Оглавление 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение

 

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

      В более широком плане метрология может быть определена как наука  об установлении (определении) количественных характеристик физических объектов.

      Предметом метрологии являются методы и средства измерений, а также методы и средства достижения и обеспечения установленной  точности.

      ГОСТ 16263 - 70 определяет следующие задачи метрологии: установление единиц физических величин, государственных эталонов и образцовых средств измерений, разработка теории, методов и средств измерений и контроля, обеспечение единства измерений и единообразных средств измерений, разработка методов оценки погрешностей, состояния средств измерения и контроля, а также передачи размеров единиц от эталонов или образцовых средств измерений рабочим средствам измерений.

      Основная  цель реферата – изучить основные физические величины. Для достижения поставленной цели, ставятся следующие задачи:

• дать понятие физической величине,
• изучить характеристики физической величины,
• определить основные физические величины и дать характеристику каждой из них,
• рассмотреть характеристики международной системы физических единиц СИ.

1. Физическая величина, ее характеристики

      Физическая величина – одно из свойств физического объекта (физической системы, явления или процесса), общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них.

      Единица измерения физической величины – физическая величина фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение, равное единице, применяемая для количественного выражения однородных с ней физических величин.

      Размер  физической величины – количественная определенность физической величины, присущая конкретному материальному объекту, системе, явлению или процессу. Предполагается, что размер физической величины существует объективно, вне зависимости от того, измеряется величина или нет.

      Значение  физической величины – выражение  размера физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц. Конкретное значение величины является результатом ее измерения.

      Истинное  значение физической величины – значение физической величины, которое идеальным  образом характеризует в качественном и количественном отношениях соответствующую физическую величину.

      Действительное  значение физической величины – значение физической величины, полученное экспериментальным путем и настолько близкое к истинному значению, что в поставленной измерительной задаче может быть использовано вместо него. [3, 6].

      Измерение физической величины – совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения (в явном или неявном  виде) измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой величины (установление значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств).

      Результат измерения физической величины (значение величины, полученное путем ее измерения) – установленное значение величины, характеризующей свойство физического объекта, представляемое действительным числом с принятой размерностью (размерность определяется выбранной единицей измерений).

      Мера  физической величины – средство измерений, предназначенное для воспроизведения и хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью. [3, 8]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2. Основные физические величины

      Генеральная конференция по мерам и весам в 1954 году определила шесть основных единиц физических величин для их использования в международных отношениях: метр, килограмм, секунда, ампер, градус Кельвина и свеча. XI Генеральная конференция по мерам и весам в 1960 г. утвердила Международную систему единиц, обозначаемую SI, на русском языке СИ. В последние годы Генеральная конференция приняла ряд дополнений и изменений, в результате чего в системе стало семь основных единиц, дополнительные и производные единицы физических величин, разработала определения основных единиц:

• единица длины – метр;
• единица массы – килограмм;
• единица времени – секунда;
• единица силы электрического тока – ампер;
• единица термодинамической температуры – кельвин;
• единица количества вещества – моль;
• единица силы света – кандела.

2.1 Единица длины

      В 1983 г. на XVIII Генеральной конференции по мерам и весам было принято определение метра. По этому определению единица длины – метр – представляет собой расстояние, проходимое светом за 1/299 792 458 долю секунды. Введению такого определения способствовало внедрение в эталонную технику лазеров. При этом размер единицы длины не изменился. Основными нововведениями были переход от крептоновой лампы к лазерному излучению в источнике света на эталонных установках; использование в качестве основного постулата постоянство скорости света с = 2,997925 * 10⁸ м/с; объединение в одном эталоне воспроизведения размера трех величин: длины, времени и частоты; использование в эталоне источников света на пяти различных длинах волн. [

      Для воспроизведения единицы длины  используется интерферометр Майкельсона. В интерферометре входящий световой пучок расщепляется на два, направленных по разным путям. На выходе световые пучки  сходятся. [3, 13].

В зависимости  от разности оптических длин пройденных можно определить разность хода: 

где n – показатель преломления среды;

l – геометрическая длина пути.

      Условие максимума интерференционной картины:

      

где λ – длина  волны лазера.

      Условие минимума:  

2.2 Единица массы

 

      В качестве основной механической единицы  XI Генеральной конференцией по мерам и весам была утверждена единица мамы – килограмм – масса вещества, равная массе прототипа килограмма.

      Прототип  килограмма находится в Международном  бюро по мерам и весам в Севре  под Парижем. Он представляет собой  цилиндр из сплава 90% платины и 10% иридия диаметром 39 мм и такой же высоты.

      Для обеспечения единства измерений  массы было изготовлено большое количество прототипов массы. Точность изготовлений прототипов обеспечена на уровне 10^-8 относительной погрешности. Прототипы аттестованы в Международном бюро по мерам и весам. В Россию в 1889 г. был направлен прототип № 12, который хранится во Всероссийском НИИ метрологии им. Д. И. Менделеева в Санкт-Петербурге.

      По  определению первоначально прототип массы должен был совпадать с массой одного кубического дециметра воды при ее наибольшей плотности при температуре 3,98 ^оС и давлении 101 325 Па.  Однако было определено, что максимальная плотность воды равна 0,999972 г/см³, т.е. прототип массы оказался на 28 мкг больше. [4, 15]. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2.3 Единица времени

      Измерение времени человек естественно  связывает с движением Земли  вокруг своей оси и вокруг Солнца. Так продолжительность суток разбивается на часы, минуты, секунды: t = 24*60*60 = 86 400 c.

      Однако  продолжительность суток в разное время года различная, поскольку  Земля движется вокруг Солнца по эллиптической  орбите.

      Международным бюро по мерам и весам в 1956 г. было принято определение так называемой эфемеридной секунды: 1с = (1/31 556 925,9747) тропического года 1900.

      Тропический год составляет 365,24220 средних солнечных  суток. Продолжительность тропического года превышает целое число суток  примерно на четверть. Поэтому каждый четвертый год становится високосным.

      Такое определение сохранялось до тех  пор, пока не встала проблема определения  единицы времени с относительной  погрешностью не хуже 10^-10.

      В 1967 г. Международный комитет по мерам и весам принял определение единицы времени. Единица времени – секунда – равна продолжительности 9,192631770 * 10⁹ колебаний излучения при квантовом переходе между линиями сверхтонкой структуры атома цезия ¹³³Cs, соответствующих переходу (F=4; m_F = 0) (F=3; m_F = 0) основного состояния ²S_1/2.

      Эталон  единицы времени реализован на установке  для наблюдения резонанса в атомном  цезиевом пучке – установке для воспроизведения единицы частоты системы СИ – герц. Зафиксировав резонанс атомного пучка на частоте 9 192 631 770 Гц, эталон воспроизводит единицу времени - секунду. [2, 14]. 
 
 
 
 

2.4 Единица силы тока

 

      Введение  произвольной электрической единицы в практику измерений впервые было предложено на Международном конгрессе электриков в Чикаго в 1893 г. Было предложено ввести две абсолютные практические единицы электрических величин: один вольт и один ампер для измерения напряжения (разности потенциалов) и силы постоянного электрического тока. На практике силу постоянного электрического тока определяли по тем действиям, которые он оказывал на окружающую среду.

      Ампер – сила неизменяющегося тока, который  при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной  длины и ничтожно малой площади  кругового сечения, расположенным  на расстоянии 1 м один от другого  в вакууме, вызвал бы между этими проводниками силу, равную 2*10^-7 Н на участке диной 1 м.

      В 1948 г. в основу эталона ампера были положены токовые весы. Последние представляют собой рычажные равноплечие весы, в которых подвешенная подвижная катушка уравновешивается грузом. Подвижная катушка входит в неподвижную коаксиально расположенную катушку. При прохождении по этим последовательно соединенным катушкам постоянного электрического тока подвижная катушка опускается. Для достижения равновесия на противоположное плечо необходимо положить груз. По его массе  и судят о силе электрического тока. Погрешность такого эталона не превышает 10^-3%.

      Введение  в метрологическую практику эталона вольта на основе эффекта Джозефсона и эталона ома на основе эффекта Холла позволило повысить точность воспроизведения тока на два порядка. Современный эталон ампера состоит из двух комплексов: комплекс для установления ампера через вольт и Ом с использованием эффекта Джзефсона и эффекта Холла, который включает в себя меру напряжения, меру электрического сопротивления, сверхпроводящий компаратор тока и регулируемые источники тока;

      Комплекс  для установления размера ампера через фарад, вольт, секунду включает в себя блок с набором мер постоянной емкости, интегратор, измерительный блок с частотомером, цифровым вольтметром и компаратором. [4, 16].

      Эталон  обеспечивает воспроизведение единицы  силы тока со средним квадратическим отклонением результата измерений, не превышающим 5*10^-8. А при номинальном значении силы тока 1 А, и систематической погрешностью, не превышающей 2*10^-8 А при номинальном значении силы тока 1*10^-3 А.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

2.5 Единица термодинамической температуры

      Термодинамическая температура является универсальной  физической величиной. Она характеризует  состояние многих физических тел  и процессов.

      Единица термодинамической температуры  – кельвин – определяется как 1/273,16 часть термодинамической температуры  тройной точки воды.

      На  эталонном уровне строится шкала  термодинамической температуры, при  этом используются температуры плавления  и затвердевания чистых веществ.