- •Предисловие
- •1. Физический континуум
- •1.1. Материя и движение
- •1.2. Элементы современной физической картины мира
- •1.3. Физические величины и их единицы
- •1.4. Теория отражения
- •2. Фундаментальные физические константы и их использование при выборе единиц физических величин
- •2.1. Константы макромира
- •2.2. Константы микромира
- •3. Высокостабильные квантовые эффекты и их использование для воспроизведения единиц физических величин
- •3.1. Квантовые переходы
- •3.2. Эффекты Холла и Джозефсона
- •4. Некоторые физические явления, используемые при высокоточных измерениях
- •4.1. Классификация явлений
- •4.2. Электромагнитные явления
- •4.3. Резонансные явления на квантовом уровне
- •5. Фундаментальные физические законы, используемые в измерительной технике
- •5.2. Использование в измерительной технике законов электромагнетизма
- •5.3. Использование в измерительной технике тепловых законов
- •Библиографический список
- •Предметный указатель
Производные единицы СИ образуются из основных и дополнительных по определенным правилам.
1.4. Теория отражения
[5], с. 6... 11; 17... 20
В результатах измерений всегда отражается реальный мир. В качестве объектов измерения могут выступать вещества (тела и среды), энергия и информация, циркулирующие в природе, технологических процессах, машинах и системах. В общем случае объекты измерений, например, тела, характеризуются множеством независимых и взаимосвязанных параметров. К таким параметрам можно отнести геометрические размеры, массу,
температуру и т.д.
При любом измерении всегда измерительная процедура состоит в сравнении неизвестного размера с известным, информация о котором заложена в мере данной физической величины заданного размера.
Теория измерительных приборов, главным содержанием которой является учение о точности, причинах возникновения ошибок и методах их уменьшения, базируется на ряде физических принципов, которые составляют аксиоматику измерительной техники. Эти аксиомы (или принципы) определяют принципиальные или практические ограничения на достижимые точности.
Принципиальные ограничения обусловлены дискретностью измеряемых величин (например, нельзя измерить заряд, меньший заряда электрона) или флюктуациями, определяемыми дискретностью вещества и энергии.
На квантово-механическом уровне предельные точности определяются принципом неопределенности Гейзенберга, а на молекулярном уровне – законами термодинамики.
Практические ограничения вызываются несовершенством технологий производства средств измерений (СИ), технологией измерения,
8
нестабильностью материалов, из которых сделаны приборы, влиянием внешних и внутренних возмущений на приборы и т.д.
Принцип неопределенности Гейзенберга заключается в том, что невозможно одновременно точно измерить координаты (х, у, z) и импульсы (Рx, Рy, Рz) частицы. Этот принцип справедлив на квантомеханическом уровне.
Принцип неопределенности Найквиста может быть описан неравенством, представляющим собой ограничение, накладываемое на точность измерения на молекулярном уровне:
P · t ≥ Wш, где P · t – энергия измеряемого сигнала; Wш – энергия шума;
t – время измерения.
Принцип взаимодействия прибора и объекта измерения
заключается в том, что при этом взаимодействии при получении информации от объекта сам объект затрачивает энергию.
В ряде случаев прибор оказывает влияние на объект, меняя его характеристики. Все это приводит к изменению измеряемой величины и возникновению ошибок.
Принцип несовершенства полезных сигналов состоит в том, что воспроизводимые прибором измеряемые сигналы, как правило, засорены помехами, что является причиной возникновения ошибок.
Принцип технологического несовершенства приборов состоит в том, что невозможно создать измерительный прибор, характеристики которого точно соответствовали бы проектным характеристикам – вследствие несовершенства технологического процесса изготовления прибора и его элементов. Технологическое несовершенство характеризуется совокупностью параметров и характеристик таких, как: неточность изготовления деталей и элементов; настройки и регулировки прибора; выдерживания режимов тепловой обработки (закалки, отжига и т.д.); обработки поверхностей и т.д.
9
Принцип воздействия внешних возмущений на прибор заключается в том, что сигналы в приборах подвергаются влиянию внешних возмущений (электромагнитных и гравитационных полей, полей ускорений и вибраций и др.), приводящему к появлению ошибок при измерениях. Возмущающие факторы, взаимодействуя с сигналами в приборе, изменяют их, что и приводит к ошибкам.
Принцип несовершенства технологии измерения заключается в том,
что любое измерение даже при идеальном приборе не может быть абсолютно точным, поскольку сама технология измерения несовершенна (неточность снятия показаний и установки прибора, конечное время произведения измерения, непостоянство внешних условий и т.д.).
Вышеприведенные принципы указывают на наличие предельных ограничений, накладываемых природой и уровнем развития техники на точность измерений, и показывают принципиальную невозможность полного устранения неопределенности результатов измерений.
10