Метрология - Практическая №10

Практическая работа №10

Изучение задач и состава ГСИ

Основные метрологи­ческие понятия и термины сформулированы в ГОСТ 16263-70 «Государственная система обеспечения единства измерений. Мет­рология. Термины и определения». К сожалению, в последние годы именно в области метрологической терминологии отмечается боль­шое количество противоречий и разногласий. Эти противоречия вызваны, как правило, существующими различиями в зарубежной и отечественной терминологии и необходимостью их единства.

В 1993 г. вышло 2-е издание Международного словаря основных и общих терминов в метрологии. Основной целью издания слова­ря явилось создание согласованной международной метрологи­ческой терминологии, общей для всех дисциплин.

Некоторые основные метрологические понятия, например «из­мерение», «физическая величина» и др., в словаре имеют иную трактовку или обозначаются другими терминами, чем в отече­ственной метрологии. Подобные различия должны постепенно устраняться.

Однако введенный в действие в 2001 г. нормативный документ РМГ 29-99 «ГСИ. Метрология. Основные термины и определе­ния» вызвал справедливую критику, поскольку содержит ряд спор­ных определений. Наиболее острая дискуссия развернута вокруг термина «неопределенность измерений», связанного с неопреде­ленностью условного истинного значения физической величины, обусловленного, в частности, неадекватностью измерительных мо­делей рассматриваемым объектам измерений. Вместе с тем новый термин «условное истинное значение», вместо «действительное значение», выглядит более предпочтительным, так как точнее отражает сущность понятия.

Первоначально единицы физических величин выбирались про­извольно, без какой-либо связи друг с другом, что создавало боль­шие трудности. Значительное число произвольных единиц одной и той же величины затрудняло сравнение результатов измерений, произведенных различными наблюдателями.

В каждой стране, а иногда даже в каждом городе создавались свои единицы физических величин. Перевод одних единиц физи­ческих величин в другие был очень сложен и приводил к суще­ственному снижению точности результатов измерений.

Кроме указанного разнообразия единиц, которое можно на­звать территориальным, существовало разнообразие единиц, при­меняемых в различных отраслях науки, техники, промышленности и т. п. В различных отраслях человеческой деятельности созда­вались новые единицы тех или иных величин, характерных для данной отрасли. Это разнообразие, которое мы называем условно отраслевым разнообразием единиц, к сожалению, существует и в настоящее время.

По мере развития науки, а также международных связей труд­ности использования результатов измерений возрастали и тормо­зили дальнейший научно-технический прогресс. Большой ущерб причиняла множественность единиц и науке.

Положение осложнялось еще тем, что соотношения между дольными и кратными единицами были необычайно разнообраз­ны. В качестве примера приведем некоторые единицы длины, пло­щади, объема, массы, применявшиеся в России до Октябрьской революции (по состоянию перед их отменой), и соотношения меж­ду ними и метрическими мерами:

1 аршин = 16 вершкам = 28 дюймам = 0,71120 м;

1 дюйм = 25,4 мм;

1 сажень = 3 аршинам = 7 футам = 2,1336 м;

1 фут = 12 дюймам = 304,8 мм;

1 верста = 500 саженям = 1,0668 км;

1 десятина = 2400 квадратным саженям = 10 925 м²;

1 четверть = 8 четверикам = 209 дм³ (209,9 л);

1 пуд = 40 фунтам = 16,38 кг;

1 фунт = 96 золотникам = 409,5 г;

1 золотник = 96 долям = 4,266 г.

Во второй половине XVIII в. в Европе насчитывалось до сотни футов различной длины, около полусотни различных миль, свы­ше 120 различных фунтов.

В 1790 г. во Франции было принято решение о создании систе­мы новых мер, основанных на неизменном прототипе, взятом из природы, с тем, чтобы ее могли принять все нации. Было предло­жено считать единицей длины длину десятимиллионной части четверти меридиана Земли, проходящего через Париж. Эту еди­ницу назвали метром. Для определения размера метра с 1792 по 1799 г. были проведены измерения дуги парижского меридиана.

За единицу массы была принята масса 0,001 м³ (1 дм³) чистой воды при температуре наибольшей ее плотности (+4 °С); эта едини­ца была названа килограммом. При введении метрической системы была не только установлена единица длины, взятая из природы, но и принята десятичная система образования кратных и дольных единиц, соответствующая десятичной системе нашего числового счета. Десятичность метрической системы является одним из важ­нейших ее преимуществ.

Однако, как показали последующие измерения, в 1/4 париж­ского меридиана содержится не 10000 000, а 10 000 856 первона­чально определенных метров. Но и это число нельзя было считать окончательным, так как еще более точные измерения могли дать другое значение.

Так как при дальнейших, более точных измерениях земного меридиана могли получиться другие размеры основной единицы длины, в 1872 г. Международной комиссией по прототипам мет­рической системы было решено перейти от единиц длины и мас­сы, основанных на естественных эталонах, к единицам, основан­ным на условных материальных эталонах (прототипах).

В 1875 г. была созвана дипломатическая конференция, на кото­рой 17 государств, в том числе и Россия, подписали метрическую конвенцию. В соответствии с этой конвенцией:

• устанавливались международные прототипы метра и кило­грамма;

• создавалось Международное бюро мер и весов – научное уч­реждение, средства на содержание которого обязались выделять государства, подписавшие конвенцию;

• учреждался Международный комитет мер и весов, состоящий из ученых разных стран, одной из функций которого было руко­водство деятельностью Международного бюро мер и весов;

• устанавливался созыв один раз в шесть лет Генеральных кон­ференций по мерам и весам.

Были изготовлены образцы метра и килограмма из сплава пла­тины и иридия. Прототип метра представлял собой платиноиридиевую штриховую меру общей длиной 102 см, на расстояниях 1 см от концов которой были нанесены штрихи, определяющие еди­ницу длины – метр.

В 1889 г. в Париже собралась 1-я Генеральная конференция по мерам и весам, утвердившая международные прототипы из числа вновь изготовленных образцов. Прототипы метра и килограмма были переданы на хранение Международному бюро мер и весов.

После установления международных прототипов метра и ки­лограмма 1-я Генеральная конференция распределила остальные образцы по жребию между государствами, подписавшими Мет­рическую конвенцию. Россия получила два метра (№ 11 и 28) и два килограмма (№ 12 и 26). Метр № 28 и килограмм № 12 были утверждены в качестве государственных эталонов России. Таким образом, в 1899 г. было завершено установление метрических мер.

Понятие о системе единиц физических величин ввел немец­кий ученый К. Гаусс. По его методу построения систем единиц различных величин сначала устанавливают или выбирают произ­вольно несколько величин независимо друг от друга. Единицы этих величин называют основными, так как они являются основой построения системы единиц других величин.

Основные единицы устанавливают или выбирают таким обра­зом, чтобы, пользуясь закономерной связью между величинами, можно было образовать единицы других величин. Под закономер­ной связью между величинами подразумевается возможность ма­тематически выразить зависимость одной величины от других. Еди­ницы, выраженные через основные единицы, называют произ­водными.

Полная совокупность основных и производных единиц, уста­новленных таким путем, и является системой единиц физических величин.

Обратим внимание на три особенности описанного метода по­строения системы единиц величин.

Во-первых, метод построения системы не связан с конкрет­ными размерами основных единиц. Устанавливаются или выбира­ются величины, единицы которых должны стать основой системы. Размеры производных единиц зависят от размеров основных еди­ниц. Например, в качестве одной из основных единиц мы можем выбрать единицу длины, но какую именно – безразлично. Это может быть или метр, или аршин, или дюйм, или любая другая длина. Но производная единица измерения площади, определя­емой как площадь квадрата, длина каждой стороны которого рав­на выбранной единице длины, будет зависеть от того, какая еди­ница длины выбрана. Следовательно, для перечисленных выше единиц длины это будут квадратный метр, квадратный аршин, квадратный дюйм и т.д.

Во-вторых, построение системы единиц возможно для любых величин, между которыми имеется связь, выражаемая в матема­тической форме в виде уравнения.

В-третьих, выбор величин, единицы которых должны стать основными, ограничивается соображениями рациональности и тем, что позволило бы образовать максимальное число произволь­ных единиц.

Величины, единицы которых принимают за основные, и вели­чины, единицы которых образуются как производные, называют соответственно основными и производными. В этих наименовани­ях величин есть некоторая условность, так как они зависят от структуры построения системы единиц.

Было сформулировано еще одно дополнительное требование к системе единиц: она должна быть когерентна.

Когерентность (согласованность) системы единиц заключается в том, что во всех формулах, определяющих производные единицы в зависимости от основных, коэффициент всегда равен единице. Это дает ряд существенных преимуществ, упрощает образование единиц различных величин и проведение вычислений с ними.

Первоначально были созданы системы единиц, основанные на трех единицах. Эти системы охватывали большой круг величин, условно называемых механическими. Они строились на основе тех единиц физических величин, которые были приняты в той или иной стране. Предпочтение отдается системам, построенным на единицах длины – массы – времени как основных. Одной из сис­тем, построенных по этой схеме для метрических единиц, являет­ся система метр – килограмм – секунда (МКС).

В научных трудах по физике до сих пор применяется система сан­тиметр – грамм – секунда (СГС), разработанная в 1861 – 1870 гг. и построенная по той же схеме: длина – масса – время. Система МКС, а также система СГС в части единиц механических величин когерентны.

В течение некоторого времени применяли так называемую техни­ческую систему единиц, построенную по схеме длина – сила – время. При применении метрических единиц основными едини­цами этой системы является метр –килограмм-сила – секунда (МКГСС). Преимущество заключалось в том, что применение в качестве одной из основных единицы силы упрощало вычисления и выводы зависимостей для многих величин, применяемых в тех­нике. Недостатком являлось то, что единица массы в ней получа­лась производной и равной приблизительно 9,81 кг. Это нарушало метрический принцип десятичности мер. Второй недостаток – сходность наименования единицы силы – килограмм-сила и мет­рической единицы массы – килограмм, что часто приводило к путанице. Третьим недостатком системы МКГСС являлась несо­гласованность с практическими электрическими единицами.

Некоторое время применялась система единиц метр – тонна – секунда.

Поскольку системы механических единиц охватывали не все физические величины, для отдельных отраслей науки и техники системы единиц расширялись путем добавления еще одной основ­ной единицы. Так появилась система тепловых единиц метр – килограмм – секунда – градус температурной шкалы (МКСГ). Си­стема единиц для электрических и магнитных измерений получе­на добавлением единицы силы тока – ампера (МКСА). Система световых единиц содержит в качестве четвертой основной едини­цы канделу (свечу) – единицу силы света.

Серьезные трудности встретились при применении системы СГС для измерения электрических и магнитных величин. Всего было составлено семь видов единиц СГС электрических и магнитных величин.

Большинство указанных недостатков было устранено введени­ем единой универсальной Международной системы единиц (СИ), которая принята в настоящее время большинством стран.

Содержание отчёта:

Ответить на контрольные вопросы.

Контрольные вопросы:

1. Какой документ определяет метрологические термины и понятия?

2. Причины введения единых единиц измерения физических величин.

3. На чём основаны современные системы мер?

4. Что дала миру метрическая конвенция 1875 года?

5. Понятие о системе единиц физических величин.

6. Три особенности метода по­строения системы единиц величин.

Как отличаются между собой системы единиц СГС и СИ