Методы физических измерений

Методология и классификация экспериментальных исследований

1. Методология экспериментальных исследований – это общая структура (проект) эксперимента. Включает следующие этапы:

1.1. Разработка плана – программы эксперимента, это:

- наименование темы исследования,

- рабочая гипотеза,

- методика эксперимента,

- перечень необходимых материалов, приборов, установок,

- список исполнителей,

- календарный план работ,

- смета на выполнение эксперимента.

Иногда дополнительно включают работы по конструированию и изготовлению приборов, аппаратов и др.

1.2. Оценка измерений и выбор средств измерений. Средства измерения могут быть выбраны стандартные или изготовлены специально для эксперимента. Поверка средств измерений.

1.3. Проведение эксперимента (этапы традиционного эксперимента, включая математическое планирование). В методике эксперимента подробно проектируют процесс проведения эксперимента:

- составляют последовательность проведения операций наблюдений и измерений;

- описывают каждую операцию с учетом выбранных средств;

- контролируют качество операций, чтобы при минимальном количестве измерений обеспечить повышенную надежность и заданную точность;

- разрабатывают форму журнала для записи результатов наблюдений и измерений;

- выбирают методы обработки и анализа экспериментальных данных, включая математические.

Наиболее важной составной частью научных исследований являются эксперименты. Это один из основных способов получить новые научные знания. Более двух третей всех трудовых ресурсов науки затрачивается на эксперименты. В основе экспериментального исследования находится эксперимент, представляющий собой научно поставленный опыт или наблюдение явления в точно учитываемых условиях, позволяющих следить за его ходом, управлять им, воссоздавать его каждый раз при повторении этих условий. От обычного, обыденного, пассивного наблюдения эксперимент отличается активным воздействием исследователя на изучаемое явление.

Основной целью эксперимента является проверка теоретических положений (подтверждение рабочей гипотезы), а также более широкое и глубокое изучение темы научного исследования.

Различают эксперименты естественные и искусственные.

Естественные эксперименты характерны при изучении социальных явлений (социальный эксперимент) в обстановке, например, производства, быта и т.п.

Искусственные эксперименты широко применяются во многих естественнонаучных исследованиях. В этом случае изучают явления, изолированные до требуемой степени, чтобы оценить их в количественном и качественном отношениях.

Иногда возникает необходимость провести поисковые экспериментальные исследования. Они необходимы в том случае, если затруднительно классифицировать все факторы, влияющие на изучаемое явление вследствие отсутствия достаточных предварительных данных. На основе предварительного эксперимента строится программа исследований в полном объеме.

Экспериментальные исследования бывают лабораторные и производственные.

Лабораторные опыты проводят с применением типовых приборов, специальных моделирующих установок, стендов, оборудования и т.д. Эти исследования позволяют наиболее полно и доброкачественно, с требуемой повторяемостью изучить влияние одних характеристик при варьировании других. Лабораторные опыты в случае достаточно полного научного обоснования эксперимента (математическое планирование) позволяют получить хорошую научную информацию с минимальными затратами. Однако, такие эксперименты не всегда полностью моделируют реальный ход

изучаемого процесса, поэтому возникает потребность в проведении производственного эксперимента.

Производственные экспериментальные исследования имеют целью изучить процесс в реальных условиях с учетом воздействия различных случайных факторов производственной среды. Пассивные производственные эксперименты заключаются в сборе данных и анализе случайных отклонений от заданных параметров процесса. В активных экспериментах изменения параметров процесса заранее планируют и задают.

Если эксперимент хорошо продуман и удачно спланирован, то он имеет больше шансов на успех. Основываясь на известных теориях и экспериментальных результатах, можно так выбрать способы и методы измерений, чтобы получить как можно больше сведений. Очень важно исключить влияние внешней среды или свести его к нулю. На практике финансовые проблемы часто ограничивают аппаратурные возможности.

Измерения –это нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. Измерения в философском аспекте – важнейший универсальный метод познания физических явлений и процессов. Измерение – вторичный метод познания, так как сначала нужно изучить объект измерений, выстроить его модель. Измерение с этой точки зрения является методом кодирования сведений, то есть заключительной стадией процесса познания. В научном аспекте измерения – это количественная информация об объекте, без которой невозможно точно воспроизвести условия технического процесса и эффективного управления объектом. В техническом аспекте измерения дают возможность проверки научных гипотез, осуществляют связь теории и практики в науке. Цель измерений – получить численные значения нужной физической величины.

Измерения подразделяют на прямые (получают непосредственно значение измеряемой величины) и косвенные (нужную величину вычисляют из результатов непосредственных измерений).

При многократных измерениях получают разные численные значения измеряемой физической величины (даже если все значения одинаковы). Сразу возникают вопросы: - об истинном значении физической величины, -о точности, с которой истинное значение можно определить по нашим данным. Х₀ – истинное значение, Х – то значение, которое получено в результате измерения. Е = Х – Х₀ – ошибка измерения.

Ошибки измерения подразделяют на: - систематические, - случайные, - грубые (так называемые выбросы). Грубые возникают вследствие ошибки экспериментатора или отказа оборудования. В отличии от других грубые ошибки обычно сразу видно Е_i>>|Е|. Систематические ошибки трудно обнаружить, так как отклонение в них одинаково. Они возникают из-за: - несовершенства оборудования, - несовершенства метода измерения, - непостоянства условий опыта, - влияния окружающей среды, - ошибок экспериментатора, -влияния неучтенных факторов.

Случайные ошибки возникают вследствие многозначных причин. Такие ошибки ликвидируют обработкой данных на основе теоретической схемы теории ошибок, которая объединяет теорию вероятностей и математическую статистику

В настоящее время следует говорить об измерительных технологиях, так как сложность измерений возрастает. Основа любой формы управления, анализа, прогнозирования, планирования, контроля или регулирования – достоверная исходная информация, основанная на измерениях. Отсюда значительные затраты на измерения. Примерно 15% общественного труда затрачивается на проведение измерений, от 3 до 6% валового национального продукта тратится на измерения, прямо или косвенно.

Дата добавления: 2014-01-20