5. Единицы измерения фотометрических величин.

Фотометрия-раздел оптики, занимающийся вопросами измерения интенсивности света и его источников. В фотометрии используются следующие величины: энергетические (определяющие энергетические параметры источника оптического излучения) и световые (определяющие

воздействие света на приемники оптического излучения).

Для измерения световых величин в качестве основной единицы используется

единица силы света - кандела (кд) и производные от нее - люмен (лм) и люкс (лк).

Один люмен есть величина, равная световому потоку, испускаемому точечным источником света силой света в одну канделу внутри телесного угла

в один стерадиан: 1 лм = 1 кд∙ ср.

Один люкс есть величина, равная освещенности поверхности, на один квадратный метр которой падает световой поток в один люмен : 1 лк = 1 лм/м².

Таблица5.1. Единицы измерения основных фотометрических величин в системе СИ.

Энергетическая величина	Единицы измерения		Световая величина	Единицы измерения
Поток излучения Излучательность Сила излучения Лучистость Облученность	вт вт/м2 вт/ср вт/ср•м2 вт/м2 .		Световой поток Светимость Яркость Освещенность	лм лм/м2 кд/м2 лк .

6. Некоторые единицы измерения в атомной и ядерной физике.

Атомная единица массы ( а.е.м.) – 1/16 массы атома изотопа кислорода О¹⁶ :

1 а.е.м. = 1,6597∙ 10^-27 кг.

Унифицированная атомная единица массы ( у.а.е.м. ) – 1/12 массы атома

изотопа углерода ₆С¹² : 1 у.а.е.м. = 1,6603 ∙ 10^-27 кг.

Барн – единица измерения эффективного сечения ядерных реакций :

1 барн =10^-24 см².

7. Универсальные физические постоянные.

Ниже приведены значения констант, рекомендованные Генеральной ассамблеей Международного союза чистой и прикладной физики в Варшаве в сентябре 1963 года.

Давление атмосферное нормальное:

р_о =1 атм = 1,01325∙10⁵ н /м².

Заряд элементарный:

е = ( 1,60210 ± 0,00007 ) ∙ 10^-19 к.

Заряд удельный электрона:

е / m_е = ( 1,758796 ± 0,000019 ) ∙ 10¹¹ к/кг.

Комптоновская длина волны протона:

λ_р = ( 1,32140 ± 0,00004 ) ∙ 10^-15 м.

λ_р / 2π =( 2,10307 ± 0,00006 ) ∙ 10^-16 м.

Комптоновская длина волны электрона:

λ_е = ( 2,42621 ± 0,00006 ) ∙ 10^-12 м.

λ_е / 2π = ( 3,86144 ± 0,000019 ) ∙ 10^-13 м.

Магнетон Бора:

µ_Б = ( 9,2732 ± 0,0006 ) ∙ 10^-24 дж/тл.

Магнетон ядерный:

µ_яд = ( 5,0505 ± 0,0004 ) ∙ 10^-27 дж/тл.

Масса покоя нейтрона:

m_n =( 1,67482 ± 0,00008 ) ∙ 10^-27 кг = ( 1,0086654 ± 0,0000013 ) у.а.е.м.

Масса покоя протона:

m_p = ( 1,67252 ± 0,00008 ) ∙ 10^-27 кг = ( 1,00727663 ± 0,0000024) у.а.е.м.

Масса покоя электрона:

m_e = ( 9,1091 ± 0,0004 ) ∙ 10^-31 кг = ( 5,48597 ± 0,00009 ) у.а.е.м.

Момент магнитный протона:

µ_р = ( 1,41049 ± 0,00013 ) ∙ 10^-26 дж/тл.

µ_р / µ_яд = (2,79276 ± 0,00007).

Момент магнитный аномальный электрона:

µ_е / µ_Б – 1 = ( 1,159615 ± 0,000015 ) ∙ 10^-3.

Объем одного киломоля идеального газа при нормальных условиях:

V₀ = ( 22,4136 ± 0,0030) м³.

Постоянная Больцмана:

k = ( 1,38054 ± 0,00018 ) ∙ 10^-23 Дж/ ⁰К

Постоянная Вина:

b = ( 2,8978 ± 0,0004 ) ∙ 10^-3 м ∙ ⁰К

Постоянная газовая:

R = ( 8,3143 ± 0,0012 ) ∙ 10³ Дж/(⁰К∙кмоль)

Постоянная гравитационная:

 = ( 6,670 ± 0,015 ) ∙ 10^-11 м³/(кг∙с²)

Постоянная зеемановского расщепления:

µ_Б/(hc) = ( 46,6858 ± 0,0004 ) 1/(м∙Тл)

Постоянная Планка:

h = ( 6,6256 ± 0,0005 ) ∙ 10^-34 Дж∙с

Постоянная радиационная первая:

с₁ = 2πhc² = ( 3,7405 ± 0,0003 ) ∙ 10^-16 Вт∙м²

Постоянная радиационная вторая:

с₂ = hc/k =( 1,43879 ± 0,00019 ) ∙ 10^-2 м∙⁰К

Постоянная Ридберга:

R_^/ = ( 1,0973731 ± 0,0000003 ) ∙ 10⁷ 1/м

Постоянная Стафана-Больцмана:

 = ( 5,6697 ± 0,0029 ) ∙ 10^-8 Вт/(м²∙⁰К⁴)

Постоянная тонкой структуры:

 = ( 7,29720 ± 0,00010 ) ∙ 10^-3

Постоянная магнитная:

₀ = 4π∙10^-7 Гн/м

Постоянная электрическая:

₀ = 10⁷/(4πс²) Ф/м

Радиус первой боровской орбиты:

а₀ = ( 5,29167 ± 0,00007 ) ∙ 10^-11 м

Радиус электрона классический:

r_e = ( 2,81777 ± 0,00011 ) ∙ 10^-15 м

Скорость света в вакууме:

с = ( 2,997925 ± 0,000003 ) ∙ 10⁸ м/с

Ускорение свободного падения стандартное:

g = 9,80665 м/с²

Число Авагадро:

N_A = ( 6,02252 ± 0,00028 ) ∙ 10²³ 1/кмоль

Число Фарадея:

F = ( 9,64870 ± 0,00016 ) ∙ 10⁷ к/(кг∙экв)

Энергия покоя нейтрона:

m_nc² = ( 939,550 ± 0,015 ) Мэв

Энергия покоя протона:

m_pc² = ( 938,256 ± 0,015 ) Мэв

Энергия покоя электрона:

m_ec² = ( 0,511006 ± 0,000005 ) Мэв

КРАТКИЕ СВЕДЕНИЯ

ОБ ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРАХ

При выполнении работ в лабораторном практикуме необходимо иметь четкие представления о принципах действия используемых приборов, их достоинствах и недостатках, а также уметь правильно выбрать предел измерения, рассчитать цену деления прибора, приборную погрешность.

Измерительные приборы - устройства или технические приспособления, служащие для сравнения измеряемой величины с мерой (единицей измерения). Для измерения электрических величин установлены меры электрической емкости, индуктивности, ЭДС (нормальные элементы), напряженности магнитного поля, частоты колебаний, электрического сопротивления.

Измерительные приборы классифицируются по различным признакам: по положенным в основу измерения методам и физическим явлениям, по конструктивным особенностям, по эксплуатационным характеристикам, по роду измеряемой величины и т.д. Напомним, что по принципу действия все электроизмерительные приборы делятся на следующие основные типы: магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, индукционные, электростатические, тепловые. Кроме указанных существуют и другие системы приборов, которые в лабораторном практикуме применяются сравнительно редко.

Наиболее распространенными являются приборы магнитоэлектрической, электромагнитной и электродинамической систем.

В приборах магнитоэлектрической системы используется действие магнитного поля (постоянного магнита) на подвижную рамку с током. Приборы этой системы имеют равномерные шкалы, обладают высокой чувствительностью и точностью, но пригодны только для постоянного тока. Недостатком приборов этой системы, является низкая механическая и электрическая прочность.

Принцип действия приборов электромагнитной системы основан на втягивании ферромагнитного сердечника в магнитное поле тока, протекающего по обмотке неподвижной катушки. К достоинствам приборов этой системы можно отнести простоту конструкции, большую механическую прочность, выносливость к перегрузкам, пригодность как для постоянного, так и для переменного тока; к недостаткам - неравномерность шкалы, зависимость от внешних магнитных полей, низкую чувствительность.

В приборах электродинамической системы используется взаимодействие магнитных полей токов, протекающих по обмоткам неподвижной и подвижной катушек. Приборы электродинамической системы обладают высокой точностью и применяются для измерения тока, напряжения и мощности как постоянного, так и переменного токов. Недостатки этих приборов те же, что и у приборов электромагнитной системы.

Условные обозначения системы электроизмерительных

приборов.

Система прибора	Условные обозначения
Магнитоэлектрическая Электромагнитная Электродинамическая

Наиболее важные технические характеристики приборов, в том числе и измерительная система, обычно приводятся на шкалах в условных обозначениях.

Очень важной характеристикой любого прибора является его точность. По степени точности приборы делятся на классы. ГОСТ 8.401-81 устанавливает следующие классы точности для приборов:

0,05 0,1 0,2 0,5 1,0 1,5 2,5 4,0

Число, обозначающее класс точности, равно предельному допустимому значению основной погрешности прибора, выраженного в % от диапазона измеряемой величины. Другими словами, если абсолютная погрешность прибора , а предельное значение измеряемой величины _ПРЕД, то класс точности имеет смысл относительной ошибки прибора:

 (1)

выраженной в процентах.

Абсолютная погрешность прибора (предельная допустимая ошибка) равна, следовательно,

= _ПРЕД 0.01_П (2)

Например, для вольтметра класса точности 0,2, рассчитанного на измерение напряжений не выше 300 В, абсолютная погрешность составляет

U = 300 0,01 0,2 = 0,6 В

Если класс точности понижается, а предел измерений остается прежним, то абсолютная погрешность возрастает.

Так, изменив класс точности вольтметра с 0,2 на 0,5, получаем

U = 300 0,01 0,5 = 1,5 В

Принято считать абсолютную погрешность прибора  одинаковой для всей шкалы. Из этого условия следует, что относительная погрешность измерения, вычисленная по формуле:

 (3)

зависит от измеряемой величины  .

С возрастанием  относительная погрешность уменьшается, достигая при  = _пред минимального значения  = _п. Например, если , то  = 2 _{п ,} а если , то  = 10_п. Из примеров видно, что относительная погрешность измерения в первой половине шкалы значительно хуже, чем во второй. Отсюда вытекает практическое правило: прибор желательно использовать так, чтобы все измерения проходили во второй половине шкалы. С этой целью пользуются многопредельными (многошкальными) приборами.

Если измеряемая величина  значительно ниже, чем _пред, прибор необходимо переключить на меньший предел измерения, увеличив тем самым отклонение стрелки и точность измерения. Из (3) и (2) имеем:

Так, продолжая предыдущий пример, измерение напряжения U = 30В следует проводить, переключив вольтметр с предела 300В на самый чувствительный предел, охватывающий измеряемое напряжение, например, на предел 75В. При классе точности 0,5 получаем снижение относительной погрешности измерения с ₁= 0,5% =5% до ₂ = 0,5% =1,25%.

Переключение на новый предел измерения означает одновременно и изменение цены деления шкалы прибора ( _пред число дел. ). Если рассмотренный выше вольтметр имеет 150 делений, то цена деления при переключении с предела 300 В на предел 75 В изменяется с 2 В на 0,5 В, т.е. во столько же раз, во сколько изменяется предел.

Условные обозначения технических характеристик приборов.

Условные обозначения	Техническая характеристика
60 2.5 или ~ ~ 50 Гц	Класс точности прибора Прибор пригоден; только для постоянного тока только для переменного тока как для постоянного, так и для переменного тока Частота 50 Гц Вертикальная установка прибора Горизонтальная установка прибора Наклонная установка прибора под углом 60 Изоляция прибора испытана напряжением 2кВ Предостерегающий знак высокого напряжения

1Если n мало (n < 30), то вместо распределения Гаусса пользуются распределением Стьюдента (псевдоним английского математика и химика Госсета), в котором плотность распределения вероятностей рассматривается как функция параметра t_n, зависящего от числа измерений и доверительной вероятности. Распределение Стьюдента зависит от n и при n→∞ переходит в распределение Гаусса.