Тема 3. Измерения (2 часа).

Лекция 3

Тема: Измерения.

Метод проведения: Лекция – беседа. Разбор конкретных примеров.

Вопросы для обсуждения:

1. Каковы элементы процесса измерения?

2.Что вы понимаете под терминами «измерительная задача», «объект измерения»?

3.Модель объекта измерения, измеряемая величина, физический принцип, положенный в основу измерения, метод измерения, средство измерения, условия измерения (влияющие и не влияющие), точность измерения (погрешность или неопределенность) измерения, результат измерения, субъект измерения.

План лекции:

1. Типы измерений.

2.Основные этапы измерения: постановка измерительной задачи, планирование, процесс измерения (эксперимент);

3.Обработка экспериментальных данных, интерпретация результата измерения.

Краткое содержание.

Измерения физических величин не всегда носят однозначный характер. Измерения являются однозначными только для величин, которые удовлетворяют условию абсолютного значения относительного количества.

Условие абсолютного значения относительного количества – условие независимости отношения размеров двух однородных физических величин от единицы измерения этих величин. Большинство физических величин удовлетворяют этому условию, для них можно ввести понятие размерности. Однако встречаются такие свойства, которые не удается выразить величинами, подходящими под указанные требования. В этом случае для физических величин устанавливаются условные единицы измерения и условные шкалы. Условная единица измерения – числовая характеристика, с помощью которой располагают в порядке возрастания (убывания) проявления свойств объектов.

Условная шкала ФВ – шкала ФВ, исходные значения которой выражены в условных единицах. Условные шкалы называют также неметрическими шкалами. К ним относятся шкалы порядка.

Пример: Шкала твердости минералов Моса, шкалы твердости металлов

(Бринелля, Виккерса, Роквелла и др.).

При рассмотрении метрических шкал указывалось, что в них не всегда можно проводить операцию суммирования проявлений свойства. Соответственно, различают аддитивные и неаддитивные ФВ. Аддитивная ФВ – ФВ, разные значения которой могут быть суммированы, умножены на числовой коэффициент, разделены друг на друга.

Пример: Длина, масса, сила, давление, скорость – аддитивные физические

величины. Чтобы проводить количественные исследования окружающего нас

мира необходимо выбрать объекты измерения, поставить измерительную задачу и определить значения соответствующих физических величин.

Объект измерения – тело (физическая система, процесс, явление и т.д.), которое характеризуется одной или несколькими измеряемыми физическими величинами. Измерительная задача – задача, заключающаяся в измерении ФВ с требуемой точностью в данных условиях измерений.

Измерение ФВ – совокупность операций по применению технического средства (средства измерений), хранящего единицу ФВ, обеспечивающих нахождение соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой величины. Значение ФВ находится посредством отсчета показаний средства измерений и последующей обработки результата измерений. Отсчет показаний средства измерений осуществляется путем фиксации значения ФВ или числа по показывающему устройству средства измерений в заданный момент времени. В процессе измерений физических величин используются измерительные сигналы, содержащие измерительную информацию. Измерительный сигнал – сигнал, содержащий количественную значениях физическихвеличин. Когда невозможно выполнить измерение (не выделена величина как физическая или не определена единица измерений ФВ), проводится оценивание величин по шкалам наименований и условным шкалам. Рассмотрим типы измерений по признакам классификации.

По точности

Равноточные измерения – ряд измерений какой-либо ФВ, выполненных одинаковыми по точности средствами измерений в одних и тех же условиях. Неравноточные измерения – ряд измерений какой-либо ФВ, выполненных различающимися по точности средствами измерений и (или) в разных условиях. Прежде чем обрабатывать ряд измерений, необходимо определить какими по точности являются данные измерения. Ряд неравноточных измерений обрабатывают с учетом веса отдельных измерений, входящих в ряд. По числу наблюдений

Наблюдение при измерении – операции, проводимые при измерении и имеющие целью своевременно и правильно произвести отсчет. Не следует заменять термин «измерение» термином «наблюдение», так как измерение включает в себя как составную часть наблюдение. Однократное измерение или измерение с однократным наблюдением– измерение, выполненное один раз. Во многих случаях на практике выполняются именно однократные измерения. Многократное измерение или измерение с многократными наблюдениями – измерение ФВ одного и того же размера, результат которого получен из нескольких следующих друг за другом измерений, т.е. состоящее из ряда однократных измерений. Статическое измерение – измерение ФВ, принимаемой в соответствии с конкретной измерительной задачей за неизменную на протяжении времени измерения.Динамическое измерение – измерение изменяющейся по размеру ФВ. Строго говоря, все физические величины подвержены тем или иным изменениям во времени. В этом убеждает применение все более и более чувствительных средств измерений, которые дают возможность обнаруживать изменение величин, ранее считавшихся постоянными. Поэтому разделение измерений на динамические и статические является условным. Динамические измерения подразделятся на непрерывные и дискретные измерения.

Непрерывное измерение – измерение, при котором значения измеряемой ФВ фиксируются непрерывно. Фразу «фиксируются непрерывно. нужно понимать в следующем смысле. Для того, чтобы получить значение ФВ необходимо произвести отсчет показаний прибора. Отсчет показанийприбора невозможно осуществить мгновенно. Так для стрелочного прибора требуется некоторое время на отклонение стрелки и ее установления в положении равновесия. Поэтому для измерения значения ФВ нужно затратить определенное время, называемое временем измерения. При непрерывных измерениях значения измеряемой ФВ фиксируются в моменты времени, разделенные временем измерения прибора. К таким измерениям относятся измерения величин с помощью аналоговых приборов. Дискретное измерение – измерение, при котором значения измеряемой ФВ фиксируются в отдельные моменты времени. В этом случае отдельные моменты времени превышают время измерения прибора. К дискретным измерениям относятся измерения величин с помощью цифровых приборов.

По способу получения измерительной информации.

Прямое измерение – измерение, при котором искомое значение ФВ получают непосредственно из опытных данных.

Косвенное измерение – определение искомого значения ФВ на основании результатов прямых измерений других физических величин, функционально связанных с искомой величиной.

Пример: Измерение длины детали микрометром, измерение силы тока ам-

перметром, измерение массы на весах являются прямыми измерениями.

По выражению результата измерений

Абсолютное измерение – измерение ФВ, основанное на прямых измерениях одной или нескольких основных величин и (или) использовании значений физических констант. На практике в основном выполняются именно абсолютные измерения величин, так как полученные значения величин выражаются непосредственно в их единицах.

Пример: Измерение силы тяжести F = mg основано на измерении основной

величины – массы m – и использовании физической постоянной g (в точке измерения массы). В SI значение силы тяжести выражается непосредственно в ньютонах. Относительное измерение – измерение отношения величины к одно-

именной величине, играющей роль единицы, или измерение изменения.