Эксперимент как средство оценки качества теоретического знания

Эксперимент как средство оценки качества теоретического знания (Погрешности реальных измерений . Средние значения и отклонения от них . Про блема интерпретации эксперимента . Прибор как идеа льный канал связи между исследователе м и объектом . Однозначная воспроизводимость р езультатов эксперимента . Принцип совместных резул ьтатов одновременных измерений нескольких физиче ских величин . Независимость (перестановочность ) и аддитивность измеряемых ха р актеристи к . Влияние прибора на процесс реальных изм ерений ) ВЫПОЛНИЛА : Студентка 1 курса ЭФ– 3 ЦЕЛИЩЕВА ЕВГЕНИЯ НИКОЛАЕВНА ПРОВЕРИЛ : Доцент ка федры физики к.ф.-м.н. ЖУКОВ ДМИТРИЙ ОЛЕГОВИЧ г . Москва , 2001 СОДЕРЖАНИЕ 1. ВВЕДЕ НИЕ · МЕТОДЫ НАУЧНОГО ПОЗНАНИЯ 2. ПРОБЛЕМЫ ИНТЕРПРЕТАЦИИ ЭКСПЕРИМЕНТА . ОДНОЗНАЧНАЯ ВОСПРОИЗВОДИМОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕН ТА. 3. ПОГРЕШНОСТИ РЕАЛЬНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ . СРЕДН ИЕ ЗНАЧЕНИЯ И ОТКЛОНЕНИЯ ОТ НИХ . ПРИБОР КАК ИДЕАЛЬНЫЙ КАНАЛ СВЯЗИ МЕЖДУ ИССЛЕДОВАТ ЕЛЕМ И ОБЪЕКТОМ . ПРИНЦИП СОВМЕСТНЫХ РЕЗУ ЛЬТАТОВ ОДНОВРЕМЕННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ НЕСКОЛЬКИХ ФИЗИЧ ЕСКИХ ВЕЛИЧИН . НЕЗАВИСИМОСТЬ (ПЕРЕСТАНОВОЧНОСТЬ ) И АДДИТИВНОСТЬ ИЗМЕРЯЕМЫХ ХАРАКТЕРИСТИК . ВЛИЯНИЕ ПРИБОРА НА ПРОЦЕСС РЕАЛЬНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ. 4. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ ... науки , которые не родились из эксп еримента , этой основы всех познаний , бесполезны и по лны заблуж- дений... Леонардо да Винчи 1452 – 1519 гг. ВВЕД ЕНИЕ Научная деятельность начинается с наблюдения . Наиболее ценно наблюдение в т ом случае , когда влияющие на него условия точно контролируются . Это возможно , если условия постоянны , известны и их можно изм енять по желанию наблюдателя . Наблюдение , пров еден ное в строго контролируемых условиях , называется экспериментом. А для точных наук характерна органическая связь наблюдений и эксперимента с определением численных значений характеристик исследуемых объектов и процесс ов. · МЕТОДЫ НАУЧНОГО ПОЗНАНИЯ Методы по знания — это совокупность действий , п ризнанных помочь достижению желаемого результата . Первым на значение метода указал француз ский математик и философ Р . Декарт в р аботе “Рассуждения о методе” . Но еще ранее один из основателей эмпирической науки Ф . Бекон сравнил метод познания с циркулем . Способности людей различны , и для того , чтобы всегда добиваться успеха , тре буется инструмент , который уравнивал бы шансы и давал возможность каждому получить нуж ный результат . Таким инструментом и является научный метод. Методы научного познания включают общечел овеческие приемы мышления (анализ , синтез , срав нение , обобщение , индукцию , дедукцию и т.п .), способы эмпирического и теоретического исследова ния (наблюдение , эксперимент , измерение , моделирова ние , идеализацию , форм а лизацию и т. п .). Характер исполь зуемых в конкретной науке методов определяетс я в первую очередь спецификой предмета . Но в процессе взаимопроникновения , дифференциации и интеграции научного знания типичными ста новятся ситуации , когда один предмет изучаетс я несколькими методами , а несколько разн ых предметов — одним каким-то общим метод ом . Методы физики проникают в химию , метод ы физики и химии — в биологию (и наоборот ). Молекулярная биология широко использует методы химии , молекулярной физики , ренгеностр уктур н ого анализа и т.п. Особое значен ие для современной науки в целом имеют методы вычислительной математики , кибернетики , общей теории систем , синергетики . В самых различных науках используются методы математичес кой гипотезы и модельного эксперимента . Экспе рим ентальный метод из естественных наук проникает в общечеловеческие и гуманитарные науки (социологию , психологию и др .) ПРОБЛЕМЫ ИНТЕРПРЕТ АЦИИ ЭКСПЕРИМЕНТА. ВОСПРОИЗВОДИМОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА. Важнейшей частью научных иссл едований является эксперимент , основой ко торого служит научно поставленный опыт с точно учитываемыми и управляемыми условиями . Само слово эксперимент происходит от латинско го experimentum — проба , опыт . В научном языке и исследова тельской работе термин “эк сперимент” обыч но используется в значении , общем для цело го ряда сопряженных понятий : опыт , целенаправл енное наблюдение , воспроизведение объекта познани я , организация особых условий его существован ия , проверка предсказания . В это понятие в кладывается науч н ая постановка опытов и наблюдение исследуемого явления в точн о учитываемых условиях , позволяющих следить з а ходом явлений и воссоздавать его каждый раз при повторении этих условий . Само по себе понятие “эксперимент” означает дей ствие , направленное на созд а ние ус ловий в целях осуществления того или иног о явления и по возможности наиболее часто го , т.е . не осложняемого другими явлениями . Основной целью эксперимента являются выявление свойств исследуемых объектов , проверка справедл ивости гипотез и на этой осно в е широкое и глубокое изучение темы научного исследования. Постановка и организация эксперимента опр еделяются его назначением . Эксперименты , которые проводятся в различных отраслях науки , явля ются химическими , биологическими , физическими , псих ологическими , социальными и т.п . Они разл ичаются по способу формирования условий (естественных и искусст венных ); по целям исследования (преобразующие , констатирующие , контролир ующие , поисковые , решающие ); по о рганизации проведения (лабораторные , натурные , полевые , произ водственные и т.п .); по структуре изучаемых объ ектов и явлений (простые , слож ные ); по характеру внешних возд ействий на объект исследования ( вещественные , энергетические , информационные ); по характеру взаимодействия средства экспериментального исследования с объектом исследования (обычный и модельный ); по типу моделей , исследуемых в эксперименте (материальный и мысленный ); по контролируемым величинам (пассивный и активный ); по числу варьируемых факторов (однофакторный и многофакторный ); по характеру изучаемы х объектов или явлений (технологиче ские , социометрические ) и т.п . Конечно , для к лассификации могут быть использованы и другие признаки . Из числа названных признаков естественный эксперимент предпо лагает проведение опытов в естественных услов иях существова ния объекта исследования (ч аще всего используется в биологических , социа льных , педагогических и психологических науках ). Искусственный эксперим ент предполагает формирование искусственных усло вий (широко применяется в естественных и т ехнических науках ). Пр еобразующий (созидательный ) эксперимент включает активное изме нение структуры и функций объекта исследовани я в соответствии с выдвинутой гипотезой , ф ормирование новых связей и отношений между компонентами объекта или между исследуемым объектом и другими об ъектами . Исследова тель в соответствии со вскрытыми тенденциями развития объекта исследования преднамеренно создает условия , которые должны способствовать формированию новых свойств и качеств объек та . Констатирующий э ксперимент используется для проверки опр е деленных предложений . В процессе этого экспер имента констатируется наличие определенной связи между воздействием на объект исследования и результатом , выявляется наличие определенных фактов . Контролирующий эксперимент сводится к контролю за ре зультатами в нешних воздействий на объект исследования с учетом его состояния , хара ктера воздействия и ожидаемого эффекта . Поисковый эксперимент п роводится в том случае если затруднена кл ассификация факторов , влияющих на изучаемое я вление вследствие отсутствия достаточ ных предварительных (априорных ) данных . По результатам поискового эксперимента устанавливается значимо сть факторов , осуществляется отсеивание незначимы х . Решающий эксперим ент ставится для проверки справедливости осно вных положений фундаментальных теорий в том случае , когда две или несколько гип отез одинаково согласуются со многими явления ми . Это согласие приводит к затруднению , к акую именно из гипотез считать правильной . Решающий эксперимент дает такие факты , кото рые согласуются с одной из гипотез и проти в оречат другой . Примером решающе го эксперимента служат опыты по проверке справедливости ньютоновской теории истечения све та и волнообразной теории Гюйгенса . Эти оп ыты были поставлены французским ученым Фуко (1819 1868). Они касались вопроса о скорости расп р остранения света внутри прозрачных тел . Согласно гипотезе истечения , скорость света внутри таких тел должна быть бол ьше , чем в пустоте . Но Фуко своими опыт ами доказал обратное , т.е . что в менее плотной среде скорость света большая . Этот опыт Фуко и был те м решающим опытом , который решил спор между двумя гипотезами (в настоящее время гипотеза Гюйг енса заменена электромагнитной гипотезой Максвел ла ). Другим примером решающего эксперимента мо жет служить спор Птолемеем и Коперником о движении земли . Решающий оп ы т Фуко с маятником окончательно решил спор в пользу теории Коперника. Лабораторный экспер имент проводится в лабораторных условиях с применением типовых приборов , специальных модел ирующих установок стендов , оборудования и т.д . Чаще всего в лабораторном эк сперимен те изучается не сам объект , а его обра зец . Это эксперимент позволяет доброкачественно , с требуемой повторностью изучить влияние о дних характеристик при варьировании других , п олучить хорошую научную информацию с минималь ными затратами времени и рес у рсов . Однако такой эксперимент не всегда полно стью моделирует реальный ход изучаемого проце сса , поэтому возникает потребность в проведен ии натурного эксперимента . Натурны й эксперимент проводится в есте ственных условиях и на реальных объектах . Этот вид эксп еримента часто используется в процессе натурных испытаний изготовленных систем . В зависимости от места проведения испытаний натурные эксперименты подразделяются на производственные , полевые , полигонные , полу натурные и т.п. Эксперименты могут быть от крытым и и закрытыми , они широко распространены в психологии , социологии , педагогике . В открытом эксперименте его задачи открыто объясняются испытуемым , в закр ытом — в целях получения объективных дан ных эти задачи скрываются от испытуемого. Простой эксперимент ис пользуется для изучения объектов , не имеющих разветвленной структуры , с небольшим количеством взаимосвязанных и взаимодействующих объектов , выполняющих простейшие функции . В сложном эксперименте изучаются явления и объекты с разветвлен ной структурой и боль шим количеством взаимосвязанных и взаимодействующих элементов , вы полняющих сложные функции . Высокая степень св язности элементов приводит к тому , что изм енение состояния какого-либо элемента или свя зи влечет за собой изменение состояния мн огих других элеме н тов системы. Информационный экспер имент используется для изучения воздействия о пределенной (различной по форме и содержанию ) информации на объект исследования (чаще всего используется в биологии , психологии , соц иологии , кибернетике и т.п .). С помощью этого эксперимента изучается изменение состояния объекта исследования под влиянием сообщаемой ему информации . Вещественный эксперимент предполагает изучение влияния различных факторов на состояние об ъекта исследования . Например , влияние различных добавок на кач ество стали и т.п . Энергетический экспери мент используется для изучения воздействия ра зличных видов энергии (электромагнитной , механичес кой , тепловой и т.д .) на объект исследования . Этот тип эксперимента широко распространен в естественных науках. Обычный (классически й ) эксперимент включает экспериментатора как познающего субъекта ; объект или предмет экспе риментального исследования и средства (инструмент ы , приборы , экспериментальные установки ), при по мощи которых осуществляется эксперимент . В об ычном экспе р именте экспериментальные средства непосредственно воздействуют с объектом исследования . Они являются посредниками межд у экспериментатором и объектом исследования . Модельный эксперимент в отличие от обычного имеет дело с моделью исследуемого объекта . Модель вход ит в состав экспериментальной установки , заме щая не только объект исследования , но част о и условия , в которых изучается некоторый объект . Модельный эксперимент при расширении возможностей экспериментального исследования од новременно имеет и ряд недос т атко в , связанных с тем , что различие между моделью и реальным объектом может стать и сточником ошибок . Различие между орудиями эксперимента при моделировании позволяет выделить мысленный и материальный эк сперимент . Орудиями мысленного (умс твенного ) экспери мента являются мысленные модели исследуемых объектов и явлений . Для обозначения мысленного эксперимента иногда пользуются терминами : идеализированный или воображаемый эксперимент . Так , Галилей в мысленном эксперименте пришел к выводу о существовании движе н ия инерции , с огласно которой движущееся тело останавливается , если сила , его толкающая , прекращает свое действие . Этот вывод мог быть получен только с помощью мысленного эксперимента . П о этому поводу А . Эйнштейн говорил следующ ее : “Мы видели , что закон ин е рц ии нельзя вывести непосредственно из эксперим ента , его можно вывести лишь умозрительно — мышлением , связанным с наблюдением…” . Мысле нный эксперимент используется не только учены ми , но и писателями , художниками , педагогами , врачами . Мысленное эксперимент и рование ярко проявляется в мышлении шахматистов . Огромна роль мысленного эксперимента в технич еском конструировании и изобретательстве . Материальный эксперимент и меет аналогичную структуру . Однако в эксперим енте используются материальные , а не идеальны е об ъекты исследования . Основное отличие материального эксперимента от мысленного в том , что реальный эксперимент представляет собой форму объективной материальной связи сознания с внешним миром . Сходство мысленно го с реальным в значительной мере определ яется тем , что всякий реальный экс перимент , прежде чем быть осуществленным на практике , сначала проводится человеком мысленно в процессе обдумывания и планирования . По этому мысленный эксперимент нередко вступает в роли идеального плана реального эксперимент а , в известном смысле предваряя ег о. Пассивный эксперимент предусматривает измерение только выбранных п оказателей (параметров , переменных ) в результате наблюдения за объектом без искусственного вмешательства в его функционирование . Примерами пассивного эксперим ента является наблюдени е : за интенсивностью , составом , скоростями движ ения транспортных потоков ; за числом заболева ний ; за работоспособностью определенной группы лиц ; за показателями , изменяющимися с возрас том и т.п . пассивный эксперимент , по сущест ву , яв л яется наблюдением , которое сопровождается инструментальным измерением выбранных показателей состояния объекта исследования . Активный эксперимент связан с выбором специальных входных сиг налов (факторов ) и контролирует вход и вых од исследуемой системы. Одноф акторный эксперимент предполагает : выделение нужных фактор ов ; стабилизацию мешающих факторов ; поочередное варьирование интересующих исследователя факторов . Стратегия многофакторного эксперимента состоит в том , что варьируются все переменные сразу и каждый эффект оценивается по результатам всех опытов , проведенных в данной серии экспер иментов. Технологический экспе римент направлен на изучение элементов технол огического процесса (продукции , оборудования , деяте льности работников и т.п .) или процесса в целом . С оциометрический эксперимент используется для измерения существующих межличностных социально-психологических отношений в малых группах с целью их последующего измерения. Приведенная классификация экспериментальных исследований не может быть признана полной, поскольку с расширением научного знани я расширяется и область применения эксперимен тального метода . Кроме того , в зависимости от задач эксперимента различные его типы могут объединятся , образуя комплексный или ко мбинированный эксперимент. Для проведения э ксперимента любого типа необходимо : разработать гипотезу , подлежащ ую проверке ; создать программы экспериментальных работ ; определить способы и приемы вмешат ельства в объект исследования ; обеспечить усл овия для осуществления процедуры экспериментальн ых раб о т ; разработать пути и п риемы фиксирования хода и результатов экспери мента ; подготовить средства эксперимента (приборы , установки , модели и т.п .); обеспечить экспе римент необходимым обслуживающим персоналом. Особое значение имеет правильная разработка метод ик эксперимента . Методик а — это совокупность мыслительных и физи ческих операций , размещенных в определенной п оследовательности , в соответствии с которой д остигается цель исследования . При разработке методик проведения эксперимента необходимо преду сматрива т ь ; проведение предварительного целенаправленного наблюдения над изучаемым объ ектом или явлением с целью определения ис ходных данных (гипотез , выбора варьирующих фак торов ); создание условий , в которых возможно экспериментирование (подбор объектов для экспе р иментального воздействия , устранение влияния случайных факторов ); определение пределов измерений ; систематическое наблюдение за ход ом развития изучаемого явления и точные о писания фактов ; проведение систематической регист рации измерений и оценок фактов ра з личными средствами и способами ; создание повторяющихся ситуаций , изменение характера условий и перекрестные воздействия , создание усложненных ситуаций с целью подтверждения ил и опровержения ранее полученных данных ; перех од от эмпирического изучения к логи ч еским обобщениям , к анализу и теоретич еской обработке полученного фактического материа ла. Правильно разработанная методика эксперимент ального исследования предопределяет его ценность . Поэтому разработка , выбор , определение методи ки должно проводится особен но тщательно . Необходим о убедиться в том , что она соответствует современному уровню науки , усл овиям , в которых выполняется исследование . Цел есообразно проверить возможность использования м етодик , применяемых в смежных проблемах и науках. Выбрав методику э ксперимента , исследо ватель должен удостовериться в ее практическо й применимости , так как она может оказатьс я неприемлемой или сложной в силу специфи ческих особенностей климата , помещения , лабораторн ого оборудования , персонала , объекта исследований и т.д. Перед каждым экспериментом составляе тся его план (программа ), который включает : цель и задачи эксперимента ; выбор варьирующих факторов ; обоснование объема эксперимента , чи сла опытов ; порядок реализации опытов , определ ение последовательности измерения факт о ров ; выбор шага изменения факторов , за давание интервалов между будущими эксперименталь ными точками ; обоснование способов обработки и анализа результатов эксперимента. Применение математической теории эксперимент а позволяет уже при планировании определенным образом оптимизировать объем экспериментал ьных исследований и повысить их точность. Важным этапом подготовки к эксперименту является определение его целей и задач . Количество задач для конкретного эксперимента не должно быть слишком большим (лучше 3… 4). Н еобходимо также обосновать набор средств измерений (приборов ) другого оборудован ия , машин и аппаратов . В отдельных случаях возникает потребность в создании уникальных приборов , установок , стендов для разработки темы. Методы измерений должны базироваться на законах науки — метрологии , изучающей средства и методы измерений. При экспериментальном исследовании одного и того же процесса (наблюдения и измере ния ) повторные отсчеты на приборах , как пр авило , неодинаковы . Отклонения объясняются различн ыми причинами — неоднородностью свойств изучаемого тела (материал , конструкция и т.д .), несовершенностью приборов и классов их точности , субъективными особенностями экспериментатор а и др . Чем больше случайных факторов , влияющих на опыт , тем больше расхождения ц ифр , полу ч аемых при измерениях , т.е . тем больше отклонения отдельных измерений от среднего значения . Это требует повторных измерений , а следовательно , необходимо знать их минимальное количество Под потребным минимальным количеством измерений понимают такое количест в о измерений , которое в данном опыте обеспечивает устойчивое среднее значение измеряемой величины , удовлетворяющее заданной степени точности . Установление потребн ого минимального количества измерений имеет б ольшое значение , поскольку обеспечивает получение наиболее объективных результатов при минимальных затратах времени и средств. Обработка и анализ экспериментальных дан ных сводится к систематизации всех цифр , к лассификации . Результаты экспериментов должны быт ь сведены в удобочитаемые формы записи — таблиц ы , графики , формулы , номограммы , позволяющие быстро и доброкачественно сопоставля ть и проанализировать результаты . Все перемен ные должны быть оценены в единой системе единиц физических величин. ПОГРЕШНОСТИ РЕАЛЬНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ . С РЕДНИЕ ЗНАЧЕНИ Я И ОТКЛОНЕНИЯ ОТ НИХ . ПРИБОР КАК ИДЕАЛЬНЫЙ КАНАЛ СВЯЗИ МЕЖДУ ИССЛЕДОВАТЕЛЕМ И ОБЪЕКТОМ . ПРИНЦИП СОВМЕСТНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ ОДНОВРЕМЕННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ НЕСКОЛЬКИХ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН . НЕЗАВИСИМОСТЬ (ПЕРЕСТАНОВОЧНО СТЬ ) И АДДИТИВНОСТЬ ИЗМЕРЯЕМЫХ ХАРАКТЕРИСТИК . ВЛИЯН И Е ПРИБОРА НА ПРОЦЕСС РЕАЛЬН ЫХ ИЗМЕРЕНИЙ. Дмитрий Ивано вич Менделеев о значении измерений для на уки говорил : “Наука начинается с тех пор , как начинают измерять . Точная наука немы слима без меры” . А английский физик В . Томсон (Кельвин ) указал на то , что “каж дая вещь известна лишь в той степ ени , в какой ее можно измерить”. Измерение следует отличать от других приемов количественной характеристики величин , пр именяемых в тех случаях , когда нет однозна чного соответствия между величиной и ее к оличественным выражен ием в определенных е диницах . Так , визуальное определение скорости ветра по шкале Бофорта или твердости минералов по шкале Мооса следует сч итать не измерением , а оценкой . При исследовании приходится иметь дело с измерением физических величин . Под физической величино й понимается особенность , свойство , общее в качественном отношении многим фи зическим явлениям , объектам , физическим системам , их состояниям и т.п ., но в количественно м отношении индивидуальное для каждого объект а (Советский энцикл . словарь , 1987). Примерами физических величин служат масса , плотность , интервал времени , вязкость и д р .). Под измерением физической величин ы понимают последовательность операций , выполняем ых опытным путем при помощи технических с редств , специально предназначенных для этой цели , по нахождению с известной точ ностью значения физической величины , характеризую щей исследуемый объект или явление . (Измерить физическую величину — это значит найти опытным путем значение физической величины , используя специальные технические средств а ). Измерение начинают с приведения техническ ого средства измерения во взаимодействие с исследуемым объектом . В результате возникает измерительный сигнал на входе средства изм ерения . Оканчивают измерение при получении ин формации о физической величине в виде значения величины и оценки погрешности это го значения. Строго говоря , законченное измерение вклю чает несколько элементов : собственно физический объект (явление ), свойство или состояние кот орого характеризует измеряемая величина ; единицу этой величины ; тех нические средства и змерений , проградуированные в этих единицах ; м етод измерения и , наконец , наблюдателя (регистр ирующее устройство ), воспринимающего результат изм ерений . Наличие субъекта (исследователя ), производящего измерения , не всегда является обязате льным . Он может и не принимать непосредств енного участия в процессе измерения , если измерительная процедура включена в работу авт оматической информационно-измерительной системы . После дняя строится на базе электронно-вычислительной техники . Причем с появле н ием ср авнительно недорогих микропроцессорных вычислительны х устройств в измерительной технике стало возможным создание “интеллектуальных” приборов , в которых обработка данных измерений произ водится одновременно с чисто измерительными о перациями . Различают следующие виды измерений : прямые , косвенные , совокупные и совместные. Прямым измерением называют измерение физической величины , при к отором входной измерительный сигнал уже содер жит информацию об измеряемой физической велич ине , например измерения темпера туры физич еского объекта термометром , давления газа в сосуде манометром , атмосферного давления бароме тром , массы тела взвешиванием на рычажных весах и т.д . (т.е . при прямых измерениях искомую величину устанавливают непосредственно и з опыта ). Косвенным изме рением называют измерение физической вели чины , при котором искомое значение вычисляют с помощью известной зависимости между ис комой величиной и величинами подвергаемыми пр ямым измерением . Например , вычисление значения электрической мощности постоянного то к а по показаниям амперметра и вольтмет ра , определение удельного электрического сопротив ления цилиндрического проводника прямыми измерен иями длины , диаметра поперечного сечения и электрического сопротивления проводника (при ко свенных измерениях искомую вели ч ину устанавливают функционально от других величи н , определенных прямыми измерениями ). Под совокупным измерением понимают измерение нескольких одноименных физических величин , состоящее из прямых измерений различных сочетаний этих величин . Например , определе ние масс отдель ных гирь по известному значению массы одн ой гири и разности масс нескольких целесо образно выбранных сочетаний гирь. Совместным измерением понимают измерение , состоящее из прямых и змерений нескольких величин в изменяющихся ус ловиях и последую щего нахождения зависимо сти между этими величинами . Например , определе ние температурной зависимости электрического соп ротивления путем его измерения при различных температурах. Кроме того , различают измерения постоянно й или мало изменяющейся физической вел ичины , называемые статистическ ими измерениями , и измерения пер еменной во времени величины , называемые динамическими измерениями . Примеры статистических измерений : измерения размеров физического объекта , постоянного давлени я манометром , остающегося постоянн ым дейс твующего напряжения переменного тока вольтметром . Примеры динамических измерений : измерения ви браций , пульсирующих давлений. Выделяется несколько основных методов изм ерения. Метод непосредственной оценки соответствует определению значения величины н епосредственно по отсчетному ус тройству измерительного прибора прямого действия (например , измерение массы на циферблатных весах ). При использовании метода сравнения с мерой измеряемую величину сравнивают с величиной , воспроизводимо й мерой (например , измер ение массы на рычажных весах с уравновешиванием гирями ). При методе противопоставления осуществляется сравнение с мерой (измеряемая величина и величина , воспроизводима я мерой , одновременно воздействуют на прибор , с помощью которого устанавливается соотнош ение между этими величинами , как , напр имер , при измерении массы на равноплечных весах с помещением измеряемой массы и гир ь на двух противоположных чашках весов ). П ри дифференциальном методе на измерительный прибор воздействует разность измеряемой и извест ной вели чины , воспроизводимой мерой (например , измерения , выполняемые при проверке мер длины сравнен ием с образцовой мерой на компараторе ). Пр и нулевом методе результирующий эффект воздействия величины на прибор доводят до нуля (например , измерен ие электри ческого сопротивления мостом с полным его уравновешиванием ). При методе замещения измеренную величину замещают известной величиной , воспроиз водимой мерой (например , взвешивание с поочере дным помещением измеряемой массы и гири н а одну и ту же чашку весов ). При методе совпадений разность между измеряемой величиной и величиной воспроизводимой мерой измеряется с использованием совпадения отметок шкал или периодических сигналов. Результат измерения получается в виде некоторого числа единиц измерения . Единица изм ерения — это эталон , с которым сравнивается изм еряемая сторона объекта или явления (эталону присваивается числовое значение 1 ). Существует множество единиц из мерения , соответствующее множеству о бъектов , явлений , их свойств , сторон , связей , которые приходится измерять в процессе научного познания . При этом единицы измерения подразде ляются на основные, выбираемые в качестве базисных при построении системы единиц , и п роизводные , выводимые из других единиц с помощью каких-то математических соотношений. Вопрос об обеспечении единообразия в измерении величин , отражающих те или иные явления материального мира , всегда был очень важным . В настоящее время действует преим ущественно Международная система един иц ( СИ ), принятая в 1960 г . Х Генеральной конференцией по ме рам и весам . Международная система единиц физических величин является наиболее совершенной и универсальной из всех существовавших д о настоящего времени . Она охватывае т ф изические величины механики , термодинамики , электр одинамики и оптики , которые связаны между собой физическими законами . Поэтому такие меж дународные организации , как ЮНЕСКО и междунар одная организация законодательной метрологии , при звали государства , яв л яющиеся членами этих организаций , принять вышеупомянутую Меж дународную систему единиц и градуировать в этих единицах все измерительные приборы. Неотъемлемой час тью экспериментальных исследований являются сред ства измерений , т.е . совокупность технических с р едств , имеющих нормированные погрешности , которые дают необходимую информацию для эксп ериментатора . Можно выделить средства измерения , позволяющие непосредственно определить испытуемый показатель (например , пресс для определения прочности материалов ), и и з мерения , которые дают возможность косвенно судить об исследуемом показателе (ультразвуковые дефек тоскопы позволяют оценить прочность материала по скорости прохождения ультразвука ). К сред ствам измерений относят меры , измерительные п риборы , установки и сис т емы . Прост ейшим средством измерения является мера , пред назначенная для воспроизведения физической велич ины заданного размера (например , гиря — м ера массы ). Выходной сигнал средств измерения фиксиру ется отчетными устройствами , которые бывают ш кальными , цифр овыми и регистрирующими . Шка ла является важной частью прибора . Расстояние в миллиметрах между двумя смежными отмет ками на шкале называют длиной деления шка лы . Разность между значениями измеряемой вели чины , соответствующую началу и концу шкалы , называют ди а пазоном показаний приб ора. Измерительные приборы (отчетные устройства ) характеризуются величиной погрешности и точнос ти , стабильностью измерений и чувствительностью . Погрешности приборов бывают абсолютными и относительными . Под абсолютной погрешностью изм ерительного прибора при нимается величина b = (x и – x д ), гд е x и — показательная прибора (номинальное значение измеряемой величины ); x д — действительное значе ние измеренной величины , полученное более точным методом. Погрешность средства измерения — одна из важнейших его характеристик . Она возникает вследствие недоброкачественных материало в , комплектующих изделий , применяемых для приг отовления приборов ; неудовлетворительной эксплуатации , неправильной установки измерительной аппа р атуры и др . Существенное влияние оказывают градуировка шкалы и периодическая поверка приборов . Кроме этих систематических погрешностей во зникают случайные , о бусловленные сочетаниями различных факторов — ошибками отсчета , параллаксом , вариацией , колеба ниями температуры и т.д . Таким образом , необходимо рассматривать не какие-либо отдельн ые , а суммарные погрешности приборов , (т.е . с лучайные погрешности оцениваются методами матема тической статистики по данным многократных из мерений ). Систематические погрешност и ис ключают введением поправок , найденных эксперимент ально. Относительная погрешность определяется отношением b отн = (x и – x д )100/x Суммарные пог решности , установленные при нормальных условиях ( t в =20 С ; влажность воздуха 80%; p =1,01325 10 5 Н /м 2 ), называют о сновными погрешностями прибора. Результаты измерений из-за погреш ностей всегда несколько отличаются от истинно го значения измеряемой величины , поэтому резу льтаты измере ния обычно сопровождают указ анием оценки погрешности. Диапазоном измерений называют ту часть диапазона показаний прибора , для которой ус тановлены погрешности прибора (если известны погрешности прибора , то диапазон измерений и показаний прибора совпадает ). Диапазон и змерений является важной характеристикой прибора . Если шкала измерений изменяется от 0 до N , то в х арактеристике на прибор диапазон указывают в пределах 0… N . Ряд приборов с нижним пределом изм ерения 0 имеет большую погрешность в интервале 0… 25% о т верхнего предела измерений . Поэтому имеется много приборов без нижнего нулевого предела измерений . Приборы нельзя перегружать , хотя некоторые приборы выдерживают перегрузки , но со временем погрешности у верхнего предела измерений существенно возра стают. Разность между максимальным и минимальным показаниями прибора называют размахом . Если эта величина непо стоянная , т.е . если при обратном ходе имеет ся увеличение или уменьшение хода , то эту разность называют вариацией п оказаний W . Величина W — это простейшая характеристика погрешности прибора . Другой характеристикой прибора является чувствительность, т.е . способность отсчитывающего уст ройства реагировать на изменения измеряемой в еличины . Под порогом чувствительности прибора понимают наименьшее значение измере нной величины , вызывающее изменение показания прибора , которое можно зафиксировать. Средства измерения делятся на классы точности . Класс точности — это обобщенная характеристика , определяемая пределами основной и дополнительных допускаемых погрешностей , вл ияющих на точность. Стабильность (воспроиз водимость прибора ) — это свойство отсчетного устройства обеспечивать постоянство показаний одной и той же величины . Со временем в результате старения материалов стабильность показания приборов нарушается . Стабильно сть прибора определяется вариацией показания . Поэтому при установлении стабильности нормируют величину допускаемой вариации W д . Поскольку вариация принимается с одним знаком , а допускаемая погрешность имеет положительные или отрицательные значения , то W д =0,5 b д , где b д — допустима я относительная погрешность прибора. На все измерительные приборы в той или иной мере действует маг нитное поле . Поэтому ряд электро измерительных приборов должен быть защищен от действия магнитного поля , а также электро статистически х явлений. В последние годы при исследованиях ра зличных процессов стали широко применяться эл ектрические , электронные , частотные , радиоизотопные и другие приборы . Такие приборы , как пра вило , требуют дополнительной защиты от пыли , вибрации , газа , снега и др . отсутствие такой защиты может вызвать погрешности , п ревышающие допустимые . Все средства измерения (приборы , используемые для измерения в научных исследованиях ) проходят периодиче скую поверку на точность . Такая поверка предусматривает определение и по воз можности уменьшение погрешностей прибор ов . Поверка позволяет установить соответствие данного прибора регламентированной степени точно сти и определяет возможность его применения для данных измерений , т.е . определяются по грешности , и устанавливается , не вых о дят ли они за пределы допускаемых значений . Поверку средств измерений производят на различных уровнях — от специальных государственных организаций до низовых звеньев . На высокоточные измерительные средства госу дарственные метрологические организации выдаю т специальное свидетельство , в котор ом после поверки указывают номинальные значен ия измеряемой величины , класс точности , предел ьную допускаемую погрешность , результаты поверки погрешности прибора в виде таблиц , вариац ии измерений . Для приборов меньшей отве т ственности свидетельство может не выдаваться и заменяться лишь указанием о том , что прибор удовлетворяет требованиям с тандарта или инструкции . Прибор снабжается кл еймом поверки. Технические возможности измерительных прибор ов в значительной мере отражают у рове нь развития науки . С современной точки зре ния , приборы , использовавшиеся учеными-естествоиспытат елями в 19 веке и в начале нашего столе тия , были весьма несовершенны . Тем не мене е с помощью этих приборов ставились иногд а блестящие эксперименты , оставив ш ие заметный след в истории науки , открывалис ь и изучались важные закономерности природы . Оценивая , например , значение известных измере ний скорости света , проведенных американским физиком А . Майкельсоном , для последующего разв ития науки , академик С.И . Вави л ов писал : “На почве его экспериментальных откр ытий и измерений выросла теория относительнос ти , развилась и рафинировалась волновая оптик а и спектроскопия и окрепла теоретическая астрофизика”. С прогрессом науки продвигается вперед и измерительная техника . Наряду с сов ершенствованием существующих измерительных приборов , работающих на основе традиционных , утвердивш ихся принципов (замена материалов , из которых сделаны детали прибора , внесение в его конструкцию отдельных изменений и т.д .), прои сходит переход н а принципиально нов ые конструкции измерительных устройств , обусловле нные новыми теоретическими предпосылками . Это миниатюризация и микроминиатюризация средств изм ерений с использованием новейших достижений н ауки , в частности физики твердого тела. Тенденции развития измерительной техник и к 21 веку определились довольно четко . Осн овными из них во всех областях измеритель ной техники являются : 1. резкое повышение качества приборов — снижение погрешностей до 0,1% и ниже , ув еличение быстродействия до тысяч и даже миллионов измерений в 1 сек , повышение надежности приборов и уменьшение их размер ов ; 2. расширение области прим енения измерительной аппаратуры в направлении измерения величин , прежде не поддававшихся измерению , а также в направлении ужесточения условий эк сплуатации приборов ; 3. повсеместный переход к цифровым методам не только в области измерений электрических величин , но и во всех других областях (уже имеются цифровые термометры , манометры , газоанализаторы , виброметры и т.д .) при этом аналоговые приборы п о-прежнему применяются и продолжают совер шенствоваться ; 4. дальнейшее развитие сис темного подхода к унификации измерительной ап паратуры ; 5. широкое внедрение во все средства измерительной техники методов логической и математической обработки измерите льной информации. . СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАН НОЙ ЛИТЕРАТУРЫ 1. Бабушк ин А.Н . Современные концепции естествознания . Лекции по курсу : Серия “Учебники для вузов , специальная литература” . — СП б : Изд . Лань , 2000 2. Горелов А.А . Кон цепция совр еменного естествознания : Учеб . пособие . Практикум . — М .: Гуманит . изд . цент р ВЛАДОС , 1998 3. Крутов В.И ., Грушко И.М ., Попов В.В . и др . Основы научных исследований : Учеб . для техн . вузов . — М .: Высшая школа , 1989 4. Орир Дж . Физика : Пере вод с англ . — М. : Мир , 1981 5. Сиборг Г . Химия . Курс для средней школы : Перевод с англ . — М .: Мир , 1971 6. Солопов Е.Ф . Концепция современного естествознания : Учеб . пособие для вузов . — М .: Гуманит . изд . центр ВЛАДОС , 1998 7. Стоцкий Л.Р . Физические величины и их единиц ы . Справочник : Книга для учителя . — М .: Просвещение , 1984 8. Трофимова Т.И . Курс ф изики : Учеб . пособие для вузов . — М .: Вы сшая школа , 1980