5.4. Средства измерения. Виды измерения.
Измерение является важнейшим этапом физического эксперимента.
Измерение, т.е. нахождение численного значения физической величины, осуществляется с помощью специальных технических средств - средств измерения. К средствам измерения относятся меры (масштабная линейка, гиря и др.), измерительные приборы (секундомер, амперметр и др.) и измерительные инструменты (штангенциркуль, микрометр, ареометр и др.).
По способу получения значения физической величины измерения делятся на прямые, косвенные и совокупные.
Прямое измерение - измерение, результат которого получают непосредственно по показаниям специально предназначенного для этой цели средства измерения, проградуированного в соответствующих единицах (измерение длины масштабной линейкой, температуры термометром, силы электрического тока амперметром и т.п.).
Косвенное измерение - измерение, при котором искомое значение величины получают расчетом по результатам прямых измерений других физических величин, связанных с искомой величиной известными соотношениями («расчет по формуле»).
Примеры: расчет длины окружности по измеренному значению ее радиуса, определение объема идеального газа по измеренным значениям температуры и давления в соответствии с уравнением Менделеева-Клапейрона. Так, определение удельного сопротивления ρ проводника по его длине ℓ, диаметру d, силе тока I и падению напряжения на нем U производится по следующей формульной схеме:
,
где R - электрическое сопротивление проводника.
Совокупное измерение – измерение, при котором искомое значение величины находят путем решения системы уравнений, полученных при измерениях разных сочетаний нескольких физических величин или одной и той же величины в различных условиях. Как правило, совокупные измерения используются для повышения точности определения искомого значения (например, за счет устранения влияния на результат измерения каких-либо факторов)(см. лаб. работу № ).
5.5. Задачи измерения в физическом эксперименте.
Физические величины необходимо измерять:
для установления численных значений физических величин – параметров (количественных характеристик) какой-либо физической системы или процесса (например, определение размеров тела, температуры газа, силы трения, длительности движения и др.); Эту задачу можно определить как задачу измерения неизвестной физической величины;
для установления характера зависимостей количественных соотношений между различными характеристиками физической системы и воздействий на неё (входом, выходом, управлениями, мешающими факторами, параметрами состояния), а также количественного описания процессов эволюции (поведения) системы, т.е. её перехода из одного состояния в другое. Простейший пример – установление характера движения частицы (равномерное, равноускоренное и т.п.) по значениям перемещения, скорости, ускорения в соответствующие моменты времени.
Задачей измерения физической величины может быть опровержение или подтверждение результатов другого эксперимента. При этом искомая величина может измеряться тем же или другим методом, такими же или другими измерительными приборами. Цель – подтвердить или поставить под сомнение результаты, полученные ранее, в другом эксперименте.
Часто целью измерения является уточнение значения некоторой физической величины. Так, в ряде экспериментов уточнялось значение скорости света. Другой пример: в результате применения нового, более точного метода измерения был открыт дейтерий (изотоп водорода). В начале 20-го века химический метод измерения массы дал для массы атома водорода результат 1,00799±0,00002 атомных единиц массы (а.е.м.). В 1927 г. с применением масс-спектрометра было получено значение 1,007780 ±0,00005 (а.е.м.). Разницей значений примерно на 0,0002 (0,02%) нельзя было пренебречь, т.к. граница абсолютной погрешности не превышала 0,00005 а.е.м. Для объяснения этого расхождения была выдвинута гипотеза о том, что водород имеет два изотопа, причем масса атома второго изотопа (дейтерия) вдвое больше массы первого - обычного атома водорода. Эта гипотеза вскоре была экспериментально подтверждена.
Рассмотрим перечисленные в 5.5. задачи более подробно.