МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ВОСТОЧНО-СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «Метрология, стандартизация и сертификация

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИЗМЕРЕНИЙ

Курс лекций «Универсальные физические постоянные»

Составитель: Жаргалов Б.С.

Улан-Удэ, 2002 г.

Курс лекций «Универсальные физические постоянные» предназначен для студентов направления «Метрология, стандартизация и сертификация» при изучении дисциплины «Физические основы измерений». В работе дан краткий обзор об истории открытий физических постоянных крупнейшими физиками мира, которые в последующем легли в основу международной системы единиц физических величин.

Введение Гравитационная постоянная

Постоянная Авогадро и Больцмана Постоянная Фарадея Заряд и масса электрона Скорость света

Постоянные Планка Ридберга Масса покоя протона и нейтрона Заключение Список использованной литературы

Введение

Универсальные физические постоянные – это величины, входящие в качестве количественных коэффициентов в математические выражения фундаментальных физических законов или являющиеся характеристиками микрообъектов.

Не следует воспринимать таблицу универсальных физических постоянных как нечто уже завершенное. Развитие физики продолжается, и этот процесс будет неизбежно сопровождаться появлением новых констант, о которых сегодня мы и не догадываемся.

Таблица 1

Универсальные физические постоянные

Наименование				Числовое значение
Гравитационная				6,6720*10-11 Н*м2 *кг-2
постоянная
Постоянная Авогадро				6,022045*1022 моль-1
Постоянная Больцмана				1,380662*10-23 Дж* К-1
Постоянная Фарадея				9,648456*104 Кл*моль-1
Заряд электрона				1,6021892*10-19 Кл
Масса покоя электрона				9,109534*10-31 кг
Скорость				2,99792458*108 м*с-2
Постоянная Планка				6,626176*10-34 *Дж*с
Постоянная Ридберга			R∞	1,0973731*10-7 *м--1
Масса покоя протона				1,6726485*10-27 кг
Масса покоя нейтрона				1,6749543*10-27 кг

Рассматривая таблицу, можно заметить, что значения констант измерены с большой точностью. Однако возможно более точное знание величины той или иной константы оказывается принципиально важным для науки, поскольку это часто является критерием справедливости одной физической теории или ошибочности, другой. Надежно измеренные экспериментальные данные являются фундаментом для построения новых теорий.

Точность измерения физических констант представляет собой точность наших знаний о свойствах окружающего мира. Она дает возможность сравнивать выводы основных законов физики и химии.

Гравитационная постоянная

О причинах, вызывающих притяжение тел друг к другу, размышляли еще в глубокой древности. Один из мыслителей древнего мира – Аристотель (384-322 гг. до н.э.) делил все тела на тяжелые и легкие. Тяжелые тела – каменьпадают вниз, стремясь достичь введенного Аристотелем некоего «центра мира», легкие тела – дым от костра – улетают вверх. «Центром мира» согласно учению другого древнегреческого философа – Птолемея являлась Земля, все же остальные небесные тела вращались вокруг нее. Авторитет Аристотеля был настолько велик, что вплоть до ХV в. его взгляды не подвергались сомнению.

Первым подверг критике предположение о «Центре мира» Леонардо да Винчи (14521519) .Несостоятельность взглядов Аристотеля показали опыт первого в истории физики

ученого-экспериментатора Г.Галилея (1564-1642). Он сбросил с вершины знаменитой Пизанской башни чугунное ядро и деревянный шар. Различные по массе предметы упали на Землю в одно и то же время. Простота экспериментов Галилея не умаляет их значения, поскольку это были первые, надежно установленные путем измерений экспериментальные факты.

Все тела падают на Землю с одинаковым ускорением – вот основной вывод из опытов Галилея. Он же измерил и значение ускорение свободного падения, которое с учетом

солнечной системы вращаются вокруг Солнца. Однако Коперник не смог указать причины, под действием которых происходит это вращение. Законы движения планет были выведены в окончательном виде немецким астрономом И.Кеплером (1571-1630). Кеплер все же не понял, что сила тяготения определяет движение планет. Англичанин Р.Кук в 1674 г

Показал, что движение планет по эллиптическим орбитам согласуется с предположением о том, что все они притягиваются Солнцем.

Исаак Ньютон (1642-1727) в 23 –летнем возрасте пришел к выводу, что движение планет происходит под действием радиальной силы притяжения, направленной к солнцу и по модулю обратно пропорциональной квадрату расстояния между Солнцем и планетой.

Но это предположение необходимо было проверить Ньютон, предположив, что такая же по происхождению сила тяготения удерживает около Земли ее спутник – Луну, выполнил несложный расчет. Он исходил из следующего, Луна движется вокруг Солнца по орбите, которую в первом приближении можно считать круговой. Ее центростремительное ускорение а , можно рассчитать по формуле

a =rω 2

где r -расстояние от Земли до Луны,а ω - угловое ускорение Луны. Величина r равна шестидесяти земным радиусам (R3 =6370 км). Ускорение ω рассчитывается из периода обращение Луны вокруг Земли, который равен 27,3 сут: ω =2π рад/27,3 сут

Тогда ускорение а равно:

a =r ω 2 =60*6370*105 *(2*3,14/27,3*86400)2 см/с2 =0,27 см/с2

Но если справедливо то, что силы тяготения убывают обратно пропорционально квадрату расстояния, то ускорения свободного падения g л на Луне должно быть:

g л =go /(60)2 =980/3600cм/с2 =0,27 см/с3

В результате расчетов получено равенство

а =g л,

т.е. сила, удерживающая Луну на орбите, есть не что иное как сила притяжения Луны Землей. Это же равенство показывает справедливость предположений Ньютона о характере изменения силы с расстоянием. Все это дало основание Ньютону записать закон тяготения в

окончательном математическом виде:

F=G (M1 M2 /r2 )

где F–сила взаимного притяжения, действующая между двумя массами М1 и М2 удаленными друг от друга на расстояние r .

Коэффициент G входящий в закон всемирного тяготения, пока еще таинственная гравитационная постоянная. О ней ничего неизвестно - ни ее значение, ни зависимость от свойств притягивающихся тел.

Поскольку этот закон был сформулирован Ньютоном одновременно с законами движения тел (законами динамики), ученые получили возможность теоретически рассчитывать орбиты планет.

В 1682 г. английский астроном Э.Галлей по формулам Ньютона вычислил время вторичного прихода к Солнцу наблюдавшейся в то время на небе яркой кометы. Комета вернулась строго в расчетное время, подтверждая истинность теории.

Значение закона тяготения Ньютона в полной мере проявилось в истории открытия новой планеты.

В1846 г. расчеты положения этой новой планеты провел французский астроном У.Леверье. После того как он сообщил ее небесные координаты немецкому астроному И.Галле, неизвестная планета, названная в последствии Нептун, была обнаружена точно в расчетном месте.

Несмотря на очевидные успехи, теория тяготения Ньютона еще долгое время не была признана окончательно. Было известно значение постоянной тяготения G в формуле закона.

Не зная значения гравитационной постоянной G, нельзя рассчитать F. Однако нам известно ускорение свободного падения тел: go = 9.8 м/с2 ,что позволяет теоретически оценить значение гравитационной постоянной G. В самом деле, сила под действием которой шар падает на Землю, есть сила притяжения шара Землей:

F1 =G(M111 M 3 /R3 2 )

По второму закону динамики эта сила сообщит телу ускорение свободного падения:

g 0=F/M 111 =G M 3/R 32

Зная значениe массы Земли и ее радиуса, можно рассчитать значение гравитационной

постоянной:

G=g0 R3 2 / M 3= 9.8*(6370*103 )2 /6*1024 м3 /с2 кг=6,6*10-11 м3 /с2 кг

В 1798 г. английский физик Г.Кавендиш обнаружил притяжение между небольшими телами в земных условиях. Два маленьких свинцовых шарика массами по 730 г. подвешивали на концах коромысла. Затем к этим шарикам подводили два больших свинцовых шара массами по 158 кг. В этих экспериментах Кавендиш впервые наблюдал притяжение тел друг другу. Он же экспериментально определил значение гравитационной

постоянной:

G=(6,6 + 0,041)*10-11 м3 /(с2 кг)

Опыты Кавендиша имеют громадное значение для физики. Во-первых, было измерено значение гравитационной постоянной, а во-вторых, эти опыты доказали всеобщность закона тяготения.

Постоянные Авогадро и Больцмана

Как устроен мир, размышляли еще в глубокой древности. Сторонники одной точки зрения полагали, что имеется некий первичный элемент, из которого состоят все вещества. Таким элементом, по мнению древнегреческого философа Геосида, явилась Земля, Фалес предполагал в качестве первичного элемента воду, Анаксименвоздух, Гераклит – огонь, Эмпедокл допускал одновременное существование всех четырех первичных элементов. Платон считал, что при определенных условиях один первичный элемент может переходить в другой.

Существовала и принципиально другая точка зрения. Левкипп, Демокрит и Эпикур представляли вещество состоящим из маленьких неделимых и непроницаемых частиц, отличающихся друг от друга размером и формой. Эти частицы они назвали атомами (от греч. «атомос» – неделимый). Взгляд на строение вещества не был подкреплен экспериментально, а может считаться интуитивной догадкой древних ученых.

Впервые корпускулярную теорию строения вещества, в которой строение материи объяснялось с атомистических позиций, создал английский ученый Р.Бойль (1627-1691).

Французский ученый А.Лавуазье (1743-1794) дал первую в истории науки классификацию химических элементов.

Корпускулярная теория получила дальнейшее развитие в трудах выдающегося английского ученого-химика Дж.Дальтона (1776-1844). В 1803г. Дальтон открыл закон простых кратных отношений, согласно котором различные элементы могут соединиться друг с другом в соотношениях 1:1,1:2 и т.п.

Парадоксом истории науки является абсолютное непризнание Дальтоном открытого в 1808 г. французским ученым Ж.Гей-Люсаком закона простых объемных отношений. Согласно этому закону объемы как участвующих в реакции газов, так и газообразных продуктов реакции находятся в простых кратных соотношениях. Например, соединения 2 л водорода и 1л кислорода дает 2 л. водяных паров. Это противоречило теории Дальтона отвергал закон Гей-люсака как не соответствующий его атомной теории.

Выход из этого кризисного положения был указан Амедео Авогадро. Он нашел возможность объединить атомистическую теорию Дальтона с законом Гей-Люсака. Гипотеза состоит в том, что число молекул всегда одно и то же в одинаковых объемах любых газов или всегда пропорционально объемам. Авогадро тем самым впервые вводит в науку понятие молекулы как соединение атомов. Это объясняло результаты Гей-Люсака: 2 л молекул водорода в соединении с 1 л молекул кислорода дают 2л молекул водяных паров:

2Н2 +О2 =2Н2 О

Исключительную важность гипотеза Авогадро приобретает в связи с тем, что из нее вытекает существование постоянного числа молекул в моле любого вещества. В самом деле если обозначить молярную массу (массу вещества, взятого в количестве одного моля) через М,а относительную молекулярную массу через т , то очевидно, что

M=NA m

где NA -число молекул в моле. Оно одинаково для всех веществ:

NA =М/m

Используя это, можно получить еще один важный результат. Гипотеза Авогадро гласит, что одинаковое число молекул газа всегда занимает одинаковый объем. Следовательно, объем Vo , который занимает моль любого газа при нормальных условиях (температура 0Co и давление 1.013*105 Па), является постоянной величиной. Этот молярный

объем был вскоре изменен экспериментально и оказался равным: Vo =22,41*10-3 м3

Одной из первоочередных задач физики стало определение числа молекул в моле любого вещества NA , получившего в дальнейшем постоянная Авогадро.

Австрийский ученый Людвиг Больцман (1844-1906), выдающийся физик-теоретик, автор многочисленных фундаментальных исследований в различных областях физики, он горячо отстаивал анатомическую гипотезу.

Больцман впервые рассмотрел важный вопрос о распределении тепловой энергии по различным степеням свободы частиц газа. Он строго показал, что средняя кинематическая энергия частиц газа Е пропорциональна абсолютной температуре Т:

Е Т Коэффициент пропорциональности можно найти пользуясь основным уравнением

молекулярнокинематической теории:

р =2/3 пЕ

Где п – концентрация молекул газа. Умножив обе части этого равенства на молекулярный объем Vo. Поскольку п Vo есть число молекул в моле газа, получим:

р Vо == 2/3 NA Е

С другой стороны, уравнение состояния идеального газа определяет произведение р

Vо как

р Vо =RT

Следовательно, 2/3 NA Е = RT

Или E=3 RТ/2NA

Отношение R/NА является постоянной величиной, одинаковой для всех для всех веществ. Эта новая универсальная физическая постоянная получила, по предложению М.

Планка, название постоянной Больцмана k

k= R/NA.

Заслуги Больцмана в создании молекулярно-кинетической теории газов получили тем самым должное признание.

Численное значение постоянной Больцмана равно: k= R/NA =8,31Дж моль/6,023*1023 К моль=1,38*10-16 Дж/К.

Постоянная Больцмана как бы связывает характеристики микромира (средняя кинетическая энергия частиц Е) и характеристики макромира (давление газа и его температуру).

Постоянная Фарадея

Изучение явлений, так или иначе связанных с электроном и его движением, позволили с единых позиций объяснить самые разнообразные физические явления: электричества и магнетизм, свет и электромагнитные колебания. Строение атома и физику элементарных частиц.

Еще за 600 лет до н.э. Фалес Милетский обнаружил притяжение легких тел (пушинки. кусочки бумаги) натертым янтарем (янтарь в переводе с древнегреческого означает электрон).

Работы, в которых качественно описываются те или иные электрические явления. появились вначале очень скупо. В 1729 г. С.Грей установил разделение тел на проводники электрического тока и изоляторы. Француз Ш.Дюфэ обнаружил, что сургуч, натертый мехом, также электризуется, но противоположно электризации стеклянной палочки.

Первая работа, в которой была предпринята попытка теоретически объяснить электрические явления, была написана американским физиком В.Франклином в 1747 г. Для объяснения электризации он предложил существование некой «электрической жидкости» (флюида), которая входит в качестве составной части во всякую материю. Наличие двух видов электричества он связывал с существованием двух типов жидкостей-«положительной» и «отрицательной». Обнаружив. что при трении друг о друга стекло и шелк электризуются поразному.

Именно Франклин первым высказал предположение об атомарной, зернистой природе электричества «Электрическая материя состоит из частичек, которые должны быть чрезвычайно мелкими».

Основными понятиями в науке об электричестве удалось сформулировать лишь после того, как появились первые количественные исследования. Измеряя силу взаимодействия электрических зарядов, французский ученый Ш.Кулон в 1785 г. установил закон

взаимодействия электрических зарядов:

F= k q1 q2 /r2

где q1 и q 2 – электрические заряды, r-расстояние между ними,

F – сила взаимодействия между зарядами, k- коэффициент пропорциональности. Трудности с использованием электрических явлений во многом были вызваны тем, что в распоряжении ученых не было удобного источника электрического тока. Такой

источник в 1800 г. изобрел итальянский ученый А.Вольта – это был столб из цинковых и серебряных кружочков, разделенных смоченной в подсоленной воде бумагой. Начались интенсивные исследования прохождения тока через различные вещества.

электролизом, оно содержало в себе первые указания на то. что материя и электричество связано друг с другом. Важнейшие количественные исследования в области электролиза выполнил величайший английский физик М.Фарадей (1791-1867). Он установил, что масса вещества, выделившегося на электроде при прохождении электрического тока, пропорциональна силе тока и времени (закон электролиза Фарадея).Исходя из этого, он показал, что для выделения на электродах массы вещества, численно равной М/п (М- молярная масса вещества, п - его валентность), нужно пропустить через электролит строго определенный заряд F. Таким образом в физике появилась еще одна важнейшая универсальная F, равная как показали измерения, F=96 484,5 Кл/моль.

Впоследствии постоянная F была названа числом Фарадея. Анализ явления электролиза привел Фарадея к мысли, что носителем электрических сил являются не какиелибо электрические жидкости, а атомы-частицы материи. “Атомы материи каким-то образом одарены электрическими силами”, - утверждает он.

Фарадей впервые обнаружил влияние среды на взаимодействие электрических зарядов и уточнил вид закона Кулона:

F= q1 q2/ ε r2

Здесь-ε - характеристика среды, так называемое диэлектрическая постоянная. На основании этих исследований Фарадей отверг действие электрических зарядов на расстоянии (без промежуточной среды)и ввел в физику совершенно новое и важнейшее представление о том, что носителем и передатчиком электрического влияния является электрическое поле!

Заряд и масса электрона

Эксперименты по определению постоянной Авогадро заставили физиков думать о том, не слишком ли большое значение придается характеристикам электрического поля. Не существует ли более конкретный, более материальный носитель электричества? Впервые эту мысль четко в 1881г. выразил Г.Гельмольц: «Если мы допускаем существование химических атомов, то мы принуждены заключить отсюда далее, что также и электричество, как положительное, так и отрицательное, разделяется на определенные элементарные количества, которые играют роль атомов электричества».

Расчет этого «определенного элементарного количества электричества» выполнил ирландский физик Дж.Стоней (1826-1911). Он предельно прост. Если для выделения одного моля одновалентного элемента при электролизе требуется заряд, равный 96484,5 Кл, а в одном моле содержится 6*1023 атомов, то очевидно, что разделив число Фарадея F на число Авогадро NA , мы получаем количество электричества, необходимое для выделения одного

атома вещества. Обозначим эту минимальную порцию электричества через е :

Е = F/ NA =1,6*10-18 Кл.

В 1891 г. Стоней предложил назвать эту минимальную порцию электричества электроном. Вскоре это было принято всеми.

Универсальные физические постоянные F и NA - в соединении с интеллектуальными усилиями ученых вызвали к жизни еще одну постоянную – заряд электрона е.

Факт существования электрона как самостоятельной физической частицы был установлен в исследованиях при изучении явлений, связанных с прохождением электрического тока через газы. И опять мы обязаны воздать должное проницательности Фарадея, впервые начавшего эти исследования в 1838 г. Именно эти исследования привели к открытию так называемых катодных лучей и в конечном счете к открытию электрона.

Для того чтобы убедиться в том, что катодные лучи действительно представляют собой поток отрицательно заряженных частиц, необходимо было в прямых экспериментах определить массу этих частиц и их заряд. Эти эксперименты 1897г. осуществил английский физик Дж. Дж. Томсон. Одновременно он использовал отклонение катодных лучей в электрическом поле конденсатора и в магнитном поле. Как показывают расчеты, угол

отклонения лучей θ в электрическом поле напряженностью δ равен:

θ = еδ / т* l/v2 ,

где е - заряд частицы, т - ее масса, l- длина конденсатора,

v – скорость частицы (она известна).

При отклонении лучей в магнитном поле В угол отклонения α равен:

α = еВ/т * l/v

При θ ≈ α (что достигалось в опытах Томсона) можно было определить v, а затем рассчитать и отношение е / т является константой, не зависящей от природы газа. Томсон

первый четко сформулировал мысль о существовании новой элементарной частицы вещества, поэтому он по праву считается открывателем электрона.

Честь прямого измерения заряда электрона и доказательства того, что этот заряд действительно является мельчайшей неделимой порцией электричества, принадлежит замечательному американскому физику Р.Э.Милликену. В пространство между пластинками конденсатора через верхнее окошко впрыскивались капли масла из пульверизатора. Теория и эксперимент показали, что при медленном падении капли сопротивление воздуха приводит к тому, что скорость ее становится постоянной. Если напряженность поля ε между пластинами равна нулю, то скорость капли v 1 равна:

v1 = f P

где P -вес капли,

f- коэффициент пропорциональности.

При наличии электрического поля скорость капли v 2 определяется выражением:

v2 = f (q ε - P),

где q - заряд капли. (Предполагается, что сила тяжести и электрическая сила направлены противоположно друг другу.) Из этих выражений следует, что

q= P/ε v1 * (v1 + v2 ).

Для измерения заряда капель Милликен использовал открытые в 1895 г

ионизировать воздух. Ионы воздуха захватываются каплями, в результате чего изменяется заряд капель. Если обозначить заряд капли после захвата иона через q ! , а ее скорость через v 2 1 , то изменение заряд дельта q = q ! - q

дельта q== P/ε v1 *(v1 - v2 ).,

величина P/ ε v 1 для данной капли является постоянной. Таким образом, изменение заряда капли оказывается сведенным к измерению пути, пройденного каплей масла, и времени, за которое был пройден этот путь. Но время и путь можно было легко и достаточно точно определить на опыте.

Многочисленные измерения Милликена показали, что всегда, независимо от размеров капли, изменение заряда является целым кратным от некоторого наименьшего заряда е:

дельта q=пе, где п- целое число. Таким образом, в опытах Милликена было установлено существование минимального количества электричества е . Опыты убедительно доказали атомистическую структуру электричества.

Эксперименты м расчеты позволили определить значение заряда е Е=1.6*10-19 Кл.

Реальность существования минимальной порции электричества была доказана, сам Милликен за эти реакции в 1923г. был удостоен Нобелевской премии.

Теперь, используя известное из опытов Томсона значение удельного заряда электрона е/т и е, можно вычислить и массу электрона т е .

Ее значение оказалось равным:

т е .=9,11*10-28 г.

Скорость света

Впервые метод прямого измерения скорости света предложил основоположник экспериментальной физики Галилей. Его идея была очень проста. Два наблюдателя с фонарями располагались на расстоянии нескольких километров друг от друга. Первый открывал заслонку на фонаре, посылая в направлении второго световой сигнал. Второй заметив свет фонаря, открывал заслонку своего и посылал сигнал в сторону первого наблюдателя. Первый наблюдатель измерял время t , прошедшее между открытием им

своего фонаря и временем, когда он заметил свет второго фонаря. Скорость света с, очевидно равна:

где S- расстояние между наблюдателями, t – измеренное время.

Однако первые опыты, предпринятые во Флоренции по этому методу, не дали однозначных результатов. Уж очень малым и трудным для измерения оказался промежуток времени t. Все же из опытов следовало, что скорость света конечна.

Честь первого измерения скорости света принадлежит датскому астроному О.Ремеру. Проводя в 1676г. наблюдения затмения спутника Юпитера, он заметил, что когда Земля находится на отдаленной от Юпитера точке своей орбиты, спутник Ио появляется из тени Юпитера на 22 мин позже. Объясняя это, Ремер писал: «Это время свет употребляет на прохождение места от моего первого наблюдения до теперешного положения». Разделив диаметр земной орбиты D на время запаздывания, можно было получить значение света с . Во времена Ремера, D было известно неточно, поэтому из его измерений следовало, что с ≈ 215000 км/с. В дальнейшем были уточнены как значение D , так и время запаздывания, поэтому теперь, пользуясь методом Ремера, мы получили бы с ≈ 300 000 км/с.

Спустя почти 200 лет после Ремера скорость света была впервые измерена в земных лабораториях. Это сделал в 1849г. француз Л.Физо. Его метод в принципе не отличался от метода Галилея, только второй наблюдатель был заменен отражающим зеркалом, а вместо заслонки, открываемой рукой было применено быстро вращающееся зубчатое колесо.

Одно зеркало Физо расположил в Сюрен, в доме своего отца, другое - на Монмарте в Париже. Расстояние между зеркалами было равно L=8,66 км. Колесо имело 720 зубцов, свет достигал максимальной интенсивности при скорости вращения колеса, равно 25 об/с. Скорость света ученый определял по формуле Галилея:

Время t, очевидно, равно t =1/25*1/720 с=1/18000с и с=312 000 км/с

Все перечисленные измерения проведены в воздухе. Расчет скорости в пустоте производился по известному значению показателя преломления воздуха. Однако при измерениях на больших расстояниях могла возникнуть ошибка за счет неоднородности воздуха. Чтобы устранить эту ошибку, Майкельсон в 1932г. измерил скорость света методом вращающейся призмы,но при распространении света в трубе, из которой был выкачан воздух, и получил

с=299 774 ± 2 км/с

Развитие науки и техники позволило внести в старые методы некоторые улучшения и разработать принципиально новые. Так в 1928г. вращающееся зубчатое колесо заменяется безынерционным электрическим прерывателем света, при этом

С=299 788± 20 км/с

С развитием радиолокации возникли новые возможности для измерения скорости света. Аслаксон, используя этот метод в 1948 г. получил значение с=299 792 +1,4 км/с, а Эссен методом интерференции микроволн- с=299 792+3 км/с. В 1967г. выполняются измерения скорости света с гелий-неоновым лазером в качестве источника света

Постоянные Планка и Ридберга

В отличие от многих других универсальных физических постоянных постоянная Планка имеет точную дату своего рождения14 декабря 1900г. В этот день М.Планк в Немецком физическом обществе сделал доклад, где для объяснения излучательной способности абсолютно черного тела фигурировала новая для физиков величина h Исходя

из экспериментальных данных, Планк вычислил ее значение: h= 6,62*10-34 Дж с.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru

МИНИСТРЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

«Восточно-Сибирский государственный университет технологий и управления»

Кафедра: ИПИБ

«Физические основы измерений и эталон»

Выполнила: ст-ка 3-го курса

Елисеева Ю.Г.

Проверил: Матуев А.А.

Введение

1. Физические основы измерений

2. Измерение. Основные понятия

3. Неопределенность и погрешность измерений

4. Основные принципы создания системы единиц, величин

5. Международная система единиц, Си

6. Реализация основных величин системы (Си)

7. Метрологические характеристики СИ

8. Принципы, методы и методики измерений

Заключение

Биографический список

Введение

Технический прогресс, современное развитие промышленности, энергетики и других отраслей невозможны без совершенствования традиционных и создания новых методов и средств измерений (СИ). В рабочую программу «Физические измерения и эталоны» включено рассмотрение фундаментальных физических понятий, явлений и закономерностей, используемых в метрологии и измерительной технике. С развитием науки, техники и новых технологий измерения охватывают новые физические величины (ФВ), существенно расширяются диапазоны измерений в сторону измерения, как сверхмалых, так и очень больших значений ФВ. Непрерывно повышаются требования к точности измерений. Например, развитие нанотехнологий (бесконтактная притирка, электронная литография и др.) позволяет получить размеры деталей с точностью до нескольких нанометров, что предъявляет соответствующие требования к качеству измерительной информации. Качество измерительной информации определяется нано-уровнем метрологического обеспечения технологических процессов, давшим толчок к созданию нанометрии, т.е. метрологии в области нанотехнологий. В соответствии с основным уравнением измерения измерительная процедура сводится к сравнению неизвестного размера с известным, в качестве которого выступает размер соответствующей единицы Международной системы единиц. Для того чтобы перевести узаконенные единицы в русло практического применения в различных областях, они должны быть реализованы физически. Воспроизведение единицы представляет собой совокупность операции по её материализации с помощью эталона. Таковым может быть физическая мера, средство измерений, стандартный образец или измерительная система. Эталон, обеспечивающий воспроизведение единицы с наивысшей в стране (по сравнению с другими эталонами той же единицы) точностью, называется первичным эталоном. Размер единицы передается «сверху вниз», от более точных СИ к менее точным «по цепочке»: первичный эталон - вторичный эталон - рабочий эталон 0-го разряда… - рабочее средство измерений (РСИ). Соподчинение СИ, участвующих в передаче размера единицы эталона к РСИ, устанавливается в поверочных схемах СИ. Эталоны и опорные результаты измерений в области физических измерений обеспечивают установленные реперы, к которым аналитические лаборатории могут привязывать результаты своих измерений. Прослеживаемость результатов измерений к международно принятым и установленным опорным значениям (реперам) вместе с установленными неопределенностями результатов измерений, описанные в Международном документе ИСО/МЭК 17025, формируют основу для сличений и признания результатов на международном уровне. В этом реферате "Физические основы измерений", который предназначен для студентов 1-3 курсов инженерных специальностей (направление "Машиностроительные технологии и оборудование"), акцентируется внимание на то, что в основе любых измерений (физических, технических и т.д.) лежат физические законы, понятия и определения. Технические и естественные процессы определяются количественными данными, характеризующими свойства и состояния предметов и тел. Для получения таких данных возникла необходимость в развитии методов измерения и системе единиц. Усложняющиеся взаимосвязи в технологиях и хозяйственной деятельности привели к необходимости введения единой системы единиц измерения. Это проявилось в законодательных введениях новых единиц для измеряемых величин или отмене старых единиц (на- пример, замена единицы измерения мощности одна лошадиная сила на ватт или киловатт). Как правило, новые определения единиц вводятся после того, как в естественных науках указан способ достижения повышенной точности определения единиц и калибровки с их помощью масштабов, часов и всего другого, что находит затем применение в технике и повседневной жизни. Ещё Леонард Эйлер (математик и физик) дал приемлемое и для наших дней определение физической величины. В своей «Алгебре» он писал: "Прежде всего, называется величиной всё то, что способно увеличиваться или уменьшаться, или то, к чему можно нечто прибавить или от чего можно нечто отнять. Однако невозможно определить или измерить одну величину иначе, как, приняв в качестве известной другую величину этого же рода и указав отношение, в котором она находится к ней. При измерении величин всякого рода мы приходим, следовательно, к тому, что, прежде всего, устанавливается некоторая известная величина того же рода, именуемая единицей измерения и зависящая исключительно от нашего произвола. Затем определяется, в каком отношении находится данная вели- чина к этой мере, что всегда выражается через числа, так что число является не чем иным, как отношением, в котором одна величина 10 находится к другой, принятой за единицу". Таким образом, измерить какую-либо физическую (техническую и другую) величину это означает, что данную величину необходимо сравнить с другой однородной физической величиной, принятой за единицу измерения (с эталоном). Количество (число) физических величин с течением времени изменяется. Можно привести большое число определений величин и соответствующих конкретных единиц, причём это множество постоянно растёт ввиду роста потребностей общества. Так, например, с развитием теории электричества, магнетизма, атомной и ядерной физики введены величины, характерные для этих разделов физики. Иногда в отношении измеряемой величины сначала несколько изменяют постановку вопроса. Например, нельзя сказать: это «голубое», а то «наполовину голубое», ибо невозможно указать единицу, с которой можно было бы сравнивать оба оттенка цвета. Однако вместо этого можно задаться вопросом о спектральной плотности излучения в диапазоне длин волн л от 400 до 500 нм (1 нанометр=10-7 см =10-9 м) и обнаружить, что новая постановка вопроса допускает введение определения, которое соответствует не «наполовину голубое», а понятию «в два раза меньшей интенсивности». Понятия величины и единицы их измерения меняются с течением времени и в понятийном аспекте. Примером может служить радиоактивность вещества. Введённая первоначально единица измерения радиоактивности 1 кюри, связанная с именем Кюри, допускавшаяся к применению до 1980 г, обозначается как 1 Ки, сводится к количеству вещества, измеряемому в граммах. В настоящее время под активностью радиоактивного вещества A подразумевается число распадов в секунду и измеряется в беккерелях. В системе СИ активность радиоактивного вещества это 1 Бк = 2,7?10-11 Ки. Размерность [А] = беккерель = с -1. Хотя физический эффект поддаётся определению и для него можно установить единицу, однако количественная характеристика воздействия оказывается очень затруднительной. Например, если быстрая частица (скажем, альфа-частица, возникшая при радиоактивном распаде вещества) отдаёт всю свою кинетическую энергию при торможении в живой ткани, то этот процесс можно описать, ис- пользуя понятие дозы облучения, т. е. потери энергии на единицу 11 массы. Однако до сих пор учёт биологического воздействия такой частицы является предметом дискуссии. Эмоциональные понятия до настоящего времени не поддаются количественному учёту, не удаётся определить соответствующих им единиц. Больной не может количественно выразить степень своего недомогания. Однако большую помощь врачу при установлении диагноза могут оказать измерения температуры и частоты пульса, а также лабораторные анализы, характеризуемые количественными данными. Одной из целей эксперимента является поиск таких параметров, описывающих физические явления, которые можно измерить, получив численные значения. Между этими измеренными значениями уже можно установить определённую функциональную зависимость. Комплексное экспериментальное исследование физических свойств различных объектов обычно проводится с использованием результатов измерений целого ряда основных и производных величин. В этом отношении весьма характерным является пример акустических измерений, который включен в настоящее пособие в виде раздела. эталон физический измерение погрешность формула

1. Физические основы измерений

Физическая величина и её числовое значение

Физическими величинами называют свойства (характеристики) материальных объектов и процессов (предметов, состояний), которые можно прямо или косвенно измерить. Законы, связывающие между собой эти величины, имеют вид математических уравнений. Каждая физическая величина G представляет собой произведение численного значения на единицу измерения:

Физическая величина = Численное значение Ч Единица измерения.

Число, которое при этом, получается, называют численным значением физической величины. Таким образом, выражение t = 5 с (1.1.) означает, что измеренное время составляет пятикратное повторение секунды. Однако для характеристики физической величины только одного численного значения недостаточно. Поэтому никогда нельзя опускать соответствующую единицу измерения. Все физические величины делятся на основные и производные величины. В качестве основных величин используются: длина, время, масса, температура, сила тока, количество вещества, сила света. Производные величины получают с помощью основных величин либо используя выражения для законов природы, либо путем целесообразного определения через умножение или деление основных величин.

Например,

Скорость = Путь/Время; t S v = ; (1.2)

Заряд = Сила тока Ч Время; q = I ? t . (1.3)

Для представления физических величин, особенно в формулах, таблицах или на графиках, используются специальные символы - обозначения величин. В соответствии с международными соглашениями введены соответствующие стандарты на обозначения физических и технических величин. Принято набирать обозначения физических величин курсивом. Курсивом обозначаются и индексы, если они представляют собой обозначения, т.е. символы физических величин, а не сокращения.

Квадратные скобки , содержащие обозначение величины, означают единицу измерения величины, например, выражение [U] = В читается следующим образом: «Единица измерения напряжения равна вольту». Неправильно заключать в квадратные скобки единицу измерения (например, [В]). Фигурные скобки { }, содержащие обозначения величины, означают «численное значение величины», например выражение {U} = 220 читается следующим образом: «численное значение напряжения равно 220». Так как каждое значение величины представляет собой произведение численного значения на единицу измерения, для приведенного выше примера получается: U = {U}?[U] = 220 В. (1.4) Между численным значением и единицей измерения физической величины при написании необходимо оставлять интервал, например: I = 10 А. (1.5) Исключения составляют обозначения единиц: градусов (0), минут (") и секунд ("). Слишком большие или малые порядки численных значений (по отношению к 10) сокращённо выражаются с помощью введения новых разрядов единиц, называемых так же, как и старые, но с добавлением приставки. Так образуются новые единицы, например 1 мм 3 = 1?10-3 м. Сама физическая величина при этом не изменяется, т.е. при уменьшении единицы в F раз, её числовое значение увеличится, соответственно, в F раз. Такая инвариантность физической величины имеет место не только при изменении единицы десятикратно (в степени n раз), но и при прочих изменениях этой единицы. В табл. 1.1 приведены официально принятые сокращения названий единиц. 14 Приставки к единицам системы СИ Таблица 1.1 Обозначение Приставка Латинское Русское Логарифм степени десяти Приставка Латинское Русское Логарифм степени десяти Тера T Т 12 санти c с -2 Гига G Г 9 милли m м -3 Мега M М 6 микро м мк -6 кило k к 3 нано n н -9 гекто h г 2 пико p п -12 дека da да 1 фемто f ф -15 деци d д -1 атто.

2. Измерение. Основные понятия

Понятие измерения

Измерение является одной из самых древнейших операций в процессе познания человеком окружающего материального мира. Вся история цивилизации представляет собой непрерывный процесс становления и развития измерений, совершенствования средств методов и измерений, повышения их точности и единообразия мер.

В процессе своего развития человечество прошло путь от измерений на основе органов чувств и частей человеческого тела до научных основ измерений и использования для этих целей сложнейших физических процессов и технических устройств. В настоящее время измерениями охватываются все физические свойства материи практически независимо от диапазона изменения этих свойств.

С развитием человечества измерения приобретали все большее значение в экономике, науке, технике, в производственной деятельности. Многие науки стали называться точными благодаря тому, что они могут устанавливать с помощью измерений количественные соотношения между явлениями природы. По существу, весь прогресс науки и техники неразрывно связан с возрастанием роли и совершенствованием искусства измерений. Д.И. Менделеев говорил, что «наука начинается с тех пор, как начинают измерять. Точная наука немыслима без меры».

Не меньшее значение имеют измерения в технике, производственной деятельности, при учете материальных ценностей, при обеспечении безопасных условий труда и здоровья человека, в сохранении окружающей среды. Современный научно-технический прогресс невозможен без широкого использования средств измерений и проведения многочисленных измерений.

В нашей стране проводится более десятки миллиардов измерений в день, свыше 4 млн. человек считают измерение своей профессией. Доля затрат на измерения составляет (10-15) % всех затрат общественного труда, достигая в электронике и точном машиностроении (50-70) %. В стране используется около миллиарда средств измерений. При создании современных электронных систем (ЭВМ, интегральных схем и т. п.) до (60-80) % затрат приходится на измерения параметров материалов, компонентов и готовых изделий.

Все это говорит о том, что невозможно переоценить роль измерений в жизни современного общества.

Хотя человек проводит измерения с незапамятных времен и интуитивно этот термин представляется понятным, точно и правильно определить его не просто. Об этом говорит, например, дискуссия по вопросам понятия и определения измерения, прошедшая не так давно на страницах журнала «Измерительная техника». В качестве примера ниже приводятся различные определения понятия «измерение», взятые из литературы и нормативных документов разных лет.

Измерением называется познавательный процесс, заключаю-щийся в сравнении путем физического эксперимента данной величины с некоторым ее значением, принятым за единицу сравнения (М.Ф. Маликов, Основы метрологии, 1949 г.).

Нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств (ГОСТ 16263-70 по терминам и определениям метрологии, ныне не действующий).

Совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой величины (Рекомендации по межгосударственной стандартизации РМГ 29-99 Метрология. Основные термины и определения, 1999 г).

Совокупность операций, имеющих целью определить значение величины (Международный словарь по терминам в метрологии, 1994 г.).

Измерение -- совокупность операций для определения отношения одной (измеряемой) величины к другой однородной величине, принятой за единицу, хранящуюся в техническом средстве (средстве измерений). Получившееся значение называется числовым значением измеряемой величины, числовое значение совместно с обозначением используемой единицы называется значением физической величины. Измерение физической величины опытным путём проводится с помощью различных средств измерений -- мер, измерительных приборов,измерительных преобразователей, систем, установок и т. д. Измерение физической величины включает в себя несколько этапов: 1) сравнение измеряемой величины с единицей; 2) преобразование в форму, удобную для использования (различные способы индикации).

· Принцип измерений -- физическое явление или эффект, положенный в основу измерений.

· Метод измерений -- приём или совокупность приёмов сравнения измеряемой физической величины с её единицей в соответствии с реализованным принципом измерений. Метод измерений обычно обусловлен устройством средств измерений.

Характеристикой точности измерения является его погрешность или неопределённость. Примеры измерений:

1. В простейшем случае, прикладывая линейку с делениями к какой-либо детали, по сути сравнивают её размер с единицей, хранимой линейкой, и, произведя отсчёт, получают значение величины (длины, высоты, толщины и других параметров детали).

2. С помощью измерительного прибора сравнивают размер величины, преобразованной в перемещение указателя, с единицей, хранимой шкалой этого прибора, и проводят отсчёт.

В тех случаях, когда невозможно выполнить измерение (не выделена величина как физическая, или не определена единица измерений этой величины) практикуется оценивание таких величин по условным шкалам, например, Шкала Рихтера интенсивности землетрясений, Шкала Мооса -- шкала твёрдости минералов.

Наука, предметом изучения которой являются все аспекты измерений, называется метрологией.

Классификация измерений

По видам измерений

Основная статья: Виды измерений

Согласно РМГ 29-99 «Метрология. Основные термины и определения» выделяют следующие виды измерений:

· Прямое измерение -- измерение, при котором искомое значение физической величины получают непосредственно.

· Косвенное измерение -- определение искомого значения физической величины на основании результатов прямых измерений других физических величин, функционально связанных с искомой величиной.

· Совместные измерения -- проводимые одновременно измерения двух или нескольких неодноимённых величин для определения зависимости между ними.

· Совокупные измерения -- проводимые одновременно измерения нескольких одноимённых величин, при которых искомые значения величин определяют путем решения системы уравнений, получаемых при измерениях этих величин в различных сочетаниях.

· Равноточные измерения -- ряд измерений какой-либо величины, выполненных одинаковыми по точности средствами измерений в одних и тех же условиях с одинаковой тщательностью.

· Неравноточные измерения -- ряд измерений какой-либо величины, выполненных различающимися по точности средствами измерений и (или) в разных условиях.

· Однократное измерение -- измерение, выполненное один раз.

· Многократное измерение -- измерение физической величины одного и того же размера, результат которого получен из нескольких следующих друг за другом измерений, то есть состоящее из ряда однократных измерений

· Статическое измерение -- измерение физической величины, принимаемой в соответствии с конкретной измерительной задачей за неизменную на протяжении времени измерения.

· Динамическое измерение -- измерение изменяющейся по размеру физической величины.

· Относительное измерение -- измерение отношения величины к одноименной величине, играющей роль единицы, или измерение изменения величины по отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную.

Также стоит отметить, что в различных источниках дополнительно выделяют такие виды измерений: метрологические и технические, необходимые и избыточные и др.

По методам измерений

Метод непосредственной оценки -- метод измерений, при котором значение величины определяют непосредственно по показывающему средству измерений.

· Метод сравнения с мерой -- метод измерений, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой.

· Нулевой метод измерений -- метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия измеряемой величины и меры на прибор сравнения доводят до нуля.

· Метод измерений замещением -- метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают мерой с известным значением величины.

· Метод измерений дополнением -- метод сравнения с мерой, в котором значение измеряемой величины дополняется мерой этой же величины с таким расчетом, чтобы на прибор сравнения воздействовала их сумма, равная заранее заданному значению.

· Дифференциальный метод измерений -- метод измерений, при котором измеряемая величина сравнивается с однородной величиной, имеющей известное значение, незначительно отличающееся от значения измеряемой величины, и при котором измеряется разность между этими двумя величинами.

По условиям, определяющим точность результата

· Метрологические измерения

· Измерения максимально возможной точности, достижимой при существующем уровне техники. В этот класс включены все высокоточные измерения и в первую очередь эталонные измерения, связанные с максимально возможной точностью воспроизведения установленных единиц физических величин. Сюда относятся также измерения физических констант, прежде всего универсальных, например измерение абсолютного значения ускорения свободного падения .

· Контрольно-поверочные измерения, погрешность которых с определенной вероятностью не должна превышать некоторого заданного значения. В этот класс включены измерения, выполняемые лабораториями государственного контроля (надзора) за соблюдением требований технических регламентов, а также состоянием измерительной техники и заводскими измерительными лабораториями. Эти измерения гарантируют погрешность результата с определенной вероятностью, не превышающей некоторого, заранее заданного значения .

· Технические измерения , в которых погрешность результата определяется характеристиками средств измерений. Примерами технических измерений являются измерения, выполняемые в процессе производства на промышленных предприятиях, в сфере услуг и др.

По отношению к изменению измеряемой величины

Динамическое и статическое.

По результатам измерений

· Абсолютное измерение -- измерение, основанное на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и (или) использовании значений физических констант.

· Относительное измерение -- измерение отношения величины к одноимённой величине, играющей роль единицы, или измерение изменения величины по отношению к одноимённой величине, принимаемой за исходную.

Классификация рядов измерений

По точности

· Равноточные измерения -- однотипные результаты, получаемые при измерениях одним и тем же инструментом или им подобным по точности прибором, одним и тем же (или аналогичным) методом и в тех же условиях.

· Неравноточные измерения -- измерения, произведённые в случае, когда нарушаются эти условия.

3. Неопределенность и погрешность измерений

Аналогично погрешностям, неопределенности измерений могут быть классифицированы по различным признакам.

По способу выражения их подразделяют на абсолютные и относительные.

Абсолютная неопределенность измерения -- неопределенность измерения, выраженная в единицах измеряемой величины.

Относительная неопределенность результата измерений -- отношение абсолютной неопределенности к результату измерений.

1. По источнику возникновения неопределенности измерений, подобно погрешностям, можно разделять на инструментальные, методические и субъективные.

2. По характеру проявления погрешности разделяют на систематические, случайные и грубые. В «Руководстве по выражению неопределенности измерения» отсутствует классификация неопределенностей по этому признаку. В самом начале этого документа указано, что перед статистической обработкой рядов измерений все известные систематические погрешности должны быть из них исключены. Поэтому деление неопределенностей на систематические и случайные не вводилось. Вместо него приведено деление неопределенностей по способу оценивания на два типа:

* неопределенность, оцениваемая по типу А (неопределенность типа А) -- неопределенность, которую оценивают статистическими методами,

* неопределенность, оцениваемая по типу Б (неопределенность типа Б) -- неопределенность, которую оценивают не статистическими методами.

Соответственно предлагается и два метода оценивания:

1. оценивание по типу А -- получение статистических оценок на основе результатов ряда измерений,

2. оценивание по типу Б -- получение оценок на основе априорной нестатистической информации.

На первый взгляд, кажется, что это нововведение заключается лишь в замене существующих терминов известных понятий другими. Действительно, статистическими методами можно оценить только случайную погрешность, и поэтому неопределенность типа А -- это то, что ранее называлось случайной погрешностью. Аналогично, НСП можно оценить только на основе априорной информации, и поэтому между неопределенностью по типу Б и НСП также имеется взаимно однозначное соответствие.

Однако, введение этих понятий является вполне разумным. Дело в том, что при измерениях по сложным методикам, включающим большое количество последовательно выполняемых операций, необходимо оценивать и учитывать большое количество источников неопределенности конечного результата. При этом их деление на НСП и случайные может оказаться ложно ориентирующим. Приведем два примера.

Пример 1. Существенную часть неопределенности аналитического измерения может составить неопределенность определения калибровочной зависимости прибора, являющаяся НСП в момент проведения измерений. Следовательно, ее необходимо оценивать на основе априорной информации нестатистическими методами. Однако во многих аналитических измерениях основным источником этой неопределенности является случайная погрешность взвешивания при приготовлении калибровочной смеси. Для повышения точности измерений можно применить многократное взвешивание этого стандартного образца и найти оценку погрешности этого взвешивания статистическими методами. Этот пример показывает, что в некоторых измерительных технологиях в целях повышения точности результата измерения ряд систематических составляющих неопределенности измерений может быть оценен статистическими методами, т. е. являться неопределенностями типа А.

Пример 2 . По ряду причин, например, в целях экономии производственных затрат, методика измерения предусматривает проведение не более трех однократных измерений одной величины. В этом случае результат измерений может определяться как среднее арифметическое, мода или медиана полученных значений, но статистические методы оценивания неопределенности при таком объеме выборки дадут очень грубую оценку. Более разумным представляется априорный расчет неопределенности измерения по нормируемым показателям точности СИ, т. е. ее оценка по типу Б. Следовательно, в этом примере, в отличие от предыдущего, неопределенность результата измерений, значительная часть которой обусловлена влиянием факторов случайного характера, является неопределенностью типа Б.

Вместе с тем, традиционное разделение погрешностей на систематические, НСП и случайные также не теряет своего значения, поскольку оно точнее отражает другие признаки: характер проявления в результате измерения и причинную связь с эффектами, являющимися источниками погрешностей.

Таким образом, классификации неопределенностей и погрешностей измерений не являются альтернативными и взаимно дополняют друг друга.
В Руководстве имеются и некоторые другие терминологические нововведения. Ниже приведена сводная таблица терминологических отличий концепции неопределенности от классической теории точности.

Термины -- примерные аналоги концепции неопределенности и классической теории точности

Классическая теория	Концепция неопределенности
Погрешность результата измерения	Неопределенность результата измерения
Случайная погрешность	Неопределенность, оцениваемая по тилу А
	Неопределенность, оцениваемая по типу Б
СКО (стандартное отклонение) погрешности результата измерения	Стандартная неопределенность результата измерения
Доверительные границы результата измерения	Расширенная неопределенность результата измерения
Доверительная вероятность	Вероятность охвата (покрытия)
Квантиль (коэффициент) распределения погрешности	Коэффициент охвата (покрытия)

Новые термины, указанные в этой таблице, имеют следующие определения.

1. Стандартная неопределенность -- неопределенность, выраженная в виде стандартного отклонения.

2. Расширенная неопределенность -- величина, задающая интервал вокруг результата измерения, в пределах которого, как ожидается, находится большая часть распределения значений, которые с достаточным основанием могут быть приписаны измеряемой величине.

Примечания.

1. Каждому значению расширенной неопределенности сопоставляется значение ее вероятности охвата Р.

2. Аналогом расширенной неопределенности являются доверительные границы погрешности измерений.

3. Вероятность охвата -- вероятность, которой, по мнению экспериментатора, соответствует расширенная неопределенность результата измерений.

Примечания.

1. Аналогом этого термина является доверительная вероятность, соответствующая доверительным границам погрешности.

2. Вероятность охвата выбирается с учетом информации о виде за-кона распределения неопределенности.

4. Основы построение систем единиц физических величин

Системы единиц физических величин

Основной принцип построения системы единиц - удобство использования. Для обеспечения этого принципа произвольно выбираются некоторые единицы. Произвол содержится как в выборе самих единиц (основных единиц физических величин), так и в выборе их размера. По этой причине, определяя основные величины и их единицы, системы единиц физических величин могут быть построены самые разные. К этому следует добавить, что и производные единицы физических величин также могут определяться по-разному. Сказанное означает, что систем единиц может быть построено очень много. Остановимся на общих чертах всех систем.

Основная общая черта - четкое определение сущности и физического смысла основных физических единиц и величин системы. Желательно, но, как указывалось в предыдущем разделе, необязательно, чтобы основная физическая величина могла быть воспроизведена с высокой точностью и могла быть передана средством измерения с минимальной потерей точности.

Следующий важный в построении системы шаг - установить размер основных единиц, т. е. договориться и законодательно закрепить процедуру воспроизведения основной единицы.

Поскольку все физические явления связаны между собой законами, записываемыми в виде уравнений, выражающими связь между физическими величинами, при установлении производных единиц, нужно выбрать определяющее соотношение для производной величины. Затем в таком выражении следует приравнять единице или другому постоянному числу коэффициент пропорциональности, входящий в определяющее соотношение. Таким образом, образуется производная единица, которой можно дать следующее определение: «Производная единица физической величины - единица, размер которой связывается с размерами основных единиц соотношениями, выражающими физические законы, или определениями соответствующих величин».

При построении системы единиц, состоящей из основных и производных единиц, следует подчеркнуть два наиболее важных момента:

Первое - разделение единиц физических величин на основные и производные не означает, что первые имеют какое-либо преимущество или более важны, чем последние. В разных системах основными могут быть различные единицы, и число основных единиц в системе также может быть разным.

Второе - следует отличать уравнения связи между величинами и уравнения связи между их числовым и значения ми. Уравнения связи представляют собой соотношения в общем виде, не зависящие от единиц. Уравнения связи между числовыми значениями могут иметь различный вид в зависимости от выбранных единиц для каждой из величин. Например если выбрать в качестве основных величин метр, килограмм массы и секунду, то соотношения между механическими производными единицами, такими как сила, работа, энергия, скорость и т. д., будут отличаться от таковых, если основными единицами будут выбраны сантиметр, грамм, секунда или метр, тонна, секунда.

Характеризуя различные системы единиц физических величин, вспомним, что первый шаг в построении систем был связан с попыткой связать основные единицы с величинами, встречающимися в природе. Так, в эпоху Великой французской революции в 1790-1791 гг. было предложено единицей длины считать одну сорокамиллионную долю земного меридиана. В 1799 г. эта единица была узаконена в виде прототипа метра - специальной платино-иридиевой линейки с делениями. Одновременно был определен килограмм как вес одного кубического дециметра воды при 4°С. Для хранения килограмма была изготовлена образцовая гиря - прототип килограмма. В качестве единицы времени была узаконена 1/86400 доля средних солнечных суток.

В дальнейшем от естественного воспроизведения этих величин пришлось отказаться, поскольку процесс воспроизведения связан с большими погрешностями. Указанные единицы были закреплены законодательно по характеристикам их прототипов, а именно:

· единица длины определялась как расстояние между осями штрихов на платино-иридиевом прототипе метра при 0 °С;

· единица массы - масса платиноиридиевого прототипа килограмма;

· единица силы - вес той же гири в месте ее хранения в Международном бюро по мерам и весам (МБМВ) в Севре (район Парижа);

· единица времени - звездная секунда, составляющая 1/86400 часть звездных суток. Т. к. вследствие вращения Земли вокруг Солнца за один год звездных суток проходит на единицу больше, чем солнечных, тозвездная секунда составляет 0, 99 726 957 от солнечной секунды.

Эта основа всех современных систем единиц физических величин сохранилась до настоящего времени. К механическим основным единицам добавлялись тепловые (Кельвин), электрические (Ампер), оптические (кандела), химические (моль), но основа сохранилась до сих пор. Следует добавить, что развитие измерительной техники и в особенности открытие и внедрение лазеров в измерения позволили найти и узаконить новые, очень точные способы воспроизведения основных единиц физических величин. На таких моментах мы остановимся в следующих разделах, посвященных отдельным видам измерений.

Здесь же кратко перечислим наиболее употребительные в естествознании XX века системы единиц, часть из которых существует до сих пор в виде внесистемных или жаргонных единиц.

На территории Европы за последние десятилетия широко применялись три системы единиц: СГС (сантиметр, грамм, секунда), МКГСС (метр, килограмм-сила, секунда) и система СИ, являющаяся основной международной системой и предпочтительной на территории бывшего СССР «во всех областях науки, техники и народного хозяйства, а также при преподавании».

Последняя цитата, взятая в кавычки, приведена из государственного стандарта СССР ГОСТ 9867-61 «Международная система единиц», введенного в действие с 1 января 1963 г. Подробнее на этой системе мы остановимся в следующем параграфе. Здесь лишь укажем, что основными механическими единицами в системе СИ являются метр, килограмм-масса и секунда.

Система СГС существует более ста лет и очень удобна в некоторых научных и инженерных областях. Основным достоинством системы СГС является логичность и последовательность ее построения. При описании электромагнитных явлений присутствует только одна константа - скорость света. Эта система была разработана в период с 1861 по 1870 гг. Комитетом по электрическим эталонам Британии. Основана система СГС была на системе единиц немецкого математика Гаусса, который предложил метод построения системы, основанной на трех основных единицах - длины, массы и времени. Система Гаусса использовала миллиметр, миллиграмм и секунду.

Для электрических и магнитных величин были предложены два различных варианта системы СГС - абсолютная электростатическая система СГСЭ и абсолютная электромагнитная система СГСМ. Всего в развитии системы СГС существовало семь различных систем, имевших в составе основных единиц сантиметр, грамм и секунду.

В конце прошлого века появилась система МКГСС , основными единицами в которой являлись метр, килограмм-сила и секунда. Эта система получила широкое распространение в прикладной механике, в теплотехнике и родственных областях. У этой системы много недостатков, начиная с путаницы в названиях основной единицы - килограмма, означавшего килограмм-силу в отличие от широко используемого килограмма-массы. Для единицы массы в системе МКГСС не нашлось даже названия и ее обозначали как т. е. м. (техническая единица массы). Тем не менее система МКГСС частично используется до сих пор хотя бы в определении мощности двигателей в лошадиных силах. Лошадиная сила - мощность, равная 75 кгс м/с -до сих пор используется в технике как жаргонная единица.

В 1919 г. во Франции была принята система МТС - метр, тонна, секунда. Эта система также первым советским стандартом на механические единицы, принятым в 1929 г.

В 1901 г. итальянский физик П. Джорджи предложил систему механических единиц, построенную на трех механических основных единицах - метре , килограмме массы и секунде . Преимуществом этой системы было то, что ее было легко связать с абсолютной практической системой электрических и магнитных единиц, т. к. единицы работы (джоуль) и мощности (ватт) в этих системах совпадали. Так была найдена возможность использовать преимущества всеобъемлющей и удобной системы СГС со стремлением «сшить» электрические и магнитные единицы с единицами механическими.

Достигнуто это было путем введения двух постоянных - электрической (е 0) проницаемости вакуума и магнитной проницаемости вакуума (м 0). Появляется некоторое неудобство в записи формул, описывающих силы взаимодействия покоящихся и движущихся электрических зарядов и, соответственно, в определении физического смысла этих констант. Однако эти недостатки в большой степени окупаются такими удобствами, как единство выражения энергии при описании как механических, так и электро-магнитных явлений, т. к.

1 джоуль = 1 ньютон, метр = 1 вольт, кулон = 1 ампер, вебер.

В результате поисков оптимального варианта международной системы единиц в 1948 г. IX Генеральная конференция по мерам и весам на основе опроса стран-членов Метрической конвенции приняла вариант, в котором предлагалось в качестве основных единиц принять метр, килограмм массы и секунду. Килограмм-силу и связанные с ней производные единицы предлагалось исключить из рассмотрения. Окончательное решение на основании результатов опроса 21 страны было сформулировано на Х Генеральной конференции по мерам и весам в 1954 г.

Резолюция гласила:

«В качестве основных единиц практической системы для международных сношений принять:

единицу длины - метр

единицу массы - килограмм

единицу времени - секунду

единицу силы тока - Ампер

единицу термодинамической температуры - градус Кельвина

единицу силы света - свечу».

Позднее по настоянию химиков международная система была дополнена седьмой основной единицей количества вещества - молем.

В дальнейшем международная система СИ или в английской транскрипции Sl (SystemInternational) несколько уточнялась, например единица температуры получила название Кельвин вместо «градус Кельвина», система эталонов электрических единиц была переориентирована с Ампера на Вольт, поскольку был создан эталон разности потенциалов на основе квантового эффекта - эффекта Джозефсона, который позволил уменьшить погрешность воспроизведения единицы разности потенциалов - Вольта -более чем на порядок. В 1983 г. на XVIII Генеральной конференции по мерам и весам было принято новое определение метра. По новому определению метр представляет собой расстояние, проходимое светом за 1/2997925 долю секунды. Такое определение, точнее переопределение, понадобилось в связи с внедрением в эталонную технику лазеров. Следует сразу указать, что размер единицы, в данном случае метра, не изменяется. Изменяются только методы и средства ее воспроизведения, отличающиеся меньшей погрешностью (большей точностью).

5 . Международная система единиц (СИ)

Развитие науки и техники все настойчивее требовало унификации единиц измерений. Требовалась единая система единиц, удобная для практического применения и охватывающая различные области измерений. Кроме того, она должна была быть когерентной. Так как метрическая система мер широко использовалась в Европе с начала 19 века, то она была взята за основу при переходе к единой международной системе единиц.

В 1960 г. ХI Генеральная конференция по мерам и весам утвердила Международную систему единиц физических величин (русское обозначение СИ, международное SI) на основе шести основных единиц. Было принято решение:

Присвоить системе, основанной на шести основных единицах, наименование «Международная система единиц»;

Установить международное сокращение для наименования системы SI;

Ввести таблицу приставок для образования кратных и дольных единиц;

Образовать 27 производных единиц, указав, что могут быть добавлены и другие производные единицы.

В 1971 к СИ была добавлена седьмая основная единица количества вещества (моль).

При построении СИ исходили из следующих основных принципов:

Система базируется на основных единицах, которые являются независимыми друг от друга;

Производные единицы образуются по простейшим уравнениям связи и для величины каждого вида устанавливается только одна единица СИ;

Система является когерентной;

Допускаются наряду с единицами СИ широко используемые на практике внесистемные единицы;

В систему входят десятичные кратные и дольные единицы.

Преимущества СИ :

- универсальность , т.к. она охватывает все области измерений;

- унификация единиц для всех видов измерений - применение одной единицы для данной физической величины, например, для давления, работы, энергии;

Единицы СИ по своему размеру удобны для практического применения ;

Переход на нее повышает уровень точности измерений , т.к. основные единицы этой системы могут быть воспроизведены более точно, чем единицы других систем;

Это единая международная система и ее единицы распространены.

В СССР Международная система (СИ) была введена в действие ГОСТ 8.417-81. По мере дальнейшего развития СИ из нее был исключен класс дополнительных единиц, введено новое определение метра и введен ряд других изменений. В настоящее время в РФ действует межгосударственный стандарт ГОСТ 8.417-2002, который устанавливает единицы физических величин, применяемых в стране. В стандарте указано, что подлежат обязательному применению единицы СИ, а также десятичные кратные и дольные этих единиц.

Кроме того, допускается применять некоторые единицы, не входящие в СИ, и их дольные и кратные единицы. В стандарте указаны также внесистемные единицы и единицы относительных величин.

Основные единицы СИ представлены в таблице.

Величина
Наименование	Размерность	Наименование	Обозначение
				между-народн.
		килограмм
Электрический ток
Термодинамическая температура
Количество вещества
Сила света

Производные единицы СИ образуются по правилам образования когерентных производных единиц (пример см. выше). Приведены примеры таких единиц и производных единиц, имеющих специальные наименования и обозначения. 21 производной единице дали наименования и обозначения по именам ученых , например, герц, ньютон, паскаль, беккерель.

В отдельном разделе стандарта приведены единицы, не входящие в СИ. К ним относятся:

1. Внесистемные единицы , допускаемые к применению наравне с СИ из-за их практической важности. Они разделены на области применения. Например, во всех областях применяются единицы тонна, час, минута, сутки, литр; в оптике диоптрия, в физике электрон-вольт и т.п.

2. Некоторые относительные и логарифмические величины и их единицы. Например, процент, промилле, бел.

3. Внесистемные единицы, временно допускаемые к применению. Например, морская миля, карат (0,2 г), узел, бар.

В отдельном разделе приведены правила написания обозначений единиц, использования обозначений единиц в заголовках граф таблиц и т.п.

В приложениях к стандарту даны правила образования когерентных производных единиц СИ, таблица соотношений некоторых внесистемных единиц с единицами СИ и рекомендации по выбору десятичных кратных и дольных единиц.

Ниже приводятся примеры некоторых производных единиц СИ.

Единицы, в наименования которых входят наименования основных единиц. Примеры: единица площади - квадратный метр , размерность L 2 , обозначение единицы м 2 ; единица потока ионизирующих частиц - секунда в минус первой степени , размерность T -1 , обозначение единицы с -1 .

Единицы, имеющие специальные названия. Примеры:

сила, вес - ньютон, размерностьLMT -2 , обозначение единицы Н (международное N);энергия, работа, количество теплоты - джоуль, размерность L 2 MT -2 , обозначение Дж (J).

Единицы, наименования которых образованы с использованием специальных наименований. Примеры:

момент силы - наименование ньютон-метр , размерность L 2 MT -2 , обозначение Нм (Nm); удельная энергия - наименование джоуль на килограмм , размерность L 2 T -2 , обозначение Дж/кг (J/kg).

Десятичные кратные и дольные единицы образуются с помощью множителей и приставок, от 10 24 (йотта) до 10 -24 (йокто).

Присоединение к наименованию двух и более приставок подряд не допускается, например, не килокилограмм, а тонна, являющаяся внесистемной единицей, допускаемой наряду с СИ. В связи с тем, что наименование основной единицы массы содержит приставку кило, для образования дольных и кратных единиц массы используют дольную единицу грамм и приставки присоединяются к слову «грамм» -- миллиграмм, микрограмм.

Выбор кратной или дольной единицы от единицы СИ диктуется прежде всего удобством ее применения, причем, числовые значения полученных величин должны быть приемлемы на практике. Считается, что числовые значения величин легче всего воспринимаются в диапазоне от 0,1 до 1000.

В некоторых областях деятельности всегда используют одну и ту же дольную или кратную единицу, например, в чертежах в машиностроении размеры всегда выражаются в миллиметрах.

Для снижения вероятности ошибок при расчетах десятичные и кратные дольные единицы рекомендуется подставлять только в конечный результат, а в процессе вычислений все величины выражать в единицах СИ, заменяя приставки степенями числа 10.

В ГОСТ 8.417-2002 приведены правила написания обозначения единиц, основные из которых следующие.

Следует применять обозначения единиц буквами или знаками , причем устанавливается два вида буквенных обозначений: международные и русские. Международные обозначения пишутся при отношениях с зарубежными странами (договора, поставки продукции и документации). При использовании на территории РФ используются русские обозначения. При этом на табличках, шкалах и щитках средств измерений применяются только международные обозначения.

Названия единиц пишутся с маленькой буквы, если они не стоят в начале предложения. Исключение составляет градус Цельсия.

В обозначениях единиц точку как знак сокращения не ставят , печатаются они прямым шрифтом. Исключения составляют сокращения слов, которые входят в наименование единицы, но сами не являются наименованиями единиц. Например, мм рт. ст.

Обозначения единиц применяют после числовых значений и помещают в строку с ними (без переноса на следующую строку). Между последней цифрой и обозначением следует оставлять пробел, кроме знака, поднятого над строкой.

При указании значений величин с предельными отклонениями следует заключать числовые значения в скобки и обозначения единиц помещать после скобок или проставлять их и после числового значения величины и после ее предельного отклонения.

Буквенные обозначения единиц, входящих в произведение , следует отделять точками на средней линии, как знаками умножения . Допускается отделять буквенные обозначения пробелами, если это не приводит к недоразумению. Геометрические размеры обозначаются знаком «х».

В буквенных обозначениях отношения единиц в качестве знака деления должна применяться только одна черта : косая или горизонтальная. Допускается применять обозначения единиц в виде произведения обозначений единиц, возведенных в степени.

При применении косой черты обозначения единиц в числителе и знаменателе следует помещать в одну строку , произведение обозначений в знаменателе следует заключать в скобки .

При указании производной единицы, состоящей из двух и более единиц, не допускается комбинировать буквенные обозначения и наименования единиц , т.е. для одних обозначения, для других - наименования.

Обозначения единиц, наименования которых образованы по фамилиям ученых, пишутся с прописной (заглавной) буквы .

Допускается применять обозначения единиц в пояснениях обозначений величин к формулам. Помещение обозначений единиц в одной строке с формулами, выражающими зависимости между величинами и их числовыми значениями, представленными в буквенной форме, не допускается.

В стандарте выделены единицы по областям знаний в физике и указаны рекомендованные кратные и дольные единицы. Выделено 9 областей использования единиц:

1. пространство и время;

2. периодические и связанные с ними явления;

Подобные документы

Суть физической величины, классификация и характеристики ее измерений. Статические и динамические измерения физических величин. Обработка результатов прямых, косвенных и совместных измерений, нормирование формы их представления и оценка неопределенности.

курсовая работа , добавлен 12.03.2013


Общие правила конструирования систем единиц. Основные, дополнительные и производные единицы системы СИ. Правила написания обозначений единиц. Альтернативные современные системы физических единиц. Сущность эффекта Джозефсона. Система единиц Планка.

контрольная работа , добавлен 11.02.2012


Классификация средств измерений. Понятие о структуре мер-эталонов. Единая общепринятая система единиц. Изучение физических основ электрических измерений. Классификация электроизмерительной аппаратуры. Цифровые и аналоговые измерительные приборы.

реферат , добавлен 28.12.2011


Системы физических величин и их единиц, роль их размера и значения, специфика классификации. Понятие о единстве измерений. Характеристика эталонов единиц физических величин. Передача размеров единиц величин: особенности системы и используемых методов.

реферат , добавлен 02.12.2010


реферат , добавлен 09.01.2015


Сущность понятия "измерение". Единицы физических величин и их системы. Воспроизведение единиц физических величин. Эталон единицы длины, массы, времени и частоты, силы тока, температуры и силы света. Стандарт ома на основе квантового эффекта Холла.

реферат , добавлен 06.07.2014


Физическая величина как свойство физического объекта, их понятия, системы и средства измерения. Понятие нефизических величин. Классификация по видам, методам, результатам измерения, условиям, определяющим точность результата. Понятие рядов измерений.

презентация , добавлен 26.09.2012


Основы измерения физических величин и степени их символов. Сущность процесса измерения, классификация его методов. Метрическая система мер. Эталоны и единицы физических величин. Структура измерительных приборов. Представительность измеряемой величины.

курсовая работа , добавлен 17.11.2010


Количественная характеристика окружающего мира. Система единиц физических величин. Характеристики качества измерений. Отклонение величины измеренного значения величины от истинного. Погрешности по форме числового выражения и по закономерности проявления.

курсовая работа , добавлен 25.01.2011


Основные, дополнительные и производные единицы системы СИ. Правила написания обозначений единиц. Альтернативные современные системы физических единиц. Эталонные меры в институтах метрологии. Специфика применения единиц СИ в области физики и техники.

УДК 389.6 ББК 30.10я7 К59 Козлов М.Г. Метрология и стандартизация: Учебник М., СПб.: Изд-во «Петербургский ин-т печати», 2001. 372 с. 1000 экз.

Рецензенты: Л.А. Конопелько, доктор технических наук, профессор В.А. Спаев, доктор технических наук, профессор

В книге излагаются основы системы обеспечения единства измерений, общепринятые в настоящее время на территории Российской Федерации. Метрология и стандартизация рассматриваются как науки, построенные на научно-техническом законодательстве, системе создания и хранения эталонов единиц физических величин, службе стандартных справочных данных и службе стандартных образцов. Книга содержит сведения о принципах создания измерительной техники, которая рассмотрена как объект внимания специалистов, занимающихся обеспечением единства измерений. Измерительная техника раскатегорирована по видам измерения, опирающихся на эталоны основных единицсистемы СИ. Рассмотрены основные положения службы стандартизации и сертификации в РФ.

Рекомендовано УМО в качестве учебника для специальностей: 281400 - «Технология полиграфического производства», 170800 - «Автоматизированное полиграфическое оборудование», 220200 - «Автоматизированные системы обработки информации и управления»

Оригинал-макет подготовлен издательством «Петербургский институт печати»

ISBN 5-93422-014-4

© М.Г. Козлов, 2001. © Н.А. Аксиненко, оформление, 2001. © Издательство «Петербургский институт печати», 2001.

http://www.hi-edu.ru/e-books/xbook109/01/index.html?part-002.htm

Предисловие Часть I. МЕТРОЛОГИЯ 1. Введение в метрологию 1.1. Исторические аспекты метрологии 1.2. Основные понятия и категории метрологии 1.3. Принципы построения систем единиц физических величин 1.4. Воспроизведение и передача размера единиц физических величин. Эталоны и образцовые средства измерения 1.5. Измерительные приборы и установки 1.6. Меры в метрологии и измерительной технике. Поверка средств измерений 1.7. Физические константы и стандартные справочные данные 1.8. Стандартизация в обеспечении единства измерений. Метрологический словарь 2. Основы построение систем единиц физических величин 2.1. Системы единиц физических величин 2.2. Формулы размерности 2.3. Основные единицы системы СИ 2.4. Единица длины системы СИ - метр 2.5. Единица времени системы СИ - секунда 2.6. Единица температуры системы СИ - Кельвин 2.7. Единица силы электрического тока системы СИ - Ампера 2.8. Реализация основной единицы системы СИ - единицы силы света - канделы 2.9. Единица массы системы СИ - килограмм 2.10. Единица количества вещества системы СИ - моль 3. Оценка погрешностей результатов измерения 3.1. Введение 3.2. Систематические погрешности 3.3. Случайные погрешности измерений Часть II. ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА 4. Введение в измерительную технику 5. Измерения механических величин 5.1. Линейные измерения 5.2. Измерения шероховатости 5.3. Измерения твердости 5.4. Измерения давления 5.5. Измерения массы и силы 5.6. Измерения вязкости 5.7. Измерение плотности 6. Измерения температуры 6.1. Методы измерения температуры 6.2. Контактные термометры 6.3. Неконтактные термометры 7. Электрические и магнитные измерения 7.1. Измерения электрических величин 7.2. Принципы, лежащие в основе магнитных измерений 7.3. Магнитные преобразователи 7.4. Приборы для измерения параметров магнитных полей 7.5. Квантовые магнитометрические и гальваномагнитные приборы 7.6. Индукционные магнитометрические приборы 8. Оптические измерения 8.1. Общие положения 8.2. Фотометрические приборы 8.3. Спектральные измерительные приборы 8.4. Фильтровые спектральные приборы 8.5. Интерференционные спектральные приборы 9. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ 9.1. Особенности измерения состава веществ и материалов 9.2. Измерения влажности веществ и материалов 9.3. Анализ состава газовых смесей 9.4. Измерения состава жидкостей и твердых тел 9.5. Метрологическое обеспечение физико-химических измерений Часть III. СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ 10. Организационные и методические основы метрологии и стандартизации 10.1. Введение 10.2. Правовые основы метрологии и стандартизации 10.3. Международные организации по стандартизации и метрологии 10.4. Структура и функции органов Госстандарта РФ 10.5. Государственные службы по метрологии и стандартизации РФ 10.6. Функции метрологических служб предприятий и учреждений, являющихся юридическими лицами 11. Основные положения государственной службы стандартизации РФ 11.1. Научная база стандартизации РФ 11.2. Органы и службы систем стандартизации РФ 11.3. Характеристика стандартов разных категорий 11.4. Каталоги и классификаторы продукции как объект стандартизации. Стандартизация услуг 12. Сертификация измерительной техники 12.1. Основные цели и задачи сертификации 12.2. Термины и определения, специфические для cертификации 12.3. 12.3. Системы и схемы сертификации 12.4. Обязательная и добровольная сертификация 12.5. Правила и порядок проведения сертификации 12.6. Аккредитация органов по сертификации 12.7. Сертификация услуг Заключение Приложения

Предисловие

Содержание понятий «метрология» и«стандартизация» до сих пор является предметом дискуссий, хотя необходимость профессионального подхода кэтим проблемам очевидна. Так в последние годы появились многочисленные труды, в которых метрология и стандартизация подаются как инструмент сертификации измерительной техники, товаров и услуг. Такой постановкой вопроса все понятия метрологии принижаются и получают смысл как свод правил, законов, документов, позволяющих обеспечить высокое качество товарной продукции.

На самом деле метрология и стандартизация является очень серьезным научным занятием со времен основания в России Депо образцовых мер (1842 г.), преобразованного затем в Главную палату мер и весов России, возглавляемую многие годы великим ученым Д.И. Менделеевым. Наша страна была одним из учредителей Метрической Конвенции, принятой 125 лет назад. В годы Советской власти была создана система стандартизации стран экономической взаимопомощи. Все это свидетельствует о том, что в нашей стране метрология и стандартизация с давних пор являлись основополагающими в организации системы мер и весов. Именно эти моменты вечны и должны иметь государственную поддержку. С развитием рыночных отношений гарантией качества товаров должна стать репутация фирм-производителей, а метрология и стандартизация должны выполнять роль государственных научных и методических центров, в которых собраны наиболее точные средства измерения, наиболее перспективные технологии, и в которых работают самые квалифицированные специалисты.

В данной книге метрология рассматривается как область науки, в первую очередь физики, которая должны обеспечивать на государственном уровне единство измерений. Проще говоря, в науке должна существовать система, позволяющая представителям различных наук, например физики, химии, биологии, медицины, геологии и т.д., разговаривать на одном языке и понимать друг друга. Средствами достижения этого результата являются составные части метрологии: системы единиц, эталоны, стандартные образцы, справочные данные, терминология, теория погрешностей, система стандартов. Основам метрологии посвящена первая часть книги.

Вторая часть посвящена описанию принципов создания измерительной техники. Разделы этой части представлены так, как организованы виды измерений в системе Госстандарта РФ: механические, температурные, электрические и магнитные, оптические и физико-химические. Измерительная техника рассматривается как область непосредственного использования достижений метрологии.

Третья часть книги является кратким описанием сущности сертификации - области деятельности современных центров метрологии и стандартизации в нашей стране. Поскольку стандарты в разных странах разные, существует необходимость проверки всех аспектов международного сотрудничества (товаров, измерительной техники, услуг) на соответствие стандартам тех стран, где они используются.

Книга рассчитана на широкий круг специалистов, работающих с конкретными измерительными приборами в различных областях деятельности от торговли до контроля качества выполнения технологических процессов и измерений в экологии. В изложении опущены подробности некоторых разделов физики, не имеющие определяющего метрологического характера и доступные в специальной литературе. Большое внимание уделено физическому смыслу использования метрологического подхода к решению практических задач. Предполагается, что читатель знаком с основами физики и имеет хотя бы общие понятия о современных достижениях науки и техники, таких как лазерная техника, сверхпроводимость и т. п.

Книга рассчитана на специалистов, использующих те или иные приборы и заинтересованные в том, чтобы обеспечить необходимые им измерения оптимальным образом. Это студенты и аспиранты ВУЗов, которые специализируются в науках, опирающихся на измерения. Изложенный материал хотелось бы видеть в качестве связующего звена между курсами общенаучных дисциплин и специальными курсами по изложению сущности современных технологий производства.

Материал написан на основе курса лекций по метрологии и стандартизации, прочитанного автором в Санкт-Петербургском институте Московского государственного университета печати и в Санкт-Петербургском государственном университете. Это дало возможность скорректировать изложение материала, сделав его понятным для студентов различных специальностей от абитуриентов до студентов старших курсов.

Автор рассчитывает на соответствие материала основополагающим представлениям о метрологии и стандартизации на основании опыта личной работы в течение почти полутора десятилетий в Госстандарте СССР и Госстандарте РФ.

Одним из важных понятий в теории и практике измерений является понятие физической величины. Физическая величина – свойство, в качественном отношении общее для многих объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них.

Измерение физической величины представляет собой нахождение ее значения экспериментальным путем с помощью специальных технических средств. По способу получения числового значения измеряемой величины все измерения делят на прямые, косвенные, совокупные и совместные.

Прямые измерения основаны на методе сравнения измеряемой величины с мерой этой величины или на методе непосредственной оценки значения измеряемой величины по отсчетному устройству, шкала которого проградуирована в единицах измеряемой величины. Примером прямых измерений может служить измерение силы тока амперметром.

Косвенные измерения – измерения, результат которых получают после прямых измерений величин, связанных с измеряемой величиной известной зависимостью. Так, измерение электрического сопротивления в цепи постоянного тока производится путем прямых измерений силы тока амперметром и напряжения вольтметром с последующим вычислением искомого значения сопротивления.

Совокупные измерения представляют собой неоднократные, обычно прямые измерения одной или нескольких одноименных величин с получением общего результата измерений путем решения системы уравнений, составляемых по частным результатам измерений. В качестве примера приведем процесс определения взаимной индуктивности между двумя катушками путем двукратного измерения их общей индуктивности. Сначала катушки соединяют так, чтобы их магнитные поля складывались, и измеряют общую индуктивность: L 01 = L 1 + L 2 + 2M, где М – взаимная индуктивность; L 1 , L 2 – индуктивности первой и второй катушек. Затем катушки соединяют так, чтобы их магнитные поля вычитались, и измеряют общую индуктивность: L 02 = L 1 + L 2 – 2M. Искомое значение М определяют решением этих уравнений: М = (L 01 - L 02)/4.

Совместные измерения состоят в одновременном измерении двух или более неодноименных величин с последующим вычислением результата путем решения системы полученных при измерениях уравнений. Пусть, например, требуется найти температурные коэффициенты A , B терморезистора R т = R 0 (1+AT +BT 2) , где R 0 – значение сопротивления при T 0 = 20 о С, Т – температура среды. Измерив значения сопротивлений R 0 , R 1 , R 2 терморезистора при значениях температуры T 0 , T 1 , T 2 , определяемой с помощью термометра, и решив полученную систему из трех уравнений, найдем значения величин А и В.

Средство измерений – техническое устройство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические характеристики. К средствам измерений относятся меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы и измерительные системы.

Мера – средство измерений, предназначенное для хранения и воспроизведения физической величины заданного размера. К мерам относятся нормальные элементы, магазины сопротивлений, генераторы стандартных сигналов, градуированные шкалы показывающих приборов.

Измерительные преобразователи – средства измерений, предназначенные для преобразования измерительного сигнала в форму, удобную для передачи, хранения и обработки.

Измерительные приборы – средства измерений, предназначенные для выработки сигнала измерительной информации, функционально связанного с числовым значением измеряемой величины, и отображения этого сигнала на отсчетном устройстве или его регистрации.

Измерительная система – комплекс средств измерений и вспомогательных устройств, обеспечивающий получение измерительной информации на исследуемом объекте в заданном объеме и заданных условиях.

Наиболее важными свойствами средств измерений являются метрологические свойства. К метрологическим свойствам (характеристикам) относятся точность, диапазон измерений, чувствительность, быстродействие и др.

Минск: БНТУ, 2003. — 116 с.Введение.
Классификация физических величин.
Размер физических величин. Истинное значение физических величин.
Основной постулат и аксиома теории измерений.
Теоретические модели материальных объектов, явлений и процессов.
Физические модели.
Математические модели.
Погрешности теоретических моделей.
Общая характеристика понятия измерение (сведения из метрологии).
Классификация измерений.
Измерение как физический процесс.
Методы измерений как методы сравнения с мерой.
Методы прямого сравнения.
Метод непосредственной оценки.
Метод прямого преобразования.
Метод замещения.
Методы масштабного преобразования.
Метод шунтирования.
Метод следящего уравновешивания.
Мостовой метод.
Разностный метод.
Нулевые методы.
Метод развёртывающей компенсации.
Измерительные преобразования физических величин.
Классификация измерительных преобразователей.
Статические характеристики и статические погрешности СИ.
Характеристики воздействия (влияния) окружающей среды и объектов на СИ.
Полосы и интервалы неопределённости чувствительности СИ.
СИ с аддитивной погрешностью (погрешность нуля).
СИ с мультипликативной погрешностью.
СИ с аддитивной и мультипликативной погрешностями.
Измерение больших величин.
Формулы статических погрешностей средств измерений.
Полный и рабочий диапазоны средств измерений.
Динамические погрешности средств измерений.
Динамическая погрешность интегрирующего звена.
Причины аддитивных погрешностей СИ.
Влияние сухого трения на подвижные элементы СИ.
Конструкция СИ.
Контактная разность потенциалов и термоэлектричество.
Контактная разность потенциалов.
Термоэлектрический ток.
Помехи, возникающие из-за плохого заземления.
Причины мультипликативных погрешностей СИ.
Старение и нестабильность параметров СИ.
Нелинейность функции преобразования.
Геометрическая нелинейность.
Физическая нелинейность.
Токи утечки.
Меры активной и пассивной защиты.
Физика случайных процессов, определяющих минимальную погрешность измерений.
Возможности органов зрения человека.
Естественные пределы измерений.
Соотношения неопределенности Гейзенберга.
Естественная спектральная ширина линий излучения.
Абсолютная граница точности измерения интенсивности и фазы электромагнитных сигналов.
Фотонный шум когерентного излучения.
Эквивалентная шумовая температура излучения.
Электрические помехи, флуктуации и шумы.
Физика внутренних неравновесных электрических шумов.
Дробовой шум.
Шум генерации - рекомбинации.
1/f-шум и его универсальность.
Импульсный шум.
Физика внутренних равновесных шумов.
Статистическая модель тепловых флуктуаций в равновесных системах.
Математическая модель флуктуаций.
Простейшая физическая модель равновесных флуктуаций.
Основная формула расчета дисперсии флуктуации.
Влияние флуктуаций на порог чувствительности приборов.
Примеры расчета тепловых флуктуаций механических величин.
Скорость свободного тела.
Колебания математического маятника.
Повороты упруго подвешенного зеркальца.
Смещения пружинных весов.
Тепловые флуктуации в электрическом колебательном контуре.
Корреляционная функция и спектральная плотность мощности шума.
Флуктуационно-диссипационная теорема.
Формулы Найквиста.
Спектральная плотность флуктуации напряжения и тока в колебательном контуре.
Эквивалентная температура нетепловых шумов.
Внешние электромагнитные шумы и помехи и методы их уменьшения.
Емкостная связь (емкостная наводка помехи).
Индуктивная связь (индуктивная наводка помехи).
Экранирование проводников от магнитных полей.
Особенности проводящего экрана без тока.
Особенности проводящего экрана с током.
Магнитная связь между экрана с током и заключенным в него проводником.
Использование проводящего экрана с током в качестве сигнального проводника.
Защита пространства от излучения проводника с током.
Анализ различных схем защиты сигнальной цепи путем экранирования.
Сравнение коаксиального кабеля и экранированной витой пары.
Особенности экрана в виде оплетки.
Влияние неоднородности тока в экране.
Избирательное экранирование.
Подавление шумов в сигнальной цепи методом ее симметрирования.
Дополнительные методы шумоподавления.
Развязка по питанию.
Развязывающие фильтры.
Защита от излучения высокочастотных шумящих элементов и схем.
Шумы цифровых схем.
Выводы.
Применение экранов из тонколистовых металлов.
Ближнее и дальнее электромагнитное поле.
Эффективность экранирования.
Полное характеристическое сопротивление и сопротивление экрана.
Потери на поглощение.
Потери на отражение.
Суммарные потери на поглощение и отражение для магнитного поля.
Влияние отверстий на эффективность экранирования.
Влияние щелей и отверстий.
Использование волновода на частоте ниже частоты среза.
Влияние круглых отверстий.
Использование проводящих прокладок для уменьшения излучения в зазорах.
Выводы.
Шумовые характеристики контактов и их защита.
Тлеющий разряд.
Дуговой разряд.
Сравнение цепей переменного и постоянного тока.
Материал контактов.
Индуктивные нагрузки.
Принципы защиты контактов.
Подавление переходных процессов при индуктивных нагрузках.
Цепи защиты контактов при индуктивных нагрузках.
Цепь с емкостью.
Цепь с емкостью и резистором.
Цепь с емкостью, резистором и диодом.
Защита контактов при резистивной нагрузке.
Рекомендации по выбору цепей защиты контактов.
Паспортные данные на контакты.
Выводы.
Общие методы повышения точности измерений.
Метод согласования измерительных преобразователей.
Идеальный генератор тока и идеальный генератор напряжения.
Согласование сопротивлений генераторных ИП.
Согласование сопротивлений параметрических преобразователей.
Принципиальное различие информационных и энергетических цепей.
Использование согласующих трансформаторов.
Метод отрицательной обратной связи.
Метод уменьшения ширины полосы пропускания.
Эквивалентная полоса частот пропускания шумов.
Метод усреднения (накопления) сигнала.
Метод фильтрации сигнала и шума.
Проблемы создания оптимального фильтра.
Метод переноса спектра полезного сигнала.
Метод фазового детектирования.
Метод синхронного детектирования.
Погрешность интегрирования шумов с помощью RC - цепочки.
Метод модуляции коэффициента преобразования СИ.
Применение модуляции сигнала для увеличения его помехозащищенности.
Метод дифференциального включения двух ИП.
Метод коррекции элементов СИ.
Методы уменьшения влияния окружающей среды и условий изменения.
Организация измерений.