Метрология - Практическая №10
.docxПрактическая работа №10
Изучение задач и состава ГСИ
Основные метрологические понятия и термины сформулированы в ГОСТ 16263-70 «Государственная система обеспечения единства измерений. Метрология. Термины и определения». К сожалению, в последние годы именно в области метрологической терминологии отмечается большое количество противоречий и разногласий. Эти противоречия вызваны, как правило, существующими различиями в зарубежной и отечественной терминологии и необходимостью их единства.
В 1993 г. вышло 2-е издание Международного словаря основных и общих терминов в метрологии. Основной целью издания словаря явилось создание согласованной международной метрологической терминологии, общей для всех дисциплин.
Некоторые основные метрологические понятия, например «измерение», «физическая величина» и др., в словаре имеют иную трактовку или обозначаются другими терминами, чем в отечественной метрологии. Подобные различия должны постепенно устраняться.
Однако введенный в действие в 2001 г. нормативный документ РМГ 29-99 «ГСИ. Метрология. Основные термины и определения» вызвал справедливую критику, поскольку содержит ряд спорных определений. Наиболее острая дискуссия развернута вокруг термина «неопределенность измерений», связанного с неопределенностью условного истинного значения физической величины, обусловленного, в частности, неадекватностью измерительных моделей рассматриваемым объектам измерений. Вместе с тем новый термин «условное истинное значение», вместо «действительное значение», выглядит более предпочтительным, так как точнее отражает сущность понятия.
Первоначально единицы физических величин выбирались произвольно, без какой-либо связи друг с другом, что создавало большие трудности. Значительное число произвольных единиц одной и той же величины затрудняло сравнение результатов измерений, произведенных различными наблюдателями.
В каждой стране, а иногда даже в каждом городе создавались свои единицы физических величин. Перевод одних единиц физических величин в другие был очень сложен и приводил к существенному снижению точности результатов измерений.
Кроме указанного разнообразия единиц, которое можно назвать территориальным, существовало разнообразие единиц, применяемых в различных отраслях науки, техники, промышленности и т. п. В различных отраслях человеческой деятельности создавались новые единицы тех или иных величин, характерных для данной отрасли. Это разнообразие, которое мы называем условно отраслевым разнообразием единиц, к сожалению, существует и в настоящее время.
По мере развития науки, а также международных связей трудности использования результатов измерений возрастали и тормозили дальнейший научно-технический прогресс. Большой ущерб причиняла множественность единиц и науке.
Положение осложнялось еще тем, что соотношения между дольными и кратными единицами были необычайно разнообразны. В качестве примера приведем некоторые единицы длины, площади, объема, массы, применявшиеся в России до Октябрьской революции (по состоянию перед их отменой), и соотношения между ними и метрическими мерами:
1 аршин = 16 вершкам = 28 дюймам = 0,71120 м;
1 дюйм = 25,4 мм;
1 сажень = 3 аршинам = 7 футам = 2,1336 м;
1 фут = 12 дюймам = 304,8 мм;
1 верста = 500 саженям = 1,0668 км;
1 десятина = 2400 квадратным саженям = 10 925 м2;
1 четверть = 8 четверикам = 209 дм3 (209,9 л);
1 пуд = 40 фунтам = 16,38 кг;
1 фунт = 96 золотникам = 409,5 г;
1 золотник = 96 долям = 4,266 г.
Во второй половине XVIII в. в Европе насчитывалось до сотни футов различной длины, около полусотни различных миль, свыше 120 различных фунтов.
В 1790 г. во Франции было принято решение о создании системы новых мер, основанных на неизменном прототипе, взятом из природы, с тем, чтобы ее могли принять все нации. Было предложено считать единицей длины длину десятимиллионной части четверти меридиана Земли, проходящего через Париж. Эту единицу назвали метром. Для определения размера метра с 1792 по 1799 г. были проведены измерения дуги парижского меридиана.
За единицу массы была принята масса 0,001 м3 (1 дм3) чистой воды при температуре наибольшей ее плотности (+4 °С); эта единица была названа килограммом. При введении метрической системы была не только установлена единица длины, взятая из природы, но и принята десятичная система образования кратных и дольных единиц, соответствующая десятичной системе нашего числового счета. Десятичность метрической системы является одним из важнейших ее преимуществ.
Однако, как показали последующие измерения, в 1/4 парижского меридиана содержится не 10000 000, а 10 000 856 первоначально определенных метров. Но и это число нельзя было считать окончательным, так как еще более точные измерения могли дать другое значение.
Так как при дальнейших, более точных измерениях земного меридиана могли получиться другие размеры основной единицы длины, в 1872 г. Международной комиссией по прототипам метрической системы было решено перейти от единиц длины и массы, основанных на естественных эталонах, к единицам, основанным на условных материальных эталонах (прототипах).
В 1875 г. была созвана дипломатическая конференция, на которой 17 государств, в том числе и Россия, подписали метрическую конвенцию. В соответствии с этой конвенцией:
-
устанавливались международные прототипы метра и килограмма;
-
создавалось Международное бюро мер и весов – научное учреждение, средства на содержание которого обязались выделять государства, подписавшие конвенцию;
-
учреждался Международный комитет мер и весов, состоящий из ученых разных стран, одной из функций которого было руководство деятельностью Международного бюро мер и весов;
-
устанавливался созыв один раз в шесть лет Генеральных конференций по мерам и весам.
Были изготовлены образцы метра и килограмма из сплава платины и иридия. Прототип метра представлял собой платиноиридиевую штриховую меру общей длиной 102 см, на расстояниях 1 см от концов которой были нанесены штрихи, определяющие единицу длины – метр.
В 1889 г. в Париже собралась 1-я Генеральная конференция по мерам и весам, утвердившая международные прототипы из числа вновь изготовленных образцов. Прототипы метра и килограмма были переданы на хранение Международному бюро мер и весов.
После установления международных прототипов метра и килограмма 1-я Генеральная конференция распределила остальные образцы по жребию между государствами, подписавшими Метрическую конвенцию. Россия получила два метра (№ 11 и 28) и два килограмма (№ 12 и 26). Метр № 28 и килограмм № 12 были утверждены в качестве государственных эталонов России. Таким образом, в 1899 г. было завершено установление метрических мер.
Понятие о системе единиц физических величин ввел немецкий ученый К. Гаусс. По его методу построения систем единиц различных величин сначала устанавливают или выбирают произвольно несколько величин независимо друг от друга. Единицы этих величин называют основными, так как они являются основой построения системы единиц других величин.
Основные единицы устанавливают или выбирают таким образом, чтобы, пользуясь закономерной связью между величинами, можно было образовать единицы других величин. Под закономерной связью между величинами подразумевается возможность математически выразить зависимость одной величины от других. Единицы, выраженные через основные единицы, называют производными.
Полная совокупность основных и производных единиц, установленных таким путем, и является системой единиц физических величин.
Обратим внимание на три особенности описанного метода построения системы единиц величин.
Во-первых, метод построения системы не связан с конкретными размерами основных единиц. Устанавливаются или выбираются величины, единицы которых должны стать основой системы. Размеры производных единиц зависят от размеров основных единиц. Например, в качестве одной из основных единиц мы можем выбрать единицу длины, но какую именно – безразлично. Это может быть или метр, или аршин, или дюйм, или любая другая длина. Но производная единица измерения площади, определяемой как площадь квадрата, длина каждой стороны которого равна выбранной единице длины, будет зависеть от того, какая единица длины выбрана. Следовательно, для перечисленных выше единиц длины это будут квадратный метр, квадратный аршин, квадратный дюйм и т.д.
Во-вторых, построение системы единиц возможно для любых величин, между которыми имеется связь, выражаемая в математической форме в виде уравнения.
В-третьих, выбор величин, единицы которых должны стать основными, ограничивается соображениями рациональности и тем, что позволило бы образовать максимальное число произвольных единиц.
Величины, единицы которых принимают за основные, и величины, единицы которых образуются как производные, называют соответственно основными и производными. В этих наименованиях величин есть некоторая условность, так как они зависят от структуры построения системы единиц.
Было сформулировано еще одно дополнительное требование к системе единиц: она должна быть когерентна.
Когерентность (согласованность) системы единиц заключается в том, что во всех формулах, определяющих производные единицы в зависимости от основных, коэффициент всегда равен единице. Это дает ряд существенных преимуществ, упрощает образование единиц различных величин и проведение вычислений с ними.
Первоначально были созданы системы единиц, основанные на трех единицах. Эти системы охватывали большой круг величин, условно называемых механическими. Они строились на основе тех единиц физических величин, которые были приняты в той или иной стране. Предпочтение отдается системам, построенным на единицах длины – массы – времени как основных. Одной из систем, построенных по этой схеме для метрических единиц, является система метр – килограмм – секунда (МКС).
В научных трудах по физике до сих пор применяется система сантиметр – грамм – секунда (СГС), разработанная в 1861 – 1870 гг. и построенная по той же схеме: длина – масса – время. Система МКС, а также система СГС в части единиц механических величин когерентны.
В течение некоторого времени применяли так называемую техническую систему единиц, построенную по схеме длина – сила – время. При применении метрических единиц основными единицами этой системы является метр –килограмм-сила – секунда (МКГСС). Преимущество заключалось в том, что применение в качестве одной из основных единицы силы упрощало вычисления и выводы зависимостей для многих величин, применяемых в технике. Недостатком являлось то, что единица массы в ней получалась производной и равной приблизительно 9,81 кг. Это нарушало метрический принцип десятичности мер. Второй недостаток – сходность наименования единицы силы – килограмм-сила и метрической единицы массы – килограмм, что часто приводило к путанице. Третьим недостатком системы МКГСС являлась несогласованность с практическими электрическими единицами.
Некоторое время применялась система единиц метр – тонна – секунда.
Поскольку системы механических единиц охватывали не все физические величины, для отдельных отраслей науки и техники системы единиц расширялись путем добавления еще одной основной единицы. Так появилась система тепловых единиц метр – килограмм – секунда – градус температурной шкалы (МКСГ). Система единиц для электрических и магнитных измерений получена добавлением единицы силы тока – ампера (МКСА). Система световых единиц содержит в качестве четвертой основной единицы канделу (свечу) – единицу силы света.
Серьезные трудности встретились при применении системы СГС для измерения электрических и магнитных величин. Всего было составлено семь видов единиц СГС электрических и магнитных величин.
Большинство указанных недостатков было устранено введением единой универсальной Международной системы единиц (СИ), которая принята в настоящее время большинством стран.
Содержание отчёта:
Ответить на контрольные вопросы.
Контрольные вопросы:
-
Какой документ определяет метрологические термины и понятия?
-
Причины введения единых единиц измерения физических величин.
-
На чём основаны современные системы мер?
-
Что дала миру метрическая конвенция 1875 года?
-
Понятие о системе единиц физических величин.
-
Три особенности метода построения системы единиц величин.
Как отличаются между собой системы единиц СГС и СИ