фізичні величини. Вимірювання фізичних величин.
Мета уроку: Ознайомити учнів із поняттям «фізична величина», основними одиницями фізичних величин СІ, навчити вимірювати фізичні величини з допомогою найпростіших вимірювальних засобів, визначати похибка вимірів.
Завдання:
Навчальні: познайомити учнів із поняттям фізичної величини, сутності визначення фізичної величини, з поняттям похибки виміру, основними одиницями фізичних величин у СІ; навчити визначати ціну поділу вимірювального приладу, визначати похибку вимірювання, переводити величини з основних у дольні та кратні
Розвиваючі: розширювати кругозір учнів, розвивати творчі здібності, прищеплювати інтерес до вивчення фізики з урахуванням їх психологічних особливостей. Розвивати логічне мислення через формування понять: ціна поділу (способи та методи її застосування), шкала вимірювального приладу.
Виховні: формувати пізнавальний інтерес учнів через історичні та сучасні відомості про вимір фізичних величин; навчити культурі спілкування учнів, партнерству, роботі у групах.
Обладнання: комп'ютер, проектор, лабораторні, демонстраційні та побутові вимірювальні прилади (термометр, лінійка, рулетка, ваги, годинник, секундомір, мензурка, інші вимірювальні прилади).
Хід уроку:
Що спільного у всіх приладів? Відповідь: шкала Характеристики будь-якої шкали: межі виміру та ціна поділу. Дізнаємось що це таке. Межі виміру визначаються числами у першого та останнього поділу шкали. Не можна користуватися приладом, намагаючись виміряти величину, що перевищує межу його виміру! Ціна поділу – це чисельне значення вимірюваної величини, що відповідає одному (найменшому) поділу шкали
5.Практичне завдання II (слайд14) Визначте ціну поділу своєї лінійки та приладів на демонстраційному столі та екрані.
Назад Вперед
Увага! Попередній перегляд слайдів використовується виключно для ознайомлення та може не давати уявлення про всі можливості презентації. Якщо вас зацікавила ця робота, будь ласка, завантажте повну версію.
“Наука починається з того часу, як починають вимірювати. Точна наука немислима без міри.
У природі міра та вага – суть головні знаряддя пізнання”.
/Д.І.Менделєєв/
а) освітні
учень повинен засвоїти:
Поняття фізичної величини та одиниць виміру;
Способи виміру фізичних величин;
Алгоритм визначення ціни поділу та похибки.
б) розвиваючі
учень повинен уміти:
Визначати ціну поділу та показання вимірювальних приладів;
Записувати показання результатів вимірів з урахуванням похибок.
в) виховні:
виховання патріотизму та громадянськості щодо історичних аспектів теми; розвиток комунікативності у процесі спільної діяльності.
Структура уроку:
| № | Етап уроку | Форма діяльності | Час |
| 1 | Орг.момент | Створення робочої обстановки | 1-2 хв. |
| 2 | Перевірка будинку. | Тест | 5 хв. |
| 3 | Актуалізація знань | Експеримент | 5 хв |
| 4 | Вивчення нового меатріалу | Евристична бесіда, перегляд фрагмента фільму, робота з фіз.приладами та дидактичними картками | 20 хв. |
| 5 | Закріплення | Самостійне виконання завдань на тему | 10 хв. |
| 6 | Рефлексія | Відповіді на запитання | 2-3 хв. |
Обладнання:
Хід уроку
1) Оргмомент.
2) Перевірка домашнього завдання:
Контрольний тест за матеріалами попереднього уроку (див. Додаток №1).
3) Актуалізація знань.
Проведемо експеримент. У трьох склянках налита гаряча, тепла та холодна вода. Опустіть один палець лівої руки в гарячу воду, трохи потримайте і опустіть у теплу. Тепла вода здасться вам ... (холодний). А тепер опустіть палець правої руки у холодну воду, а потім у теплу. Який здасться вода?... (Гарячої). Але ж вода не змінилася? Що потрібно зробити, щоб точно визначити, яка ж все-таки вода в склянці? (у процесі розмови приходимо до висновку):
Висновок: Іноді наші почуття можуть обманювати нас, і тому просто необхідно в процесі спостережень і дослідів робити вимірювання якихось величин.
4) Вивчення нового матеріалу.
Ці величини називаються фізичними, і багато хто вже знайомий вам з математики, природознавства (наприклад: довжина, маса, площа, швидкість і т.д.). Вимірювання надзвичайно важливі і в науці, і у навколишньому житті.
Великий російський вчений Д.І. Менделєєв говорив так: (Слайд 1) “Наука починається з того часу, як починають вимірювати. Точна наука немислима без міри. У природі міра та вага – суть головні знаряддя пізнання”.
І тому тема уроку сьогодні: "Вимір фізичних величин"
(Слайд 3). Сьогодні ми повинні відповісти на такі питання:
На перше запитання ми вже відповіли у процесі обговорення експерименту, тому переходимо до другого питання:
Що таке фізична величина?
Ще раз повернемося до досвіду. Візьміть до рук термометр, опустіть його в першу склянку з водою, зачекайте трохи і назвіть температуру води. ( на даному етапі уроку цей вимір може бути неточним, але він дозволить запровадити поняття фізичної величини як кількісну характеристику об'єкта)
Тепер також виміряйте температуру в інших склянках. Запишіть результати у зошит у порядку зростання.
/ Наприклад: 20°, 40°, 60°/
Ось тепер ми легко визначимо де яка вода. Температура визначається числом, і чим більше, тим тепліше вода. І ми можемо записати у зошит загальне визначення: (Слайд 4)
Фіз.величина - це кількісна (числова) характеристика тіла чи речовини. Вона позначається літерами латинського алфавіту, наприклад:
m – маса, t – час, l – довжина.
Будь-яка фіз.величина, крім числового значення, має одиниці виміру.
Наприклад: На обгортці шоколадки написано: "Маса 100 г".
Маса – це.. (фізична величина)
100 - це ... (числове значення)
г - грам – це… (одиниця виміру).
А тепер спробуйте самі:
Мій зріст – 164 см.
Зростання (довжина) – це… (фізична величина)
164 – це.., (числове значення)
см - це .. (одиниця виміру)
Отже, коли ми виміряємо якусь величину, ми порівнюємо її з певними одиницями вимірів. Запишемо визначення: (Слайд 5)
Виміряти фіз.величину - означає порівняти її із однорідною величиною, прийнятою за одиницю вимірів. Тепер у нас залишилося головне питання: Як виміряти фізичну величину? Погляньмо, як вчилися вимірювати герої мультфільму. Ви повинні відповісти на запитання: (Слайд 6).
Слайд 7 (перегляд фрагмента мультфільму). Обговорення відповідей /повертаємось до слайду 6/.
З такими труднощами зустрічалися не лише Удав та його друзі. На Русі з давніх часів існували свої одиниці виміру відстаней, маси та обсягу (Слайд 8). І хоча ми ними зараз майже не користуємося, у прислів'ях та приказках, казках та віршах вони збереглися. Поясніть зміст цих висловлювань.Щоб не плутатися у вимірах. У Росії ще в 16 і 17 століттях була створена єдина для країни система заходів. У 1736 р. Сенат ухвалив рішення про утворення Комісії терезів і заходів. Комісією було створено зразкові заходи – зразки. До 1807 р. були виготовлені три зразки аршина (зберігалися в Петербурзі): кришталевий, сталевий та мідний. Вони вже були приведені у відповідність до англійських заходів довжини – футом і дюймом. Цього вимагала необхідність розвитку торгових відносин з іншими країнами – адже вже на початку 18 століття різних країнах налічувалося 400 різних за величиною одиниць! Щоб добре розуміти один одного і була створена Міжнародна система одиниць (СІ), де кожній величині надали своє позначення та одиницю виміру. (Стенд "Міжнародна система одиниць") Тут вказані всі фізичні величини, і в курсі фізики ми будемо їх вивчати. Сьогодні ж звернемо увагу на найголовніше, Величини бувають основними та похідними. Запиши в зошиті одиниці виміру основних фіз.величин:
Маса – кг (кілограм), довжина – м (метр), час – з (секунда)
Але масу можна вимірювати ще ... (в грамах, міліграмах, тоннах).Ви вже вивчали це в курсі математики. А у яких одиницях вимірюють довжину? Час? Систему СІ називають десятковою. Усі однорідні величини пов'язані між собою.
1 кілог = 1000 (10 3) р 1 кілометр = 1000 (103) м
1 міліграм = 0,001 р 1 міліметр = 0,001м
Є спеціальна таблиця, яку використовують для перекладу одиниць виміру: (див. додаток 2)
Ми сьогодні маємо навчитися правильно користуватися вимірювальними приладами.
Ви вже вимірювали сьогодні температуру води. Отже, що потрібно для вимірів? По-перше, мати прилад, по-друге, треба вміти користуватися ним. Добре знайома лінійка – це прилад вимірювання довжини. Температуру вимірюють іншим приладом – термометром.
Вимірювальний прилад - це пристрій для вимірювання будь-якої фізичної величини.
(Слайд 9.) Тут ви бачите різні вимірювальні прилади: термометр, спідометр, лічильник води, манометр.
Усі вони дуже різні, але вони мають схожість. У кожного приладу обов'язково є шкала з поділками та цифрами.
Найбільше значення на шкалі називається верхньою межею, найменше – нижньою межею. Назвіть межі приладів, які є у вас на парті.
Сьогодні ми вже вимірювали з вами температуру. Тепер спробуємо визначити об'єм води за допомогою спеціального приладу - мензурки. Об'єм вимірюємо в мл або куб. Скільки води у цій мензурці? / 200 мл/. А тепер у мензурку опустили камінь, і води побільшало. Скільки? / Відповіді, напевно, будуть різними, що дозволить ввести поняття ціни поділу/
Щоб правильно відповісти на це питання, потрібно визначити ціну поділу, тобто значення найменшого проміжку на шкалі.
Для цього потрібно: (слайд 11)
Запишемо формулу для визначення ціни поділу приладу:
з = 400 -200/10 = 20 мл
А тепер спробуйте самі: (Слайд12)
Знаючи ціну поділу, можна визначити показання приладу. Якщо термометр показує 5 поділів вище 25 °, а один поділ 1 °, то остаточний результат буде ... (25 °). А медичний термометр вказує на один поділ менше 37 °, його ціна поділу 0,1 °, отже температура - 36,9 °.
Самостійно за карткою визначити ціну поділу термометра ( для тих, хто добре засвоїв та виконав завдання швидко, можна запропонувати завдання з мензуркою за тими ж картками)
Похибка вимірів.
А тепер визначте, будь ласка, ширину підручника “Фізика 7” та запишіть свій результат у зошит. Давайте порівняємо ваші виміри.
Чому підручник однаковий, а значення довжини різні?
/У ході обговорення приходимо до висновку:/
На жаль, будь-які виміри мають похибка, тобто помилка (Слайд 13). Похибка залежить і від приладу (інструментальна похибка), і від того, як ми вимірюємо (похибка вимірювань). Похибка вимірів позначається? (дельта) і дорівнює половині ціни поділу:
Похибка показує, наскільки ми помилилися (у більшу чи меншу сторону). Тому остаточний результат вимірювань прийнято записувати так:
t = 25 ± 0,5 (для першого термометра)
t = 36,9 ± 0,05 (для другого термометра)
Це означає, що насправді температура знаходиться в межах від 24,5 до 25,5 для першого термометра і від 36,85 до 36,95 для другого.
А тепер скажіть: який термометр точніше виміряє температуру?
Запишемо в зошит висновок:
Чим менша ціна поділу, тим точніше вимірює прилад.
Вимірювання, що ми сьогодні на уроці робили, називаються прямими. Їх роблять із допомогою приладів. Деякі величини одразу визначити не можна. Наприклад: як ви визначите площу парти?Правильно, потрібно виміряти довжину та ширину. Такі виміри називаються непрямими.
5. Закріплення.
Сьогодні на уроці ти дізнався багато нового. Давайте ще раз згадаємо найголовніше:
Що таке? Варіанти відповідей:
Хвилина – ... 1. одиниця для виміру
Терези - ... 2. фізична величина
Час – ... 3. вимірювальний прилад
Врівноважування – ... 4. фізичне явище
Маса – ...
Тепер виконаємо такі завдання: (Слайд 14-15)
6. Рефлексія:
Продовжи пропозицію:
Тепер я знаю…
І ще я вмію…
Цікаво було б ще дізнатися.
7. Домашнє завдання: (Слайд 16). § 4,5 (підручник "Фізика 7" Перишкін А.В.)
Література
1. Перишкін А.В. Фізика 7, Просвітництво, 2008
2. Камін А.Л. фізика. Розвиваюче навчання. 7 клас, Фенікс, 2003
3. Генденштейн Л.Е., Кірік Л.А., Гельфгат І.М. Завдання з фізики для основної школи з прикладами рішень, Ілекса, 2005
4. Ханнанов Н.К., Ханнанова Т.А. фізика. Тести. 7, Дрофа, 2005 р.
Вимір фізичних величин, полягає у зіставленні будь-якої величини з однорідною величиною, прийнятої за одиницю. У метрології використовується термін "вимір", під яким розуміється знаходження значення фізичної величини досвідченим шляхом за допомогою спеціальних технічних засобів.
Вимірювання, які виконуються за допомогою спеціальних технічних засобів, називають інструментальними. Найпростішим прикладом таких вимірювань є визначення розміру деталі лінійкою з поділками, тобто порівняння розміру деталі з одиницею довжини, що зберігається лінійкою.
Похідним від терміна "вимірювання" є термін "вимірювати", який широко використовується на практиці. Трапляються терміни "міряти", "обміряти", "заміряти", але застосування їх у метрології неприпустимо.
Для упорядкування вимірювальної діяльності вимірювання класифікують за такими ознаками:
Загальним прийомам отримання результатів – прямі, непрямі, сумісні, сукупні;
Число вимірювань у серії – одноразові та багаторазові;
Метрологічне призначення – технічні, метрологічні;
Характеристики точності – рівноточні та нерівноточні;
Відношення до зміни вимірюваної величини – статистичні та динамічні;
Виразу результату вимірювань – абсолютні та відносні;
Прямі виміри - виміри, у яких шукане значення величини знаходять безпосередньо з досвідчених даних (вимірювання маси на терезах, температури термометрів, довжини з допомогою лінійних заходів). При прямих вимірах об'єкт дослідження приводять у взаємодію Космосу з засобами вимірювань і за показаннями останнього відраховують значення вимірюваної величини. Іноді показання приладу множать на коефіцієнт, вводять відповідні поправки тощо. буд. Ці виміри можна записати як рівняння: Х = З · Х П,
де Х – значення вимірюваної величини прийнятих нею одиницях;
С - ціна розподілу шкали або одиничного показання цифрового відлікового пристрою в одиницях вимірюваної величини;
Х П – відлік індикаторного пристрою в поділах шкали.
Непрямі виміри-виміри, при яких шукане значення знаходять на підставі відомої залежності між цією величиною і величинами, отриманими прямими вимірами (визначення щільності однорідного тіла за його масою та геометричними розмірами, питомого електричного опору провідника по його опору, довжині та площі поперечного перерізу). У випадку цю залежність можна як функції Х = (X1,X2,....,Xn), у якій значення аргументів Х1, Х2, ….,Хn знаходять у результаті прямих, котрий іноді непрямих, спільних чи сукупних вимірів .
Наприклад, щільність однорідного твердого тіла знаходять як відношення маси m до його об'єму V , а масу і об'єм тіла вимірюють безпосередньо: ρ=m/V.
Для підвищення точності вимірювань щільності ρ вимірювання маси m та об'єму V виробляють багаторазово. В цьому випадку щільність тіла
ρ = m/V , m – результат вимірювання маси тіла, m = 1/n Σ m i ;
V=ΣVi/n - результат виміру об'єму тіла Π.
Сукупні виміри-виміри декількох однорідних величин, при яких шукане значення величин знаходять рішенням системи рівнянь, одержуваних при прямих вимірах різних поєднань цих величин (вимірювання при яких маса окремих гирь набору знаходяться за відомою масою однієї з них і за результатами прямих порівнянь мас різних поєднань ).
Спільні виміри-одночасні виміри двох або кількох різноіменних величин для знаходження залежності між ними (що проводяться одночасно вимірювання збільшення довжини зразка в залежності від змін його температури та визначення коефіцієнта лінійного розширення).
Спільні та сукупні вимірювання за способами знаходження значень вимірюваних величин дуже близькі. Відмінність полягає в тому, що при сукупних вимірах одночасно вимірюють кілька однойменних величин, а при спільних - різноіменних. Значення вимірюваних величин х1, ..., хп визначають виходячи з сукупних рівнянь;
F1 (X1, ..., Хm, Х11, ..., Х1n);
F2 (X1, ..., Хm, Х21, ..., Х1n);
Fn (X1, ..., Хm, Хk1, ..., Хkn),
де Х11, Х21, ……………..Хk n - величини, що наміряються прямими методами.
Спільні виміри ґрунтуються на відомих рівняннях, що відображають існуючі у природі зв'язки між властивостями об'єктів, тобто. між величинами.
Абсолютні виміри-виміри, засновані на прямих вимірах однієї або декількох основних величин і використання фізичних констант.
Відносні виміри-отримання відношення величини до однойменної величини, що грає роль одиниці, або зміна величини по відношенню до однойменної величини, що приймається за вихідну.
Одноразові виміри-вимір, що виконується один раз (вимір конкретного часу по годинах).
Багаторазові виміри-виміри однієї і тієї ж фізичної величини, результат яких отримують з декількох наступних один за одним вимірів. Зазвичай багаторазовими вимірами вважаються ті, що виробляються понад три рази.
Технічні виміри- виміри, виконувані з допомогою робочих засобів вимірів з метою контролю та управління науковими експериментами, контролю параметрів виробів тощо. (Вимір тиску повітря в автомобільній камері).
Метрологічні виміри - вимірювання за допомогою еталонів та зразкових засобів вимірів з метою нововведення одиниць фізичних величин або передачі їх розмірів робочим засобам вимірів.
Рівноточні виміри- ряд вимірів будь-якої величини, виконаних однаковими за точністю засобами вимірів в одних і тих же умовах.
Нерівноточні виміри- ряд вимірів будь-якої величини, виконаних різними за точністю із засобами вимірів і різних умовах.
Статичні виміри-виміри фізичної величини, що приймається відповідно до конкретної вимірювальної задачі за незмінну протягом часу виміру (вимірювання розміру деталі при нормальній температурі).
Динамічні виміри-виміри фізичної величини, розмір якої змінюється з часом (вимірювання відстані до рівня землі зі літака, що знижується) .
Засоби вимірів
Засоби вимірів - це технічні засоби, що використовуються при вимірах та мають нормовані метрологічні властивості. Від засобів вимірів залежить правильне визначення значення вимірюваної величини у процесі її вимірів. До засобів вимірювань належать: заходи: вимірювальні прилади, вимірювальні установки, вимірювальні системи.
Міра - засіб вимірювань, призначений для відтворення фізичної величини заданого розміру (гиря - міра маси, генератор - міра частоти електричних коливань). Заходи, у свою чергу, поділяють на однозначні та багатозначні.
Однозначна міра-міра, що відтворює фізичну величину одного розміру (плоскопаралельна кінцева міра довжини, нормальний елемент, конденсатор постійної ємності),
багатозначна міра-міра, що відтворює Ряд однойменних фізичних величин різного розміру (лінійка: міліметровими поділками, конденсатор змінної ємності).
Набір заходів - спеціально підібраний комплект заходів, що застосовуються не лише окремо, а й у різних поєднаннях з метою відтворення ряду однойменних величин різного розміру (набір гирь, набір плоскопаралельних кінцевих заходів довжини).
Вимірювальний прилад засіб вимірювання, призначений для вироблення сигналу вимірювальної інформації у формі, доступною для безпосереднього сприйняття спостерігачем. Результати вимірювань видаються відліковими пристроями приладів, які можуть бути шкальними, цифровими та реєструючими.
Шкальні відлікові пристрої складаються з шкали, що являє собою сукупність відміток і чисел, що зображують ряд послідовних значень величини, що вимірювається, і покажчика (стрілки, електронного променя та інших), пов'язаного з рухомою системою приладу.
Позначки шкали з представленими числовими значеннями називають числовими відмітками шкали. Основні характеристики шкали - довжина розподілу шкали, що виражається відстанню між осями двох сусідніх штрихів шкали, і ціна розподілу шкали, що представляє значення вимірюваної величини, що викликає переміщення покажчика на один розподіл.
Прийнято також виділяти поняття: діапазон вимірів та діапазон показань.
Діапазон вимірювань є частиною діапазону показань, для якого нормовані межі похибок засобів вимірювань, що допускаються. Найменше та найбільше значення діапазону вимірювань називають відповідно нижньою та верхньою межами вимірювань.
Значення величини, що визначається по відлікового пристрою засобу вимірювань і виражене в одиницях прийнятих цієї величини, називають показанням засобу вимірювань.
Виміряне значення визначається або шляхом множення кількості поділів шкали на ціну розподілу шкали або множенням числового значення, ліченого за шкалою, на постійну шкалу.
В даний час поширення мають або механічні, або світлові цифрові відлікові пристрої.
Реєструючі відлікові пристрої складаються з друкарського механізму та стрічки. Найпростіший пристрій є перо, заповнене чорнилом, що фіксує результат вимірювання на паперовій стрічці. У складніших пристроях запис результату вимірювань може проводитися світловим або електронним променем, переміщення якого залежить від значень вимірюваних величин.
Студенти, аспіранти, молоді вчені, які використовують базу знань у своєму навчанні та роботі, будуть вам дуже вдячні.
1. Основні поняття та визначення в інформаційно-вимірювальних процесах
Що таке вимір, контроль, випробування, чим вони відрізняються один про одного за змістом і що є спільного?
Вимірюванням називається перебування досвідченим шляхом значення фізичної величини (ФВ) за допомогою спеціальних технічних засобів. Метою вимірювання є отримання інформації про вхідний (вимірюваної) величині з вихідного сигналу засобу вимірювання (СІ) з урахуванням його властивостей і характеристик.
Схема проходження інформації показано малюнку 1.
Малюнок 1.
Випробування згідно з ГОСТ 16504-81 експериментальне визначення кількісних та/або якісних характеристик властивостей об'єкта випробувань як результату впливу на нього при його функціонуванні, при моделюванні об'єкта та/або впливів. При випробуваннях. Як правило, використовуються засоби вимірювання, інші технічні пристрої, речовини та/або матеріали.
Контроль називають перевірку відповідності виробу, процесу чи послуги встановленим вимогам. Контроль, зазвичай, проводять у два етапи. У першому етапі визначають значення контрольованої характеристики (кількісної - шляхом виміру), другого - порівнюють отримане значення з нормою. Іноді обидва етапи поєднуються в одній дії. Наприклад, під час контролю розмірів деталей калібрами. Таким чином, контроль - це перевірка відповідності нормі. Норма встановлюється заздалегідь, а перевірка відповідності їй закінчується прийняттям рішення: "відповідає, відповідає"; "придатний виріб-шлюб" і т.п.
Наявність норми передбачає градацію кількісної характеристики будь-якої якості та зумовлює можливість прийняття рішення.
Аналізуючи процедури та завдання «вимірювання» «контролю» та «випробувань», можна встановити їх взаємозв'язок, який показано на малюнку 2.
Малюнок 2. Взаємозв'язок понять «вимірювання», «контроль» та «випробування»
Вимір може бути як частиною проміжного перетворення у процесі контролю, так і остаточним етапом отримання інформації під час випробування. Випробування є етапом отримання первинної інформації в процесі контролю за допомогою вимірювальних операцій.
Що таке «єдність вимірів»?
Практично у всіх сферах людської діяльності доводиться мати справу з вимірами фізичних величин та забезпеченням їхньої єдності. Значення єдності виміру настільки високо, що у Росії видано спеціальний закон «Про забезпечення єдності вимірів» /1/..
Єдність вимірів- це такий стан вимірів, у якому їх результати виражені в узаконених одиницях, а похибки вимірів відомі із заданою ймовірністю.
Єдність вимірювань необхідна для того, щоб можна було зіставляти результати вимірювань, виконаних у різних місцях, у різний час різними засобами вимірювань. Воно є важливим як усередині країни, і у взаємодії між країнами. Прикладом цього може бути те, що показники якості імпортних товарів перевіряються у країнах, де вони реалізуються.
Які величини підлягають вимірам?
Величини, якими оперує людина насправді можна розділити на два виду, як показано малюнку 3.
Рисунок 3. Класифікація величин
У курсі «Методи і засоби вимірювань, випробувань і контролю», що вивчається, ми маємо справу з фізичними величинами, властивими конкретним предметам, явищам, процесам тобто, величинами, обмеженими розмірами і такими, що є вимірюваними. Вимірюваною фізичною величиною вважається величина, на яку можна вибрати одиницю вимірювань і втілити цю одиницю у засобі вимірювань.
Що таке «фізична величина» та «фізичний параметр»?
Відповідно до РМГ 29-99 /2/ фізична величина (ФВ)одна з властивостей фізичного об'єкта (фізичної системи, явища або процесу), загальна у якісному відношенні для багатьох фізичних об'єктів, але індивідуальна у кількісному відношенні для кожного з них.
Розмір ФВ - кількісне зміст у цьому об'єкті якості, відповідного поняттю «фізична величина». Розглядаючи предмети А і Б, різні по одному з їх фізичних властивостей (наприклад за вагою), про них можна говорити, що вони різного розміру (ваги) і відрізняються один від одного (А>Б або А<Б).
Значення ФВ - Вираз розміру ФВ у вигляді деякого числа прийнятих для неї одиниць. Значення ФВ виходить у результаті її виміру чи обчислення відповідно до основним рівнянням виміру.
Q ізм = AU,
де Qізм- Значення ФВ;
А- чисельне значення фізичної величини, що вимірюється, виражене в прийнятій одиниці;
U- Вибрана одиниця ФВ.
Чисельне значення ФВ - абстрактне число, що входить до значення величини ФВ. Наприклад: L = 20 мм, де 20 чисельне значення.
У практиці вимірювань часто має місце вимір не ФВ, а фізичних параметрів.
Фізичний параметр (Коротко - параметр) - ФВ, що розглядається при вимірі іншої фізичної величини як допоміжна. Фізичний параметр характеризує окрему особливість вимірюваної фізичної величини. НаприкладПри вимірюванні напруги змінного струму, амплітуду і частоту цього струму розглядають як параметри напруги.
Що називається «істинним» та «дійсним» значеннями фізичної величини?
Справжнє значення ФВ - значення ФВ, яке ідеальним чином відображало б у якісному та кількісному відношенні існуючу ФВ. Це поняття з поняттям «абсолютна істина», що у реальності неможливо.
Справжнє значення ФВ - значення ФВ знайдене експериментальним шляхом і настільки близьке до справжнього значення, що для поставленого вимірювального завдання може його замінити. При багаторазових вимірах за дійсне значення набувають середнього арифметичного значення з ряду виміряних значень величини. При одноразових вимірах - значення величини, отримане в результаті вимірів найточнішими СІ.
Що таке розмірність фізичної величини та як вона визначається?
Розмірність - формалізоване відображення якісної відмінності фізичних величин є їх . Розмірність позначається символом dim, що походить від слова dimension, яке залежно від контексту може перекладатися як і розмір, як і розмірність.
Розмірність основних фізичних величин позначається відповідними великими літерами. Для довжини, маси та часу, наприклад,
dim l = L; dim m = M; dim t = Т.
При визначенні розмірності похіднихвеличин керуються такими правилами:
1. Розміри правої та лівої частин рівняння що неспроможні не збігатися, т.к. порівнюватися між собою можуть лише однакові властивості. Таким чином, алгебраїчно можуть сумуватися лише величини, що мають однакові розмірності.
2. Алгебра розмірностей мультиплікативна, тобто. складається з однієї єдиної дії множення.
2.1. Розмірність добутку кількох величин дорівнює добутку їх розмірностей. Так, якщо залежність між значеннями величин Q, А, В, має вигляд Q=АВС, то
dim Q = dim AЧdim ВЧdim З.
2.2. Розмірність частки при розподілі однієї величини в іншу дорівнює відношенню їх розмірностей, тобто. якщо Q=A/B , то
dim Q = dim A/dim В.
2.3. Розмірність будь-якої величини, зведеної на деякий ступінь, дорівнює її розмірності в тій же мірі. Так, якщо Q=A n то
dim Q = dim A = dim n A.
Наприклад, якщо швидкість визначати за формулою V = S/t, то
dim V = dim S/dim t = L/T=LT-1.
Якщо сила за другим законом Ньютона F = ma де a = V/t - прискорення тіла, то
dim F = dim m dim a = ML/T 2 = MLT -2.
Таким чином, завжди можна виразити розмірність похідної фізичної величини через розмірності основних фізичних величин за допомогою статечного одночлена:
де L, М, Т - розмірності відповідних основних фізичних величин; , - показники ступеня розмірності.Кожен із показників ступенів розмірності може бути позитивним чи негативним, цілим чи дробовим числом, нулем.
Якщо всі показники розмірності дорівнюють нулю, то така величина називається безрозмірною.Вона може бути відносною,визначається як відношення однойменних величин (наприклад, відносна діелектрична проникність), та логарифмічній,визначається як логарифм відносної величини (наприклад, логарифм відношення потужностей чи напруг).
Теорія розмірності повсюдно застосовується оперативної перевірки правильності формул (за правилом 1). Формальне застосування алгебри розмірності іноді дозволяє визначити невідому залежність між фізичними величинами.
Що таке одиниця вимірів фізичної величини?
Одиниця вимірів фізичної величини фізична величина фіксованого розміру, якій умовно присвоєно числове значення, що дорівнює одиниці, і застосовується для кількісного вираження однорідних із нею фізичних величин. Одиниці вимірів деякої величини можуть відрізнятися за своїм розміром, наприклад, метр, фут і дюйм, як одиниці довжини, мають різний розмір: 1 фут = 0,3048 м, 1 дюйм = 0,254 м.
Що таке система одиниць фізичних величин?
Для забезпечення єдності вимірів з 1.01.82 року в нашій країні введено в дію ГОСТ 8.417-81 ДСМ «Одиниці фізичних величин». Стандарт відповідає вимогам міжнародної системи одиниць (СІ) та містить:
Одиниці СІ (основні, додаткові, похідні);
Позасистемні одиниці, що допускаються нарівні з одиницями СІ та у поєднанні з ними;
Правило утворення кратних та дольних одиниць;
Найменування одиниць, їх позначення та інші положення.
Стандарт не поширюється на одиниці, що застосовуються у науково-дослідних роботах та в публікаціях їх результатів, а також на одиниці величин, що оцінюються за умовними шкалами (шкалами твердості металів, землетрусу, хвилювання моря, світлочутливості тощо).
Таким чином, зістема одиниць фізичних величин сукупність основних та похідних одиниць фізичних величин, утворена відповідно до принципів для заданої системи фізичних величин. Наприклад, Міжнародна система одиниць (СІ), прийнята 1960 р.
Що є основні одиниці системи СІ?
Основна одиниця системи одиниць фізичних величин одиниця основної фізичної величини у цій системі одиниць.
Основними одиницями Міжнародної системи СІ є: метр, кілограм, секунда, ампер, градус Кельвіна, канделла, моль.Під час виборів цих одиниць керувалися лише практичної доцільністю, тобто. зручністю застосування одиниць у діяльності людини.
Метр - одиниця довжини, що дорівнює шляху, що проходить у вакуумі світлом за 1/299792458 частку секунди. Спочатку метр був визначений як довжина 1/40000000 частки довжини Паризького меридіана і відтворювався як відстань між ризиками, нанесеними на платиновому, а пізніше платиноїрідієвому брусі Х-подібного перерізу. Але ця величина виявилася нестабільною, тому метр стали виражати за допомогою довжини хвилі випромінювання червоної лінії кадмію, а в даний час – оранжевої лінії випромінювання атома криптону-86. 1 метр відповідає 1650763,73 довжин хвиль випромінювання у вакуумі, що відповідає переходу між рівнями 2p 10 і 5d 5 атома Kr-86.
Метр визначають непрямими методами на радіометричних мостах. Вони складаються з ряду послідовно розташованих радіотехнічних генераторів та лазерів з множенням частоти між ними. На вхід подається еталонна частота 5 МГц від генератора, синхронізованого через систему помножувачів частоти з водневими генераторами зразка часу та частоти, відкаліброваних по цезієвому реперу частоти. Міст множить цю частоту до значення близько 1 * 1014 Гц. Завдання його – вимірювати частоти стабілізованих лазерів. Знаючи їх, обчислюють довжини хвиль їхнього випромінювання та за допомогою оптичних інтерферометрів атестують та повіряють різні заходи довжини.
Кілограм - одиниця маси, що дорівнює масі 1,000028 дм 3 води при температурі її найбільшої густини 4 єС.
Еталон кілограма у Росії є циліндр висотою і діаметром по 39 мм із закругленими ребрами. Ведуться роботи з визначення кілограма через Вольт та Ом за допомогою звернених ампер-ваг.
Секунда - одиниця часу, що дорівнює 9192631770 періодам випромінювання, що відповідає переходу між двома надтонкими рівнями основного стану атома цезію-133. Еталон секунди встановлено у 1967 р. Він заснований на здатності атомів випромінювати та поглинати енергію під час переходу між двома енергетичними станами в галузі радіочастот. Репер, або квантовий стандарт частоти, є пристроєм для точного відтворення частоти електромагнітних коливань в надвисокочастотних і оптичних спектрах, заснований на вимірюванні частоти квантових переходів атомів, іонів або молекул. У пасивних квантових стандартах використовуються частоти спектральних ліній поглинання, в активних - вимушене випромінювання фотонів частинками. Застосовуються активні квантові стандарти частоти на пучку молекул аміаку (так звані молекулярні генератори) та атомів водню (водневі генератори). Пасивні стандарти частоти – на пучку атомів цезію (цезієві репери частоти)
Для відтворення секунди використовуються цезієві генератори (еталони) частоти – це високостабільні генератори монохроматичного випромінювання (сигналу) із частотою 9192631770 Гц; похибка частоти вбирається у 1,5*10 -13 . У національному стандарті Росії застосовуються водневі генератори періодично злічувані з цезиевыми, їх довгострокова частота не постульована, але нестабільність менше 3*10 -14 . крім того еталон містить апаратуру формування та зберігання шкал часу. Основна шкала ТА - рівномірного атомного часу з фіксованим нулем, не пов'язаним із обертанням та положенням у просторі Землі. Інші шкали: UT0 – всесвітнього часу (середня сонячна «с»); UT1 із поправкою на коливання полюсів землі; UT2 – з поправкою на сезонну нерівномірність обертання Землі. Це всесвітні шкали, які поступово розходяться з ТА через уповільнення швидкості обертання Землі. Щоб їх узгодити, введена шкала UTC, в якій 1с utc = 1с та, а початок рахунку може змінюватися на 1с з 1-го числа кожного місяця (1.01 або 1.06). У Росії за шкалою UTC передають сигнали часу по TV або радіо.
Ампер – одиниця сили електричного струму. Ампер дорівнює силі незмінного струму, який, проходячи двома паралельним прямолінійним провідникам нескінченної довжини і мізерно малої площі кругового поперечного перерізу, розташованим у вакуумі на відстані 1 м один від одного, викликав би на кожній ділянці провідника довжиною 1 м силу взаємодії, рівну 2· 10 -7 н.
Як еталони Ампера використовуються ампер-ваги, що реалізують А шляхом вимірювань сили, або шляхом вимірювання моменту сили, що діє на котушку зі струмом, поміщену в магнітне поле іншої котушки. Це точні рівноплечі ваги, виготовлені з немагнітних матеріалів. На одному кінці коромисла підвішена чашка для розміщення постійного та додаткового вантажів, що врівноважують. До іншого кінця коромисла підвішується рухома котушка, що входить коаксіально в нерухому котушку більшого діаметра. Обмотки котушок (у найпростішому випадку) з'єднані послідовно. У знеструмленому режимі ваги врівноважуються. При проходженні через котушки електричного струму рухома котушка втягується в нерухому (або виштовхується з неї). Для відновлення рівноваги служить додатковий вантаж, що врівноважує. За результатами метрологічного дослідження розраховують значення маси цього вантажу, що відповідає, наприклад, силі електричного струму 1А. Включивши в ланцюг котушок еталонний резистор, можна відкалібрувати еталонні заходи ЕРС (еталонні заходи сили струму поки що не застосовуються).
Більш точні зразки, засновані на вимірах магнітної індукції шляхом ядерного магнітного резонансу, використовуються поки що лише як вторинних. У 1992 р. у Росії затверджено національний еталон А, розмір якого відтворюється з використанням елементів Вольта та Ома. Середнє квадратичне відхилення (СКО) трохи більше 1·10 -8 , не виключені систематичні похибки (НСП) трохи більше 1·10 -7 (у ампер-ваг CKO?4·10 -6 , HCП?8·10 -6).
Кельвін - одиниця термодинамічної температури, що дорівнює 1/273,16 частини термодинамічної температури потрійної точки води. Потрійна точка води - це стан води в запаяній скляній посудині, при якій лід, вода та її пари перебувають у рівновазі: вода не замерзає, не випаровується, лід не тане, пара не конденсується.
Державні первинні зразки Росії відтворюють міжнародну градусну шкалу МГШ-90 у двох піддіапазонах: 0,8 ... 273,16 К і 373,16 ... 2773 К. До складу низькотемпературного еталона в якості основної його частини входять дві групи залізо-родієвих і платинових термометрів опору , градуювальні залежності яких визначено за результатами звірень результатів, отриманих у лабораторіях Росії, Англії, США, Австралії та Голландії. Кожна група містить два платинових і два залізо-родієві термометри, що постійно знаходяться в блоці порівняння - масивному циліндрі з чотирма поздовжніми каналами для термометрів. Передача шкали термометрам - вторинним та робочим еталонам здійснюється приведенням їх у тепловий контакт з еталонним блоком порівняння та звіренням у кріостаті. Набір контрольної апаратури еталона крім пристроїв для точних вимірювань опорів входить комплект установок для реалізації температур реперних точок, інтерполяційний інтерполяційний термометр з унікальним ртутним манометром і кріостат порівняння. СКО зразка 0,3 ... 1,0 мК, НСП 0,4 ... 1,5 мК найменше значення відтворюваної температури - 0,8 До.
До складу другого еталона входять платинові термометри опору, температурні лампи, апаратура відтворення реперних точок в діапазоні 273,16 ... 1355,77 К, (СКО? 5 · 10 -5 ... 1 · 10 -2; НСП? 1 · 10 - 45 …10 -3). Встановлено такі співвідношення за різними температурними шкалами:
шкалі Цельсія: С = К = t З +273,16
шкалою Реомюра:1R=1,25 C; t З =1,25 t R; T = 1,25 t R +273,16
шкалою Фаренгейта: 1F=5/9C=5/9K; t =5/9(t F -32); T = 5/9 (t F -32) +273,16
Канделла - одиниця сили світла, рівна силі світла в заданому напрямку джерела, що випромінює монохроматичне випромінювання частотою 540 10 12 Гц, енергетична сила світла якого в цьому напрямку становить 1/683 Вт/пор. Ініціаторами запровадження цієї одиниці були астрономи. У державному зразку світло випромінюється з певної поверхні твердіє платини за певних зовнішніх умов і сприймається первинним фотометром, створеним на основі неселективного радіометра, спектральна чутливість якого скорельована на спеціальному фільтрі під функціональну залежність від довжини хвилі. Еталон відтворює одиницю сили світла в діапазоні 30 ... 110 кд з СКО? 0,1 10 -2 і НСП 0,25 10 -2 .
Моль - одиниця кількості речовини, що дорівнює кількості речовини, що містить стільки ж структурних елементів (атомів, молекул), скільки їх міститься в 0,012 кг вуглецю-12. Еталони моля ніколи не створювалися, оскільки маса одного моля різних речовин або структур, чисельно рівна числу Авогадро - 6,025 · 10 23 частинок; засоби вимірювань, відградуйовані в молях, не випускаються. Є обґрунтовані пропозиції виключити моль із основних одиниць СІ та допустити його до застосування нарівні з одиницями СІ як спеціальну одиницю маси, зручну для хімічних розрахунків.
Еталонна база Росії має 114 державних еталонів та понад 250 вторинних еталонів одиниць ФВ. З них 52 перебувають у ВНДІМ ім. Д.І.Менделєєва (С.-Пб.), в т.ч. зразки м, кг, А, До, рад; 25 - у ВНДІФТРІ (фізико-технічних та радіотехнічних вимірювань, м.Москва, в т.ч. еталони одиниць часу та частоти; 13 - у ВНДІ оптико-фізичних вимірювань у т.ч. канделли; відповідно 5 та 6 - в Уральському та Сибірське НДІ метрології.
Що таке похідні одиниці СІ?
Похідна одиниця системи одиниць фізичних величин - одиниця похідної фізичної величини системи одиниць, утворена відповідно до рівняння, що зв'язує її з основними одиницями або з основними і вже певними похідними.
Похідні одиниці СІ утворюються з основних, додаткових і раніше утворених похідних одиниць СІ за допомогою рівнянь зв'язку між фізичними величинами, в яких числові коефіцієнти дорівнюють одиниці. Для цього величини у правій та лівій частинах рівняння зв'язку приймають рівними одиницям СІ. Наприклад, для похідної одиниці швидкості, яка визначається з рівняння v = L/T, записують рівняння одиниць [v] = [L] /[T], а замість символів Lі T підставлять їх одиниці (1 м і 1 с) і отримують [V ]=1 м/1 с = 1 м/с. Це означає, що одиницею швидкості СІ є метр в секунду. Похідним одиницям можуть надаватися найменування на честь відомих учених. Так, рівняння зв'язку між величинами визначення одиниці тиску p=F/S, рівняння зв'язку між одиницями тиску, сили і площі [р]= [F]/[S]. Підставивши замість Fі S одиниці цих величин СІ (1 Н і 1 м 2), отримаємо [р] = 1 н / 1 м 2 = 1 Н / м 2 . Цій одиниці присвоєно найменування – паскаль (Па) на ім'я французького математика та фізика Блеза Паскаля.
Що таке кратні та подільні одиниці, і які правила їхньої освіти?
На XI Генеральній конференції з мір і ваг разом із прийняттям СІ було прийнято 12 кратних і дольних приставок, до яких на наступних конференціях були додані нові. Приставки дали можливість утворювати десяткові кратні та подільні одиниці від одиниць СІ.
Кратна одиниця фізичної величини одиниця фізичної величини, в ціле число разів більша від системної або позасистемної одиниці. Наприклад, одиниця довжини 1 км (кілометр) = 10 3 м, тобто кратна метру; одиниця частоти 1 МГц (мегагерц) = 106 Гц, кратна герцю; одиниця активності радіонуклідів 1 МБк (мегабеккерель) = 106 Вк, кратна беккерел.
Частка одиниця фізичної величини - одиниця фізичної величини, в ціле число разів менша від системної або позасистемної одиниці.
Назви кратних та дольних одиниць утворюються за допомогою приставок, наведених у таблиці 3.
Таблиця 3 - Множники та приставки до одиниць СІ
Що таке "позасистемна одиниця фізичної величини"?
Позасистемна одиниця фізичної величини - одиниця ФВ, яка не входить до жодної з прийнятих систем одиниць. По відношенню до одиниць СІ позасистемні одиниці фізичної величини поділяються на чотири види: допустимі нарівні з основними одиницями; що допускаються до застосування у спеціальних областях; застарілі (неприпустимі); тимчасово допустимі.
До позасистемних одиниць, що допускаються нарівні з одиницями СІ , відносяться: Тонна - одиниця маси; градус, хвилина, секунда – одиниця плоского кута; літр – одиниця місткості; хвилина, доба, тиждень, місяць, рік, вік – одиниці часу.
До позасистемних, що допускаються до застосування у спеціальних областях, одиницям відносяться: у фізиці – електрон-вольт; у сільському господарстві – гектар; в астрономії – світловий рік; в оптиці – діоптрія.
До позасистемних одиниць, які тимчасово застосовуються нарівні з одиницями СІ, відносяться: в морській навігації: - морська миля - одиниця довжини; вузол – одиниця швидкості; для дорогоцінного каміння одиниця маси - карат; в інших областях: оборот за хвилину (об/хв) - одиниця частоти обертання; бар (бар) – одиниця тиску.
Одиниці, які тимчасово застосовуються, повинні вилучатися (і вилучаються) із вживання відповідно до міжнародних угод.
До позасистемних одиниць, вилучених із вживання відносяться: кілограм-сила - одиниця сили, ваги; центнер – одиниця маси; кінська сила - одиниця потужності та ін.
Що таке вимір?
Вимірювання фізичних величин являє собою сукупність операцій із застосування технічного засобу, що зберігає одиницю фізичної величини, що забезпечує знаходження співвідношення (у явному та неявному вигляді) вимірюваної величини з її одиницею та отримання значення цієї величини.
Результат виміру записується у вигляді загального рівняння вимірів:
Q змін = n [Q],
де Q ізм - Вимірювана фізична величина; п -кількість одиниць; [Q] – одиниця фізичної величини.
Примітка.Оскільки вимірюються як фізичні величини, має місце й інше трактування поняття «вимірювання». Вимірювання - сукупність операцій, що виконуються з метою визначення значення величини. Тут визначення поняття "вимір" не обмежується знаходженням значення фізичної величини, немає згадки про технічні засоби. Дане трактування поняття підходить як до фізичних, так і до нефізичних величин. Отже, до вимірів можна віднести різні види кількісного оцінювання величин.
Як класифікуються виміри?
При всьому різноманітті вимірів їх можна класифікувати за шістьма ознаками.
За ознакою 1 залежності вимірюваної величини від часу, виміри поділяються на статичні та динамічні.
Статичний вимір вимірювання ФВ, що приймається у відповідність до конкретної вимірювальної задачі за незмінну протягом часу вимірювання. Наприклад, вимір постійної напруги електричного струму. Вимір розмірів земельної ділянки.
Динамічний вимір - Вимір змінюється за розміром фізичної, величини. Наприклад, вимірювання висоти літака, що знижується, тобто при безперервній зміні розміру вимірюваної величини; вимір змінної напруги електричного струму.
За ознакою 2 - точності результатів вимірів, виміри діляться на рівноточні та нерівноточні.
Рівноточні виміри - Виміри величини, що виконуються однаковими за точністю засобами вимірювань, в одних і тих же умовах, одним оператором, з однаковою ретельністю і одним і тим самим числом вимірювань.
Нерівноточні виміри - Виміри величини, що виконуються засобами вимірювань, що розрізняються по точності, в різних умовах, різними операторами, з різним числом вимірювань. Щоб результати вимірів вийшли нерівноточними, часто достатньо одного з перелічених чинників.
За ознакою 3 умов, що визначають точність результату, вимірювання поділяються на технічні та метрологічні.
Технічні виміри вимірювання за допомогою робочих засобів вимірів. Технічні виміри виконуються з метою контролю та управління технологічними процесами, науковими експериментами, діагностики захворювань тощо. Прикладом технічних вимірювань є вимірювання швидкості руху автобуса, літака тобто будь-якого тіла, що рухається.
Метрологічні виміри це вимірювання, що виконуються за допомогою еталонів та зразкових засобів вимірювань з метою відтворення одиниць фізичних величин або передачі їх розміру робочим засобам вимірів. Наприклад, перевірка або калібрування робочих гирь 2-го класу точності згідно з перевірочною схемою, виконується зразковими гирями 1-го розряду на терезах 1-го розряду. Такі виміри виробляються з метою встановлення точності еталонів та робочих засобів вимірів, тобто є метрологічними. Метрологічні вимірювання поділяються на вимірювання максимально можливої точності та контрольно-перевірочні вимірювання.
За ознакою 4 числу вимірювань, що виконуються для отримання результату, виміри діляться на одноразові (звичайні) та багаторазові (статистичні).
Одноразовий вимір це вимір, виконаний один раз. Наприклад, Вимірювання конкретного моменту часу по годинах.
Багаторазові виміри це вимір однієї й тієї ж фізичної величини постійного розміру, результат якої одержують із кількох наступних один за одним вимірів, тобто вимір, що складається з ряду одноразових вимірів. За результат багаторазового вимірювання зазвичай приймають середньоарифметичне значення результатів одноразових вимірювань, що входять в ряд. Багаторазовим вважають вимір за числі окремих вимірів n > 4.
За ознакою 5 - способу отримання результату (по виду), виміри поділяються на прямі, непрямі, сукупні та сумісні.
Прямий вимір це вимір, у якому шукане значення фізичної величини отримують безпосередньо з дослідних даних. Наприклад, вимірювання швидкості машин спідометром, вимірювання кута кутоміром, вимірювання сили струму амперметром.
Непрямий вимір є визначення фізичної величини на підставі результатів прямих вимірювань інших фізичних величин, функціонально пов'язаних з шуканою величиною. Наприклад, довжина гіпотенузи прямокутного трикутника (с) може бути визначена шляхом прямих вимірювань двох катетів (а та b), які математично пов'язані з гіпотенузою формулою:
Сукупні виміри це виміри кількох однойменних величин, що проводяться одночасно. У цьому шукані значення величин визначають шляхом розв'язання системи рівнянь, одержуваних при вимірі цих величин різних станах.
Спільні виміри це вимірювання двох або кількох не однойменних величин, що проводяться одночасно, для визначення залежності між ними.
Основні рівняння при сукупному та спільному вимірах мають вигляд:
де у 1 ... у n- Шукані величини;
x 1 ...х m- параметри чи величини, встановлені з урахуванням прямого чи непрямого виміру;
F 1 ... F n- Відомі функції зв'язку.
відомий функціональний зв'язок виду:
тобто, відомий зв'язок між опором R t при будь-якій температурі, складовими R 0 при t=0 і постійними коефіцієнтами.
При трьох відомих значеннях t1, t2, t3 вимірюються R tl , R t 2 , R t 3 .
Складаємо рівняння:
Отримувана система рівнянь вирішується, оскільки кількість рівнянь дорівнює числу невідомих.
За ознакою 6 способу вираження результату вимірювань, виміри поділяються на абсолютні та відносні.
Абсолютний вимір це вимір, заснований на прямих вимірах однієї чи кількох величин її одиницях.
Поняття абсолютне вимір застосовується як протилежне поняттю відносне вимір.
Відносний вимір вимір відношення величини до однойменної величини, що грає роль одиниці, або вимірювання зміни величини по відношенню до однойменної величини, що приймається за вихідну.
Наприклад, вимір сили електричного струму амперметром, коли результат виміру виражається в одиниці вимірюваної величини (в амперах) є прямим виміром.
Вимірювання на двочашкових вагах маси, значення якої більше межі вимірювання за шкалою ваг, є відносним. На шкалі ваг буде показання, що відповідає різниці вимірюваної маси і маси вихідної гирі, меншої зважується, що встановлюється на гировий майданчик.
Який зв'язок між поняттями «методика», «метод» та «принцип» вимірів?
Кожен вимірювальний процес, незалежно від мети його проведення та кінцевого результату, складається з наступних основних етапів: підготовки до вимірювань, виконання вимірювань, обробки результатів вимірювань. Для того щоб забезпечити належну якість вимірювань, кожен етап вимірювального процесу необхідно виконувати відповідно до встановлених правил, визначених методикою виконання вимірювань.
Методика виконання вимірювань це встановлена сукупність операцій та правил при вимірі, виконання яких забезпечує отримання необхідних результатів вимірювань відповідно до даного методу.
Методика вимірів передбачає: аналіз вимірювального завдання; вибір принципу, методу та засоби вимірювань; підготовку засобу вимірів до роботи; вимог до умов вимірів; проведення вимірів із зазначенням їх числа; обробку результатів вимірювань, включаючи обчислення, запровадження поправок та способи вираження похибок.
Зазвичай методика вимірів регламентується будь-яким нормативно-технічним документом. Багато методик вимірювань уніфіковані, оскільки їх уніфікація має важливе значення у забезпеченні єдності вимірів.
Вибір принципу та методу вимірювання проводиться на підставі аналізу вимірювального завдання, при якому вирішуються такі питання: які фізичні величини та параметри об'єкта підлягають виміру; якої точності має бути результат виміру; у якій формі його слід уявити, щоб це відповідало меті вимірювального завдання.
Принцип вимірів це фізичне явище чи ефект, покладені основою вимірів тим чи іншим типом засобу виміру.
Наприклад, згідно з явищем Зеєбека, у замкнутому електричному ланцюзі, утвореному двома різнорідними провідниками, виникає термо-е.д.с. постійного струму, пропорційна різниці температур кінців спаяних провідників. Розмір цієї термо-е.д.с. може бути представлена функцією E ab= f(t a- t b) , де t aі t bтемпература кінців спаяних провідників Аі У. Це фізичне явище покладено основою вимірювань температури термопарами.
Метод виміру й прийом або сукупність прийомів порівняння вимірюваної фізичної величини з її одиницею відповідно до принципу вимірювання, що реалізується. Методи вимірів - це способи вирішення вимірювальних завдань, що характеризуються їх теоретичними обґрунтуваннями та розробкою основних прийомів застосування засобів вимірів. Методи виміру дуже різноманітні. Їхня поява зумовлена науково-технічним прогресом.
Класифікація основних методів вимірів наведено малюнку 5. Класифікаційною ознакою у такому поділі методів вимірів є наявність чи відсутність при вимірі заходи. У зв'язку з цим методи вимірювань діляться на метод безпосередньої оцінки та метод порівняння з мірою.
Метод безпосередньої оцінки (відліку) метод вимірів, у якому значення ФВ визначається безпосередньо з відлікового пристрою вимірювального засобу (рисунок 6).
Метод порівняння із мірою метод вимірювань, в якому вимірювану величину порівнюють з величиною, що відтворюється мірою.
Метод порівняння, в залежності від наявності або відсутності при порівнянні різниці між вимірюваною величиною і величиною, що відтворюється мірою, поділяється на нульовий та диференціальний методи.
Нульовий метод вимірів метод порівняння з мірою, у якому результуючий ефект впливу вимірюваної величини та заходи на порівняльний прилад доводять до нуля (рисунок 7).
Диференціальний метод вимірів метод вимірювань, при якому вимірювана величина порівнюється з однорідною величиною, що має відоме значення, спочатку відрізняється від вимірюваної величини і при якому вимірюється різниця між цими двома величинами.
Вимірювання нульовим та диференціальним методами можуть здійснюватися методами протиставлення, заміщення, збігу.
Метод протиставлення метод порівняння з мірою, у якому вимірювана величина та величина, що відтворюється мірою, одночасно впливають на засіб порівняння, за допомогою якого встановлюються співвідношення між цими величинами (рисунок 8,а).
Метод заміщення - метод порівняння з мірою, в якому вимірювану величину замінюють мірою відомої величини (малюнки 7, б і 8, б).
Метод збігу (метод – «ноніуса») - метод порівняння з мірою, в якому різницю між вимірюваною величиною і величиною відтворюваним мірою, вимірюють, використовуючи збіг позначок шкали або періодичних сигналів.
Метод безпосередньої оцінки.
Вага вантажу X визначається з урахуванням вимірювального перетворення за значенням - деформації пружини.
Малюнок 6. Схема виміру методом безпосередньої оцінки.
Методи порівняння із мірою.
Вантаж X врівноважується гирями.
Малюнок 7. Схеми виміру нульовим методом:
а) метод протиставлення; б) спосіб заміщення.
Малюнок 8. Схеми вимірів диференціальним методом:
З наведених на малюнках 7 і 8 схем випливає, що відмітною ознакою зазначених методів є одночасно вплив виміряної величини і заходи. При методі заміщення вимірювана величина (об'єкт вимірювання) та міра впливають на засіб вимірювання по черзі.
2 . Умови вимірювань
З якою метою та як нормують умови вимірювань?
У ході вимірювань, поряд з фізичною величиною, що вимірюється, беруть участь інші ФВ, дія яких можуть спотворити результат вимірювання. Ці супутні величини називають такими, що впливають і до них, в першу чергу, відносять: температуру навколишнього середовища, атмосферний тиск, вологість, амплітуду і частоту коливань при вібрації, напругу і частоту змінного струму, магнітну індукцію і т.д. У процесі вимірювань зміна значень впливають величин вкрай небажано, оскільки це призводить до зниження точності вимірювання.
Для підвищення точності вимірювань значення впливуючих величин нормують. При цьому для кожного виду вимірювань встановлюють сукупність величин, що впливають, і їх значення.
Як нормальні значення деяких впливових величин приймають:
Температуру навколишнього повітря (20±2) °З;
Барометричний тиск (101,325+3,3) кПа;
Напруга живлення (22010),
Частота змінного струму (505) Гц і т.д.
На нормальні значення впливу величин зазвичай розраховують основну (граничну) похибку засобів вимірювань, до них наводять результати вимірювань, виконаних у різних умовах.
Межі нормальних значень впливають величини визначені ГОСТ 8.395-80 «Нормальні умови при перевірці».
Нормальні умови застосування засобів вимірів є робочими умовами. Для кожного виду засобів вимірювань у стандартах чи технічних умовах встановлюють розширену (робочу) область значень впливових величин, у межах якої нормують значення додаткової похибки.
В якості робочої області значень впливових величин набувають, наприклад:
Температуру навколишнього середовища від 5 до 50 ° С (-50 до +50 ° С);
відносна вологість від 30 до 80% (або від 30 до 98%);
Напруга живлення від 187 до 242В і т.д.
У робочих умовах можуть мати місце зовнішні явища, вплив
яких не безпосередньо впливає на показання приладу (вихідний сигнал перетворювача), але можуть бути причиною псування і порушення працездатності блоків засобів вимірювань (агресивні гази, пил, вода і т.д.). Від впливу цих факторів засоби вимірювання захищають за допомогою захисних корпусів, чохлів і т.п. Крім цього на засоби вимірювань можуть впливати зовнішні механічні сили (вібрація, тряска, удари), що призводять до спотворення їх показань та неможливості здійснення звіту. Засоби вимірювань, що працюють в умовах механічного впливу, захищають спеціальними пристроями від руйнівної дії або збільшують їхню міцність.
Залежно від ступеня захищеності від зовнішніх впливів та стійкості до них прилади та перетворювачі поділяються на звичайні, вібростійкі, пилозахищені, бризкозахисні, герметичні, газо-захищені, вибухозахищені тощо. Це дає можливість вибирати СІ стосовно робочих умов.
Що є засоби вимірювань?
Засіб вимірювань - це технічний засіб (або комплекс технічних засобів), призначений для вимірювань, що має нормовані технічні характеристики, що відтворюють та/або зберігають одну або кілька фізичних величин, розміри яких приймаються незмінними протягом відомого проміжку часу (міжповірочного інтервалу).
Говорячи про засоби вимірювання, користуються поняттями: вид СІ, тип СІ.
Вид засобів вимірів - Сукупність засобів вимірювань, призначених для вимірювання цього виду ФВ.
Тип засобів вимірів - сукупність засобів вимірювань, одного і того ж призначення, заснованих на тому самому принципі дії, що мають однакову конструкцію, виготовлених за однією і тією ж технічною документацією, але мають різні модифікації (наприклад, що відрізняються межами вимірювань). Вид засобів вимірювань може включати кілька типів, тип - кілька модифікацій.
Класифікацію засобів вимірювань можна проводити за різними ознаками. У метрології СІ прийнято класифікувати за видом, принципом дії та метрологічним призначенням (рисунок 10).
Всі засоби вимірювань ділять на два види: заходи та вимірювальні пристрої. У свою чергу останні, залежно від форми подання вимірювальної інформації поділяються на вимірювальні перетворювачі, вимірювальні прилади, вимірювальні установки та вимірювальні системи.
міра - засіб вимірювання, призначений для відтворення та/або зберігання ФВ одного або декількох заданих розмірів, значення яких виражені в обумовлених одиницях і відомі з необхідною точністю. Розрізняють такі різновиди заходів:
- однозначний захід- міра, що відтворює фізичну величину одного розміру (наприклад, гиря 1кг);
- багатозначний захід- міра, що відтворює фізичну величину різних розмірів (наприклад, штрихова міра довжин - лінійка);
- набір заходів- Комплект заходів різного розміру однієї і тієї ж фізичної величини, призначених для вимірювання на практиці як окремо, так і в різних поєднаннях (наприклад, набір кінцевих заходів);
- магазин заходів- набір заходів, конструктивно об'єднаних в єдиний пристрій, в якому є пристрої для їх з'єднання в різних комбінаціях (наприклад, магазин електричних опорів).
Вимірювальний перетворювач - засіб вимірів, що служить для перетворення вимірюваної величини в іншу величину або вимірюваний сигнал, зручний для обробки, зберігання, подальших перетворень, індикації або передачі, але не піддається безпосередньому сприйняттю спостерігачем.
Вимірювальний прилад - засіб вимірювань, призначений для вироблення сигналу про значення фізичної величини, що вимірюється в обумовленому діапазоні у формі, доступної для безпосереднього сприйняття спостерігачем.
Вимірювальна установка - сукупність функціонально об'єднаних заходів, вимірювальних приладів, вимірювальних перетворювачів та інших пристроїв, призначених для вимірювання однієї або кількох фізичних величин та розташованих в одному місці.
Вимірювальні установки зазвичай використовуються в наукових дослідженнях, що здійснюються в лабораторіях, при контролі якості та метрологічних службах для визначення метрологічних характеристик засобів вимірювань. Вони призначені висновку вимірювальної інформації у формі, зручної безпосереднього сприйняття оператором.
Вимірювальна система - сукупність функціонально об'єднаних заходів, вимірювальних приладів, вимірювальних перетворювачів, ЕОМ, інших технічних засобів, розміщених у різних точках контрольованого об'єкта, з метою вимірювання однієї або декількох фізичних величин, властивих цьому об'єкту, та призначених для вироблення вимірювальних сигналів у формі, зручній для передачі , зберігання, переробки та використання у системах автоматичного управління.
Залежно від призначення вимірювальні системи поділяються на вимірювальні інформаційні, контрольні вимірювальні, вимірювальні керуючі, вимірювальні обчислювальні та ін. Прикладом може бути вимірювальна система теплоелектростанції, що містить велику кількість вимірювальних каналів, датчики яких рознесені в просторі на значну відстань один від одного.
З яких основних частин складаються вимірювальні устрою?
Вимірювальні пристрої (ІУ) складаються з елементів, що виконують функції перетворення вхідного сигналу за формою або видом енергії, заспокоєння коливань, захисту від полів, комутації ланцюгів, подання, обробки інформації і т.д.
До складу вимірювальних пристроїв входять:
- перетворювальний елемент, У якому відбувається одне з ряду перетворень величини;
- вимірювальний ланцюг- Сукупність елементів засобу вимірювань, що утворюють безперервний шлях проходження вимірювального сигналу однієї ФВ від входу до виходу; (Для вимірювальної системи її назвали вимірювальним каналом);
- чутливий елемент- частина вимірювального перетворювача вимірювального ланцюга, що сприймає вхідний вимірювальний сигнал;
- вимірювальний механізм- сукупність елементів засобу вимірювань, які забезпечують необхідне переміщення вказівника (стрілки, світлової плями тощо). Наприклад, для мілівольтметра вимірювальний механізм складається з постійного магніту та рухомої рамки;
- показуючий пристрій- сукупність елементів засобу вимірювань, які забезпечують візуальне сприйняття значень величини, що вимірюється, або пов'язаних з нею величин;
- покажчик- частина показуючого пристрою, положення якої щодо позначок шкали визначає показання засобу вимірювання. Вказівником може бути стрілка, світловий промінь, поверхня стовпчика рідини в термометрі і т.д.
- реєструючий пристрій- Сукупність елементів засобу вимірювань, які реєструють значення вимірюваної або пов'язаної з нею величини.
Які структурні схеми вимірювальних приладів?
Для зручності аналізу різних сполук вимірювальних пристроїв між собою та із засобами автономного управління будь-який вимірювальний пристрій розглядають як перетворювач для перетворення вхідного сигналу (вхідного впливу) Х у вихідний сигнал (відгук) У.
На малюнку 10 наведено структурні схеми вимірювальних приладів, заснованих на методі прямого перетворення (а) - прямої дії, та зворотного перетворення (порівняння) (б) - врівноважує або компенсаційного перетворення. Структурна схема конкретного пристрою повністю визначається шляхом перетворення.
Малюнок 10 – структурні схеми вимірювальних пристроїв: а) прямого перетворення; б) зворотного перетворення (порівняння)
Вимірювальний прилад, що ґрунтується на методі прямого перетворення, працює наступним чином. Вимірювана величина X надходить у чутливий елемент 1, де перетворюється на іншу фізичну величину, зручну для подальшого використання (струм, напруга, тиск, переміщення, сила), і надходить на проміжний елемент 2, який зазвичай посилює надходить сигнал, або перетворює його по формі. Іноді елемент 2 може бути відсутнім. Вихідний сигнал елемента 2 надходить до механізму вимірювання 3, переміщення елементів якого визначається за допомогою відлікового пристрою 4. Вихідний сигнал Y (показання), що формується вимірювальним механізмом, може бути сприйнятий органом почуттів людини.
Відмінною особливістю приладів порівняння є негативний зворотний зв'язок (рисунок 10,б). Сигнал Z, що виникає при виході з чутливого елемента, надходить на перетворювач порівняння 5 (компаруючий елемент), який здатний здійснювати порівняння двох величин, що надходять на його вхід. Крім Z на вхід елемента 5 подається з протилежним знаком, врівноважує сигнал Z ур., який формується на виході зворотного перетворювального елемента 6. На виході елемента 5 формується сигнал, пропорційний різниці значень Z ур. Він надходить у проміжний перетворюючий елемент 2, вихідний сигнал якого надходить одночасно на вимірювальний механізм 3 і на вхід елемента 6. Залежно від типу проміжних перетворень елемента 2 при кожному значенні параметра, що вимірюється, і відповідному йому значенні Z різниця (Z Z ур), що надходить на вхід елемента 5 може зводитися до 0 або мати деяке мале значення, пропорційне вимірюваній величині.
За допомогою яких елементів відлікових пристроїв одержують показання засобів вимірювань?
Показанням називається значення величини або число на пристрої, що показує засоби вимірювань, виражене в прийнятих одиницях цієї величини. Відліковий пристрій є цифровим табло, а частіше - шкалою з покажчиком. Для шкальних відлікових пристроїв прийнято використовувати низку понять, ілюстрованих малюнку 11.
Шкалазасоби вимірювань- частина показувального пристрою, що є впорядкованим рядом відміток разом із пов'язаною з ними нумерацією. Позначки можуть бути рівномірно або нерівномірно в залежності від виду шкали.
Позначка шкали- знак на шкалі засобу вимірів (рисочка, зубець, точка та ін), що становить деяке значення фізичної величини.
Загальні властивості засобів вимірювання, класифікація похибок. Контролює постійні та змінні струми та напруження. Цифрові перетворювачі та прилади, електронні осцилографи. Вимірювання частотно-часових параметрів сигналів телекомунікаційних систем.
курс лекцій, доданий 20.05.2011
Середня квадратична похибка результату виміру. Визначення довірчого інтервалу. Систематична похибка виміру величини. Середньоквадратичне значення напруги. Методика непрямих вимірів. Використання цифрових частотомірів.
контрольна робота , доданий 30.11.2014
Елементи теорії похибок. Виправлення на систематичну похибку. Середнє арифметичне ряду незалежних вимірів напруги. Вимірювання струму та напруги. Відносна похибка розмаху імпульсів. Застосування електронно-променевого осцилографа.
контрольна робота , доданий 17.01.2012
Обробка низки фізичних вимірів: систематична похибка, довірчий інтервал, наявність грубої похибки (промах). Непрямі вимірювання величин з математичною залежністю, температурних коефіцієнтів магнітоелектричної системи.
контрольна робота , доданий 17.06.2012
Вимірювання фізичних величин та класифікація похибок. Визначення похибок при прямих і непрямих вимірах. Графічна обробка результатів вимірів. Визначення відношення питомих теплоємностей газів методом Клемана та Дезорма.
методичка , доданий 22.06.2015
Прямі та непрямі види виміру фізичних величин. Абсолютна, відносна, систематична, випадкова та середня арифметична похибка, середньоквадратичне відхилення результату. Оцінка похибки при обчисленнях, зроблених штангенциркулем.
контрольна робота , доданий 25.12.2010
Суть фізичної величини, класифікація та характеристики її вимірювань. Статичні та динамічні виміри фізичних величин. Обробка результатів прямих, непрямих та спільних вимірів, нормування форми їх подання та оцінка невизначеності.
курсова робота , доданий 12.03.2013
Класифікація засобів вимірів. Поняття структурі заходів-эталонов. Єдина загальноприйнята система одиниць. Вивчення фізичних основ електричних вимірів. Класифікація електровимірювальної апаратури. Цифрові та аналогові вимірювальні прилади.
реферат, доданий 28.12.2011
Вимірювання фізичної величини як сукупність операцій із застосування технічного засобу, що зберігає одиницю фізичної величини. Особливості класифікації вимірів. Відмінності прямих, непрямих та сукупних вимірів. Методи порівнянь та відхилень.
презентація , доданий 02.08.2012
Структурно-класифікаційна модель одиниць, видів та засобів вимірювань. Види похибок, їх оцінка та обробка у Microsoft Excel. Визначення класу точності маршрутизатора, магнітоелектричного приладу, інфрачервоного термометра, портативних ваг.
Уявлення про фізичну величину є повним лише тоді, коли вона виміряна. Потреба у вимірі ФВ виникла на ранній стадії пізнання природи і зростала з розвитком та ускладненням виробничої та наукової діяльності людини. Вимоги до точності виміру ФВ постійно зростають.
Виміряти фізичну величину- Отже порівняти її з однорідною величиною, умовно прийнятою за одиницю виміру.
Виміряти невідому фізичну величину можна двома способами:
а) Прямим виміром називають вимір, у якому значення ФВ визначають безпосередньо з досвіду. До прямих вимірів відносяться, наприклад, вимір маси за допомогою ваг, температури – термометром, довжини – масштабною лінійкою.
б) Непрямим виміром називають вимір, у якому шукане значення ФВ знаходять шляхом прямого виміру інших ФВ виходячи з відомої залежності з-поміж них. Непрямим виміром є, наприклад, визначення густини ρ речовини шляхом прямих вимірювань об'єму Vта маси mтіла.
Конкретні реалізації однієї і тієї ж ФВ називаються однорідними величинами. Наприклад, відстань між зіницями ваших очей та висота Останкінської вежі є конкретні реалізації однієї й тієї ж ФВ – довжини і тому вони є однорідними величинами. Маса стільникового телефону та маса атомного криголама також однорідні фізичні величини.
Однорідні ФВ відрізняються одна від одної розміром. Розмір ФВ – це кількісне зміст у цьому об'єкті якості, відповідного поняттю «фізична величина». Розміри однорідних фізичних величин різних об'єктів порівнювати між собою.
Підкреслимо суттєву відмінність фізичних величин від одиниць їх виміру. Якщо виміряне значення ФВ відповідає питанням «скільки?», то одиниця виміру відповідає питанням «чого?». Деякі одиниці виміру вдається відтворити як якихось тіл чи зразків (гирі, лінійки тощо.). Такі зразки називаються заходами. Заходи, виконані з найвищою досяжною в даний час точністю, називаються еталонами.
Значенням фізичної величини є оцінка фізичної величини як деякого числа прийнятих нею одиниць. Основними одиницями виміру називають довільні одиниці виміру для небагатьох величин (незалежних друг від друга), із якими решта перебувають у певному зв'язку. Слід розрізняти справжнє і дійсне значення фізичної величини
Справжнє значенняФВ – це ідеальне значення ФВ, що існує об'єктивно незалежно від людини та методів її виміру. Однак справжнє значення ФВ нам, як правило, невідоме. І впізнати його можна лише приблизно з певною точністю шляхом виміру.
Справжнє значенняФВ – є значення, знайдене експериментальним шляхом – виміром. Ступінь наближення дійсного значення ФВ до істинного залежить від досконалості технічних засобів вимірювання, що застосовуються.
Вимірювання ФВ ґрунтуються на різних фізичних явищах. Наприклад, для вимірювання температури використовується теплове розширення тіл, для вимірювання маси тіл зважуванням – явище тяжіння тощо. Сукупність фізичних явищ, на яких ґрунтуються виміри, називають принципом виміру .
До засобів вимірювання відносяться заходи, вимірювальні прилади та ін.
Вимірювальний прилад– це засіб виміру, призначений на формування сигналу вимірювальної інформації у формі, доступної безпосереднього сприйняття людиною. До вимірювальних приладів відносяться амперметр, динамометр, лінійка, ваги, манометр та ін.
Крім основних фізичних величин, у фізиці існують похідні фізичні величини, які можна виразити через основні. Для цього необхідно запровадити два поняття: розмірність похідної величини та визначальне рівняння. Похідні одиницівиходять із основних за допомогою рівнянь зв'язку між відповідними величинами.
Чутливість вимірювальних приладів – Вимірювальні прилади характеризуються чутливістю. Чутливість вимірювального приладу дорівнює відношенню лінійного (Dl) або кутового (Da) переміщення покажчика сигналу за шкалою приладу до зміни DX вимірюваної величини X, що викликав його зміни. Чутливість визначає мінімальне вимірюване значення ФВ за допомогою даного приладу.
