Вход

Эксперимент как средство оценки качества теоретического знания

Реферат по физике
Дата добавления: 12 мая 2002
Язык реферата: Русский
Word, rtf, 305 кб
Реферат можно скачать бесплатно
Скачать
Не подходит данная работа?
Вы можете заказать написание любой учебной работы на любую тему.
Заказать новую работу
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
© Рефератбанк, 2002 - 2017