Физические измерения. Виды измерений

Задачей физического эксперимента является установление и изучение связей между различными физическими величинами. При этом в процессе эксперимента часто бывает необходимо измерять эти физические величины. Измерить физическую величину – это значит сравнить её с идентичной физической величиной, принятой за единицу.

Измерением называют экспериментальное определение значения физической величины с помощью средств измерений. К средствам измерения относятся: 1) меры (гири, мерные стаканы и т.п.); 2) измерительные приборы, имеющие шкалу или цифровое табло (секундомеры, амперметры, вольтметры и т.п.); 3) измерительно-вычислительные комплексы, включающие измерительные приборы и вычислительную технику.

Чтобы измерить физическую величину, необходимо: 1) выбрать единицу измерения этой величины; 2) подобрать проградуированные в установленных единицах с необходимой точностью средства измерения; 3) выбрать наиболее целесообразную методику измерений; 4) провести с помощью имеющихся средств измерение заданной величины; 5) дать оценку допущенной при измерениях погрешности.

В зависимости от способа получения результата измерения делятся на прямые и косвенные. Прямые измерения осуществляются с помощью средств измерений, которыми непосредственно определяется исследуемая величина (например, измерение длины с помощью линейки, массы тела с помощью весов, времени с помощью секундомера). Однако не всегда прямые измерения осуществимы, удобны или имеют необходимую точность и надёжность. В этих случаях используют косвенные измерения, при которых искомое значение величины находится по известной зависимости между этой величиной и величинами, значения которых могут быть найдены путем прямых измерений. Например, объём можно вычислить по измеренным линейным размерам объекта, массу тела – по известной плотности и объёму и т.д. Таким образом, значение какой-либо величины может быть получено как путем прямых измерений, так и с помощью косвенных. К примеру, величину сопротивления провода можно определить как с помощью прибора – омметра, так и с помощью вычислений по измеренным величинам тока, протекающего через проводник, и падения напряжения на нём. Выбор способа измерений физической величины для каждого конкретного случая решается отдельно с учётом удобства, быстроты получения результата, необходимой точности и надёжности.

Каждый физический эксперимент состоит из подготовки исследуемого объекта и средств измерений, наблюдения за ходом эксперимента и показаниями приборов, записи отсчётов и результатов измерений.

Измерительным прибором называют устройство, позволяющее непосредственно определить значения измеряемой величины.

Каждый измерительный прибор имеет отсчетное устройство для вывода информации о результатах измерений. Простейшее отсчетное устройство состоит из шкалы и указателя.

Шкала представляет собой совокупность меток, нанесенных поперек некоторой линии. Промежутки между метками называют делениями шкалы. Для удобства отсчета отдельные метки выделяют, увеличивая их длину или толщину, и помечают числами.

Указатель выполняется в виде стрелки или штриха, которые могут перемещаться вдоль шкалы. В некоторых приборах вдоль шкалы перемещается световое пятно, содержащее изображение штриха.

Существуют приборы с цифровой индикацией, в которых информация об измеряемой величине выдается в виде числа, высвечиваемого посредством специального табло.

Для каждого прибора можно выделить интервал измеряемой величины, в пределах которого он может безопасно работать и давать надежные результаты. Этот интервал называют рабочим диапазоном измерений. Если подлежащая определению величина окажется меньше нижнего предела рабочего диапазона, то результат измерения будет слишком грубым или вообще показание прибора нельзя будет отличить от нулевого. Если же измеряемая величина превысит верхний предел, то прибор может быть испорчен.

Чувствительность измерительного прибора характеризует его способность реагировать на малые изменения измеряемой величины. Чувствительность a определяется формулой:

a =DS / Dx,

где DS – перемещение указателя отсчетного устройства при изменении измеряемой величины на Dx.

Если чувствительность остается постоянной во всем рабочем диапазоне, то одинаковым изменениям величины Dx и в начале шкалы, и в ее конце соответствуют одинаковые перемещения указателя DS. В этом случае прибор обладает шкалой с одинаковыми делениями, называемой равномерной. Если чувствительность прибора непостоянна, то на разных участках диапазона равным изменениям измеряемой величины соответствуют неравные перемещения указателя. Шкалы в этих случаях оказываются неравномерными.

Ценой деления шкалы С_Х называют изменение измеряемой величины, которое вызывает перемещение указателя на одно деление. Перемещение указателя на n таких делений свидетельствует о том, что измеряемая величина изменилась на Dx = nС_Х.

Отсюда следует правило определения цены деления: разность значений измеряемой величины Dx, которое соответствует ближайшим оцифрованным меткам, следует разделить на число делений n между этими метками, то есть

С_Х= Dx / n.

Например, цифры 7 и 8 на ученической линейке соответствуют расстояниям 7 см и 8 см от ее начала отсчета. Разность этих расстояний Dx = 8 см –7см = 1 см = 10 мм. Число делений между указанными метками n = 10. Следовательно,

С_Х= Dx / n = 10 мм /10 = 1 мм.

Встречаются приборы с неравномерными шкалами, у которых цена делений меняется при переходе от одного участка шкалы к другому. В качестве примера на рисунке 1 приведена шкала омметра. Цена деления на участке до 0,5 Ом составляет 0,05 Ом, на участке от 0,5 Ом до 2 Ом она равна 0,1 Ом. Цену делений на остальных участках определите самостоятельно и отсчитайте показание омметра, изображенного на рис. 1.

W

0,1

0,2

0,3

0,4

0,5

µ

Рис. 1

При отсчете показаний приборов следует определить цену делений прибора в том месте шкалы, где находится указатель.

При правильном отсчете луч зрения должен быть перпендикулярен плоскости шкалы. Для обеспечения этого условия электроизмерительные приборы снабжаются зеркальной шкалой. Луч зрения перпендикулярен шкале, если штрих отсчетного устройства совпадает с его изображением в зеркале.

Последовательность размещения приборов и их связь друг с другом должна быть такой, чтобы обеспечить максимальную точность и удобство проведения эксперимента. При этом установка их нулевых значений на шкале или цифровом табло имеет первостепенное значение для получения точного результата. Работа на неисправных приборах не допускается! О неисправности приборов следует немедленно сообщить преподавателю или лаборанту! Перед включением приборов необходимо удостовериться в правильности их соединения и получить разрешение на их включение у преподавателя.

Наблюдения за показаниями приборов следует проводить так, чтобы шкала или табло прибора были хорошо видны

Форма записи экспериментальных результатов должна быть чёткой и компактной. Для этого используются таблицы, приведённые в методических указаниях к каждой лабораторной работе и именно в эти таблицы, скопированные студентами на бланк работы, и следует производить запись результатов с учётом единиц измерений и цены деления прибора. При этом если заранее не задаётся необходимая точность результата, то надо стараться записать результат измерения с наибольшей возможной точностью, которую даёт прибор (т.е. записывать максимально возможное число значащих цифр). Для сокращения числа нулей в полученных значениях измеряемой величины (тех нулей, которые не являются значащими цифрами), удобно для всей строки или столбца таблицы указывать десятичный множитель 10ⁿ. Например, необходимо записать значения плотности тел (в кг/м³) с точностью до двух значащих цифр. Чтобы не писать лишние нули, для всей строки (или столбца) таблицы, в которую заносятся значения плотности тел, перед единицей измерения ставится множитель 10³. Тогда для плотности воды в соответствующей клеточке таблицы вместо 1000 будет стоять 1,0. Отметим, однако, что не следует при измерениях, во что бы то ни стало добиваться большей точности, чем это необходимо в поставленной задаче. Например, если требуется знать длину досок, приготовленных для производства тары, то не требуется проводить измерения с точностью, скажем, до микрона. Или, если при проведении косвенных измерений, значение какой-либо из измеряемых величин ограничено некоторой точностью (выраженной в определённом числе значащих цифр), то не имеет смысла стараться измерять другие величины с много большей точностью, чем эта.