Цели и задачи изучения дисциплины "Физические основы измерений". Структура дисциплины

1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ

В условиях рыночной экономики важнейшим инструментом успешной деятельности предприятий различного профиля становится качество получаемой измерительной информации. Поэтому в учебный план специальности 190600 – “Инженерное дело в медико‑биологической практике” включена дисциплина “Физические основы измерений”.

Цель изучения дисциплины – формирование у студентов понимания как физических основ современных методов измерений, так и естественных пределов достижимой точности измерений; подготовка студентов к изучению последующих общепрофессиональных и специальных дисциплин.

Основные задачи дисциплины – изучение физических понятий, представлений, закономерностей и явлений в контексте их использования при измерениях, решении вопросов метрологического обеспечения разработки, производства и эксплуатации промышленной продукции в условиях постоянной и закономерной смены поколений средств, методов и элементной базы при создании измерительной техники на основе новых физических принципов.

В результате изучения дисциплины студент должен:

-  знать фундаментальные физические законы и явления, применяемые в метрологии и измерительной технике;

-  уметь применять физические знания для решения измерительных задач, обеспечения единства и качества измерений;

-  иметь представление о перспективных для метрологии и измерительной техники направлениях развития физической науки, последних достижениях в этой области.

Дисциплина “Физические основы измерений” базируется на соответствующих разделах дисциплин “Высшая математика”, “Физика”, “Метрология, стандартизация и сертификация” и, в свою очередь, является базой для изучения вопросов метрологии и технических измерений в специальных дисциплинах.

2. СТРУКТУРА ДИСЦИПЛИНЫ

3. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ

3.1. РАБОЧАЯ ПРОГРАММА

(объем дисциплины 100 часов)

ВВЕДЕНИЕ

Предмет, задачи и содержание дисциплины. Роль и место измерений и измерительной техники в системе естественных наук. Взаимозависимость теоретической и прикладной метрологии с другими базовыми дисциплинами. Физическое содержание процесса измерения. Пределы измерений основных физических величин в науке и технике. Фундаментальные физико‑метрологические проблемы.

Структура дисциплины, её связь с другими специальными дисциплинами.

3.1.1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Измерение как процесс познания окружающего нас мира. Элементы современной физической картины мира и метрология. Роль измерений в теории отражения. Наблюдение, измерение, эксперимент. Физические величины как меры свойств объектов и явлений материального мира. Сущность измерений, измерительное преобразование. Измерения в технике. Стабильность – необходимое условие достижения точности, единства и достоверности измерений. Нестабильность, постоянные и необратимые изменения Вселенной, самодвижение материи. Значение физической величины и результат измерения. Основные характеристики результата измерения. Физическое и математическое моделирование в практике измерений. Классификация физических величин: экстенсивные и интенсивные величины. Основные этапы измерений, аксиомы теории измерений. Современные достижения в измерении различных физических величин.

3.1.2. РАЗМЕРНОСТИ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН. ЕДИНИЦЫ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Размерности физических величин. Размерные и безразмерные величины. Установление функциональных связей между физическими величинами путем сравнения их размерностей. Методы теории подобия и размерностей в научных исследованиях.

Шкалы порядка, интервалов, отношений. Единицы физических величин.

Системы единиц и их эволюция. Конвенциональность систем единиц, суть главного принципа построения и конструирования систем единиц физических величин. Классы систем единиц. Согласованные (когерентные) системы единиц. Международная система единиц. Внесистемные единицы, особенности выбора единиц.

3.1.3. ТОЧНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЙ И ЕЕ ПРЕДЕЛЫ. МЕТОДЫ УМЕНЬШЕНИЯ НЕОПРЕДЕЛЕННОСТИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

Точность измерений и ее характеристики. Неопределенность результата измерения как отражение отсутствия точного знания значения измеряемой величины. Принципиальная невозможность полного устранения неопределенности результатов измерений. Возмущающие факторы. Самодвижение материи как фундаментальный источник неопределенности результатов измерений и его конкретные проявления – необратимость, инерция, тепловые и квантовые флуктуации, шумы нетеплового характера. Соотношение неопределенностей Гейзенберга. Принцип дополнительности. Фундаментальные пределы точности измерений. Шумы. Броуновское движение. Формула Найквиста. Тепловой шум. Дробовый эффект. Принципы выделения сигнала на фоне шумов. Устранимые и неустранимые возмущающие эффекты и воздействия. Метод и методика физических измерений. Основные методы увеличения точности результатов измерений. Физическая сущность методов перестановки, замещения, противопоставления по знаку. Нулевой метод, разностный метод. Соотношение между точностью измерений и быстродействием.

3.1.4. КВАНТОВЫЕ ЭФФЕКТЫ И КВАНТОВАЯ МЕТРОЛОГИЯ

Несоответствие уровня стабильности параметров объектов макро – и мегамира требованиям современной метрологии. Потенциальные ресурсы стабильности параметров физических объектов микромира. Фундаментальные физические константы и универсальные постоянные, используемые в метрологии. Константы микро‑ и макромира, переходные константы. Использование квантовых переходов между энергетическими уровнями электронов для воспроизведения единиц времени, частоты и длины. Воспроизведение и представление единиц физических величин. Эффект Джозефсона и квантовый эффект Холла как основа для создания эталонов электрического напряжения и сопротивления. Явления сверхпроводимости в практике измерений. Ядерный магнитный резонанс, эффект Зеемана, эффект Мессбауэра и другие эффекты квантовой физики, их использование в метрологии. Физико‑техническое обеспечение инженерных решений проблемы передачи стабильности объектов микромира макроскопическим объектам измерительных приборов и систем.

3.1.5. ЭТАЛОННАЯ БАЗА