Для чего нужно измерять

На этот вопрос существуют два ответа в зависимости от того, какую цель преследует эксперимент.

Первый ответ: для того, чтобы измерить.

Например, металлург создал новый сплав и хочет узнать его характеристики – плотность (удельный вес), удельное сопротивление, температуру плавления, коэффициент деформации,…Металлург ставит эксперимент с образцами нового сплава и узнаёт значения интересующих его физических величин. При этом его задача состоит в том, чтобы узнать эти значения поточнее. Можно подумать, что в таком эксперименте третий этап не нужен. Это неверно. Третий этап нужен как минимум для того, чтобы оценить точность, с которой экспериментатор провёл измерения.

В составе лабораторного практикума по физике ТПУ есть только одна работа, выполняемая с чисто измерительной целью. Она называется «Измерительный практикум». Кроме того, во многих работах измерение какой-то характеристики изучаемого объекта является одной из главных целей.

Второй ответ: для того, чтобы проверить некоторую физическую закономерность или физический закон.

Возьмём, к примеру, того же металлурга с его новым сплавом. У него может возникнуть подозрение, что для нового сплава не выполняется закон Ома. И металлург, естественно, поставит эксперимент по проверке этого закона при использовании в качестве проводника нового сплава.

Закон Ома[9], как известно, гласит:

Сила тока I, протекающего по проводнику, пропорциональна разности потенциалов (напряжению) U на его концах.

, (4.1)

где k называется проводимостью проводника, а величина R, обратная проводимости, называется сопротивлением проводника.

Металлург соберёт электрическую схему, и будет подавать на проводник из нового сплава различные напряжения, измеряя при этом силу протекающего по проводнику тока. Окончив измерения, экспериментатор начертит график, где ось абсцисс будет осью напряжений, а ось ординат – осью силы тока. Затем он, используя заполненную им табличку со значениями силы тока и напряжения, нанесёт на график экспериментальные точки. Если закон Ома справедлив, то между напряжением и силой тока существует линейная зависимость и, следовательно, экспериментальные точки на графике должны лежать на одной прямой линии.

Рассмотрим два возможных варианта этого эксперимента.

Вариант №1.

Результаты измерений записаны в таблице 4.1. В колонке «Примечания» указан сплав, номер образца, серия измерений и погрешности измерений (ΔU и ΔI). Слово «серия 2» означает, что данный эксперимент (серия измерений) с образцом 371с сплава MV51 был проведён несколько раз, а в таблице 4.1 приведён результат второго эксперимента.

Таблица 4.1.

Зависимость силы тока I в проводнике от напряжения U.

Номер измерения	U	I	Примечания
В	мА
			Установка № 1.
			Сплав MV51.
			Образец 371с.
			Серия 2.
			Δ U = 0,1 В.
			Δ I = 3 мА.

(Рассказать правила оформления таблиц)

Результаты измерений, записанные в таблице 4.1, изображены в виде экспериментальных точек на графике (рис. 4.2). Маленький вертикальный отрезок, в середине которого находится экспериментальная точка, показывает погрешность измерения. Вертикальную пунктирная линия даст нам возможность увидеть, как легли экспериментальные точки.

Как вы видите, экспериментальные точки не легли строго на одну прямую. Тем не менее не стоит торопиться с выводом, что закон Ома не выполняется. Дело в том, что ни одно измерение нельзя провести абсолютно точно. Поэтому каждая из десяти экспериментальных точек немного отклоняется от истинной точки. Если снова провести эксперимент (получить ещё одну серию), то новые десять экспериментальных точек будут немного отклоняться и от старых точек, и от истинных. Именно для того и снабжается каждая экспериментальная точка маленьким вертикальным отрезком (повторяю - это графическое представление доверительного интервала), чтобы показать, что истинная точка находится недалеко от экспериментальной точки, а именно: где-то на этом интервале. Чем меньше доверительный интервал, тем точнее, стало быть, экспериментатор провёл измерения. Если теперь взять линейку и приложить её к экспериментальным точкам, то вы заметите, что можно так провести прямую линию, что она пойдёт через все десять доверительных интервалов. Это значит, что результаты эксперимента (серии 2) не опровергают закон Ома.

Вариант №2.

Результаты измерений в этом случае записан в таблице 4.2 и изображены в виде экспериментальных точек на графике (рис. 4.3).

Таблица 4.2.

Зависимость силы тока I в проводнике от напряжения U.

Номер измерения	U	I	Примечания
В	мА
			Установка № 2.
			Сплав MV51.
			Образец 812b.
			Серия 3.
			s(U) = 0,1 В.
			s(I) = 3 мА.

Попробуйте теперь приложить линейку к экспериментальным точкам. Как бы вы ни расположили линейку, вам не удастся провести прямую линию так, чтобы пронзить ею все десять доверительных интервалов. Следовательно, если верить эксперименту, закон Ома для сплава MV51 не выполняется.

Если, однако, внимательно приглядеться к графику, то можно заметить, что вплоть до напряжения 5 – 6 вольт экспериментальные точки ведут себя хорошо, и через них (точнее, через их доверительные интервалы) можно провести прямую линию. Только после 6 вольт кривая зависимости силы тока от напряжения изгибается вверх. Самое интересное, что, начиная с напряжения примерно 7 вольт и выше, точки опять позволяют провести через них прямую линию.

Чтобы убедиться в этом, наш металлург непременно продолжит эксперимент – будет повышать напряжение выше 10 В. Может быть, кривая дальше действительно опять превратится в прямую. Ну, а выяснив это, надо будет заняться анализом причин таких свойств нового сплава, поиском гипотез (например, кривая становится похожей на вольтамперную характеристику полупроводника? Красной стрелкой указана точка перегиба, которая очень важна при анализе экспериментальных данных), их экспериментальной проверкой, новыми графиками и новыми кривыми (или прямыми).

Дата добавления: 2014-01-07