Передача размера единицы массы от рабочего средства измерения до эталона

Министерство науки и образования Украины

Национальный аэрокосмический университет

им. Н. Е. Жуковского «ХАИ»

Кафедра 303

КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине «Эталоны»

На тему «Передача размера единицы массы от рабочего

средства измерения до эталона»

Харьков 2006 год

СОДЕРЖАНИЕ

Эталон массы- 3

Измерение массы- 4

Измерение силы- 9

Воспроизведение и передача единицы массы на примере весов автомобильных тензометрических- 12

Список используемых источников- 14

Эталон массы

Масса - физическая величина, одно из проявлений свойств материальной субстанции. Время, длина и масса, как основные физические величины, являются основой теоретической концепции релятивистской и квантовой механики. Они определяют возникновение и развитие жизни вообще и жизнедеятельность человека в частности.

Масса и различного рода поля являются атрибутом пространства-времени, пространство, время и масса существуют нераздельно. Масса - источник гравитационного потенциала и энергии Вселенной.

С одной стороны, масса входит в связь, которая существует между силой и ускорением (F=m•a), с другой - определяет величину силы притяжения (F=G•m•M•r/r³). Двойственная роль массы и вытекающее из нее равенство ускорения всех тел в одном и том же гравитационном поле известно как "принцип эквивалентности", лежащий в основе общей теории относительности (ОТО). Эквивалентность массы инертной и гравитационной установлена экспериментально с относительной погрешностью, не превышающей 10^-11.

Гравитация относится к слабым взаимодействиям, но расстояния, на которых действуют гравитационные силы, не ограничены. Природа сил тяготения теоретически пока не установлена и, по-видимому, существенно отличается от атомных и внутриатомных сил сильного взаимодействия, действующих на малых расстояниях. Ядерные силы, природа которых также пока неизвестна, действуют в пределах расстояний 10^-15 м. Согласование слабых и сильных взаимодействий, то есть полное теоретическое объединение релятивистской и квантовой механики, находится в стадии разработки.

Структура Вселенной обуславливается гравитационными взаимодействиями, распространяющимися со скоростью света. Насколько важна масса Вселенной как ее формирующее начало, можно понять из того, что согласно ОТО при плотности "материи" во Вселенной 10^-32 кг/м³ и более она обладает закрытой метрикой, то есть пространственно замкнута, а при меньшей плотности - пространственно разомкнута. Проблема определения средней плотности Вселенной является одной из важнейших в космологии и астрофизике, так как эта величина определяет направление ее эволюции.

Одним из парадоксов согласования релятивистской и квантовой механики является планковская фундаментальная масса m_р= (h•с/С)^1/2 = 2•10^-8 кг, физический смысл которой, с точки зрения релятивистской механики, неясен. Представляет интерес трактовка квантов (частиц) гравитационного поля как точечных энергетических возмущений этого поля, названных творцом ОТО Эйнштейном "гравитонами". Экспериментально эти частицы пока не обнаружены.

Массу тела как физическую величину определить непосредственно прямым методом пока не представляется возможным. Ее определяют через силу, действующую на тело в гравитационном поле (поле тяготения), через инерционную силу или энергию, затрачиваемую на воссоздание силы или сопротивление ей. Масса и сила неотделимы друг от друга.

Воспроизведение и хранение единицы массы является сложной научно-технической проблемой, над решением которой длительное время работают метрологи мира. Масса в настоящее время осталась единственной физической величиной, единица которой воспроизводится вещественным прототипом со всеми вытекающими отсюда недостатками. Единица массы пока не является естественно воспроизводимой на основе физических констант или устойчивых контролируемых физических явлений. И хотя передача единицы массы может быть осуществлена с относительной погрешностью не более 10^-9, воспроизведение ее обеспечено с погрешностью не менее 10^-8.

ИЗМЕРЕНИЕ МАССЫ

Возраст древнейших гирь и весов составляет около 5000 лет. Разделение труда привело к появлению излишков и, следовательно, меновой торговли. Поскольку продукты человеческого труда неравноценны, то постепенно человечество ввело понятие эквивалента человеческого труда - деньги. Первоначально денежные единицы, в большинстве случаев, совпадали с весовыми. Взвешивание всегда являлось частью товарно-денежного расчета. Теория весов развивалась поэтапно и до середины 20 столетия, в основном, сводилась к анализу рычажных систем. Античные ученые занимались невесомым и жестким рычагами. Во времена Возрождения исследовали вопросы рычага весомого и нелинейно деформируемого. Д.И.Менделеев рассмотрел проблему упругого коромысла Разработан­ный им метод точного взвешивания, учитывающий изгиб коромысла, используется и по сей день. В 70-х гг. прошлого столетия для построения весов стали использоваться в качестве первичного пре­образователя устройства упругодеформирующиеся и с магнитоэлектрической компенсацией нагрузки. В современных весах используются тензометрические, частотные, кварцевые, пьезо- и другие электрические первичные преобразователи.

Развитие теории и практики весостроения и измерения массы происходило в гармонии с развитием человеческой цивилизации. Интеграция общества требует использования единообразных единиц во избежание трудностей при взаимоотношениях государств. В конце 18 века во Франции было предложено разработать проект новой системы единиц. Одним из главных вопросов была воспроизводимость единиц. Поэтому в качестве единицы длины была взята часть земного меридиана, а единицу массы определили как массу 1 дм³ дистиллированной воды при температуре ее максимальной плотности +4 °С.

Создание метрической системы и ее основных единиц явилось большим достижением, способствовавшим развитию науки, техники и коммерческих связей. После изготовления платиноиридиевых прототипов метра и килограмма в 1867 г. было обнаружено, что длина меридиана вычислена неправильно, но было принято решение не изменять прототипы, а принять их значения за основные единицы.

На 3-й Генеральной конференции Комитета мер и весов в 1901 г. было дано официальное определение единицы массы, которое гласит:

"Килограмм - это единица массы, равная массе международного прототипа килограмма" [1]. Международный прототип килограмма представляет собой цилиндр, изготовленный из платиноиридиевого сплава (Pt - 90 %, Ir - 10 %), высота которого равна его диаметру и составляет 39 мм.

Кроме того, в большинстве стран существуют национальные прототипы килограмма, которые изготовлены из платиноиридиевого сплава или нержавеющей стали. Международные сличения национальных платиноиридиевых прототипов ки­лограмма проводились в Международном бюро мер и весов (МБМВ) в 1911, 1953 и 1992 гг.