Математическая обработка результатов измерений физических величин.

1. Измерения. Виды измерений.

Процесс научного познания включает: а) восприятие – начальное изучение исследуемого явления с помощью наблюдения; б) обобщение, которое заключается в формулировании гипотезы и разработке теории; в) доказательство правильности гипотезы и теории на практике; г) оценка достоверности полученного результата.

Практика, как правило, включает в себя эксперимент. Хотя он является не единственным способом исследования, но его роль как критерия истины неоценима.

Цель любого эксперимента – установить взаимосвязь между исследуемыми величинами и их параметрами. Параметр – это некоторое числовое значение, характеризующее данную физическую величину и остающееся постоянным при определенных условиях.

Количественная зависимость между исследуемыми величинами и их параметрами устанавливается путем измерений в ходе эксперимента.

Измерением называется процесс сравнения исследуемой физической величины с другой, однородной с ней величиной, принятой за эталон. Однородными называют такие величины, которые характеризуют одно и то же свойство материи и могут отличаться только числовыми значениями.

В зависимости от способа принято различать прямые и косвенные измерения.

Прямое измерение – это измерение, проведенное с помощью инструмента или прибора путем непосредственного сравнения исследуемой величины с эталоном.

Косвенное измерение – получение числового значения исследуемой величины на основании результатов прямых измерений величин, связанных с ней некоторой функциональной зависимостью.

Несмотря на точность применяемых инструментов и приборов, тщательность в проведении измерений, истинное значение исследуемой величины не может быть достигнуто. Это обусловлено тем, что процесс измерений неизбежно сопровождается погрешностями, причины которых могут быть самыми различными. Погрешности оказывают влияние на точность измерений.

Поэтому в задачу измерений входит не только определение числового значения искомой величины, но и оценка допущенных при этом погрешностей.

2. Системы единиц измерения.

В 1791 г. по предложению специальной комиссии Французской академии наук, в состав которой входили такие выдающиеся ученые, как П.С. Лаплас, Ж.Л. Лагранж и др., за единицу длины было взята одна десятимиллионная четверть парижского меридиана, а для системы единиц – десятичную основу.

Для определения метра измерили длину дуги меридиана 9º40' между городами Дюнкерком и Барселоной (около 1000 км). Затем из платиноиридиевого сплава был изготовлен эталон метра.

Эталон килограмма – единицы массы, который равен массе 1 дм³ воды при температуре 4ºС, изготовили из того же самого сплава.

В 1875 г. В Париже 17 стран, в том числе и Россия, подписали Метрическую конвенцию.

В 1889 г. по случаю 100-летия Великой Французской революции было изготовлено 34 копии метра и 43 копии килограмма. Первая Генеральная конференция мер и весов утвердила их как национальные эталоны для стран Метрической конвенции.

Но со временем металлические эталоны изменялись. Тогда эталон метра пришлось сравнивать с определенной длиной световой волны.

Метр равен длине пути, который проходит в вакууме свет за 1/299 792 458 часть секунды.

Также было определено, что период суточного обращения Земли, который был взят как эталон времени, не остается постоянным. С 1872 по 1903 г. средняя продолжительность суток увеличилась на 0,07 с, а с 1903 по 1934 г. она уменьшилась на 0,005 с, после чего снова возрастает. Пришлось выбрать более надежный эталон времени.

Секунда – это время, равное 9 192 631 770 периодам излучения, которое соответствует переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.

Единицей массы является килограмм, представленный массой международного прототипа килограмма.

В физике приходится измерять много различных величин. Все они отображают свойства матери, ее движение и поэтому находятся в определенных зависимостях. Исходя из этого немецкий ученый К.Ф. Гаусс в 1832 г. пришел к выводу, что если выбрать произвольные единицы некоторый наиболее часто употребляемых величин (например, длины, массы и времени), то для остальных величин можно найти производные единицы, и таким образом получить систему единиц.

В 1881 г. Международный конгресс принял систему единиц СГС: сантиметр-грамм-секунда.

Позднее появились системы с другими основными единицами МКСА: метр-килограмм-секунда-ампер и др. В определенных отраслях науки и техники преимущественно использовали одну систему единиц, в других – другие, но со временем назрела необходимость создания единой системы единиц.

Только в 1960г. XI Генеральной конференцией по мерам и весам была принята Международная система единиц СИ (система интернациональная), которая содержит семь основных единиц (табл. 1).

Существенным преимуществом этой системы является кроме установления единообразия в единицах измерения еще и то, что она охватывает и связывает наиболее удобные для практики единицы механических, тепловых, электрических, световых и др. величин.

таблица 1

Величина	Единица	Сокращенное обозначение
		русское	международное
Длина	метр	м	m
Масса	килограмм	кг	kg
Время	секунда	с	s
Термодинамическая температура	кельвин	К	К
Сила электрического тока	ампер	А	А
Сила света	кандела	кд	cd
Количество вещества	моль	моль	mol

С 01.01.99 в Украине действуют ГСТУ 3651.0 – 97 «Метрология. Единицы физических величин. Основные единицы физических величин Международной системы единиц. Основные положения, названия и обозначения» и ГСТУ 3651.1 – 97 «Метрология. Единицы физических величин. Производные единицы физических величин Международной системы единиц и внесистемные единицы. Основные понятия, названия и обозначения».

Согласно этим стандартам использование единиц СИ обязательно как в научно-технической литературе, так и в учебном процессе в учреждениях образования всех уровней.