Füüsikaline suurus: definitsioon, näited, mõõtmine ja ühikud

Füüsikas on füüsikaline suurus mis tahes füüsikaline omadus, mida saab kvantifitseerida ehk väljendada numbrina ja mõõtühikuga. Näiteks on füüsikaliste suuruste hulka mass, aine hulk, pikkus, aeg, temperatuur, elektrivool, valguse intensiivsus, jõud, kiirus, tihedus jt. Füüsikalist suurust mõõdetakse tavaliselt looduslikes, elututest objektidest tuletatud omaduste puhul ja mõõtmiste tulemused annavad aluse füüsikaliste seaduste ja tehniliste rakenduste täpseks kirjeldamiseks.

Mis on füüsikalise suuruse olemus?

Füüsikaline suurus koosneb alati kahest osast: numbrilisest väärtusest ja mõõtühikust. Näide: 5 m tähendab numbrit 5 ja ühikut meetrit. Füüsikalised suurused võimaldavad kvantitatiivselt võrrelda, arvutada ja modelleerida looduses toimuvaid protsesse.

Põhikogused ja tuletatud suurused

Füüsikalisi suurusi jagatakse sageli kahte kategooriasse:

• Põhikogused (SI põhikogused) on sõltumatud ja neid kasutatakse teiste suuruste defineerimiseks. Rahvusvahelise süsteemi (SI) järgi on seitse põhikogust: pikkus (meeter, m), mass (kilogramm, kg), aeg (sekund, s), elektrivool (amper, A), termodünaamiline temperatuur (kelvin, K), aine hulk (mool, mol) ja valguse tugevus (kandela, cd).
• Tuletatud suurused on väljendatud põhikoguste kombinatsioonidena vastavalt matemaatilistele seostele. Näited: kiirus (m/s), kiirendus (m/s²), jõud (nüüdis SI: newton, N = kg·m/s²), surve (pascal, Pa = N/m²), energia (joule, J).

Skaalavaldkond: skalaarsed ja vektoriaalsed suurused

Mõned füüsikalised suurused on skalaarsed (omavad ainult väärtust ja ühikut, nt temperatuur, mass), teised on vektoriaalsed (omavad väärtust, ühikut ja suunda, nt jõud, kiirus). Vektorsuunalised suurused nõuavad lisaks arvulisele väärtusele sageli vektori suuna määramist ja neid liidetakse vektorina.

Mõõtmine ja mõõtühikud

Mõõtmine tähendab füüsikalise suuruse võrdlemist kokkulepitud standardskaalaga. Mõõtmistulemuse puhul on oluline:

• Mõõtühik: standardne ühik (nt m, s, kg) võimaldab tulemusi võrrelda.
• Mõõteriist: sobiv instrument (näiteks joonlaud või mõõdulint pikkuse jaoks, kaal massi jaoks, stopper aja jaoks, termomeeter temperatuuri jaoks, ampermeeter elektrivoolu jaoks, luksmeeter valguse intensiivsuse mõõtmiseks, dünaamiline instrument jõu mõõtmiseks).
• Mõõtevigade ja ebatäpsuste hindamine: iga mõõtmisega kaasneb juhuslik ja süsteemne viga; tulemusi antakse sageli koos ebatäpsuse või usaldusvahemikuga ning sõnastatakse märgisarjade reeglitega.

SI-süsteem ja ühikud

Rahvusvaheline ühikute süsteem (SI) on ülemaailmne kokkulepe ühikute ja prefikside kohta. SI põhineb viiel fundamentaalusel ning alates 2019. aastast on põhielemendid defineeritud fikseeritud fundamentaalsete konstantide (nt valguse kiirus c, Plancki konstant h, elementaarlaeng e, Boltzmanni konstant k jne) abil, mis tagab suure täpsuse ja stabiilsuse. Levinumad prefiksid on näiteks:

• kilo (k) = 10³
• mega (M) = 10⁶
• giga (G) = 10⁹
• milli (m) = 10⁻³
• mikro (µ) = 10⁻⁶
• nano (n) = 10⁻⁹

Mõõtmisprotsess ja standardsus

Mõõtmiste täpsuse tagamiseks on oluline kasutada kalibreeritud mõõteriistu ja järgida ühtseid mõõtmismeetodeid. Rahvusvahelised ja riiklikud metroloogiaasutused hoiavad ühikute defineerimiseks ja ühtlustamiseks standardeid ning viivad läbi kalibreerimisi. Mõõtmistulemusi väljendatakse sageli oluliste numbrimärkidega (significant figures) ja mõõteviga kirjutatakse kas ± väärtusena või usaldusvahemikuna.

Praktilised näited ja rakendused

• Masinaehituses ja arhitektuuris on nii pikkus kui ka mass kriitilise tähtsusega täpsete jooniste ja koormusarvutuste tegemisel.
• Keemias on aine hulk ja tihedus olulised reaktsioonikoguste ja lahuste kontsentratsioonide arvutamisel.
• Füüsikaseaduste (füüsikaseadused) matemaatiline vorm sõltub suuruste täpsest defineerimisest ja mõõtmisest.
• Mõned tuletatud suurused, nagu kiirus või jõud, on otseselt arvutatavad mõõdetud põhikogustest, mistõttu on oluline, et algmõõtmised oleksid usaldusväärsed.

Miks on oluline õigesti mõõta ja määratleda suurusi?

Füüsikaliste suuruste korrektne määratlemine ja mõõtmine on aluseks teaduslikele teooriatele, tehnilistele disainidele ja igapäevastele rakendustele. Ilma ühtse mõõtmisstandardi ja täpsete ühikuteta ei saaks eri laborite ja tootjate tulemusi omavahel võrrelda, mis takistaks teaduse ning tehnoloogia arengut.

Füüsikalised suurused ja nende mõõtmine moodustavad seega füüsika ja tehnikateaduse aluse, võimaldades kirjeldada, ennustada ja kontrollida looduses ja tehnikas toimuvaid protsesse.

Küsimused ja vastused

K: Mis on füüsikaline suurus?

K: Kas füüsikalisi suurusi saab mõõta elusorganismidest?

K: Millised on mõned näited füüsikalistest suurustest?

K: Miks on füüsikalised suurused füüsika aluste jaoks olulised?

K: Kuidas tuleks füüsikalisi suurusi mõõta?

K: Mis on põhikogused?

K: Mis on tuletatud suurused?

Otsing