Реферат: Познание человеком окружающего мира неразрывно связано с наблюде­ниями и экспериментами

ВВЕДЕНИЕ


Познание человеком окружающего мира неразрывно связано с наблюде­ниями и экспериментами. Получение информации в процессе наблюдений и экспериментов базируется на измерениях. В том или ином виде измерения за­родились с появлением человека на Земле. На протяжении всей истории развития науки и техники перед человеком возникало и возникает множество проблем, для решения которых необходимо располагать количественной информацией о том или ином свойстве объектов материального мира (явле­нии, процессе, теле, веществе, поле, изделии и пр.). Основным способом получе­ния такой информации являются измерения, при правильном выполнении которых находится результат измерения с большей или меньшей точностью, отражающий интересующие свойства объекта познания.

Измерения играют важнейшую роль в жизни человека и являются на­чальной ступенью познания, которые часто не превышают уровня эмпириче­ских. Поскольку критерием истины всегда служит практика (эксперимент), результаты измерений очень часто выступают в качестве критерия истины. Измерения делают представления о свойствах окружающего нас мира более полными и понятными. Можно сказать, что прогресс науки и техники опре­деляется степенью совершенства измерений и измерительных приборов. Итак, измерения служат источником нашего научного и практического по­знания. По этому поводу М. Планк сказал: «В физике существует только то, что можно измерить».

Основы отечественной метрологии заложил русский ученый Д. И. Мен­делеев (1834 — 1907). Он так определял роль и значение измерений: «В при­роде мера и вес суть главное орудие познания. Наука начинается с тех пор, как начинают измерять, точная наука немыслима без меры». Зарождение в нашей стране метрологической службы следует отнести к 1842 г., в котором был издан закон о мерах и весах, предусматривающий создание первого в России метрологического учреждения — Депо образцовых мер. В 1893 г. Д. И. Менделеев основал Главную палату мер и весов (ныне ВНИИ метрологии), в задачи которой вхо­дило не только хранение эталонов и обеспечение поверки по ним средств измерений, но и проведение научных исследований в области метрологии.

История развития техники электрических измерений связана с именами русских ученых М.В. Ломоносова и Г.В. Рихмана, которые в 40-х годах XVIII века сконструировали первый в мире электроизмерительный прибор, названный авторами указатель электрической силы.

Во второй половине XVIII — первой половине XIX в. выдающиеся уче­ные (Вольт, Кулон, Ом, Фарадей и др.) продолжили создание других видов приборов. В частности, закон Ома был открыт при наблюдении взаимодей­ствия провода с током, расположенного рядом с магнитной стрелкой, — прообраза современных приборов магнитоэлектрической системы. С помо­щью этого устройства М. Фарадей установил закон электромагнитной ин­дукции (1826 — 1831). Во второй половине XIX в. существенный вклад в развитие электроизмерительных приборов внесли русские ученые А.Г. Сто­летов, Б.С. Якоби и особенно М.О. Доливо-Добровольский, предложивший электромагнитные и ряд других приборов.

Первые измерительные приборы использовались лишь для относитель­ной оценки физической величины. Такое положение сохранялось до тех пор, пока не были определены электрические меры. Вначале (середина XIX в.) эти меры, созданные отдельными учеными в разных странах, не были одина­ковыми. Однако это позволяло все же производить измерения, хотя еще и не в общепринятых единицах, и сделало возможным взаимное сличение этих мер и сравнение результатов опытов.

В 1875 г. по взаимной договоренности на специальной международной конференции с участием России была подписана метрическая конвенция, по которой страны обязались содержать «Международное бюро мер и весов» как центр, обеспечивающий единство измерений в международном масштабе. При этом в широком смысле под единством измерений понимается характеристика качества измерений, заключающаяся в том, что их результаты выражаются в узаконенных единицах, размеры которых в установленных пределах равны раз­мерам воспроизведенных величин, а погрешности результатов измерений из­вестны с заданной вероятностью и не выходят за установленные пределы. При­менительно к нашей стране, согласно Закону Российской Федерации «Об обеспе­чении единства измерений», единство измерений — состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах величин и погрешно­сти измерений не выходят за установленные границы с заданной вероятностью.

На международных конгрессах по электричеству (1881 г. — Париж и 1893 г. — Чикаго) была принята применяющаяся и до нашего времени практическая система электрических и магнитных единиц, базирующаяся на международных единицах ампера и ома.

Внедрение техники измерений совпало с началом развития систем ра­диосвязи и радиотехники. Существенное внимание данным вопросам уделял крупнейший русский ученый, изобретатель радио А.С. Попов. Основопо­ложником отечественной радиоизмерительной техники считается академик М.В. Шулейкин, организовавший в 1913 г. первую заводскую лабораторию по производству измерительных приборов. Большой вклад в развитие техни­ки измерений внес академик Л.И. Мандельштам, создавший в начале XX в. прототип современного электронного осциллографа. Многие русские уче­ные, такие, как М.А. Бонч-Бруевич, В.В. Ширков, Н.Н. Пономарев, В.Г. Дубенецкий и другие, существенно развили теорию и технику радиоизмерений.

Готовясь к самостоятельной работе по избранной специальности, сту­денты должны иметь в виду, что измерения пронизывают все сферы инже­нерного труда. С измерениями связана деятельность инженеров, работающих по профилям исследователей, конструкторов, технологов и т. д. Инженер должен иметь ясное представление о возможностях измери­тельной техники, чтобы обеспечить взаимозаменяемость изделий, устройств и узлов радиоэлектронной техники. Поэтому знание современных стандар­тов, правил, норм и требований в области измерений также обязательны для специалистов, занимающихся управлением и организацией производства.

Чтобы успешно справиться с многочисленными и разнообразными про­блемами радиоизмерений, необходимо освоить ряд общих принципов их ре­шения, определить единую научную и законодательную базу, обеспечиваю­щую на практике высокое качество измерений независимо от того, где и с какой целью они выполняются. Такой базой является метрология (от грече­ских слов «метрон» — мера, «логос» — учение).

Современное определение метрологии дано в Рекомендации ПМГ 29-99 «ГСИ. Метрология. Основные термины и определения»:

Метрология — нау­ка об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

Предметом метрологии является извлечение количественной информа­ции о свойствах объектов и процессов с заданной точностью и достоверно­стью. Средства метрологии — это совокупность средств измерений и мет­рологических стандартов, обеспечивающих их рациональной использование.

Метрология включает общую теорию измерений физических величин, устанавливает и регламентирует единицы физических величин и их системы, порядок передачи размеров единиц от эталонов образцовым и рабочим сред­ствам измерений, методы и средства измерений, общие методы обработки результатов измерений и оценки их точности.

Наряду с метрологией проблемами создания и применения средств измере­ний для получения измерительной информации и возникающими при этом на­учными и техническими вопросами занимается измерительная техника. Фунда­ментальной основой измерительной техники является метрологическое обеспе­чение (рис ).

Для руководства всей деятельностью и поддержания единства измере­ний в России создана мощная метрологическая служба, состоящая из Госу­дарственной службы, возглавляемой Государственным комитетом по стан­дартам (Госстандартом Российской Федерации), и ведомственных служб во всех отраслях народного хозяйства.

Метрология делится на три самостоятельных части: научную, законодательную и прикладную.

^ Научная {теоретическая) метрология является базой измерительной техники. Занимается изучением проблем измерения в целом и образующих измерение элементов: средств и приборов измерений, физических величин и их единиц, методов и методик измерений, результатов и погрешностей изме­рений и пр.

^ Нормативно-технической основой метрологического обеспечения явля­ется комплекс государственных стандартов:

система государственных эталонов единиц физических величин;

система передачи размеров единиц физических величин от эталонов или исходных образцовых средств измерений нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений;

система разработки, постановки на производство и выпуска в обраще­ние средств измерений, обеспечивающих определение с требуемой точностью характеристик продукции, технологических процессов и других объектов в сфере материального производства, при научных исследованиях и других видах деятельности;

система обязательных государственных испытаний средств измерений;

система обязательной государственной и ведомственной поверки или метрологической аттестации средств измерений;

система стандартных образцов состава и свойств веществ и материалов, обеспечивающая воспроизведение единиц величин, характеризующих состав и свойства веществ и материалов;

система стандартных справочных данных о физических константах и свойствах веществ и материалов;

общие методы нормирования оценки и контроля метрологических ха­рактеристик средств измерений.

^ Организационной основой метрологического обеспечения является мет­рологическая служба Российской Федерации. Она состоит из государствен­ной и ведомственных метрологических служб, образующих покрывающую всю страну сеть учреждений и организаций, возглавляемых Госстандартом РФ. В своей работе она базируется на основных положениях законодатель­ной метрологии.

Важной особенностью метрологического обеспечения является ее пра­вовая основа. Благодаря действию в нашей стране комплекса государствен­ных стандартов, объединенных в Государственную систему обеспечения единства измерений (ГСОЕИ, упрощенное — ГСИ), установлена единая но­менклатура стандартных взаимоувязанных правил и положений, требований и норм, относящихся к организации и методике оценивания и обеспечения точности измерений. Ряд таких положений установлен отечественным стандартом ГОСТ Р 8.000-2000. «ГСИ. Основные положения».

Раздел метрологии, включающий комплексы взаимосвязанных общих правил, требований и норм, а также вопросы регламентации и государствен­ного контроля, направленные на обеспечение единства измерений и едино­образия средств измерений, называется законодательной метрологией. Это, в свою очередь, предписывает соответствующий надзор за средствами изме­рений, который осуществляется деятельностью органов метрологической службы, обеспечивающей единообразие средств измерений. В метрологии, как и в любой другой науке, недопустимо произвольное толкование приме­няемых терминов. Поэтому один из основных метрологических документов Рекомендация ПМГ 29-99 «ГСИ. Метрология. Основные термины и опреде­ления» специально регламентирует терминологию в области метрологии.

^ Прикладная метрология посвящена вопросам практического применения результатов теоретических исследований в различных сферах деятельности.

В настоящее время широкое применение в метрологии получила квалиметрия — учение о методах и приемах измерения (точнее, оценивания) ка­чества. Методологическая общность классической метрологии, сертифика­ции и квалиметрии делает обоснованным не выделять квалиметрию в от­дельный раздел, а изложить ее элементы в рамках данного курса.

Следует обратить внимание на то, что на этапе современной научно-технической революции в метрологии, и в частности в радиоизмерительной технике, происходят значительные качественные изменения. Измерения практически полностью переходят на цифровые методы, воплощенные в приборах с цифровым отсчетом и регистрацией; существенно расширяются диапазоны измеряемых величин; в измерительных системах широко приме­няется аналоговая и цифровая микроэлектроника; возникла необходимость в измерении характеристик случайных процессов. Все это требует нового под­хода к состоянию средств радиоизмерений, к соответствию их метрологиче­ских свойств установленным нормам.

Студентам, аспирантам и специалистам радиотехнического профиля не­обходимо учитывать то, что в последние годы сформировалось и успешно развивается новое направление в метрологии и радиоизмерительной технике — компьютерно-измерительные системы (КИС) и их разновидность — виртуальные приборы — Virtual Instruments .

Виртуальный прибор — это специальная плата или внешнее устройство, под­ключаемое к компьютеру в комплексе с соответствующим программным обеспечением. В зависимости от используемой платы и программного обеспечения пользователь получает измерительный прибор под ту или иную мет­рологическую задачу. Совершенно очевидно, что многие метрологические и исследовательские задачи будут в XXI в. решаться с помощью компьютерно-измерительных систем.

При изложении материала предполагается, что студенты имеют достаточно хорошую теоретическую и практическую подготовку по следующим дисциплинам: «Высшая математика», «Физика», «Информатика». В свою очередь, этот курс является базовым для дисциплин «Основы теории цепей», «Электродинамика и распространение радиоволн», «Радиоавтоматика», «Радиотехнические цепи и сигналы», «Схемотехника аналоговых электронных устройств», «Цифро­вые устройства и микропроцессоры», а также ряда специальных дисциплин, изучаемых студентами позднее.

Современное состояние радиоизмерений и перспектива их развития предъявляют повышенные требования к уровню метрологической подготовки радиоинженеров. В соответствии с образовательным стандартом подготовки инженера по АИУС студенты должны:

изучить основные принципы, методы и средства измерения электриче­ских и радиотехнических величин;

научиться метрологически и технически правильно выбирать измери­тельную аппаратуру, разрабатывать измерительный комплекс и контрольно-поверочную аппаратуру (КПА);

уметь проводить измерения, обрабатывать их результаты и оценивать достигнутую точность;

ознакомиться с положениями «Государственной системы обеспечения единства измерений» и перспективными направлениями и тенденциями развития метрологии и радиоизмерений.

Эти четыре положения лежат в основе контроля знаний по данному курсу.


2. ^ ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ МЕТРОЛОГИИ


2.1. Общие сведения

Качественно новое развитие различных направлений радиотехники предъявляет все более высокие требования к метрологическому обеспечению и уровню радиоизмерений. В этой связи для метрологии характерны:

повышение точности измерений и расширение пределов измеряемых величин;

разработка современных методов измерений и приборов с использова­нием новейших физических принципов или радиотехнологий, необходимых для перспективных направлений науки и техники;

создание автоматизированных измерительных систем, обладающих вы­сокой точностью, быстродействием и надежностью.

Главные задачи радиотехники связаны с передачей, приемом, обработкой и преобразованием информации. Поэтому для радиоизмерений характерно исследование колебаний весьма широкого диапазона частот, при этом очень важно бывает не только определить значения измеряемых величин, но и по­лучить данные о форме и спектре исследуемых сигналов.


^ Основные особенности, характерные для техники радиоизмерений

1. Широкий диапазон измеряемых величин, например по мощности — от долей микроватт до сотен киловатт, по напряжению — от долей микровольт до сотен тысяч вольт, по частоте — от 10-2 Гц до 1012 Гц и более, по величине сопротивления — от 10-6 Ом до 1012 Ом и т. д. Вследст­вие этой особенности методы измерения одного и того же параметра могут отличаться в зависимости от диапазона частот, на которых производится из­мерение. От диапазона исследуемых частот зависит даже сам перечень пара­метров физических величин, подлежащих измерению. Так, если в диапазоне радиочастот обычно измеряется напряжение сигнала, то в диапазоне СВЧ, как правило, измеряется его мощность. При этом геометрические размеры объектов измерения многократно отличаются друг от друга (изделия микро­электроники и изделия антенной техники).

2. Поскольку основной объект исследования в радиотехнических цепях, устройствах и системах — электрический сигнал — является носителем ис­пользуемой информации, возникает необходимость наблюдения и исследова­ния формы и спектра электрических колебаний, а также генерирования их копий и образцов. Этим вызвано широкое применение в практике радиоиз­мерений приборов для наблюдения и регистрации колебаний (осциллогра­фов, анализаторов спектров) и источников электрических колебаний (изме­рительных генераторов).

3. Из-за сложности структуры современных радиотехнических систем и устройств и большого количества всевозможных параметров, описывающих их работу, характерно разнообразие измерений даже в одном эксперименте, необходимость комплексного их проведения, быстродействие, точность, а следовательно, автоматизация при современном статистическом характере измерений.

Практически любая схема измерения параметров радиотехнического уст­ройства работает следующим образом. Найденные значения параметров объ­екта измерения в виде электрических сигналов могут быть представлены прямо на устройстве отображения, т. е. измерены непосредственно. В другом случае эти же электрические сигналы, характеризующие измеряемые пара­метры объекта, подаются в компьютер. Сюда же заводятся заданные пара­метры объекта и внешней среды. После обработки по одному из способов сравнения (рассмотрены далее) результирующий сигнал подается на устрой­ство отображения. В последнем случае можно сказать об автоматизирован­ной системе измерения, управляемой компьютером. Очевидно, что точность измерений в этом случае будет значительно выше.


^ Физические свойства и величины

Любой объект окружающего мира характеризуется своими свойствами.

Свойство — философская категория, выражающая такую сторону объекта (процесса, явления), которая обусловливает его общность или различие с другими объектами (процессами, явлениями) и обнаруживается в его отно­шениях к ним. По своей сути свойство — категория качественная.

Для количественного описания различных свойств процессов и физических тел вво­дится понятие величины.

Величина — свойство чего-либо, которое может быть выделено среди других свойств и оценено тем или иным способом, в том числе и количест­венно.

Величина не существует сама по себе, она имеет место лишь постоль­ку, поскольку существует объект со свойствами, выраженными данной вели­чиной. Анализ различных величин позволяет разделить их на два вида: иде­альные и реальные.

^ Идеальные величины главным образом относятся к области математики и являются обобщением (моделью) конкретных реальных понятий. Они вы­числяются тем или иным способом.

^ Реальные величины, в свою очередь, делятся на физические и нефизиче­ские. Физическая величина в общем случае может быть определена как вели­чина, свойственная некоторым материальным объектам (процессам, явлени­ям, материалам), изучаемым в естественных (физика, химия) и различных технических науках. К нефизическим следует отнести величины, присущие неестественным наукам — философии, социологии, экономи­ке и т. д.

^ 1.2. Физические величины

Физическая величина — свойство, общее в качественном отношении для множества объектов, физических систем, их состояний и происходящих в них процессов, но индивидуальное в количественном отношении для каждо­го из них. Качественная сторона понятия «физическая величина» определяет «род» величины (например, электрическое сопротивление как общее свойст­во проводников электричества), а количественная — ее «размер» (сопротив­ление конкретного исследуемого проводника). Числовое значение результата измерения будет зависеть от выбора единицы физической величины. В част­ности, в популярном детском мультфильме при измерении длины удава в ка­честве единицы длины была выбрана длина попугая, Если же за единицу длины выбрать общепринятую единицу — метр, то числовое значение длины удава будет иным, хотя размер его остался прежним. Следует отметить, что размер физической величины существует объективно, независимо от того, определили мы его или не определили.

Практи­чески все радиотехнические величины, методы и средства измерения ко­торых рассматриваются в настоящем курсе, являются характерными приме­рами физических величин.

Физические величины целесообразно разделить на измеряемые и оцениваемые.

Измеряемые физические величины можно выразить количественно в виде определенного числа установленных единиц измерения.

^ Оцениваемые физические величины — величины, для которых по каким-либо причинам не может быть введена единица измерения, и они могут быть только оценены.

^ Размерность физической величины — количественная определенность физической величины, присущая конкретному предмету, системе, явлению или процессу.

Оценивание — операция приписывания данной физической величине оп­ределенного числа принятых для нее единиц, проведенная по установленным правилам.

Для более детального изучения физических величин их следует каким-либо образом классифицировать, выявив общие метрологические особенности отдельных групп. Одна из возможных, достаточно полных классифика­ций физических величин приведена на рис. 2.1.

(Рис. 2.1. Классификация физических величин)

По видам явлений физические величины делятся на следующие группы:

энергетические (активные), т. е. величины, описывающие энергетические характеристики процессов преобразования, передачи и использования энергии; к ним относятся ток, напряжение, мощность, энергия, заряд; они могут быть преобразованы в сигналы измерительной информации без ис­пользования вспомогательных источников энергии;

вещественные (пассивные), т.е. описывающие физические и физико-химические свойства веществ, материалов и изделий из них; из радиотехни­ческих величин — это электрическое сопротивление, емкость, индуктив­ность и др.; для их измерения необходим вспомогательный источник энер­гии, с помощью которого формируется сигнал измерительной информации; при этом пассивные физические величины преобразуются в активные, кото­рые и измеряются;

характеризующие временные процессы; к этой группе относятся раз­личного вида спектральные и поляризационные характеристики, корреляци­онные функции и др.

По принадлежности к различным группам физических процессов практи­чески все указанные физические величины делятся на пространственно-временные, механические, тепловые, электрические, магнитные, акустиче­ские, физико-химические, световые, ионизирующих излучений, атомной и ядерной физики.

^ По степени условной независимости от других величин данной группы физические величины могут быть основными, производными и дополнитель­ными. В настоящее время в наиболее распространенной международной сис­теме СИ используется семь физических величин, выбранных в качестве ос­новных: длина, время, масса, температура, сила электрического тока, сила света и количество вещества. Подробно деление физических величин по этому признаку рассмотрено в курсах физики и химии.

По наличию размерности физические величины делятся на размерные и безразмерные.

Значение физической величины — оценка размера физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц измерения. Числовое значе­ние физической величины — отвлеченное число, выражающее отношение значения величины к соответствующей единице данной физической величи­ны (например, 10 А — значение силы тока, причем само число 10 — это и есть числовое значение). Именно термин «значение» следует применять для выражения количественной стороны рассматриваемого свойства. Не­правильно, например, говорить и писать «величина тока», «величина напря­жения» и т. д., поскольку ток и напряжение сами являются величинами (пра­вильным будет применение терминов «значение силы тока», «значение на­пряжения» и пр.).

Для обозначения частных особенностей физических величин применяют термин параметр. Например, конденсатор характеризуют емкостью, а его параметрами можно считать тангенс угла потерь, температурный коэффици­ент емкости, индуктивность выводов. Иногда параметром называют саму из­меряемую физическую величину — амплитуду, фазу, частоту.

При выбранной оценке физической величины, как объективно сущест­вующим свойством объекта в данный момент времени, ее можно охарактери­зовать истинным, действительным и измеренным значениями.

Нахождение истинного значения измеряемой физической величины явля­ется главной проблемой метрологии.

Истинным значением физической величины называется значение физической величины, которое идеальным образом отражало бы в качественном и количест­венном отношениях соответствующее свойство объекта. Определить эксперимен­тально его невозможно вследствие неизбежных погрешностей измерения. По­грешность измерения — это отклонение результата измерения от истинного зна­чения измеряемой величины.

Положим, что измеряется диаметр круглого металлического диска. Не вызы­вает сомнения положение, что измерение диаметра диска можно проводить с все более и более высокой точностью, стоит лишь выбрать средство измерений соот­ветствующей точности. Но когда погрешность средства измерения достигнет размеров молекулы, обнаружится как бы размывание краев диска, обусловленное хаотическим движением молекул. Вследствие этого за некоторым пределом точ­ности само понятие диаметра диска потеряет первоначальный смысл и дальней­шее повышение точности измерения бесполезно. Следовательно, понятие «ис­тинного» значения диаметра в данном случае приобретает вероятностный смысл и можно лишь с определенной вероятностью установить интервал значений, в котором оно находится.

Одним из основных постулатов метрологии является положение о том, что истинное значение физической величины существует, однако определить его путем измерения невозможно.

В связи с тем, что истинное значение физической величины определить невозможно, в практике измерений оперируют понятием действительного значения, степень приближения которого к первому зависит от точности из­мерительного средства и погрешности самих измерений.

Действительным значением физической величины называется значение физической величины, найденное экспериментальным путем и настолько приближающееся к истинному значению, что для данной цели может быть использовано вместо него. Для действительного значения физической вели­чины всегда можно указать границы более или менее узкой зоны, в пределах которой с заданной вероятностью находится истинное значение физической величины. Действительное значение физической величины определяют по образцовым мерам и приборам, погрешностями которых можно пренебречь по сравнению с погрешностями применяемых рабочих средств измерения.

Под измеренным значением понимается значение величины, отсчитанное по отсчетному устройству средства измерения.

Важную роль в процессе измерения играют условия измерения — сово­купность влияющих величин, описывающих состояние окружающей среды и средства измерений.

^ Влияющая физическая величина — физическая величина, непосредствен­но не измеряемая средством измерения, но оказывающая влияние на него или на объект измерения таким образом, что это приводит к искажению результата измерения. Например, при измерении параметров транзистора влияющей величиной может быть температура, если параметры зависят от температуры.

В метрологии различают нормальные, рабочие и предельные условия из­мерений.

^ Нормальные условия измерений — это условия, при которых влияющие величины имеют нормальные или находящиеся в пределах нор­мальной области значения.

Нормальная область значений влияющей величины — это область значений, в пределах которой изменением результата из­мерений под воздействием влияющей величины можно пренебречь в соот­ветствии с установленными нормами точности. Нормальные условия изме­рений задаются в нормативно-технической документации на средства изме­рений.

Рабочими называются условия измерений, при которых влияющие величины находятся в пределах своих рабочих областей. ^ Рабочая область значений влияющей величины — область, в пределах которой нормируется дополнительная погрешность или изменение показаний средства измерения.

^ Предельные условия измерений — условия, характеризуемые экстремальны­ми значениями измеряемой и влияющих величин, которые средство измере­ния может выдержать без разрушений и ухудшения его метрологических характеристик.

^ Постоянная физическая величина — физическая величина, размер кото­рой по условиям измерительной задачи можно считать не изменяющимся за время, превышающее длительность измерения.

^ Переменная физическая величина — физическая величина, изменяющаяся по размеру в процессе измерения.

Физический параметр — физическая величина, характеризующая част­ную особенность измеряемой величины. Например, при измерении напряже­ния переменного тока параметром напряжения могут быть его амплитуда, мгновенное, средневыпрямленное или среднее квадратическое значения и пр.

^ Единица физической величины — физическая величина фиксированного размера, которой по определению условно присвоено стандартное числовое значение, равное единице. Она применяется для количественного выражения однородных физических величин.

Единицы физических величин подразделяются на основные и производ­ные и объединяются в соответствии с принятыми принципами в системы единиц физических величин.


^ 2.3. Международная система единиц

Единица измерения должна быть установлена для каждой из известных физических величин, при этом необходимо учитывать, что многие физиче­ские величины связаны между собой определенными зависимостями. Поэто­му только часть физических величин и соответственно их единиц могут оп­ределяться независимо от других. Такие величины называют основными.

Остальные физические величины (к ним относятся дополнительные и произ­водные) определяются с использованием физических законов и зависимостей через основные физические величины.

Совокупность основных и производных единиц физических величин, об­разованная в соответствии с принятыми принципами, называется системой единиц физических величин. Единица основной физической величины явля­ется основной единицей данной системы. Международная система единиц (система СИ; SI — от франц. — Systeme International — The International Sys­tem of Units) была принята XI Генеральной конференцией по мерам и весам в 1960 г. На территории нашей страны система единиц СИ установлена соот­ветствующим ГОСТом «ГСИ. Единицы физических величин».

К основным характеристикам системы СИ следует отнести:

универсальность, т. е. охват всех областей науки и техники;

унификацию всех областей и видов измерений;

возможность воспроизведения единиц с высокой точностью в соответ­ствии с их определением с наименьшей погрешностью для существующего уровня развития измерительной техники;

когерентность величин;

упрощение записи формул;

уменьшение числа допускаемых единиц;

единую систему образования кратных и дольных единиц, имеющих соб­ственные наименования;

облегчение педагогического процесса;

лучшее взаимопонимание при развитии научно-технических и экономи­ческих связей между различными странами.

В основу Международной системы СИ положены семь основных и две дополнительные единицы (самостоятельно найти и законспектировать)

Справочно:

В качестве основных приняты: метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль и канделла.

^ Метр равен расстоянию, которое проходит в вакууме плоская электро­магнитная волна за 1/299792458 долю секунды.

Килограмм — единица массы, определяемая как масса международного прототипа килограмма, представляющего собой цилиндр из сплава платины и иридия. Современное развитие науки пока не позволяет с достаточной сте­пенью точности связать килограмм с естественными атомными константами. До сих пор килограмм является чисто договорной единицей.

Секунда равна 9192631770 периодам излучения, соответствующего энер­гетическому переходу между двумя уровнями сверхтонкой структуры основ­ного состояния атома цезия-133.

Ампер — сила неизменяющегося тока, который, проходя по двум параллель­ным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой пло­щади кругового сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, вызывал бы силу взаимодействия, равную 2.10-7 Н (ньютон) на каждом участке проводника длиной 1 метр.

Кельвин — единица термодинамической температуры, равная 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды, т. е. температу­ры, при которой три фазы воды — парообразная, жидкая и твердая — нахо­дятся в динамическом равновесии.

Моль — количество вещества системы, содержащей столько же структур­ных элементов, сколько содержится в углероде-12 массой 0,012 кг. При при­менении моля структурные элементы должны быть специфицированы и мо­гут быть атомами, молекулами, ионами, электронами и другими частицами или группами частиц.

Канделла — сила света в заданном направлении источника, испускающе­го монохроматическое излучение частотой 540.1012 Гц, чья энергетическая сила излучения в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср (ср — стерадиан).

Дополнительные единицы международной системы СИ предназначены и используются для образования единиц угловой скорости, углового ускорения и некоторых других физических величин. К дополнительным физическим величинам системы СИ относятся плоский и телесный углы.

Угловые единицы не могут быть введены в число основных, так как это вызвало бы затруднение в трактовке размерностей физических величин, свя­занных с вращением (дуги окружности, площади круга и т. д.).

Радиан — угол между двумя радиусами окружности, длина дуги между которыми равна этому радиусу. В практических случаях часто используются такие единицы измерения угловых величин:

градус 1° = 2л/360 рад = 0,017453 рад;

минута 1'= 1°/60 = 2,9088.10-4 рад;

секунда 1"= 1’/60= 1°/3600 = 4,8481.10-6 рад.

Соответственно:

1 рад = 57°17'45" = 57,2961° = (3,4378 .103)' = (2,0627.105)".

Стерадиан представляет собой телесный угол с вершиной в центре сфе­ры, вырезающий на ее поверхности площадь, равную площади квадрата со стороной, равной радиусу сферы.

Измеряют телесные углы путем определения плоских углов и проведения дополнительных расчетов по формуле:



где α — телесный угол, ср — плоский угол при вершине конуса, образован­ного внутри сферы данным телесным углом.

Производные единицы системы СИ образуются из основных и дополни­тельных единиц. В табл. 2.2 и 2.3 приведены производные единицы, наибо­лее употребляемые в радиотехнике.

Таблица 1.2. Производные единицы СИ

Величины

Единицы

Наименование

Размерность

Наименование

Обозначени международное

русское

Частота

Т-1

герц

Hz

Гц

Энергия, работа, количество теплоты

L2MT-2

джоуль

J

Дж

Сила, вес

LMT-2

ньютон

N

Н

Мощнос