Физические измерения. Виды измерений

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

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

Чтобы измерить физическую величину, необходимо: 1) установить единицу измерения этой величины (выбрать эталон); 2) иметь проградуированные в требуемых единицах с необходимой точностью средства измерения; 3) выбрать наиболее целесообразную методику измерений; 4) провести с помощью имеющихся средств измерения экспериментальное сравнение измеряемой величины с выбранным эталоном; 5) дать оценку допущенной при измерениях погрешности.

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

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

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

Наблюдения за показаниями приборов следует проводить так, чтобы шкала или табло прибора были хорошо видны экспериментатору под нужным углом (часто для ликвидации таких ошибок измерений в приборах вводится зеркальная шкала: стрелка прибора и её отражение при измерении должны быть совмещены).

Форма записи экспериментальных результатов должна быть чёткой и компактной. Для этого специально разрабатываются таблицы, приведённые в методических указаниях к каждой лабораторной работе и именно в эти таблицы, скопированные студентами на бланк работы, и следует производить запись результатов с учётом единиц измерений и цены деления прибора. При этом, если заранее не задаётся необходимая точность результата, то надо стараться записать результат измерения с наибольшей возможной точностью, которую даёт прибор (т.е. записывать максимально возможное число значащих цифр). Для сокращения числа нулей в полученных значениях измеряемой величины (тех нулей, которые не являются значащими цифрами), удобно для всей строки или столбца таблицы указывать десятичный множитель 10ⁿ (например, для того чтобы не писать лишние нули в значениях плотности тел, измеренных в кг/м³ с точностью до двух значащих цифр, для всей строки таблицы, в которую заносятся плотности тел, перед единицей измерения ставится множитель 10³: так для плотности воды в соответствующей клеточке таблицы вместо 1000 будет стоять 1,0). Отметим, однако, что не следует при измерениях, во что бы то ни стало, добиваться большей точности, чем это необходимо в поставленной задаче. Например, если требуется знать длину досок, приготовленных для производства тары, то не требуется проводить измерения с точностью, скажем, до микрона. Или, если при проведении косвенных измерений, значение какой-либо из измеряемых величин ограничено некоторой точностью (выраженной в определённом количестве значащих цифр), то не имеет смысла стараться измерять другие величины с много большей точностью, чем эта. Так, если плотность воды известна с точностью до двух значащих цифр, то, если потом потребуется находить массу воды в стакане, следует измерять ёмкость стакана (а это приблизительно 200 см³) только с точностью до двух-трёх значащих цифр, то есть не большей, чем 1 см³.

Графики функций строят на миллиметровой бумаге, причём разметка осей координат выбирается удобной по масштабу и состоит из равноотстоящих и не слишком частых отметок. Не обязательно, чтобы на осях был отмечен ноль как начало координат: следует использовать именно интервал полученных экспериментальных значений. Масштаб по осям должен соответствовать погрешностям измерений. При этом желательно добиваться того, чтобы экспериментальная кривая располагалась в центральной части графика. На осях указываются обозначения физических величин и их единицы измерений. Для больших или малых значений величин N следует откладывать их по осям без множителя 10ⁿ, а у соответствующей оси сделать обозначение N×10^-n. На графике обязательно должны быть отмечены экспериментальные точки (если кривых несколько – можно для экспериментальных точек использовать разные обозначения: крестики, кружочки, треугольники и т.д., а кривые проводить разными по цвету или виду линиями: штриховыми, штрихпунктирными и т.д.). График подписывают, определяя содержание графика и объясняя, при каких условиях получены соответствующие зависимости.