Прямые измерения основных физических величин

Измерением называют экспериментальное определение качественного значения физической величины с помощью специально для этого предназначенных измерительных приборов и устройств. Физическая величина характеризует определенную особенность физического объекта или явления, отображает их свойства, состояние или происходящие в них процессы. Измерение физической величины включает в себя наблюдение и выполнение необходимых математических операций по определению результата измерения. Все измерения делятся на две группы.

Прямое измерение – измерение, при котором физическая величина может быть получена непосредственно в процессе наблюдения. Примером прямых измерений являются: измерение температуры термометром, давления – барометром. длины – линейкой, времени – секундомером и т.д.

Косвенное измерение – измерение, при котором искомое значение физической величины получают на основании ее зависимости от величин, измеренных прямо.

Имеется огромное количество физических величин, которые измеряются как прямыми, так и косвенными методами. Однако, можно выделить основные физические величины, измерения которых проводятся наиболее часто, либо по результатам измерения таких величин можно судить об остальных физических параметрах. К таким измерениям можно отнести измерение линейных размеров, времени, температуры, массы.

Простейшей мерой длины является линейка, отградуированная по эталону в единицах длины. Разновидностью линеек являются гибкие меры длины: рулетки, метры и т.д. Точность этих приборов не велика, сказывается тепловое расширение, измерение размеров при хранении и эксплуатации. Приборную погрешность указанных инструментов принято считать равной половине цены деления.

Большей точности достигают в приборах с нониусом, например, в штангенциркуле. При определении размеров тел штангенциркулем объект измерения помещается между измерительными губками, выполненными из твердого сплава. Размер объекта определяется по положению измерительной рамки, перемещающейся вдоль штанги со штриховой шкалой. На штанге нанесена основная шкала с ценой деления , а на рамке – дополнительная штриховая шкала – нониус. Каждое деление нониуса l_n меньше деления основной шкалы b. Цена деления нониуса равна цене одного деления основной шкалы, деленной на число делений нониуса: .При перемещении нулевого штриха нониуса между делениями основной шкалы штрихи нониуса поочередно совпадают со штрихами основной шкалы. Первоначально со штрихом основной шкалы совпадет 1-й штрих нониуса, затем 2-й. 3-й и т.д. таким образом, указателем для нониуса служит штрих основной шкалы, совпадающий со штрихом нониуса. Результат измерения определяется целым числом делений основной шкалы. к которому добавляется дробная часть. Целое число делений основной шкалы (число миллиметров) указывает нулевой шрих нониусной шкалы. Число десятых делений миллиметра берется при отсчете по нониусу и равно номеру этого штриха нониуса, умноженному на l_n. На рисунке1.1 а, например, число полных делений равно 43, дробная часть (отсчет по нониусу) – 2.5. Результат измерения 43,25.

а) Отсчет по нониусу штангенциркуля;

б) Гладкий микрометр МК:

1 скоба, 2 – пятка, 3 – микрометрический винт, 4 – стопор,
5 – барабан, 6 – трещетка.
Рисунок 1.1

Другой способ определения доли деления основной шкалы прибора применяется в микрометрах. Здесь использовано сочетание винта и барабана (рисунок 1.1 б). Барабан жестко соединен с винтом, ввинчивая который в основу прибора, зажимают измеряемую деталь. Один оборот барабана соответствует продвижению винта и барабана на один шаг резьбы, который равен одному делению основной шкалы. По краю барабана нанесены деления, разделяющие его окружность на доли оборота. Поворот барабана на одно деление соответствует смещению винта на расстояние, равное цене деления основной шкалы, деленной на число делений барабана. Например, если деление основной шкалы 0,5мм, а на барабане 50 делений, то поворот на одно деление соответствует перемещению на 0,01 мм. Микрометр точнее штангенциркуля, но, как правило, может измерять только небольшие детали.

Другой основной физической величиной является время. В зависимости от точности и диапазона измерений используют различные методы и средства измерения времени. Наиболее простым, но менее точным, являются механические часы и секундомеры (таймеры). Высокой точностью обладают электронные и атомные часы. Неточность суточного хода атомных часов 10^–11 с.

Температура также относится к наиболее часто измеряемым физическим величинам. Температурой называется физическая величина, характеризующая степень нагретости тела. Важность измерения температуры заключается в том, что большинство физических параметров зависят от температуры. Приборы, измеряющие температуру, называются термометрами.