МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ
ФИЗИЧЕСКИЙ ФАКУЛЬТЕТ
Е. И. Пальчиков
ВВЕДЕНИЕ В ТЕХНИКУ
ФИЗИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА
МЕТРИЧЕСКАЯ СИСТЕМА МЕР.
ИЗМЕРЕНИЕ ДЛИНЫ, ВРЕМЕНИ И ЧАСТОТЫ.
ЭТАЛОНЫ
Учебное пособие
Новосибирск
2001
ББК Ж101/102; Ж107.1/Ж107.7
УДК 389.1; 53.082.1+531.76
Пальчиков Е. И. Введение в технику физического эксперимента. Метрическая система мер. Измерение длины, времени и частоты. Эталоны: Учеб. пособие / Новосиб. гос. ун-т. Новосибирск, 2001. 109 с.
ISBN 5-94356-028-9
В пособии изложен материал четырёх лекций курса введения в технику физического эксперимента, читаемого с 1989 г. для студентов первого курса физического факультета Новосибирского государственного университета. В сокращённом виде с 2000 г. курс читается также на факультете информационных технологий. Первые три лекции курса посвящены ошибкам измерений и статистической обработке результатов эксперимента. Эти темы изложены во многих известных монографиях и учебниках, поэтому в данном пособии они опущены. Следующие четыре лекции (№ 4 – № 7) представляют собой единый блок, посвящённый самым точным измерениям в экспериментальной физике (до 14 значимых десятичных разрядов). Информация по данной тематике рассеяна во множестве специальных публикаций и практически недоступна студенту.
Пособие рассчитано на научных работников, аспирантов и студентов естественнонаучных специальностей, интересующихся методами измерения времени, частоты, расстояний и координат. Материал лекций содержит большое количество справочной информации, по уровню изложения доступен школьникам старших классов.
Рецензент
канд. физ.-мат. наук В. С. Пивцов
Печатается по разрешению редакционно-издательского совета НГУ,
специальность «Физика»
ISBN 5-94356-028-9 Ó Новосибирский государственный
университет, 2001
Знания об окружающем нас мире приобретаются посредством измерений. Чем точнее измерения, тем полнее наши знания.
Самыми первыми, примитивными, но регулярно проводимыми измерениями были измерения времени. Это диктовалось необходимостью правильной организации сельскохозяйственных работ и распределения рабочего времени в течение дня. Тогда же с развитием социальной структуры общества понадобилось всё более точное измерение площадей, расстояний, объёма и массы.
Важнейшей задачей экспериментальных научных исследований является обеспечение единства измерений, которое достигается путем точного воспроизведения, хранения и передачи единиц физических величин средствами измерений. Оно осуществляется с помощью поверочной схемы – метрологической цепи передачи размеров единиц, где высшим звеном являются эталоны (стандарты). Такие схемы должны существовать для каждого вида измерений.
Исторически, в начале создания системы эталонов наиболее востребованными являлись эталоны длины и массы. По-видимому, это было связано с потребностями торговли и производства. С развитием промышленности, естественных наук и точной навигации увеличилась потребность в более точном измерении времени. В настоящее время среди шести основных единиц физических величин в практической деятельности чаще используются единицы длины и частоты (времени). Эталоны этих единиц наиболее точны и воспроизводимы.
С 1960 г. действующей системой единиц является СИ (SI – Sisteme International, Система Интернациональная). В неё входит шесть основных единиц:
а) длины – метр;
б) массы – килограмм;
в) времени – секунда;
г) силы электрического тока – ампер;
д) термодинамической температуры – градус Кельвина;
е) силы света – свеча
и две дополнительных единицы:
ж) плоского угла – радиан;
з) телесного угла – стерадиан.
Первые три единицы системы служат для образования производных единиц в области механики и акустики. В дополнение к ним для образования электрических и магнитных единиц служит ампер, для образования тепловых единиц – градус Кельвина и световых – свеча. В настоящее время в метрологический ГОСТ России включено 27 производных единиц.
В данном учебном пособии рассмотрены два вида единиц, способы их измерения и эволюция их эталонов. Это длина и время (частота). Измерение именно этих величин даёт в настоящее время самую высокую точность результатов в экспериментальных исследованиях.
Ах, как опаздываю я – почти что нá день целый.
За два кило пути я на два метра похудел…
(В. С. Высоцкий, песня Белого Кролика
к сказке «Алиса в стране чудес»)
Краткий исторический обзор
1. Метрическая система мер (МСМ) предложена во времена Французской революции 1791 г. (подробнее о введении МСМ см. приложение № 1 и книги [1, 2]).
Предлагаемая единица – 1 метр – должна была составить 1/40000000 часть Парижского меридиана. Уже после изготовления эталона, в 1799 г. была обнаружена ошибка измерения длины меридиана, а также было показано, что размеры Земли являются ненадежной основой для единицы длины. Несмотря на это, изготовленный в Париже метр был рекомендован в 1867 году Международной геодезической конференцией в качестве прототипа для изготовления нового Европейского эталона метра.
2. В 1875 г. 17 стран (в том числе и Россия) подписали метрическую конвенцию.
3. МСМ в России допущена 4 июня 1899 г. Проект разрабатывал Д. И. Менделеев.
4. МСМ введена обязательной в России с 14 сентября 1918 г. (Декрет СНК РСФСР).
5. МСМ введена обязательной в СССР 21 июля 1925 г.
6. До введения метрической системы мер в России были приняты следующие единицы длины:
а) 1 вершок =
44,45 мм = 
дюйма;
б) 1 аршин = 16
вершков = 28 дюймов = 0,7112 м = 2 
фута;
в) 1 сажень = 48 вершков = 3 аршина = 2,1336 м = 84 дюйма = = 7 футов;
г) 1 верста = 500 саженей = 1066,8 м.
Легко видеть, что верста мало отличается от километра. Также десятина (квадрат со стороной в 1/10 версты) мало отличается от гектара. Возможно это в какой-то мере снизило психологический барьер принятия метрической системы мер в России.
7. В 1889 г. было изготовлено 30 эталонов метра. России передали эталоны номер 11 и 28. Точность эталонов составляла 0,2 – 0,3 мкм. С такой среднеквадратичной ошибкой можно измерять и сличать длины оптическими методами на штриховых эталонах.
8. До 1960 г. в России именно эталон номер 28 был эталоном метра. При этом в последние годы вторичные эталоны изготавливались в виде концевых мер, что позволяло увеличить точность по сравнению со штриховыми мерами. (Подробнее о концевых мерах см. приложение № 2).
9. Обращение к эталону неизбежно приводило к снижению его эталонных свойств. Предполагают также, что из-за перекристаллизации материала за полвека эталон укоротился на 0,5 мкм. Вместе с тем росли требования к точности измерения длины, которые вынудили со временем искать естественный и неразрушимый эталон. Появление в начале XX века интерферометра Майкельсона (подробнее см. Приложение № 3 «Интерферометры») и практических работ по интерференции дало возможность выражать длину отрезка через число укладывающихся на нем длин волн. Точность измерений и значение длины, которую можно было измерить, определяли источники монохроматического излучения. Наибольшей длиной когерентности (200 мм) среди известных тогда источников излучения обладала линия кадмия 0,6438 мкм, ставшая первым стандартом длин волн.
Уважаемый посетитель!
Чтобы распечатать файл, скачайте его (в формате Word).
Ссылка на скачивание - внизу страницы.