La misura fisica è l'atto di determinare il valore oi valori di una grandezza ( lunghezza , capacità, ecc. ) rispetto ad una quantità costante della stessa specie presa a riferimento ( standard o unità ). Secondo la definizione canonica:
Misurare una grandezza significa confrontarla con un'altra grandezza dello stesso tipo presa come unità.
La misurazione fisica mira all'obiettività e alla riproducibilità . Il confronto è digitale ; esprimiamo una caratteristica ben definita dell'oggetto con un numero razionale che moltiplica l' unità. Un risultato fisico completo di una misura comprende una stima numerica della grandezza , la designazione dell'unità di misura , un'espressione dell'incertezza di misura e le condizioni principali della prova. L'incertezza è parte integrante della misurazione e può anche essere il suo risultato primario.
In fisica , fisica misurazione è definita come la determinazione del valore numerico di una quantità dal interpretazione del risultato di un esperimento o un'osservazione. Le condizioni ei metodi di questo esperimento o osservazione determinano l'incertezza.
L' Ufficio internazionale dei pesi e delle misure ha istituito un Sistema internazionale di unità e standard per la pubblicazione dei risultati delle misurazioni che ne consentono il confronto diretto.
“Nelle scienze fisiche, un primo passo essenziale nell'apprendimento di una materia è trovare come apprenderla nei numeri e metodi per misurare una qualità ad essa correlata. Dico spesso che se puoi misurare ciò di cui parli e metterlo in numeri, ne sai qualcosa; ma se non puoi misurarlo, quantificarlo, la tua conoscenza è di un tipo molto povero e insoddisfacente: può essere l'inizio della conoscenza, ma non sei ancora, nei tuoi pensieri, avanzato allo stadio della scienza , qualunque sia l'argomento. "
- William Thomas Thomson, Lord Kelvin Kel
La misurazione fisica è fondamentale nella maggior parte dei campi scientifici (chimica, fisica, biologia, ecc .). È essenziale per un gran numero di applicazioni industriali e commerciali.
Nelle scienze naturali , la misurazione è un metodo di confronto oggettivo e riproducibile di una caratteristica degli oggetti. Piuttosto che confrontare gli oggetti a due a due, indichiamo il rapporto di ciascuno di essi con un oggetto definito da una convenzione chiamata unità di misura .
I metodi più semplici, in uso fin dall'antichità, utilizzano il conteggio unitario e la valutazione frazionaria, come con la catena del geometra . Lo strumento di misura è una riproduzione materiale dell'unità, certificata da un'autorità. I dispositivi di misurazione furono perfezionati contemporaneamente all'affermazione della fisica come scienza dei modelli matematici delle relazioni tra le quantità. Hanno inventato dal momento che il XVII ° secolo, spesso finiscono con il suffisso Meter preceduto da un termine per la variabile di processo, come nel termometro dove il calore ricorda il nome di calore in greco antico , o unità, come nel voltmetro , la misurazione della tensione elettrica fra i suoi terminali in volt .
L'accesso a una grandezza fisica avviene spesso attraverso una o più trasduzioni in un'altra grandezza. Tutti gli elementi del dispositivo costituiscono una catena di misura dal fenomeno al risultato digitale .
Il grado di confidenza che può essere posto in una misura fisica dipende dallo strumento e dalla procedura. Sebbene il risultato di una misurazione sia solitamente dato da un numero seguito da un'unità, ha almeno tre componenti: la stima, l'incertezza e la probabilità che la misurazione rientri in un determinato intervallo. Ad esempio, misurare la lunghezza di una tavola potrebbe dare 9 metri più o meno 0,01 metri, con una probabilità di 0,95. In altre parole, se misuriamo questa lunghezza 100 volte, circa 95 volte troveremo un valore compreso tra 8,99 metri e 9,01 metri (si parla di un intervallo di confidenza del 95%).
La metrologia è una scienza ausiliaria della fisica dedicata allo studio della misura delle grandezze fisiche, alla definizione delle loro unità, e alla realizzazione pratica di manipolazioni per arrivare ad un risultato numerico.
L'espressione numerica di una quantità è caratterizzata in primo luogo dalla precisione della scrittura. Se scriviamo che la misura è 592 unità, diciamo che non è né 591 né 593. Se scriviamo che la misura ha dato 592,0 unità, intendiamo che non è né 591,9 né 592,1. Quando questa "precisione" aumenta, c'è un momento in cui due misurazioni dello stesso oggetto danno un risultato diverso. Questa incertezza di misura è parte integrante di una misura.
Di fronte a questa realtà pratica, sono possibili diversi approcci. Si può ritenere che esista un valore vero , per definizione sconosciuto, che la misura viziasse con un errore di misura . Si può pensare che esista un insieme di valori “veri”, cioè compatibili con la definizione della quantità. Possiamo fare a meno della nozione di valore vero, e stabilire una compatibilità di misura che è un intervallo in cui la misura deve essere considerata valida.
Una delle caratteristiche principali della misurazione fisica è l'incertezza che possiede intrinsecamente.
Possiamo migliorare la procedura di misura e correggere errori noti o sospetti, il processo si conclude sempre con una quantizzazione , ovvero la scelta di un valore preso da un numero finito di possibili valori. L'intervallo tra due possibili valori è il minimo dell'incertezza; Spesso le misurazioni vengono ripetute e si ottiene un insieme di risultati che ha una distribuzione statistica, un'espressione elaborata dell'incertezza.
La definizione di determinate grandezze, come la frequenza , implica incertezza di misura, poiché non è definita da un integrale da meno infinito a più infinito, e quindi a condizione che il fenomeno periodico in questione sia noto senza limiti. , il che non è il caso in una certa misura.
Il processo di misurazione include spesso calcoli che possono coinvolgere più grandezze o funzioni di trasferimento non necessariamente lineari . Si devono quindi eseguire calcoli di propagazione delle incertezze per determinare l'incertezza sul risultato.
Nella meccanica quantistica , vale a dire su scala atomica, due fenomeni ostacolano la misurazione:
Queste peculiarità rendono la misura alla scala delle particelle un campo strettamente separato da quello delle misure fisiche alla scala macroscopica, che riguarda oggetti la cui dimensione minima è quella di un punto materiale , di una particella materiale o di una particella fluida .
L' epistemologia esamina su quale tipo di conoscenza porta la misurazione.
Prima che le unità del Sistema Internazionale fossero adottate in tutto il mondo, esistevano (contemporaneamente o meno) molti sistemi, più o meno pratici e più o meno generalizzati in termini di aree di espansione, usi professionali o altro.
I sistemi britannici di unità inglesi , e successivamente unità imperiali , furono utilizzati in Gran Bretagna, Commonwealth e Stati Uniti d'America prima della generalizzazione del Sistema internazionale di unità. Il sistema divenne noto come "unità di cambio USA" negli Stati Uniti d'America dove è ancora applicato, così come in alcuni paesi dei Caraibi . Questi vari sistemi di misurazione un tempo erano chiamati piedi per libbra per secondo (PLS) dai nomi delle unità imperiali per distanza, massa e tempo. La maggior parte delle unità imperiali è ancora utilizzata in Gran Bretagna nonostante il passaggio generale al sistema internazionale. I segnali stradali sono sempre in miglia , iarde , miglia orarie, ecc. , le persone tendono a dare le loro misure in piedi e pollici e la birra viene venduta in pinte , per fare alcuni esempi. Le unità imperiali sono utilizzate in molti altri luoghi; in particolare in molti paesi del Commonwealth che sono considerati "metrici", le aree terrestri sono misurate in acri e le aree terrestri in piedi quadrati, in particolare nelle transazioni commerciali (più che nelle statistiche governative). Allo stesso modo, il gallone imperiale viene utilizzato in molti paesi considerati "metrici" nelle stazioni di gas e petrolio, come gli Emirati Arabi Uniti .
Il sistema metrico decimale è un sistema di unità basato sul metro e sul grammo . È disponibile in molte varianti, con diverse scelte di unità base, sebbene ciò non influisca in alcun modo sulle sue applicazioni quotidiane. Dagli anni '60, il Sistema internazionale di unità (SI) - dettagliato di seguito - è stato il sistema metrico standard riconosciuto a livello internazionale. Le unità metriche di massa, lunghezza ed elettricità sono ampiamente utilizzate sia nelle applicazioni quotidiane che in quelle scientifiche. Il vantaggio principale del sistema metrico è che ha una singola unità di base per ogni grandezza fisica. Tutte le altre unità sono potenze di 10 dell'unità base. Le conversioni tra le unità sono quindi semplici poiché è sufficiente moltiplicare (rispettivamente dividere) per 10, 100, 1000, ecc. per passare da un'unità all'altra. Tutte le lunghezze e le distanze sono, ad esempio, misurate in metri o millesimi di metri (millimetri) o migliaia di metri (chilometri) e così via. Non c'è quindi profusione di unità diverse con fattori di conversione diversi come nel sistema imperiale. L'uso di una frazione (ad esempio 2/5 di metro) non è vietato ma è insolito.
Il Sistema Internazionale di Unità (abbreviato in SI ) è la forma moderna e rivista del sistema metrico decimale. È il sistema di unità più diffuso al mondo, sia nella vita quotidiana che nei campi scientifici. Il SI è stato sviluppato negli anni '60 dal sistema MKS ( metro - chilogrammo - secondo ) preferendolo al sistema CGS ( centimetro - grammo - secondo ), che ha più varianti. Il SI ha introdotto fin dall'inizio molte nuove unità che inizialmente non facevano parte del sistema metrico decimale.
Esistono due tipi di unità SI, unità di base e unità secondarie. Le unità di base sono le misure corrispondenti a tempo, lunghezza, massa, temperatura, quantità (di oggetti), corrente elettrica e intensità luminosa. Le unità secondarie sono costruite su unità base; ad esempio la densità che è espressa in kg/m 3 .
Prefissi di conversionePer "eliminare" i prefissi, l'uso della moltiplicazione è il più semplice. Convertire i metri in centimetri è come moltiplicare le quantità in metri per 100, poiché in un metro ci sono 100 centimetri. E viceversa.
Le interconnessioni fisiche mediante rapporti matematici misurandi, quindi possiamo sempre riportarle, mediante analisi dimensionali , a un piccolo numero di grandezze base.
Dimensione della base | Simbolo di quota |
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Lunghezza | |
Massa | |
Tempo o durata | |
Intensità elettrica | |
Temperatura termodinamica | |
Quantità di materia | |
Intensità luminosa |
Le lunghezze misurate sono espresse nel sistema internazionale in metri (simbolo: m). Nella vita di tutti i giorni, e a seconda dei casi, utilizziamo regolarmente le molteplici correnti che sono il chilometro, il centimetro e il millimetro:
La massa è solitamente espressa in chilogrammi (di solito chiamato "chilo", simbolo: kg). Questo nome ci ricorda che il chilogrammo è originariamente un multiplo del grammo , l'unità di base del sistema CGS. Si può notare che ciò ha portato a mantenere un nome specifico per il multiplo di mille chilogrammi che non viene mai chiamato chilogrammo ma è conosciuto con il nome di tonnellata (simbolo: t).
TempoLe misurazioni del tempo vengono effettuate nel sistema internazionale in secondi . La seconda è l'unica unità del sistema internazionale il cui uso conserva un riferimento al sistema di conteggio sessagesimale, possedendo unità derivate di ordine superiore che non sono multipli di 10 dell'unità base, ma multipli di 60 ( minuti , ore ), quindi 24 ( giorno ), ecc.
Energia elettricaL'intensità della corrente elettrica è misurata in ampere ( A ) nel sistema internazionale, da cui derivano le altre unità applicate per le misure di corrente elettrica (cioè il volt ( V ) per la differenza di potenziale e l' ohm ( Ω ) per la resistenza, tra altri).
TemperaturaL'unità di temperatura assoluta nel Sistema Internazionale è il Kelvin ( K ), una misura diretta dell'agitazione termica. Questa unità viene utilizzata nel modo consueto in campo scientifico. Nella vita di tutti i giorni (al di fuori dello spazio americano anglofono), l'unità di misura utilizzata è il grado Celsius ( °C ) (precedentemente chiamato centigrado) - la cui scala è stata costruita sui fenomeni di fusione-ebollizione dell'acqua , che si deduce da della scala Kelvin mediante la seguente trasformazione: temperatura ( °C ) + 273,15 = temperatura ( K ) .
Quantità di materiaUna quantità di materia (Q) è espressa secondo la scala molare la cui unità è la mole ( mol ). Questa unità corrisponde a 6,02 × 10 23 oggetti ( numero di Avogadro ). È frequentemente utilizzato in chimica , in particolare per misurazioni di densità ("omogenee" a Q/L 3 ) che mettono in relazione la quantità di materia (o oggetti chimici) con un volume.
Intensità luminosaNel sistema internazionale, l'intensità luminosa (percepita implicitamente dall'occhio umano) è misurata da una scala la cui unità di base è la candela (cd, da non confondere con "Cd", simbolo chimico del cadmio ).
Nella tabella sottostante sono presentate grandezze secondarie con dimensioni diverse da zero e loro unità, oltre ad alcuni strumenti di misura.
Dimensione | Unità secondaria | simbolo SI) | Omogeneo a | Esempi di unità derivate | Strumenti di misura |
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Accelerazione | metro al secondo quadrato | ms −2 | LT -2 | Accelerometro | |
Massa volumica | chilogrammo per metro cubo | kgm 3 | ML -3 | Picnometro | |
Energia | joule | J | ML 2 T -2 | caloria | Calorimetro |
Forza | newton | NON | MLT -2 | Dinamometro | |
Frequenza | hertz | Hz | T -1 | Frequenzimetro | |
Pressione | pascal | papà | ML -1 T -2 | bar , torre | Manometro |
Potere | watt | W | ML 2 T -3 | Wattmetro | |
La zona | metro quadro | m 2 | L 2 | sono , ha | |
Velocità | metro al secondo | ms −1 | LT -1 | chilometro all'ora | Velocimetro |
Volume | metro cubo | m 3 | L 3 | litro |
Le quantità che appaiono come rapporto di quantità della stessa dimensione sono adimensionali nel senso matematico del termine (la loro dimensione è zero) e sono quindi scalari . La loro unità è quindi (generalmente) il numero 1 e non porta un nome, sebbene certe quantità possano essere espresse in unità che portano nomi specifici (rimangono però adimensionali). Tra questi ultimi, possiamo trovare la misura del piano o dell'angolo solido (rispettivamente radianti e steradianti ), la misura del rapporto tra due potenze (in decibel o bel ), tra le altre.
Scale in cui tali misure possono essere espresse anche in un sistema non decimale (come il sistema sessagesimale per una misura di angolo espressa in gradi , che si modella sulla misura del tempo) o in una scala non lineare (es. misura del rapporto tra due potenze).
Un " righello " è uno strumento utilizzato in geometria , disegno tecnico e simili per misurare distanze o disegnare linee rette. A rigor di termini, un tee è lo strumento utilizzato per tracciare le linee e lo strumento progettato per determinare le misurazioni è chiamato "righello". Per determinare le lunghezze vengono utilizzate molte forme diverse di strumenti flessibili, come il metro a nastro da carpentiere, il metro a nastro utilizzato dai sarti, il metro a nastro retrattile utilizzato dagli operai edili, i calibri , ecc.
In contesti particolari vengono utilizzati altri strumenti di misura della lunghezza. Alla scala microscopica, la profilometria laser consente di misurare un profilo con una precisione di poche decine di nanometri . Su scala "umana", possono essere utilizzati telemetri .
TempoGli strumenti di misurazione più comuni per misurare il tempo sono gli orologi , per i periodi inferiori al giorno, e il calendario per i periodi maggiori del giorno. Gli orologi sono disponibili in generi più o meno esotici che vanno dagli orologi al Long Now Clock . Possono essere controllati da molti meccanismi, come ad esempio il pendolo . Esiste anche un'ampia varietà di calendari , ad esempio il calendario lunare e il calendario solare , anche se il più utilizzato è il calendario gregoriano .
Il cronometro (marittimo) è uno strumento di misurazione del tempo sufficientemente preciso da essere utilizzato come standard temporale portatile, solitamente utilizzato per la determinazione delle longitudini attraverso la navigazione astronomica .
Il tipo più accurato di strumento per misurare il tempo è l' orologio atomico . È da confrontare con strumenti più antichi e rudimentali, come la clessidra , la meridiana o la clessidra .
MassaUna scala di massa (non di peso ) è un punto di riferimento per misurare la massa di un corpo. Oltre agli strumenti digitali, il modo migliore per misurare la massa è utilizzare una bilancia. Nella sua forma convenzionale, questa classe di strumenti di misura confronta il campione, posto in un piatto (di misura) e sospeso da un'estremità di una trave, l'altra supporta un piatto sospeso (di riferimento) in cui è posta una massa standard (o una combinazione di masse standard). Per procedere con la misura della massa dell'oggetto posto nel piatto, al piatto di riferimento vengono aggiunte delle masse (comunemente ma impropriamente dette "pesi") fino a quando il fascio risulta quanto più possibile equilibrato (meccanico). Un modo meno preciso per eseguire una misura di massa basata sulla deformazione di una molla calibrata che si deforma linearmente in funzione della massa supportata.
La nozione di massa può anche riferirsi all'inerzia di un oggetto.
TemperaturaLa temperatura è una grandezza fisica misurata con un termometro e studiata in termometria. Nella vita di tutti i giorni è legato alle sensazioni di freddo e caldo, derivanti dal trasferimento termico tra il corpo umano e il suo ambiente. In fisica è definita in diversi modi: come funzione crescente del grado di agitazione termica delle particelle (nella teoria cinetica dei gas), dall'equilibrio dei trasferimenti di calore tra più sistemi o dall'entropia (in termodinamica e nella fisica statistica) . La temperatura è una variabile importante in altre discipline: meteorologia e climatologia, medicina e chimica.
La scala di temperatura più popolare è il grado Celsius, in cui il ghiaccio (formato dall'acqua) si scioglie a 0 ° C e l'acqua bolle a circa 100 ° C in condizioni di pressione standard. Nei paesi che utilizzano le unità del sistema imperiale (imperiale), vengono utilizzati i gradi Fahrenheit quando il ghiaccio si scioglie a 32 °F e l'acqua bolle a 212 °F . L'unità del Sistema Internazionale di Unità (SI), di uso scientifico e definita dallo zero assoluto, è il kelvin, la cui graduazione è identica a quella dei gradi Celsius.
A partire dal : | Kelvin | Centigrado | Fahrenheit | Rankine | Reaumur |
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Una corrente elettrica è un movimento di tutti i portatori di cariche elettriche, generalmente elettroni, all'interno di un materiale conduttivo. Questi movimenti sono imposti dall'azione della forza elettromagnetica, la cui interazione con la materia è alla base dell'elettricità.
L'intensità della corrente elettrica (a volte indicata come "amperaggio" 3,4,5,6) è un numero che descrive il flusso di carica elettrica attraverso una data superficie, in particolare la sezione di un filo elettrico:
.o :
Nel Sistema Internazionale di Unità, l'amperaggio è misurato in ampere, un'unità di base con il simbolo A.
Un ampere corrisponde a un flusso di carica di un coulomb al secondo.
La corrente viene misurata utilizzando un amperometro che deve essere collegato in serie nel circuito.
Radiometria e fotometriaValore fotometrico | Simbolo | Unità SI (simbolo) | Valore radiometrico | Simbolo | Unità SI (simbolo) | Dimensione |
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Quantità di luce | lumen secondo ( lm s ) | Energia radiante | joule ( J ) | ML 2 T -2 | ||
Flusso luminoso | lume ( lm ) | Flusso radiante | watt ( W ) | ML 2 T -3 | ||
Intensità luminosa | candela ( cd ) | Intensità radiante | watt per steradiante ( W sr −1 ) | ML 2 T -3 | ||
Luminanza | candela per metro quadrato ( cd m -2 ) | Luminanza energetica | watt per metro quadrato steradiante ( W m -2 sr -1 ) | MT -3 | ||
illuminamento | lux (lx) | Illuminazione energetica | watt per metro quadrato ( W m -2 ) | MT -3 | ||
Emissione luminosa | lux (lx) o lumen per metro quadrato ( lm m -2 ) | uscita | watt per metro quadrato ( W m -2 ) | MT -3 | ||
Esposizione alla luce | lux secondo ( lx s ) | Esposizione | joule per metro quadrato (J m − 2) | MT -2 |
Una forza (la cui intensità è comunemente espressa in newton che ha dimensione massa × lunghezza × tempo -2 ) può essere misurata con vari strumenti, il più semplice dei quali è il dinamometro , che consiste in una molla graduata. Alcuni degli strumenti di misurazione della massa, quelli che non utilizzano una massa di riferimento, misurano effettivamente una forza e convertono utilizzando il valore del campo gravitazionale terrestre. Pertanto, una scala panoramica sarebbe accurata sulla Luna come sulla Terra, mentre una scala a molla o elettronica sarebbe errata di un fattore sei.
PressioneLa pressione viene misurata utilizzando un barometro in ambiente meteorologico (variazioni moderate intorno a un bar) o un manometro per variazioni maggiori. La pressione è una forza per unità di superficie. Esistono diversi tipi di strumenti: