственными или независимыми агентствами и устанавливаются в международных договорах, наиболее выдающимся из которых является Генеральная конференция по мерам и весам (CGPM), созданная в 1875 году Метрической конвенцией , контролирующей Международную систему 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 Соединенных Штатов, Великобритании, Австралии и Южной Африки как равный ровно 0,9144 метра.
В Соединенных Штатах коммерческие измерения регулирует Национальный институт стандартов и технологий ( NIST ), подразделение Министерства торговли США . В Соединенном Королевстве эту роль выполняет Национальная физическая лаборатория (NPL), в Австралии — Национальный институт измерений [9] , в Южной Африке — Совет по научным и промышленным исследованиям , а в Индии — Национальная физическая лаборатория Индии .
единица — известная или стандартная величина, в терминах которой измеряются другие физические величины.
До того, как единицы СИ получили широкое распространение во всем мире, в Великобритании, Содружестве и Соединенных Штатах использовались британские системы английских единиц , а позднее и имперские единицы . Система стала известна как общепринятые единицы США в Соединенных Штатах и до сих пор используется там и в нескольких странах Карибского бассейна . Эти различные системы измерений иногда назывались системами фут-фунт-секунда по названию имперских единиц длины, веса и времени, хотя тонны, центнеры, галлоны и морские мили, например, отличаются для единиц США. Многие имперские единицы по-прежнему используются в Великобритании, которая официально перешла на систему СИ, за несколькими исключениями, такими как дорожные знаки, которые по-прежнему в милях. Разливное пиво и сидр должны продаваться имперскими пинтами, а молоко в возвратных бутылках может продаваться имперскими пинтами. Многие люди измеряют свой рост в футах и дюймах, а свой 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 пола в квадратных футах, особенно для коммерческих транзакций (а не государственной статистики). Аналогично, бензин продается галлонами во многих странах, которые считаются метрическими.
Метрическая система — это десятичная система измерений, основанная на единицах длины — метре и массы — килограмме. Она существует в нескольких вариантах с различным выбором базовых единиц , хотя это не влияет на ее 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 повседневных, так и в научных целях.
Международная система единиц (сокращенно СИ от французского названия Système International d'Unités ) является современной редакцией 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 много вариантов. Единицами СИ для семи основных физических величин являются: [10]
В СИ основными единицами являются простые измерения времени, длины, массы, температуры, количества вещества, электрического тока и интенсивности света. Производные единицы строятся на основе основных единиц, например, ватт , т.е. единица мощности, определяется на основе основных единиц как м2 · кг·с −3 . Другие физические свойства могут измеряться в составных единицах, например, плотность материала, измеряемая в кг/ м3 .
Система СИ позволяет легко умножать при переключении между единицами с одинаковой основой, но разными префиксами. Для перевода метров в сантиметры достаточно умножить количество метров на 100, поскольку в метре 100 сантиметров. И наоборот, для перевода сантиметров в метры 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 плотницком деле для измерения длины или расстояния или для проведения прямых линий. Строго говоря, линейка — это инструмент, используемый для проведения прямых линий, а калиброванный инструмент, используемый для определения длины, называется мерой , однако обычно оба инструмента называют линейками , а специальное название линейка используется для немаркированной линейки. Использование слова мера в смысле измерительного инструмента сохранилось только во фразе рулетка , инструмент, который можно использовать для измерения, но нельзя использовать для проведения прямых линий. Как можно увидеть на фотографиях на этой странице, двухметровую плотницкую линейку можно сложить до длины всего 20 сантиметров, чтобы она легко поместилась в кармане, а пятиметровая рулетка легко складывается, чтобы поместиться в небольшом корпусе.
Время — это абстрактное измерение элементарных изменений в непространственном континууме. Оно обозначается числами и/или именованными периодами, такими как часы , дни , недели , месяцы и годы . Это, по-видимому, необратимая серия событий в пределах этого непространственного континуума. Оно также используется для обозначения интервала между двумя относительными точками в этом континууме.
Масса относится к внутреннему свойству всех материальных объектов сопротивляться изменениям в их импульсе. Вес , с другой стороны, относится к направленной вниз силе, которая возникает, когда масса находится в гравитационном поле. При свободном падении (без 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 тем и другим для работы требуется гравитационное поле. Некоторые из самых точных приборов для измерения веса или массы основаны на тензодатчиках с цифровым считыванием, но для работы им требуется гравитационное поле, и они не будут работать в свободном падении.
Меры, используемые в экономике, — это физические меры, меры номинальной стоимости и меры реальной стоимости . Эти меры отличаются друг от друга переменными, которые они измеряют, и переменными, исключенными из измерений.
В области опросных исследований измерения берутся из индивидуальных установок, ценностей и поведения с использованием анкет в качестве инструмента измерения. Как и все другие измерения, измерения в опросных исследованиях также уязвимы для ошибок измерения , т. е. отклонения от истинного значения измерения и значения, предоставленного с помощью инструмента измерения. [11] В содержательных опросных исследованиях ошибки измерения могут привести к предвзятым выводам и неправильно оцененным эффектам. Чтобы получить точные результаты, когда появляются ошибки измерения, результаты необходимо скорректировать на ошибки измерения .
Для отображения точности измерений обычно применяются следующие правила: [12]
Поскольку точные измерения необходимы во многих областях, и поскольку все измерения обязательно являются приблизительными, необходимо приложить немало усилий, чтобы сделать измерения максимально точными. Например, рассмотрим задачу измерения времени , которое требуется объекту для падения с высоты в один метр (около 39 дюймов ). Используя физику, можно показать, что в гравитационном поле Земли любому объекту потребуется около 0,45 секунды, чтобы упасть с высоты в один метр. Однако ниже приведены лишь некоторые из источников возникающих ошибок :
Кроме того, к другим источникам экспериментальных ошибок относятся:
Научные эксперименты следует проводить с большой осторожностью, чтобы исключить как можно больше ошибок и сохранить реалистичные оценки погрешностей.
В классическом определении, которое является стандартным для всех физических наук, измерение — это определение или оценка соотношений величин. [14] Количество и измерение взаимно определяются: количественные атрибуты — это те, которые можно измерить, по крайней мере, в принципе. Классическая концепция количества восходит к Джону Уоллису и Исааку Ньютону и была предвосхищена в «Началах» Евклида . [14]
В репрезентативной теории измерение определяется как «соотнесение чисел с сущностями, которые не являются числами». [15] Наиболее технически разработанная форма репрезентативной теории также известна как аддитивное совместное измерение . В этой форме репрезентативной теории числа назначаются на основе соответствий или сходств между структурой числовых систем и структурой качественных систем. Свойство является количественным, если такие структурные сходства могут быть установлены. В более слабых формах репрезентативной теории, таких как неявная в работе Стэнли Смита Стивенса , [16] числа нужно назначать только в соответствии с правилом.
Понятие измерения часто неправильно понимается как просто присвоение значения, но возможно 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 не будет измерением согласно теории аддитивного совместного 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
Все данные неточны и статистически по своей природе. Таким образом, определение измерения таково: «Набор наблюдений, которые уменьшают неопределенность, где результат выражается как количество». [17] Это определение подразумевается в том, что на самом деле делают ученые, когда они измеряют что-либо и сообщают как среднее значение , так и статистику измерений. С практической точки зрения, человек начинает с первоначального предположения относительно ожидаемого значения количества, 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 того, чтобы приписывать одно значение, измерению присваивается диапазон значений. Это также подразумевает, что не существует четкого или четкого различия между оценкой и измерением.
В квантовой механике измерение — это действие, которое определяет конкретное свойство (положение, импульс, энергию и т. д.) квантовой системы. Квантовые измерения всегда являются статистическими выборками из распределения вероятностей; распределение для многих квантовых явлений дискретно. [18] : 197 Квантовые измерения изменяют квантовые состояния , и тем не менее повторные измерения квантового состояния воспроизводимы. Измерение, по-видимому, действует как фильтр, изменяя квантовое состояние в состояние с единственным измеренным квантовым значением. [18] Однозначное значение квантового измерения — нерешенная фундаментальная проблема в квантовой механике ; наиболее распространенная интерпретация заключается в том, что при выполнении измерения волновая функция квантовой системы « коллапсирует » до одного определенного значения. [19]
В биологии, как правило, нет устоявшейся теории измерения. Однако подчеркивается важность теоретического контекста. [20] Более того, теоретический контекст, вытекающий из теории эволюции, приводит к формулированию теории измерения и историчности как фундаментального понятия. [21] Среди наиболее развитых областей измерения в биологии — измерение генетического разнообразия и видового разнообразия. [22]
Медиа, связанные с измерением на Wikimedia Commons