Экспериментальные измерения

 3. Экспериментальные измерения

Любому материальному объекту присущи вполне определенные свойства, большинство из которых характеризуется численным величинами. Например, для куска медного провода можно определить следующие величины: диаметр, длину, массу, электропроводность, температурный коэффициент расширения, электрическое сопротивление и др. Некоторые свойства объектов явления природы труднее поддаются количественному описанию. К ним можно отнести, например, цвет, блеск, способность противостоять многократным изгибам. Однако даже в таких случаях необходимо определить соответствующие данным свойствам количественные характеристики, без знания которых невозможно описать объект для достаточно точного его воспроизведения.

Для определения численной характеристики какого-либо свойства выбранного объекта необходимо знать, во сколько раз искомая характеристика больше или меньше другого объекта, принятого за эталон. Операция сравнения определяемой величин для исследуемого объекта с соответствующей величиной эталон называется измерением. Например, за единицу длины принят метр. В результате измерения некоторой длины отрезка определяется, сколько метров в нем содержится. В основе этих измерений лежит метр эталона - расстояние между штрихами, нанесенными на стержне из особого стойкого сплава. Точно так ж при измерении массы некоторого тела устанавливается, в сколько раз измеряемая масса превосходит массу эталонного образца в один килограмм. Разумеется, очень редко пользуются сравнением измеряемых величин с величинами эталонов, хранящихся в государственных метрологических учреждениях в основном пользуются различного рода измерительными устройствами и приборами, тем или иным способом сверенными эталонами. Это относится в одинаковой мере как к устройства и приборам для измерения длины (различные линейки, микрометр, измерительный микроскоп и т. п. ), так и к многообразным измерителям времени, массы и к электроизмерительным, оптическим и многим другим приборам.

Принято различать два вида экспериментальных измерений - прямые и косвенные. При прямом измерении определяемая величина сравнивается с единицей измерения непосредственно при помощи измерительного прибора. Измерение длины рулеткой либо штангенциркулем, измерение промежутков времени секундомером, измерение силы тока амперметром и т. п. - все это примеры прямых измерений, при которых измеряемая величина отсчитывается непосредственно по шкале прибора.

При косвенном измерении определяемая величина вычисляется по формуле, включающей результаты прямых измерений. К косвенным измерениям относятся, например, определение площади прямоугольника по измеренным двум его сторонам, определение сопротивления участка цепи по силе тока и напряжению, определение концентрации примесей по интенсивности ее спектральных линий и т. п.

Независимо от способа измерений определение той или иной физической величины сопровождается ошибкой, показывающей, насколько искомая величина отличается от ее истинного значения.

Ошибки измерений

Никакое измерение не может быть выполнено абсолютно точно. Другими словами, при измерении какой-либо величины любым способом абсолютное значение ее недостижимо, а это означает, что результат измерения содержит некоторую погрешность - ошибку измерений. Такой вывод следует из одного из критериев теории естественнонаучного познания действительности - любое научное знание относительно. Ограниченные возможности измерительных приборов, несовершенство органов чувств, неоднородность измерительных объектов, внешние и внутренние факторы, влияющие на объекты и т. п. - вот основные причины недостижимости абсолютного значения измеряемой величины.

Точность измерений возрастает по мере увеличения чувствительности измерительного прибора. Однако при измерении сколь угодно чувствительным прибором нельзя сделать ошибку измерений меньше ошибки измерительного прибора даже при многократном повторении измерений. Например, если линейка позволяет измерить длину с относительной ошибкой 0, 1%, что соответствует 1 мм на метровой линейке, то, применяя ее для измерения длины любых объектов, нельзя определить длину с ошибкой, меньшей 0, 1%. Абсолютное значение является идеальным, недостижимым на практике. Чем точнее поставлен эксперимент, чем совершеннее измерительная техника и т. п тем ближе измеряемая величина к абсолютной. Одна из важны целей экспериментатора - приблизить получаемые экспериментальные данные к их абсолютным величинам.

По отношению к истинному значению различают абсолютную и относительную ошибки измерений. С учетом причин, по рождающих ошибки, обычно выделяют систематические, случайные и приборные ошибки. При такой классификации н учитываются грубые ошибки, вызванные невниманием при снятии показаний приборов, неправильной записью измеряемы данных, ошибками при вычислениях и т. п. Такие ошибки н подчиняются какому-либо закону и устраняются при промежуточной оценке результатов измерений.

Систематические ошибки обусловливаются факторами, действующими одинаково при многократном повторении измерений. Возникают они чаще всего при неисправности измерительных приборов, неточности метода измерений и при использовании для расчетов неточных данных.

Если, например, стрелка амперметра изогнута или смещен “нуль” прибора, то при измерении таким прибором всегда получится ошибочная величина. Сколько бы раз ни проводились измерения, как бы тщательно ни записывались показания прибора, в измерениях всегда будет одна и та же ошибка. Для устранения систематической ошибки, вызванной неисправность к прибора, необходимо ввести соответствующие поправки, полученные при сравнении показания неисправного прибора с заведомо исправным.

Систематическая ошибка всегда смещает результат измерений в одну и ту же сторону, а часто и на одну и ту же величину Следовательно, даже полное совпадение ряда измеренных величин не является условием отсутствия систематической ошибка - ее нельзя выявить при повторных измерениях.

Сущность систематических ошибок, обусловленных методом измерений, можно пояснить на примере определения электрического сопротивления, при котором возникает систематическая ошибка, вызванная электрическим сопротивлением соединительных проводов в цепи измерительной схемы. Для устранения ее нужно ввести поправки на неучтенное сопротивление.

Иногда для устранения систематических ошибок требуется тщательная проверка всех измерительных приборов и кропотливый анализ метода измерений.

Случайные ошибки вызываются факторами, действующими неодинаковым, непредсказуемым образом в каждом отдельном измерении. Они возникают при совокупном действии многих факторов и остаются при устранении грубых и систематических ошибок. Можно назвать многочисленные объективные и субъективные причины случайных ошибок: изменение напряжения в сети при электрических измерениях, неоднородность вещества при определении плотности, изменение условий окружающей среды (температуры, давления), возбужденное состояние производящего измерения и др. Подобные причины приводят к тому, что несколько измерений одной и той же величины дают различные результаты. К случайным ошибкам, кроме того, следует отнести все те ошибки, многочисленные причины которых неизвестны или неясны.

Вследствие непредсказуемых обстоятельств случайные ошибки могут как увеличивать, так и уменьшать значения измеряемой величины. Обычно случайные ошибки не устраняются - их нельзя избежать в каждом из результатов измерений.

Случайные ошибки подчиняются законам теории вероятностей, установленным для случайных явлений. С помощью методов теории вероятностей можно уменьшить влияние случайных ошибок на результат эксперимента. Широко известен нормальный закон распределения случайных ошибок (закон Гаусса), из которого следуют важные выводы:

-      • малые по модулю ошибки встречаются чаще;

-      • равные по модулю случайные ошибки разных знаков встречаются одинаково часто;

-      • с возрастанием точности (уменьшением интервала разброса измеренных значений) плотность случайных ошибок возрастет.

Теория случайных ошибок позволяет определить наиболее вероятные значения измеряемых величин и возможные отклонения от них. Однако следует отметить, что выводы теории вероятностей справедливы только для достаточно большого числа случайных событий. Поэтому, строго говоря, применение теории случайных ошибок целесообразно только к сравнительно большому числу измерений. На практике же часто ограничиваются 5-10 измерениями, хотя следует помнить, что увеличен числа измерений уменьшает влияние случайных ошибок. В каждом конкретном случае устанавливается необходимое число измерений для получения заданной точности.

Приборные ошибки обусловливаются конструктивными особенностями измерительных приборов. Приборную ошибку иногда называют точностью измерительного прибора. По величине ошибок, которые могут вносить при измерении электроизмерительные приборы, различают семь классов точности приборов, которые обозначаются цифрами: 0, 1; 0, 2; 0, 5; 1, 0; 1 2, 5; 4, 0. Цифра класса точности показывает величину относ тельной ошибки в процентах при отклонении стрелки прибора последнего деления шкалы. Абсолютная ошибка прибора при любом отклонении стрелки одинакова. Поэтому при меньших отклонениях стрелки относительная ошибка больше. Например если у прибора класса точности 0, 5 вся шкала содержит 150 делений, то относительная ошибка при отклонении на все 150 делений составляет 0, 5%, а абсолютная ошибка равна 0, 75 деления. При отклонении стрелки на 25 делений абсолютная ошибка та же - 0, 75 деления, а относительная ошибка - 3%. Д получения возможно меньших относительных ошибок при по:

Пользовании измерительными приборами нужно добиваться достаточно большого отклонения стрелки, не меньше, чем на половину шкалы. Для этого нужно выбирать прибор с достаточной чувствительностью или переходить к меньшим пределам измерений многопредельного прибора.

Измерительные приборы

Большинство приборов, предназначенных для измерения разных физических величин, содержит линейные, угловые или круговые шкалы. Показание того или иного прибора соответствует длине отрезков прямой или дуги. Чем больше точность прибора, тем больше должно быть число делений, на которые разбита шкала. Для одной и той же шкалы с увеличением числа делений расстояние между штрихами уменьшается.

В некоторых приборах для повышения точности измерений применяются различные приспособления, позволяющие отсчитывать доли деления шкалы. Наиболее широко распространены нониусы и микрометрические винты, они обычно применяются в приборах для измерения длины или угла, в которых части прибора перемещаются относительно друг друга. На одной из частей наносится основная шкала, а на другой - нониус, представляющий собой небольшую дополнительную шкалу, передвигающуюся при измерении вдоль основной шкалы. Удобство отсчета с применением нониуса заключается в том, что человеческий глаз легко различает, является ли один штрих продолжением другого или они сдвинуты друг относительно друга.

Иногда для отсчета долей деления применяется специальный циферблат, указатель которого связан с перемещением измерительного устройства механической передачей. В оптических приборах современных конструкций наносятся микроскопические цифры около каждого штриха шкалы, и показание отсчетов снимается при помощи отсчетного микроскопа, в поле зрения которого видна только одна необходимая цифра и дополнительная шкала для отсчета долей деления.

Для измерения электрических величин применяются электроизмерительные приборы. Принцип действия их основан на превращении электрической энергии в другие виды энергии, например, механическую, тепловую, магнитную и тд. Каждый электрический прибор состоит принципиально из двух частей: электрического и отсчетного механизмов. Отсчетный механизм большинства приборов содержит шкалу и указатель. Указатель определяет точку шкалы, соответствующую отсчету измеренной величины. Обычно указатель представляет собой тонкую стрелку или световое пятно. В современных электроизмерительных приборах отсчетным устройством служит электронное табло с цифровой индикацией, очень удобной при снятии показаний прибора.

Электроизмерительные приборы широко применяются и для измерения неэлектрических величин: температуры, давления, скорости движения, освещенности и т. п. Принцип действия таких приборов основан на связи между электрическими и другими физическими явлениями. Такая связь обусловливает возникновение термотоков, фототоков, электромагнитной индукции и т. п.

В измерительной практике часто встречаются косвенные измерения, в основу которых положены законы или закономерности, устанавливающие зависимость между различными физическими величинами. Например, электрическое сопротивление проводника можно определить, измерив падение напряжения на нем и силу тока.

Электрические измерения можно производить двумя способами:

1) сравнением измеряемой величины с ее соответствующими эталонами э. д. с. , сопротивления, емкости, индуктивности и т. п. ;

2) с помощью приборов, показывающих численные значения измеряемой величины.

По своему назначению основные электроизмерительные приборы можно классифицировать следующим образом:

-      • амперметры и миллиамперметры - измерители силы тока:

-      • вольтметры и милливольтметры - измерители напряжения;

-      • ваттметры - приборы для измерения электрической мощности;

-      • счетчики электрической энергии - приборы для измерения электрической энергии;

-      • омметры - приборы для измерения электрического сопротивления;

-      • частотомеры - приборы для измерения частоты переменного тока;

-      • приборы для измерения емкости и т. п.

По принципу действия электроизмерительные приборы подразделяются на магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические, тепловые, индукционные, электронные и другие системы.

Одна из основных характеристик электроизмерительного прибора - чувствительность, определяемая отношением линейного или углового перемещения указателя к изменению измеряемой величины про отклонении на одно деление. ³⁾

III. Заключение

О единстве теоретической и экспериментальной деятельности

Единство теоретической и экспериментальной деятельности реализуется в общественном процессе познания, в интеграции специализированных видов деятельности. Экспериментальная деятельность всегда включает теоретическую, а теоретическая деятельность должна учитывать результаты экспериментов и наблюдений. Понимание диалектики познания заставляет нас выступать как против плоского эмпиризма, так и против преувеличенного умозрения, в котором отсутствует разумная научная постановка вопросов, основанная на обобщении результатов эксперимента. Ученые отвергают обе эти крайности. Так, часто подчеркивается, что нет ничего практичнее хорошей теории. Однако можно отметить также и то, что плохая теория исчезает, а удавшийся эксперимент остается. Он служит основанием все новых и новых попыток интерпретации. Хорошая теория подтверждается данными эксперимента и может использоваться на практике. Вопрос о том, должны ли в определенной области науки в какой-либо стране предприниматься усилия специально либо в экспериментальной, либо в теоретической области, нельзя решить только на основании теоретико-познавательных соображений. Для этого необходим анализ состояния развития науки, общественных потребностей и возможностей использования материальных и духовных потенций. Вместе с тем существует целый ряд проблем теорий познания, исследование которых должно продолжаться с учетом реализации в общественном процессе познания, а также в мышлении экспериментаторов и теоретиков единства экспериментальной и теоретической деятельности. Укажем здесь лишь на три проблемы: проблему сбора и анализа информации, ее упрощения и соотношения материализации и построения теорий.

Экспериментальная деятельность и наблюдения дают множество данных. С помощью электронно-вычислительной техники производится их накопление. Их анализ предполагает, что речь идет о существенных данных, то есть о данных, определяющих характер исследуемых объектов или процессов. Для того чтобы выявить существенные, необходимые теоретические представления, объясняющих на уровне гипотез возможные результаты экспериментов и наблюдений.

Теоретический анализ данных, их объяснение с помощью теории представляет важный шаг в развитии науки, который может привести к последующим целенаправленным экспериментам. Целенаправленный сбор существенных данных предполагает теоретические рассуждения, а недостатки в теории могут очень скоро превратиться в методологически границы для анализа данных.

Интересно, что, исследуя процесс образования структур при необратимых процессах, физика создает типовые физические теории биологической эволюции, в которых старая проблема связей между образованием структур и сохранением энтропии рассматривается в новых аспектах. Таким образом, единство экспериментальной и теоретической деятельности соотносится с историческим процессом, в ходе которого возникают и исчезают объекты и процессы, изменяются механизмы эволюции, а существующие в настоящее время структуры сохраняют следы прошедшего.

К. Фукс выдвинул следующий тезис: “Теория отрасли науки – совокупность знаний о закономерных связях в данной области. Она является общим результатом экспериментальной и теоретической деятельности.”