Эталоны единиц физических величин. Современные эталоны единиц физических величин создаются на основе последних достижений науки и техники и представляют собой весьма сложные устройства

Современные эталоны единиц физических величин создаются на основе последних достижений науки и техники и представляют собой весьма сложные устройства. Перечень эталонов не повторяет перечня принятых единиц. Для большинства единиц эталоны не создаются. Эталон не создается в том случае, когда нет возможности непосредственно сравнивать соответствующие физические величины (например – эталон площади). Не создаются эталоны и тогда, когда единица физических величин воспроизводится с достаточной точностью на основе сравнительно простых средств измерений других физических величин.

Эталоны строятся на основе значений фундаментальных физических постоянных и соответствующих технических средств воспроизводства и измерения этих значений. Например, эталон метра в современных условиях определяется так:

Метр равен длине отрезка, которую свет проходит в вакууме за 1/299792458 долю секунды.

Скорость света выбрана для определения метра потому, что она является одной из фундаментальных постоянных природы и измерена с высокой точностью для современных условий с = 299 792 458 м/с.

Особое место среди основных физических величин занимает масса. До сих пор пока не удается достаточно точно выразить величину эталонной массы через фундаментальные постоянные. Еще даже непонятно, как это можно сделать. Поэтому массу определяют путем сравнения с эталоном, который хранится в Международном бюро мер и весов в Севре, близ Парижа. Этот эталон представляет собой цилиндр из сплава 90% платины и 10% иридия, высота и диаметр которого равны 39 мм.

Единицей массы служит килограмм. Он равен массе международного эталона килограмма.

Единица времени секунда в настоящее время определяется следующим образом:

Секунда равна 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего перехода между двумя уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома

Очевидно, что в будущем появятся генераторы частоты, которые будут более точными, чем «атомные часы» на изотопе цезия. Тогда потребуется новое определение единицы времени.

Взаимосвязь между электродинамикой и механикой позволила определить единицу силы тока:

Ампер равен силе постоянного электрического тока, который, протекая по двум параллельным прямолинейным бесконечно длинным проводникам с пренебрежимо малым круговым сечением, находящимся в вакууме на расстоянии 1 м друг от друга, вызывает на участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия между ними 2·10^-7 Н.

Основной термодинамической величиной является термодинамическая температура. Она измеряется в кельвинах. Поскольку для температуры существует значение абсолютного нуля, то для определения этой величины необходимо зафиксировать еще одну точку. В качестве нее выбрана тройная точка воды.

Кельвин, единица термодинамической температуры, равен 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды.

В действительности эталоны не используются для измерений – это немыслимо и нецелесообразно, а служат только для воспроизведения единиц соответствующих величин и передачи их размера другим средствам измерений.

Другие средства в зависимости от назначения и использования делятся на рабочие и образцовые средства измерений. Рабочие средства измерений – это те измерительные приборы, меры, измерительные преобразователи, измерительные установки и измерительные системы, с помощью которых выполняются бесчисленные измерения в технике, в сельском хозяйстве, при научных исследованиях, в быту – во всех сферах деятельности людей. Образцовые средства измерений находятся в ведении метрологических служб и для практических измерений, как правило, не применяются, они служат только для передачи размеров единиц от эталонов рабочим средствам измерений и для обеспечения контроля, ревизии и экспертизы средств измерений. Обеспечение единства измерений в стране возлагается на метрологическую службу, хранящую национальные эталоны единиц и производящую поверку применяемых средств измерений.

Измерение следует отличать от других приёмов количественной характеристики величин, применяемых в тех случаях, когда нет однозначного соответствия между величиной и её количественным выражением в определённых единицах. Так, визуальное определение скорости ветра по шкале Бофорта или твёрдости минералов по шкале Мооса следует считать не измерением, а оценкой.

Оценка в метрологии, приближённое значение величины или параметра, найденное по экспериментальным данным.

Шкала Бофорта, условная шкала для визуальной оценки силы (скорости) ветра в баллах по его действию на наземные предметы или по волнению на море. Была разработана английским адмиралом Ф. Бофортом в 1806 и сначала применялась только им самим. В 1874 Постоянный комитет Первого метеорологического конгресса принял шкалу Бофорта для использования в международной синоптической практике. В последующие годы шкала Бофорта менялась и уточнялась. В 1963 Всемирный метеорологической организацией была принята шкала Бофорта. Приведённая в таблице 1.2 шкала Бофорта широко используется в морской навигации.

Сила ветра у земной поверхности по шкале Бофорта (на стандартной высоте 10 м над открытой ровной поверхностью)

Баллы Бофорта	Словесное определение силы ветра	Скорость ветра, м/с	Действие ветра
на суше	на море
	Штиль	0-0,2	Штиль. Дым поднимается вертикально	Зеркально гладкое море
	Тихий	0,3-1,5	Направление ветра заметно по относу дыма, но не по флюгеру	Рябь, пены на гребнях нет
	Лёгкий	1,6-3,3	Движение ветра ощущается лицом, шелестят листья, приводится в движение флюгер	Короткие волны, гребни не опрокидываются и кажутся стекловидными
	Слабый	3,4-5,4	Листья и тонкие ветви деревьев всё время колышутся, ветер развевает верхние флаги	Короткие, хорошо выраженные волны. Гребни, опрокидываясь, образуют стекловидную пену, изредка образуются маленькие белые барашки
	Умеренный	5,5-7,9	Ветер поднимает пыль и бумажки, приводит в движение тонкие ветви деревьев	Волны удлинённые, белые барашки видны во многих местах
	Свежий	8,0-10,7	Качаются тонкие стволы деревьев, на воде появляются волны с гребнями	Хорошо развитые в длину, но не очень крупные волны, повсюду видны белые барашки (в отдельных случаях образуются брызги)
	Сильный	10,8-13,8	Качаются толстые сучья деревьев, гудят телеграфные провода	Начинают образовываться крупные волны. Белые пенистые гребни занимают значительные площади (вероятны брызги)
	Крепкий	13,9-17,1	Качаются стволы деревьев, идти против ветра трудно	Волны громоздятся, гребни срываются, пена ложится полосами по ветру
	Очень крепкий	17,2-20,7	Ветер ломает сучья деревьев, идти против ветра очень трудно	Умеренно высокие длинные волны. По краям гребней начинают взлетать брызги. Полосы пены ложатся рядами по направлению ветра
	Шторм	20,8-24,4	Небольшие повреждения; ветер срывает дымовые колпаки и черепицу	Высокие волны. Пена широкими плотными полосами ложится по ветру. Гребни волн начинают опрокидываться и рассыпаться в брызги, которые ухудшают видимость
	Сильный шторм	24,5-28,4	Значительные разрушения строений, деревья вырываются с корнем. На суше бывает редко	Очень высокие волны с длинными загибающимися вниз гребнями. Образующаяся пена выдувается ветром большими хлопьями в виде густых белых полос. Поверхность моря белая от пены. Сильный грохот волн подобен ударам. Видимость плохая
	Жестокий шторм	28,5-32,6	Большие разрушения на значительном пространстве. На суше наблюдается очень редко	Исключительно высокие волны. Суда небольшого и среднего размера временами скрываются из вида. Море всё покрыто длинными белыми хлопьями пены, располагающимися по ветру. Края волн повсюду сдуваются в пену. Видимость плохая
	Ураган	32,7 и более		Воздух наполнен пеной и брызгами. Море всё покрыто полосами пены. Очень плохая видимость

2. Погрешности измерений физических величин

При измерении любой физической величины возникают погрешности (ошибки) измерений.

Погрешностью измерения называется отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины.

В приведенном определении погрешности измерения использованы понятия «результат измерения» и «истинное значение измеряемой величины». Под результатом измерения понимается оценка измеряемой физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц, полученная путем измерения. Истинное значение измеряемой величины – значение физической величины, которое идеальным образом отражало бы в качественном и количественном отношении соответствующее свойство объекта.

Для истинного значения формулируются постулаты:

· Истинное значение измеряемой величины существует.

· Истинное значение измеряемой величины отыскать невозможно.

· Истинное значение измеряемой величины постоянно.

По форме выражения погрешностей измерений различают погрешности абсолютные и относительные. Абсолютная погрешность измерений – это погрешность, выраженная в единицах измеряемой величины. Так, если х₀ – истинное значение измеряемой величины, х_i – результат измерения, Δх_i – абсолютная погрешность измерения, то

Относительная погрешность измерения – это погрешность, выраженная в долях истинного значения измеряемой величины:

Чаще всего на практике относительные погрешности выражают в процентах:

Из вышесказанного следует, что абсолютная погрешность измеряется теми же единицами, что и измеряемая величина. Поэтому нельзя сравнивать абсолютные погрешности измерения разнородных величин, имеющих разную размерность. Для сравнения погрешностей разнородных величин используют относительную погрешность.

Измерение тем более точно, чем меньше его погрешность. Однако абсолютные погрешности в общем случае зависят от значения измеряемой величины и поэтому не годятся для количественной характеристики точности измерений. Этого недостатка не имеют относительные погрешности. Поэтому -

Точностью измерений называют число обратное значению относительной погрешности.

Так, например, если относительная погрешность измерения составляет 2% = 2·10^-2, то точность этого измерения будет равна 50.

Для нахождения погрешности измерения соотношение (2.1) нельзя использовать по той простой причине, что истинное значение измеряемой величины всегда неизвестно (второй постулат); если же его можно считать известным, то измерение не нужно.

Поэтому погрешности измерений приходится оценивать с использованием косвенных данных.

Обязательными компонентами всякого измерения являются метод измерения и средства измерения; очень часто измерения выполняются с участием человека. Несовершенство каждого компонента измерения вносит вклад в погрешность измерения. Поэтому в общем виде

где Δ х_м – погрешность методическая; Δ х_и – погрешность инструментальная; Δ х_л – погрешность личная.

Каждая из составляющих погрешности измерения в свою очередь может вызываться рядом причин. Так, методические погрешности могут возникать вследствие недостаточной разработанности теории тех явлений, которые положены в основу измерения, и неточности тех соотношений, которые используются для нахождения оценки измеряемой величины.

Инструментальные погрешности измерения – погрешности из-за несовершенства средств измерений. Обычно различают основную погрешность средств измерений – погрешность в условиях принятых за нормальные (давление, температура, влажность и т.д., которые указываются в паспорте прибора), и дополнительные погрешности, обусловленные отклонением влияющих величин от их нормальных значений или старением средств измерений.

Личные погрешности. Обычно измерения выполняются людьми. Человек отсчитывает показания приборов, фиксирует момент исчезновения нити накаливания на экране оптического пирометра и т.д. Индивидуальные особенности лица, выполняющего измерения, обуславливают появление индивидуальных, свойственных данному лицу погрешностей.

Приведенная классификация погрешностей измерений – классификация по причинам возникновения погрешностей. Для Вас это будет важно, если будете профессионально заниматься научной работой (например, при планировании эксперимента) или будете работать в метрологических учреждениях.

При выполнении лабораторного практикума, т.е. при проведении эксперимента для Вас будет важна другая классификация – это классификация погрешностей измерений по их свойствам. В этом отношении различают погрешности систематические, случайные и грубые.

Систематические и случайные (статистические) погрешности подчиняются абсолютно разным закономерностям, поэтому различаются и «способы борьбы» с этими погрешностями.

Систематической погрешностью измерения называется составляющая погрешности измерения, которая остается постоянной или закономерно изменяется при повторных измерениях одной и той же величины.

Величина и знак систематической погрешности одинаковы во всех повторных измерениях, выполненных в тех же условиях, посредством одних и тех же средств измерения (приборов) и тем же экспериментатором (или закономерно изменяются). Причинами систематических погрешностей могут являться: недостатки выбранного метода измерений, неточности изготовления прибора и т.п. Так как эти причины в большинстве случаев известны, то систематические погрешности можно в принципе устранить путем введения поправки.

Однако существуют такие виды погрешностей, которые невозможно устранить и на которые нельзя ввести поправку. Эти погрешности, определяемые точностью измерительного прибора, называют приборными (инструментальными). Они частично относятся к статистическим, и частично к случайным погрешностям. Любой прибор обладает определенной погрешностью, обусловленной свойствами конкретного физического явления, а также допусками при изготовлении его деталей. Об оценке приборной погрешности мы будем говорить позже.

Случайной погрешностью измерения называется составляющая погрешности измерения, величину и знак которой заранее предсказать невозможно, т.е. меняется случайным образом от измерения к измерению.

Случайные погрешности тоже имеют вполне определенные причины, обычно довольно многочисленные, определяемые как свойствами исследуемого объекта, так и неконтролируемым воздействием факторов внешней среды. Взаимодействие этих причин приводит к такому разбросу измеряемых значений, который зависит уже только от случая. Предсказать величину случайной ошибки для одного измерения в принципе невозможно. Поэтому приходится повторять измерения до определенного разумного предела, а полученную совокупность данных обрабатывать с помощью методов теории вероятностей и математической статистики. Обе математические дисциплины образуют основу так называемой теории погрешностей.

К погрешностям третьего типа относят так называемые грубые погрешности или промахи, которые могут быть вызваны ошибками экспериментатора или отказами измерительного оборудования. Эти погрешности в принципе легко заметить, а дефектные измерения исключить.

И последнее, но принципиальное замечание в этом разделе: