La mesure physique est l'action de déterminer la ou les valeurs d'une grandeur (longueur, capacité), par comparaison avec une grandeur constante de même espèce prise comme terme de référence (étalon ou unité). Selon la définition canonique :
La mesure physique vise à l'objectivité et à la reproductibilité. La comparaison est numérique ; on exprime une caractéristique bien définie de l'objet par un nombre rationnel multipliant l'unité. Un résultat de mesure physique complet comprend une estimation numérique de la grandeur, la désignation de l'unité de mesure, une expression de l'incertitude de mesure et les principales conditions de l'épreuve. L'incertitude est partie intégrante de la mesure, et peut même être son résultat principal.
En physique, la mesure physique se définit comme la détermination de la valeur numérique d'une grandeur par l'interprétation du résultat d'une expérience ou d'une observation. Les conditions et les méthodes de cette expérience ou observation déterminent l'incertitude « Mesure » (1)..
Le Bureau international des poids et mesures a établi un Système international d'unités et des normes de publication des résultats de mesure permettant leur comparaison directe.
Généralités
La mesure physique est fondamentale dans la plupart des champs scientifiques (chimie, physique, biologie). Elle est essentielle à un grand nombre d'applications industrielles et commerciales.
En sciences naturelles, la mesure est une méthode de comparaison objective et reproductible d'une caractéristique des objets. Plutôt que de comparer les objets deux à deux, on indique le rapport de chacun d'eux à un objet défini par une convention appelé unité de mesure.
Les méthodes les plus simples, en usage depuis l'Antiquité, utilisent un comptage de l'unité et une évaluation de la fraction, comme avec la chaîne d'arpenteur. L'instrument de mesure est une reproduction matérielle de l'unité, certifié par une autorité. Les appareils de mesure se sont perfectionnés en même temps que la physique s'établissait comme une science des modèles mathématiques des rapports entre les grandeurs. Ceux inventés depuis le se terminent souvent par le suffixe -mètre précédé d'un terme qui désigne le mesurande, comme dans thermomètre, où thermo rappelle le nom de la chaleur en grec ancien, ou l'unité, comme dans voltmètre, mesurant la tension électrique entre ses bornes en volts.
L'accès à une grandeur physique se fait souvent par l'intermédiaire d'une ou de plusieurs transductions dans une autre grandeur. L'ensemble des éléments de l'appareil constitue une chaîne de mesure du phénomène au résultat numérique.
Le degré de confiance qu'on peut accorder à une mesure physique dépend de l'instrument et de la procédure. Bien qu'un résultat de mesure soit donné de manière usuelle par un nombre suivi d'une unité, elle possède au moins trois composantes : l'estimation, l'incertitude et la probabilité que la mesure soit comprise dans un intervalle donné. Par exemple, la mesure de la longueur d'une planche peut donner plus ou moins , avec une probabilité de 0,95. Autrement dit, si l'on procède 100 fois à la mesure de cette longueur, environ 95 fois on trouvera une valeur comprise entre et (on parle d'intervalle de confiance à 95 %).
La métrologie est une science auxiliaire de la physique consacrée à l'étude de la mesure des grandeurs physiques, de la définition de leurs unités, et de la réalisation pratique des manipulations permettant d'arriver à un résultat numérique ; Trésor de la langue française, métrologie..
Caractérisation de la mesure
L'expression numérique d'une grandeur se caractérise en premier lieu par la précision de l'écriture. Si l'on écrit que la mesure est de 592 unités, on dit qu'elle n'est ni de 591, ni de 593. Si l'on écrit que la mesure a donné 592,0 unités, on sous-entend qu'elle n'est ni de 591,9, ni de 592,1. Quand cette « précision » augmente, il se trouve un moment où deux mesurages du même objet donnent un résultat différent. Cette incertitude de mesure est partie intégrante d'un mesurage.
Face à cette réalité pratique, plusieurs approches sont possibles. On peut considérer qu'il existe une valeur vraie, par définition inconnue, que la mesure entache d'une erreur de mesure. On peut penser qu'il existe un ensemble de valeurs « vraies », c'est-à-dire compatibles avec la définition de la grandeur. On peut se dispenser complètement de la notion de valeur vraie, et établir une compatibilité de mesure qui est un intervalle dans lequel la mesure doit être considérée comme valide.
Calcul d'incertitude
L'une des caractéristiques principales de la mesure physique est l'incertitude qu'elle possède intrinsèquement.
On peut améliorer la procédure de mesure et corriger les erreurs connues ou soupçonnées, le processus se termine toujours par une , c'est-à-dire le choix d'une valeur prise dans un nombre fini de valeurs possibles. L'intervalle entre deux valeurs possibles est le minimum de l'incertitude ; souvent, on répète les mesures, et on obtient un jeu de résultats possédant une distribution statistique, expression élaborée de l'incertitude.
La définition de certaines grandeurs, comme la fréquence, implique une incertitude de mesure, puisqu'elle n'est définie par une intégrale de moins l'infini à plus l'infini, et donc à condition de connaître le phénomène périodique concerné sans aucune limite, ce qui n'est pas le cas dans une mesure.
Le processus de mesure comporte souvent des calculs qui peuvent faire intervenir plusieurs grandeurs, ou des fonctions de transfert qui ne sont pas nécessairement linéaires. On doit donc effectuer des calculs de propagation des incertitudes pour déterminer l'incertitude sur le résultat.
Problème de la mesure en mécanique quantique
En mécanique quantique, c'est-à-dire à l'échelle atomique, deux phénomènes font obstacle à la mesure : le principe d'incertitude énoncé par Werner Heisenberg, concernant notamment le couplage entre impulsion et position ; la fragilité de l'information quantique face aux mesures, qui fait que la mesure affecte l'objet mesuré.
Ces particularités font de la mesure à l'échelle particulaire un domaine en toute rigueur séparé de celui des mesures physiques à l'échelle macroscopique, qui concerne des objets dont la taille minimale est celle d'un point matériel, d'une particule matérielle ou d'une particule fluide.
Épistémologie de la mesure
L'épistémologie examine sur quel genre de connaissance débouche la mesure.
Systèmes de mesures Avant que les unités du Système international soient adoptées dans le monde entier, il existait (de manière simultanée ou non) de nombreux systèmes, plus ou moins pratiques et plus ou moins généralisés en termes d'aires d'expansions, d'utilisations professionnelles ou autres.
Systèmes de mesures non métriques Système impérial (GB, Commonwealth et US)
Les systèmes britanniques des unités anglaises, puis ultérieurement des unités impériales, étaient utilisées en Grande-Bretagne, dans le Commonwealth et aux États-Unis d'Amérique avant la généralisation du Système international d'unités. Le système vint à être connu comme « unités d'échange U.S. » aux États-Unis d'Amérique où il est toujours appliqué, ainsi que dans certains pays des Caraïbes. Ces systèmes de mesures variés ont été un temps appelés pied-livre-seconde (PLS) d'après les noms des unités impériales pour la distance, la masse et le temps. La plupart des unités impériales sont toujours utilisées en Grande-Bretagne en dépit du basculement général vers le système international. Les panneaux routiers sont toujours en miles, yards, miles par heure, les gens tendent à indiquer leurs mesures en pied et pouces, et la bière est vendue en pintes, pour donner quelques exemples. Les unités impériales sont utilisées dans de nombreux autres lieux ; en particulier dans de nombreux pays du Commonwealth qui sont pourtant considérés comme « métriques », les surfaces de terrains sont mesurées en acres et les surfaces de sol en pieds carrés, particulièrement dans les transactions commerciales (plus que dans les statistiques gouvernementales). De manière similaire, le gallon impérial est utilisé dans de nombreux pays considérés comme « métriques » dans les stations d'essences et pétrolières, comme dans les Émirats arabes unis.
Système métrique thumb|Vue d'artiste de l'étalon kilogramme en platine iridié.
Le système métrique est un système d'unités décimalisé basé sur le mètre et le gramme. Il existe dans de nombreuses variantes, avec différents choix d'unités de base, bien que cela n'affecte en rien ses applications quotidiennes. Depuis les années 1960, le Système international d'unités (SI) - détaillé plus bas - est le système métrique standard internationalement reconnu. Les unités métriques de masse, de longueur, et d'électricité sont largement utilisées tant dans les applications quotidiennes que scientifiques. Le principal avantage du système métrique est qu'il possède une seule et unique unité de base pour chaque quantité physique. Toutes les autres unités sont des puissances de 10 de l'unité de base. Les conversions entre unités sont donc simples du fait qu'il suffit de multiplier (respectivement diviser) par 10, 100, 1000 pour passer d'une unité à l'autre. Toutes les longueurs et distances sont, par exemple, mesurées en mètres, ou en millièmes de mètres (millimètres) ou en milliers de mètres (kilomètres) et ainsi de suite. Il n'y a donc pas profusion d'unités différentes avec des facteurs différents pour la conversion comme dans le système impérial. L'utilisation de fraction (par exemple 2/5 de mètre) n’est pas interdite mais est peu usuelle.
Système international
Le Système international d'unités (abrégé en SI) est la forme moderne et révisée du système métrique. C'est le système d'unités le plus répandu dans le monde, à la fois dans la vie courante et dans les domaines scientifiques. Le SI a été développé dans les années 1960 à partir du système MKS (mètre-kilogramme-seconde) préférentiellement au système CGS (centimètre-gramme-seconde), qui possède de multiples variantes. Le SI introduit dès ses débuts de nombreuses et nouvelles unités ne faisant pas partie initialement du système métrique.
Il y a deux types d'unités SI, les unités de base et les unités secondaires. Les unités de base sont les mesures correspondant au temps, à la longueur, à la masse, à la température, à la quantité (d'objets), au courant électrique, et l'intensité lumineuse. Les unités secondaires sont construites sur les unités de base ; par exemple la masse volumique qui s'exprime en .
Pour faciliter la communication verbale, le système international prévoit des préfixes en alternative à l'énoncé de grands nombres ou de la notation scientifique.
Les grandeurs de base La physique relie entre eux par des relations mathématiques les mesurandes, de sorte qu'on peut toujours les ramener, par l'analyse dimensionnelle, à un petit nombre de grandeurs de base. + Grandeurs de base et dimensions du SI Grandeur de base Symbole de ladimension Longueur Masse Temps ou durée Intensité électrique Température thermodynamique Quantité de matière Intensité lumineuse
Longueur
Les longueurs mesurées s'expriment dans le système international en mètres (symbole : m). Dans la vie courante, et selon les cas, on fait régulièrement usage des multiples courants que sont le kilomètre, le centimètre et le millimètre : les mesures de superficies sont « homogènes » à des longueurs au carré (L), ce que l'on retrouve facilement dans l'expression des unités secondaires : kilomètre carré, mètre carré mais pas pour are () ou hectare (). les mesures de volume sont « homogènes » à des longueurs au cube (L). L'unité de base « dérivée » est donc le mètre cube. Cependant, on utilise de manière usuelle le litre qui est égal à un décimètre cube.
Masse