Unul dintre conceptele importante în teoria și practica măsurătorilor este conceptul de mărime fizică. Cantitate fizica- o proprietate care este comună calitativ multor obiecte, dar individuală cantitativ pentru fiecare dintre ele.

Măsurare o mărime fizică este determinarea valorii ei experimental folosind mijloace tehnice speciale. Conform metodei de obținere a valorii numerice a valorii măsurate, toate măsurătorile se împart în directe, indirecte, cumulative și comune.

Măsurătorile directe se bazează pe metoda de comparare a mărimii măsurate cu măsura acestei mărimi sau pe metoda de estimare directă a valorii mărimii măsurate cu ajutorul unui dispozitiv de citire, a cărui scară este gradată în unități ale mărimii măsurate. Un exemplu de măsurători directe este măsurarea curentului cu un ampermetru.

Măsurători indirecte– măsurători, al căror rezultat se obține în urma măsurătorilor directe ale mărimilor asociate mărimii măsurate printr-o dependență cunoscută. Astfel, măsurarea rezistenței electrice într-un circuit de curent continuu se realizează prin măsurători directe de curent cu un ampermetru și tensiune cu un voltmetru, urmate de calculul valorii rezistenței dorite.

Măsurători agregate reprezintă măsurători repetate, de obicei directe, ale uneia sau mai multor cantități cu același nume, cu obținerea unui rezultat general al măsurătorilor prin rezolvarea unui sistem de ecuații compilat din anumite rezultate de măsurare. Ca exemplu, să ne uităm la procesul de determinare a inductanței reciproce dintre două bobine prin măsurarea inductanței lor totale de două ori. În primul rând, bobinele sunt conectate astfel încât acestea campuri magnetice se adună și se măsoară inductanța totală: L 01 = L 1 + L 2 + 2M, unde M este inductanța reciprocă; L 1, L 2 – inductanțele primei și celei de-a doua bobine. Bobinele sunt apoi conectate astfel încât câmpurile lor magnetice să fie scăzute, iar inductanța totală se măsoară: L 02 = L 1 + L 2 – 2M. Valoarea dorită a lui M se determină prin rezolvarea acestor ecuații: M = (L 01 - L 02)/4.

Măsurătorile articulare constau in masurarea simultana a doua sau mai multe marimi diferite cu calculul ulterior al rezultatului prin rezolvarea unui sistem de ecuatii obtinute in timpul masuratorilor. De exemplu, trebuie să găsiți coeficienții de temperatură A, B ai termistorului R t = R 0 (1+AT + BT 2), unde R 0 este valoarea rezistenței la T 0 = 20 o C, T este temperatura mediului. Măsurând valorile rezistenței R 0 , R 1 , R 2 ale termistorului la temperaturile T 0 , T 1 , T 2 determinate cu ajutorul unui termometru și rezolvând sistemul rezultat din trei ecuații, vom găsi valorile cantitățile A și B.

Instrument de masurare– un dispozitiv tehnic utilizat în măsurători și având caracteristici metrologice standardizate. Instrumentele de măsurare includ măsuri, traductoare de măsurare, instrumente de măsură și sisteme de măsurare.

Măsura– un instrument de măsurare conceput pentru a stoca și reproduce o cantitate fizică de o dimensiune dată. Măsurile includ elemente normale, depozite de rezistență, generatoare de semnal standard și scale gradate ale instrumentelor indicatoare.

Traductoare– instrumente de măsurare concepute pentru a transforma un semnal de măsurare într-o formă convenabilă pentru transmitere, stocare și procesare.

Instrumente de masura– instrumente de măsură destinate să genereze un semnal de informație de măsurare, raportat funcțional la valoarea numerică a mărimii măsurate, și să afișeze acest semnal pe un dispozitiv de citire sau să-l înregistreze.

Sistem de măsurare– un set de instrumente de măsură și dispozitive auxiliare care furnizează informații de măsurare asupra obiectului studiat într-un volum dat și condiții date.

Cele mai importante proprietăți ale instrumentelor de măsură sunt proprietățile metrologice. Proprietățile (caracteristicile) metrologice includ acuratețea, domeniul de măsurare, sensibilitatea, viteza etc.

UNIVERSITATEA DE STAT MOSCOVA

DESIGN ȘI TEHNOLOGIE

INSTITUTUL DESCHIS

DEPARTAMENTUL DE FIZICĂ

A.P. KIRYANOV

BAZELE FIZICE ALE MĂSURĂTORILOR

tutorial

Aprobat ca ajutor didactic

Consiliul editorial și editorial al MGUDT

UDC

Curator al RIS Kostyleva V.V.

Lucrarea a fost revizuită la o reuniune a Departamentului de Fizică de la Universitatea de Stat de Tehnologie și Tehnologie din Moscova și recomandată pentru publicare.

Cap Departamentul de Fizică Shapkarin I.P.

Doctor în științe chimice, prof. I.E. Makarov

K-12 Kiryanov A.P.. Baza fizică a măsurătorilor: ghid de studiu - note de curs / Kiryanov A.P.– M.: ITC MGUDT, 2007. – 115 s.

Note de curs: manualul conține o prezentare a cursului la disciplina academică „Fundamentul fizic al măsurătorilor”. Cursul este destinat studenților MSUDT și universităților aferente în conformitate cu Standardul Educațional de Stat al Învățământului Profesional Superior (direcția 653800 - Standardizare, certificare și metrologie; specialitatea 072000 - Standardizare și certificare). Cursul de curs de 34 de ore conturează bazele cuantice ale practicii și teoriei măsurătorii și conceptele și metodele de bază inerente metrologiei moderne. Prezentarea problemelor importante pentru formarea unui specialist certificat este dată destul de strict și în același timp accesibilă. Pentru asimilarea activă a materialului de curs, sunt propuse întrebări și sarcini de testare bazate pe materialul fiecărei prelegeri.

UDC

Statul Moscova

Universitatea de Design și Tehnologie, 2007

Introducere: notă generală privind structura cursului de curs

„Bazele fizice ale măsurătorilor”. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 05

Cursul 1. Vedere generală asupra relației unei persoane cu lumea

(Elemente ale tabloului modern al lumii) (întrebările 1–3). . . . . . 06

Curs 2. Forme de bază de cunoaştere şi explorare a lumii

(Elemente ale tabloului modern al lumii) (întrebările 4–7). . . . . . . 10

Curs 3. Măsurarea ca activitate în domeniul cunoaşterii şi stăpânirii lumii (întrebările 8–11). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

Curs 4. Erori de măsurare; clasificarea acestora

și metode de evaluare (întrebările 12–114). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

Curs 5. Principiul, metoda și obiectul măsurării. Clasic

scheme logice de măsurare; elementele și clasificarea acestora

(întrebările 15, 16). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

Curs 6. Scale de măsurare. Cântare fizice.

Ambiguitatea imaginilor lumii (întrebările 17, 18). . . . . . . . . . . . 35

Curs 7. Sisteme de unitati mărimi fizice.

Constante fizice fundamentale (întrebările 19, 20). 41

Curs 8. Metode de asemănare și dimensiuni. Criterii

asemănări Invarianță (întrebările 21, 22). . . . . . . . . . . . . . . 45

Curs 9. Măsurători în tehnologie; tehnologie de măsurare. Măsuri și standarde, clasificarea acestora (întrebarea 23). . . . . . . . . . . . 52

Curs 10. Sursa fundamentală a erorilor de măsurare

reniu - mișcarea proprie a materiei și manifestările sale specifice:

inerție, ireversibilitate, zgomot. Practic imposibil

capacitatea de a elimina complet erorile de măsurare

(întrebările 24, 25). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

Curs 11. Măsurătorile de ultra-înaltă precizie din perspectivă

paradigmele clasice și cuantice (paradigma cuantică ca

baza practicii și teoriei măsurătorii; eşecul metodologiei clasice în metrologie) (întrebarea 26). . . . . . . . . 62

Cursul 12. Principiul complementarității lui N. Bohr și relația de incertitudine a lui W. Heisenberg (întrebarea 27). . . . . . . . . . . . . . . . .68 Curs 13. Despre proprietăţile metrologice ale micro-obiectelor.

Resurse pentru conformitatea nivelului de stabilitate a parametrilor micro-obiectelor cu cerințele metrologiei din perspectivă cuantică

(întrebările 28, 29). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 72

Curs 14. Fundamentele fizice ale măsurătorilor, instrumentelor de măsură

fenomene: efect fotoelectric optic și fotoefect nuclear

(efectul Mossbauer) (întrebarea 30) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

Curs 15. Fundamentele fizice ale măsurătorilor, instrumentelor de măsură

și standardele metrologiei moderne bazate pe cuantică

fenomene: spectrometrie laser și interferometrie,

spectrometrie de rezonanță magnetică (întrebarea 31). . . . . . . . . . . . . . 84

Cursul 16. Supraconductivitate și efectele Josephson; lămurit

înțelegerea constantelor fizice fundamentale (întrebarea 32). . . . 87

Curs 17. Bazele fizice ale suportului științific și tehnic

soluții de inginerie în informatica modernă

(întrebările 33, 34). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . ……………..92

18. Întrebări pentru examen la disciplina academică

„Bazele fizice ale măsurătorilor”. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 97

19. Anexă. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .100

19-1. Întrebări de testare bazate pe materialul de curs. . . . . . . . . . . . . . .100

19-2. Probleme bazate pe material de curs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .. . . 105

Răspunsuri la probleme. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 Literatură de bază. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . …………………114

Literatură suplimentară. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .114

INTRODUCERE: NOTĂ GENERALĂ PRIVIND STRUCTURA CURSULUI

PRELERE „FUNDAMENTELE FIZICE ALE MĂSURĂTORILOR”

Curs de formare pe disciplina " Bazele fizice măsurători„După înțelegerea noastră, este necesar să ne bazăm pe paradigma cuantică-sinergienă care s-a dezvoltat până în prezent - un sistem de idei conceptuale despre mișcarea materiei, cunoașterea și stăpânirea legilor mișcării sale. Prezentarea materialului educațional al cursului se face pe baza listei de întrebări prezentate la sfârșitul cărții, care sunt întocmite în conformitate cu programul de lucru al cursului și sunt supuse examinării la această disciplină academică. În fiecare prelegere curentă a cursului, imediat după titlu, se face o scurtă introducere în conținutul prelegerii în funcție de numărul de subiecte (întrebări) din această listă de întrebări despre materialul educațional al cursului și apoi în continuare, sub aceleași numere, punctele prelegerii sunt prezentate în conformitate cu programul de lucru al disciplinei. Numerele de puncte din prezentarea materialului educațional la prelegeri nu corespund cu numerele de serie ale unei prelegeri separate, ci cu numerele de serie ale articolelor din lista de întrebări din programa cursului. O astfel de proiectare structurală a prezentării materialului educațional va contribui la asigurarea eficientă, după cum arată experiența noastră, a muncii optime a studenților în însușirea materialului educațional și pregătirea pentru examenul la disciplină în condiții de supraîncărcare informațională. De asemenea, am considerat că este necesară păstrarea formei tradiționale a întrebărilor și sarcinilor de testare, care sunt prezentate la sfârșitul cărții sub forma a două părți corespunzătoare ale anexei bazate pe material specific din fiecare dintre prelegerile cursului, pentru a intensifica lucrarea la materialul de curs și stimularea consecvenței în munca elevilor.

PRELEȚIA 1. VIZIUNEA GENERALĂ A RELAȚIILOR UMANE

CU PACE (ELEMENTE ALE IMAGINEI LUMII MODERNE)

1 . Materia și tipurile ei; mișcarea materiei, manifestările ei și proprietățile generale. Spațiul și timpul ca forme de existență ale lumii; natura lor corelativă, proprietățile topologice și metrice. Teorema lui Noether privind simetria în lume și legile de conservare.

2 . Obiect și subiect; fenomenul factorului uman și manifestările acestuia (vorbire, limbaj, gândire, memorie).

3 . Experiență și activități umane; definiții și componente principale (senzație, percepție, reprezentare, enunț verbal, construcție lingvistică, abstractizare ideală, memorie în experiență; scop, conținut în activitate).

1 . Tot ceea ce ne înconjoară și interacționează cu noi, influențându-ne simțurile, este lume, mamelor eu, Univers. Lumea este alcătuită dintr-un număr mare și o varietate de corpuri conectate cumva cu altele o sumă imensăși varietate de evenimente. Iar acest set de corpuri și evenimente sau, cu alte cuvinte, continuum de corpuri/evenimente este un continuum de spațiu/timp. Orice schimbare în ea se numește circulaţie materie; se manifestă prin orice modificări ale stărilor unor tipuri specifice de materie - substanță și câmp.

Spaţiu Și timp , ca și mișcarea, sunt conceptele cele mai generale care nu pot fi reduse la niciun alt concept. Să acceptăm definiția lui Leibniz a acestora ca forme universale corelative de ființă (existență) a lumii:

spaţiu– forma universală de existență a lumii, care constă în corelare, ordinea conviețuirii și așezării reciproce a corpurilor, limitându-se și continuându-se reciproc;

timp- o formă universală de existență a lumii, care constă în corelare, ordinea evenimentelor care se înlocuiesc.

Spațiul și timpul au unele proprietăți generale de natură calitativă sau proprietăți topologice, precum continuitatea, omogenitatea, precum și unele specifice fiecărei forme de existență a materiei, precum izotropia pentru spațiu și unidirecționalitatea pentru timp. Spațiul și timpul au, de asemenea, proprietăți cantitative, adică metrice, asociate cu întinderea spațiului atunci când corpurile sunt plasate și cu durata de timp în care apar evenimentele.

Mișcarea materiei este în schimbări în așezarea relativă a corpurilor și în succesiunea evenimentelor. Asemenea modificări nu depind de unele modificări ale caracteristicilor topologice ale spațiului și timpului (de exemplu, atunci când semnul acestor modificări se schimbă). Această proprietate a continuumului de corpuri/evenimente se numește simetrie .

teorema lui Noether leagă legile de simetrie și de conservare, spunând că unei transformări dependente continuu de un parametru fizic, lăsând neschimbată acțiunea H = E∙t (produsul energiei sistemului E de timpul t) corespunde unei anumite legi de conservare. Transformări precum deplasările în timp și spațiu, rotația tridimensională, nu modifică acțiunea lui H, în timp ce invarianța (consistența) acestuia cu o deplasare în timp este dată de legea conservării energiei; la deplasarea în spațiu – legea conservării impulsului; în rotația tridimensională – legea conservării momentului unghiular.

2 . În lumea trupurilor și a evenimentelor există și oameni care sunt părți speciale, distinse ale lumii. Izolarea unei persoane în raport cu restul lumii îl face subiect . Ea este cunoscută și ca un fenomen factorul uman în relația unei persoane cu lumea. Orice altceva este în conformitate cu persoana - obiecte pace. Analiza fenomenului omului ca subiect în relațiile cu lumea ar trebui să se bazeze pe poziții ontologii – teoria generală a obiectelor și principiile ființei– pe concepte primare precum conexiune, relație și interdependență.

Conexiune înseamnă că ceva nu poate fi ceva sau ceva decât dacă există altceva, iar acest ceva devine sau se dovedește a fi ceva și ceva numai în prezența acelui altceva..

Atitudine – concentrarea unei părți pe cealaltă atunci când conectați aceste părți cu o conexiune disponibilă.

Interdependenţă – relația părților în legătura existentă nu numai așa cum este direcționată, dar şi influenţândReciproc .

Omul este un produs al dezvoltării lumii în acea parte a ei cunoscută ca lumea animală . Ființele vii au sistem nervos Și memorie ; le oferă flexibilitate ajustare la schimbările condiţiilor de viaţă. Sistemul nervos al animalelor superioare este mai dezvoltat și mai flexibil. Și omul, după ce a ieșit din lumea animală și și-a păstrat demnitatea, a găsit ceva nou. Și acest lucru nou constă într-o capacitate unică, unică, de a gândi figurat și abstract, de a stăpâni limbajul și vorbirea. Acesta este noul profesor Baudouin de Courtenay I.A. a definit-o astfel: „Omul diferă de animale prin faptul că este capabil să gândească teoretic”. Această caracteristică umană se realizează prin discursuri , limba , gânduri Și memorie ; Acesta este ceea ce face, în esență, o persoană un subiect conștient de relațiile cu lumea din jurul său.

3 . Conștientizarea omului despre spațiu și timp ca forme de existență ale lumii noastre este construită pe baza interacțiunii umane cu corpurile care formează spațiul în corelație. Pe baza unor astfel de interacțiuni uneori vii, o persoană devine convinsă atât de prezența unor corpuri diferite de noi, cât și de evenimente ordonate asociate acestor corpuri.

Totalitatea interacțiunilor unei persoane ca ființă socială cu lumea din jurul său și rezultatele interacțiunilor esteexperienţă – experiența atât a unui individ, cât și experiența umanității ca întreg. Include, de asemenea, stări senzoriale-empirice ( Simte , percepţie , reprezentare ) , și stări psiho-mentale ( verbaldeclarații , lingvistic desene,abstracții ideale ), Și memorie .

Sentiment- cel mai simplu rezultat al influenței senzoriale a lumii asupra simțurilor umane. Percepţie– o imagine holistică a unui obiect ca rezultat al senzațiilor. Performanţă– o imagine senzorio-vizuală a unui obiect al realității, reprodusă fără impactul senzorial direct al obiectului asupra simțurilor umane.

Memorie– păstrarea de către subiect a rezultatelor interacțiunii sale cu lumea, făcând posibilă reproducerea și utilizarea acestor rezultate în interacțiunile ulterioare ale persoanei cu lumea.

Activitate– o succesiune de interacțiuni umane cu lumea exterioară, organizate după semnificația socială. Nivelul relației unei persoane cu lumea ne permite să distingem diferite tipuri de activitate, de exemplu, activitatea de orientare cognitivă.

Din momentul nașterii, o persoană manifestă interes pentru lumea în care trăiește; vrea să știe și să explice. Interesul este generat de o nevoie genetică inerentă de a înțelege lumea. Această nevoie condiționată genetic și solicitată social de a înțelege și explica lumea (naturală și generată de oameni) a servit, servește și va servi scopului global și sensul existenței umane: să trăiască și să-și lase descendenții să trăiască, auto-conservându-se și dezvoltându-se fizic și spiritual, practic și creativ. În activitățile sale, omul a plecat întotdeauna de la principiu economii : au maximul cu un efort minim necesar.

PRELEȚIA 2. FORME DE BAZĂ DE COGNIȚIE ȘI DEZVOLTARE

LUME (ELEMENTE ALE IMAGINII LUMII MODERNE)

4 . Cunoaștere, cunoaștere, practică socială; instituția tradițiilor, formele și temeiurile de implementare.

5 . Stiinta si Tehnologie; concept, conținut și loc în viața oamenilor.

6 . Informatica si informatie; concept și locul în viața umană.

7 . Metodologia și caracterul ei științific. Conceptul de sinergetică și proprietățile de bază ale sistemelor complexe.

4 . Concepte precum cogniția sunt fundamentale pentru relația unei persoane cu lumea și cunoștințe, practică socială și tradiție.

Cunoașterea– zona cea mai perfectă a activității umane în atingerea scopului său global este procesul de reflectare și reproducere a realității în conștiința umană cu toată diversitatea relațiilor din aceasta în mod adecvat naturii lor, condiționate de dezvoltarea societății și asociate practicii sociale .

Cunoştinţe- un produs al activității umane de orientare cognitivă, reproducând în mod ideal sub formă lingvistică (într-un cod de limbă) conexiuni și relații obiective, regulate în lume și sistemul de interacțiuni umane cu lumea.

criteriu adevărul cunoștințelor dobândite este asociat cu cunoașterea practica sociala. Ca categorie de filozofie, ea include în mod necesar întregul set de relații și relații directe și indirecte cauză-efect în activitățile multor generații de oameni conectați istoric și social.

O instituție publică este un instrument important pentru conectarea generațiilor traditii, înțeleasă ca transmiterea din generație în generație a conținutului cultural al experienței oamenilor, care este evidențiat de o societate dată pe baza unei anumite scări de valori ca fiind importante din punct de vedere social pentru prezent și viitor. Conținutul cultural al experienței oamenilor, moștenirea vieții lor sunt, de exemplu, obiceiuri, vederi asupra lumii și relațiile din ea, credințe și convingeri, moduri de gândire și comportament, norme de comportament, etică și estetică etc.

Instituția tradițiilor a apărut deoarece, pe măsură ce creierul s-a dezvoltat, o persoană a fost capabilă să depășească bariera eredității în transferul experienței, oferindu-și experiența altora și folosind experiența altora ca pe a sa datorită dezvoltării sistemului informațional. de concepte și gândire abstractă. Baza eficientă pentru implementarea instituției tradițiilor este codul universal de gândire-vorbire-limbaj descoperit de oameni și dezvoltat de aceștia și memoria indivizilor și a umanității în ansamblu.

5. Agricultura, creșterea animalelor, meșteșugurile, comerțul, cultura, educația și, în cele din urmă, știința au devenit tradiții valoroase pentru oameni.

Știința a devenit una dintre achiziţiile semnificative în instituţia tradiţiilor de-a lungul erei moderne a existenţei umane. Această direcție în tradiții a apărut, s-a dezvoltat și se dezvoltă prin acumularea de fapte, idei și experiență. În forma sa modernă, știința a apărut în ultimii 450 de ani, când în perioada Renașterii cele mai potrivite metode, tehnici, mijloace și idei necesare cunoașterii efective a lumii naturale au fost descoperite și adoptate prin practica socială.

Știința – Activitate cognitivă organizată sistematic, determinată genetic și solicitată din punct de vedere social, desfășurată prin observații, acumulare de fapte, idei și idei, experiență și înțelegere a experienței acumulate prin stabilirea de conexiuni și relații între fapte, evenimente, fenomene, prin identificarea tiparelor în ele manifestări, descoperirea legilor şi a fenomenelor noi în mişcarea lumii.

Dar oamenilor le este sete atât să înțeleagă lumea, cât și să folosească cunoștințele și identificat (deschis faţă de sine şi transmis alții) înţelegere legile și modelele de mișcare ale lumii. Folosirea a ceva în beneficiul oamenilor se numește pragmatică .

Pragmatica stiintelor naturii - tehnică, acesta este mijloacele de muncă care s-au dezvoltat și se dezvoltă în sfera producției pentru implementarea acesteia, precum și relațiile umane cu lumea care apar în producție, condițiile și procesul însuși al impactului mijloacelor de muncă asupra obiectului a muncii si a mediului.

Știința naturii, cunoașterea ei în întreaga sferă a relațiilor din natură este înțeleasă ca științele naturii ; și include multe științe speciale despre natură, inclusiv cea principală dintre ele - fizică .

6. Știința naturii include trei componente generate de relația specifică a unei persoane cu lumea în procesul de cunoaștere și dezvoltare a acesteia. Acest știința Cum cunoasterea lumii, tehnică ca stiintifica pragmaticăȘi Informatica precum memoria și împărtășirea cunoștințelor.

Informatică – știința proceselor de apariție(dispariție), transmisie, receptie (recepţie), stocarea si prelucrarea informatiilor. Informatică – aceasta și tehnică mijloace și metode de utilizare a informațiilor. Informaticăîn sens aplicat există dezvoltarea şi utilizarea calculatoarelor.

Informatica functioneaza informație . cuvânt latin informație- tio tradus prin „expunere”, „clarificare”, „informare”. Termen informație folosit adesea în sensuri diferite: umaniștii subliniază semnificația „informații despre...”, filosofii – „reflecție...”, în sistemele de comunicare – „mesaj”; „transfer de informații”.

Să acceptăm o definiție mai generală a informației conform lui G. Kastler: informație există unul memorat(memorabil),incluse sau incluse în memorie,alegând o variantă dintre mai multe posibile și egale.

Dar alegerea poate să nu fie amintită (uitată imediat). Această alegere se numește microinformații. Alegerea memorată este opusul alegerii de nememorat. informații macro sau informație .

Substantiv " alegere» înțelegeți și cum proces, Si cum a lui rezultat. În definiția noastră, este înțeles ca rezultatul unui proces. În acest sens, este constructiv atunci când este folosit în probleme reale. Dar informațiile ca rezultat al alegerii sunt de neconceput fără procesul de selecție. Prin urmare, procesul de selecție în sine este evidențiat ca proces de informare .

7. În timpul activităților apar anumite întrebări. Problemele care necesită studiu și rezoluție specială sunt numite Probleme . Sunt permise numai dacă se bazează pe metodologia stiintifica .

Metodologie („cuvântul grecesc despre calea către ceva”) în termeni de pragmatism - sistem metode cunoștințe în cursul activității științifice, și totalitate acţiuni şi tehnici pentru implementarea eficientă a acestuia. Metodologie în termeni de viziune asupra lumii - doctrina metodelor de cunoaștere științifică a materiei, si de asemenea despre structura si sistemul conceptelor stiintifice. Metodologia științifică înseamnă o abordare a problemei cunoașterii din punctul de vedere al cunoștințelor științifice despre esența problemei, originea acesteia și mecanismul de dezvoltare, inclusiv o analiză obiectivă și o prognoză a consecințelor rezolvării acesteia.. Aici avem nevoie de cunoștințe profunde despre natura fenomenelor asociate problemei, în ansamblul interconexiunilor și relațiilor în spațiu și timp pentru toate elementele realității asociate acesteia.

În vremea noastră, o disciplină științifică numită sinergetice. Termenul a fost inventat în anii 70 ai secolului al XX-lea de către fizicianul german G. Haken.

Sinergetice –o direcţie ştiinţifică de natură integrală care studiază legile generale de autoorganizare a sistemelor complexe.

Un sistem complex– un macrosistem mobil deschis, capabil să schimbe comportamentul atunci când condițiile de trafic se schimbă.

Complexitate sisteme – capacitatea de a reconstrui comportamentul atunci când condițiile externe ale interacțiunii sale cu lumea exterioară se schimbă.

Sistemele complexe au proprietăți fundamentale care dezvăluie toate trăsăturile distinctive ale mișcării lor. Acest:

1) deschidere sisteme (prezența interacțiunii cu lumea exterioară);

2) cuantizarea prag răspuns la influențele externe;

3) neliniaritate (relație neliniară între răspuns și impact);

4)ireductibilitatea ansamblării unui întreg din părţile sale la suma lor ;

5) eterogenitate dinamică părți ale sistemului (proprietatea lor de a le expune viteze diferite raspuns la influența externă);

6) coerenţă , autoconsecvență;

7) catastrofă – autoreglare spasmodică a stării sistemului;

8) alternativitatea (diferite moduri de a depăși dezastrul);

9)euristic (imprevizibilitate).

Sinergetica se bazează pe o mentalitate cunoscută ca paradigma cuantică – un sistem holistic de idei, a cărui bază este înțelegerea organizării cuantice a lumii și a legilor cuantice ale mișcării sale și utilizarea metodologiei cuantice pentru obținerea cunoștințelor despre lume. Numai conștientizarea naturii cuantice a relațiilor din lume permite unei persoane să înțeleagă fenomenul durabilitateîn lume, învață legile lumii și acționează în funcție de situație în funcție de obiectivele și capacitățile tale.

PRELEZA 3. MĂSURAREA CA ACTIVITATE

ÎN DOMENIUL CUNOAȘTERII ȘI EXPLORĂRII LUMII

8. Observarea și descrierea ca activități în domeniul cunoașterii și explorării lumii.

9 . Măsurarea ca activitate fundamentală în domeniul cunoașterii și stăpânirii lumii. Definiție, istoricul originii și manifestării, principalele tipuri de măsurători (măsurători științifice sau experiment, măsurare de control, evaluare).

10 . Mărimea fizică ca obiect de măsurare. Rezultatul măsurătorii; reprezentarea acesteia, ordinea și dimensiunea mărimii fizice măsurate.

11 . Tipuri de măsurători; clasificare și prezentare (măsurare directă, indirectă; măsurare statică, dinamică, in situ; măsurare uni și multicanal, uni și multiparametrică; măsurare cumulativă, comună; absolută, relativă).

8. Experienţă servește drept sursă unică a tuturor cunoștințelor noastre despre lume. O persoană cunoaște lumea doar prin experiență, doar prin comunicarea cu lumea din jurul său. În esență, experiența este activitatea umană cauzată de relația sa cu lumea și acțiunile în rezolvarea problemelor emergente. Manifestările sale specifice sunt observare , Descriere Și măsurare .

Observare („Dicționar explicativ al limbii ruse”) – acțiune asupra unui verb observa , care are o serie de interpretări: 1) urmăriți îndeaproape pe cineva sau ceva cu ochii; 2) urmărirea îndeaproape pe cineva (sau ceva), studierea, explorarea; 3) întâlnirea unui fenomen, observarea, perceperea; si de asemenea asta este rezultatul unei astfel de acțiuni, adică ceea ce se observă, obținut în urma unui studiu atent, al observării, al percepției.În literatura științifică observare – procesul de obținere a informațiilor despre obiectele situate în zona de viziune directă (zona de urmărire sau vizibilitate). De exemplu, supraveghere radar („Enciclopedia tehnologiei electronice”) este procesul de obținere a informațiilor radar despre obiectele situate în raza de vizibilitate a stației radar. ȘI observare optică Există procesul de obținere a informațiilor despre obiectele situate în zona de vizibilitate a subiectului(instrumente optice). Pentru subiect, un astfel de dispozitiv optic sunt, desigur, ochii lui. Observația este în mod necesar prezentă în orice stadiu și în orice nivel al actului de cunoaștere; principala sa caracteristică este colecția de fapte, semne și proprietăți, evenimente și fenomene, prin urmare natura sa calitativă ca formă de activitate este evidentă.

Descriere – etapă de cunoaștere științifică și practică a lumii, constând în notare(înregistrări)date observaționale folosind anumite sisteme de notație adoptate în domeniul corespondent al activității umane sau într-un anumit grup de subiecți.

9. Măsurare - principalul tip de activitate cognitivă și orientativă a unei persoane în relațiile sale cu lumea. A devenit baza fizicii ca știință principală a naturii prin eforturile creatorilor săi. Astfel, G. Galileo, în urmă cu aproximativ 450 de ani în timpul Renașterii, a făcut din măsurare baza metodei fizice de înțelegere a lumii. Din punctul de vedere al fizicii, studierea unui fenomen a ajuns să însemne măsurarea, efectuarea unei măsurători. Încurajată de dezvoltarea industriei în Europa, dimensiunea, cel mai pe deplin formalizată în chimie și fizică, capătă o importanță semnificativă și din ce în ce mai mare în timp în știință, tehnologie, producție industrială și viața economică a oamenilor.

Măsurarea, ca și observația, s-a manifestat ca un tip de activitate umană, desigur, mult mai devreme decât Renașterea în Europa, chiar și în antichitate, în epoca copilăriei istorice a omenirii. Primatul observației și măsurării ca forme ale relațiilor umane cu lumea exterioară este evidențiată de tabloul ontogenezei și dezvoltării copilului. Acțiunile sale arată clar acțiuni care nu pot fi calificate altfel decât observații și măsurători. În timp ce este în scutece sau într-un pătuț, bebelușul poate urmări cu atenție cu privirea mișcările mamei sale, o jucărie care zdrăngănește, și poate prinde zâmbetul mamei sale (conform conceptului observare). El este capabil să înregistreze situații precum „ departe/închide», « înalt/scăzut», « Liniște/tare», « întuneric/ușoară», « gustos/nu este gustoasa" și așa mai departe. Desigur, astfel de acțiuni ale unui copil sunt sincer calitative, dar sunt construite după o regulă complet stabilă (s-ar putea spune, un algoritm) de comparație și comparație. Aceste acțiuni determinate genetic relevă măsurarea ca o activitate umană specială, specifică. Iar omul se distinge în lume tocmai prin capacitatea sa de a măsura lumea.

Asa de, măsurare – activitate intenționată constând în compararea a ceva încă necunoscut cu ceva deja cunoscut, identic cu ceea ce este studiat în natura lor și luat ca standard sau unitate de comparație, în timp ce o astfel de comparație se realizează în conformitate cu criteriul ales și inevitabil cu o oarecare incertitudine sau eroare de comparație.

Măsura - Mijloace compara ceva necunoscut cu ceva deja cunoscut pentru un anumit scop și criteriu selectat,de aceeași natură și luate ca unitate(standard)comparații și inevitabil cu o oarecare eroare.

Măsurarea ca activitate este reprezentată de trei tipuri principale: măsurarea științifică (experimentul), măsurarea controlului și evaluarea.

Dimensiunea științifică (experiment) –măsurare efectuată în interesul înțelegerii lumii, găsirea de noi cunoștințe și legi ale dezvoltării lumii cuminim posibil Eroare de măsurare.

Măsurarea de control – măsurarea în producţia socială a produselor de utilizare. Măsurătorile de control sunt domeniul metrologiei ca știință și tehnologie a măsurătorilor precise.

Nota – măsurare efectuată în interespragmatiști , adică utilizarea în interesul și beneficiul unei persoane ca întreg sau al unui grup de persoane,cu eroare standard , adică cu o eroare suficientă pentru a atinge scopul comparației (și nu chiar minim posibil, iar cerința minimă aici nu este doar inutilă, ci și adesea dăunătoare).

Estima – înseamnă să încorporezi ceva în experiența ta pe baza experienței existente.ÎN Viata de zi cu zi De multe ori facem o evaluare a situației din fața noastră. Deci, de exemplu, a numi ceva înseamnă a-l evalua, a-l include în experiența ta.

Nominalizare, denumire– și există o evaluare efectuată, de regulă, fără reflecție numerică. Fără evaluări– măsurători cu eroare standard , – nici măcar nu putem face un pas.

Și deja un fapt atât de obișnuit, dar în general fundamental face conceptul de măsurare fundamentale în întregul sistem de idei ale unei persoane despre relațiile din lumea din jurul său.

10. Cantitate fizica , care este necesar pentru orice măsurătoare, Există una dintre multele proprietăți specifice ale unui obiect fizic (fizic sisteme, proces, fenomene sau stat), care este comun din punct de vedere calitativ pentru multe obiecte fizice, dar diferit din punct de vedere cantitativ pentru fiecare obiect fizic individualȘi prin urmare, ceva care acționează ca al nostru atunci când este măsurat.

În știința naturii și, în special, în domeniul așa-numitelor științe fizice și tehnice exacte, se utilizează o definiție a măsurării mai restrânsă din considerente practice, bazată în esență pe conceptul de mărime fizică: 1) măsurare – procesul de determinare experimentală a valorii unei mărimi fizice folosind mijloace tehnice speciale („Enciclopedia tehnologiei electronice”); 2) măsurare – o operație prin care se determină raportul dintre o mărime (măsurată) și o altă mărime omogenă (luată ca unitate); numărul care exprimă o astfel de relație se numește valoarea numerică a mărimii măsurate („Large Enciclopedia sovietică"). La întrebarea: „Ce este măsurarea?” – răspunsul urmează de obicei: „Obținerea unui număr pentru o mărime fizică.” Acest lucru nu înseamnă că este greșit; corespunde unei înțelegeri înguste a măsurării. Dar acesta este doar punctul final al problemei. De fapt, în măsurare sunt incluse o serie de părți ale activității: 1) selectarea unei mărimi fizice; 2) alegerea unității sale, 3) alegerea criteriului de comparație; 4) implementarea comparației în sine; 5) rezultatul comparației; 6) înregistrarea (stocarea) acestuia; 7) evaluarea limitelor fiabilității sale.

Rezultat care este scopul măsurării? număr numit și se exprimă prin produsul unui număr obișnuit (fără nume) printr-o unitate de măsură care dă numere numărului.

Numărul X (fără nume) este reprezentat ca o fracție zecimală ca produs a doi factori: unul ca parte semnificativă sub forma zecimal cu o valoare a X 0 variind de la unu la nouă (1  X 0  9) sau variind de la o zecime la una (0,1  X 0  1), iar cealaltă ca parte a scalei sub forma unei puteri a numărul 10 cu un indicator întreg „n”, care poate fi fie pozitiv, fie negativ, fie zero: X = X 0 10 n (3.1)

Se numește exponentul „n” al puterii lui 10 în ordine cantitate fizica. În special, când n = 0 vorbim de ordinul zero când valorile mărimii fizice măsurate se află în aceeași scară cu unitatea de măsură (1  X 0  9); când n = 1 vorbesc de ordinul întâi, când mărimea fizică este de aproximativ 10 ori mai mare decât unitatea de măsură; iar când n = – 1 se vorbește deja despre minus de ordinul întâi, când mărimea fizică măsurată este de aproximativ 10 ori mai mică decât unitatea de măsură. Calitatea (nivelul calitativ) a rezultatului măsurării în sine este determinată de unitatea de măsură utilizată; defineşte aşa-numitul dimensiune cantitate fizica. De exemplu, aceasta ar putea fi lungimea tijei, aria zonei, volumul corpului, viteza corpului, presiunea gazului, puterea curentului electric, inducția câmpului magnetic, densitatea fluxului de energie, momentul unghiular sau spin al unei particule elementare etc.

11. Clasificare Vom lua în considerare măsurătorile folosind cel mai dezvoltat tip de măsurare acum - măsurarea științifică.

Cel mai simplu și original tip istoric de măsurare științifică este direct măsurare atunci când rezultatul măsurării este obţinut prin compararea directă a unei mărimi fizice cu o unitate de măsură. Acestea sunt măsurători ale lungimii corpului, mărimii unui teren, greutății corporale etc.

Dacă nu sunt posibile măsurători directe, utilizați indirect măsurători, atunci când valoarea numerică a unei mărimi fizice este găsită prin calcul bazat pe măsurători directe ale altor mărimi fizice care sunt legate funcțional de parametrii mărimii inițiale. Astfel, viteza stelelor este măsurată prin așa-numita deplasare spre albastru sau roșu a frecvențelor luminii emise de aceste stele.

Măsurătorile directe ale oricăror două mărimi fizice care sunt legate funcțional între ele sunt numite cu un singur factor sau un singur parametru. În zilele noastre, este destul de comun să se recurgă la efectuarea de măsurători simultane a mai mult de două mărimi fizice; Acest tip de acțiuni de măsurare cu mai multe fațete se numește multi-parametru sau multifactorială măsurători.

Măsurarea unei mărimi fizice acceptată datorită proprietăților obiectului studiat ca neschimbabil (constante) pe toată durata acțiunilor se numește măsurare statică . Măsurarea unei mărimi fizice care, datorită proprietăților obiectului studiat, se modifică în timpul experimentului curent se numește măsurare dinamică . Utilizarea computerelor moderne de mare viteză în timpul experimentului permite măsurători V asa numitul modul în situ – în timp real pentru procesul studiat. În cele din urmă, experimentele matematice, computaționale, de mașini și modele sunt acum distinse.

De asemenea, distins cumulativ Și comun , absolut Și relativ măsurători. Cumulativ măsurătorile sunt măsurători ale mai multor mărimi fizice cu același nume, ale căror valori se găsesc pe baza rezolvării unui sistem de ecuații obținute ca urmare a măsurătorilor directe a diferitelor combinații ale acestor mărimi fizice. Comun măsurători – măsurători efectuate simultan a două sau mai multe mărimi fizice diferite pentru a determina relația funcțională dintre acestea. Absolut măsurătorile sunt măsurători indirecte care utilizează constante fizice fundamentale prin care se poate exprima mărimea fizică măsurată. Relativ măsurătorile sunt fie măsurători ale raportului dintre o cantitate la o cantitate cu același nume, care joacă rolul unei unități de măsură arbitrare, fie măsurători ale unei mărimi în raport cu o altă mărime, luată ca fiind cea inițială.

CURTEA 4. ERORI DE MĂSURARE;

CLASIFICAREA LOR ŞI METODE DE EVALUARE

12 . Conceptul de eroare de măsurare (eroare, incertitudine). Conceptul de adevărată valoare a unei mărimi fizice măsurate. Tipuri de erori de măsurare (absolute, relative; brute, aleatorii, sistematice, totale).

13 . Metode de estimare (găsire) erori de măsurare (erori, incertitudini) și de prezentare a erorilor (modul mediu de abatere, rădăcină pătrată medie sau standard); variația de măsurare, abaterea standard a eșantionului.

14 . Legea gaussiană a adunării erorilor indirecte de măsurare.

12 . Procesul de măsurare include în mod necesar o analiză a limitelor de fiabilitate a rezultatului măsurării. După cum arată practica de măsurare, la repetarea aceluiași experiment, se obțin întotdeauna valori numerice diferite. Acest lucru se întâmplă chiar dacă în fiecare repetare specifică a operațiilor de măsurare totul se face exact în același mod, s-ar părea. Și, prin urmare, întrebarea apare în mod inevitabil și firesc nu numai despre valoarea adevărată (reală) a mărimii fizice studiate, ci și despre gradul (limita) de fiabilitate a acesteia.

Calitatea și nivelul (limita) de fiabilitate sau nivelul de incertitudine al rezultatului măsurării sunt caracterizate de așa-numitele eroare măsurători(sau greşeală măsurători).

Eroare măsurători(eroare măsurători) este abaterea rezultatului măsurării de la valoarea adevărată a valorii măsurate. Strict vorbind, o mărime măsurabilă care are o măsură care este stabilită prin măsurare este cantitate fizica .

Din cauza erorilor inevitabile de măsurare, valoarea adevărată X a unei mărimi fizice (X) nu poate fi cunoscută în principiu. Pentru a stabili certitudinea rezultatelor comparației, am convenit să înțelegem adevărata valoare a lui X ca medie aritmetică X avg (<Х>) pentru întregul set discret de rezultate X k de repetiții multiple de măsurare a unei mărimi fizice (X), în timp ce repetițiile sunt o serie de un anumit număr n (n ≥ 1) experimente, efectuate, de regulă, într-un singur loc și aproximativ în același timp: X ≡ X av =<Х>= [(X 1 + X 2 + X 3 + … + X n)/n] (4.1)

Și în fiecare experiment individual, eroarea parțială de măsurare ∆X k este înțeleasă ca abaterea ∆X k rezultatul măsurăriiX k din media aritmetică X mier pentru o serie de rezultate de măsurareX k , luată ca valoare adevărată a mărimii fizice măsurate{X} , și este determinată de o relație de forma: X k = X k – X avg (4.2)

Erorile de măsurare sunt de obicei împărțite în trei grupuri de erori, numite ca sistematic ,Aleatoriu Și nepoliticos (sau a crescut ).

Greșeli grosolane sau emisii măsurătorile nu fac parte din distribuția generală regulată a rezultatelor măsurătorilor în jurul valorii adevărate a mărimii fizice măsurate și sunt pur și simplu excluse din setul de valori ale mărimii măsurate.

Erori sistematice au multe cauze și, de obicei, practic nu sunt dezvăluite într-o serie de experimente repetate, deoarece ele, de regulă, își păstrează amploarea în astfel de experimente. Din cauza asta erori sistematice (erori ) Și sunt definite ca erori care își păstrează semnificația în timpul repetărilor multiple ale aceleiași serii de experimente. Detectarea și contabilizarea erorilor sistematice nu este de obicei ușoară. Și aici este imposibil să oferim o singură rețetă (tehnică) pentru identificarea lor folosind procedura utilizată pentru repetarea operațiilor de măsurare. Este posibil, desigur, să se schimbe condițiile de desfășurare a acestora, să se trimită tot felul de surse de erori cunoscute în condițiile efectuării experimentelor. Dar, de obicei, asta este până la urmă. nu rezolvă problema evaluării erorii sistematice. Aceștia sunt identificați fie prin compararea datelor lor de măsurare cu datele altor cercetători, fie prin modificarea procedurii de măsurare în sine.

Erori aleatorii măsurătorile au, de asemenea, numeroase motive. Ele sunt caracterizate de unicitatea experimentelor repetate de la caz la caz. Din cauza asta erori aleatorii – erori care se caracterizează prin nerepetabilitate de la caz la caz la repetarea experimentelor.Și, în principiu, este imposibil să se indice mărimea erorii de măsurare aleatoare pentru o măsurătoare. Prin urmare, experimentele sunt repetate până la o anumită limită rezonabilă atunci când se măsoară mărimea fizică studiată. De altfel, aceste repetări au ca scop identificarea cu precizie a erorii aleatorii în măsurarea unei mărimi, întrucât o eroare sistematică, în principiu, nu este detectată în astfel de serii de repetări de experimente.

Se numește manifestarea combinată a erorilor aleatoare și sistematice (cu excepția valorii aberante). o greseala totala măsurători.

Produsul valorii totale de eroare Х etaj de măsură pe unitatea de măsură [X] a unei mărimi fizice (X) se înțelege ca absolut eroare (eroare denumită) de măsurare (Х podea) a unei mărimi fizice (X): (Х podea) = Х podea [X] (4.3)

Rezultatul principal al măsurătorii – aceasta este o indicație pentru (1) valoarea X a unei mărimi fizice (X), (2) aria (limita) fiabilității acesteia, adică eroarea de măsurare X etaj a unei mărimi fizice și (3) nivelul său calitativ, specificat de unitatea de măsură [X]:

(X) = (X media  X etaj)[X] (4,4)

Această formă de reprezentare a rezultatului măsurării unei mărimi fizice în expresie numerică a formei (4.4) se mai numește ecuația de măsurare . Astfel, rezultatul măsurării lungimii L a unei tije, prezentat sub forma: (L) = (L avg  L floor) [m] – aceasta este ecuația de măsurare a lungimii tijei.

Calitatea reală a măsurării mărimii fizice (X) se caracterizează prin eroare relativă , determinat de raportul dintre eroarea absolută X de măsurare și valoarea X avg a mărimii fizice în sine:  = (X/X avg) (4.5)

Eroarea relativă  este o mărime adimensională, un anumit număr; prin urmare, valoarea sa în practică este adesea exprimată ca procent (%). Valorile sale mici la un nivel de cel puțin 0,1% servesc ca o caracteristică de evaluare a calității înalte a măsurătorii efectuate. Dimpotrivă, o măsurătoare de calitate slabă se caracterizează prin valori relativ mari ale erorii relative  la un nivel de aproximativ 10%; Uneori apar situații de măsurare când eroarea relativă  se dovedește a fi chiar mai mare decât unitatea (>1).

13 . Sa luam in considerare Cu metode de evaluare (de constatare) erori (erori, incertitudini) de măsurători și prezentarea erorilor .

Eroarea parțială ∆X k poate fi un număr pozitiv (∆X k > 0), un număr negativ (∆X k< 0) или нулём (∆X k = 0), а средне-арифметическая погрешность ∆X ср (<Х>) este egal cu zero (∆X av =<Х = 0). В самом деле, воспользуемся определением среднеарифметического для дискретного набора результатов измерений X k , в виде соотноше-ния: ∆X ср = {[ ∆X 1 + ∆X 2 + ∆X 3 + … + ∆X n -1 + ∆X n ]/n} (4.6)

Substituind în această relație (4.6) fiecare dintre termenii săi ∆X k, distinși prin numărul k = 1, 2,..., n conform relației (4.2), se obține necesarul: ∆X av = ([(X 1) –X av) + (X 2 –Х avg) +… + (X n –Х avg)])/n =

([(X 1 + X 2 +X 3 +… + X n) – nХ avg ])/n = /n = 0 (4,7)

Deci, media aritmetică ∆X avg pentru abaterile ∆X k ale măsurării parțiale rezultă X k față de valoarea adevărată X avg a valorii măsurate nu poate fi o măsură a limitei de fiabilitate a rezultatului măsurării unei mărimi fizice (X) într-o o serie dată de experimente.

Prin urmare, pentru a determina o astfel de măsură a abaterii, am convenit să folosim mărimi care nu ar schimba semnul la trecerea de la o operație de măsurare la alta atunci când se utilizează o serie de experimente pentru mărimea studiată. Cele mai simple astfel de mărimi ale unui semn constant sunt valoarea absolută (sau modulul) și, în consecință, pătratul unei erori de măsurare specifice, și anume: |∆X k | ≥ 0 și (∆X k) 2 ≥ 0 (4,8)

Se evaluează limitele de fiabilitate a rezultatului măsurării din greseala modul conform unui set de abateri ∆X k de măsurare rezultă X k de la valoarea adevărată X avg a valorii măsurate ca medie aritmetică ∆X avg pentru modulul de abatere ∆X k :

∆X av = [(∆X 1 +∆X 2 +∆X 3 +…+∆X n )/n] (4.9)

O altă măsură pentru evaluarea fiabilității unui rezultat de măsurare este eroare pătratică medie (eroare ) ∆X kV, notat și cu litera greacă . Rețineți, în special, că pătratul său  2 se numește dispersie mărime fizică măsurată. Eroarea de măsurare pătratică medie  sau ∆X kV, numită și eroare standard de măsurare , se construiește pe baza unor metode de statistică matematică și a unui set de pătrate ale erorilor parțiale de măsurare (∆X k) 2 obținute prin repetiții multiple de experimente sub forma:

  ∆X kv = ([Σ k n (X k – X avg) 2 ]/) ½ (4,10)

Se evaluează limita de fiabilitate a rezultatului măsurării și varianta selectiva , adică valoarea medie s n 2 pentru abaterile pătrate (∆X k) 2 prin analogie cu valoarea medie aritmetică a mărimii fizice în sine: s n 2 = ([Σ k n (X k – X avg) 2 ]/( n –1)) (4,11)

Mai mult, aici în (4.11) în locul divizorului n, așa cum este cazul mediei aritmetice reale (4.1) a unei mărimi fizice, se folosește divizorul (n – 1), deoarece pentru a calcula abaterile ∆X k = X k –X avg trebuie să aveți cel puțin două contorizări.

Rădăcina pătrată s n a varianței eșantionului s n 2 se mai numește abaterea standard a probei s n, care caracterizează răspândirea rezultatelor măsurătorilor individuale din valoarea medie aritmetică. Este ușor să comparați formulele (4.10) și (4.11) și să găsiți legătura acesteia cu abaterea standard  sub forma:  = s n /√n (4.12)

14. Legea adunării erorii gaussiene utilizat în cazul măsurării indirecte, atunci când valoarea numerică a unei mărimi fizice X este determinată pe baza măsurătorilor directe ale altor mărimi fizice, de exemplu, P și Q, legate de o dependență funcțională de prima mărime X printr-o funcția a două argumente f(P,Q) : X = f(P,Q) (4.13)

Mărimile P și Q sunt măsurate p și, respectiv, q ori; în același timp, valorile valorilor P avg și Q avg în sine și erorile lor standard  P și  Q sunt cunoscute pe baza măsurătorilor efectuate. Pentru fiecare pereche de valori parțiale p i și q j există o valoare a valorii parțiale indirecte x ij și media sa aritmetică X avg cu setul complet de citiri diferite disponibile (sau, după cum se spune, puterea de eșantionare) pq este determinată de regula de adunare a tuturor valorilor x ij pentru banca de valori obținute la o putere de eșantionare dată conform unei relații de forma: X av = (Σ i p Σ j q x ij)/( pq) (4.14)

Valoarea parțială x ij este o funcție a valorilor parametrilor măsurați pi și q j: x ij = f(p i ,q j) (4.15)

Mai mult, această funcție se obține prin utilizarea funcției f(P,Q) pentru valoarea X prin înlocuirea corespunzător a valorilor P și Q cu valorile parțiale pi și q j.

Să extindem valoarea x ij într-o serie Taylor în vecinătatea valorilor parțiale pi și q j , care joacă rolul argumentelor curente pentru funcția noastră f(p i ,q j): x ij = f(P avg,Q medie) + (∂f/∂P) (p i –P medie) + (∂f/∂Q)(q i –Q medie) (4,16)

Dispersia σ Х 2 a rezultatului măsurării indirecte a valorii X se obține prin definirea acesteia, folosind expansiunea x ij (4.16) în seria Taylor sub forma: σ Х 2 = ([Σ i p Σ j q (x ij) –Х medie) 2 ]/[(p q)(pq–1)]) 

 ([Σ i p Σ j q (x ij –Х avg) 2 ]/(pq) 2) =

= [(Σ i p Σ j q 2 )/(pq) 2 ]

= [(Σ i p 2 )/(pq) 2 ] +[(Σ j q 2 )/(pq) 2 ] +

2[(Σ i p )(Σ j q 2 )/(pq) 2 ] (4.17)

Primii doi termeni aici sunt determinați de variațiile  P 2 și  Q 2 ale mărimilor măsurate P și Q, iar ultimul termen este egal cu zero. Apoi ajungem la o relație generală:

σ X 2 = (∂f/∂P) 2  P 2 + (∂f/∂Q) 2  Q 2 (4.18)

cunoscută sub numele de legea gaussiană a adunării erorii.

Legea gaussiană a adunării erorilor este utilizată în practica metrologiei atât la evaluarea limitelor de fiabilitate a măsurătorilor indirecte, cât și la evaluarea erorii totale σ Xtotal a oricărei măsurători:

σ Xtotal 2 =  Xcaz 2 +  Xsist 2 (4.19) determinată, după cum se știe, de prezența  Xcaz aleatoriu și, în consecință, erori sistematice  Xsist.

PRELARE 5. PRINCIPIUL, METODĂ ȘI OBIECTUL MĂSURĂRII.

SCHEMA CLASICA DE MĂSURARE;

ELEMENTELE ȘI CLASIFICAREA LOR.

15 . Principiu, metodă, obiect de măsurare. Circuite clasice de măsurare funcționale și structurale, exemplele lor.

16. Conceptul de ierarhie în clasificarea metodelor de măsurare după nivelurile și subnivelurile acestora. Conceptul principalelor tipuri de metode de măsurare a mărimilor fizice.

15. Măsurarea este o activitate cu scop și, prin urmare, are un plan de implementare. „Un experimentator care nu are un plan de lucru este ca o navă fără cârmă în timpul unei furtuni”, spun oamenii înțelepți. Aspectul fundamental al planificării, organizării și realizării unei măsurători (experiment) este principiu , metodă Și obiect de măsurare .

Principiul de măsurare – un fenomen fizic care stă la baza măsurării.

Metoda de măsurare – o tehnică (set de tehnici) de comparare a unei mărimi fizice cu o unitate de măsură în conformitate cu criteriul și mijloacele de comparație la implementarea principiului măsurării.

Obiectul de măsurare – acesta este fie un corp, fie un sistem fizic, fie un proces fizic, fie un fenomen fizic etc., care este descris de una sau mai multe mărimi fizice măsurabile.

Măsurarea este un proces sau o activitate implementată în care este implicat un anumit set de diverse elemente funcționale, dintre care o parte este formată din obiecte specifice (obiecte și instrumente de măsurare), iar cealaltă parte este formată din concepte, definiții, operații și proceduri specificate, condiții. , etc.

Acest set de elemente care asigură măsurarea este numit diagrama de masurare functionala sau pur și simplu circuit de măsurare . Se numesc interconexiunile și relațiile prezentate grafic între diferitele elemente funcționale ale circuitului de măsurare diagramă bloc măsurători; un exemplu tipic în acest sens este prezentat în Figura 5–1.

Să dăm o interpretare a elementelor sale. Unitate – o mărime fizică căreia i se atribuie o valoare numerică egală cu unu (1).

Instrument de masurare – un dispozitiv tehnic destinat măsurătorilor; are caracteristici metrologice standardizate, reproducand si (sau) stocand cu ajutorul lor o unitate de masura (in limita erorii stabilite) pe un interval de timp cunoscut. Este utilizat într-un anumit interval de modificări ale mărimii măsurate ( gamă măsurători ) și are o scară, al cărei tip depinde de proiectarea tehnică a produsului.

Următorul bloc din diagrama bloc de măsurare ocupă metodă de măsurare , care este specific și central în fiecare caz.

Un pătrat este evidențiat în diagrama bloc de măsurare tehnici efectuarea măsurătorilor. În literatura științifică și tehnică, metodele și tehnicile de măsurare sunt adesea identificate și confundate.

Tehnica de măsurare (Doar tehnica de masurare ) este un set stabilit de operații și reguli în timpul măsurării, a căror implementare asigură obținerea rezultatelor măsurătorii cu o eroare de măsurare garantată conform metodei de măsurare. Metodologia de măsurare se reflectă pe deplin în cuvintele: facem ca noi !

Când vorbim despre măsurători, nu trebuie să pierdeți din vedere condițiile pentru efectuarea măsurătorilor. Ei pot fi normal , muncitorii Și extrem .

Condiții normale – condiţiile în care prezenţa unor cantităţi de influenţă poate fi neglijată. Conditii de lucru – condiții de măsurare în care valorile mărimilor de influență se află în zona de lucru a instrumentului de măsurare. Condiții limită corespund acelor valori extreme ale cantităților măsurate și de influență pe care instrumentul de măsurare le poate rezista în continuare fără deteriorarea performanței.

16. Clasificarea metodelor de măsurare , pe care știința și tehnologia le-au stăpânit până la vremea noastră, trebuie realizată după un principiu general; se vede sub forma principiului organizării ierarhice a întregului sistem de cunoaștere științifică – știință – și a sistemului de stăpânire a rezultatelor cunoașterii – tehnologie.

Ierarhia metodelor de măsurare este construită conform ierarhiei în organizarea științei fizice după disciplinele sale științifice: mecanică, fizică termică, electrofizică, magnetism, optică, fizică atomică, fizică cuantică, fizică nucleară, fizica plasmei, cosmofizică, astrofizică, biofizică, geofizică, fizică atmosferică și marină. Și, în consecință, se disting metodele de măsurare mecanice, termofizice, electrice, magnetice, optice, fizice atomice, fizice cuantice, fizice nucleare, fizice cu plasmă, cosmofizice, astrofizice, biofizice și geofizice.

Fiecare dintre aceste niveluri din ierarhia metodelor de măsurare este împărțit în subniveluri ierarhice asociate cu caracteristicile sau caracteristicile măsurătorilor în zona de manifestare a acestui subnivel. De exemplu, pentru nivelul măsurătorilor mecanice, cinematice, statice, dinamice, hidrodinamice, energetice, elastofizice, micromecanice metode de măsurare. (În special, mecanica mișcării controlate a sistemelor de mărime micron - micromecanica - se ocupă de microroboți cu dimensiuni liniare caracteristice de ordinul micronilor, care pot fi elicoptere, rovere planetare, nave subacvatice etc. Una dintre sarcinile importante aici este dezvoltarea și crearea de senzori de accelerații liniare pentru a controla mișcarea roboților și a aeronavelor controlate). Metodele de măsurare termofizică includ temperatura, calorimetrică, forța, metrica debitului și cinetică metode de măsurare.

Să luăm acum în considerare tipurile de metode de măsurare care se dovedesc adesea a fi comune diferitelor niveluri ierarhice ale metodelor de măsurare. Aici există directe, indirecte, absolute, relative, statice, dinamice (mod in situ), multicanal (multifactor), zero, cu înlocuire cu o măsură, diferențială (diferență), fără contact metode de măsurare.

Metoda de măsurare directă – o metodă bazată pe compararea directă a mărimii măsurate cu unitatea sa de măsură cu condițiile și cerințele necesare pentru orice tip de măsură; – aceasta este și o metodă de calibrare (verificare) a unui instrument de măsurare, atunci când este posibil să se compare dispozitivul testat cu un dispozitiv mai precis în anumite limite de măsurare.

Metoda de măsurare indirectă – o metodă bazată pe o comparație indirectă a mărimii măsurate cu o unitate de măsură bazată pe implementarea măsurătorilor indirecte; – aceasta este, de asemenea, o metodă de calibrare a unui instrument de măsurare atunci când valoarea reală a mărimii fizice măsurate nu poate fi determinată prin măsurători directe sau măsurătorile indirecte se dovedesc a fi mai precise decât măsurătorile directe. Metoda de măsurare indirectă este de obicei utilizată în instalațiile de măsurare automate.

Metoda absolută (relativ )măsurători – o metodă bazată pe realizarea absolut (relativ ) măsurători cu toate aspectele lor caracteristice și specifice de implementare.

Metoda dinamica (static )măsurători – o metodă de măsurare a unei mărimi fizice care se modifică (nu se modifică) în conformitate cu principiul măsurării și sarcina de măsurare în timpul de măsurare.

În a doua jumătate a secolului al XX-lea, a apărut o nevoie urgentă de a măsura simultan valorile unui număr de mărimi fizice care descriu starea. sistem fizicîn unul sau mai multe puncte din spațiu. Aceasta a determinat dezvoltarea metodei de măsurători multipunct (multicanal), realizată în combinație organică cu sisteme informaționale performante și o cantitate mare de memorie de informații. Principalele informații intensive aici sunt cele care apar și sunt implementate simultan. măsurători , diagnostice Și Control în situ , recunoasterea formelor . Toate aceste procese sunt unite de necesitatea de a utiliza o comparație a fenomenului sau obiectului studiat cu un analog normalizat, adică, în ultimă instanță, o comparație cu așa-numita „măsură a imaginii”, care reflectă totalitatea unui număr mare de proprietățile obiectului observat și conexiunile și relațiile lor reciproce. Aceasta nu este o mărime unidimensională care depinde funcțional de un parametru, dar câmp fizic , ai căror parametri sunt repartizați în spațiu, modificându-se în timp. Este semnificativ faptul că în aceste schimbări spațiu-timp există zgomot, modificând haotic parametrii câmpului fizic.

La efectuarea măsurătorilor, se folosește adesea o tehnică când valoarea unei mărimi este determinată direct pe baza citirilor instrumentului de măsurare și care se numește metoda de evaluare directă . Viteza metodei este atractivă, dar are o precizie limitată.

O metodă în care o cantitate măsurată este comparată cu o cantitate reproductibilă măsura , numit metoda de comparare cu măsura .

Această metodă, în care efectul mărimii și măsurării măsurate asupra dispozitivului de comparare aduce rezultatul comparației la zero, se numește metoda de măsurare zero . Aceasta este metoda unui pod Wheatstone, a unui interferometru cu două fascicule, a unui elipsometru cu zero etc.

Diferență (diferenţial )Metoda de măsurare – o metodă prin care se compară mărimea măsurată cu o mărime omogenă care are o valoare cunoscută care diferă ușor de valoarea mărimii măsurate și se măsoară diferența dintre aceste două mărimi. Metoda oferă o precizie ridicată chiar și atunci când se folosesc contoare destul de aspre pentru a măsura diferența dintre valorile comparate, dar numai dacă există o măsură a preciziei necesare.

O metodă de măsurare constând într-o comparație cu o măsură, în care mărimea măsurată este înlocuită cu o măsură cu o valoare cunoscută a mărimii, se numește metoda de măsurare a substituției . (Acest lucru este utilizat pe scară largă, de exemplu, atunci când cântăriți corpurile).

Metoda de măsurare fără contact – o metodă de măsurare când elementul sensibil al instrumentului de măsurare nu este adus în contact direct cu obiectul de măsurat (de exemplu, în telemetrie).

CURTEA 6. SCARE DE MĂSURĂ, SCARE FIZICE.

AMBIGUITATEA IMAGINILOR LUMII

17 . Cantar pentru instrumente de masura; definiție și proiectare, parametri. Calibrarea scalei instrumentului de măsurare, verificarea acesteia și eroarea sistematică; conceptul de clasă de precizie a măsurării.

18 . Scala cantităților fizice; definire și implementare, metode de prezentare; ambiguitatea imaginilor lumii. Scara de temperatură și metodele de construcție a acesteia ca scară exemplară a unei mărimi fizice; scară de temperatură termodinamică cu o singură referință.

Conceptul de „Scara de măsurare” este reprezentat în practica și teoria măsurătorilor ca al doilea concept principal după conceptul de măsurare. Și în acest sens, este necesar și important din punct de vedere metodologic să distingem, în primul rând, scara instrumentului de masura si in al doilea rand, scara mărimii fizice .

17. Scala metrului - Acest parte a dispozitivului de citire al dispozitivului, care este set de mărci situatîntr-un anumit secvente Și marcat la unele dintre aceste mărcinumere numărătoarea inversă (sau personaje), corespunzătoare unui număr de valori consecutive ale mărimii fizice măsurate.

Parametrii scalei dispozitivului de măsurare - limitele, prețul de divizare (adică diferența valorilor corespunzătoare a două mărci adiacente) - sunt determinați limitele de măsurare dispozitiv, acesta sensibilitate Și eroare numărarea lecturilor.

În funcție de designul dispozitivului de măsurare al dispozitivului, marcajele pot fi localizate în diferite moduri: în linie dreaptă, arc sau cerc, iar locația lor poate fi uniformă sau neuniformă. Această calitate a scalei unui dispozitiv de măsurare este determinată, în primul rând, de principiul măsurării și, în al doilea rând, de metoda de conversie a valorii măsurate la intrarea elementului sensibil al dispozitivului în valoarea la ieșire, precum și ca și designul dispozitivului de citire în sine. Scalele inegale în sine sunt pătratice, logaritmice etc.

Pentru a număra fracțiile diviziunilor de scară ale unui instrument de măsurare, se folosesc scale suplimentare - verniere . Deci, pentru un șubler și un micrometru, prețul diviziunii principale a scalei este de 1 mm, dar utilizarea unui vernier vă permite să extindeți prețul diviziunii scalei acestor dispozitive la 0,05 mm și 0,01 mm.

Cântarile instrumentelor de măsurare sunt standardizate în lege prin prevederile GOST special dezvoltate.

Sensibilitate S al dispozitivului de măsurare - este determinat de raportul dintre mișcarea liniară ℓ (unghiulară ) a indicatorului de-a lungul scalei instrumentului (semnal de ieșire sub forma numărului  în instrumentele digitale) și modificarea x a mărimea fizică măsurată x care a determinat-o: S = ℓ(, )/х (6.1)

Valoarea sa inversă R (R=S ) se înțelege ca pragul de răspuns dispozitiv de măsurare asupra influenței de intrare.

Capacitățile efective ale scalei sale sunt date de obținere absolviri instrument de masurare caracteristica de calibrare , adică relația dintre valorile cantităților la ieșirea și intrarea dispozitivului, reprezentată printr-un tabel, grafic sau formulă. Găsiți-o lângă calibrare Și verificare dispozitiv prin intermediul inter-calibrare Și interverificare intervale timp.

Calibrare – un set de operații care stabilesc corespondența între valorile unei cantități obținute cu ajutorul unui dispozitiv de măsurare dat și a unui etalon.

Verificare – stabilire organism al serviciului metrologic de stat (sau alt organism oficial) adecvarea dispozitiv de măsurare pentru utilizare pe baza caracteristicilor metrologice determinate experimental și a confirmării conformității acestora cu cerințele obligatorii stabilite.

18 .Scala cantității fizice – o anumită succesiune de valori numerice atribuite prin acord unei mărimi fizice pe măsură ce aceasta crește (descrește).

Scara unei marimi fizice este determinata de metoda acceptata de masurare a acesteia. În astfel de cazuri, sub scara de masurare a intelege scara de masurare o anumită cantitate fizică, în special, scara de lungime, timp, lungimi de undă ale luminii, mărimi fotometrice etc.

După cum se știe, procedura de măsurare a luat naștere din geometrie, care în zorii apariției sale a fost o știință practică care servește intereselor utilizării terenului. Și aici cântarul era o anumită scară, un instrument de măsură (mijloace) cu ajutorul căruia se comparau obiecte de diferite lungimi. Așa a fost înțeles în alte domenii ale istoriei naturale: o scară de măsurare este o parte specifică a unui dispozitiv de măsurare. Dar când măsurătorile au invadat sfere cu proprietăți clar nonmetrice ( dezvoltare mentală, sentiment, opinie), scara de măsurare nu mai putea fi înțeleasă ca o scară gradată a unui instrument de măsurare. Diferență între forma materială a scalei , implementat în formular cântare pentru instrumente , si ea conceptual reprezentarea ca scară a cantității fizice a devenit la fel de clară ca în cazul unui cadran de ceas și al unei scale de timp.

Design conceptual scale de mărime fizică n (timp, temperatură etc.) este construit ca o unitate anumitîn ordine - valorile valori numerice , preturile de diviziune Și puncte de referință (scara zero). Forma scalei fizic cantitățile care vizează furnizarea de informații despre valorile scalei utilizate este cauzată de cu costul diviziunii (sub formă de valori numerice pentru cei selectați ordinea lor sigură) Și scara zero (punct numărătoarea inversă cântare). Aceste nuanțe ale scalei de măsurare a mărimii fizice au fost rezolvate pe deplin și consecvent la construirea scalei de temperatură.

Scale de temperatură – sisteme cu valori de temperatură comparabile. Temperatura nu poate fi măsurată direct, dar poate fi măsurată indirect prin oricare dintre manifestările asociate cu modificările sale, de exemplu, prin modificări ale oricărei proprietăți fizice a unei substanțe convenabile pentru măsurători. Această proprietate se numește proprietate termometrică (semn). Aceasta poate fi presiunea gazului, dilatarea termică a unui lichid, rezistența conductorului, susceptibilitatea magnetică a unei săruri magnetice, emisivitatea unei surse de radiație, intensitatea absorbției rezonante a undelor radio etc.

Când construim o scală de temperatură, atribuim valorile temperaturii t 1 și t 2 la două puncte de temperatură fixe și reproductibile x = x 1 și x = x 2, de exemplu, punctele de topire ale gheții și punctul de fierbere al apei la presiune normală. Diferența dintre aceste temperaturi t 1 și t 2 (t = t 1  t 2) se numește temperatură interval scara de temperatură. Considerând o relație esențial arbitrară între proprietatea termometrică x și temperatura t ca fiind liniară, și una dintre valorile temperaturii, să zicem, t 1, egală cu zero (t 1 = 0), obținem pentru orice valoare a lui x pe scara empirică a temperaturii stabilită astfel temperatura t:

t = t 2 [(x x 1)/(x 2 x 1)] (6.2)

Astfel, scala de temperatură este o conexiune numerică funcțională specifică între temperatura t și valoarea x a caracteristicii termometrice măsurate. Este posibil, în principiu, să existe orice număr de scale de temperatură, care diferă în caracteristicile termometrice, legătura acceptată între temperatură și caracteristicile termometrice și în puncte fixe de temperatură (referințe). Acest punct în construcția scărilor empirice de temperatură reflectă binecunoscutul ambiguitate în reprezentarea imaginii pace.

Principalul dezavantaj al scalelor empirice de temperatură este dependența lor de substanța termometrică. Acest dezavantaj este absent în așa-numitul scala de temperatură termodinamică. Se bazează pe celebra teoremă Carnot - baza celei de-a doua legi a termodinamicii. Conform teoremei, fluidul de lucru într-un așa-numit ciclu Carnot special reversibil absoarbe o cantitate de căldură Q 1 la temperatura încălzitorului T 1 și eliberează o cantitate de căldură Q 2 la temperatura frigiderului T 2 astfel încât raportul dintre acestea cantitățile de căldură (Q 1 /Q 2) este egală cu raportul de temperatură (T 1 / T 2). Conform aceleiași teoreme Carnot, raportul cantităților de căldură (Q 1 /Q 2) nu depinde de proprietățile fluidului de lucru (proprietățile substanței termometrice). Cantitățile de căldură Q 1 și Q 2 pot fi întotdeauna măsurate. Iar ciclul Carnot, efectuat, de exemplu, între temperaturile apei clocotite T s și topirea gheții T o, permite, prin măsurarea cantităților de căldură Q s, respectiv Q o, să se găsească raportul de temperatură (T s / T o) și orice temperatură T, dacă unul dintre rezervoare are o temperatură T o.

Această scară de temperatură, care nu depinde de alegerea substanței termometrice, este cunoscută și ca absolut scara de temperatură (scara Kelvin). Pentru a menține continuitatea exprimării sale numerice cu o scară de temperatură de 100 ° Celsius (ºC), intervalul de temperatură pentru starea de fierbere a apei și a gheții de topire la presiunea atmosferică normală este, de asemenea, egal cu 100 de grade pe scara Kelvin (100 K).

Cu toate acestea, implementarea practică a scalei de temperatură termodinamică este complicată de dificultăți specifice în măsurarea cantităților de căldură care sunt obținute cvasi-static la temperaturi constante ale substanței de lucru a motorului termic și rezervoarele termice ale încălzitorului, frigiderului și celei măsurate. obiect. În acest sens, în 1927, a 7-a Conferință de la Genova privind greutățile și măsurile a adoptat un cântar practic care este convenabil de utilizat. A fost numită Scala Internațională de Temperatură Practică. Utilizarea sa a fost aprobată de a 10-a Conferință de la Genova privind greutățile și măsurile din 1948, recomandând utilizarea în practică a unui set extins de puncte de referință definite și bine reproductibile: 1) - 182,57ºС (echilibrul de fază al oxigenului lichid O 2 și vaporilor acestuia). ); 2) + 0,01ºС (punctul triplu al apei: echilibrul de fază al aburului, apei și gheții); 3) + 100,0ºС (punctul de fierbere al apei în condiții normale); 4) + 419,505ºС, 5) + 960,8ºС și 6) + 1063ºС (puncte de cristalizare a zincului, argintului și respectiv aurului).

Williams Thomson (Lord Kelvin) și independent D.I. Mendeleev au atras atenția asupra oportunității construirii unei scări termodinamice de temperatură în care să fie utilizat un singur punct de referință - punctul triplu al apei (0,01 °C), iar punctul inferior ar fi temperatura 0 K De fapt, erorile în reproducerea punctului de fierbere al apei la presiunea atmosferică normală au fost, conform măsurătorilor metrologice (0,0020,010ºC), punctul de topire al gheții la presiunea atmosferică normală (0,00020,0010ºC), iar punctul triplu al apei – (0,0001ºС). Și Comitetul Consultativ pentru Termometrie al Comitetului Internațional de Greutăți și Măsuri a recomandat adoptarea unei scări termodinamice de temperatură cu un punct de referință (punctul triplu al apei): 273,1600  0,0001 K (1954).

CURTEA 7. SISTEME DE UNITĂȚI DE MĂRIMI FIZICE.

CONSTANTE FIZICE FUNDAMENTALE.

19 . Unități de mărimi fizice; definiție și proprietăți generale. Unități sistemice și nesistemice de mărimi fizice. Unități de bază și derivate ale unităților fizice; principiile formării și dimensiunii lor.

20 . Sisteme de unitati de marimi fizice; definiție, proprietăți și principii de construcție. Principalele sisteme de unități: metric, gaussian, tehnic, internațional SI, natural. Avantajele și dezavantajele acestor sisteme unitare.

Să ne întoarcem la al treilea pilon care susține vasta lume a măsurătorilor noastre - la unitățile și sistemele de unități de mărimi fizice.

19. Unități de mărime fizică – mărimi fizice specifice cărora, prin acord, li se atribuie valori numerice egale cu unu. CU La început au apărut unitățile de măsură ale lungimii, ariei și volumului, de care se ocupa geometria. Apoi au apărut unitățile de măsură de timp, masă etc., iar în diferite țări dimensiunile unităților de măsură, de regulă, nu coincideau. Dar odată cu dezvoltarea comerțului, științei și tehnologiei și extinderea relațiilor internaționale, numărul de unități de cantități fizice a crescut semnificativ. Și nevoia de uniformizare a unităților de măsură și de creare a unui sistem de unități de măsură a cantităților fizice incluse în circulația activității umane a început să se simtă cu acuitate. Primul din punct de vedere istoric a fost sistemul metric de măsuri care a apărut la inițiativa personajului marcant al Marii Revoluții Franceze din secolul al XVIII-lea, Lazarus Carnot. Ea are

recunoaștere globală; Pe baza acesteia, sunt create o serie de sisteme metrice de unități de mărimi fizice. Au început să facă distincția între unitățile sistemice și extra-sistemice ale mărimilor fizice.

Unități de sistem ale mărimilor fizice – unități de mărimi fizice incluse în unele sisteme de unități de mărimi fizice.

Unități non-sistem de mărimi fizice – unități mărimi fizice care nu sunt incluse în sistemul de unităţi de mărimi fizice.

Unitățile de sistem sunt împărțite în unități de bază și derivate.

Unități de bază mărimi fizice – unități de mărimi fizice acceptate în mod arbitrar conform acordului ca unități de bază.

Unități derivate marimi fizice – alte unitati de marimi fizice diferite de cele de baza, stabilite pe baza unor legaturi functionale intre unitatile de baza.

Legătura unității derivate X cu unitățile de măsură de bază se exprimă printr-o relație funcțională sub forma unei formule dimensionale, care este un monom de forma: X = L a ·T b ∙M c (7.1)

compus ca produs din simboluri generalizate ale unităților de bază (de exemplu, L, T, M) în diferite puteri (a, b, c) (întreg sau fracționar, pozitiv sau negativ), care se numesc indicatori de dimensiune. Dimensiune unitățile unei mărimi fizice X este o expresie care arată de câte ori se va schimba unitatea unei mărimi fizice date X atunci când unitățile de bază (de exemplu, L, T, M) se schimbă în sistemul acceptat de unități.

20. Sistem de unitati de marimi fizice – un set de unități de bază și derivate de mărimi fizice, care este construit în conformitate cu principii acceptate.

Sistemele de unități de mărimi fizice sunt construite pe baza teoriilor și ideilor fizice existente care reflectă interconexiunile și relațiile dintre mărimile fizice existente în natură. La construirea unităților de măsură în sistemul corespunzător de unități, este selectată o astfel de secvență de relații fizice în care relația ulterioară conține doar o nouă mărime fizică. Această abordare a stabilirii unităților de mărimi fizice permite determinarea unei unități a unei noi mărimi fizice printr-un set de unități de mărimi fizice definite anterior și, în cele din urmă, prin unitățile de bază de mărimi fizice pentru sistemul de unități de mărimi fizice utilizate.

Primul din istoria măsurătorilor a fost sistem metric , care s-a bazat pe metru (zece milionemi dintr-un sfert din lungimea meridianului parizian) și kilogram (masă de 1 dm 3 de apă pură la temperatura de + 4С). Particularitatea sa a fost principiul relațiilor zecimale în formare multipli Și lobară unitati.

În secolul 19 K. Gauss și W. Weber au propus un sistem de unități pentru mărimi fizice electrice și magnetice cu unități de bază milimetru ,miligram Și al doilea ; unitățile derivate din el au fost construite conform ecuațiilor de legătură între mărimile fizice.

În a 2-a jumătate a secolului al XIX-lea. Asociația Britanică pentru Avansarea Științei a adoptat două sisteme de unități de mărimi fizice cu unități de bază cm , gram , al doilea : sisteme electrostatice (SGSE) și magnetice (SGSM). Au apărut și alte sisteme de unități: simetric sistem GHS, tehnic (MTS ) sistem ( metru, kilogram, secundă ). În 1901, J. Georgi a propus un sistem de unităţi de mărimi fizice; unitățile sale de bază erau metru, kilogram, secundă si unitate electrica: amper , volt , ohm sau watt .

Pe baza acestuia, la mijlocul anilor 20 ai secolului XX. metrica a fost creată Sistemul internațional de unități (SI ), adoptată de a XI-a Conferință de la Genova privind greutățile și măsurile (1960). Are șapte unități principale: metru , kilogram , al doilea , amper , kelvin , candela , cârtiță .

În fizică, se folosesc sisteme de unități, care se bazează pe constante fizice fundamentale universale (constante), de exemplu, viteza luminii Cu , sarcina electronilor q , constanta lui Planck ħ etc.Sistemele de unităţi de mărimi fizice construite în acest fel sunt cunoscute ca sisteme naturale de unități . Pentru prima dată un astfel de sistem de unități a fost propus de M. Planck (1906). El credea că un sistem de unități cu unități de bază sub formă de constante fizice fundamentale ħ (constanta lui Planck), Cu (viteza luminii), G (constante gravitaționale), k (constanta lui Boltzmann) ar fi universală, independentă de condițiile terestre. Sistemele naturale de unități au fost propuse de L. Hartree, P. Dirac și alții.Dar astfel de sisteme s-au dovedit a fi incomode pentru utilizare practică, din cauza răspândirii uriașe a valorilor unitare pentru cantitățile fizice obișnuite utilizate pe scară largă în practică. Deci, în sistemul Planck pentru unitățile de lungime, masă și timp avem, respectiv, 4,03·10 - 25 m; 5,42·10  8 kg și 1,34·10  43 s, iar pentru temperatură 3,63·10 32 K. Dar pentru știință, sistemele naturale de unități de mărime fizice simplifică ecuațiile și oferă alte avantaje.

În practică, unitățile de bază sunt determinate cu precizie finită folosind metode de măsurare adecvate. Istoria arată că nu numai că cerințele pentru acuratețea determinării lor cresc, dar și metodele fundamental noi de măsurare apar. Și dorința oamenilor de știință de a conecta cantitățile fizice de bază cu constantele fizice fundamentale, care pot fi măsurate în orice moment cu o reproductibilitate bună, este de înțeles. Un exemplu izbitor este unitatea de lungime - metrul. Mai întâi este definit ca o fracțiune din lungimea meridianului pământului, apoi - prin lungimea de undă a luminii, iar acum - folosind viteza luminii în vid: metru –Acest lungimea segmentului parcurs de lumină în 1/299792458 de secundă.

PRELEȚIA 8. METODE DE SIMILITATE ȘI DIMENSIUNI.

CRITERII DE SIMILITATE. INVARIANTA.

21 . Metode de similaritate; loc în practica de măsurare. Legile asemănării. Legile de variație și conservare în natură.

22 . Conceptul de criterii de similaritate și principiile construcției lor. Teoreme de bază ale teoriei similitudinii.

21 Orice experiment ca tip de măsurare este de obicei gândit, organizat și construit pe baza unor teorii cunoscute, concepte și rezultate experimentale obținute anterior. Dacă un experiment este bine gândit și pregătit cu succes, iar un astfel de succes este de obicei asociat în mare măsură cu alegerea metodelor și mijloacelor de măsurare, atunci experimentul are multe șanse și oportunități de succes. Succesul este înțeles ca obținerea, în primul rând, de informații noi, precum și de conținutul acesteia. Atunci când planificați și executați un experiment, este important să excludem sau măcar să limitați cumva și să minimizați, dacă este posibil, influența mediului extern.

Experimentele moderne se desfășoară folosind anumite instrumente de măsurare, a căror creare și utilizare, în special în timpurile recente, este asociată cu materiale mari și foarte mari, energie și alte costuri financiare. Iar experimentatorii încearcă atât să ocolească aceste dificultăți, cât și să păstreze scopul experimentului. În zilele noastre, alături de experiența și priceperea experimentatorului, există destul de multe metode și instrumente de măsurare diferite care fac posibilă ocolirea dificultăților într-un experiment real. Metodele de măsurare care permit ocolirea dificultăților experimentale menționate includ metode de similaritate Și dimensiuni .

Ele sunt utilizate în cazurile în care studiul unui fenomen fizic (proces) necesită, de regulă, cheltuieli serioase, dar permite experimentarea la scară redusă (creștetă) a relațiilor studiate pe sisteme model, ale căror proprietăți pot fi modificate, realizarea condiţiilor necesare procesului de studiu.

Pe această posibilitate se bazează teoria similitudinii , bazat pe idei despre legi ale asemănării . Ele se bazează în mare măsură pe legile asemănării geometrice pentru corpuri geometrice sau figuri cunoscute din practica studierii geometriei. Legile similarității fac posibilă transferul datelor obținute pe un sistem model către sistemul fizic (tehnic) original. Sunt utilizate pe scară largă în laboratoarele aero- și hidrodinamice și plasmochimice, în laboratoarele de înaltă tensiune etc.

Similar numite procese fizice, respectând aceleași legi fizice, dacă mărimile fizice care caracterizează un proces pot fi convertite în mărimi care caracterizează un alt proces,înmulțirea cu un factor constant, numit coeficient de similitudine .

Ei vorbesc despre asemănarea completă (fizică) dacă toate mărimile fizice de bază care descriu procesul studiat îndeplinesc cerințele acestuia.

Teoria asemănării este doctrina condițiilor pentru asemănarea fenomenelor fizice. Se bazează pe conceptul de dimensiune a mărimilor fizice. Să vă reamintim că formula dimensiunii – dependența unității de măsură a unei mărimi fizice derivate de unitățile de mărimi de bază ale sistemului de unități selectat– pentru mărimea derivată X – acesta este un monom de putere sub forma produsului mărimilor fizice de bază L, M, T pentru sistemul de unități de măsură selectat, ridicat la puterile corespunzătoare a, b, c, numite dimensionale indici: X = L a M b T c (8.1)

Dacă toți indicatorii (a, b, c) sunt egali cu zero, atunci mărimea derivată X este o mărime adimensională; nu își schimbă valoarea atunci când se modifică dimensiunea unităților principale de măsură. O mărime adimensională este întotdeauna raportul dintre două mărimi dimensionale omogene. Se numește o mărime adimensională formată din trei sau mai multe mărimi dimensionalecomplex . Teoria dimensională cere uniformitate dimensională termeni individuali din partea stângă și dreaptă a ecuației care descriu fenomenul fizic luat în considerare.

Această abordare se bazează pe admisibilitatea transformărilor care păstrează sensul relațiilor studiate. Cu alte cuvinte, dacă judecățile despre relațiile dintre obiectele studiate, obținute pe baza operațiilor matematice efectuate, se modifică cu unele transformări admisibile ale sistemului numeric al scalelor de măsurare utilizate, atunci astfel de operații sunt lipsite de sens fizic. Cerința uniformității dimensionale înseamnă proporționalitatea scalelor de măsurare: caracteristici numerice pentru două diferite,dar fenomene similare din punct de vedere fizic(proceselor)pot fi considerate ca caracteristici numerice ale aceluiaşi fenomen, exprimate în două sisteme diferite de unităţi.

Cealaltă latură a admisibilităţii transformărilor care păstrează sensul relaţiilor studiate este invarianta aceste relații, adică proprietatea fluxului de procese în sistemele dinamice, indiferent de unele condiții fizice, proprietatea lor de a rămâne neschimbată atunci când aceste condiții fizice se modifică. Este înțeles în sens topologic (matematic) ca imuabilitatea, conservarea unei mărimi fizice în raport cu anumite transformări ale sistemului de referință. De exemplu, proiecțiile vitezei corpului pe axele de coordonate a două sisteme de referință diferite vor fi diferite, dar pătratul vitezei va fi același. Aceasta înseamnă că energia cinetică a corpului T = (mv 2 /2) nu depinde de alegerea sistemului de referință.

Invarianța relativistă constă în asemănarea legilor naturii referitoare la transformările relativiste Lorentz, reflectând egalitatea tuturor inerțială sisteme de referință; Mai mult, ecuațiile care descriu procesele fizice au aceeași formă în toate sistemele inerțiale. Invarianța relativistă limitează clasa de ecuații fizice posibile, reglementând căutarea legilor fizice.

Invarianța este strâns legată de legi de conservare , în special, cu astfel de legi fundamentale precum legile conservării momentului, momentului unghiular, energiei și acțiunii. Această legătură, după cum știm deja, este dezvăluită teorema lui Noether.

22. Subiectul teoriei similitudinii este stabilirea criterii de similitudine procesele fizice și utilizarea lor pentru a studia proprietățile acestor procese.

Asemănarea fizică este o generalizare a similitudinii geometrice vizuale. Cu asemănarea geometrică, ele au proporționalitate (aceasta este similitudine!) pentru elemente geometrice similare ale unor figuri similare (de exemplu, laturile triunghiurilor similare). Asemănarea fizică se reduce la asemănarea în spațiu și timp a câmpurilor mărimilor fizice corespunzătoare.

Astfel, cu similaritatea cinematică, există o asemănare a câmpurilor de viteză pentru mișcările luate în considerare (asemănarea vitezelor liniare pentru punctele unui corp rigid care se rotesc în jurul unei axe fixe de rotație). Cu similitudine dinamică, avem similitudini de câmpuri de forță de natură fizică diferită (câmpuri gravitaționale și electrice). Asemănarea mecanică, care oferă o generalizare a similitudinii cinematice și dinamice, utilizează prezența asemănării geometrice, cinematice și dinamice, de exemplu, în cazul a două fluxuri de fluide sau a două sisteme oscilatorii elastice.

Asemănarea proceselor termice implică asemănarea câmpurilor de temperatură și a fluxurilor de căldură corespunzătoare.

Asemănarea electrodinamică este asemănarea diferitelor câmpuri de vectori de forță, distribuția sarcinilor electrice și a curenților, sarcinile active și pasive în circuite, puterea curentului electric, fluxurile undelor electromagnetice etc.

Toate aceste tipuri de similitudini fizice enumerate sunt cazurile sale speciale. Proporționalitatea pentru astfel de fenomene similare din punct de vedere fizic este descrisă folosind combinații adimensionale formate din dimensiunile acelor mărimi fizice care descriu aceste procese luate în considerare. Aceste combinații adimensionale de dimensiuni ale mărimilor fizice reale au aceleași valori numerice pentru fenomene similare din punct de vedere fizic. Astfel de combinații adimensionale alcătuite din parametri reali care determină procesele studiate, numit criterii de similitudine . Orice combinație de criterii de similaritate este, de asemenea, un criteriu de similaritate pentru procesele luate în considerare. Mai mult, orice funcție a unuia sau mai multor criterii de similitudine este ea însăși un criteriu de similitudine. Rețineți că cel mai important dintre criteriile de similitudine i se atribuie un nume ca număr al unui om de știință major și este desemnat prin două litere, de obicei primele litere ale numelui său de familie (numele). Acesta este numărul lui Newton Ne, numărul Reynolds Re, număr Mach M(exemplu de desemnare cu o singură literă), precum și numărul Prandtl Relatii cu publicul, numărul Fourier Fuși așa mai departe.

Rețineți că parametrii fizici dimensionali incluși în criteriile de similaritate pot lua valori numerice foarte diferite pentru astfel de sisteme, dar criteriile de similaritate în sine rămân aceleași.

Criteriile de similaritate pot fi obținute dacă sunt cunoscute ecuațiile care descriu obiectele fizice. Este necesar să aduceți toate aceste ecuații doar într-o formă adimensională, folosind valori caracteristice pentru fiecare dintre parametrii care definesc obiectul și sunt incluși în sistemul de ecuații care îl descriu. Iar criteriile de similaritate sunt definite ca coeficienți adimensionali care apar înaintea unor membri ai noului sistem de ecuații cu mărimi adimensionale.

Dacă nu se cunoaște forma matematică a ecuațiilor care descriu procesele asupra obiectului fizic studiat, se stabilesc criterii de similitudine folosind metoda dimensiunilor mărimilor fizice care definesc obiectul studiat.

Bazele teoriei similitudinii pot fi formulate sub forma a trei teoreme.

1) teorema lui Newton : fenomenele similare au combinații numeric identice de parametri, numite criterii de similitudine.

2) Teorema lui Noether pi : ecuația unui obiect fizic, scrisă într-un anumit sistem de unități de măsură, poate fi reprezentată ca o relație între criteriile de similaritate obținute din mărimile care descriu obiectul.

3) Teorema Kirpichev-Gukhman : condițiile necesare și suficiente pentru asemănare sunt a) proporționalitatea cantităților similare incluse în condițiile de unicitate și b) criteriile de egalitate a asemănării pentru obiectele comparate.

Regula suplimentară : dacă o ecuație fizică care descrie un obiect conține funcții trigonometrice, logaritmice, exponențiale sau alte funcții neomogene, atunci argumentul lor ar trebui să fie adimensional și considerat ca un criteriu de similaritate suplimentar față de alte criterii obținute.

Să dăm câteva criterii de asemănare specifice.

Criteriul de similitudine a mișcării mecanice bazat pe a doua lege a lui Newton - numărul lui Newton Ne : Ne = (Ft2/mL) (8,2)

(F este forța care acționează asupra unui corp de masă m, t este timpul și L este dimensiunea liniară).

În aerodinamică aceasta este: numărul Reynolds : Re = (vL/) = (vL/) (8.3)

Numărul Mach : M = (v/s) (8,4)

( și  = / – vâscozitățile dinamice și cinematice ale mediului; v și s – vitezele curgerii și ale sunetului; L – mărimea caracteristică).

Criteriile de similaritate pentru schimbul de căldură între gaz și corpul aeronavei sunt:

numărul Prandl Pr = (/) = (c p /) (8,5)

numărul Nusselt Nu = (L/) (8,6)

( și  – coeficienții de conductivitate termică și difuzivitate termică; c p – capacitatea termică specifică a mediului la presiune constantă).

Criteriu omocronie H o caracterizează asemănarea proceselor în timp: H o = (vt/L) (8,7)

care în cazul fenomenelor electromagnetice (acustice) este determinată de frecvența ciclică : H o = t (8.8)

Criteriile de similaritate în circuitele electrice sunt determinate de timpii caracteristici de relaxare ai proceselor din circuitele care conțin, împreună cu rezistența R, inductanța L și capacitatea C: (L/Rt) (8.9)

În fizica nucleară, criteriul de similitudine este raportul dintre timpul de dezintegrare al unui medicament radioactiv t și timpul de înjumătățire T ½: Nu = (t/T ½) (8.11)

CURTEA 9. MĂSURĂRI ÎN TEHNOLOGIE; MĂSURARE

TEHNICĂ. MĂSURI ŞI STANDARDE, CLASIFICAREA LOR.

23 . Măsurători în tehnologie; tehnologie de măsurare. Măsurare; proprietăți și parametri metrologici. Standarde, clasificarea lor; baza de referință pentru țară.

23. Tehnică - Acest pragmatică(acesta este utilizare în beneficiul uman) ştiinţele naturii ca ansamblu de ştiinţe despre natură; se manifestă în primul rând ca totalitatea mijloacelor de activitate umană pentru implementare(în interesul și în scopul rezolvării efective a unei probleme globale și a asigurării sensului existenței umane) producția socială, Si deasemenea întregul ansamblu de relaţii umane cu lumea în cursul producţiei.

Măsurătorile aceleași în tehnologie și sunt o implementare specifică în forma și conținutul relației unei persoane cu lumea în cursul producției sociale. Această implementare se manifestă în trei niveluri complementare ale organizării sale: tehnologia de măsurare, măsurători de control și metrologie.

Tehnologia de măsurare - Acest ramură a științei și tehnologiei, care studiază și creează metode și mijloace de măsurare a mărimilor fizice care caracterizează proprietățile și stările obiectelor proceselor științifice și de producție. În multe țări industrializate, tehnologia de măsurare este privită pur și simplu ca o ramură unică a producției industriale intensive în cunoștințe; și în aceasta, desigur, există un mare sâmbure de adevăr.

Măsurători de control – măsurători efectuate în domeniul şi condiţiile producţiei industriale a produselor de consum public. În timpul procesului de producție, aceștia înregistrează că caracteristicile sale se încadrează în toleranțele de reglementare. Într-o serie de cazuri, măsurătorile de control sunt efectuate la nivelul măsurătorilor științifice în interesul eficienței producției în sine.

Tehnologia de măsurare a existat din cele mai vechi timpuri. Comerțul a condus cu multe milenii înainte de noua eră la crearea cântarilor; utilizarea terenului a dat naștere la măsuri de dimensiuni liniare și suprafețe de parcele; nevoile casnice au contribuit la crearea mijloacelor de măsurare a volumelor de corpuri lichide, granulare și solide; apoi au apărut ceasurile, mijloacele de înregistrare a informațiilor și de întreținere a calendarelor etc. În prezent, aparatura de măsurare este o componentă necesară a laboratoarelor științifice și a echipamentelor de proces tehnologice. Echipamentele moderne de măsurare sunt create pentru a influența nu atât simțurile umane, cât și senzorii sistemelor automate, telemetrice, analitice și de calcul.

Metrologie – ramura științei și tehnologiei măsurătorilor de înaltă precizie; studiază fenomenele folosite la realizarea instrumentelor de măsură (de referință, standard și de lucru) și asigură utilizarea lor în producție.

Instrument de masurare – efectuat din punct de vedere tehnic, un instrument de măsurare care are caracteristici metrologice standardizate, reproducând și/sau stocând o unitate de mărime fizică (cu o eroare specificată) pentru un anumit interval de timp.

Este destinat unui anumit interval de modificări ale mărimii măsurate, numit raza de masurare sau interval dinamic instrumente de masura.

Instrumentul de măsură are o scară; tipul acestuia depinde de execuția tehnică a produsului în sine. Scala instrumentului de măsurare - parte a dispozitivului indicator din sistemul instrumentului de măsurare, reprezintă o serie de semne împreună cu numerotarea asociată acestora. Conceptul de scară pentru instrument de măsurare este direct legat de concept caracteristici de calibrare instrument de măsurare - relația dintre valorile cantităților la ieșire și intrare, reprezentată printr-un tabel, grafic sau formulă. Procedura de determinare a acestuia se numește absolvire măsurare. Pe baza ei este instalat valoarea diviziunii scară de măsurare ca diferență de valori pentru marcajele adiacente de pe scară.

După un timp de funcționare, se verifică caracteristicile metrologice ale instrumentului de măsură: parametrii scalei - limitele acestuia, valoarea diviziunii; sensibilitatea şi eroarea indicaţiilor.

Eroare măsurare– diferența dintre citirile sale în timpul procesului de măsurare și valoarea reală a mărimii măsurate. Această diferență este sursa erorilor sistematice de măsurare și este identificată folosind calibrare (verificare ) instrument de măsură efectuat prin inter-calibrare (interverificare) interval timp.

Calibrare măsurare– un set de operații care stabilesc o corespondență între valoarea unei mărimi obținute cu ajutorul unui instrument de măsurare și valoarea corespunzătoare a unei mărimi obținute cu ajutorul unui etalon.

Verificare măsurare– stabilire de către organismul de serviciu metrologic de stat (alt organism autorizat) adecvarea instrumente de măsurare pentru utilizare și conformitatea caracteristicilor sale metrologice cu cerințele obligatorii stabilite. Adecvare instrument de măsurare este conformitatea caracteristicilor metrologice ale instrumentului de măsurare cu cerințele tehnice stabilite.

De obicei, pentru unitățile de măsură de bază, sunt alese unități de astfel de mărimi fizice care pot sta la baza creării măsuri și poate fi reprodusă standardele cu cea mai mare acuratețe la un anumit nivel de dezvoltare a științei și tehnologiei.

Măsura este un mijloc de măsurare care stochează o cantitate fizică de o anumită dimensiune. Ca produs, o măsură poate fi simplă sau complexă. Deci, de exemplu, măsura lungimii este o riglă, volumul este un pahar, masa este o greutate; măsura e.m.f. - element normal. Sunt masuri lipsit de ambiguitate (reproducând cantităţi de aceeaşi mărime) şi polisemantic (reproducând valori de diferite dimensiuni). Au semnificații și nominal (adică atribuit) și valabil (adică reproductibil); diferența dintre valorile nominale și reale este sistematic Eroare de măsurare.

Referinţă (din francezul ètalon  ‘eșantion, măsură’) este un mijloc de măsurare care servește la stocarea unităților legalizate de mărimi fizice, precum și la transferul mărimii acestora în alte mijloace de măsurare. Standardele sunt primare, speciale și secundare.

Primar standardele asigură cea mai mare acuratețe de reproducere a unei unități de măsură. Special etaloanele servesc la reproducerea unei unități de măsură în acele condiții speciale în care standardele primare nu pot fi utilizate. Secundar standardele servesc pentru a transfera dimensiunile unităților de măsură către instrumente de măsurare standard și chiar către unele dintre cele mai precise instrumente de măsurare de lucru. Fără utilizarea standardelor, este practic imposibil să se obțină comparabilitatea necesară a rezultatelor măsurătorilor efectuate de diferite instrumente în momente diferite. Datorită cerințelor destul de ridicate pentru acuratețea standardelor, crearea, păstrarea și utilizarea lor necesită o dezvoltare specială, cercetare și implementare tehnică. Toate aceste lucrări revin Laboratoarelor Naționale de Metrologie. Pentru unificarea internațională a unităților de mărimi fizice se creează standarde internaționale, iar în țară sunt create standarde naționale. Totalitatea tuturor standardelor utilizate reprezintă baza de referință a țării.

PRELARE 10. SURSA FUNDAMENTALĂ

EROARE DE MĂSURARE -

AUTOMISCAREA MATERIEI ŞI APLICAŢIILE EI SPECIFICE

MANIFESTĂRI: INERTIE, IREVERSIBILITATE, ZGOMOT.

IMPOSIBILITATEA FUNDAMENTALĂ A COMPLETĂRII

ELIMINAREA ERORILOR DE MĂSURARE.

24 . Sursa fundamentală a erorilor de măsurare este auto-mișcarea materiei și manifestările sale specifice. Inconsistența conceptuală internă a paradigmei clasice.

25. Fluctuații și zgomot. Mișcarea browniană a particulelor. Zgomot acustic. Zgomotul electric și legea lui Nyquist. Temperatura de zgomot a instrumentelor de măsurare radio. Conceptul de zgomot de împușcare.

24. În cunoașterea de către subiect a lumii înconjurătoare, lucrul principal este cunoașterea senzorială . Se realizează pe baza percepției de către simțurile umane a influențelor lumii exterioare asupra acestora. Dar dezvoltarea tehnologiei și crearea de instrumente de măsurare bazate pe aceasta extinde semnificativ posibilitățile de cunoaștere senzorială. Devine posibil să se creeze instalații și complexe de măsurare cu ajutorul cărora se realizează procesul de măsurare, astfel încât cunoașterea senzorială ca formă primară a cunoașterii devine din ce în ce mai puțin limitată de capacitățile organelor de simț umane înseși. Astfel, rar ne folosim propriul auz pentru a efectua orice măsurători în acustică, deși controlul hidroacustic folosind auzul operatorilor este folosit în mod obișnuit pe navele subacvatice și de suprafață. Dar viziunea rămâne un mijloc activ de percepție umană a unui volum uriaș de flux de informații, nu numai în viața de zi cu zi a oamenilor, ci și atunci când citiți citirile diferitelor instrumente analogice și plăci de lectură, care au devenit o parte bogată a activității umane.

În ceea ce privește capacitățile organelor noastre de simț, observăm că ochiul uman este superior ca sensibilitate la percepția semnalelor slabe față de aproape toate dispozitivele optice așa-numite obiective, inclusiv fotocelulele și fotomultiplicatoarele. Sensibilitatea ochiului adaptat la întuneric este deosebit de mare. Să ne amintim că sensibilitatea maximă a ochiului uman este la o lungime de undă de 507 nm, în timp ce porțiunea minimă de energie pe care ochiul o poate percepe la această lungime de undă este de aproximativ 210 –18 J. Aceasta corespunde la aproximativ cinci cuante de lumină care trebuie să lovească același loc pe retină într-o milisecundă de timp de înregistrare. Fotocatodul unui tub fotomultiplicator, echivalent cu sensibilitatea ochiului în această regiune a luminii, trebuie să aibă un așa-numit randament cuantic (efectul de transformare a numărului de cuante de lumină - fotoni - incidente pe fotocatod în numărul de electroni bătuți). din fotocatod) la un nivel de 20%. Doar cele mai bune dispozitive electronice au un randament cuantic atât de mare.

Conform conceptelor clasice, orice mărime fizică poate fi măsurată cu o eroare arbitrar mică; trebuie doar să organizați și să efectuați măsurători cu atenție, iar o astfel de organizare și implementare atentă a măsurătorilor înseamnă asigurarea unui nivel profesional înalt al experimentatorului, utilizarea instrumentelor de măsurare de înaltă calitate și conștiinciozitatea procedurii de măsurare în sine.

Dar de fapt, din cauza inerţie (efect întârzieri ) în mişcarea sistemelor fizice şi ireversibilitate (imposibilitatea revenirii la starea inițială) în timpul proceselor din acestea, starea inițială a sistemului, chiar și în timpul măsurătorilor statice, nu poate fi reprodusă. Iar eliminarea completă a erorilor de măsurare, care este în principiu posibilă conform logicii paradigmei clasice, se dovedește a fi fundamental imposibilă. Baza unei astfel de concluzii, care este contrară ideilor clasice, este autopropulsare materia ca sursă fundamentală de erori de măsurare şi manifestări specifice ale auto-mişcării materiei ca inerţie , ireversibilitate în mișcarea materiei și a purtătorilor ei și diverse mișcări însoțitoare zgomote .

24. Sursa curentă a erorilor de măsurare este fluctuatii mărimi fizice măsurate şi zgomote instrumente de măsură folosite efectiv. Fluctuații (din latinescul fluctuatio – ‘fluctuație’) sunt abateri aleatorii ale unei mărimi fizice de la valoarea sa medie, cauzate de diverse surse de natură aleatorie. O măsură cantitativă a fluctuației este abaterea standard a mărimii fizice măsurate și a valorii sale relative. Caracteristicile acestor mărimi se reflectă literalmente în teoria erorilor de măsurare.

Fluctuațiile macrosistemelor, considerate de fizica statistică, sunt cauzate de mișcarea termică haotică a particulelor care alcătuiesc aceste sisteme. În special, o manifestare a unei astfel de mișcări fluctuante a particulelor este așa-numita lor Mișcarea browniană , descoperit de botanistul englez R. Brown (1827) la observarea cu microscopul a comportamentului particulelor de polen (cu dimensiunea de aproximativ 1 micron) într-un mediu lichid. După cum se știe, intensitatea mișcării browniene haotice nu depinde de timp, ci depinde de temperatura, vâscozitatea și densitatea mediului lichid. Teoria mișcării browniene a fost dată de A. Einstein și de fizicianul polonez M. Smoluchowski (1905–1906). Mișcarea browniană este cea mai evidentă confirmare experimentală a prevederilor teoriei cinetice moleculare despre mișcarea termică a particulelor de materie. În metrologie, mișcarea browniană este înțeleasă ca principalul factor care limitează acuratețea instrumentelor de măsură extrem de sensibile. Se consideră că limita de precizie a măsurării este atinsă dacă deplasarea de fluctuație a părții mobile a dispozitivului de măsurare și deplasarea cauzată de efectul măsurat coincid aproximativ.

Fluctuațiile electrice sunt numite modificări aleatorii ale sarcinilor electrice, potențialelor și curenților în sistemele de particule încărcate electric, cauzate atât de natura discretă, cât și de mișcarea termică haotică a particulelor încărcate în sine, precum și de alte procese fizice care se schimbă haotic în corpuri și modificări aleatorii (instabilitati). ) caracteristicile conductoarelor de curent amplasate în circuitele electrice, diverse aparate electrice etc.

Se numesc fluctuații care nu pot fi reduse în condiții fixe de măsurare externă zgomot . Zgomotul, în conformitate cu natura apariției fluctuațiilor în mărimile fizice măsurate și parametrii instrumentelor de măsurare utilizate, este împărțit în termic Și cuantic zgomote . Zgomot termic sunt cauzate de mișcarea termică haotică a particulelor care alcătuiesc sistemele luate în considerare; zgomot cuantic datorate naturii cuantice discrete și ondulatorii a particulelor.

Probabilitatea P de apariție a fluctuațiilor și a zgomotului într-un sistem izolat este dată de formula lui A. Einstein: P = Aexp[(S – S o)/k B ] (10.1)

(unde S – S o este abaterea entropiei sistemului S de la valoarea sa de echilibru S o , k B este constanta lui Boltzmann, A este o constantă de normalizare). Această formulă este inversarea formulei lui Boltzmann pentru entropia unui sistem izolat.

Extinderea abaterii (S – S o) a entropiei S de la valoarea sa de echilibru S o în seria Taylor, obținem: (S – S o) = ( 2 S)/2 (10.2)

deoarece pentru un sistem izolat: (S) 0 = 0 (10.3)

Atunci, pentru un sistem izolat, probabilitatea P de apariție a zgomotului este descrisă printr-o formulă de forma: P = Aexp[( 2 S)/2k B ] (10.4)

Fluctuația relativă  S pentru așa-numitele cantități extensive observate ( volumul V sau numărul de particule N ale sistemului) este proporțională cu (1/N 1/2):  S = [( 2 S) 1/ 2 /S 0 ]  ( 1/N 1/2) (10,5)

Prin urmare, valorile observate ale cantităților fizice extinse ale macrosistemelor nu diferă de valorile lor statistice medii. Dar pentru microvolume izolate ale sistemului (care posedă un număr mic de particule N), fluctuațiile se dovedesc a fi foarte vizibile, iar fluctuațiile relative pot fi la nivelul unității ( 1).

În viața de zi cu zi și la locul de muncă, ele evidențiază în special zgomot acustic în legătură cu problemele acute ale timpului nostru în mijloacele ecologice de trai ale oamenilor. Un astfel de zgomot dă naștere la orice vibrații în solide, lichide și gaze, iar cele mai intense surse de zgomot sunt diversele motoare și mecanisme, vehicule etc.

Zgomotele sunt împărțite în staționare și non-staționare.

Zgomot staționar caracterizată prin constanța valorilor medii ale mărimilor fizice măsurate (controlate) sau ale parametrilor instrumentelor de măsură. În practică, zgomotul care apare în timpul acțiunii simultane a diferitelor surse de zgomot independente este cvasi-staționar (de exemplu, zgomotul unei mulțimi de oameni, marea, mașinile de producție, zgomotul la ieșirea unui receptor radio etc.) .

Zgomot tranzitoriu se caracterizează prin modificarea lentă a parametrilor sau este prezentat ca zgomot care durează o perioadă scurtă de timp în comparație cu timpul de înregistrare a semnalului (de exemplu, zgomotul stradal de la un tramvai sau alt vehicul care trece, bătăi individuale în producție sau acasă, zgomot modulat în receptoare radio).

Zgomotul joacă un rol semnificativ în multe domenii ale științei și tehnologiei: optică și acustică, inginerie radio și radiofizică, radiometrie și radioastronomie, sisteme radar și de comunicații, radiotelefonie și televiziune, știința informației și tehnologia calculatoarelor etc.

Zgomotul electronic reprezintă fluctuații aleatorii ale curenților și tensiunilor electrice în dispozitivele de măsurare radio și de transmisie radio. Acestea apar din cauza emisiei neuniforme de electroni în dispozitivele electrovacuum și în stare solidă, provocând, în special, zgomot de împușcături , și procese inegale de generare și recombinare a purtătorilor de sarcină electrică în dispozitivele semiconductoare. În special, neuniformitatea emisiei de electroni provoacă fluctuații (zgomot de împușcare) ale intensității curentului I - așa-numita putere a curentului de zgomot I zgomot sub forma: I zgomot = I 2 (t) 1/2 = 2q e I  ( 10,6)

q e – sarcina elementară,  – lățimea de bandă de frecvență a dispozitivului.

Mișcarea termică haotică a purtătorilor de sarcină electrică generează zgomot electric într-un conductor cu rezistența R la temperatura de echilibru T, descrisă de formula Nyquist forma: U 2 R (t) = 4k B TR (10.7)

unde U 2 R (t) este valoarea medie a tensiunii la pătrat pe rezistor.

O măsură a intensității zgomotului în dispozitivele de recepție radio este așa-numita temperatura zgomotului Tsh, definită ca temperatura T o a unui corp absolut negru (BLB), a cărui putere de radiație este egală cu puterea zgomotului termic al dispozitivului. Temperatura zgomotului Tsh este utilizată în radiometrie pentru a evalua nivelul de zgomot în instrumentele utilizate pentru amplificarea, înregistrarea și convertirea semnalelor electrice, pentru a evalua zgomotul antenelor atunci când se descriu sursele de radiație cosmică, pentru a evalua mărimea contribuției zgomotului la semnalul slab măsurat. , etc. Temperatura de zgomot Tsh este determinată de obicei prin comparație cu generatoarele de zgomot de referință.

CURTEA 11. MĂSURĂTORI DE ULTRA ÎNALTĂ PRECIZIUNE

DIN POZIȚIA PARADIGMEI CLASICE ȘI CUANTICE

(PARADIGMA CUANTICA CA BAZĂ A PRACTICII ȘI

TEORII DE MĂSURARE; INSOLVENTA

METODOLOGIA CLASICA IN METROLOGIE)

26. Paradigma cuantică ca bază pentru practica și teoria măsurătorilor.

Eșecul principiului determinismului strict și al metodologiei clasice în domeniul măsurătorilor de înaltă precizie.

26. În practica cunoașterii și asimilării cunoștințelor dobândite, oamenii se confruntă cu probleme, a căror soluție ar trebui să se bazeze pe metodologia științifică. Această poziție generală se aplică oricărei sfere a activității umane. Dar este deosebit de important și necesar în practica și teoria măsurătorilor. În vremea noastră, ea sa declarat pe bună dreptate drept baza metodologiei științifice. paradigma cuanticăși mani-festivaling-o sinergetice– o disciplină științifică integrală care studiază autoorganizarea sistemelor complexe.

Paradigmă ca categorie filozofică este un sistem holistic de idei ideologice despre relațiile din lume și modurile de cunoaștere a acestora . Paradigma clasică provine din ideile clasice despre esența relațiilor din lume și modurile clasice de înțelegere a lumii. Paradigma cuantică provine dintr-o înțelegere a naturii cuantice a relațiilor din lume, a organizării sale cuantice și a legilor cuantice ale mișcării și a utilizării metodologiei cuantice pentru obținerea cunoștințelor despre lume.

Conștientizarea naturii cuantice a relațiilor din lume este baza imaginii fizice moderne a viziunii lumii, a legilor dezvoltării și

un element necesar al culturii timpului nostru. Conceptele care determină viziunea cuantică a relaţiilor din lume sunt cuantic Și cuantizarea . Cuantic – cea mai mică parte a unui întreg care își păstrează proprietățile; termenul este generat de latinul quantum – ‘portie, cantitate’. Cuantizarea – proprietate (abilitate )schimbați starea discret, în cantități finite mici și, de asemeneaimplementare acțiuni pentru a schimba discret starea sistemului, schimbându-l în porțiuni finite mici– cuante . Sistem cuantic – un sistem dinamic capabil să schimbe starea discret, în porțiuni mici sau în cuante.

Concept cuantic ca cea mai mică parte a întregului, păstrând(nu pierde)proprietăţi ale întregului, indiferent de natura sa, conceptul de cuantizare a relaţiilor din lume a devenit fundamental. A devenit veriga universală a paradigmei cuantice. Același lucru a făcut posibilă integrarea naturală a realizărilor din diverse domenii ale cunoașterii în cadrul științei generale - sinergetice ca știință a sistemelor complexe.

Cuantizarea sistemele dinamice servesc ca principiu de bază al fizicii cuantice moderne. Gândirea științifică s-a îndreptat către o imagine coerentă a viziunii cuantice asupra lumii și a relațiilor din ea, bazându-se pe nevoia naturală, determinată genetic de cunoaștere a lumii și de certitudine, pe stabilitatea relațiilor umane cu lumea exterioară, în continuă schimbare, și nevoia de armonie cu ea. Pe calea lungă a stăpânirii lumii și a înțelegerii relațiilor din ea, avem nume și descoperiri grozave (Democritus, Gassendi, Lomonosov, Dalton, Avogado, Planck, Bohr, Einstein, de Broglie, Heisenberg, Schrödinger, Fermi, Dirac). Fără ei stiinta cuantica Cum un set de idei cuantice despre lume și legile mișcării acesteia aduse în sistem, adecvate naturii cuantice a relațiilor din acesta,în forma şi calitatea ei modernă nu putea avea loc.

Natura cuantică a relațiilor din lume pune în mod necesar metrologia (ca zonă specifică a activității umane, manifestându-se atât ca știință, cât și ca înaltă tehnologie, și ca suport socio-legal pentru măsurători de înaltă precizie), un serios și problema fundamentală a identificării şi utilizării contoarelor.-proprietăţile rologice ale sistemelor cuantice.

Soluția fundamentală la această problemă din punctul de vedere al metodologiei științifice pare clară. Soluția sa poate și ar trebui să fie rezolvată pe baza utilizării analizei și studiului fenomenelor cuantice și a sistemelor cuantice în sine. Pare evident că utilizarea normelor și stereotipurilor clasice pentru problemele de măsurare trebuie adusă în concordanță cu cerințele de adecvare la fenomenul cuantic studiat (controlat).

În esență, abordarea clasică se bazează pe poziția binecunoscută a marelui gânditor antic Aristotel, pe baza căreia ipoteza lui Democrit despre atomi a fost respinsă. El recunoaște ca un criteriu al cunoașterii adevărului criteriul evidenței și criteriu consistenta logica , provenind dintr-o percepție speculativă a relațiilor din lume. Dar această abordare este în esență doar un model foarte grosier și inexact de relații în lume. Pe baza unei descrieri speculative a lumii, Aristotel a respins în principiu imposibilitatea oricărei mici fragmentări a elementelor lumii.

Desigur, poziția lui Aristotel se baza pe o anumită experiență. Dar aceasta a fost experiența viziunii naive intuitiv-senzuale a oamenilor, văzând lumea ca fiind „vizibilă cu ochii noștri”. Cunoașterea în dezvoltare spontană a lumii naturale a condus la problema fundamentală științifică și tehnică a mișcării corpurilor în spațiu și timp, care a fost rezolvată prin crearea conceptului de Lume Nouă - Renașterea. Și baza fundamentală a acestui nou concept a fost metoda fizica de cunoastere lume, la originile căreia stătea G. Galileo, și clasic Mecanica marele I. Newton.

Experiența de zi cu zi a vieții noastre, similară în relația sa cu natura în multe privințe cu experiența oamenilor din lumea antică, ne-a permis să formulăm așa-numitul principiu clasic determinism (certitudine ). Se bazează pe ideile noastre clasice, care la rândul lor se bazează pe presupunerea aparent destul de naturală că orice mărime fizică poate fi măsurată, în principiu, cu o eroare arbitrar de mică. Această presupunere exprimă punctul de vedere al lui Aristotel. Cu alte cuvinte, orice mărime fizică poate fi strict exactă cu orice grad de acuratețe, iar acesta din urmă este determinat numai de nivelul de dezvoltare a tehnologiei de măsurare și de diligența interpreților. Această înțelegere, dacă doriți, convingere se datorează faptului că din punctul de vedere al științei clasice nu există restricții fundamentale privind acuratețea măsurătorilor. De obicei nu se discută din cauza evidenței că, cu suficient efort și diligență, instrumentele pot fi realizate foarte perfecte, iar experiența și priceperea experimentatorului pot fi foarte mari, datorită muncii, timpului și, de asemenea, talentului experimentator. Dar nu există justificări experimentale serioase pentru legitimitatea unei astfel de abordări sau credințe. Și totuși a fost acceptat a priori ca cu adevărat adevărat, ca o chestiune firească (și acesta este doar efectul credinței, nu adevărul autentic). Dar dovezile ca criteriu al științei, un criteriu al adevărului, s-au dovedit de mai multe ori a fi insuportabile. Să ne amintim măcar de cunoscuta confruntare dintre abordările lui Aristotel și Galileo asupra problemelor mișcării, care s-a încheiat cu descoperirea legii inerției în mișcarea corpurilor.

G. Galileo, prin descoperirea legii inerției, a arătat și a demonstrat că forța nu este cauza mărimii vitezei corpurilor, ci cauza modificărilor vitezei corpurilor (adică cauza accelerației). a corpurilor). Această schimbare aparent nesemnificativă a accentului a schimbat de fapt în mod radical întreaga imagine a lumii și a dus la nașterea mecanicii newtoniene. În cele din urmă, aceasta a revoluționat întregul sistem de moduri și metode de înțelegere a lumii: practica socială sub forma unui experiment științific în combinație cu teoria și testarea practică a întregului set de consecințe a devenit un criteriu pentru rezolvarea problemelor din lume.

Totuși, ideea posibilității fundamentale de a cunoaște lumea cu o acuratețe cât se dorește, cu cât de puțină inexactitate se dorește, a rămas la baza filozofiei științei și a conștiinței umane, la baza practicii tuturor. activități de orientare cognitivă umană. Conform conceptelor clasice, cunoașterea forțelor din lume permite să prevadă cursul evenimentelor în viitor și să cunoască cursul evenimentelor din trecut datorită invarianței celei de-a doua legi a lui Newton în mecanică: (d p /dt) = F (11.1)

la inversarea semnului timpului t – la înlocuirea timpului t cu timpul „– t”.

Această idee a fost exprimată pentru prima dată de omul de știință francez R. Descartes: „lumea este un ceas care a fost pornit odată!” Într-o interpretare modernă, principiul determinismului a fost dat de Laplace: „fiecare eveniment are o singură cauză; relația dintre efect și cauză este lipsită de ambiguitate; mișcarea oricărui sistem este determinată în mod unic de legile mișcării pentru o anumită interacțiune a corpurilor și anumite condiții inițiale.”

Știința cuantică a adus o schimbare radicală în ideile despre lume și în structura gândirii, care este într-o oarecare măsură caracteristică timpului nostru. Alegerea faptelor pe baza cărora este formulată teoria nu este unică. Dar este indicat să luați în considerare cele mai simple situații, ferite de coșmarul fleacurilor și detaliilor.

Să considerăm o placă plasată pe calea unui fascicul îngust de lumină (Fig. 1–11).

Pe placă, lumina este împărțită: o parte a fasciculului trece prin placă și este înregistrată de receptorul 1, iar cealaltă este reflectată și înregistrată de receptorul 2. Astfel, particule identice în

Într-un flux de lumină de aceeași frecvență (fotoni) în aceleași condiții înainte de a intra în placă, aceștia se comportă complet diferit după interacțiunea cu placa. Cu alte cuvinte, comportamentul fotonului se dovedește a fi imprevizibil! Aceasta înseamnă că determinismul în sensul pe care i l-au dat Laplace/Descartes nu există deloc în natură! Reflexia unui foton de pe o placă este un eveniment aleatoriu! Cu toate acestea, cu un număr mare de teste, care este echivalent cu un număr mare de fotoni N >> 1, comportamentul fotonilor se dovedește a fi previzibil în conformitate cu legile opticii undelor.

Deci, știința cuantică, după ce a introdus o întorsătură radicală în ideile despre relațiile din lume și acuratețea măsurării acestora, a scos la iveală inconsecvența fundamentală a principiului clasic al determinismului și a metodologiei clasice în domeniul măsurătorilor cu o precizie deosebit de mare, care sunt de o importanță fundamentală pentru metrologia modernă, incompatibilă capacitatea lor de a rezolva contradicția abordărilor clasice a problemei măsurătorilor cu o precizie deosebit de mare și imposibilitatea lor de atins datorită sursei inamovibile de erori sub formă de fluctuații ale mărimilor fizice și zgomot în timpul măsurătorilor.

CURTEA 12. PRINCIPIUL COMPLEMENTARITATII LUI N. BOR ŞI

W. HEISENBERG RELAȚII DE INCERTITUDINE

27. Principiul de complementaritate al lui Bohr și relațiile de incertitudine ale lui W. Heisenberg.

27. Știința cuantică înseamnă un punct de cotitură radical atât în ​​sistemul ideilor noastre despre lumea din jurul nostru, Univers, cât și chiar în structura gândirii, care este caracteristică într-o anumită măsură timpului nostru.

Relația dintre abordările fenomenelor și relațiile din lume, caracteristică științelor clasice și cuantice, este determinată de prezența așa-numitului cuantum de acțiune sub forma constantei lui Planck h = 2πћ (sau ћ = h/2π), care are dimensiunea acţiunii, adică produsul muncii în timp (J sec). Dacă orice mărime fizică care are dimensiunea acțiunii (de exemplu, momentul unghiular L = pr) este foarte număr mare N>>1 cuante de acțiune ћ = h/2π, apoi domnește mecanica clasică și legile clasice în mișcarea corpurilor se manifestă pe deplin. Dar dacă o mărime fizică care are dimensiunea acțiunii (de exemplu, momentul unghiular L = рr) este un număr mic N ~ 1 quanta de acțiune ћ = h/2π, atunci domnește mecanica cuantică și ar trebui să folosiți legile cuantice în mișcare. a micro-obiectelor. Această poziție metodologică, care a fost formulată pentru prima dată de N. Bohr, este cunoscută ca principiul complementaritatii .

O bază puternică pentru dezvoltarea metodologiei științifice în rezolvarea problemei de măsurare a fost relația de incertitudine descoperită în 1927 de W. Heisenberg.

Relația de incertitudine Heisenberg (sau, așa cum se spune adesea, principiul) este un principiu fundamental al teoriei cuantice, care impune restricții semnificative asupra preciziei maxime cu care pot fi măsurate caracteristicile dinamice ale sistemelor cuantice. Acesta afirmă că orice sistem fizic nu poate fi în stări în care coordonatele centrului său de inerție și ale impulsului iau simultan valori bine definite (adică specificate cu o eroare arbitrar de mică) și, în mod individual, aceste mărimi pot fi măsurate în principiu la orice grad de precizie, măsurat în principiu cu orice eroare arbitrar mică.

Cantitativ, relația de incertitudine este formulată după cum urmează. Dacă х k și p xk reprezintă incertitudini în valorile coordonatei x k (unde k = 1,2,3) a centrului de inerție al sistemului și proiecția impulsului R pe axa corespunzătoare x k, înțeles ca abateri standard x k 2  1/2 și p xk 2  1/2 din aceste mărimi fizice din valorile lor medii, atunci produsul incertitudinilor acestor mărimi fizice conjugate nu ar trebui să fie de ordinul mărimii mai mică de jumătate din constanta lui Planck cu bara (ħ/2): p x 2  1/2 x 2  1/2 ≥ (ħ/2) (12.1)

Datorită micii constantei lui Planck în comparație cu dimensiunile de acțiune pentru mărimile macroscopice, relațiile de incertitudine (12.1) se dovedesc de fapt a fi semnificative doar pentru sistemele microscopice atomice. Din relațiile de incertitudine rezultă că, cu cât se măsoară mai exact una dintre mărimile fizice conjugate, cu atât se dovedește a fi mai incertă valoarea alteia dintre ele. Imposibilitatea determinării simultane a acestor mărimi fizice conjugate se datorează unor motive fizice cuantice obiective, iar eventuala imperfecțiune a instrumentelor de măsură nu este un factor decisiv aici.

Relația de incertitudine este formulată într-un mod similar pentru un alt grup de mărimi fizice conjugate, al căror produs are aceeași dimensiune de acțiune ca și dimensiunea constantei lui Planck. Astfel de perechi de mărimi fizice conjugate cu dimensiunea acțiunii sunt energia E și timpul t, precum și proiecțiile L z pe axa z a momentului unghiular L iar poziția unghiulară  a acestei proiecții într-un plan perpendicular pe vectorul moment unghiular, adică au loc inegalități de forma:

Et ≥ (ħ/2) (12.2)

L z  ≥ (ħ/2) (12,3)

În special, relația de incertitudine pentru energie și timp (12.2) înseamnă că, dacă un sistem fizic este într-o stare staționară, atunci energia E, chiar și în această stare, nu poate fi măsurată cu o eroare E mai mică decât valoarea determinată de o relație. de forma: E = (ħ/2t) (12.4)

unde t reprezintă durata în timp a măsurării energiei E a stării staţionare.

Motivul pentru aceasta constă în interacțiunea sistemului fizic cu dispozitivul de măsurare, iar raportul de incertitudine în acest caz ne permite să estimăm energia de interacțiune dintre dispozitivul de măsurare și sistemul fizic. Relația (12.4) ca o consecință directă a relației de incertitudine (12.2) pentru energie și timp poate fi utilizată și pentru a estima incertitudinea valorii energetice a stării nestaționare a unui sistem închis, iar incertitudinea t în timp este înțeles ca durata de viață caracteristică  a sistemelor de stări nestaționare (excitate).

Relația de incertitudine pentru energie și timp conduce la concluzii importante cu privire la stările excitate ale sistemelor cuantice microscopice, cum ar fi atomii, moleculele, grupurile de molecule și nucleele. Stările excitate ale sistemelor cuantice sunt instabile, energiile lor sunt estompate în jurul valorii medii cu o anumită lățime de estompare, numită lățimea naturală Г = 2E a nivelului cuantic al sistemului, raportată la durata de viață  a stării de către o relație de forma: Г = ħ (12.5)

Și în această formă relația de incertitudine este importantă pentru atomic și fizica nucleara, pentru fizica stărilor non-staționare.

Dacă relația de incertitudine (12.2) pentru energia E și timpul t este aplicată undelor electromagnetice monocromatice, care practic nu sunt niciodată strict monocromatice, atunci se obține relația de incertitudine  și N pentru faza de undă  și numărul N de fotoni asociați. cu radiația de curgere transferată de o undă electromagnetică dată, iar această relație ia forma:

N ≥ 1/2 (12,6)

Acest raport determină limita absolută a erorilor sau acuratețea măsurării parametrilor fluxului de radiație electromagnetică. Acest lucru este deosebit de important pentru regiunea optică a fluxurilor incoerente de unde electromagnetice, unde, datorită energiei mari a cuantelor, numărul de fotoni N înregistrați în timpul caracteristic de măsurare și, în consecință, incertitudinea N a numărului lor este la nivel de unitate. Prin urmare, incertitudinea fazei  este foarte mare. Iar starea undelor electromagnetice coerente este specificată printr-o împrăștiere de fază nesemnificativă , astfel încât relația (12.6) capătă caracter de egalitate: N = 1/2 (12.7)

Relația incertitudinilor  și N pentru faza  a funcției de undă a unui sistem cuantic și numărul N de purtători ai stărilor cuantice ale unor astfel de sisteme poate fi aplicată, așa cum am arătat prima dată într-una dintre lucrările noastre în 1991, pentru societatea umana.

CURTEA 13. DESPRE PROPRIETĂȚI METROLOGICE

MICROOBIECTE. RESURSE DE CONFORMITATE LA NIVEL

STABILITATEA PARAMETRILOR MICROOBIECTULUI

LA CERINȚELE METROLOGIEI DIN POZIȚII CUANTICE.

28. Conceptul de măsurători fizice cuantice după N. Bohr.

29. Un set complet de mărimi fizice ale unui micro-obiect este o modalitate de a asigura resursa parametrilor metrologici ai micro-obiectelor și baza metrologiei cuantice a micro-obiectelor.

28. O condiție necesară pentru cunoașterea științifică a lumii și utilizarea eficientă a cunoștințelor dobândite este ca întregul sistem de relații din lume să fie stabil și durabil pe o perioadă de timp suficient de lungă și semnificativă din punct de vedere social pentru umanitate. La rândul său, caracterul științific al cunoașterii lumii și eficacitatea stăpânirii rezultatelor acesteia, cerute de societate, sunt asigurate de stabilitatea lumii care există efectiv și este folosită de oameni și de stabilitatea relațiilor globale din ea. Stabilitatea și stabilitatea relațiilor în lume este o consecință a naturii cuantice a mișcării și interacțiunii diferitelor părți ale lumii noastre. Problema stabilității relațiilor în lume poate fi și se rezolvă doar în cadrul paradigmei cuantice, pe baza înțelegerii și luării în considerare a legilor cuantice în mișcarea diferitelor subsisteme ale lumii noastre.

Iar problema identificării și utilizării proprietăților metrologice ale micro-obiectelor este rezolvată pe baza unui studiu corespunzător al fenomenelor cuantice și al sistemelor cuantice în sine. Desigur, nivelul de stabilitate al parametrilor observat din punctul de vedere al abordării clasice în cazul micro-obiectelor, al căror comportament este pur cuantic, pare complet inconsecvent cu cerințele metrologiei ca știință de furnizare de măsurători de înaltă precizie. . Această discordie este deja vizibilă în ideea metodologiei clasice despre posibilitatea de a efectua măsurători cu o eroare arbitrar de mică atât pentru una cât și simultan pentru multe cantități fizice care definesc starea sistemului. Profunzimea contradicției dintre tabloul cuantic și cel clasic al comportamentului microparticulelor este indicată de relațiile de incertitudine Heisenberg pentru mărimi fizice conjugate de fază (cantități a căror dimensiune a produsului este egală cu dimensiunea acțiunii). În esență, ele conduc la concluzia că în teoria cuantică a mișcării microparticulelor nu poate exista deloc conceptul de traiectorie a microparticulelor. Mai mult, absența unei traiectorii definite pentru microparticule elimină însăși nevoia de a vorbi despre astfel de caracteristici dinamice cunoscute în teoria clasică ca viteza, accelerația, calea, deplasarea unei microparticule etc. Desigur, trebuie remarcat că aici vorbim doar despre mărimi care descriu mișcarea spațială a unei microparticule, dar nu despre mărimi care o definesc ca particulă, adică nu vorbim de masă, nici de sarcină electrică, nici microparticule de spin

Însă incertitudinile mărimilor fizice conjugate dinamic, legate de relația de incertitudine, fac ca nivelul de stabilitate a parametrilor corespunzători ai micro-obiectelor să nu fie adecvat cerințelor metrologiei doar din punctul de vedere al măsurătorilor ca modalitate de înțelegere a lumii în cadru. a paradigmei clasice. Trebuie să ne bazăm pe poziția măsurătorilor ca o modalitate de a înțelege lumea deja în cadrul paradigmei cuantice. Și aici ne confruntăm cu o situație unică în istoria cunoașterii. A fost identificat și rezolvat pentru prima dată în favoarea dezvoltării metrologiei cuantice de către N. Bohr în cadrul principiului complementarității pe care l-a dezvoltat. În acord cu el, această situație include corelarea inextricabilă a paradigmelor și metodologiilor cuantice și clasice, a mecanicii cuantice și clasice.

Într-adevăr, de obicei teoria mai generală (a teoria cuantica asta este pentru cea clasică) se formulează (se poate formula) într-un mod logic închis, indiferent de teoria mai puțin generală, care este un caz limitativ al teoriei generale. Dar formularea principalelor prevederi ale teoriei cuantice, fizicii cuantice sau, mai exact, prevederile mecanicii cuantice este fundamental imposibilă fără implicarea fizicii clasice sau, mai exact, fără implicarea mecanicii clasice. Acest lucru se datorează, în primul rând, faptului că numai pentru un sistem de microobiecte cuantice este în general imposibil să se construiască mecanică închisă logic și, în al doilea rând, modului în care informațiile despre stările microobiectelor sunt obținute într-un experiment real. Această situație reflectă în esență caracterul paradoxal al antinomiei actului cognitiv, când este imposibil să se facă fără utilizarea conceptelor logice și când tabloul relațiilor din lume obținut cu ajutorul lor se dovedește incomplet.

Necesitatea și posibilitatea unei descrieri cantitative a mișcării unei microparticule necesită prezența unor obiecte fizice care precizie destul de mare sunt descrise de legile mecanicii clasice (fizica). Dacă o microparticulă interacționează cu un astfel de obiect clasic, atunci starea acestuia din urmă, în general, se schimbă. Natura și amploarea unei astfel de modificări în obiectul clasic servește ca măsură a stării microparticulei, deoarece schimbările în starea obiectului clasic depind de starea acestuia.

În acest sens, obiectul clasic se numește dispozitiv sau instrument de masurare starea microparticulei. Și este necesar să remarcăm imediat că aici, în teoria cuantică, sub măsurare înțelege, conform conceptului lui N. Bohr, numai procesul de interacțiune dintre obiectele cuantice și clasice, procesul de interacțiune a unei microparticule cu un obiect clasic– dispozitiv , și acest proces măsurarea fizică cuantică procedează separat și independent de orice observator. Observatorul poate și trebuie să folosească rezultatele unei astfel de interacțiuni între un obiect clasic - un dispozitiv - și un obiect cuantic - o microparticulă - ca obiect de cunoaștere în interesul cunoașterii în sine.

De obicei, un instrument de măsură este reprezentat ca un anumit obiect fizic care are o masă mare și este un macro-obiect. Dar natura macroscopică a unui obiect în sensul obișnuit ca o anumită enormitate nu este o proprietate obligatorie pentru un dispozitiv sau o cerință pentru posibilitatea utilizării acestuia. În anumite condiții, rolul unui dispozitiv este jucat și de un micro-obiect cunoscut, deoarece conceptul de dispozitiv include conceptul de a fi un dispozitiv cu suficientă precizie, iar acest concept „cu suficientă precizie”, căruia îi acordăm atenție , depinde de sarcina, scopul și acuratețea implementării.

Măsurarea fizică cuantică - interacțiunea unui obiect cuantic cu un obiect clasic - are o caracteristică esențială - afectează întotdeauna obiectul cuantic măsurat în sine. Acest impact nu poate fi în niciun fel făcut atât de mic pe cât se dorește - aceasta este diferența fundamentală dintre metodologiile clasice și cele cuantice. Dar înțelegerea acestei circumstanțe ne oferă o bază metodologică pentru asigurarea resursei proprietăților metrologice și parametrilor micro-obiectelor.

29 . După cum sa dovedit, cerințele metrologiei din punctul de vedere al paradigmei clasice pentru nivelul de stabilitate a parametrilor micro-obiectelor la măsurarea acestora diferă de natura cuantică a mișcării de sine a materiei și a micro-obiectelor sale.

Această contradicție necesită în mod necesar rezolvarea problemei identificării și aplicării proprietăților metrologice ale micro-obiectelor, deoarece, vrem sau nu, legile cuantice determină existența lumii noastre. Iar conceptul de măsurare cuantică, înțeles după N. Bohr ca interacțiune între un micro-obiect cuantic și un dispozitiv, a făcut posibilă rezolvarea acestuia. Metodologia - un sistem de mijloace și metode de cunoaștere eficientă - este construită pe conceptul de măsurare cuantică conform lui N. Bohr, ținând cont de nuanțele fiecărei măsurători specifice.

Trecerea la rezultatele unei interacțiuni specifice a unei microparticule cu un dispozitiv în conformitate cu legile cuantice identificate și condițiile unui experiment specific a deschis resurse mari în îndeplinirea nivelului adecvat de stabilitate a parametrilor microobiectelor cu cerințele metrologiei. O singură rețetă pentru toate situațiile posibile de măsurare a parametrilor unui microobiect este, în principiu, cu greu posibilă. Abordarea în sine va fi generală, bazată pe natura cuantică a relației dintre un microobiect și un dispozitiv, ținând cont de principiile complementarității și incertitudinii, și dezvăluind rezultatul măsurării calculat pe oricare dintre parametrii microobiectului.

De fapt, în mecanica clasică, în fiecare moment de timp o particulă se află undeva (având trei coordonate) și are o viteză (impuls). Informațiile despre stările unei particule sunt prezentate aici ca un set de mărimi fizice obținute ca urmare a măsurării lor simultane (cel puțin la scara fenomenului studiat), și anume măsurarea coordonatelor, vitezelor, timpului, masei și , în consecință, impuls și energia particulelor. Și într-o situație cuantică, un electron, de exemplu, primește anumite coordonate ca rezultat al măsurării și, în același timp, pierde orice definiție în viteză (impuls). Și un electron care are o anumită viteză ca urmare a măsurării pierde o anumită locație.

Deci, teoria cuantică nu permite unui electron să aibă atât locație, cât și viteză în același timp. Aceasta este concluzia care, din punctul de vedere al paradigmei clasice, constă în discrepanța dintre nivelul de stabilitate a parametrilor micro-obiectelor și cerințele metrologiei moderne. Din poziția sa, o descriere completă a stării unui sistem fizic este efectuată prin specificarea mai întâi a coordonaților și vitezelor tuturor părților sau particulelor sale în momentul inițial al timpului de mișcare a sistemului, apoi, pe baza acestor date inițiale, ecuațiile mecanicii clasice permit, în principiu, să descriem complet comportamentul sistemului în viitor, indicând coordonatele și vitezele tuturor părților și particulelor sistemului în orice moment ulterior de timp (este suficient să ne amintim cuvintele lui Descartes: „Lumea este un ceas ranit o dată”).

În teoria cuantică, o descriere atât de detaliată a comportamentului unui sistem fizic este imposibilă în principiu, deoarece coordonatele unui micro-obiect și proiecțiile impulsurilor asociate acestora nu pot exista simultan. Descrierea stării unui sistem cuantic se realizează pe baza unui număr mai mic de parametri fizici decât se face în mecanica clasică. Numărul lor nu poate fi mai mare decât numărul N de așa-numitele „celule” cuantice din spațiul fazelor , definit în teoria clasică prin produsul volumului uzual V = abc al sistemului cu parametrii săi liniari a, b și c după volumul spațiului de impulsuri W = P x P y P z , unde P x ​​, P y și P z sunt valori caracteristice proiecției impulsului R la axele de coordonate X, Y și Z ale sistemului de referință. Dimensiunea minimă a „celulei”  x a spațiului de fază unidimensional  x este dată de relația de incertitudine Heisenberg pentru valorile corespunzătoare ale coordonatei X și proiecția momentului P x:  x = Х Р x = 2ћ = h (13,1 )

Raportul dintre volumul de fază  al sistemului și volumul celulei sale  este numărul total N de „celule” cuantice ale sistemului: N = [/(2ћ) 3 ] (13.2)

Toate măsurătorile cuantice pot fi împărțite în două categorii. Pentru una dintre ele, care acoperă majoritatea acestor măsurători, în nicio stare a sistemului cuantic rezultatele nu sunt exacte în mod fiabil. Un altul dintre ele include un număr foarte limitat de tipuri de măsurători, care fac posibilă obținerea unor rezultate clare și precise, fără ambiguitate, în anumite stări ale unui sistem cuantic. Astfel de măsurători pot fi numite și „previzibile”. Ele joacă rolul principal în teoria cuantică a măsurătorilor, determinând însăși resursa de conformitate cu nivelul de stabilitate a parametrilor micro-obiectelor, ceea ce, în conformitate cu cerințele metrologiei moderne, ne permite să punem problema identificării proprietățile metrologice ale micro-obiectelor pe o bază științifică solidă și să asigure crearea de instrumente de măsură și standarde de metrologie în studiul și utilizarea proprietăților micro-obiectelor.

Determinate prin astfel de măsurători - interacțiunile unui micro-obiect cu un dispozitiv - caracteristicile cantitative ale stării unui micro-obiect sunt cantitățile fizice ale microobiectelor . Asemenea cantități nu pot fi viteza unei microparticule, nici coordonatele acesteia, nici energia cinetică sau potențială etc.

Dacă într-o anumită stare de măsurare cuantică (în starea de interacțiune a unui sistem cuantic cu un dispozitiv) se obține un rezultat sigur fără ambiguitate, atunci ei spun că într-o astfel de stare mărimea fizică are o anumită semnificație. Și astfel de cantități sunt energia totală a unei microparticule (mai precis, energia totală a unui sistem fizic în starea sa cuantică) (și energia totală este înțeleasă ca ceea ce în fizica clasică servește ca sumă a energiei cinetice și potențiale a o particulă), spin (momentul unghiular total), proiecția acestuia pe o anumită axă de rotație a sistemului, precum și cantități cuantice precum sarcinile electrice, barionice, leptone etc.

Descrierea stărilor unui sistem cuantic se bazează pe un set complet de mărimi fizice ale unui micro-obiect care au următoarele proprietăți:

– mărimile fizice ale setului complet sunt măsurabile în același timp;

– au determinate simultan valori măsurabile;

– alte cantități nu pot avea deloc semnificații definite.

Mărimile fizice care alcătuiesc setul complet de mărimi fizice ale microobiectelor stabilesc baza metrologia micro-obiectelor . Apropo, setul complet de metrologie pentru micro-obiecte poate fi redus la o singură cantitate fizică, de exemplu, energia unei particule libere.

Acum să dezvăluim sensul unei descrieri complete a stării unui sistem fizic cuantic. Stările complet descrise ale unui microobiect sunt obținute prin măsurarea simultană a unui set complet de mărimi fizice care descriu starea cuantică a unui microobiect; pe baza acestora se obține probabilitatea rezultatelor măsurătorilor ulterioare, indiferent de starea microobiectului înaintea primei măsurători.

Deci, în armonie cu legile cuantice de interacțiune a micro-obiectelor și proprietățile lor cuantice, metrologia modernă din punctul de vedere al paradigmei cuantice are o resursă uriașă pentru studiul și utilizarea proprietăților metrologice ale micro-obiectelor specificate de un set complet de simultan. mărimi fizice cuantice măsurate. El constă din energia totală a microsistemului în starea sa cuantică determinată (dată de numărul cuantic principal n), momentul unghiular total al sistemului și proiecția acestuia într-o anumită direcție în spațiu, spinul microparticulei și proiecția sa către această direcție, precum și numerele cuantice, înțelese ca microobiecte cu sarcini (încărcări electrice, barionice, leptonice etc.).

Și toate măsurătorile în metrologie sunt planificate și efectuate pe baza obținerii unui set complet de cantități cuantice ale unui microobiect.

MINISTERUL EDUCAȚIEI AL UNIVERSITATEA TEHNOLOGICĂ DE STAT SIBERIA DE EST AL FEDERATIEI RUSE

Departamentul de Metrologie, Standardizare și Certificare

BAZELE FIZICE ALE MĂSURĂTORILOR

Curs de prelegeri „Constante fizice universale”

Alcătuit de: Zhargalov B.S.

Ulan-Ude, 2002

Cursul de prelegeri „Constante fizice universale” este destinat studenților în direcția „Metrologie, standardizare și certificare” atunci când studiază disciplina „Bazele fizice ale măsurătorilor”. Lucrarea oferă o scurtă privire de ansamblu asupra istoriei descoperirilor constantelor fizice de către cei mai importanți fizicieni ai lumii, care au stat ulterior la baza sistemului internațional de unități de mărimi fizice.

Introducere Constanta gravitațională

Constanta lui Avogadro și Boltzmann Sarcina constantă a electronului și masa lui Faraday Viteza luminii

Constantele Rydberg ale lui Planck Masa în repaus a protonului și neutronului Concluzie Referințe

Introducere

Constantele fizice universale sunt cantități incluse ca coeficienți cantitativi în expresii matematice fundamental legi fizice sau care sunt caracteristici ale micro-obiectelor.

Tabelul constantelor fizice universale nu trebuie luat ca ceva deja finalizat. Dezvoltarea fizicii continuă, iar acest proces va fi inevitabil însoțit de apariția unor noi constante, de care nici măcar nu suntem conștienți astăzi.

tabelul 1

Constante fizice universale

Nume				Valoare numerica
Gravitațional				6,6720*10-11 N*m2 *kg-2
constant
constanta lui Avogadro				6,022045*1022 mol-1
constanta lui Boltzmann				1,380662*10-23 J* K-1
Constanta lui Faraday				9,648456*104 C*mol-1
Sarcina electronilor				1,6021892*10-19 Cl
Masa de repaus a electronilor				9,109534*10-31 kg
Viteză				2,99792458*108 m*s-2
constanta lui Planck				6,626176*10-34 *J*s
constanta Rydberg			R∞	1,0973731*10-7 *m--1
Masa de repaus a protonilor				1,6726485*10-27 kg
Masa de repaus a neutronilor				1,6749543*10-27 kg

Privind tabelul, puteți vedea că valorile constantelor sunt măsurate cu mare precizie. Cu toate acestea, o cunoaștere posibil mai precisă a valorii unei anumite constante se dovedește a fi fundamental importantă pentru știință, deoarece acesta este adesea un criteriu pentru validitatea unei teorii fizice sau eroarea alteia. Datele experimentale măsurate în mod fiabil reprezintă fundamentul pentru construirea de noi teorii.

Precizia măsurării constantelor fizice reprezintă acuratețea cunoștințelor noastre despre proprietățile lumii înconjurătoare. Face posibilă compararea concluziilor legilor de bază ale fizicii și chimiei.

Constanta gravitațională

Motivele care provoacă atracția corpurilor unul față de celălalt au fost gândite încă din cele mai vechi timpuri. Unul dintre gânditori lumea antica– Aristotel (384-322 î.Hr.) a împărțit toate corpurile în grele și ușoare. Corpuri grele - pietre - cad, încercând să ajungă într-un anumit „centru al lumii” introdus de Aristotel, corpuri uşoare - fum dintr-un foc - zboară în sus. „Centrul lumii”, conform învățăturilor unui alt filozof grec antic, Ptolemeu, era Pământul, dar toate celelalte corpuri cerești se învârtea în jurul ei. Autoritatea lui Aristotel a fost atât de mare încât până în secolul al XV-lea. părerile lui nu au fost puse la îndoială.

Leonardo da Vinci (14521519) a fost primul care a criticat presupunerea „Centrului Lumii”.Inconsecvența opiniilor lui Aristotel a fost demonstrată de experiența primului fizician din istorie.

savantul experimental G. Galileo (1564-1642). A aruncat o ghiulea de fonta si o minge de lemn din varful celebrului Turn Inclinat din Pisa. Obiecte de mase diferite au cazut pe Pamant in acelasi timp. Simplitatea experimentelor lui Galileo nu le diminuează semnificația, deoarece acestea au fost primele fapte experimentale stabilite în mod fiabil prin măsurători.

Toate corpurile cad pe Pământ cu aceeași accelerație - aceasta este concluzia principală a experimentelor lui Galileo. El a măsurat, de asemenea, valoarea accelerației căderii libere, care, ținând cont

sistemul solar se învârte în jurul soarelui. Cu toate acestea, Copernicus nu a putut indica motivele pentru care are loc această rotație. Legile mișcării planetare au fost derivate în forma lor finală de astronomul german J. Kepler (1571-1630). Kepler încă nu a înțeles că forța gravitației determină mișcarea planetelor. englezul R. Cook în 1674

El a arătat că mișcarea planetelor pe orbite eliptice este în concordanță cu presupunerea că toate sunt atrase de Soare.

Isaac Newton (1642-1727) la vârsta de 23 de ani a ajuns la concluzia că mișcarea planetelor are loc sub influența unei forțe radiale de atracție îndreptate spre soare și modulo invers proporțional cu pătratul distanței dintre Soare și planetă.

Dar această presupunere trebuia verificată de Newton, presupunând că o forță gravitațională de aceeași origine își ține satelitul, Luna, lângă Pământ, și a efectuat un calcul simplu. El a pornit de la următoarele: Luna se mișcă în jurul Soarelui pe o orbită care, la o primă aproximare, poate fi considerată circulară. Accelerația sa centripetă a poate fi calculată folosind formula

a =rω 2

unde r este distanța de la Pământ la Lună și ω este accelerație unghiulară Luni. Valoarea lui r este egală cu șaizeci de raze Pământului (R3 = 6370 km). Accelerația ω este calculată din perioada de revoluție a Lunii în jurul Pământului, care este de 27,3 zile: ω =2π rad/27,3 zile

Atunci accelerația a este:

a =r ω 2 =60*6370*105 *(2*3,14/27,3*86400)2 cm/s2 =0,27 cm/s2

Dar dacă este adevărat că forțele gravitaționale scad invers proporțional cu pătratul distanței, atunci accelerația gravitației g l pe Lună ar trebui să fie:

g l =go /(60)2 =980/3600cm/s2 =0,27 cm/s3

În urma calculelor s-a obținut egalitatea

a = g l,

acestea. forța care ține Luna pe orbită nu este altceva decât forța de atracție a Lunii de către Pământ. Aceeași egalitate arată validitatea ipotezelor lui Newton despre natura schimbării în forță cu distanța. Toate acestea i-au dat lui Newton baza pentru a scrie legea gravitației

forma matematica finala:

F=G (M1 M2 /r2)

unde F este forța de atracție reciprocă care acționează între două mase M1 și M2 separate una de cealaltă de o distanță r.

Coeficientul G, care face parte din legea gravitației universale, este încă o constantă gravitațională misterioasă. Nu se știe nimic despre el - nici semnificația sa, nici dependența sa de proprietățile de atragere a corpurilor.

Deoarece această lege a fost formulată de Newton simultan cu legile mișcării corpurilor (legile dinamicii), oamenii de știință au putut să calculeze teoretic orbitele planetelor.

În 1682, astronomul englez E. Halley, folosind formulele lui Newton, a calculat timpul celei de-a doua sosiri la Soare a unei comete strălucitoare observată pe cer în acel moment. Cometa s-a întors exact la ora estimată, confirmând adevărul teoriei.

Semnificația legii gravitației lui Newton a fost pe deplin demonstrată în istoria descoperirii unei noi planete.

În 1846, calculele poziției acestei noi planete au fost efectuate de astronomul francez W. Le Verrier. După ce a raportat coordonatele sale cerești astronomului german I. Halle, planeta necunoscută, numită ulterior Neptun, a fost descoperită exact în locul calculat.

În ciuda succeselor evidente, teoria gravitației a lui Newton nu a fost recunoscută în cele din urmă mult timp. Se cunoștea valoarea constantei gravitaționale G în formula legii.

Fără a cunoaște valoarea constantei gravitaționale G este imposibil să se calculeze F. Cunoaștem însă accelerația căderii libere a corpurilor: go = 9,8 m/s2, ceea ce ne permite să estimăm teoretic valoarea constantei gravitaționale G. De fapt, forța sub influența căreia mingea cade pe Pământ este forța de atracție a mingii de către Pământ:

F1 =G(M111 M 3 /R3 2)

Conform celei de-a doua legi a dinamicii, această forță va transmite corpului accelerația căderii libere:

g0=F/M111 =GM3/R32

Cunoscând valoarea masei Pământului și a razei sale, este posibil să se calculeze valoarea forței gravitaționale

constant:

G=g0 R3 2 / M 3= 9,8*(6370*103 )2 /6*1024 m3/s2 kg=6,6*10-11 m3/s2 kg

În 1798, fizicianul englez G. Cavendish a descoperit atracția dintre corpuri mici în condiții terestre. Două bile mici de plumb cântărind 730 g fiecare au fost suspendate la capetele culbutorului. Apoi, la aceste bile au fost aduse două bile mari de plumb, cântărind 158 kg fiecare. În aceste experimente, Cavendish a observat pentru prima dată atracția corpurilor unul față de celălalt. De asemenea, a determinat experimental valoarea gravitațională

constant:

G=(6,6 + 0,041)*10-11 m3 /(s2 kg)

Experimentele lui Cavendish sunt de o importanță enormă pentru fizică. În primul rând, a fost măsurată valoarea constantei gravitaționale, iar în al doilea rând, aceste experimente au dovedit universalitatea legii gravitației.

Constantele Avogadro și Boltzmann

Cum funcționează lumea a fost speculat încă din cele mai vechi timpuri. Susținătorii unui punct de vedere credeau că există un anumit element primar din care sunt compuse toate substanțele. Un astfel de element, conform filosofului grec antic Geosides, era Pământul, Thales a presupus apa ca element primar, Anaximenes aerul, Heraclit - focul, Empedocle a presupus existența simultană a tuturor celor patru elemente primare. Platon credea că în anumite condiții un element primar se poate transforma în altul.

Exista și un punct de vedere fundamental diferit. Leucip, Democrit și Epicur au reprezentat materia ca fiind formată din particule mici indivizibile și impenetrabile, care diferă unele de altele ca mărime și formă. Ei au numit aceste particule atomi (din grecescul „atomos” - indivizibil). Viziunea asupra structurii materiei nu a fost susținută experimental, dar poate fi considerată o presupunere intuitivă a oamenilor de știință antici.

Pentru prima dată, teoria corpusculară a structurii materiei, în care structura materiei a fost explicată dintr-o poziție atomică, a fost creată de omul de știință englez R. Boyle (1627-1691).

Omul de știință francez A. Lavoisier (1743-1794) a dat prima clasificare a elementelor chimice din istoria științei.

Teoria corpusculară a fost dezvoltată în continuare în lucrările remarcabilului chimist englez J. Dalton (1776-1844). În 1803 Dalton a descoperit legea raporturilor multiple simple, conform căreia diferite elemente se pot combina între ele în rapoartele 1:1,1:2 etc.

Paradoxul istoriei științei este nerecunoașterea absolută de către Dalton a legii relațiilor volumetrice simple descoperită în 1808 de omul de știință francez J. Gay-Lusac. Conform acestei legi, volumele atât ale gazelor care participă la reacție, cât și ale produselor gazoase de reacție sunt în rapoarte multiple simple. De exemplu, combinarea a 2 litri de hidrogen și 1 litru de oxigen dă 2 litri. vapor de apă. Acest lucru a contrazis teoria lui Dalton; el a respins legea lui Gaylusac ca neconformă cu teoria sa atomică.

Ieșirea din această criză a fost indicată de Amedeo Avogadro. A găsit o oportunitate de a combina teoria atomică a lui Dalton cu legea lui Gay-Lusac. Ipoteza este că numărul de molecule este întotdeauna același în volume egale ale oricăror gaze sau este întotdeauna proporțional cu volumele. Astfel, Avogadro a introdus pentru prima dată în știință conceptul de moleculă ca o combinație de atomi. Aceasta a explicat rezultatele Gay-Lusac: 2 litri de molecule de hidrogen combinate cu 1 litru de molecule de oxigen dau 2 litri de molecule de vapori de apă:

2H2 +O2 = 2H2O

Ipoteza lui Avogadro capata o importanta exceptionala datorita faptului ca presupune existenta unui numar constant de molecule intr-un mol de orice substanta. De fapt, dacă definim Masă molară(masa unei substanțe luate în cantitate de un mol) prin M și masa moleculară relativă prin t, atunci este evident că

M=NA m

unde NA este numărul de molecule dintr-un mol. Este același pentru toate substanțele:

NA =M/m

Folosind acest lucru, puteți obține un alt rezultat important. Ipoteza lui Avogadro afirmă că același număr de molecule de gaz ocupă întotdeauna același volum. În consecință, volumul Vo, care ocupă un mol de orice gaz în condiții normale (temperatura 0Co și presiunea 1,013 * 105 Pa), este o valoare constantă. Acest molar

volumul a fost schimbat în curând experimental și s-a dovedit a fi egal cu: Vo = 22,41*10-3 m3

Una dintre sarcinile principale ale fizicii a fost de a determina numărul de molecule dintr-un mol de orice substanță NA, care mai târziu a primit constanta lui Avogadro.

Omul de știință austriac Ludwig Boltzmann (1844-1906), un fizician teoretic remarcabil, autor a numeroase cercetare de bazaîn diverse domenii ale fizicii, a apărat cu ardoare ipoteza anatomică.

Boltzmann a fost primul care a luat în considerare problema importantă a distribuției energiei termice pe diferite grade de libertate a particulelor de gaz. El a arătat strict că energia cinematică medie a particulelor de gaz E este proporțională cu temperatura absolută T:

E T Coeficientul de proporționalitate poate fi găsit folosind ecuația de bază

Teoria cinematică moleculară:

p =2/3 pE

Unde n este concentrația moleculelor de gaz. Înmulțind ambele părți ale acestei ecuații cu volumul molecular Vo. Deoarece n Vo este numărul de molecule dintr-un mol de gaz, obținem:

р Vo == 2/3 NA E

Pe de altă parte, ecuația de stare a unui gaz ideal determină produsul p

Ce zici

р Vo =RT

Prin urmare, 2/3 NA E = RT

Sau E=3 RT/2NA

Raportul R/NA este o valoare constantă, aceeași pentru toate substanțele. Această nouă constantă fizică universală a fost primită, la sugestia lui M.

Scândura, nume constanta Boltzmann k

k= R/NA.

Meritele lui Boltzmann în crearea teoriei cinetice moleculare a gazelor au primit recunoașterea cuvenită.

Valoarea numerică a constantei lui Boltzmann este: k= R/NA =8,31 ​​J mol/6,023*1023 K mol=1,38*10-16 J/K.

Constanta Boltzmann pare să conecteze caracteristicile microlumii (energia cinetică medie a particulelor E) și caracteristicile macrolumii (presiunea gazului și temperatura acesteia).

Constanta lui Faraday

Studiul fenomenelor legate într-un fel sau altul de electron și mișcarea acestuia a făcut posibilă explicarea dintr-un punct de vedere unitar a unei largi varietati de fenomene fizice: electricitate si magnetism, lumina si vibratii electromagnetice. Structura atomică și fizica particulelor elementare.

Încă din anul 600 î.Hr. Thales din Milet a descoperit atracția corpurilor luminoase (pufurile, bucăți de hârtie) cu chihlimbarul frecat (chihlimbarul tradus din greaca veche înseamnă electron).

Lucrări în care sunt descrise calitativ anumite fenomene electrice. a apărut foarte puțin la început. În 1729, S. Gray a stabilit împărțirea corpurilor în conductori de curent electric și izolatori. Francezul C. Dufay a descoperit că ceara de sigilare frecata cu blană este și ea electrificată, dar în sens opus electrificării unei baghete de sticlă.

Prima lucrare în care s-a încercat explicarea teoretică a fenomenelor electrice a fost scrisă de fizicianul american W. Franklin în 1747. Pentru a explica electrificarea, el a propus existența unui anumit „lichid electric” (fluid), care este o componentă a toată contează. El a asociat prezența a două tipuri de electricitate cu existența a două tipuri de lichide - „pozitive” și „negative”. După ce a descoperit. că atunci când sticla și mătasea se freacă una de alta se electrifică diferit.

Franklin a fost primul care a sugerat natura atomică, granulară a electricității: „Materia electrică este compusă din particule care trebuie să fie extrem de mici”.

Conceptele de bază în știința electricității au fost formulate abia după ce au apărut primele studii cantitative. Măsurând forța de interacțiune a sarcinilor electrice, omul de știință francez Charles Coulomb a stabilit în 1785 legea

interacțiunile sarcinilor electrice:

F= k q1 q2 /r2

unde q1 și q2 sunt sarcini electrice, r este distanța dintre ele,

F este forța de interacțiune între sarcini, k este coeficientul de proporționalitate. Dificultățile în utilizarea fenomenelor electrice s-au datorat în mare măsură faptului că oamenii de știință nu aveau la dispoziție o sursă convenabilă de curent electric. Astfel de

sursa a fost inventată în 1800 de omul de știință italian A. Volta – era o coloană de cercuri de zinc și argint separate de hârtie înmuiată în apă sărată. Au început cercetări intense asupra trecerii curentului prin diferite substanțe.

electroliza, conținea primele indicii în acest sens. că materia și electricitatea sunt conectate între ele. Cele mai importante cercetări cantitative în domeniul electrolizei au fost efectuate de cel mai mare fizician englez M. Faraday (1791-1867). El a stabilit că masa unei substanțe eliberată pe electrod în timpul trecerii unui curent electric este proporțională cu puterea curentului și cu timpul (legea electrolizei lui Faraday) Pe baza acesteia, a arătat că pentru eliberarea unei mase de substanță pe electrozii, numeric egali cu M/n (M este molar masa substanței, n este valența acesteia), trebuie să treceți prin electrolit o sarcină strict definită F. Astfel, un alt F universal important a apărut în fizică, egal, după cum au arătat măsurătorile, F = 96.484,5 C/mol.

Ulterior, constanta F a fost numită număr Faraday. O analiză a fenomenului de electroliză l-a condus pe Faraday la ideea că purtătorul forțelor electrice nu este orice lichid electric, ci atomii-particule de materie. „Atomii materiei sunt cumva înzestrați cu forțe electrice”, susține el.

Faraday a descoperit pentru prima dată influența mediului asupra interacțiunii sarcinilor electrice și a clarificat forma legii lui Coulomb:

F= q1 q2/ ε r2

Aici, ε este o caracteristică a mediului, așa-numita constantă dielectrică. Pe baza acestor studii, Faraday a respins acțiunea sarcinilor electrice la distanță (fără mediu intermediar) și a introdus în fizică o idee complet nouă și cea mai importantă că purtătorul și transmițătorul influenței electrice este câmpul electric!

Sarcina și masa electronilor

Experimentele pentru a determina constanta lui Avogadro i-au determinat pe fizicieni să se întrebe dacă mare importanță dat la caracteristicile câmpului electric. Nu există un purtător de electricitate mai concret, mai material? Pentru prima dată această idee a fost exprimată clar în 1881. a exprimat G. Helmoltz: „Dacă admitem existența atomilor chimici, atunci suntem forțați să concluzionam de aici în continuare că electricitatea, atât pozitivă, cât și negativă, este împărțită în anumite cantități elementare, care joacă rolul atomilor de electricitate”.

Calculul acestei „anumite cantități elementare de electricitate” a fost efectuat de fizicianul irlandez J. Stoney (1826-1911). Este extrem de simplu. Dacă pentru a elibera un mol dintr-un element monovalent în timpul electrolizei, este necesară o sarcină egală cu 96484,5 C și un mol conține 6 * 1023 atomi, atunci este evident că împărțind numărul Faraday F la numărul Avogadro NA, obținem cantitatea de energie electrică necesară pentru a elibera unul

atom de materie. Să notăm această porțiune minimă de electricitate cu e:

E = F/NA = 1,6*10-18 CI.

În 1891, Stoney a propus să numească această cantitate minimă de electricitate un electron. Curând a fost acceptat de toată lumea.

Constantele fizice universale F și NA, în combinație cu eforturile intelectuale ale oamenilor de știință, au adus la viață o altă constantă - sarcina electronului e.

Faptul existenței unui electron ca particulă fizică independentă a fost stabilit în cercetările din timpul studierii fenomenelor asociate cu trecerea curentului electric prin gaze. Încă o dată trebuie să aducem un omagiu intuiției lui Faraday, care a început pentru prima dată aceste studii în 1838. Aceste studii au fost cele care au condus la descoperirea așa-numitelor raze catodice și în cele din urmă la descoperirea electronului.

Pentru a ne asigura că razele catodice reprezintă într-adevăr un flux de particule încărcate negativ, a fost necesar să se determine masa acestor particule și sarcina lor în experimente directe. Aceste experimente sunt din 1897. realizată de fizicianul englez J. J. Thomson. În același timp, a folosit deviația razelor catodice în câmpul electric al condensatorului și în câmpul magnetic. După cum arată calculele, unghiul

abaterea razelor θ într-un câmp electric de intensitate δ este egală cu:

θ = eδ / t* l/v2,

unde e este sarcina particulei, m este masa acesteia, l este lungimea condensatorului,

v este viteza particulei (este cunoscut).

Când razele sunt deviate într-un câmp magnetic B, unghiul de deviere α este egal cu:

α = eV/t * l/v

Pentru θ ≈ α (care a fost realizat în experimentele lui Thomson), a fost posibil să se determine v și apoi să îl calculeze, iar raportul e/t este o constantă independentă de natura gazului. Thomson

primul a formulat clar ideea existenței unei noi particule elementare de materie, așa că este considerat pe bună dreptate descoperitorul electronului.

Onoarea de a măsura direct sarcina unui electron și de a demonstra că această sarcină este într-adevăr cea mai mică porțiune indivizibilă de electricitate îi aparține remarcabilului fizician american R. E. Millikan. Picături de ulei dintr-o sticlă de pulverizare au fost injectate în spațiul dintre plăcile condensatorului prin fereastra superioară. Teoria și experimentul au arătat că atunci când o picătură cade încet, rezistența aerului face ca viteza acesteia să devină constantă. Dacă intensitatea câmpului ε între plăci este zero, atunci viteza de cădere v 1 este egală cu:

v1 = fP

unde P este greutatea picăturii,

f este coeficientul de proporționalitate.

În prezența unui câmp electric, viteza de cădere v 2 este determinată de expresia:

v2 = f (q ε - P),

unde q este sarcina picăturii. (Se presupune că gravitația și forța electrică sunt direcționate opus una față de cealaltă.) Din aceste expresii rezultă că

q= P/ε v1 * (v1 + v2 ).

Pentru a măsura încărcarea picăturilor, Millikan a folosit cele descoperite în 1895

ionizează aerul. Ionii de aer sunt capturați de picături, determinând modificarea încărcăturii picăturilor. Dacă notăm sarcina unei picături după capturarea unui ion cu q! , iar viteza sa prin v 2 1, atunci modificarea sarcinii este delta q = q! -q

delta q== P/ε v1 *(v1 - v2 ),

valoarea P/ ε v 1 pentru o picătură dată este constantă. Astfel, modificarea încărcăturii unei picături se reduce la măsurarea traseului parcurs de o picătură de ulei și a timpului necesar pentru a parcurge această cale. Dar timpul și calea ar putea fi ușor și destul de precis determinate experimental.

Numeroasele măsurători ale lui Millikan au arătat că, indiferent de dimensiunea picăturii, modificarea sarcinii este întotdeauna un multiplu întreg al uneia cele mai mici sarcini e:

delta q=ne, unde n este un număr întreg. Astfel, experimentele lui Millikan au stabilit existența unei cantități minime de electricitate e. Experimentele au dovedit în mod convingător structura atomică a electricității.

Experimentele și calculele au făcut posibilă determinarea valorii sarcinii e E = 1,6*10-19 C.

Realitatea existenței unei porțiuni minime de electricitate a fost dovedită; Millikan însuși a fost responsabil pentru aceste reacții în 1923. a fost distins cu Premiul Nobel.

Acum, folosind valoarea sarcinii specifice a electronului e/m și e cunoscută din experimentele lui Thomson, putem calcula și masa electronului e.

Valoarea sa s-a dovedit a fi:

adică=9,11*10-28 g.

Viteza luminii

Pentru prima dată, fondatorul fizicii experimentale, Galileo, a propus o metodă de măsurare directă a vitezei luminii. Ideea lui era foarte simplă. Doi observatori cu lanterne au fost poziționați la câțiva kilometri unul de celălalt. Primul a deschis clapeta lanternei, trimițând un semnal luminos în direcția celui de-al doilea. Cel de-al doilea, observând lumina felinarului, a deschis obloanele lui și a trimis un semnal către primul observator. Primul observator a măsurat timpul t care a trecut între descoperirea sa

felinarul lui și momentul în care a observat lumina celui de-al doilea felinar. Viteza luminii c este evident egala cu:

unde S este distanța dintre observatori, t este timpul măsurat.

Cu toate acestea, primele experimente întreprinse la Florența folosind această metodă nu au dat rezultate clare. Intervalul de timp t s-a dovedit a fi foarte mic și greu de măsurat. Cu toate acestea, din experimente a rezultat că viteza luminii este finită.

Onoarea primei măsurători a vitezei luminii îi aparține astronomului danez O. Roemer. Efectuat în 1676 observând eclipsa satelitului lui Jupiter, el a observat că atunci când Pământul se află într-un punct al orbitei sale îndepărtat de Jupiter, satelitul Io apare din umbra lui Jupiter 22 de minute mai târziu. Explicând acest lucru, Roemer a scris: „Lumina folosește acest timp pentru a călători locul de la prima mea observație până la poziția actuală”. Împărțind diametrul orbitei pământului D la timpul de întârziere, a fost posibil să se obțină valoarea luminii c. Pe vremea lui Roemer, D nu era cunoscut cu exactitate, așa că măsurătorile sale sugerau că c ≈ 215.000 km/s. Ulterior, atât valoarea lui D, cât și timpul de întârziere au fost rafinate, așa că acum, folosind metoda lui Roemer, am obține c ≈ 300.000 km/s.

La aproape 200 de ani după Roemer, viteza luminii a fost măsurată pentru prima dată în laboratoarele pământești. Acest lucru a fost făcut în 1849. francezul L. Fizeau. Metoda lui nu diferă în principiu de cea a lui Galileo, doar al doilea observator a fost înlocuit cu o oglindă reflectorizantă, iar în loc de un obturator acţionat manual, a fost folosită o roată dinţată care se roteşte rapid.

Fizeau a așezat o oglindă în Suresnes, în casa tatălui său, iar cealaltă la Montmarte din Paris. Distanța dintre oglinzi a fost L=8,66 km. Roata avea 720 de dinți, lumina a atins intensitatea maximă la o viteză a roții de 25 rps. Omul de știință a determinat viteza luminii folosind formula lui Galileo:

Timpul t este evident egal cu t =1/25*1/720 s=1/18000s și s=312.000 km/s

Toate măsurătorile de mai sus au fost efectuate în aer. Viteza în vid a fost calculată folosind valoarea cunoscută a indicelui de refracție al aerului. Cu toate acestea, atunci când se măsoară pe distanțe lungi, poate apărea o eroare din cauza neomogenității aerului. Pentru a elimina această eroare, Michelson în 1932 a măsurat viteza luminii folosind metoda prismei rotative, dar când lumina sa propagat într-o țeavă din care a fost pompat aer și a obținut

s=299 774 ± 2 km/s

Dezvoltarea științei și tehnologiei a făcut posibilă aducerea unor îmbunătățiri la vechile metode și dezvoltarea unora fundamental noi. Deci în 1928 roata dinţată rotativă este înlocuită de un întrerupător electric de lumină fără inerţie, în timp ce

С=299 788± 20 km/s

Odată cu dezvoltarea radarului, au apărut noi posibilități pentru măsurarea vitezei luminii. Aslakson, folosind această metodă în 1948, a obținut valoarea c = 299.792 +1,4 km/s, iar Essen, folosind metoda interferenței cu microunde, a obținut c = 299.792 +3 km/s. În 1967 măsurătorile vitezei luminii sunt efectuate cu un laser cu heliu-neon ca sursă de lumină

Constantele Planck și Rydberg

Spre deosebire de multe alte constante fizice universale, constanta lui Planck are o dată exactă de naștere: 14 decembrie 1900. În această zi, M. Planck a dat un raport la Societatea Germană de Fizică, unde, pentru a explica emisivitatea unui corp absolut negru, a apărut o nouă valoare pentru fizicieni: h Pe baza

Din datele experimentale, Planck și-a calculat valoarea: h = 6,62*10-34 J s.

Minsk: BNTU, 2003. - 116 p. Introducere.
Clasificarea mărimilor fizice.
Mărimea mărimilor fizice. Adevărata valoare a mărimilor fizice.
Principalul postulat și axioma teoriei măsurătorii.
Modele teoretice ale obiectelor materiale, fenomenelor și proceselor.
Modele fizice.
Modele matematice.
Erori ale modelelor teoretice.
Caracteristici generale ale conceptului de măsurare (informații din metrologie).
Clasificarea măsurătorilor.
Măsurarea ca proces fizic.
Metode de măsurare ca metode de comparare cu o măsură.
Metode de comparare directă.
Metoda de evaluare directă.
Metoda de conversie directă.
Metoda de înlocuire.
Metode de transformare la scară.
Metoda bypass.
Metoda de echilibrare ulterioară.
Metoda podului.
Metoda diferențelor.
Metode nule.
Metoda de compensare a desfăşurării.
Măsurarea transformărilor de mărimi fizice.
Clasificarea traductoarelor de măsurare.
Caracteristicile statice și erorile statice ale SI.
Caracteristicile impactului (impactului) mediu inconjuratorși obiecte în SI.
Benzi și intervale de incertitudine ale sensibilității SI.
SI cu eroare aditivă (eroare zero).
SI cu eroare multiplicativă.
SI cu erori aditive și multiplicative.
Măsurarea unor cantități mari.
Formule pentru erorile statice ale instrumentelor de măsură.
Gama completă și de lucru de instrumente de măsură.
Erorile dinamice ale instrumentelor de măsură.
Eroare dinamică a legăturii de integrare.
Cauzele erorilor SI aditive.
Influența frecării uscate asupra elementelor în mișcare ale SI.
Design SI.
Diferența de potențial de contact și termoelectricitatea.
Diferența de potențial de contact.
Curentul termoelectric.
Interferențe din cauza unei legături de pământ slabe.
Cauzele erorilor multiplicative SI.
Îmbătrânirea și instabilitatea parametrilor SI.
Neliniaritatea funcției de transformare.
Neliniaritate geometrică.
Neliniaritate fizică.
Curenți de scurgere.
Măsuri de protecție activă și pasivă.
Fizica proceselor aleatorii care determină eroarea minimă de măsurare.
Capabilitățile organelor vizuale umane.
Limitele naturale ale măsurătorilor.
Relații de incertitudine Heisenberg.
Lățimea spectrală naturală a liniilor de emisie.
Limita absolută a preciziei măsurării intensității și fazei semnalelor electromagnetice.
Zgomotul fotonic al radiației coerente.
Temperatura echivalentă a radiației de zgomot.
Interferențe electrice, fluctuații și zgomot.
Fizica zgomotului electric intern de neechilibru.
Zgomot de lovituri.
Generare de zgomot - recombinare.
Zgomotul 1/f și versatilitatea acestuia.
Zgomot de impuls.
Fizica zgomotului de echilibru intern.
Model statistic al fluctuațiilor termice în sistemele de echilibru.
Modelul matematic al fluctuațiilor.
Cel mai simplu model fizic al fluctuațiilor de echilibru.
Formula de bază pentru calcularea dispersiei fluctuațiilor.
Influența fluctuațiilor asupra pragului de sensibilitate al dispozitivelor.
Exemple de calcul al fluctuațiilor termice ale mărimilor mecanice.
Viteza liberă a corpului.
Oscilațiile unui pendul matematic.
Rotații ale unei oglinzi suspendate elastic.
Deplasările solzilor cu arc.
Fluctuațiile termice într-un circuit electric oscilator.
Funcția de corelație și densitatea spectrală a puterii zgomotului.
Teorema de fluctuație-disipare.
formule Nyquist.
Densitatea spectrală a fluctuațiilor de tensiune și curent într-un circuit oscilator.
Temperatura echivalentă a zgomotului non-termic.
Zgomotul electromagnetic extern și interferența și metodele de reducere a acestora.
Cuplaj capacitiv (interferență capacitivă).
Cuplaj inductiv (interferență inductivă).
Ecranarea conductorilor de câmpuri magnetice.
Caracteristicile unui ecran conductiv fără curent.
Caracteristicile unui ecran conductiv cu curent.
Conexiune magnetică între un ecran purtător de curent și un conductor închis în acesta.
Utilizarea unui ecran conducător de curent ca conductor de semnal.
Protejarea spațiului de radiațiile de la un conductor care transportă curent.
Analiza diferitelor scheme de protecție a circuitelor de semnal prin ecranare.
Comparație între cablul coaxial și perechea torsadată ecranată.
Caracteristicile ecranului sub formă de împletitură.
Influența neomogenității curente în ecran.
Ecrare selectivă.
Suprimarea zgomotului într-un circuit de semnal prin metoda sa de echilibrare.
Metode suplimentare de reducere a zgomotului.
Defalcarea nutriției.
Filtre de decuplare.
Protecție împotriva radiațiilor elementelor și circuitelor zgomotoase de înaltă frecvență.
Zgomotul circuitului digital.
Concluzii.
Aplicarea ecranelor din tablă subțire.
Câmpuri electromagnetice apropiate și îndepărtate.
Eficacitatea ecranării.
Impedanță caracteristică totală și rezistență de ecranare.
Pierderi de absorbție.
Pierderea reflexiei.
Pierderile totale de absorbție și reflexie pentru un câmp magnetic.
Influența găurilor asupra eficienței ecranării.
Influența fisurilor și a găurilor.
Folosind un ghid de undă la o frecvență sub frecvența de tăiere.
Efectul găurilor rotunde.
Utilizarea distanțierilor conductoare pentru a reduce radiația în goluri.
Concluzii.
Caracteristicile de zgomot ale contactelor și protecția acestora.
Descărcare strălucitoare.
Descărcarea arcului.
Comparația circuitelor AC și DC.
Material de contact.
Sarcini inductive.
Principiile protecției la contact.
Suprimarea tranzitorii pentru sarcini inductive.
Circuite de protecție a contactelor pentru sarcini inductive.
Lant cu recipient.
Circuit cu capacitate și rezistență.
Circuit cu capacitate, rezistență și diodă.
Protecție de contact pentru sarcini rezistive.
Recomandări pentru alegerea circuitelor de protecție a contactelor.
Detalii pașaport pentru persoane de contact.
Concluzii.
Metode generale de creștere a preciziei de măsurare.
Metoda de potrivire a traductoarelor de măsurare.
Un generator de curent ideal și un generator de tensiune ideal.
Coordonarea rezistentelor de alimentare a generatorului.
Potrivirea rezistenței convertoarelor parametrice.
Diferența fundamentală dintre lanțurile informaționale și energetice.
Utilizarea transformatoarelor de potrivire.
Metoda feedbackului negativ.
Metoda de reducere a lățimii de bandă.
Lățimea de bandă de transmisie a zgomotului echivalent.
Metoda de mediere (acumulare) a semnalului.
Metoda de filtrare a semnalului și a zgomotului.
Probleme de creare a unui filtru optim.
Metodă de transfer al spectrului unui semnal util.
Metoda de detectare a fazelor.
Metoda de detectare sincronă.
Eroare de integrare a zgomotului folosind lanțul RC.
Metoda de modulare a coeficientului de conversie SI.
Aplicarea modulației semnalului pentru a crește imunitatea la zgomot.
Metoda de includere diferențială a două surse de alimentare.
Metoda de corectare a elementelor SI.
Metode de reducere a influenței mediului și a condițiilor în schimbare.
Organizarea măsurătorilor.

UDC 389,6 BBK 30,10ya7 K59 Kozlov M.G. Metrologie și standardizare: Manual M., Sankt Petersburg: Editura „Petersburg Printing Institute”, 2001. 372 p. 1000 de exemplare

Recenzători: L.A. Konopelko, doctor în științe tehnice, profesorul V.A. Spaev, doctor în științe tehnice, profesor

Cartea stabilește bazele sistemului pentru asigurarea uniformității măsurătorilor, care sunt în prezent general acceptate pe teritoriul Federației Ruse. Metrologia și standardizarea sunt considerate științe construite pe legislația științifică și tehnică, un sistem de creare și stocare a standardelor de unități de mărimi fizice, un serviciu de date standard de referință și un serviciu de materiale de referință. Cartea conține informații despre principiile creației tehnologie de măsurare, care este considerat ca obiect de atentie al specialistilor implicati in asigurarea uniformitatii masuratorilor. Echipamentele de măsurare sunt clasificate în funcție de tipuri de măsurători pe baza standardelor unităților de bază ale sistemului SI. Sunt luate în considerare principalele prevederi ale serviciului de standardizare și certificare din Federația Rusă.

Recomandat de UMO ca manual pentru următoarele specialități: 281400 - „Tehnologia producției de imprimare”, 170800 - „Echipament automatizat de imprimare”, 220200 - „Sisteme automate de procesare și management a informațiilor”

Macheta originală a fost pregătită de editura „Petersburg Institute of Printing”

ISBN 5-93422-014-4

© M.G. Kozlov, 2001. © N.A. Aksinenko, design, 2001. © Editura Institutului de Tipar din Petersburg, 2001.

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

Prefaţă Partea I. METROLOGIE 1. Introducere în metrologie 1.1. Aspecte istorice ale metrologiei 1.2. Concepte de bază și categorii de metrologie 1.3. Principii de construire a sistemelor de unități de mărimi fizice 1.4. Reproducerea și transmiterea mărimii unităților de mărimi fizice. Standarde și instrumente de măsură exemplare 1.5. Instrumente si instalatii de masura 1.6. Măsuri în metrologie și tehnologie de măsurare. Verificarea instrumentelor de măsură 1.7. Constante fizice și date de referință standard 1.8. Standardizare pentru a asigura uniformitatea măsurătorilor. Dicționar metrologic 2. Fundamentele construirii sistemelor de unitati de marimi fizice 2.1. Sisteme de unitati de marimi fizice 2.2. Formule de dimensiuni 2.3. Unități SI de bază 2.4. Unitatea SI de lungime este metrul 2.5. Unitatea de timp SI este a doua. 2.6. Unitatea SI de temperatură - Kelvin 2.7. Unitatea SI a curentului electric este Amperul. 2.8. Implementarea unității SI de bază, unității de intensitate luminoasă, candela 2.9. Unitatea de masă SI este kilogramul. 2.10. Unitatea SI a cantității unei substanțe este molul. 3. Estimarea erorilor rezultatelor măsurătorilor 3.1. Introducere 3.2. Erori sistematice 3.3. Erori aleatorii de măsurare Partea a II-a. TEHNOLOGIA DE MĂSURARE 4. Introducere în tehnologia de măsurare 5. Măsurători de mărimi mecanice 5.1. Măsurători liniare 5.2. Măsurători de rugozitate 5.3. Măsurători de duritate 5.4. Măsurători de presiune 5.5. Măsurători de masă și forță 5.6. Măsurători de vâscozitate 5.7. Măsurarea densității 6. Măsurători de temperatură 6.1. Metode de măsurare a temperaturii 6.2. Termometre de contact 6.3. Termometre fără contact 7. Măsurători electrice și magnetice 7.1. Măsurători electrice 7.2. Principii care stau la baza măsurătorilor magnetice 7.3. Traductoare magnetice 7.4. Instrumente pentru măsurarea parametrilor câmpului magnetic 7.5. Dispozitive magnetometrice cuantice și galvanomagnetice 7.6. Instrumente magnetometrice cu inducție 8. Măsurători optice 8.1. Dispoziții generale 8.2. Instrumente fotometrice 8.3. Instrumente de măsurare spectrală 8.4. Filtrarea dispozitivelor spectrale 8.5. Dispozitive spectrale de interferență 9. MĂSURĂRI FIZICE ȘI CHIMICE 9.1. Caracteristici de măsurare a compoziției substanțelor și materialelor 9.2. Măsurătorile de umiditate ale substanțelor și materialelor 9.3. Analiza compoziției amestecurilor de gaze 9.4. Măsurătorile compoziției lichidelor și solidelor 9.5. Suport metrologic al măsurătorilor fizice și chimice Partea a III-a. STANDARDIZAREA SI CERTIFICAREA 10. Fundamente organizatorice și metodologice ale metrologiei și standardizării 10.1. Introducere 10.2. Temeiul juridic al metrologiei și standardizării 10.3. Organizații internaționale de standardizare și metrologie 10.4. Structura și funcțiile organismelor Standardului de Stat al Federației Ruse 10.5. Servicii de stat pentru metrologie și standardizare ale Federației Ruse 10.6. Funcțiile serviciilor metrologice ale întreprinderilor și instituțiilor care sunt persoane juridice 11. Prevederi de bază ale serviciului de standardizare de stat al Federației Ruse 11.1. Baza științifică a standardizării Federației Ruse 11.2. Organismele și serviciile sistemelor de standardizare ale Federației Ruse 11.3. Caracteristicile standardelor diferitelor categorii 11.4. Cataloage și clasificatoare de produse ca obiect de standardizare. Standardizarea serviciilor 12. Certificarea echipamentelor de măsurare 12.1. Principalele scopuri și obiective ale certificării 12.2. Termeni și definiții specifice certificării 12.3. 12.3. Sisteme și scheme de certificare 12.4. Certificare obligatorie și voluntară 12.5. Reguli și procedura de certificare 12.6. Acreditarea organismelor de certificare 12.7. Certificarea serviciului Concluzie Aplicații

Prefaţă

Conținutul conceptelor de „metrologie” și „standardizare” este încă subiect de dezbatere, deși necesitatea unei abordări profesionale a acestor probleme este evidentă. Deci in anul trecut Au apărut numeroase lucrări în care metrologia și standardizarea sunt prezentate ca instrument de certificare a echipamentelor de măsurare, bunurilor și serviciilor. Prin acest mod de a pune întrebarea, toate conceptele de metrologie sunt subjugate și li se acordă sens ca un set de reguli, legi și documente care fac posibilă asigurarea unei calități ridicate a produselor comerciale.

De fapt, metrologia și standardizarea au reprezentat o activitate științifică foarte serioasă de la înființarea Depozitului de Măsuri Exemplare din Rusia (1842), care a fost apoi transformat în Camera Principală de Greutăți și Măsuri a Rusiei, condusă timp de mulți ani de marele savantul D.I. Mendeleev. Țara noastră a fost unul dintre fondatorii Convenției Metrice, adoptată în urmă cu 125 de ani. În anii puterii sovietice, a fost creat un sistem de standardizare a țărilor de asistență economică reciprocă. Toate acestea indică faptul că în țara noastră metrologia și standardizarea au fost de multă vreme fundamentale în organizarea sistemului de greutăți și măsuri. Aceste momente sunt eterne și ar trebui să aibă sprijin guvernamental. Odată cu dezvoltarea relațiilor de piață, reputația companiilor producătoare ar trebui să devină o garanție a calității mărfurilor, iar metrologia și standardizarea ar trebui să îndeplinească rolul centrelor științifice și metodologice de stat care colectează cele mai precise instrumente de măsurare, cele mai promițătoare tehnologii și angajați cei mai calificați specialiști.

În această carte, metrologia este considerată ca un domeniu al științei, în primul rând al fizicii, care trebuie să asigure uniformitatea măsurătorilor la nivel de stat. Mai simplu spus, în știință trebuie să existe un sistem care să permită reprezentanților diferitelor științe, precum fizica, chimia, biologia, medicina, geologia etc., să vorbească aceeași limbă și să se înțeleagă între ei. Mijloacele pentru a obține acest rezultat sunt componentele metrologiei: sisteme de unități, standarde, materiale de referință, date de referință, terminologie, teoria erorilor, sistem de standarde. Prima parte a cărții este dedicată noțiunilor de bază ale metrologiei.

A doua parte este dedicată descrierii principiilor creării echipamentelor de măsurare. Secțiunile acestei părți sunt prezentate ca tipuri de măsurători organizate în sistemul Gosstandart al Federației Ruse: mecanice, de temperatură, electrice și magnetice, optice și fizico-chimice. Tehnologia de măsurare este considerată ca un domeniu de utilizare directă a realizărilor metrologiei.

A treia parte a cărții este o scurtă descriere a esenței certificării - zona de activitate a centrelor moderne de metrologie și standardizare din țara noastră. Deoarece standardele variază de la o țară la alta, este necesar să se verifice toate aspectele cooperării internaționale (produse, echipamente de măsurare, servicii) cu standardele țărilor în care sunt utilizate.

Cartea este destinată unei game largi de specialiști care lucrează cu instrumente de măsură specifice în diverse domenii de activitate, de la comerț până la controlul calității proceselor tehnologice și măsurători de mediu. Prezentarea omite detalii ale unor secțiuni de fizică care nu au un caracter metrologic definitoriu și sunt disponibile în literatura de specialitate. Se acordă multă atenție semnificației fizice a utilizării abordării metrologice pentru rezolvarea problemelor practice. Se presupune că cititorul este familiarizat cu elementele de bază ale fizicii și are cel puțin o înțelegere generală a realizărilor moderne ale științei și tehnologiei, cum ar fi tehnologia laser, supraconductivitate etc.

Cartea este destinată specialiștilor care folosesc anumite instrumente și sunt interesați să ofere măsurătorile de care au nevoie într-un mod optim. Aceștia sunt studenți de licență și absolvenți ai universităților care se specializează în științe bazate pe măsurători. Aș dori să văd materialul prezentat ca o legătură între cursurile de discipline științifice generale și cursurile speciale de prezentare a esenței tehnologiilor moderne de producție.

Materialul este scris pe baza unui curs de prelegeri despre metrologie și standardizare susținute de autor la Institutul din Sankt Petersburg al Universității de Stat de Arte Tipografice din Moscova și la Universitatea de Stat din Sankt Petersburg. Acest lucru a făcut posibilă ajustarea prezentării materialului, făcându-l ușor de înțeles pentru studenții de diverse specialități, de la solicitanți la studenți seniori.

Autorul se așteaptă ca materialul să corespundă conceptelor fundamentale ale metrologiei și standardizării bazate pe experiența muncii personale timp de aproape un deceniu și jumătate în Standardul de stat al URSS și Standardul de stat al Federației Ruse.