Средства и методы измерений

И обработка результатов измерений

Измерение физических величин

Физика – наука экспериментальная. Любое физическое исследование начинается с накопления опытных данных посредством измерения физических величин, связанных между собой определенными количественными соотношениями – законами.

Физические величины подразделяются на основные и производные. Основные величины независимы друг от друга и используются для установления связей с другими физическими величинами, которые называют производными. Основным величинам соответствуют основные единицы измерений, а производным – производные. Совокупность основных и производных единиц представляет собой систему единиц физических величин.

В мировой практике наиболее широко распространена Международная система единиц (СИ – система интернациональная). В данную систему входят семь основных единиц, две дополнительных и ряд производных единиц физических величин. Основными единицами измерений являются: метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль, кандела, а дополнительными– радиан и стерадиан. Остальные единицы измерений времени, механических, электрических, магнитных, тепловых, световых, акустических и других величин являются производными.

Вместе с единицами международной системы применяются и внесистемные единицы, например, сутки, литр, тонна, гектар и др.

Измерение – это процесс нахождения значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. Измерить – это значит определить, во сколько раз измеряемая физическая величина больше или меньше однородной ей физической величины, принятой за единицу (эталон).

Измерения классифицируются на прямые и косвенные. Прямыми измерениями называют такие, при которых искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных (например, измерение длины линейкой, определение массы на весах, температуры – термометром и т.д.). Косвенными измерениями называют измерения, при которых искомую величину определяют расчетным путем, используя формулу зависимости ее от других величин, получаемых в ходе прямых измерений (например, определение плотности тела по его массе и геометрическим размерам и т.д.).

Для измерения физических величин используются различные технические средства, называемые средствами измерений (измерительными приборами). Каждый измерительный прибор характеризуется пределом (максимальной величиной измерения) и ценой деления (отношением предельного значения к полному числу делений шкалы).

Совокупность правил, определяющих принципы и средства измерения, называется методом измерения. На практике широкое распространение получили методы:

1) непосредственной оценки;

2) дифференциальный;

3) нулевой.

Метод непосредственной оценки реализуется при прямых измерениях.

В дифференциальном методе на измерительный прибор воздействует разность измеряемой и базовой (значение которой известно) величин. При использовании этого метода необходимо иметь базовую величину, значение которой близко к измеряемой величине и определено с высокой точностью.

В нулевом методе измеряемую величину сравнивают с величиной, значение которой известно, но разность между ними сводится к нулю путем изменения известной величины. Примером нулевого метода может служить измерение массы тела на рычажных весах. Этот метод обеспечивает высокую точность измерений.

Погрешности измерений и их классификация

Ни одно измерение не может быть выполнено абсолютно точно. Вследствие ряда причин (несовершенство измерительных приборов, наших органов восприятия и других факторов) все измерения можно производить только с известной степенью точности, поэтому результаты измерений дают нам не истинное значение измеряемой величины, а лишь приближенное, называемое действительным.

Отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины называется абсолютной погрешностью измерения :

. (1)

Из формулы (1) следует, что абсолютная погрешность измеряется в тех же единицах, что и измеряемая величина и указывает в каких пределах заключено истинное значение этой величины, то есть:

или

. (2)

В большинстве случаев для указания точности измерений удобнее пользоваться понятием относительной погрешности, которая показывает, какую долю измеряемой величины составляет абсолютная погрешность:

. (3)

Относительной погрешностью называется отношение абсолютной погрешности к результату измерения.

Относительную погрешность обычно выражают в процентах:

. (4)

Погрешности классифицируются на систематические, случайные и грубые (промахи).

1. Грубые погрешности возникают в результате невнимательной работы экспериментатора или плохих условий наблюдения. Результаты, содержащие грубую погрешность, резко отличаются от остальных, и их не принимают во внимание.

2. Систематической погрешностью называется составляющая погрешности измерения, которая остается постоянной или закономерно изменяется при повторных измерениях одной и той же величины. Такие погрешности возникают, например, из-за инструментальной погрешности прибора (указывается на нем или в паспорте) или метода измерения (взвешивание тела без учета выталкивающей силы Архимеда). Систематические погрешности имеют определенное значение и знак, они могут быть устранены путем внесения поправки, то есть величины, прибавляемой к полученному при измерении значению.

3. Случайная погрешность – это составляющая погрешности, изменяющаяся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины. Она вызвана разными причинами: несовершенством измерительных приборов, органов восприятия человека, методов измерений и других воздействий, причины которых остаются неизвестными человеку. Случайные погрешности устранить нельзя, однако их можно учесть при представлении результата.

Целью вычисления погрешностей измерения является оценка точности результата, то есть степени его приближения к истинному значению определяемой величины. Результаты с неизвестной точностью практической ценности не представляют и в ряде случаев могут служить источником антинаучных знаний.

Дата добавления: 2014-12-08