Реферат: Эксперимент как средство оценки качества теоретического знания

Министерство высшего образования РФ

МОСКОВСКАЯГОСУДАРСТВЕННАЯ АКАДЕМИЯ

ПРИБОРОСТРОЕНИЯ иИНФОРМАТИКИ

(МГАПИ)

РЕФЕРАТ НА ТЕМУ:

«ЭКСПЕРИМЕНТ КАК СРЕДСТВО ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ТЕОРЕТИЧЕСКОГОЗНАНИЯ»

(Погрешности реальных измерений. Средниезначения и  отклонения от них. Проблема интерпретации эксперимента. Прибор какидеальный канал связи между исследователем и объектом. Однозначнаявоспроизводимость результатов эксперимента. Принцип совместных результатоводновременных измерений нескольких физических величин. Независимость(перестановочность) и аддитивность измеряемых характеристик. Влияние прибора напроцесс реальных измерений)

ВЫПОЛНИЛА:           Студентка 1 курса  ЭФ–3

ЦЕЛИЩЕВАЕВГЕНИЯ НИКОЛАЕВНА

ПРОВЕРИЛ:  Доцент кафедры физики к.ф.-м.н.

ЖУКОВДМИТРИЙ ОЛЕГОВИЧ

г. Москва, 2001

СОДЕРЖАНИЕ

1.   ВВЕДЕНИЕ

·    МЕТОДЫ НАУЧНОГОПОЗНАНИЯ

2.   ПРОБЛЕМЫ ИНТЕРПРЕТАЦИИЭКСПЕРИМЕНТА. ОДНОЗНАЧНАЯ ВОСПРОИЗВОДИМОСТЬ РЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА.

3.   ПОГРЕШНОСТИ РЕАЛЬНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ.СРЕДНИЕ ЗНАЧЕНИЯ И ОТКЛОНЕНИЯ ОТ НИХ. ПРИБОР КАК ИДЕАЛЬНЫЙ КАНАЛ СВЯЗИ МЕЖДУИССЛЕДОВАТЕЛЕМ И ОБЪЕКТОМ. ПРИНЦИП СОВМЕСТНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ ОДНОВРЕМЕННЫХИЗМЕРЕНИЙ НЕСКОЛЬКИХ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН. НЕЗАВИСИМОСТЬ (ПЕРЕСТАНОВОЧНОСТЬ) ИАДДИТИВНОСТЬ ИЗМЕРЯЕМЫХ ХАРАКТЕРИСТИК. ВЛИЯНИЕ ПРИБОРА НА ПРОЦЕСС РЕАЛЬНЫХИЗМЕРЕНИЙ.

4.   СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ

… науки, которые неродились из эксперимента, этой 

основы  всех познаний,бесполезны и полны заблуж-

дений...

                                                                   Леонардо да Винчи 1452–1519 гг.

Научнаядеятельность начинается с наблюдения. Наиболее ценно наблюдение в том случае,когда влияющие на него условия точно контролируются. Это возможно, если условияпостоянны, известны и их можно изменять по желанию наблюдателя. Наблюдение,проведенное в строго контролируемых условиях, называется экспериментом.А для точных наук характерна органическая связь наблюдений и эксперимента сопределением численных значений характеристик исследуемых объектов и процессов.

·    МЕТОДЫ НАУЧНОГОПОЗНАНИЯ

Методыпознания — это совокупность действий, признанных помочь достижению желаемогорезультата. Первым на значение метода указал французский математик и философ Р.Декарт в работе «Рассуждения о методе». Но еще ранее один из основателейэмпирической науки Ф. Бекон сравнил метод познания с циркулем. Способностилюдей различны, и для того, чтобы всегда добиваться успеха, требуетсяинструмент, который уравнивал бы шансы и давал возможность каждому получитьнужный результат. Таким инструментом и является научный метод.

Методынаучного познания включают общечеловеческие приемы мышления (анализ, синтез,сравнение, обобщение, индукцию, дедукцию и т.п.), способы эмпирического итеоретического исследования (наблюдение, эксперимент, измерение, моделирование,идеализацию, формализацию и т.п.).

Характер используемых вконкретной науке методов определяется в первую очередь спецификой предмета. Нов процессе взаимопроникновения, дифференциации и интеграции научного знаниятипичными становятся ситуации, когда один предмет изучается несколькимиметодами, а несколько разных предметов — одним каким-то общим методом. Методыфизики проникают в химию, методы физики и химии — в биологию (и наоборот).Молекулярная биология широко использует методы химии, молекулярной физики,ренгеноструктурного анализа и т.п.

Особоезначение для современной науки в целом имеют методы вычислительной математики,кибернетики, общей теории систем, синергетики. В самых различных наукахиспользуются методы математической гипотезы и модельного эксперимента.Экспериментальный метод из естественных наук проникает в общечеловеческие игуманитарные науки (социологию, психологию и др.)

ВОСПРОИЗВОДИМОСТЬРЕЗУЛЬТАТОВ ЭКСПЕРИМЕНТА.

Важнейшейчастью научных исследований является эксперимент, основой которого служитнаучно поставленный опыт с точно учитываемыми и управляемыми условиями. Самослово эксперимент происходит от латинского experimentum— проба, опыт. В научном языке и исследовательской работе термин «эксперимент»обычно используется в значении, общем для целого ряда сопряженных понятий:опыт, целенаправленное наблюдение, воспроизведение объекта познания,организация особых условий его существования, проверка предсказания. В этопонятие вкладывается научная постановка опытов и наблюдение исследуемогоявления в точно учитываемых условиях, позволяющих следить за ходом явлений ивоссоздавать его каждый раз при повторении этих условий. Само по себе понятие «эксперимент»означает действие, направленное на создание условий в целях осуществления тогоили иного явления и по возможности наиболее частого, т.е. не осложняемогодругими явлениями. Основной целью эксперимента являются выявление свойствисследуемых объектов, проверка справедливости гипотез и на этой основе широкоеи глубокое изучение темы научного исследования.

Постановка иорганизация эксперимента определяются его назначением. Эксперименты, которыепроводятся в различных отраслях науки, являются химическими, биологическими,физическими, психологическими, социальными и т.п. Они различаются по способуформирования условий (естественных и искусственных); по целямисследования (преобразующие, констатирующие, контролирующие, поисковые,решающие); по организации проведения (лабораторные, натурные, полевые,производственные и т.п.);по структуре изучаемых объектов и явлений (простые,сложные); по характеру внешних воздействий на объект исследования(вещественные, энергетические, информационные); по характеру взаимодействиясредства экспериментального исследования с объектом исследования (обычный имодельный); по типу моделей, исследуемых в эксперименте (материальный имысленный); по контролируемым величинам (пассивный и активный); почислу варьируемых факторов (однофакторный и многофакторный); похарактеру изучаемых объектов или явлений (технологические,социометрические) и т.п. Конечно, для классификации могут быть использованы идругие признаки.

Из числаназванных признаков естественный эксперимент предполагает проведениеопытов в естественных условиях существования объекта исследования (чаще всегоиспользуется в биологических, социальных, педагогических и психологическихнауках). Искусственный эксперимент предполагает формированиеискусственных условий (широко применяется в естественных и технических науках).

Преобразующий(созидательный) эксперимент включает активное изменение структуры и функцийобъекта исследования в соответствии с выдвинутой гипотезой, формирование новыхсвязей и отношений между компонентами объекта или между исследуемым объектом идругими объектами. Исследователь в соответствии со вскрытыми тенденциямиразвития объекта исследования преднамеренно создает условия, которые должныспособствовать формированию новых свойств и качеств объекта. Констатирующий экспериментиспользуется для проверки определенных предложений. В процессе этогоэксперимента констатируется наличие определенной связи между воздействием наобъект исследования и результатом, выявляется наличие определенных фактов.Контролирующий эксперимент сводится к контролю за результатами внешнихвоздействий на объект исследования с учетом его состояния, характеравоздействия и ожидаемого эффекта. Поисковый эксперимент проводится в томслучае если затруднена классификация факторов, влияющих на изучаемое явлениевследствие отсутствия достаточных предварительных (априорных) данных. По результатам поискового эксперимента устанавливается значимость факторов,осуществляется отсеивание незначимых. Решающий эксперимент ставится дляпроверки справедливости основных положений фундаментальных теорий в том случае,когда две или несколько гипотез одинаково согласуются со многими явлениями. Этосогласие приводит к затруднению, какую именно из гипотез считать правильной.Решающий эксперимент дает такие факты, которые согласуются с одной из гипотез ипротиворечат другой. Примером решающего эксперимента служат опыты по проверкесправедливости ньютоновской теории истечения света и волнообразной теорииГюйгенса. Эти опыты были поставлены французским ученым Фуко (1819­1868). Оникасались вопроса о скорости распространения света внутри прозрачных тел.Согласно гипотезе истечения, скорость света внутри таких тел должна бытьбольше, чем в пустоте. Но Фуко своими опытами доказал обратное, т.е. что вменее плотной среде скорость света большая. Этот опыт Фуко и был тем решающимопытом, который решил спор между двумя гипотезами (в настоящее время гипотезаГюйгенса заменена электромагнитной гипотезой Максвелла). Другим примеромрешающего эксперимента может служить спор Птолемеем и Коперником о движенииземли. Решающий опыт Фуко с маятником окончательно решил спор в пользу теорииКоперника.

Лабораторный эксперимент проводится в лабораторных условиях с применением типовыхприборов, специальных моделирующих  установок стендов, оборудования и т.д. Чащевсего в лабораторном эксперименте изучается не сам объект, а его образец. Этоэксперимент позволяет доброкачественно, с требуемой повторностью изучитьвлияние одних характеристик при варьировании других, получить хорошую научнуюинформацию с минимальными затратами времени и ресурсов. Однако такойэксперимент не всегда полностью моделирует реальный ход изучаемого процесса,поэтому возникает потребность в проведении натурного эксперимента. Натурныйэксперимент проводится в естественных условиях и на реальных объектах. Этот видэксперимента часто используется в процессе натурных испытаний изготовленныхсистем. В зависимости от места проведения  испытаний натурные экспериментыподразделяются на производственные, полевые, полигонные, полунатурные и т.п.

Экспериментымогут быть открытыми и закрытыми, они широко распространены впсихологии, социологии, педагогике. В открытом эксперименте его задачи открытообъясняются испытуемым, в закрытом — в целях получения объективных данных этизадачи скрываются от испытуемого.

Простойэксперимент используется для изучения объектов, не имеющих разветвленнойструктуры, с небольшим количеством взаимосвязанных и взаимодействующихобъектов, выполняющих простейшие функции. В сложном экспериментеизучаются явления и объекты с разветвленной структурой и большим количествомвзаимосвязанных и взаимодействующих элементов, выполняющих сложные функции.Высокая степень связности элементов приводит к тому, что изменение состояниякакого-либо элемента или связи влечет за собой изменение состояния многихдругих элементов системы.

Информационныйэксперимент используется для изучения воздействия определенной (различной поформе и содержанию) информации на объект исследования (чаще всего используетсяв биологии, психологии, социологии, кибернетике и т.п.). С помощью этогоэксперимента изучается изменение состояния объекта исследования под влияниемсообщаемой ему информации. Вещественный эксперимент предполагаетизучение влияния различных факторов на состояние объекта исследования.Например, влияние различных добавок на качество стали и т.п. Энергетический экспериментиспользуется для изучения воздействия различных видов энергии(электромагнитной, механической, тепловой и т.д.) на объект исследования. Этоттип эксперимента широко распространен в естественных науках.

Обычный (классический)эксперимент включает экспериментатора как познающего субъекта; объект илипредмет экспериментального исследования и средства (инструменты, приборы,экспериментальные установки), при помощи которых осуществляется эксперимент. Вобычном эксперименте экспериментальные средства непосредственно воздействуют собъектом исследования. Они являются посредниками между экспериментатором иобъектом исследования. Модельный эксперимент в отличие от обычного имеетдело с моделью исследуемого объекта. Модель входит в состав экспериментальнойустановки, замещая не только объект исследования, но часто и условия, в которыхизучается некоторый объект. Модельный эксперимент при расширении возможностейэкспериментального исследования одновременно имеет и ряд недостатков, связанныхс тем, что различие между моделью и реальным объектом может стать источникомошибок.

Различие между орудиямиэксперимента при моделировании позволяет выделить мысленный и материальный эксперимент.Орудиямимысленного (умственного) эксперимента являются мысленные моделиисследуемых объектов и явлений. Для обозначения мысленного эксперимента иногдапользуются терминами: идеализированный или воображаемый эксперимент. Так,Галилей в мысленном эксперименте пришел к выводу о существовании движенияинерции, согласно которой движущееся тело останавливается, если сила, еготолкающая, прекращает свое действие. Этот вывод мог быть получен только спомощью мысленного эксперимента. По этому поводу А. Эйнштейн говорил следующее:«Мы видели, что закон инерции нельзя вывести непосредственно из эксперимента,его можно вывести лишь умозрительно — мышлением, связанным с наблюдением…».Мысленный эксперимент используется не только учеными, но и писателями, художниками,педагогами, врачами. Мысленное экспериментирование ярко проявляется в мышлениишахматистов. Огромна роль мысленного эксперимента в техническом конструированиии изобретательстве. Материальный эксперимент имеет аналогичнуюструктуру. Однако в эксперименте используются материальные, а не идеальныеобъекты исследования. Основное отличие материального эксперимента от мысленногов том, что реальный эксперимент представляет собой форму объективнойматериальной связи сознания с внешним миром. Сходство мысленного с реальным взначительной мере определяется тем, что всякий реальный эксперимент, прежде чембыть осуществленным на практике, сначала проводится человеком мысленно впроцессе обдумывания и планирования. Поэтому мысленный эксперимент нередковступает в роли идеального плана реального эксперимента, в известном смыслепредваряя его.

Пассивныйэксперимент предусматривает измерение только выбранных показателей (параметров,переменных) в результате наблюдения за объектом без искусственноговмешательства в его функционирование. Примерами пассивного экспериментаявляется наблюдение: за интенсивностью, составом, скоростями движениятранспортных потоков; за числом заболеваний; за работоспособностью определеннойгруппы лиц; за показателями, изменяющимися с возрастом и т.п. пассивныйэксперимент, по существу, является наблюдением, которое сопровождаетсяинструментальным измерением выбранных показателей состояния объектаисследования. Активный эксперимент связан с выбором специальных входныхсигналов (факторов) и контролирует вход и выход исследуемой системы.

Однофакторныйэксперимент предполагает: выделение нужных факторов; стабилизацию мешающихфакторов; поочередное варьирование интересующих исследователя факторов.Стратегия многофакторного эксперимента состоит в том, что варьируютсявсе переменные сразу и каждый эффект оценивается по результатам всех опытов,проведенных в данной серии экспериментов.

Технологическийэксперимент направлен на изучение элементов технологического процесса(продукции, оборудования, деятельности работников и т.п.) или процесса в целом.Социометрический эксперимент используется для измерения существующихмежличностных социально-психологических отношений в малых группах с целью ихпоследующего измерения.

Приведенная классификацияэкспериментальных исследований не может быть признана полной, поскольку срасширением научного знания расширяется и область применения экспериментальногометода. Кроме того, в зависимости от задач эксперимента различные его типымогут объединятся, образуя комплексный или комбинированный эксперимент.

Для проведенияэксперимента любого типа необходимо: разработать гипотезу, подлежащую проверке;создать программы экспериментальных работ; определить способы и приемывмешательства в объект исследования; обеспечить условия для осуществленияпроцедуры экспериментальных работ; разработать пути и приемы фиксирования ходаи результатов эксперимента; подготовить средства эксперимента (приборы,установки, модели и т.п.); обеспечить эксперимент необходимым обслуживающимперсоналом.

Особоезначение имеет правильная разработка методик эксперимента. Методика — этосовокупность мыслительных и физических операций, размещенных в определеннойпоследовательности, в соответствии с которой достигается цель исследования. Приразработке методик проведения эксперимента необходимо предусматривать;проведение предварительного целенаправленного наблюдения над изучаемым объектомили явлением с целью определения исходных данных (гипотез, выбора варьирующихфакторов); создание условий, в которых возможно экспериментирование (подборобъектов для экспериментального воздействия, устранение влияния случайныхфакторов); определение пределов измерений; систематическое наблюдение за ходомразвития изучаемого явления и точные описания фактов; проведение систематическойрегистрации измерений и оценок фактов различными средствами и способами;создание повторяющихся ситуаций, изменение характера условий и перекрестныевоздействия, создание усложненных ситуаций с целью подтверждения илиопровержения ранее полученных данных; переход от эмпирического изучения клогическим обобщениям, к анализу и теоретической обработке полученногофактического материала.

Правильноразработанная методика экспериментального исследования предопределяет егоценность. Поэтому разработка, выбор, определение методики должно проводитсяособенно тщательно. Необходим о убедиться в том, что она соответствуетсовременному уровню науки, условиям, в которых выполняется исследование.Целесообразно проверить возможность использования методик, применяемых всмежных проблемах и науках.

Выбравметодику эксперимента, исследователь должен удостовериться в ее практическойприменимости, так как она может оказаться неприемлемой или сложной в силуспецифических особенностей климата, помещения, лабораторного оборудования,персонала, объекта исследований и т.д.

 Перед каждымэкспериментом составляется его план (программа), который включает: цель изадачи эксперимента; выбор варьирующих факторов; обоснование объемаэксперимента, числа опытов; порядок реализации опытов, определениепоследовательности измерения факторов; выбор шага изменения факторов, задаваниеинтервалов между будущими экспериментальными точками; обоснование способовобработки и анализа результатов эксперимента.

Применениематематической теории эксперимента позволяет уже при планировании определеннымобразом оптимизировать объем экспериментальных исследований и повысить ихточность.

Важным этапомподготовки к эксперименту является определение его целей и задач. Количествозадач для конкретного эксперимента не должно быть слишком большим (лучше 3…4).

Необходимотакже обосновать набор средств измерений (приборов) другого оборудования, машини аппаратов. В отдельных случаях возникает потребность в создании уникальныхприборов, установок, стендов для разработки темы.

Методыизмерений должны базироваться на законах науки — метрологии, изучающей средстваи методы измерений.

Приэкспериментальном исследовании одного и того же процесса (наблюдения иизмерения) повторные отсчеты на приборах, как правило, неодинаковы. Отклоненияобъясняются различными причинами — неоднородностью свойств изучаемого тела(материал, конструкция и т.д.), несовершенностью приборов и классов ихточности, субъективными особенностями экспериментатора и др. Чем большеслучайных факторов, влияющих на опыт, тем больше расхождения цифр, получаемыхпри измерениях, т.е. тем больше отклонения отдельных измерений от среднегозначения. Это требует повторных измерений, а следовательно, необходимо знать ихминимальное количество Под потребным минимальным количеством измерений понимаюттакое количество измерений, которое в данном опыте обеспечивает устойчивоесреднее значение измеряемой величины, удовлетворяющее заданной степениточности. Установление потребного минимального количества измерений имеетбольшое значение, поскольку обеспечивает получение наиболее объективныхрезультатов при минимальных затратах времени и средств.

Обработка и анализ экспериментальных данных сводится к систематизации всех цифр,классификации. Результаты экспериментов должны быть сведены в удобочитаемыеформы записи — таблицы, графики, формулы, номограммы, позволяющие быстро идоброкачественно сопоставлять и проанализировать результаты. Все переменныедолжны быть оценены в единой системе единиц физических величин.

ПОГРЕШНОСТИРЕАЛЬНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ. СРЕДНИЕ ЗНАЧЕНИЯ И ОТКЛОНЕНИЯ ОТ НИХ. ПРИБОР КАК ИДЕАЛЬНЫЙКАНАЛ СВЯЗИ МЕЖДУ ИССЛЕДОВАТЕЛЕМ И ОБЪЕКТОМ. ПРИНЦИП СОВМЕСТНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВОДНОВРЕМЕННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ НЕСКОЛЬКИХ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН. НЕЗАВИСИМОСТЬ(ПЕРЕСТАНОВОЧНОСТЬ) И АДДИТИВНОСТЬ ИЗМЕРЯЕМЫХ ХАРАКТЕРИСТИК. ВЛИЯНИЕ ПРИБОРА НАПРОЦЕСС РЕАЛЬНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ.

Дмитрий Иванович Менделеево значении измерений для науки говорил: «Наука начинается с тех пор, какначинают измерять. Точная наука немыслима без меры». А английский физик В.Томсон (Кельвин) указал на то, что «каждая вещь известна лишь в той степени, вкакой ее можно измерить».

Измерение следует отличатьот других приемов количественной характеристики величин, применяемых в техслучаях, когда нет однозначного соответствия между величиной и ееколичественным выражением в определенных единицах. Так, визуальное определениескорости ветра по шкале Бофорта или твердости минералов по шкалеМооса следует считать не измерением, а оценкой.

При исследованииприходится иметь дело с измерением физических величин. Под физическойвеличиной понимается особенность, свойство, общее в качественном отношениимногим физическим явлениям, объектам, физическим системам, их состояниям ит.п., но в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта(Советский энцикл. словарь, 1987). Примерами физических величин служатмасса, плотность, интервал времени, вязкость и др.).

Под измерениемфизической величины понимают последовательность операций, выполняемых опытнымпутем при помощи технических средств, специально предназначенных для этой цели,по нахождению с известной точностью значения физической величины,характеризующей исследуемый объект или явление. (Измерить физическую величину —это значит найти опытным путем значение физической величины, используяспециальные технические средства).

Измерениеначинают с приведения технического средства измерения во взаимодействие сисследуемым объектом. В результате возникает измерительный сигнал на входесредства измерения. Оканчивают измерение при получении информации о физическойвеличине в виде значения величины и оценки погрешности этого значения.

Строго говоря,законченное измерение включает несколько элементов: собственно физическийобъект (явление), свойство или состояние которого характеризует измеряемаявеличина; единицу этой величины; технические средства измерений,проградуированные в этих единицах; метод измерения и, наконец, наблюдателя(регистрирующее устройство), воспринимающего результат измерений.

Наличиесубъекта (исследователя), производящего измерения, не всегда являетсяобязательным. Он может и не принимать непосредственного участия в процессеизмерения, если измерительная процедура включена в работу автоматическойинформационно-измерительной системы. Последняя строится на базеэлектронно-вычислительной техники. Причем с появлением сравнительно недорогихмикропроцессорных вычислительных устройств в измерительной технике сталовозможным создание «интеллектуальных» приборов, в которых обработка данныхизмерений производится одновременно с чисто измерительными операциями.

Различаютследующие виды измерений: прямые, косвенные,  совокупные и совместные.

Прямымизмерением называют измерение физической величины, при котором входнойизмерительный сигнал уже содержит информацию об измеряемой физической величине,например измерения температуры физического объекта термометром, давления газа всосуде манометром, атмосферного давления барометром, массы тела взвешиванием нарычажных весах и т.д. (т.е. при прямых измерениях искомую величину устанавливаютнепосредственно из опыта).

Косвеннымизмерением называют измерение физической величины, при котором искомое значениевычисляют с помощью известной зависимости между искомой величиной и величинамиподвергаемыми прямым измерением. Например, вычисление значения электрическоймощности постоянного тока по показаниям амперметра и вольтметра, определениеудельного электрического сопротивления цилиндрического проводника прямымиизмерениями длины, диаметра поперечного сечения и электрического сопротивленияпроводника (при косвенных измерениях искомую величину устанавливаютфункционально от других величин, определенных прямыми измерениями).

Под совокупнымизмерением понимают измерение нескольких одноименных физических величин,состоящее из прямых измерений различных сочетаний этих величин. Например,определение масс отдельных гирь по известному значению массы одной гири иразности масс нескольких целесообразно выбранных сочетаний гирь.

Совместнымизмерением понимают измерение, состоящее из прямых измерений нескольких величинв изменяющихся условиях и последующего нахождения зависимости между этимивеличинами. Например, определение температурной зависимости электрическогосопротивления путем его измерения при различных температурах.

Кроме того,различают измерения постоянной или мало изменяющейся физической величины,называемые статистическими измерениями, и измерения переменной вовремени величины, называемые динамическими измерениями. Примерыстатистических измерений: измерения размеров физического объекта, постоянногодавления манометром, остающегося постоянным действующего напряжения переменноготока вольтметром. Примеры динамических измерений: измерения вибраций,пульсирующих давлений.

Выделяетсянесколько основных методов измерения.

Методнепосредственной оценки соответствует определению значения величинынепосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямогодействия (например, измерение массы на циферблатных весах). При использовании методасравнения с мерой измеряемую величину сравнивают с величиной,воспроизводимой мерой (например, измерение массы на рычажных весах суравновешиванием гирями). При методе противопоставления осуществляетсясравнение с мерой (измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой,одновременно воздействуют на прибор, с помощью которого устанавливается соотношение между этими величинами, как, например, при измерении массы наравноплечных весах с помещением измеряемой  массы и гирь на двухпротивоположных чашках весов). При дифференциальном методе на измерительныйприбор воздействует разность измеряемой и известной величины, воспроизводимоймерой (например, измерения, выполняемые при проверке мер длины сравнением собразцовой мерой на компараторе). При нулевом методе результирующийэффект воздействия величины на прибор доводят до нуля (например, измерениеэлектрического сопротивления мостом с полным его уравновешиванием). При методезамещения измеренную величину замещают известной величиной, воспроизводимоймерой (например, взвешивание с поочередным помещением измеряемой массы и гирина одну и ту же чашку весов). При методе совпадений разность междуизмеряемой величиной и величиной воспроизводимой мерой измеряется сиспользованием совпадения отметок шкал или периодических сигналов.

Результатизмерения получается в виде некоторого числа единиц измерения. Единицаизмерения — это эталон, с которым сравнивается измеряемая сторона объектаили явления (эталону присваивается числовое значение ²1²).Существует множество единиц измерения, соответствующее множеству объектов,явлений, их свойств, сторон, связей, которые приходится измерять в процессенаучного познания. При этом единицы измерения подразделяются на основные,выбираемые в качестве базисных при построении системы единиц, и производные,выводимые из других единиц с помощью каких-то математических соотношений.

Вопрос обобеспечении единообразия в измерении величин, отражающих те или иные явленияматериального мира, всегда был очень важным. В настоящее время действуетпреимущественно Международная система единиц (СИ), принятая в 1960 г. ХI Генеральной конференцией по мерам и весам.Международная система единиц физических величин является наиболее совершенной иуниверсальной из всех существовавших до настоящего времени. Она охватываетфизические величины механики, термодинамики, электродинамики и оптики, которыесвязаны между собой физическими законами. Поэтому такие международныеорганизации, как ЮНЕСКО и международная организация законодательной метрологии,призвали государства, являющиеся членами этих организаций, принятьвышеупомянутую Международную систему единиц и градуировать в этих единицах всеизмерительные приборы.

Неотъемлемойчастью экспериментальных исследований являются средства измерений, т.е.совокупность технических средств, имеющих нормированные погрешности, которыедают необходимую информацию для экспериментатора. Можно выделить средстваизмерения, позволяющие непосредственно определить испытуемый показатель(например, пресс для определения прочности материалов), и измерения, которыедают возможность косвенно судить об исследуемом показателе (ультразвуковыедефектоскопы позволяют оценить прочность материала по скорости прохожденияультразвука). К средствам измерений относят меры, измерительные приборы,установки и системы. Простейшим средством измерения является мера,предназначенная для воспроизведения физической величины заданного размера(например, гиря — мера массы).

Выходнойсигнал средств измерения фиксируется отчетными устройствами, которые бываютшкальными, цифровыми и регистрирующими. Шкала является важной частью прибора.Расстояние в миллиметрах между двумя смежными отметками на шкале называютдлиной деления шкалы. Разность между значениями измеряемой величины,соответствующую началу и концу шкалы, называют диапазоном показаний прибора.

Измерительныеприборы (отчетные устройства) характеризуются величиной погрешности и точности,стабильностью измерений и чувствительностью. Погрешности приборов бываютабсолютными и относительными.

Под абсолютнойпогрешностью измерительного прибора принимается величина

b=±(xи–xд), где

 xи —<sub/>показательная прибора (номинальное значение измеряемой величины);

 xд— действительное значение измеренной величины, полученное болееточным методом.

 Погрешностьсредства измерения — одна из важнейших его характеристик. Она возникаетвследствие недоброкачественных материалов, комплектующих изделий, применяемыхдля приготовления приборов; неудовлетворительной эксплуатации, неправильнойустановки измерительной аппаратуры и др. Существенное влияние оказываютградуировка шкалы и периодическая поверка приборов. Кроме этих систематическихпогрешностей возникают случайные, обусловленные сочетаниями различныхфакторов — ошибками отсчета, параллаксом, вариацией, колебаниями температуры ит.д. Таким образом, необходимо рассматривать не какие-либо отдельные, асуммарные погрешности приборов, (т.е. случайные погрешности оцениваютсяметодами математической статистики по данным многократных измерений).Систематические погрешности исключают введением поправок, найденныхэкспериментально.

Относительнаяпогрешность определяется отношением

bотн=±(xи–xд)100/x

Суммарныепогрешности, установленные при нормальных условиях  (tв=20°С; влажность воздуха 80%; p=1,01325×105 Н/м2),называют основными погрешностями прибора.

Результатыизмерений из-за погрешностей всегда несколько отличаются от истинного значенияизмеряемой величины, поэтому результаты измерения обычно сопровождают указаниемоценки погрешности.

Диапазономизмерений называют ту часть диапазона показаний прибора, для которойустановлены погрешности прибора (если известны погрешности прибора, то диапазонизмерений и показаний прибора совпадает). Диапазон измерений является важнойхарактеристикой прибора. Если шкала измерений изменяется от 0 до N, то в характеристике на прибор диапазон указывают в пределах0…N. Ряд приборов с нижним пределом измерения 0 имеетбольшую погрешность в интервале 0…25% от верхнего предела измерений. Поэтомуимеется много приборов без нижнего нулевого предела измерений. Приборы нельзяперегружать, хотя некоторые приборы выдерживают перегрузки, но со временемпогрешности у верхнего предела измерений существенно возрастают.

Разность междумаксимальным и минимальным показаниями прибора называют размахом. Еслиэта величина непостоянная, т.е. если при обратном ходе имеется увеличение илиуменьшение хода, то эту разность называют вариацией показаний W. Величина W — этопростейшая характеристика погрешности прибора. Другой характеристикой прибораявляется чувствительность, т.е. способность отсчитывающего устройствареагировать на изменения измеряемой величины. Под порогом чувствительностиприбора понимают наименьшее значение измеренной величины, вызывающее изменениепоказания прибора, которое можно зафиксировать.

Средстваизмерения делятся на классы точности. Класс точности — это обобщеннаяхарактеристика, определяемая пределами основной и дополнительных допускаемыхпогрешностей, влияющих на точность.

Стабильность(воспроизводимость прибора) — это свойство отсчетного устройства обеспечиватьпостоянство показаний одной и той же величины. Со временем в результатестарения материалов стабильность показания приборов нарушается. Стабильностьприбора определяется вариацией показания. Поэтому при установлении стабильностинормируют величину допускаемой вариации Wд.Поскольку вариация принимается с одним знаком, а допускаемая погрешность имеетположительные или отрицательные значения, то Wд=0,5bд, где bд—<sub/>допустимая относительная погрешность прибора.

На всеизмерительные приборы в той или иной мере действует магнитное поле. Поэтомуряд электроизмерительных приборов должен быть защищен от действия магнитногополя, а также электростатистических явлений.

В последниегоды при исследованиях различных процессов стали широко применятьсяэлектрические, электронные, частотные, радиоизотопные и другие приборы. Такиеприборы, как правило, требуют дополнительной защиты от пыли, вибрации, газа,снега и др. отсутствие такой защиты может вызвать погрешности, превышающиедопустимые. Все средства измерения (приборы, используемые для измерения внаучных исследованиях) проходят периодическую поверку на точность. Такаяповерка предусматривает определение и по возможности уменьшение погрешностейприборов. Поверка позволяет установить соответствие данного приборарегламентированной степени точности и определяет возможность его применения дляданных измерений, т.е. определяются погрешности, и устанавливается, не выходятли они за пределы допускаемых значений. Поверку средств измерений производят наразличных уровнях — от специальных государственных организаций до низовых звеньев.На высокоточные измерительные средства государственные метрологическиеорганизации выдают специальное свидетельство, в котором после поверки указываютноминальные значения измеряемой величины, класс точности, предельнуюдопускаемую погрешность, результаты поверки погрешности прибора в виде таблиц,вариации измерений. Для приборов меньшей ответственности свидетельство может невыдаваться и заменяться лишь указанием  о том, что прибор удовлетворяеттребованиям стандарта или инструкции. Прибор снабжается клеймом поверки.

Техническиевозможности измерительных приборов в значительной мере отражают уровеньразвития науки. С современной точки зрения, приборы, использовавшиесяучеными-естествоиспытателями в 19 веке и в начале нашего столетия, были весьманесовершенны. Тем не менее с помощью этих приборов ставились иногда блестящиеэксперименты, оставившие заметный след в истории науки, открывались и изучалисьважные закономерности природы. Оценивая, например, значение известных измеренийскорости света, проведенных американским физиком А. Майкельсоном, дляпоследующего развития науки, академик С.И. Вавилов писал: «На почве егоэкспериментальных открытий и измерений выросла теория относительности,развилась и рафинировалась волновая оптика и спектроскопия и окреплатеоретическая астрофизика».

С прогрессомнауки продвигается вперед и измерительная техника. Наряду с совершенствованиемсуществующих измерительных приборов, работающих на основе традиционных,утвердившихся принципов (замена материалов, из которых сделаны детали прибора,внесение в его конструкцию отдельных изменений и т.д.), происходит переход напринципиально новые конструкции измерительных устройств, обусловленные новымитеоретическими предпосылками. Это миниатюризация и микроминиатюризация средствизмерений с использованием новейших достижений науки, в частности физикитвердого тела.

Тенденцииразвития измерительной техники к 21 веку определились довольно четко. Основнымииз них во всех областях измерительной техники являются:

1.   резкое повышение качества приборов — снижение погрешностей до 0,1% иниже, увеличение быстродействия до тысяч и даже миллионов измерений в 1 сек,повышение надежности приборов и уменьшение их размеров;

2.   расширение области применения измерительной аппаратуры в направленииизмерения величин, прежде не поддававшихся измерению, а также в направленииужесточения условий эксплуатации приборов;

3.   повсеместный переход к цифровым методам не только в области измеренийэлектрических величин, но и во всех других областях (уже имеются цифровые термометры,манометры, газоанализаторы, виброметры и т.д.) при этом аналоговые приборыпо-прежнему применяются и продолжают совершенствоваться;

4.   дальнейшее развитие системного подхода к унификации измерительнойаппаратуры;

5.   широкое внедрение во все средства измерительной техники методовлогической и математической обработки измерительной информации.

.

1.   Бабушкин А.Н. Современные концепции естествознания. Лекции по курсу: Серия «Учебники для вузов, специальная литература». —СПб: Изд. Лань, 2000

2.   Горелов А.А. Концепция современного естествознания:Учеб. пособие. Практикум. — М.: Гуманит. изд. центр 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: Перевод 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 длявузов. — М.: Гуманит. изд. центр ВЛАДОС, 1998

7.   Стоцкий Л.Р. Физические величины и их единицы. Справочник: Книга дляучителя. — М.: Просвещение, 1984

8.   Трофимова Т.И. Курс физики: Учеб. пособие для вузов. — М.: Высшая школа,1980