Зачем нужны в науке измерения физика 7. Роль и значение измерений в науке и технике

• Перевод

Теория относительности утверждает, что мы живём в четырёх измерениях. Теория струн - что в десяти. Что такое «измерения» и как они влияют на реальность?

Когда я пишу тексты за своим столом, я могу протянуть руку вверх, чтобы включить лампу, или вниз, чтобы открыть ящик стола и достать ручку. Протянув руку вперёд, я касаюсь небольшой и странной на вид статуэтки, которую мне на счастье подарила сестра. Потянувшись назад, я могу похлопать чёрную кошку, крадущуюся у меня за спиной. Справа лежат заметки, сделанные во время исследований для статьи, слева - куча вещей, которые необходимо сделать (счета и корреспонденция). Вверх, вниз, вперёд, назад, вправо, влево - я управляю самим собой в моём личном космосе трёхмерного пространства. Невидимые оси этого мира налагает на меня прямоугольная структура моего кабинета, определяемая, как и большая часть западной архитектуры, тремя составленными вместе прямыми углами.

Наши архитектура, образование и словари сообщают нам о трёхмерности пространства. Оксфордский словарь английского языка так определяет пространство: «непрерывная область или простор, свободная, доступная или не занятое ничем. Измерения высоты, глубины и ширины, в рамках которых существуют и движутся все вещи». [словарь Ожегова говорит похожим образом: «Протяженность, место, не ограниченное видимыми пределами. Промежуток между чем-н., место, где что-н. вмещается.» / прим. перев. ]. В XVIII веке Иммануил Кант утверждал, что трёхмерное евклидово пространство является априорной необходимостью, и нам, пресыщенным изображениями, созданными компьютером, и видеоиграми, постоянно напоминают об этом представлении в виде вроде бы аксиоматичной прямоугольной системы координат. В точки зрения XXI века это кажется уже почти самоочевидным.

И всё же идея о жизни в пространстве, описываемом какой-то математической структурой - это радикальная инновация западной культуры, сделавшая необходимостью опровержение старинных верований по поводу природы реальности. Хотя зарождение современной науки часто описывают как переход к механизированному описанию природы, вероятно, более важным его аспектом - и однозначно более длительным - был переход к понятию о пространстве как о геометрической конструкции.

В прошлом веке задача описания геометрии пространства стала основным проектом теоретической физики, в котором эксперты, начиная с Альберта Эйнштейна, пытались описать все фундаментальные взаимодействия природы в виде побочных продуктов формы самого пространства. Хотя на локальном уровне нас приучили думать о пространстве как о трёхмерном, общая теория относительности описывает четырёхмерную Вселенную, а теория струн говорит о десяти измерениях - или об 11, если взять за основу её расширенный вариант, М-теорию . Существуют варианты этой теории с 26-ю измерениями, а недавно математики с энтузиазмом приняли версию , описывающую 24 измерения. Но что это за «измерения»? И что означает наличие десяти измерений в пространстве?

Чтобы прийти к современному математическому пониманию пространства, сначала необходимо подумать о нём как о некоей арене, которую может занимать материя. По меньшей мере, пространство необходимо представить себе, как нечто протяжённое. Такая идея, пусть и очевидная для нас, показалась бы еретической Аристотелю , чьи концепции представления физического мира преобладали в западном мышлении в поздней античности и в средневековье.

Строго говоря, аристотелева физика включала в себя не теорию пространства, а лишь концепцию места. Рассмотрим чашку чаю, стоящую на столе. Для Аристотеля чашка была окружённой воздухом, самим по себе представлявшим некую субстанцию. В его картине мира не было такой вещи, как пустое пространство - были только границы между веществами - чашкой и воздухом. Или столом. Для Аристотеля пространство, если вы хотите его так называть, было лишь бесконечно тонкой гранью между чашкой и тем, что её окружает. Баз протяжённости пространство не было чем-то таким, внутри чего может быть что-то другое.

С математической точки зрения, «измерение» - это всего лишь ещё одна координатная ось, ещё одна степень свободы, становящаяся символической концепцией, не обязательно связанной с материальным миром. В 1860-х пионер в области логики Огастес де Морган, чьи работы повлияли на Льюиса Кэрролла, подытожил эту становящуюся всё более абстрактной область, отметив, что математика - это чисто «наука о символах», и как таковая не обязана связываться с чем-либо, кроме самой себя. Математика, в каком-то смысле, это логика, свободно перемещающаяся на полях воображения.

В отличие от математиков, свободно играющих на полях идей, физики привязаны к природе, и, по крайней мере, в принципе, зависят от материальных вещей. Но все эти идеи приводят нас к освобождающей возможности - ведь если математика допускает количество измерений больше трёх, и мы считаем, что математика оказывается полезной для описания мира, откуда нам знать, что физическое пространство ограничено тремя измерениями? Хотя Галилей, Ньютон и Кант принимали длину, ширину и высоту как аксиомы, не может ли в нашем мире существовать больше измерений?

Опять-таки, идея Вселенной с количеством измерений больше трёх проникла в сознание общества через художественную среду, на этот раз - через литературные рассуждения, наиболее известной из которых служит работа математика Эдвина Эбботта Эбботта "Флатландия " (1884). Это очаровательная социальная сатира рассказывает историю скромного Квадрата, живущего на плоскости, к которому однажды в гости приходит трёхмерное существо лорд Сфера, выводящее его в великолепный мир трёхмерных тел. В этом рае объёмов Квадрат наблюдает за его трёхмерной версией, Кубом, и начинает мечтать о переходе в четвёртое, пятое и шестое измерение. Почему не гиперкуб? Или не гипер-гиперкуб, думает он?

К сожалению, в Флатландии Квадрата причисляют к лунатикам и запирают в сумасшедший дом. Одной из моралей истории, в отличие от более слащавых её экранизаций и адаптаций, является опасность, таящаяся в игнорировании социальных устоев. Квадрат, рассказывая о других измерениях пространства, рассказывает и о других изменениях бытия - он становится математическим чудаком.

В конце XIX и начале XX веков масса авторов (Герберт Уэллс, математик и автор НФ-романов Чарльз Хинтон , придумавший слово «тессеракт» для обозначения четырёхмерного куба), художников (Сальвадор Дали) и мистиков (Пётр Демьянович Успенский [русский оккультист, философ, теософ, таролог, журналист и писатель, математик по образованию / прим. перев. ] изучала идеи, связанные с четвёртым измерением и тем, чем может стать для человека встреча с ним.

Затем в 1905 году неизвестный тогда физик Альберт Эйнштейн опубликовал работу, описывающую реальный мир как четырёхмерный. В его «специальной теории относительности» время добавлялось к трём классическим измерениям пространства. В математическом формализме относительности все четыре измерения связаны вместе - так в наш лексикон вошёл термин «пространство-время». Такое объединение было не произвольным. Эйнштейн обнаружил, что используя этот подход, можно создать мощный математический аппарат, превосходящий физику Ньютона и позволяющий ему предсказывать поведение электрически заряженных частиц. Электромагнетизм можно полностью и точно описать только в четырёхмерной модели мира.

Относительность стала чем-то гораздо большим, чем просто ещё одной литературной игрой, особенно когда Эйнштейн расширил её от «специальной» до «общей». Многомерное пространство приобрело глубинное физическое значение.

В картине мира Ньютона материя движется через пространство во времени под влиянием естественных сил, в частности, гравитации. Пространство, время, материя и силы - различные категории реальности. С СТО Эйнштейн демонстрировал объединение пространства и времени, уменьшая количество фундаментальных физических категорий с четырёх до трёх: пространства-времени, материи и сил. ОТО делает следующий шаг, вплетая гравитацию в структуру самого пространства-времени. С четырёхмерной точки зрения, гравитация - всего лишь артефакт формы пространства.

Чтобы осознать эту примечательную ситуацию, представим её двумерный аналог. Представьте себе батут, нарисованный на поверхности декартовой плоскости. Теперь разместим на решётке шар для боулинга. Вокруг него поверхность натянется и исказится так, что некоторые точки отдалятся друг от друга сильнее. Мы исказили внутреннюю меру расстояния в пространстве, сделали её неровной. ОТО говорит, что именно такому искажению тяжёлые объекты, такие, как Солнце, подвергают пространство-время, и отклонение от декартового совершенства пространства приводит к появлению явления, которое мы ощущаем, как гравитацию.

В физике Ньютона гравитация появляется из ниоткуда, а у Эйнштейна она естественным образом возникает из внутренней геометрии четырёхмерного многообразия. Там, где многообразие наибольшим образом растягивается, или отходит от декартовой регулярности, гравитация ощущается сильнее. Это иногда называют «физикой резиновой плёнки». В ней огромные космические силы, удерживающие планеты на орбитах вокруг звёзд, а звёзды на орбитах в рамках галактик, являются ничем иным, как побочным эффектом искажённого пространства. Гравитация - это буквально геометрия в действии.

Если переход в четырёхмерное пространство помогает объяснить гравитацию, то будет ли какое-либо научное преимущество у пятимерного пространства? «Почему бы не попробовать?» - спросил в 1919 году молодой польский математик Теодор Франц Эдуард Калуца , размышляя над тем, что если Эйнштейн включил гравитацию в пространство-время, то, возможно, дополнительное измерение может схожим образом обращаться с электромагнетизмом, как с артефактом геометрии пространства-времени. Поэтому Калуца добавил дополнительное измерение к уравнениям Эйнштейна, и, к своему восторгу, обнаружил, что в пяти измерениях обе эти силы прекрасно оказываются артефактами геометрической модели.

Математика волшебным образом сходится, но в данном случае проблемой стало то, что дополнительное измерение никак не коррелировало с каким-либо определённым физическим свойством. В ОТО четвёртым измерением было время; в теории Калуцы оно не было чем-либо, что можно увидеть, почувствовать или на что можно указать: оно просто было в математике. Даже Эйнштейн разочаровался в такой эфемерной инновации. Что это? - спрашивал он; где оно?

В 1926 году шведский физик Оскар Клейн дал на этот вопрос ответ, очень похожий на отрывок из произведения о Стране чудес. Он предложил представить себе муравья, живущего на очень длинной и тонкой секции шланга. По шлангу можно бегать вперёд и назад, даже не замечая крохотного кругового изменения под ногами. Это измерение смогут увидеть только муравьиные физики при помощи мощных муравьиных микроскопов. Согласно Клейну, каждая точка нашего четырёхмерного пространства-времени обладает небольшим дополнительным кружком в пространстве подобного рода, который слишком мал для того, чтобы мы его видели. Поскольку он во много раз меньше атома, неудивительно, что мы его пока не нашли. Только физики с очень мощными ускорителями частиц могут надеяться добраться до такой крохотной шкалы.

Когда физики отошли от первоначального шока, идея Клейна их покорила, и в течение 1940-х эта теория была разработана в больших математических подробностях и перенесена в квантовый контекст. К несчастью, бесконечно малая шкала нового измерения не даёт представить, как его существование можно подтвердить экспериментально. Клейн подсчитал, что диаметр крохотного кружка составляет примерно 10 -30 см. Для сравнения, диаметр атома водорода равен 10 -8 см, поэтому мы говорим о чём-то, на 20 порядков меньшем, чем самый мелкий из атомов. Даже сегодня мы вовсе не приблизились к тому, чтобы суметь разглядеть что-то на такой миниатюрной шкале. Так эта идея вышла из моды.

Калуцу же так просто было не напугать. Он верил в своё пятое измерение и в мощь математической теории, поэтому он решил провести собственный эксперимент. Он выбрал такую тему, как плавание. Он не умел плавать, поэтому он прочёл всё, что нашёл, по теории плавания, и когда решил, что достаточно полно овладел принципами поведения на воде, поехал с семьёй к морю, бросился в волны, и внезапно поплыл. С его точки зрения эксперимент по плаванию подтверждал правдивость его теории, и, хотя он не дожил до триумфа своего любимого пятого измерения, в 1960-х специалисты по теории струн возродили идею пространства с высшими измерениями.

К 1960-м физики открыли две дополнительных силы природы, работающие на субатомном масштабе. Их назвали слабым ядерным взаимодействием и сильным ядерным взаимодействием, и они отвечают за некоторые типы радиоактивности и за удержание кварков, формирующих протоны и нейтроны, из которых состоят атомные ядра. В концце 1960-х физики начали изучать новую тему теории струн (утверждающей, что частицы похожи на крохотные резиновые полоски, вибрирующие в пространстве), и идеи Калуцы и Клейна вновь вышли на поверхность. Теоретики начали постепенно приходить к мысли, нельзя ли описать две субатомные силы в терминах геометрии пространства-времени.

Оказывается, что для того, чтобы охватить обе эти силы, необходимо добавить ещё пять измерений к нашему математическому описанию. Не существует какой-то особой причины для того, чтобы их было пять; и вновь, никакие из этих дополнительных измерений не связаны с нашими ощущениями напрямую. Они есть только в математике. И это приводит нас к 10 измерениям теории струн. И вот вам четыре крупномасштабных измерения пространства-времени (описываемые ОТО), плюс шесть дополнительных «компактных» измерений (одно для электромагнетизма и пять для ядерных сил), свернувшиеся клубочком в чертовски сложную, сморщенную геометрическую структуру.

Физики и математики прилагают огромные усилия к тому, чтобы понять все возможные формы, которые способно принять это миниатюрное пространство, и какие, если вообще какие-то из множества этих альтернатив, реализуются в реальном мире. Технически эти формы известны как многообразия Калаби-Яу , и они могут существовать в любом количестве высших измерений. Эти экзотические и сложные существа, эти необычайные формы, составляют абстрактную систематику в многомерном пространстве; их двумерное сечение (лучшее, что мы можем сделать для визуализации их внешнего вида) напоминает кристаллические структуры вирусов; они кажутся почти

Наука начинается с тех пор,
как начинают измерять…
Д. И. Менделеев

Вдумайтесь в слова известного ученого. Из них ясна роль измерений в любой науке, а особенно в физике. Но, кроме того, измерения важны в практической жизни. Можете ли вы представить свою жизнь без измерений времени, массы, длины, скорости движения автомобиля, расхода электроэнергии и т. д.?

Как измерить физическую величину? Для этой цели служат измерительные приборы. Некоторые из них вам уже известны. Это разного вида линейки, часы, термометры, весы, транспортир (рис. 20) и др.

Рис. 20

Измерительные приборы бывают цифровые и шкальные . В цифровых приборах результат измерений определяется цифрами. Это электронные часы (рис. 21), термометр (рис. 22), счетчик электроэнергии (рис. 23) и др.

Рис. 21

Рис. 22

Рис. 23

Линейка, стрелочные часы, термометр бытовой, весы, транспортир (см. рис. 20) - это шкальные приборы. Они имеют шкалу. По ней определяется результат измерения. Вся шкала расчерчена штрихами на деления (рис. 24). Одно деление - это не один штрих (как иногда ошибочно считают учащиеся). Это промежуток между двумя ближайшими штрихами. На рисунке 25 между числами 10 и 20 - два деления, а штриха - 3. Приборы, которые мы будем использовать в лабораторных работах, в основном шкальные.

Рис. 24

Рис. 25

Измерить физическую величину - значит сравнить ее с однородной величиной, принятой за единицу .

Например, чтобы измерить длину отрезка прямой между точками А и В, надо приложить линейку и по шкале (рис. 26) определить, сколько миллиметров укладывается между точками А и В. Однородной величиной, с которой проводилось сравнение длины отрезка АВ, была длина, равная 1 мм.

Рис. 26

Если физическая величина измеряется непосредственно путем снятия данных со шкалы прибора, то такое измерение называют прямым .

Например, приложив линейку к бруску в разных местах, мы определим его длину а (рис. 27, а), ширину b и высоту с. Значение длины, ширины, высоты мы определили непосредственно, сняв отсчет со шкалы линейки. Из рисунка 27, б следует: а = 28 мм. Это прямое измерение.

Рис. 27

А как определить объем бруска?

Надо провести прямые измерения его длины а, ширины b и высоты с, а затем по формуле

V = a . b . c

вычислить объем бруска.

В этом случае мы говорим, что объем бруска определили по формуле, т. е. косвенно, и измерение объема называется косвенным измерением.

Рис. 28

Подумайте и ответьте

1. На рисунке 28 представлено несколько измерительных приборов.
   1. Как называются эти измерительные приборы?
   2. Какие из них цифровые?
   3. Какую физическую величину измеряет каждый прибор?
   4. Что представляет однородная величина на шкале каждого прибора, представленного на рисунке 28, с которой сравнивают измеряемую величину?
2. Разрешите спор.

   Таня и Петя решают задачу: «Определите линейкой толщину одного листа книги, содержащей 300 страниц. Толщина всех листов равна 3 см». Петя утверждает, что это можно сделать прямым измерением линейкой толщины листа. Таня же считает, что определение толщины листа - это косвенное измерение.

   А как считаете вы? Обоснуйте свой ответ.

Интересно знать!

Изучая строение человеческого тела и работу его органов, ученые также проводят множество измерений. Оказывается, что человек, масса которого примерно 70 кг, имеет около 6 л крови. Сердце человека в спокойном состоянии сокращается 60-80 раз в минуту. За одно сокращение оно выбрасывает в среднем 60 см 3 крови, в минуту - около 4 л, в сутки - около 6-7 т, в год - более 2000 т. Так что наше сердце - большой труженик!

Кровь человека 360 раз в течение суток проходит через почки, очищаясь там от вредных веществ. Общая протяженность почечных кровеносных сосудов 18 км. Ведя здоровый образ жизни, мы помогаем нашему организму работать без сбоев!

Домашнее задание

Рис. 29

1. Перечислите в тетради измерительные приборы, которые есть в вашей квартире (доме). Разнесите их по группам:

   1) цифровые; 2) шкальные.

2. Проверьте справедливость правила Леонардо да Винчи (рис. 29) - гениального итальянского художника, математика, астронома, инженера. Для этого:
   1. измерьте свой рост: попросите кого-нибудь с помощью треугольника (рис. 30) поставить на дверном косяке небольшую черточку карандашом; измерьте расстояние от пола до отмеченной черточки;
   2. измерьте расстояние по горизонтальной прямой между концами пальцев рук (рис. 31);
   3. сравните полученное в пункте б) значение со своим ростом; у большинства людей эти значения равны, что впервые было подмечено Леонардо да Винчи.

Рис. 30

Рис. 31

Смысл вышесказанного заключается в одной фразе: «Нельзяуправлять тем, чего нельзя измерить».
Вот важнейшие положения об измерениях. «Что измерил, то и получил». Это означает, что, как правило, именно тем участкам работы, на которых проводился мониторинг и выполнялись измерения, в первую очередь уделяется внимание, для них изыскиваются ресурсы; «Измерения определяют поведение». Это означает, что выполнение измерений часто ведет к переменам в системе, к ее приспособлению к новым ориентирам.
Ранее отмечалось, что обычно компании делятся на функциональные отделы. Доминирующее направление мониторинга показателей - оценка финансовых параметров, которые, как правило, берутся прямо из бухгалтерской отчетности. Проблема заключается в том, что такие способы мониторинга часто вступают в прямое противоречие с процессом совершенствования и мешают проведению соответствующих мероприятий. Дело в том, что многие усилия по совершенствованию бывает очень трудно адекватно оценить обычным инвестиционным анализом. Как правило затраты нужны как для обучения, так и собственно для проведения проекта. А вот результаты совершенствования в значительной степени имеют операционный характер. Например, это сокращение времени, снижение доли дефектов и т.д. Этим показателям бывает очень трудно дать оценку в финансовых терминах, так как результат таких улучшений проявляется не сразу, а по истечении некоторого времени, т.е. в будущем. Поэтому бывает трудно добиться выделения ресурсов и времени для проектов совершенствования.
В последние годы разработки были направлены на создание более оперативных систем измерения показателей. Однако общие вопросы измерения показателей и интенсификация этих процессов лежат за рамками этой книги. Для поддержки подхода к улучшениям, рассматриваемого в этой книге, надо создать систему со следующими элементами: Непрерывное измерение соответствующих аспектов показателей основных бизнес-процессов, примерно 15-30 процессов. Что подразумевается под «соответствующими аспектами» - обсуждается далее в этой главе. Все эти измеряемые показатели вместе должны образовывать законченную и целостную приборную панель, которую можно использовать для непрерывно го мониторинга показателей. В отличие от допотопного «рубильника» финансового отдела, который с большим запаздыванием то включает, то выключает красный свет, предупреждая о прибыли или об убытках, новая приборная панель будет содержать комплекс измерительных приборов, по которым можно оценить реальное положение дел (см. рис. 4.1). Эта приборная панель укажет на любые возникающие негативные тренды, покажет развитие во времени, поможет определить предпосылки для проведения конкретных усилий по совершенствованию.
Однако нужно быть осторожным и не переусердствовать с измерениями.

Рис. 4.1. Различные измерительные системы

Пример.
Компания Xerox (США) и компания Rank Xerox в Европе, каждая в своей стране, занимали передовые позиции в области разработки системы оперативного измерения показателей. Однако их усилия были так велики, что в этих компаниях возникла даже шутка: «Если нечто двигается, измерь это!» Это, конечно, привело к появлению избыточности информации, которой никто никогда не пользуется, и не потому, что она неинтересна, а потому что нет времени, чтобы ее просмотреть. По этой причине к любой информации стали относиться пренебрежительно, даже к информации действительно важной. Все мероприятия по измерению показателей потеряли свою актуальность.
В заключение этого раздела хотелось бы привести несколько «расхожих дилетантских правил» проведения измерений: Измерение - это не к добрутечение длительного времени, особенно начиная с эры Тейлора, с его изучением хронометража и движений, измерения часто были направлены на контроль сотрудников. Способы измерений, которые предлагаются в этой книге, имеют совсем другую направленность. Они проводятся не для того, чтобы искать козла отпущения, а для того, чтобы понять, настолько хорошо действуют процессы. Очень важно разделить измерение и оценку, которая делается на его основе. Само по себе измерение никогда никому не вредило. Это только интерпретация результатов измерений и ее использование могло иметь негативные последствия. Чем точнее, тем лучше1. Всемерное повышение точности измерений может быть актуальным для технических систем или для бухгалтерской отчетности, но не для измерения показателей. Часто цель измерения показателей - установление того, достигнуто улучшение или нет, а вовсе не определение точного уровня показателей. Вкладывание больших средств в развитие чрезмерно точных измерительных систем на самом деле может замедлить и затормозить практическое внедрение этих систем. Так что нужен более практичный подход.
Все решают только деньги1. Традиционное рассмотрение окружающего мира через призму денег, утверждение, что только деньги надежный показатель всего - оказалось главным препятствием на пути развития более «мягких» направлений в системах измерения. Такие показатели, как качество рабочей ситуации, способность продукта удовлетворить потребности покупателя и т.д. также доставляют ценную информацию. Их не стоит отбрасывать только потому, что для них нет соответствующего денежного эквивалента. Все должно быть строго по стандартам! Совсем наоборот. Стандарты часто рассматривают как верхний предел показателей. Хороший стандарт подразумевает, что пока вы с ним работаете, у вас нет нужды в совершенствовании.

Роль и значение измерений в науке и технике. Перспективы развития электроизмерительной техники

Измерения являются одним из основных средств познания природы, ее явлений и законов.

Особенно важную роль играют электрические измерения, так как теоретическая и прикладная электротехника имеет дело с различными электрическими и магнитными величинами и явлениями, которые не воспринимаются непосредственно органами чувств. Поэтому обнаружение присутствия этих величин, количественное их, а так же изучение электрических и магнитных явлений возможно только при помощи электроизмерительных приборов.

Быстро развивающейся областью измерительной техники является измерение электрических величин электрическими приборами и методами. Это объясняется возможностью непрерывного измерения и записью его результатов на расстоянии, высокой точностью, чувствительностью и другими положительными свойствами электрических методов и приборов измерения. В современном производстве соблюдение любого технологического процесса и автоматизация управления обеспечиваются применением измерительной техники и тесно связанной с ней автоматики.

Таким образом, электрические измерения обеспечивают рациональное ведение любых технологических процессов, бесперебойную работу электроустановок и т.п., а следовательно, улучшают технико-экономические показатели работы предприятия.

Начертите структурную схему электронно-лучевого осциллографа и опишите назначение основных его узлов

Канал вертикального отклонения электронно-лучевого осциллографа предназначен для передачи входного напряжения на вертикальные отклоняющиеся пластины. Он включает аттенюатор, обеспечивающий ослабление входного сигнала до уровня получения на экране картинки необходимого размера, линию задержки и усилитель. С выхода усилителя сигнал поступает на вертикальные отклоняющиеся пластины.

Рис. 1 Структурная схема электронно-лучевого осциллографа

Канал горизонтального отклонения (канал развертки) служит для создания и передачи на горизонтально отклоняющие пластины напряжения, вызывающего горизонтальное перемещение луча, пропорционально времени.

Изображение формируется с помощью электронно-лучевой трубки, использующей электростатическое отклонение луча. В ней с помощью электронного прожектора формируется поток электронов в виде тонкого луча, который, достигая люминофора на внутренней поверхности экрана, вызывает его свечение. Отклонение луча по вертикали и горизонтали осуществляется с помощью двух пар пластин, на которые подаются отклоняющие напряжения. Исследуемое напряжение является функцией времени, и поэтому для его наблюдения необходимо, чтобы луч двигался по экрану в горизонтальном направлении пропорционально времени, а его перемещение по вертикали определялось входным исследуемым напряжением. Для движения луча по горизонтали к горизонтальным отклоняющимся пластинам прикладывается напряжение пилообразной формы, что обеспечивает перемещение луча слева направо с постоянной скоростью, быстрый возврат в начало экрана и очередное движение с постоянной скоростью слева направо. Исследуемое напряжение подается на вертикальные отклоняющие пластины, в результате положение луча в момент времени однозначно соответствует значению исследуемого сигнала в данный момент времени.

В осциллографе имеются два канала - канал вертикального (Y) и горизонтального (X) отклонения. Канал вертикального отклонения предназначен для передачи входного напряжения на вертикальные отклоняющие пластины. Он включает аттенюатор, обеспечивающий ослабление входного сигнала до уровня получения на экране картинки необходимого размера, линию задержки и усилитель. С выхода усилителя сигнал поступает на вертикальные отклоняющие пластины. Канал горизонтального отклонения (канал развертки) служит для создания и передачи на горизонтальные отклоняющие пластины напряжения вызывающего горизонтальное перемещение луча, пропорционально времени.

В осциллографах применяются несколько видов развертки, основная из которых образуется с помощью пилообразного напряжения. Чтобы линия развертки не мерцала при наблюдении, луч должен прочерчивать одну и ту же траекторию не менее 25…30 раз в секунду ввиду инерционной способности зрения человека.

Приведите схему и опишите, каким образом определяется место повреждения изоляции кабеля методом петли Муррея

Метод петли из жил кабеля - метод Муррея представляет собой использование схемы одинарного моста.

Для определения места пробоя между жилой и броней или землей концы б-б´ исправной и поврежденной жил кабеля закорачиваются. К двум другим концам а-а´ подключают магазины сопротивлений R и r А и гальванометр. Зажим, в котором соединены магазины резисторов, через батарею элементов соединен с землей.

Рис. 1 Схема метода петли из жил кабеля - метод Муррея

В результате имеем схему моста, равновесие которой определяется условием:

Определив r x , зная удельное сопротивление ρ материала жил кабеля и их сечение S, по формуле l x =r x S/ρ определяют расстояние от конца кабеля а´ до места повреждения изоляции.

При неизменном сечении жил кабеля r x и r можно заменить их выражением:

откуда определяется расстояние до места повреждения

Для проверки результата измерения производят второе аналогичное измерение, поменяв концы кабеля а и а´. При этом расстояние до места повреждения определяют по формуле:

где R´ и r´ A - значения сопротивлений плеч моста при втором измерении. Правильность результатов измерений подтверждается равенством l x + l y =2l

Определите напряжение на сопротивлении и наибольшую возможную относительную погрешность при его определении если напряжение на зажимах сети равно 220 В, а напряжение на сопротивлении R 1 = 180 В. Для измерения используются вольтметры класса точности 1,0 на 250 В

Из электротехники знаем:

U 2 = U - U 1 = 220 - 180 = 40 В

Наибольшая возможная относительная погрешность

где - относительная погрешность прибора, в нашем случае для класса точности 1,0 = 1,0%;

U н - номинальное напряжение вольтметра;

U - показание вольтметра.

Ответ: U 2 = 40 В, .

Измерительный прибор без шунта сопротивлением R A = 28 Ом имеет шкалу в 50 делений цена деления 0,01 A/дел. Определить цену деления этого прибора и предельную величину измеряемого тока при подключении шунта сопротивлением R Ш = 0,02 Ом.

Найдем шунтирующий множитель «р»

где r И - сопротивление прибора; r Ш - сопротивление шунта.

Найдем предельную величину измеряемого прибором тока

где W - количество делений прибора; N - цена деления

Найдем предельную величину измеряемого прибором тока при подключении шунта

где I max - предельная величина измеряемого прибором тока;

р - шунтирующий множитель

Найдем цену деления прибора при подключении шунта

где I′ max - предельная величина измеряемого прибором с шунтом тока; W - количество делений прибора

Ответ: А, А/дел.

На щитке счетчика написано: 220В, 5А, 1кВт·ч - 2000 оборотов диска. Вычислить номинальную постоянную счетчика, действительную постоянную, относительную погрешность, поправочный коэффициент, если при проверке счетчика на неизменное напряжение U = 220 В и неизменной величине тока I = 5 А диск сделал N = 37 оборотов за 60 с.

Определим номинальную постоянную счетчика

где W н - номинальное количество регистрируемой счетчиком энергии за N н оборотов диска

Определим действительную постоянную счетчика

где W - расчетное количество зарегистрированной энергии за N оборотов диска при проверке счетчика, при чем: W = U ∙ I ∙ t (U - неизменное напряжение подаваемое в течении времени - t при неизменной величине тока - I).

Определим относительную погрешность счетчика

где k н - номинальная постоянная счетчика; k - действительная постоянная счетчика, определенная при проверке.

Поправочный коэффициент будет равен

Ответ: Вт·ч/об, Вт·ч/об,

Номинальный ток амперметра 5А, класс точности его 1,5. Определить наибольшую возможную абсолютную погрешность.

Наибольшая возможная абсолютная погрешность:

где γ д - относительная погрешность амперметра, в нашем случае для класса точности 1,5 γ д = 1,5%; I н - номинальный ток амперметра.

Литература

1. «Электрические измерения» В.С. Попов (М. 1974 г.)
2. «Электротехника и электроника» под ред. проф. Б.И. Петленко М. 2003 г.
3. Электрические измерения под редакцией Малиновского 1983 г.

Тема 1

« Предмет и метод физики. Измерения. Физические величины.»

Первые научные представления возникли давно - по-видимому, на самых ранних этапах истории человечества, отраженной в письменных источниках. Однако, физика как наука в своем современном виде берет начало со времен Галилео Галилея (1Галилей и его последователь Исаак Ньютон (1совершили революцию в научном познании. Галилей предложил в качестве основного метода исследования метод экспериментального познания, а Ньютон сформулировал первые законченные физические теории (классическая механика, классическая оптика, теория тяготения).

В своем историческом развитии физика прошла 3 этапа (смотри диаграмму).

Революционный переход от одного этапа к следующему связан со сломом старых базовых представлений об окружающем мире в связи с полученными новыми экспериментальными результатами.

Слово physis в буквальном переводе означает природа, то есть сущность, внутреннее основное свойство явления, какая-то скрытая закономерность, определяющая протекание, ход явления.

Физика - это наука о наиболее простых и вместе с тем наиболее общих свойствах тел и явлений. Физика - фундамент естествознания.

Связь физики со всеми остальными науками представлена на диаграмме.

В основании физики (как и любой естественной науки) лежат утверждения о материальности мира и существовании объективных устойчивых причинно-следственных связей между явлениями. Физика объективна, так как изучает реальные природные явления, но одновременно и субъективна вследствие сущности процесса познания, как отражения действительности.

По современным представлениям все, что нас окружает, представляет собой комбинацию небольшого количества так называемых элементарных частиц, между которыми возможны 4 различных вида взаимодействий. Элементарные частицы характеризуются 4 числами (квантовыми зарядами), значения которых определяют в какой вид взаимодействия может вступать рассматриваемая элементарная частица (Таблица 1.1).

Такая формулировка обладает двумя важными свойствами:

Адекватно описывает наши современные представления об окружающем мире;

Достаточно обтекаема и с вряд ли придет в противоречие с новыми экспериментальными фактами.

Дадим краткие пояснения незнакомым понятиям, используемым в этих утверждениях. Почему мы говорим о так называемых элементарных частицах? Элементарные частицы в точном значении этого термина – первичные, далее неразложимые частицы, из которых, по предположению, состоит вся материя. Однако, большинство известных элементарных частиц не удовлетворяют строгому определению элементарности, поскольку являются составными системами. Согласно модели Цвейга и Гелл-Мана структурными единицами таких частиц являются кварки . В свободном состоянии кварки не наблюдаются. Необычное название «кварки» было заимствовано из книги Джеймса Джойса «Поминки по Финнигану», где встречается словосочетание «три кварка», которое слышится герою романа в кошмарном бреду. В настоящее время известно более 350 элементарных частиц, в основном нестабильных и их число постоянно растет.

Вы встречались с проявлением трех из этих взаимодействий, когда изучали явление радиоактивного распада (смотри схему внизу).

Вы ранее уже сталкивались с таким проявлением сильного взаимодействия как ядерные силы, удерживающие протоны и нейтроны внутри атомного ядра. Сильное взаимодействие вызывает процессы, протекающие с наибольшей, по сравнению с другими процессами, интенсивностью и приводит к самой сильной связи элементарных частиц. В отличие от гравитационного и электромагнитного сильное взаимодействие является короткодействующим: его радиус

Характерные времена сильного взаимодействия

Краткая хронология изучения сильного взаимодействия

1911 – атомное ядро

1932 – протонно-нейтронное строение

(, В. Гейзенберг)

1935 – пи-мезон (Юкава)

1964 – кварки (М. Гелл-Манн, Г. Цвейг)

70-е XX века - квантовая хромодинамика

80-е XX века - теория великого объединения

https://pandia.ru/text/78/486/images/image007_3.gif" width="47 height=21" height="21">Слабое взаимодействие ответственно за распады элементарных частиц, стабильных относительно сильного и электромагнитного взаимодействий. Эффективный радиус слабого взаимодействия не превышает Поэтому на больших расстояния оно существенно слабее электромагнитного, которое в свою очередь до расстояний меньше 1 Ферми слабее сильного взаимодействия. На расстояниях, меньших слабые и электромагнитные взаимодействия образуют единое электрослабое взаимодействие. Слабое взаимодействие вызывает очень медленно протекающие процессы с элементарными частицами, в том числе распады квазистабильных элементарных частиц, времена жизни которых лежат в диапазоне Несмотря на малую величину слабое взаимодействие играет очень важную роль в природе. В частности процесс превращения протона в нейтрон, в результате которого 4 протона превращаются в ядро гелия (основной источник выделения энергии внутри Солнца) обусловлен слабым взаимодействием.

Может ли быть открыто пятое взаимодействие? Однозначного ответа не существует. Однако, по современным представлениям все четыре вида взаимодействия являются различными проявлениями одного единого взаимодействия. Это утверждение составляет суть теории великого объединения .

Теперь обсудим, как формируется научное знание об окружающем нас мире.

Знанием называют те сведения, опираясь на которые мы можем уверенно планировать нашу деятельность на пути к цели, и деятельность эта непременно приводит к успеху. Чем сложнее цель, тем больше знания требуется для ее достижения.

Научное знание формируется в результате синтеза двух присущих человеку элементов деятельности: творчества и регулярного освоения окружающего пространства с помощью метода проб и ошибок (смотри диаграмму).

https://pandia.ru/text/78/486/images/image010_2.jpg" width="553" height="172 src=">

Физический закон - это долго живущая и «заслуженная» физическая теория. Только такие попадают в учебники и изучаются в общеобразовательных курсах.

Если опыт не подтвердил предсказание, то весь процесс необходимо начинать сначала.

« Хорошая » физическая теория должна удовлетворять следующим требованиям:

1) должна исходить из небольшого количества фундаментальных положений;

2) должна быть достаточно общей;

3) должна быть точной;

4) должна допускать возможность усовершенствования.

Ценность физической теории определяется тем насколько точно можно установить тот предел, за которым она несправедлива. Эксперимент не может подтвердить теорию, а может ее только опровергнуть .

Процесс познания может идти только через построение модели , что связано с субъективной стороной этого процесса (неполнота информации, многообразие любого явления, облегчение освоения с помощью конкретных образов).

Модель в науке - это не увеличенная или уменьшенная копия предмета, а картина явления, освобожденная от не существенных для поставленной задачи деталей.

Модели подразделяются на механические и математические.

Примеры: материальная точка, атом, абсолютно твердое тело.

Как правило, для большинства понятий процесс развития моделей идет путем постепенного усложнения от механических к математическим.

Рассмотрим этот процесс на примере понятия атома. Перечислим основные модели.

Шарик (атом древних и классической физики)

Шарик с крючком

Атом Томсона

Планетарная модель (Резерфорд)

Модель Бора

Уравнение Шредингера

https://pandia.ru/text/78/486/images/image012.gif" width="240" height="44">

Модель атома в виде твердого неделимого шарика при всей кажущейся с точки зрения сегодняшних представлений нелепости позволила, например, в рамках кинетической теории газов получить все основные газовые законы.

Открытие в 1897 году электрона привело к созданию Дж. Дж. Томпсоном модели, которую обычно называют «пудинг с изюмом» (смотри рисунок внизу).

https://pandia.ru/text/78/486/images/image014.gif" width="204" height="246">

Согласно этой модели в положительно заряженном «тесте» плавают отрицательно заряженные изюминки – электроны. Модель объясняла электронейтральность атома, одновременное возникновение свободного электрона и положительно заряженного иона. Однако, результаты опыта Резерфорда по рассеянию альфа частиц принципиально изменили представление о строении атома.

На представленной ниже картинке изображена схема установки в опыте Резерфорда.

В рамках модели Томпсона было невозможно объяснить сильное отклонение траектории движения альфа частиц и, поэтому, возникло понятие атомного ядра . Проведенные расчеты позволили определить размеры ядра, они оказались порядка одного Ферми. Таким образом, на смену модели Томпсона пришла планетарная модель Резерфорда (смотри картинку внизу).

Это типично механическая модель, поскольку атом представляется как аналог солнечной системы: вокруг ядра – Солнца по круговым траекториям движутся планеты – электроны. Известный советский поэт Валерий Брюсов так отозвался об этом открытии

Еще быть может, каждый атом –

Вселенная, где сто планет;

Там всё, что здесь, в объёме сжатом,

Но также то, чего здесь нет.

С момента возникновения планетарная модель подвергалась серьёзной критике в связи с её нестабильностью. Движущийся по замкнутой орбите электрон должен излучать электромагнитные волны и, следовательно, упасть на ядро. Точные расчеты показывают, что максимальное время жизни атома в модели Резерфорда не больше 20 минут. Великий датский физик Нильс Бор для спасения идеи атомного ядра создал новую модель атома, носящую его имя. Она основана на двух основных положениях (постулатах Бора):

Атомы могут длительное время находится только в определенных, так называемых стационарных состояниях. Энергии стационарных состояний образуют дискретный спектр. Иначе говоря, возможны только круговые орбиты с радиусами, задаваемыми соотношением

https://pandia.ru/text/78/486/images/image018.gif" width="144" height="49">

где n – целое число.

При переходе из одного начального квантового состояния в другое происходит излучение или поглощение кванта света (смотри рисунок).

https://pandia.ru/text/78/486/images/image020.gif" width="240" height="238">

Дифференциал" href="/text/category/differentcial/" rel="bookmark">дифференциальное уравнение в частных производных относительно волновой функции Физический смысл имеет не сама волновая функция, а квадрат ее модуля, который пропорционален вероятности нахождения частицы (электрона) в данной точке пространства. Иначе говоря, электрон при своем движении как бы «размазан» по всему объему, образуя электронное облако, плотность которого характеризует вероятности нахождения электрона в различных точках объема атома (смотри рисунки снизу).

https://pandia.ru/text/78/486/images/image025_0.gif" width="379" height="205">

К сожалению, язык, которым мы пользуемся в нашей повседневной жизни, непригоден для описания процессов, происходящих в глубинах материи (применяются оень абстрактные модели). Физики «беседуют» с Природой на языке математики с помощью чисел, геометрических фигур и линий, уравнений, таблиц, функций и т. д. Такой язык обладает удивительной предсказательной силой: оперируя формулами, можно получить следствия (как в математике), оценить результат количественно и проверить затем опытом справедливость предсказания. За изучение явлений, которые нельзя описать на языке физики из-за неопределенности понятий, невозможности определить процесс измерения, физики просто не берутся.

История развития физики показала, что разумное использование математики неизменно приводило к мощному прогрессу в исследовании природы, а попытки абсолютизировать какой-то математический аппарат как единственно пригодный ведут к застою.

Физика как любая наука может ответить только на вопрос «Как?», но не на вопрос «Почему?».

Наконец, рассмотрим заключительную часть темы №1 о физических величинах.

Физическое понятие, отражающее какое-то свойство тел и явлений и выражаемое числом в процессе измерения называется физической величиной.

Физические величины в зависимости от способа их представления подразделяются на скалярные, векторные, тензорные и т. д. (смотри Таблицу 1.2).

Таблица 1.2

https://pandia.ru/text/78/486/images/image027_0.gif" width="73" height="75 src=">

Вектором называется упорядоченный набор чисел (смотри иллюстрацию сверху). Тензорные физические величины записываются с помощью матриц.

Также все физические величины можно разделить на основные и производные от них. К основным относятся единицы измерения массы, электрического заряда (основные характеристики материи, обуславливающие гравитационное и электромагнитное взаимодействие), длины и времени (так как отражают фундаментальные свойства материи и ее атрибутов – пространства и времени), а также температуры, количества вещества и силы света. Для установления производных единиц используют физические законы, связывающие их с основными единицами.

В настоящее время обязательна к применению в научной и учебной литературе Международная система единиц (СИ ), где в качестве основных единиц используются килограмм, Ампер, метр, секунда, Кельвин, моль и Кандела. Причиной замены в качестве основной единицы Кулона (электрический заряд) на Ампер (сила электрического тока) чисто техническая: реализация эталона в 1 Кулон в отличие от 1 Ампера практически невозможна, а сами единицы связаны простым соотношением: