2.Почему осциллограф является практически без инерционным

УМКД 042-14.1.43/02-2012
Ред.№1 от
2012
стр.1 из 76
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РЕСПУБЛИКИ КАЗАХСТАН
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени ШАКАРИМА г. Семей
Документ СМК 3 уровня
УМКД дисциплины «
Физические измерения и
приборы»
УМКД
УМКД 042-14.1. 43/02-2013
Редакция № 1 от
2012 г.
Учебно-методический комплекс дисциплины
«Физические измерения и приборы»
для студентов I курса специальности
5В011000 «Физика»
Семей
2013
УМКД 042-14.1.43/02-2012
Ред.№1 от
2012
стр.22 из76
Составитель, ст. преподавтель кафедры физики:
Касымханова К.А.
Утверждено на заседании кафедры, Протокол № 1 от 12.09.2013г.
Зав. кафедрой физики д.п.н., профессор
Маусымбаев С.С.
Обсуждено на заседании учебно-методического совета
физико-математического факультета протокол №1
от .09. 2013г.
Председатель учебно-методического бюро
физико-математического факультета:
Батырова К.А
УТВЕРЖДЕНО
Одобрено и рекомендовано
методического совета университета
Протокол от
к
изданию
2013 года, №
Председатель УМС __________ Искакова Г.К.
4 ВВЕДЕНО ВПЕРВЫЕ
на
заседании
Учебно-
Содержание
1 Глоссарий по дисциплине
2 Краткий конспект лекций
3 Методические указания для проведения лабораторных занятий
4 Методические рекомендации по СРСП
5 Методические рекомендации по СРС
6 Контрольно-измерительные средства
1. ГЛОССАРИЙ ПО ДИСЦИПЛИНЕ
Электрический заряд – физическая величина, характеризующая свойство
частиц или тел вступать в электромагнитные силовые взаимодействия.
Электрический заряд обычно обозначается буквами q или Q
Носители отрицательного и положительного элементарных зарядов соответственно электрон ( me  9.11  10 31 кг) и протон ( m p  1.67 10 27 кг)
Точечный заряд – заряженное тело, размеры которого малы по сравнению с
расстоянием до других заряженных тел, с которыми оно взаимодействует
Закон сохранения заряда: алгебраическая сумма электрических зарядов
замкнутой системы остается неизменной
Теория
близкодействия
–
теория,
согласно
которой
силовые
взаимодействия между разобщенными телами могут передаваться только при
наличии какой-либо среды, окружающей эти тела, последовательно от одной
части этой среды к другой, и с конечной скоростью
Вектор напряженности электрического поля - силовая характеристика
электростатического поля служит в данной точке
Принцип суперпозиции электрических полей: напряженность поля
системы зарядов равна векторной сумме напряженностей полей, создаваемых
каждым из зарядов системы в отдельности
Линии напряженности – это линии, касательные к которым в каждой точке

направлены так же, как и вектор напряженности E в данной точке поля

Поток вектора напряженности E однородного поля через плоскую

поверхность S - величина, равная N  ES cos   En S  ES , где  - угол между



вектором E и нормалью n к поверхности S , En - проекция вектора E на

нормаль n .
Линейная плотность заряда – это заряд, приходящийся на единицу длины
тела
Поверхностная плотность заряда – это заряд, приходящийся на единицу
поверхности тела
Объемная плотность заряда – это заряд, приходящийся на единицу объема
тела
Теорема Гаусса для электростатического поля в вакууме: поток вектора
напряженности электростатического поля в вакууме через произвольную
замкнутую поверхность равен алгебраической сумме заключенных внутри
этой поверхности зарядов, деленной на  0 .
Потенциальное
электростатическое поле – поле, в котором работа
перемещения заряда q 0 из точки 1 в точку 2 не зависит от траектории
перемещения, а определяется только положениями начальной 1 и конечной 2
точек
Разность потенциалов двух точек электростатического поля – величина,
численно равная работе, совершаемой силами поля, при перемещении
единичного положительного заряда из точки 1 в точку 2 поля
Эквипотенциальные поверхности - поверхности, во всех точках которых
потенциал имеет одно и то же значение
Электрический
диполь
система
-
двух
одинаковых
по
величине
разноименных точечных зарядов + q и - q , расстояние l между которыми
значительно меньше расстояния до точек, в которых определяется поле
системы

Плечом диполя - вектор l , проведенный от отрицательного заряда к
положительному
Неполярные диэлектрики – вещества, молекулы которых в отсутствии
внешнего электрического поля имеют симметричное строение и не обладают

дипольным моментом p
Полярные диэлектрики – вещества, молекулы которых имеют дипольный

момент p уже в отсутствии внешнего электрического поля, т.к. центры
«тяжести» положительных и отрицательных зарядов молекулы не совпадают
(жесткий диполь).
Кристаллические диэлектрики с ионной решеткой – вещества, внутренняя
структура которых представляет собой пространственную решетку с
правильным чередованием ионов разных знаков
Поляризацией диэлектрика - процесс ориентации диполей или появления
ориентированных по полю диполей, происходящий под воздействием
внешнего электрического поля

Вектор электрического смещения D - величина, используемая для
описания электрического поля в неоднородных диэлектриках (ею удобнее

пользоваться вместо напряженности поля E )
Теорема Гаусса для вектора электрического смещения: поток вектора
смещения электрического поля в диэлектрике через замкнутую поверхность
равен алгебраической сумме заключенных внутри этой поверхности
свободных электрических зарядов
Сегнетоэлектрики – диэлектрики, обладающие в определенном интервале
температур
спонтанной
(самопроизвольной)
поляризованностью,
т.е.
поляризованностью в отсутствие внешнего электрического поля
Точка Кюри - характерная температура, при которой сегнетоэлектрик теряет
свои необычные свойства
Прямой пьезоэлектрический эффект – процесс поляризации, который
может возникнуть и без внешнего электрического поля, если кристалл
подвергнуть механическим деформациям
Обратный
пьезоэффект
-
явление
возникновения
поляризации
в
пьезоэлектриках, сопровождающееся механическими деформациями
Электростатическая индукция - явление перераспределения зарядов на
проводнике, помещенном во внешнее электростатическое поле
Электроемкостью проводника - коэффициент пропорциональности C
между потенциалом и зарядом проводника; электроемкость проводника
зависит от его размеров и формы
Конденсатор - устройств, обладающее способностью при малых размерах и
небольших
относительно
окружающих
тел
потенциалах
накапливать
значительные по величине заряды
Электрический
ток
упорядоченное
-
(направленное)
движение
электрических зарядов
Сила тока I – физическая величина, определяемая электрическим зарядом,
проходящим через поперечное сечение проводника в единицу времени
Плотность тока - физическая величина, определяемая зарядом, проходящим
в
единицу
времени
через
единицу
поверхности,
перпендикулярной
направлению тока
Вольтамперная характеристика проводника - для каждого проводника
однозначная зависимость между разностью потенциалов на его концах и
силой тока в нем: I  f U 
Сверхпроводимость – явление, когда при очень низких температурах в
некоторых
веществах
наблюдается
скачкообразное
уменьшение
сопротивления до нуля
Сторонние силы - силы неэлектростатического происхождения
Электродвижущая сила (э.д.с.)  источника тока - величина, равная работе
сторонних сил по перемещению единичного положительного заряда
Напряжение U на данном участке цепи - величина, численно равная работе,
совершаемой электростатическими и сторонними силами при перемещении
единичного положительного заряда
Первое правило Кирхгофа: алгебраическая сумма токов, сходящихся в узле,
равна нулю:
I
i
0
i
Второе правило Кирхгофа: для любого замкнутого контура разветвленной
цепи алгебраическая сумма произведений сил токов на сопротивления
соответствующих участков этого контура равна алгебраической сумме э.д.с.
в этом контуре
Шунт – это сопротивление Rш , подключаемое параллельно к амперметру с
целью измерения силы тока I , превышающей силу тока I а , на которую
рассчитан данный амперметр
Закон Джоуля-Ленца (в интегральной форме): количество теплоты,
выделяемое постоянным электрическим током на участке цепи равно
произведению квадрата силы тока на время его прохождения и электрическое
сопротивление этого участка цепи
Р. Милликен, американский физик - впервые с большой точностью
определил заряд электрона
Контактная разность потенциалов - разность потенциалов, возникающая
при контакте двух разнородных металлов между ними
Термопара - замкнутая цепь проводников, создающая ток за счет различия
температур контактов между проводниками
Термоэлектрический эффект (эффект Зеебека) – явление, обусловленное
зависимостью контактной разности потенциалов
от температуры
Ж. Пельтье, французский физик - в 1834 г. обнаружил явление, обратное
термоэлектрическому
Собственная проводимость полупроводников - процесс проводимости в
чистых полупроводниках, лишенных вовсе химических примесей и других
дефектов, при наличии электрического поля в образовании тока принимают
участие, как электроны проводимости, так и дырки
Примесная электропроводность полупроводников - электропроводность
полупроводников, наличием примесей.
Донорные примеси - примеси, вызывающие появление электронов
проводимости (например, мышьяк в кремнии)
Акцепторные примеся - называются примеси, вызывающие появление
дырок (например, бор в кремнии)
Полупроводник n-типа – полупроводник, в котором концентрация
электронов значительно больше концентрации дырок,
Полупроводник
p-типа
-
полупроводник,
в
котором
значительно
преобладают положительные «заряды» - дырки
Основные
носители
тока
в
полупроводнике
-
носители
тока,
представленные в большинстве называются, а представленные в –
Неосновные
носители
тока
в
полупроводнике
-
носители
тока,
представленные в полупроводнике в меньшинстве
Электронно-дырочный
переход
соприкосновения
полупроводников,
двух
(или
p-n-переходом)
один
из
-
граница
которых
имеет
электронную, а другой – дырочную проводимость
Фотопроводимость полупроводников – увеличение электропроводности
полупроводников под действием электромагнитного излучения
Работа выхода электрона из металла - работа, которую нужно затратить
для удаления электрона из металла в вакуум
Электронная эмиссия - явление испускания электронов
Закон
Богуславского-Ленгмюра
(закон
трех
вторых):
зависимость
термоэлектронного тока I от анодного напряжения U выражается формулой:
3
2
I  BU ,
Ток насыщения - некоторое максимальное значение термоэлектронного
тока I нас , достигаемое при увеличении анодного напряжения
Закон Ричардсона-Дешмена – достаточно сильная зависимость плотности
тока насыщения от температуры, выражаемая формулой: j нас  CT 2 exp  
A
,
 kT 
Энергия ионизации - определенная энергия, необходимая для того, чтобы
выбить из молекулы (атома) один электрон
Рекомбинация – процесс, обратный процессу ионизации, всегда идет
одновременно с процессом ионизации газа
Газовый разряд - прохождение электрического тока через газы
Несамостоятельный - разряд, существующий только под действием
внешних ионизаторов
Самостоятельный газовый разряд - разряд в газе, сохраняющийся после
прекращения действия внешнего ионизатора
Электролиты - водные растворы многих солей, кислот и щелочей, хорошо
проводящие электрический ток
Электролитическая диссоциация – процесс, при котором
молекула
растворенного вещества под действием молекул растворителя распадается на
положительные и отрицательные ионы; этот процесс происходит независимо
от тока
Степень
диссоциации
–
численно
равна
отношению
числа
диссоциированных молекул электролита к общему числу его молекул
Электролиз – процесс выделения на электродах химических составных
частей электролита
Х. Эрстед, датский физик – обнаружил (1820г.) ориентирующее действие
электрического тока на магнитную стрелку
А.М. Ампер, французский физик - открыл и подробно исследовал
взаимодействие двух проводников с током
Принцип суперпозиции: магнитная индукция результирующего поля,
создаваемого несколькими токами, равна векторной сумме магнитных
индукций полей, создаваемых каждым током в отдельности:
n 

B   Bi .
i 1
Линии магнитной индукции - линии, касательная к которым в каждой

точке совпадают с направлением вектора индукции B . Линии магнитной
индукции всегда замкнуты и охватывают проводники с током.

Напряженность магнитного поля H - величина, используемая для описания
магнитного поля наряду с магнитной индукцией

Теорема о циркуляции вектора H - то же, что и законом полного тока для
магнитного поля в вакууме.
Сила Лоренца - сила, действующая на электрический заряд q , движущийся

в магнитном поле со скоростью v

Эффект Холла – явление возникновения в металле с током плотностью j ,

помещенном в магнитное поле B , электрического поля в направлении,


перпендикулярном j и B .
Магнитный поток через плоскую поверхность S , расположенную в

однородном магнитном поле с индукцией B - скалярная величина, равная

Ф  BS cos   Bn S  BS ,
М.
Фарадей,
английский
физик
-
открыл
(1831г.)
явление
электромагнитной индукции
Закон электромагнитной индукции Фарадея: какова бы ни была причина
изменения магнитного потока через поверхность, ограниченную замкнутым
проводящим контуром, возникающая в контуре э.д.с.  i  
dФ
dt
Правило Ленца: индукционный ток в контуре имеет всегда такое
направление, что создаваемое им магнитное поле препятствует изменению
магнитного потока, вызвавшему этот индукционный ток
Экстратоки самоиндукции - дополнительные токи, возникающие при
замыкании и размыкании цепи
Трансформатор - прибор для преобразования переменного тока
Взаимная индукция - явление возникновения э.д.с. индукции в одном из
контуров при изменении силы тока в другом
Электромагнитная волна - процесс распространения в пространстве
переменного электромагнитного поля с конечной скоростью
Свободные колебания - колебания, совершающиеся под действием
внутренних сил системы, после того, как система была выведена из
состояния равновесия Вынужденные колебания - колебания, происходящие
под действием внешних периодически изменяющихся сил
Резонанс – явление неограниченного возрастания амплитуды колебаний
при условии, если частота
вынуждающей силы стремится к частоте
собственных колебаний осциллятора
3. КРАТКИЕ КОНСПЕКТЫ ЛЕКЦИЙ
Тема: Общие характеристики средств измерений. Классификация.
Прибор – это устройство для наблюдений,измерений,обработки и
представления информации,передачи ее на рсстояние; для воздействия на
объект исследования; для регулирования и управления процессами. Прибор
всегда посредник между человеком и природой, человеком и техникой,
между природными и ли технияескими объектами и другими техническими
устройствами.
Многие приборы ( лупа, весы, телескоп ) были изобретены еще в
прошлые века и еще в древности, однако в Х1Х веке широко
распространенными приборами были только часы и весы. В ХХ веке
приборы проникли во все виды нашей деятельности: на производство, в
медицину, В систему образования, в наш быт и досуг.
Чтобы ориентироваться в сложном и разнообразном мире приборов,
необходимо их классифировать. Классификация - сортировка потому или
иному признаку. В зависимости от признака, положенного в основу,
возможны различные классификации.
Приборы можно классифицировать по назначению. По этому признаку
мы будем различать:
1.Приборы для получения информации о явлениях в природе и
технике. Это наблюдательные и измерительные приборы (зрительная труба,
вольтметр и т. д.).
2.Эталоны и меры (линеки, гири и т. д.).
3.Приборы для передачи информации (линии связи, датчики,
усилители,
интеграторы,
дифференцирующие
схемы,
электронновычислительные машины).
4. Приборы для преобразования и передачи энергии (источники тока,
трансформаторы, генераторы, редукторы, линии электропередачи).
5. Приборы для воздействия на объекты (механические и другие
инструменты, станки, манипуляторы, насосы, советители, печи, горелки,
холодильники).
Чаще всего приборы разделяют по отрасли применения. Наиболее
удобга для изучения приборов систематизация по принципу действия, по
физическому явлению, положенному в основу работы прибора. По
конструктивному оформлению приборы могут быть стационарными и
переносными.
К классификации по конструктивному оформлению следует отнести
также различия по компоновке блоков и узлов, по характеру соединяющих
их линий связи.Различают:
1. Собственно прибор ( все блоки расположены в одном корпусе).
2. Установку ( на одном столе или стенде собраны приборы,
соединеные между собой линиями связи и решающие какую-то общую
задачу ).
3. Информационную систему, или измерительный комплекс.
Тема: Изменение пределов шкалы электроизмерительного прибора,
оформления шкал и указателей, обозначения на шкалах
Многопредельные приборы. Измерительный, прибор, электрическую схему
которого можно переключать для изменения интервалов измеряемой
величины, называете я многопредельным. В случае амперметров изменение
пределов достигается включением различных шунтов, в случае вольтметров
— включением добавочных сопротивлений.
Наличие многопредельных приборов связано с тем обстоятельством, что
часто требуется измерять электрические величины в очень широких пределах
с достаточной степенью точности в каждом интервале. В этом случае
многопредельный прибор заменяет несколько однотипных приборов с различными интервалами измерения. Например, при снятии анодных
характеристик
трех электродной лампы величина анодного тока, в
зависимости от анодного напряжения (при постоянном потенциале сетки),
может изменяться в пределах от 0 до 30 ма. Если измерения производить
прибором, шкала которого рассчитана на 30 ма, то небольшие токи будут
измерены таким прибором с большой погрешностью.
Действительно, пусть класс прибора 1,5. Тогда абсолютная погрешность
определится из условия:
 =  п * апр = 0,015*30 = 0,45 = 0,5 (ма).
При измерении тока в 21 ма относительная погрешность равна
1=
0,5
 2,4 %
21
Если же измерять тем же прибором ток в 1 ма, то относительная
погрешность будет такого же порядка, как и измеряемая величина
2 
0,5
 50 %;
1
В таких случаях многопредельный прибор переключают на меньший
предел, чтобы стрелка отклонилась на максимальный угол, но не выходила
за пределы шкалы. Иными словами, многопредельный прибор следует
включать так, чтобы относительная погрешность измерения была минимальной. Иногда многопредельные приборы снабжаются различными шкалами.
Отсчет производится по шкале, соответствующей включению прибора. Часто
многопредельные приборы имеют одну шкалу. В таких случаях нахождение
измеряемой величины связано с пересчетом. Пересчет состоит в
определении переводного коэффициента, на который следует умножить
отсчет по прибору для того, чтобы получить значение измеряемой величины в
соответствующих единицах. Переводной коэффициент равен
к=
à
N
(6)
где а — максимальное значение величины, которое можно измерить при
данном включении прибора, N —число, стоящее против последнего деления
прибора.
Не следует смешивать число делений и отсчет по прибору. Поясним
сказанное на примере.
Число делений может совпадать с отсчетом по прибору. В общем случае
отсчет и число делений не совпадают. Например, для прибора,
изображенного на рис. 112, отсчету 50 соответствуют 10 делений, 100 — 20
делений, 165 — 33 деления и т. д.
Предположим, что к миллиамперметру, имеющему на шкале 300
делений, подобраны шунты таким образом, что при различных
включениях он позволяет измерять ток в трех интервалах 0—3, 0—9 и 0 —
30 ма. Пусть прибор работает в диапазоне 0—3 ма, отсчет по прибору —
210. Переводной коэффициент
k3 =
3
= 0,01.
300
Измеряемая величина I1 = 210*0,01 =2,1 (ма).
Пусть при измерении другого тока I2 в диапазоне 0—9 ма отсчет по
прибору также равен 210. В этом случае
I 2 =210*k 9 =210
9
= 6,3мa.
300
Правила пользования многопредельными приборами.
1. ВЫЧИСЛЯЮТ переводные коэффициенты для всех диапазонов
ka1, ka2,…, kan по формуле (6).
2.Во избежание порчи прибора включают его в максимальном диапазоне аn.
3.Определяют грубо измеряемую величину, умножив отсчет по прибору
на переводной коэффициент kan . После этого переходят на тот диапазон,
верхний предел которого ближе всего к значению измеряемой величины, но
в то же время больше ее. Определяют точное значение измеряемой величины,
умножив отсчет на соответствующий переводной коэффициент.
4.Если измеряемая величина увеличивается, то измерения продолжают до
тех пор, пока стрелка не подойдет до конца шкалы, а затем переходят
на следующий (больший) диапазон.
5.В случае уменьшения величины, измерения продолжают до тех пор, пока
измеряемая величина не достигнет верхнего предела следующего
меньшего диапазона, после чего переходят на этот диапазон.
1. Чувствительность и цена деления электроизмерительного прибора.
Чувствительностью S электроизмерительного прибора называется
отношение линейного или углового перемещения указателя d  к
изменению измеряемой величины dx, вызвавшему это перемещение
S=
d
dx
(1)
Размерность чувствительности зависит от характера измеряемой
величины (например, чувствительность прибора к току, чувствительность
прибора к напряжению и т. д.).
1
S
Величина С= , обратная чувствительности, называется ценой
деления прибора. Она определяет значение электрической величины,
вызывающей отклонение на одно деление. В общем случае цена деления
представляет собой разность значений измеряемой величины для двух
соседних меток. Цена деления зависит от верхнего и нижнего пределов измерения прибора и от числа делений шкалы. Например, на рисунке
показана шкала прибора рассчитанного на измерение постоянного
тока в пределах от 0 до 300 ма, шкала
которого имеет 60 делений.Цена деления
такого прибора равна
300
=5ма/дел, чувствительность 0,2 дел/ма.
60
2. Погрешности приборов
Важнейшей характеристикой каждого
измерительного
прибора является его погрешность. В качестве действительного значения
измеряемой величины принимается величина, измеренная образцовым
прибором. Разность между показанием прибора  и действительным
значением измеряемой величины  0 называется абсолютной погрешностью 
:
 =  —  0
Обычно,
точность
измерения
характеризуется
относительной
погрешностью  , которая представляет собой отношение абсолютной
погрешности к действительному значению измеряемой величины
 =

0
;
В большинстве случаев для характеристики точности большинства
электроизмерительных приборов пользуются приведенной погрешностью  п . .
Приведенной
погрешностью
называется
отношение
абсолютной
погрешности к.предельному значению измеряемой величины апр , т. е. к
наибольшему ее значению, которое может быть измерено по шкале прибора
 п =  ;
 ïð
Необходимость введения приведенной погрешности объясняется тем, что
даже при постоянстве абсолютной погрешности по всей шкале прибора
относительная погрешность по мере уменьшения значений измеряемой
величины не остается постоянной, а увеличивается.
Точность электроизмерительных приборов является главнейшей их
характеристикой и лежит в основе деления приборов на классы. Согласно
ГОСТ по степени точности измерения электроизмерительные приборы
делятся на семь классов: 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5 и 4.
Показатель класса определяет приведенную погрешность измерения в
процентах. Абсолютная погрешность определяется следующим образом
 =
 п * апр ;
Например, миллиамперметр класса 1,5 со шкалой 300 ма дает в любом
месте шкалы абсолютную погрешность
 =  300 *0,015 =  4,5 (ма).
Приборы классов 0,1; 0,2; 0,5 применяются для точных лабораторных
измерений и называются прецизионными.
В технике применяют менее точные приборы классов 1; 1,5; 2,5 и 4
(технические). Приборы с погрешностью более 4% считаются
внеклассными. Класс прибора обычно указывается на его шкале.
ром был ориентирован Ё Данный момент Излучатель, — направление на
объект. В радиолокаторе информация о всех объектах переносится на экран
электроннолучевой трубки с круговой разверткой (рис. 16, б), в которой
электронный луч ходит по радиусу экрана. Этот радиус медленно
поворачивается вокруг центра, точно повторяя вращение излучателя
(например, антенны). В момент посылки сигнала начинается движение луча
от центра экрана. Когда поступает отраженный сигнал, яркость луча резко
возрастает и на экране возникает яркое пятно. Расстояние его от центра тем
больше, чем позже пришел отраженный сигнал, т. е. чем больше расстояние до
объекта.
Измерение очень малых расстояний производится интерференционными
методами (см. интерферометры), а также методами, в которых используется
дифракция света, рентгеновских лучей, электронов, нейтронов и других
микрочастиц, причем существенно, чтобы длина волны зондирующих
микрочастиц была близка к размерам измеряемых промежутков. Существует
также множество косвенных способов измерения размеров. Так, размер
частиц известной плотности можно определить по скорости оседания в
жидкости, размер пор в твердом теле— по тому давлению, которое надо
создать, чтобы ртуть начала входить в эти поры, преодолевая капиллярные
силы, и т. д.
Тема «Приборы для измерения механических величин»
К механическим приборам относятся приборы, в которых используются
законы механики (различные соотношения между кинематическими и
динамическими величинами, а также механической энергией). В то же время
для измерения механических величин используются и другие физические
явления (электрические, оптические, атомные). Поэтому в этой теме не
избежать некоторых экскурсов в электронику, оптику и другие разделы
физики и техники. Приборы для измерения линейных размеров.
Линейка, градуированная по эталону в единицах длины (см, мм), является
простейшей рабочей мерой длины. Линейка должна изготавливаться из
твердого материала, мало меняющего свои свойства со временем, лучше из
металла (деревянные и особенно пластмассовые линейки, высыхая, становятся
заметно короче). Следует также учитывать тепловое расширение и линейки, и
объекта. (На это можно не обращать внимание только в том случае, если ои
сделаны из одного материала.) Широко используются гибкие меры длины:
рулетка, портновский метр и т. д. Точность этих приборов невелика.
Большей точности достигают в приборах с нониусом, например в
штангенциркуле. Нониус позволяет более точно определять количество долей
деления основной шкалы. К основной шкале с делением / изготавливается
вспомогательная — нониус, каждое деление которого меньше деления
основной шкалы на l - ln = 𝛅, где б — малая часть деления. Определить б
нетрудно, совместив начала линеек (рис. 1, а).
Допустим
т делений
нониуса 2
соответствует т — 1 делениям
основной шкалы 1, т. е.
т ln = (m - 1)l.
Тогда б = l - ln = l/m .
Пусть вначале совпадают нулевые деления обеих шкал (рис. 1, а).
Сдвинув нониус вправо, поместим измеряемое тело3 между началами
линеек,
как показано на рисунке 1, при сдвиге на б первое деление нониуса
совпадает с первым делением основной шкалы, затем при сдвиге на 26 —
второе со вторым и т. д. Таким образом, по номеру совпавшего деления
мы можем определить, на сколько долей деления сдвинулся вправо нониус,
т.е. какова длина тела.
Другой способ определения доли деления основной шкалы прибора
применен в микрометре Здесь использован способ винта и барабана.
Рис. 11. Микрометр: 1 — скоба, 2 —- винт с барабаном, 3 —
основная шкала, 4 — деления барабана , 5 — измеряемая деталь, 6 —
фрикцион.
Микрометр точнее штангенциркуля, но может измерять тольео
небольшие детали.
Для дальнейшего увеличения точности отсчета применяется оптический
рычаг. Рассмотрим принцип действия оптиметра. Луч света от осветителя 9
проходить через боковое отверстия в окуляр 6 зрительной трубы 5, отражается
полупрозрачным зеркалом 8, поставленным под углом 45°, и попадает на
зеркало 4, наклон которого зависит от толщины детали 2. В окуляре 6 есть
шкала 7, на нее проецируется ее же собственное отражение от зеркала 4. Без
детали зеркало 4 горизонтально (перпендикулярно лучу) и отражает луч в
прямо противоположном направлении, при этом изображение шкалы совпадает
с самой шкалой 7. Такой окуляр называется автоколлимационным (см.
окуляры). При наличии детали зеркало поворачивается на угол а, а
отраженный луч — на угол 2а. В окуляре изображение шкалы сдвигается
относительно самой шкалы, что наблюдается глазом и позволяет измерять
толщину детали. Благодаря большой длине луча (на рисунке масштаб не
выдержан) незначительный поворот на угол а вызывает значительное
смещение изображения шкалы.
Не всегда можно надавливать щупом на деталь, ее размеры могут от
этого измениться. В этих случаях применяются б е с к о н т а к т н ы е
оптические приборы. К ним относятся измерительный микроскоп для
измерения размеров малых деталей (см. микроскоп), а для измерения
сравнительно больших размеров — измерительный проектор и компараторы.
Бесконтактные оптические приборы для измерения размеров: а
— измерительный проектор (/ — лампа, 2 — конденсор, 3 —
измеряемая деталь, 4 — объектив, 5 — Полупрозрачный экран); б —
поперечный и в — продольный компараторы (6 — измеряемая деталь,
7 — эталон, 8 — каретка с микроскопами); г — катетометр (1 —
штатив, 2 — каретка со рительной трубой); д — поперечный масштаб.
Измерительный микроскоп — микроскоп, снабженный приспособлениями
для измерения размеров микрообъектов. Это прежде всего окулярная шкала
(или сетка), помещенная в фокальную плоскость (точнее, люк — см.
оптические системы) окуляра, в то место, где получается изображение
объекта.
В результате глаз наблюдает одновременно изображение и шкалу. Для
определения цены деления окулярной шкалы служит объект-микрометр —
прозрачная линеечка с очень мелкими эталонными делениями (например, по
0,01 мм), которая помещается вместо объекта на столик микроскопа. Другой '
способ измерения размеров с помощью микроскопа — применение
окулярного микрометра с микрометренным винтом. В этом случае шкала в
окуляре заменяется крестом нитей, который может перемещаться вдоль
изображения микрометренным винтом с барабаном. Крест совмещают сначала
с одной деталью изображения, затем с другой, а расстояние между ними определяют по отсчетам на барабане.
В радиолокаторе информация о всех объектах переносится на экран
электроннолучевой трубки с круговой разверткой (рис. 16, б), в которой
электронный луч ходит по радиусу экрана. Этот радиус медленно
поворачивается вокруг центра, точно повторяя вращение излучателя
(например, антенны). В момент посылки сигнала начинается движение луча
от центра экрана. Когда поступает отраженный сигнал, яркость луча резко
возрастает и на экране возникает яркое пятно. Расстояние его от центра тем
больше, чем позже пришел отраженный сигнал, т. е. чем больше расстояние до
объекта.
Измерение очень малых расстояний производится интерференционными
методами (см. интерферометры), а также методами, в которых используется
дифракция света, рентгеновских лучей, электронов, нейтронов и других
микрочастиц, причем существенно, чтобы длина волны зондирующих
микрочастиц была близка к размерам измеряемых промежутков. Существует
также множество косвенных способов измерения размеров. Так, размер
частиц известной плотности можно определить по скорости оседания в
жидкости, размер пор в твердом теле— по тому давлению, которое надо
создать, чтобы ртуть начала входить в эти поры, преодолевая капиллярные
силы, и т. д.
Угломерные приборы.
Простейшие угломерные приборы — угольники, транспортир применяют тех случаях, когда достаточна точность в 1 градус. Специальные
угломерные приспособления в измерительных микроскопах и измерительных
проекторах дают точность до нескольких угловых минут.
Для измерения углов с точностью до угловых секунд используют
достаточно большой диск с делениями, который называется лимбом, и
смещающийся относительно него круговой нониус (рис. ). Принцип
действия кругового нониуса и правило определения цены деления те же,
что и в случае прямолинейного нониуса. Так, на рисунке 17 цена деления
основной шкалы — 30'.
Гониометр — оптико - механический прибор для измерения углов
между световыми лучами. Он используется для измерения двугранных углов
деталей
оптическим
методом, углов преломления, дифракции
и т. д. Простейший гониометр состоит из массивного штатива на ось
которого насажен диск с делениями - лимб . Вокруг той же оси могут
вращаться две планки — алидады. На одной из них закреплена труба 2,
которая носит название коллиматор, на другой — зрительная труба .3,
настроенная на бесконечность.
Коллиматор представляет собой трубу с линзой на конце, обращенном
к оси прибора, и щелью на другом конце. Расстояние от щели до линзы равно
фокусному расстоянию линзы, так что если щель осветить, то из коллиматора
выходит параллельный пучок лучей. В центре гониометра находится столик
4 для изучаемого объекта, который также вращается вокруг той же оси. Если
на столике ничего нет и зрительная труба поставлена строго против
коллиматора, то параллельный пучок собирается объективом трубы в фокальную плоскость аналогично тому, как он расходился в коллиматоре, и глаз
увидит через окуЛЯр изображение щели. Совмещая это изображение с крестом
нитей в окуляре, можно очень точно установить трубу против окуляра. Если
же на столик поставить призму, то лучи отклонятся на некоторый угол и трубу
нужно будет повернуть на такой же угол, чтобы снова совместить
изображение щели с крестом нитей (рис. 18, а). Отсчет угла между
алидадами производится по скрепленным с ними круговым нониусам. Такой
способ использования гониометра называется к о л л и м а т о р н ы м .
Для измерения двугранного угла между отражающими поверхностями
применяют а в т о к о л л и м а ц и о н н ы й способ. Для этого зрительная
труба снабжается одним из видов автоколлимационного окуляра с
осветителем. Вначале устанавливают зрительную трубу 3 перпендикулярно
одной грани исследуемого объекта. При этом свет осветителя отражается от
грани прямо назад и в окуляре видны одновременно крест нитей и отраженное
изображение этого креста. Их следует совместить. Это будет
свидетельствовать о строгой перпендикулярности луча к поверхности
предмета. Затем трубу поворачивают в положение 3' и таким же способом
устанавливают перпендикулярно другой грани. Угол поворота трубы |3 находят
по разности показаний нониусов, а искомый двугранный угол а = 180°- 𝜷
Для измерения углов на местности
используют буссоль, кипрегель и теодолит.
Буссоль — прибор для измерения углов в
горизонтальной плоскости (рис. 19, а). На
оси диска с лимбом вращается планка —
алидада с прорезями (прицелом) и круговым нониусом. Поскольку
направления в гори зонтальной плоскости отсчитывают от магнит ного
меридиана, на ту же ось насаживается магнитная стрелка.
Приборы для измерения площади поверхности и объема тела
Приборы для измерения площади поверхности плоской фигуры неправильных
очертаний называются планиметрами. Это сугубо геометрические приборы и
поэтому здесь не описываются.
Объем жидкости определяется мензуркой и другими мерными сосудами.
В частности, для измерения очень малых объемов жидкости используют
градуированную пипетку — бюретку. Форма мензурки и других мерных
сосудов желательна коническая, с тем чтобы при малых объемах деления были
крупнее. Это несколько выравнивает относительную погрешность при малых
и больших количествах жидкости.
Объем твердого тела в случаях, когда из-за сложности формы его нельзя
измерить геометрически, определяют, опуская в мензурку с жидкостью, не
растворяющей и не разрушающей тело. Если такую жидкость подобрать
нельзя, применяют газовые объемомеры. Принцип действия газового
объемомера основан на законе Бойля —Мариотта. Пусть имеется колпак,
плотно примыкающий к тарелке с отводной трубкой (рис. ). Трубка соединена с
U-образным манометром гибким шлангом. Поднимая и опуская свободное
колено манометра, можно менять объем газа и измерять при этом его давление.
Сечение трубки S известно, так что из соотношения
V0 P1 =(V0 +Sh1 )Patm
можно найти Vо - объем сосуда без тела. Затем из соотношения
(Vо - Vх) Р2 = (V0- V+ Sh2)pатм. находится объем тела Vх.
При непрерывном течении жидкости
или газа по трубопроводу необходимо
измерять р а с х о д , т. е. объем
вещества,
протекающего
через
поперечное сечение в единицу времени. Эту задачу решают расходомеры
различных конструкций. На рисунке
приведены
схемы
расходомеров
чашечного типа, применяемых для
небольших
расходов.
Чашки,
укрепленные на вертушке, по мере
наполнения
поворачиваются,
переливая определенные порции
жидкости или пропуская порции газа. С осью скрепляется механический
счетчик оборотов.
Тема: Обработка результатов измерений и представление
результатов эксперимента. Определение погрешностей при прямых
измерениях (на ИВТ, вручную)
Основные понятия. Классификация измерений. Погрешности
измерений.
Измерение - совокупность операций по применению технического
средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих
нахождение соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой величины
с ее единицей и получение значения этой величины. Принцип измерений физическое явление или эффект, положенное в основу измерений
Метод измерений - прием или совокупность приемов сравнения
измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с
реализованным принципом измерений. Область измерений - совокупность
измерений физических величин, свойственных какой-либо области науки или
техники и выделяющихся своей спецификой (механические, акустические,
магнитные и т.д.) Вид измерений - часть области измерений, имеющая свои
особенности и отличающаяся однородностью измеряемых величин.
Например, механические измерения разделяют на измерения массы,
скорости, силы и т.д.
Точность измерений - характеристика качества измерения, отражающая
близость к нулю погрешности результата измерения.
Правильность измерения - характеристика измерения, отражающая близость
к нулю систематической погрешности результата измерения
Достоверность измерений – важнейшая характеристика качества
измерений,
определяющая
доверие
к
результатам
измерения.
Характеризуется вероятностью того, что истинное (действительное) значение
измеряемой величины находится в указанных пределах.
Результат измерения – значение ФВ, найденное в процессе ее
измерения. Классификация измерений. Признаки - Характеристики точности
(равноточные и неравноточные);
Число измерений в серии (однократные и многократные);
Отношение к изменению измеряемой величины (статические и
динамические);
Выражение результата измерений (абсолютные и относительные);
Метрологическое назначение (технические, метрологические);
Общие приемы получения результатов (прямые, косвенные, совокупные и
совместные).
Классификация измерений:
- равноточные измерения - ряд измерений какой-либо величины,
выполненных одинаковыми по точности средствами измерений в одних и тех
же условиях
- неравноточные измерения - ряд измерений какой-либо величины,
выполненных различающимися по точности средствами измерений и (или) в
разных условиях.
- статическое измерение - измерение ФВ, принимаемой в соответствии с
конкретной измерительной задачей за неизменную на протяжении времени
измерения (длина, масса и т.д.)
- динамическое измерение - измерение изменяющейся по размеру ФВ
(устойчивость к многократному растяжении, изгибам и т.д.)
- прямое измерение - измерение, при котором искомое значение ФВ
получают непосредственно по показанию средства измерения (СИ)
- косвенное измерение - определение искомого значения ФВ на основании
результатов прямых измерений других физических величин, функционально
связанных с искомой величиной
- абсолютное измерение - измерение, основанное на прямых измерениях
одной или нескольких основных величин и (или) использовании значений
физических констант (F = mg)
- относительное измерение - измерение отношения величины к одноименной
величине, играющей роль единицы, или измерение изменения величины по
отношению к одноименной величине, принимаемой за исходную
(относительная влажность воздуха, удлинение при разрыве в %)
- метрологическое измерение – измерения при помощи эталонов с целью
воспроизведения единиц ФВ или передачи их размера СИ
- техническое измерение – измерения при помощи рабочих средств
измерения (контроль качества продукции, научно-исследовательские
испытания)
Погрешности измерений
Погрешность измерения - отклонение результата измерения от истинного
(действительного) значения измеряемой величины. По форме числового
выражения абсолютные, относительные, приведенные.
По закономерностям проявления:
- случайные;
- систематические.
По виду источника (методические, инструментальные, субъективные)
По характеру проявления (постоянные, переменные),грубые промахи.
Случайная погрешность измерения - составляющая погрешности результата
измерения, изменяющаяся случайным образом (по знаку и значению) при
повторных измерениях, проведенных с одинаковой тщательностью, одной и
той же физической величины.
Погрешность и результат измерения ее содержащий являются
случайными величинами, т.е. нельзя сказать какое значение они примут в
момент времени t, можно указать лишь вероятность появления их значения в
том или ином интервале.
Распределение случайных величин будет близко в нормальному всякий
раз, когда результаты наблюдения формируются под влиянием большого
числа независимо действующих факторов, каждый из которых оказывает
лишь незначительное действие по сравнению с суммарным действием всех
остальных.Закон нормального распределения случайной величины.
Тема: Обработка результатов физических измерений с помощью
теории вероятностей и математической статистики
Некоторые понятия теории вероятностей и математической статистики
В научных исследованиях, технике, массовом производстве мы часто
встречаемся с опытами, операциями, многократно повторяющимися в
неизменных условиях.
Неоднозначность получаемых результатов при сохранении основных
условий опыта наблюдается для широкого круга явлений. Результаты
нескольких измерений, полученные одним и тем же прибором в одних и тех
же условиях, оказываются различными. Влияние очень большого числа
разнообразных причин, каждая
из -которых
в отдельности не может
Δ= X
Х изм
ист
повлиять на, результат опыта, не определяется заранее однозначно,
говорят, что результат такого опыта случаен.
Примеры случайных явлений можно наблюдать во многих областях
науки и техники: в физике, медицине, демографии, в массовом
производстве и т.
Изучением случайных явлений занимается теория вероятностей.
Абстрагируясь от специальных свойств явлений, в теории вероятностей
вводят понятие испытания.
Испытанием
называется
осуществление
какого-нибудь
определенного комплекса условий, который может быть воспроизведен
сколь угодно большое число раз.
Явления, происходящие при реализации этого комплекса, т. е. в
результате испытания, называются событиями.
Каждому событию приписывается особая числовая мера объективной
возможности его появления – вероятность.
Вероятность каждого события характеризуется той частотой, с которой
оно встречается при повторении опыта.
Некоторые события происходят неизбежно в результате каждого
испытания — они называются достоверными, другие вообще не происходят
ни при одной реализации комплекса условий — их называют
невозможными.
Два события называют несовместимыми, если их одновременное
появление невозможно.
В результате испытаний в зависимости от меняющихся случайных
обстоятельств может произойти то или иное событие из множества
событий, возможных при данном испытании. Такое множество называется
полем событий, а события этого поля называют случайными.
Рассмотрим серию из п испытаний, произведенных в одних и тех
же условиях. Пусть интересующее нас событие А появилось m раз, тогда
отношение числа m к общему числу п произведенных испытаний называют
относительной частотой появления события А. Для каждой
относительной частоты выполняется неравенство
0  (m/n)  1 .
В широком классе случаев в длинных повторных сериях относительная частота события А обнаруживает устой ч и во с т ь, т. е. редко
сколько-нибудь значительно отклоняется от некоторого постоянного
положительного числа. Это положительное число, меньшее единицы (или
равное единице, когда событие достоверно), представляет собой
количественную меру возможности реализации случайного события А в
испытании и называется его вероятностью. Такое определение
предполагает, что отдельные результаты испытания равновозможны и
попарно несовместимы. Можно привести значительное число примеров,
где речь идет о величинах, числовое значение которых не может быть
раз навсегда определено, а меняется под влиянием случайных воздействий.
Так, число мальчиков на сотню новорожденных не может быть для всех
сотен одним и тем же. Скорость молекул газа не остается неизменной, а
меняется от столкновений с другими молекулами. Ввиду того что каждая
молекула может либо столкнуться, либо не столкнуться с каждой другой
молекулой газа, изменение ее скорости носит чисто случайный характер.
Число метеоритов, падающих на Землю в течение года и достигающих ее
поверхности, не постоянно, а подвержено значительным колебаниям в
зависимости от целого ряда обстоятельств случайного характера.
Задать данную случайную величину — это означает знать не только те
возможные числовые значения, которые она может принимать, но и
вероятности их появления.
Случайная величина называется дискретной, если ее возможные
значения можно пронумеровать. Дискретная случайная величина может
быть задана законом распределения вероятностей.
Закон распределения. Гистограмма
Законом распределения называется совокупность всех возможных
значений х i случайной величины и соответствующих им вероятностей
Р i = Р(Х=х i ) того, что случайная величина X примет значение, равное хi.
Вероятности Pi - удовлетворяют условию  Pi  1 .
Непрерывной случайной величиной называется такая, которая может
принимать любые числовые значения в данном интервале и для которой
при любом X из этого интервала существует предел
lim
P ( x  X , x  x )
=Р(х).
x
называемый плотностью вероятностиНепрерывная случайная величина
задается функцией распределения Р(х).
Функция распределения F(х) =Р(Х<.х)
есть вероятность того, что случайная
величина X меньше х, где х — любое
действительное число из заданного
интервала.
Наглядное представление о
непрерывном законе распределения
вероятностей можно получить по
графику плотности распределения (рис.1).
Заштрихованная площадь есть вероятность того, что случайная величина
попадет в интервал (х1 , х2).
Функция распределения F(х) полностью определяет распределение
случайной величины. Однако в ряде задач достаточно использовать
более простые характеристики случайной величины. Одной из таких
характеристик является математическое ожидание случайной величины
или среднее значение.
Математическим ожиданием М(Х) дискретной случайной величины
называется сумма произведений всех ее возможных значений xi на их
вероятности Pi :
Математическое ожидание дискретной случайной величины называют
также
ее
средним
значением,
подчеркивая
статистический
смысл этого понятия (для эмпирических распределений статисти
ческим
аналогом
математического
ожидания
служит
среднее
арифметическое значение < >). .
Математическим ожиданием (центром распределения) М(Х) непрерывной
случайной величины X служит интеграл:
Центром распределения эта величина названа по аналогии с
центром тяжести для системы материальных точек, расположенных на
одной прямой.
Рассеяние случайной величины X связано с отклонением этой
величины от ее центра распределения а = М(X). Для характеристики рассеяния случайной величины пользуются дисперсией случайной величины и
средним, квадратичным отклонением. Дисперсия случайной величины X
определяется следующим образом: D(Х)= = М(х—а)2. Дисперсию
часто обозначают символом  2 ( õ2 , т. е. а2(х)=М(х—а)2. Пользуясь
формулами для математического ожидания, получим формулы дисперсии
случайных величин: непрерывной случайной величины.
Дисперсия имеет размерность квадрата случайной величины. Для
того чтобы получить характеристику рассеяния, одинаковую с
размерностью случайной величины и ее математическим ожиданием,
вводят среднее квадратическое отклонение, определямое по формуле вместо
о2{х) и о(х) обычно пишут а 2 и а соответственно.
Большую роль случайное рассеяние играет в биологии, медицине,
массовом производстве и других областях науки и техники. Во всех этих
областях математические статистические методы находят широкое
применение при решения задач, аналогичных задачам теории погрешностей
(сравнение средних, оценка степени рассеяния и т. д.).
Один из разделов математической статистики — описательная
статистика — рассматривает вопросы описания картины случайного
рассеяния по данным наблюдений массовых явлений, выбора средних
показателей, оценки неизвестных параметров, распределенных по данным
наблюдения.
В условиях, когда число наблюдений ограничено, объективное
суждение о преимуществах того или иного метода измерений, о пользе
лекарства и т. д. можно получить на основе статистического анализа.
> Набор значений {хи х2,.... хп) случайной величины X, полученных в
результате п опытов, называется выборкой объема. По частоте признака,
попавшего в выборку, мы можем (математическая статистика располагает
такими методами) оценить долю признака во всей партии или, как принято
говорить в теории выборочного метода, в генеральной совокупности,Полученная выборка называется репрезентативной (представительно),
если она хорошо представляет пропорции генеральной совокупности.
На практике обычно мы получаем эмперическое распределение
случайной величины. Результаты серии измерений одной величины можно
представить в виде диаграммы, которая показывает, как часто получались
те или иные значения. Такой эмпирический график распределения
называется гистограммой (рис. 2).
Для построения гистограммы весь диапазон полученных значений
разбивается на малые интервалы и подсчитывается вероятность попадания
случайной величины в данный интервал. На графике ось ординат — ось
вероятностей
А
/
попадания
случайной величины в данный
интервал, а ось абсцисс — ось
результатов наблюдений, разбитых
на полузамкнутые интервалы, причем
следует условиться заранее, какой
из концов интервала (правый или
левый) будет замкнут, чтобы крайние
значения интервалов не учитывались
дважды. Получаем ступенчатую
фигуру,
состоящую
из
прямоугольников, число которых
равно числу интервалов, на которые разбиты результаты измерений.
Примеры таких распределений: частота сердечных сокращений,
частота дыхания у группы лиц; изменение активного сопротивления какимлибо методом, распределение числа импульсов, поступающих от звукового
генератора за определенное время, и др.
Существует относительно много законов распределения случайных
величин. Мы рассмотрим здесь нормальный закон распределения. Ему
подчиняются многие случайные величины (в том числе все случайные
погрешности).
Величина, распределенная по нормальному закону, имеет множество
значений, поэтому нормальные распределения удобно изображать
графически.
Тема: Погрешности при косвенных измерениях
Тема: Датчики. Приборы для измерения малых перемещений
Перемещение — величина относительная, измеряется всегда относительно какой-либо системы отсчета. При этом может быть два случая: когда
есть возможность опираться на метки в системе отсчета и когда такой
возможности нет. Во втором случае о перемещении судят по скорости и
времени движения, т. е. применяют приборы, интегрирующие скорость по
времени (приборы, интегрирующие показания спидометров).
М а л ы е п е р е м е щ е н и я (малые сдвиги, деформации, изменение
уровня жидкости в сосуде и т. д.) фиксируются всегда с опорой на систему
отсчета с помощью разнообразных датчиков.
На рисунке 2 приведены некоторые из них. В резистивных датчиках движок
переменного резистора, смещаясь, меняет сопротивление. Изменение сопротивления можно регистрировать, включая резистор по схеме реостата (рис. 2,
а), по схеме потенциометра (рис. 2, б) или по схеме моста (рис. 2, в).
Они на два порядка более чувствительны. Обычно на деформируемую деталь
Рис. 2. Датчики малых перемещений: а, б, в — резистивные (разные схемы
включения); г — полоска тензодатчика; д — полоски тензодатчика на
деформирующейся детали; е — емкостный датчик; ж — индуктивный; з —
индукционный; и — пьезоэлектрический; к — пьезоэлектрический
биморфный; л — фотоэлектрический; м — механотрон.
Последняя схема наиболее чувствительна и чаще всего применяется.
Движок — механическая деталь, и как таковая она наиболее уязвима и
наименее надежна. Этого недостатка лишен тензодатчик, им можно измерять
лишь очень малые перемещения одного участка тела относительно другого —
деформации.
Полоска тензодатчика — это несколько проволочек из константана,
заклеенных в пластмассу (рис. 2, г). При деформации проволочки
растягиваются и их сопротивление меняется. Есть и полупроводниковые
тензодатчики, соединяемые по схеме моста. При деформации мост выходит
из равновесия, так как полоски деформируются по-разному.
Емкостные датчики перемещений фиксируют изменение положения
одной их пластин конденсатора, емкость которого можно измерять разными
способами (мостовым, резонансным), В индуктивном датчике от
перемещения железного сердечника меняется индуктивность катушки.
Такой датчик, как и предыдущие, является пассивным: к нему должна быть
добавлена измерительная цепь с источником тока.
Индукционный датчик является активным – он сам вырабатывает
ЭДС, однако это скорее датчик скорости, анне перемещения, так как
ЭДС

dÔ dx

. Очень малые перемещения при деформации фиксируются
dt
dt
пьезодатчиками.
В фотоэлектрическом датчике заслонка перекрывает свет, идущий от
осветителя к фотоэлементу.
Весьма совершенным, является электронный датчик малых
перемещений – механотрон (рис. М.). Представляющий собой вакуумный
диод с близко расположенными анодом и катодом, так что анод входит в
область пространственного заряда у катода. При малых перемещениях анода
относительно катода сильно меняется сопротивление механотрона, поэтому
он включается в мостовую схему.
Если большая точность не требуется, для фиксирования малых
перемещений достаточно системы рычажков, канатиков и блочков, которые
поворачивают стрелку, как, например, в барометре-анероиде.
Отдельно стоят датчики угла поворота одной детали относительно
другой. Часто поворот нельзя непосредственно наблюдать, и требуются
дистанционные измерения. Например, необходимо от флюгера на мачте
передать информацию о направлении ветра на пульт управления корабля. Для
этого можно воспользоваться длинным валом (жестким или гибким), однако
электрические способы предпочтительнее. Соответствующие измерения
производят с помощью потенциометрической передачи и сельсина (рис.). В
первом случае по кольцевому резистору передвигаются щетки, питаемые
источником постоянного тока. Трехпроводная линия передает токи на тройку
электромагнитов, в поле которых вращается постоянный магнит - ротор.
Тема: Акустические приборы
Основные вопросы: Источники и приемники звука. Мера частоты.
Микрофоны. Параметры микрофона.
Высокочастотные механические колебания твердых тел, жидкостей и
газовой среды называется звуком ( 20 Гц <  <20 кГц ) и ультразвуком ( >20
кГц), а соответствующие приборы – акустическими.
Источником звука может быть любое колеблющееся тело.
Источниками монохроматического звука преимущественно одной частоты )
являются музыкальные инструменты (струнные и духовые, кроме шумовых и
ударных), а также меры частоты - камертоны.
Струна – натянутая с определенной силой F проволока с линейной
плотностью  (масса единицы длин). Скорость поперечной волны в такой
струне 
F

. На струне длиной L может установиться только целое число
полуволн: L 
n
. Струна может колебаться с частотой
2


n F

,
 2L 
n=1,2,3.
При n=1 частота наименьшая и соответствует основному тону, в
свободном состоянии струна дает максимальную громкость звука на этой
частоте. Значения n=2,3 , … соответствуют кратным частотам – обертонам.
Частота, таким образом, определяется длиной струны, её массой и силой
натяжения. Басовые (низкочастотные) струны
делают длинными и
специально утяжеляют, наматывая на стальную центральную жилу медную
проволоку. Струны высокого тона – тонкие, короткие и сильно натянуты.
Тембр звучания струны (количество и громкость обертонов) зависит от
способа возбуждения колебаний.
КАМЕРТОН - мера частоты, служащая для настройки музыкальных
инструментов. Это металлический стержень U – образной формы,
укрепленный на ножке. На свободных концах стержня устанавливается
пучность поперечной волны, в месте закрепления – узел. Таким образом,
длина камертона соответствует
1
.
4
Сирена – механический источник звука, но переменной, плавно
меняющейся частоты, используются как сигнал тревоги. Она состоит из двух
дисков с наклонными отверстиями. Если через нижний диск вдувать воздух,
то верхний приходит во вращение. От того, сколько раз в секунду отверстия
будут приходиться друг против друга, пропуская воздух и создавая над
верхним диском уплотнение воздуха, т.е. от скорости вращения диска, будет
зависеть частота звуковых волн.
Перечисленные источники (сирена, органная трубка) могут в
конкретный момент давать только одну какую-либо частоту – это источники
монохроматических звуков. Однако существуют и источники, которые в
равной мере приспособлены к излучению любых звуков. Для этого во всех
колеблющихся деталях и воздушных полостях увеличивают трение
(главным образом о воздух), а массу деталей делают малой, чтобы их можно
было
заставить
колебаться
с
любыми
частотами.
Таковые
электромеханические источники звука – громкоговоритель и телефон.
Громкоговоритель
электродинамический (электродинамическая
излучающая головка распространенная название - динамик) – источник для
создания звуков в больших пространствах. Он состоит из постоянного
магнита с узким кольцевым зазором, в котором может свободно
перемещаться, не касаясь его, тонкая катушка с проводом, к бумажному
раструбу – диффузору, или рупору.
При прохождении тока через катушку сила Ампера втягивает катушку
в зазор или (при другом направлении тока) выталкивает из зазора.
Переменный ток приводит ее в колебания, они передаются диффузору,
который и создает звуковые волны мощностью до нескольких ватт.
Телефон – маломощный преобразователь электрических колебаний в
звуковые. Переменные токи разных
частот, протекая по катушке
электромагнита, создают в сердечнике магнита поле, которое притягивает
тонкую стальную мембрану. Однако если бы сердечник электромагнита был
бы просто железный, он притягивал бы мембрану два раза за период.
Излучалась бы вдвое большая частота, чем следует. Поэтому в качестве
сердечника берется постоянный магнит. Ток одного направления усиливает
его поле, а другого – ослабляет. Так получается частота колебаний
мембраны, соответствующая частоте переменного ток, пропускаемого через
катушку.
Важной характеристикой громкоговорителя и телефона является
частотная характеристика – график зависимости мощности излучаемого
звука I от частоты  . Для правильной звукопередачи характеристика
должна быть плоской в пределах от 20 Гц до 20кГц. Частотная
характеристика громкоговорителя обычно лучше, чем телефона. Другой
важной характеристикой громкоговорителя является направленность
излучения. Как следует из теории дифракции любых волн, угол дифракции в
радианах всегда порядка отношения

, где  - длина волны, а d – размер
d
излучателя. Роль большого диффузора в громкоговорителе, таким образом,
заключается не только в излучении большой мощности, но и в усилении
направленности.
Для предотвращения рассеяния звуковой энергии по разным
направлениям используются переговорные трубы – полые трубы диаметром,
обязательно меньшим длины звуковой волны. В широких трубах появляется
дисперсия – зависимость скорости распространения волны от частоты, в
результате чего звук становится неразборчивым.
Приемники звука. Микрофоны
Назначение микрофона – преобразование звуковой энергии в энергию
электрическую, в энергию переменного тока той же частоты. Общей деталью
всех микрофонов является мембрана - тонкая пластинка, колеблющаяся под
давлением звуковых волн. Микрофоны различаются по используемым в них
датчикам, регистрирующим колебания мембраны.
В наименее совершенном, почти устаревшем угольном микрофоне
используется резистивный датчик - сопротивление угольного порошка в
коробочке за мембраной зависит от колебаний мембраны. В результате ток
через микрофон будет содержать, кроме постоянной, еще и переменную
составляющую,
частота которой будет
соответствовать частоте
произносимых перед микрофоном звуков.
В конденсаторном микрофоне меняется под действием звуковых
колебаний емкость конденсатора и соответственно заряд q  CU .
В результате в цепи возникает переменный ток i  U
dC
.
dt
Динамический микрофон сходен по устройству с громкоговорителем,
только рупор заменен мембраной. В кольцевом зазоре колеблется катушка. В
соответствии с законом электромагнитной индукции в ней наводится ЭДС
EN
dÔ
,
dt
которая и дает переменный ток, если цепь замкнута.
Пъезоэлектрический микрофон с биморфным элементом отдает заряд в цепь
при деформации элемента. Микрофоны, предназначенные для улавливания
звука в воде, называют гидрофонами.
Параметрами микрофонов являются :
1.КПД, или чувствительность – отношение полезной энергии
переменного тока к падающей на него звуковой энергии:
Wýë
Wàê .
Это ценное качество микрофона, но не самое главное, так как слабые
электрические сигналы всегда можно усилить с помощью усилителя.
Наибольшей чувствительностью обладает угольный микрофон (может
работать без усилителя), наименьшей – конденсаторный.
2. Порог чувствительности определяется собственными шумами.
3. Частотная характеристика – график чувствительности микрофона в
зависимости от частоты. Характеристика по возможности должна быть
плоской, т.е. чувствительность не должна зависеть от частоты. Это
обеспечивается правильным соотношением между высокими и низкими
частотами, т.е. отсутствием искажений. В хороших микрофонах «завалы
»характеристики допускаются только на частотах
 < 20 Гц и  >20 кГц.
Наилучшую частотную характеристику имеет конденсаторный микрофон,
наихудшую – угольный, который поэтому сильно искажает звуки.
4. Частотная характеристика выхода. Для согласования с выходным
сопротивлением усилителя желательно сопротивление микрофона иметь
небольшим.
Тема: Измерение параметров периодических процессов
Изучение работы электронного осциллографа
1.Назначение:
Электронный осциллограф, в основном, предназначен для
исследования быстропеременных периодических процессов. Например, с его
помощью можно измерять силу тока и напряжение и изменение их во
времени, сдвиг фаз между ними, сравнивать частоты и амплитуды различных
переменных напряжений. Кроме того, ЭО при применении соответствующих
преобразователей позволяет исследовать неэлектрические процессы,
например, измерять малые промежутки времени, кратковременные давления
и т. д. Достоинствами ЭО являются его высокая чувствительность и
безинерционность действия, что позволяет исследовать процессы, длитель
ность которых порядка 10 6 - 10 8 сек.
2.Электронно-лучевая трубка (ЭЛТ).
Основной частью ЭО является ЭЛТ.
Она состоит из стеклянного баллона, из которого выкачан воздух до
давления порядка 10 6 мм. рт. ст. Внутрь трубки впаян ряд электродов.
Источником электронов служит катод 2,подогреваемый спиралью 1.
Между катодом и первым анодом 4 приложено напряжение порядка 1000В.
Поэтому электроны ускоряются электрическим полем и попадают на
флюоресцирующий экран 8,вызывая его свечение. Катод находится внутри
цилиндра 3,являющегося управляющим электродом. В основании цилиндра
сделано отверстие для пропускания узкого электронного пучка.
Подводя отрицательный потенциал к цилиндру, можно уменьшить
количество электронов, проходящих через его отверстие, а следовательно, и
яркость пятна на экране трубки.
Второй анод 5, потенциал которого выше первого, служит для
фокусирования электронного луча. Регулируя потенциал второго анода,
можно получить на экране ярко светящуюся точку. Выйдя из второго анода,
электронный .луч проходит между двумя парами металлических пластин 6 и
7.Если на любую пару пластин подать напряжение, то электронный луч
отклонится от своего первоначального направления, так как электроны будут
притягиваться к пластине, заряженной положительно и отталкиваться от
пластины, зараженной отрицательно. Пусть разность потенциалов между
катодом и вторым анодом равна
U Работа, совершаемая силами
электрического поля по перемещению электрона между катодом с
потенциалом U A и анодом с потенциалом U K равна
A= e ( U A – U K ) = eU
Эта работа идет на сообщение электрону кинетической энергии
eU =
m 2
2
(1)
(2)
Из формулы (2) следует, что ЭЛТ является практически безинерционным
прибором. Действительно, так как величина eU = const = 10 9 эрг, а масса
электрона мала (m = 9.1 *10 28 г., то скорость электрона очень велика.
Поэтому электроны практически мгновенно достигают экрана.
Пусть под действием приложенного напряжения U x след электронного луча
смещается на величину Х в горизонтальном направлении, а под действием
U на величину У в вертикальном направлении. Величины
Jx=
x
Ux
(3)
Jy=
y
Uy
(4)
называются чувствительностями трубки к напряжению соответственно в
направлении осей Х и У.Чувствительность к напряжению показывает
величину отклонения электронного луча на экране при разности потенциалов
на пластинах в 1В. При постоянном анодном напряжении величины (3) и (4)
для данной трубки постоянны.
Кроме трубок с электростатическим отклонением луча, существуют ЭЛТ с
магнитным отклонением луча.
3.Генератор развертки.
Если исследуемое переменное напряжение
U x = U o sin  t
(5)
подать на вертикально отклоняющие пластины, то световое пятно на экране
будет совершать колебания. Вследствие световой инерции и способности
нашего глаза сохранять некоторое время полученное световое
восприятие, на экране будет видна
неподвижная вертикальная линия
Пусть одновременно напряжение на
___
горизонтально отклоняющих пластинах
возрастет по линейному закону
рис.2
U x = kt
(6)
Под действием этого напряжения пятно на экране осциллографа будет
равномерно перемещаться слева направо. Результирующая траектория луча
представляет зависимость исследуемого напряжения от времени (рис.2)
Действительно, из формул (3),(4),(5),(6) следует, что
x = U x J x = J x kt
y = U y J y = J y U o sin  t
При постоянных (3) и (4) величины J x kt и J y U o постоянны, поэтому
является синусоидой, вычерченной электронным лучом на экране трубки в
определен- ном масштабе. Если по истечении времени, равного периоду
исследуемого колебания, напряжение на горизонтально отклоняющих
пластинах
U x скачком падает до нуля, то световое пятно скачком
возвращается в исходное положение. Если U x снова возрастает по тому -же
закону, то на экране трубки вновь воспроизводится синусоида. Таким
образом, для получения развертки исследуемого напряжения во времени на
горизонтально отклоняющие пластины необходимо подать « пилообразное»
напряжение (рис.3) причем периоды пилообразного и исследуемого
напряжения
должны
совпадать.
Если
период
развертывающего
пилообразного напряжения кратен периоду исследуемого, например, больше
его, то на экране получится изображение нескольких полных колебаний. При
неравенстве и не кратности периодов кривая на экране будет двигаться.
Источником пилообразного напряжения является релаксационный генератор,
называемый генератором развертки.
Частоту генератора пилообразного напряжения в осциллографах можно
менять в широких пределах. При ручной регулировке поддерживать строгое
равенство частот напряжений U x и U y трудно, поэтому осциллографы
снабжаются автоматическим устройством для синхронизации пилообразного
напряжения с исследуемым.
4.Блок-схема осциллографа
На рис.4 приведена блок-схема осциллографа. Основными узлами
осциллографа являются: ЭЛТ, блок питания, усилитель напряжения U x
,усилитель напряжения U y
,генератор пилообразного напряжения и
синхронизирующее устройство. Регулировка яркости электронного луча и
его фокусировка осуществляются при помощи делителя напряжения,
состоящего из сопротивлений R 1 ,R 2 , и R 3
, к которым подводится
высокое напряжение от постоянного тока от блока питания. Исследуемое
напряжение U y подаётся непосредственно, либо через усилитель на
вертикально отклоняющие пластины. На вторую пару пластин подается
напряжение от какого-либо постороннего источника или пилообразное
напряжение от генератора развертки. На лицевой панели осциллографа
расположены все органы его управления с соответствующими надписями.
5.Измерение напряжений, токов и сопротивлений с помощью ЭО.
С помощью осциллографа можно измерять величину переменного
напряжения. Преимущество осциллографа перед вольтметром состоит в том,
что осциллограф позволяет измерять переменное напряжение различных
частот, в то время как каждый вольтметр переменного тока дает возможность
производить измерения только в определенном интервале частот.
Упражнение №1. Определение чувствительности горизонтально
отклоняющих пластин осциллографа.
Принадлежности: осциллограф, автотрансформатор, выпрямитель.
Отключаем усилители напряжения U x и
U y . Выключают генератор
развертки, устанавливая рукоятку « диапазон частот» в положение «выкл»
Включают осциллограф и выводят световое пятно в центр координатной
сетки с помощью рукояток « ось Х влево - вправо», « ось У вверх - вниз».
Подключаем к клеммам Х автотрансформатор и вольтметр в соответствии со
схемой. Подают последовательно напряжение 20,40,60В и для каждого
значения измеряют по координатной сетке длину
световой линии L = 2x в милиметрах. Вычисляют чувствительность по
формуле
Jx=
L
2U x
(7)
Аналогично определяют чувствительность вертикально отклоняющих
пластин.
Упражнение №2.Измерение напряжений.
Принадлежности: осциллограф, звуковой генератор.
Подключают к клеммам «Х» источник исследуемого синусоидального
напряжения – звуковой генератор. Устанавливают рукоятку звукового
генератора « амплитуда » в положение 20,40,60,80,100 и определяют
подаваемое напряжение по формуле
Ux=
L
2J x
(8)
для определенной частоты (по указанию преподавателя ). Так как
определение чувствительности трубки производится по вольтметру,
показывающему эффективное значение напряжения, то и измеренное
напряжение также будет являться эффективным. Для измерения
амплитудного значения измеряемого напряжения при определении
чувствительности следует пользоваться источником постоянного тока.
Упражнение №3.Измерение сопротивлений
Принадлежности: осциллограф, магазин сопротивлений, измеряемые
сопротивления, источники тока.
При отсутствии специальных приборов (омметр, мост и пр.) измерение
сопротивлений с достаточной точностью может быть произведено с
помощью осциллографа. Собираем указанную схему. Здесь: Е – источник
тока, R o - магазин сопротивлений, R x - измеряемое сопротивление, К – ключ.
Падение напряжения на
измеряемом сопротивлении сравнивается с
падением напряжения на эталонном сопротивлении R o . В зависимости от
положения ключа К на вход осциллографа подается напряжение, снимаемое
либо с измеряемого сопротивления, либо с эталонного. Регулировкой
сопротивления R o добиваются равенства этих напряжений ( отклонение луча
в обоих случаях будет одинаковым ). Очевидно при этом R x = R.
Зная чувствительность осциллографа
определяют по формуле (8)
значение напряжения и по закону Ома вычисляют силу протекающего по
цепи тока
І=
U
Ro
(9)
Если измерение проводится на переменном токе, то магазин сопротивлений
должен быть без реактивным, т. е. не должен обладать индуктивным и
емкостным сопротивлениями.
Контрольные вопросы
1.Что называют чувствительностью трубки по напряжению ?
2.Почему осциллограф является практически без инерционным прибором ?
3.Какую кривую будет описывать электронный луч на экране осциллографа,
если переменное напряжение подать только на вертикально отклоняющие
пластины ?
4.Каково назначение генератора развертки ?
5.Как получить на экране форму любого периодического напряжения ?
6.Каким образом с помощью осциллографа можно измерить J , R и U ?
Тема: Приборы молекулярной физики: получение и измерение
вакуума
Понятие о вакууме. Молекулы в газах движутся хаотически, непрерывно
сталкиваясь между собой. Среднее расстояние между местами двух
последних столкновений молекул называется длиной сыободного пробега.
Согласно молекулярно-кинетической теории газов длина свободного пробега

равна :

1
2 2 n
,
Где n – число молекул в единице объема,  - эффективный диаметр
молекулы.
С уменьшеним количества газа в сосуде уменьшается и число молекул в
единице объема. Поэтому из формулы  следует, что длина свободного
пробега будет возрастать.Соотношение между длиной свободного пробега и
линейными размерами сосуда может служить мерой разряженности газа.
Если  >>d, то такое состояние разряженности газа называется высоким
вакуумом. Состояние газа, характеризующееся соотношением   d ,   d
называется средним вакуумом. В этом случае длина свободного пробега
соизмерима с линейными размерами сосуда. Состояние газа, при котором
называется низким вакуумом. Понятие вакуума является
  d
относительным.
Так как непосредственное измерение длины свободного пробега
затруднительно, то для характеристики степени разряженности газа
пользуются величиной давления. Это можно сделать потому, что с
уменьшением давления длина свободного пробега увеличивается.
В современной науке технике вакуум находит широкое применение в
лампах накаливания, электронных лампах, электронно-лучевых трубках,
фотоэлементах, ускорителях заряженных частиц.
Для измерения вакуума используются манометры следующих типов:
U - образный, компрессионный, тепловой и ионизационный. Каждый тип
манометров позволяет измерить давление в определенном интервале.
U- образные манометры изготавливаются из стеклянной трубки, изогнутой в
виде буквы U и заполняются жидкостью (обычно ртутью) . Левый конец
трубки запаян. Перед началом работы левое колено полностью заполняется
ртутью. После этого правый конец присоединяют к сосуду, в котором
необходимо измерить давление р. При откачке вследствие изменения
давления ртуть в правом колене поднимется. Установившееся разность
уровней h численно равна разности давлений в обоих коленах, измеренной в
миллиметрах ртутного столба
h = p- p1
Где p1 - давление насыщающих паров ртути. Манометрами подобного типа
можно измерить давление до 10-1 мм. рт.ст. Так как p1 << p , то можно
приближенно считать равным p:
p=h
2.Тепловой манометр. В основу принципа действия теплового
манометра положена зависимость коэффициента теплопроводности от
степени разрежения газа при низких давлениях.
Согласно молекулярно-кинетической теории, при нормальных условиях
коэффициент теплопроводности не зависит от давления. Действительно
1
3
  nmcv u 
Здесь: n - число молекул в единице объема, cv- удельная теплоемкость при
постоянном объеме, u - средняя скорость молекул, m - масса молекулы.
Подставляя в последнее соотношение выражение для из (1) формулы, можно
убедиться, что коэффициент теплопроводности не зависит от числа молекул
в единице объема, т.е. от давления. В условиях среднего вакуума длина
свободного пробега молекулы есть величина постоянная и определяется
линейными размерами сосуда d .Поэтому
1
3
  nmcv u d
Иными словами с уменьшением давления  уменьшается. Если в
эвакуируемый сосуд поместить нагреваемую электрическим током спираль,
то при разрежении газа, вследствие уменьшения теплопроводности газа,
будет уменьшаться теплоотдача спирали, т.е,. спираль нагревается.
Вследствие повышения температуры спирали ее сопротивление будет
возрастать, что можно обнаружить с помощью чувствительных приборов.
Манометр сопротивления состоит из стеклянного баллона с трубкой
для присоединения к эвакуируемому сосуду. В баллоне на двух вводах
укреплена
металлическая
спираль
с
большим
температурным
коэффициентом сопротивления. Электрическая схема включения такого
манометра представляет собой обычную мостиковую схему.
Измерения давления сводится к следующему. Устанавливается
величина сопротивления r1, так чтобы гальвoнометр показывал отсутствие
тока. При разрежении газа, когда давление еще высоко, мостик продолжает
оставаться в равновесии. В дальнейшем сопротивление спирали
увеличивается и стрелка миллиамперметра начинает отклоняться тем
больше, чем ниже давление. Следует отметить, что миллиамперметр не
показывает величину давления. Для того,чтобы пользоваться тепловым
манометром, необходимо предворительно произвести его градуировку.
Градуировка состоит в определении зависимоти показаний миллиамперметра
от давления, измеряемого другими методами. С помощью тепловых
манометров можно измерить давление от 10 до 10-3 мм.рт.ст.
Тема: Элементы электрических цепей
Тема: Электроизмерительные приборы и их системы
1. Магнитоэлектрическая система. Электроизмерительные приборы
магнитоэлектрической системы предназначаются для измерения силы,
тока и напряжения в цепях постоянного тока. Применяя различные
преобразователи и выпрямители, магнитоэлектрические приборы можно
использовать также для электрических измерений в цепях
переменного тока высокой частоты и для измерения неэлектрических
величин (температуры, давлений, перемещений и т. д.). Лабораторные
измерения на постоянном токе производятся преимущественно
посредством магнитоэлектрических приборов.
Работа приборов магнитоэлектрической системы основана на
взаимодействии магнитного поля постоянного магнита и подвижной
катушки, по которой протекает измеряемый ток.
В приборах магнитоэлектрической системы вращающий момент
пропорционален силе проходящего тока М1 = к 1 .I; Так как
противодействующий
момент
М2,
создаваемый
спиральными
пружинками, пропорционален углу закручивания М2 = к2 а, то угол
отклонения катушки, а следовательно, и скрепленной с нею стрелки,
будет пропорционален силе протекающего по обмотке тока.
Действительно М1 — М2, тогда
 = kI;
(2) где k =
k1
;
k2
Линейная зависимость между током I и углом отклонения
обеспечивает равномерность шкалы прибора. Корректор позволяет
изменять положение закрепленного конца одной из спиральных
пружинок и тем самым производить установку стрелки прибора на нуль.
В силу того, что каркас подвижной катушки сделан из алюминия, т. е.
из проводника, то возникающие в нем при движении в магнитном поле
индукционные токи создают тормозящий момент, что обусловливает
быстрое успокоение.
Достоинствами
магнитоэлектрических
приборов
являются:
высокая чувствительность и точность показаний; нечувствительность к
внешним
магнитным
полям;
малое
потребление
энергии;
равномерность
шкалы;
апериодичность
(стрелка
быстро
устанавливается на соответствующем делении почти без колебаний).
К недостаткам приборов этой системы относятся: возможность
измерения только в
цепи постоянного тока; чувствительность к
перегрузкам.
2. Электромагнитная система. Приборы электромагнитной
системы предназначаются для измерения силы тока и напряжения в
цепи переменного и постоянного тока. Принцип действия приборов
электромагнитной
системы
основан
на
взаимодействии
магнитного
поля
катушки Л, по которой
протекает измеряемый ток,
и подвижного железного
сердечника В (рис. 113).
Железный сердечник
В
особой
формы
с
отверстиями
закреплен
эксцентрично на оси и
может входить в щель
катушки, поворачиваясь вокруг оси О. Под действием магнитного поля
катушки сердечник, стремясь расположиться так, чтобы его пересекало
возможно больше силовых линий, втягивается в катушку по мере
увеличения в ней силы тока. Противодействующий момент создается
спиральной пружиной К.
Приборы
электромагнитной системы
снабжаются воздушным успокоителем, представляющим собой камеру
О, в которой перемещается алюминиевый поршенек Е (демпфер). При
повороте сердечника поршенек встречает сопротивление воздуха,
вследствие чего колебания подвижной части быстро затухают.
Магнитное поле катушки пропорционально току; намагничивание
железного сердечника тоже увеличивается с увеличением тока. Поэтому
можно приближенно считать, что в электромагнитном приборе
вращающий момент М1 пропорционален квадрату тока
М1 = k I2.
где к1 — коэффициент пропорциональности, зависящий от конструкции
прибора. Противодействующий момент М2, создаваемый пружиной К,
пропорционален углу поворота подвижной части прибора
М 2 = k 2 а, где к2 — коэффициент пропорциональности, зависящий от
упругих свойств пружины.
Равновесие подвижной части прибора определится равенством
моментов, действующих на нее в противоположных направлениях, т. е.
М1 = М2 откуда  = kI2 (3)
где k =
k1
; Выражение (3) показывает, что шкала электромагнитного
k2
прибора неравномерная, квадратичная. С изменением направления тока
меняется как направление магнитного поля, так и полярность
намагничивания сердечника. Поэтому приборы электромагнитной
системы применяются для измерения как на постоянном, так и на
переменном токе низких частот.
Достоинствами приборов электромагнитной системы являются:
возможность измерения как постоянного, так и переменного токов;
простота конструкции; механическая прочность; выносливость в
отношении перегрузок.
К недостаткам приборов этой системы относятся: неравномерность шкалы; меньшая точность, чем в магнитоэлектрических
приборах; зависимость показаний от внешних магнитных полей.
3.
Электродинамическая
система.
Электродинамические
измерительные приборы предназначены для измерения тока,
напряжения и мощности в цепях постоянного и переменного тока.
Принцип действия приборов электродинамической системы основан
на взаимодействии катушек, по которым протекает измеряемый ток.
Таким образом, приборы электродинамической системы отличаются
от приборов магнитоэлектрической системы тем, что магнитное поле
создается не постоянным магнитом, а катушкой, питаемой измеряемым
током. На рисунке 114 схематически изображено устройство
электродинамического прибора. Внутри неподвижно закрепленной
катушки / может вращаться на оси подвижная катушка 2, с которой
жестко связана стрелка 3, перемещающаяся над шкалой. Противодействующий момент создается спиральными пружинами 4.
Измеряемый ток проходит через обе катушки. В результате
взаимодействия магнитного поля неподвижной катушки и тока в
подвижной создается вращающий момент М 1 под влиянием которого
подвижная катушка будет стремиться повернуться так, чтобы
плоскость ее витков стала параллельной плоскости витков
неподвижной катушки, а их магнитные поля совпадали бы по
направлению. Этому противодействуют пружинки, вследствие чего
подвижная катушка устанавливается в положении, когда вращающий
момент становится равным противодействующему. Катушки в
электродинамических приборах, в зависимости от назначения,
соединяются между собой последовательно или параллельно. Если
катушки прибора соединить параллельно, то он может быть
использован как амперметр. Если же катушки соединить
последовательно' и присоединить к ним добавочное сопротивление, то
прибор может быть использован как вольтметр.
В первом приближении вращающий момент М1 действующий на
подвижную катушку, пропорционален как току I 1 неподвижной
катушке, так и току I2 в подвижной катушке
М1 = к1 I1 I2;
где к1 — коэффициент пропорциональности, зависящий от конструкции
прибора.
Пружины, закручивающиеся при вращении подвижной катушки,
создают противодействующий момент М2 пропорциональный углу а, на
который повернулась катушка М2 = к2 а ;
где к2 — коэффициент пропорциональности, зависящий от упругих
свойств пружины. При равенстве моментов М1 и М2 подвижная катушка
остановится. Тогда
 =k I1* I2;
где
k=
(4)
k1
; Если катушки соединены последовательно, то
k2
 = кI2;
(5)
Выражения (4) и (5) показывают, что шкала электродинамического
прибора неравномерная. Однако подбором конструкции катушек можно
улучшить шкалу, т. е. приблизить к равномерной.
При перемене направления тока в обеих катушках направление
вращающего момента не меняется. Отсюда следует, что приборы этой
системы пригодны для измерений как на постоянном, так и на
переменном токе.
Торможение в этих приборах, так же как и в электромагнитных,
достигается
при
помощи
воздушного
успокоителя.
В
электроизмерительной практике для измерения потребляемой в цепи
мощности широко применяется электродинамический ваттметр. Он
состоит из двух катушек: неподвижной, с небольшим числом витков
толстой проволоки, включаемой последовательно с тем участком цепи,
в котором требуется измерить расходуемую мощность, и подвижной,
содержащей большое число витков тонкой проволоки и помещенной на
оси внутри неподвижной катушки. Подвижная катушка включается в
цепь подобно вольтметру, т. е. параллельно потребителю, и для
увеличения ее сопротивления R2 последовательно с ней вводится
добавочное сопротивление rд (рис. ).
Пусть ток в первой катушке I1 во второй I2. По закону Ома напряжение на зажимах нагрузки равно:
U = I2 (R2 + rд )
I=
U
; Подставив значение I2 в выражение (4) для  , получим :
R2  rä
 =
k
I1U  I 1 U =P;
R2  rä
Таким образом, отклонение подвижной части пропорционально
мощности и поэтому шкалу прибора можно проградуировать в ваттах. Из
этого также следует, что ваттметр этой системы имеет равномерную
шкалу.
Достоинствами приборов электродинамической системы являются:
возможность измерения как на постоянном, так и на переменном токе;
достаточная точность.
К недостаткам приборов этой системы относятся: неравномерность
шкалы у амперметров и вольтметров; чувствительность к внешним
магнитным
полям;
большая
чувствительность
к
перегрузкам.
Электродинамические амперметры и вольтметры применяются главным
образом в качестве контрольных приборов для измерений в цепях
переменного тока.
4. Тепловая система. Принцип действия приборов тепловой системы
основан на изменении длины проводника, по которому протекает ток,
вследствие его нагревания.
Устройство прибора тепловой
системы схематически
показано на рис. 116.
Измеряемый ток проходит по
тонкой проволочке 1—2,
концы которой закреплены. Эта
проволочка диаметром около
0,1 мм изготовляется из
сплава платины с иридием
или серебром.
Рис. 116.
К ней примерно
посредине припаяна металлическая нить 3—4, которая
оттягивается тонкой шелковой нитью 4—5, перекинутой через блок 6.
Конец этой нити прикреплен к стальной пружине 7, которая и производит
натяжение нити. К блоку 6 прикреплена стрелка 8, перемещающаяся над
шкалой 9. При прохождении тока по проволоке 1—2 происходит ее
нагревание, в результате чего она удлиняется, натяжение нитей 3—4 и 4—5
несколько ослабевает и пружина отходит влево, что вызывает отклонение
стрелки. Так как количество теплоты, выделяемой током Q = I2 R t,
пропорционально квадрату силы тока и не зависит от направления тока, то
приборы тепловой системы пригодны для измерения как на постоянном,
так и на переменном токе; шкала прибора неравномерная. Для установки
стрелки на нуль один из зажимов, к которым прикреплена нить, делается
подвижным, в виде рычага 10, способного вращаться вокруг оси. Ввинчивая
или вывинчивая микрометрический винт 11, можно усилить или ослабить
или усилить напряжение нити и тем самым привести стрелку прибора на
нулевое деление шкалы.
Достоинствами приборов тепловой системы являются: возможность
измерения как на постоянном, так и на переменном токе; независимость
показаний от частоты и формы кривой переменного тока, что позволяет
применять их для измерения высокочастотных токов; нечувствительность к
внешним магнитным полям.
К недостаткам приборов данной системы относятся: неравномерность
шкалы; наличие тепловой инерции, в связи с которой необходимо выжидать
некоторое время пока указатель прибора окончательно установится;
зависимость показаний от температуры среды.
Индукционная система.
Устройство приборов
индукционной
системы основано на взаимодействии токов, индуктируемых в подвижной
части прибора, с магнитными потоками неподвижных электромагнитов. К
индукционной системе принадлежат, например, электрические счетчики
переменного тока. Применяются также и ваттметры этой системы.
Вибрационная система.
Устройство приборов
этой системы
основано на резонансе при совпадении частот собственных колебаний
подвижной части прибора с частотой переменного тока. Приборы этой
системы в основном применяются в качестве герцметров, служащих для
измерения частоты тока.
Электростатическая система. Устройство приборов этой системы
основано на взаимодействии двух или нескольких электрически заряженных
проводников. Под
действием сил электрического поля подвижные
проводники перемещаются относительно
неподвижных проводников.
Электростатические приборы служат преимущественно вольтметрами
для непосредственного измерения высоких напряжений
Термоэлектрическая система. Эта система характеризуется
применением одной или нескольких термопар, дающих под влиянием
тепла, выделяемого измеряемым током, постоянный ток в измерительный
прибор магнитоэлектрической системы. Приборы ' термоэлектрической
системы в основном применяются для измерения переменных токов высокой
частоты.
Детекторная (выпрямительная) система. Устройство приборов этой
системы основано на том, что переменный ток выпрямляется с помощью
выпрямителя, вмонтированного в приборе. Полученный таким образом
пульсирующий постоянный ток измеряется с помощью чувствительного
прибора магнитоэлектрической системы.
Электронная система. Устройство приборов этой системы
основано на применении одной или нескольких электронных ламп и
измерительного прибора магнитоэлектрической системы, соединенных в
схему, позволяющую производить измерения электрических величин.
Тема: Электронные приборы и системы
В данной лекции рассмотрим только назначение, параметры и принцип
действия электронных приборов и систем, в частности взаимодействие
различных узлов и блоков.
Сложный электронный прибор или узел прибора, состоящий из
десятков и сотен элементов, на схемах часто обозначается одним значком.
Приведем примеры таких обозначений (таблица 1).
Усилители
Усилитель - самое распространенное электронное устройство, используется
самостоятельно, а также входит в состав других более сложных электронных
приборов. Назначение усилителя - увеличение амплитуды электрических
колебаний за счет энергии источника питания. Усилитель может
сконструирован либо для усиления напряжения, либо – силы тока. В отличие
от трансформатора в усилителе увеличивается и мощность сигнала. Когда на
выходе нужно получить большую мощность колебаний, применяют
усилители мощности.
Эквивалентная схема электронного усилителя дана на рисунке 2.  –
источник постоянного тока, Rн - сопротивление нагрузки, R - переменное
управляемое сопротивление. В качестве такого управляемого элемента
используется транзистор или электронная лампа.
Основными характеристиками усилителя являются: амплитудная и
частотная характеристики, а также сопротивление входа и выхода.
Частотная характеристика – зависимость коэффициента усиления от
частоты. Она отражает тот факт, что усилитель не все частоты усиливает
одинаково. Область, где коэффициент усиления К мало зависит от частоты,
называется полосой пропускания. По краям этой области значение К
уменьшается (усилитель «заваливает») более низкие и более высокие
частоты В зависимости от вида кривой К(f) усилители носят названия
усилителя низкой частоты - УНЧ, высокой частоты – УВЧ, промежуточной
УПЧ и усилителя постоянного тока – УПТ, у которого нет завала на f = 0.
По ширине полосы пропускания усилители делятся на узкополосные и
широкополосные.
Генераторы – электронный прибор, создающий электрические
колебания, источник переменного тока. Основным параметром генератора
является частота. Существуют генераторы низких частот (НЧ), дающие
частоты от 20 Гц до 200 кГц; высоких (ВЧ) от 30 кГц до 30 МГц, что
соответствует длинам электромагнитных волн от 10 км до 10 м; и
сверхвысоких (СВЧ) - от 30 МГц до 300 ГГц.
Тема: Оптические приборы
Оптические системы
Разнообразные оптические приборы (фотоаппарат, микроскоп,
телескоп, кинопроекционный аппараты) представляют собой оптические
системы. Кроме того, для исправления аберраций окуляры и объективы
выполняются в виде сложных систем из нескольких линз.
Несмотря на сложность таких систем, к ним применима формула
тонкой линзы.
Конструируя прибор, стараются сделать систему согласованной. Это
значить, что диметры линз и диафрагм должны быть таким, чтобы не
происходило потерь света: весь свет, вошедший в первые линзы, должен
пройти и через всю систему.
Рефрактометры
Рефрактометр – прибор для измерения показателей преломления веществ.
Пусть имеется граница раздела двух сред с показателями преломления n1 и
n 2 и пусть n1 > n 2 . Если направить свет из менее плотной среды в более
плотную, то луч преломляется, отклоняясь в сторону перпендикуляра к
границе двух сред, наоборот, если свет идет из более плотной среды в менее
плотную, то луч отклоняется от перпендикуляра к границе :
sin i1 n1

 n21 .
sin i2 n2
Если в последнем случае постепенно увеличивать угол падения, то угол
преломления может стать равным 90 o . Такой угол i 2 называется
предельным: i 2 = А. Он удовлетворяет условию
или sin A 
sin i1 sin 90 0
1
,


sin i2
sin A
sin A
1
.
n 21
Интерференционные приборы
Простейшие интерференционные приборы (бипризма, билинза, зеркала
Френеля, зеркала Ллойда) используются для демонстрации волновой
природы света. Кроме того, они входят в более сложные установки и
приборы, применяемые в технике и научных исследованиях.
Интерферометры – приборы для измерения оптической разности хода
  y1n1  y2 n2 .При известных значениях  и n1  n2 интерферометр позволяет
сравнить длины y1  y2 . Если же известны, то с помощью интерферометра
можно находить значения  и n1 , n2 , причем с большой метрологической
точностью. Интерферометр Майкельсона применяется чаще для сравнения
длин отрезков, микроинтерферометр Линника – для наблюдения малых
неровностей на поверхности, интерферометр Жамена – для сравнения
показателей преломления, интерферометр Фабри-Перо – для сравнения
близких длин волн. Конкретные конструкции различаются по типу
делительного устройства.
Дифракционные решетки
Дифракционная решетка – спектральный прибор, используемый в
спектральном анализе. Простейшая решетка представляет собой ряд
параллельных между собой, одинаковых щелей шириной а, разделенных
одинаковыми непрозрачными участками шириной в, так что
пространственный период равен d = a + b.
Дифракция на дифракционной решетке наблюдается обычно в
параллельных лучах. Вначале получают с помощью Щ и линзы Л2 ,
расположенной на фокусном расстоянии от Щ, параллельный пучок. Линза
Л1- конденсор для освещения щели Щ.
Укажем параметры, характеризующие свойства дифракционных
решеток. Дисперсия решетки показывает, насколько велики углы, на которые
решетка разводит длины волн, и определяется как
D
d
d
(угловая
дисперсия). Дифференцированием основного уравнения решетки получаем
D
n
nN
или D 
, где
d
L
L - размер решетки, а N - общее число штрихов.
Решетки делают от 50 до 1200 штрихов на миллиметр.
Линейной дисперсией называется величина, измеряемая отношением
dx
, где dx – смещение линии по экрану при изменении длины волны  на
d
величину d . Линейная
дисперсия связана с угловой
соотношением
dx
 DF , где F – фокусное расстояние применяемой линзы.
d
Качество решетки как спектрального прибора, т.е. прибора, способного
различать разные длины волн, зависит еще от ширины соответствующих
главных максимумов. Английский физик Рэлей показал, что различить две
близкие длины волны 1 и  2 еще удается, если максимум для 1 находится
в том месте экрана, где для  2 получается ближайший к максимуму
минимум. Способность решетки различить две близкие линии называется
разрешающей способностью. За меру разрешающей способности берется
условно величина
R

1  2


;

Где  - минимальное значение в длинах волн  ,которое может решетка
обнаружить. n-ый
максимум для 1 будет при  
n1
, для
d
n2
. Ближайший минимум к последнему максимуму (для
d
n2
n
следует из сказанного ранее, будет при
- 2.
d
Nd

2
- при
 2 ), как
Следовательно, используя условие Рэлея, имеем:

n1
n2
n
=
- 2;
d
d
Nd
R = nN.
Таким образом, разрешающая способность зависит не от числа штрихов на 1
мм, а от полного числа штрихов в решетке. В хороших L решетках
достигает 30 см, а N достигает 105 .
Голографические установки
Голографические установки служат для записи волны, отраженной от
предмета, не только по амплитуде, но и по фазе с целью последующего
восстановления волны. Голография - двухступенчатый процесс. На первой
стадии получается голограмма, зафиксированная картина интерференции
волны от предмета и когерентной с ней так называемой опорной волны.
Вторая стадия - воспроизведение изображения предмета путем освещения
голограммы одной только опорной волной.
Голограмма дает возможность получить объемные, цветные изображения,
создающие впечатление более реальное, чем фотография, рисунок и другие
способы записи изображения объемного предмета на плоскости.
Спектральные приборы.
Тема: Детекторы элементарных частиц и дозиметры ионизирующих
излучений
Детекторы элементарных частиц
Способы обнаружения элементарных частиц (  - частиц,  - частиц,
протонов, мезонов, нейтрино) зависят от того, имеют ли они заряд.
Заряженная частица при своем движении ионизируют атомы среды,
через которую она пролетает. Поскольку энергия частицы обычно много
больше энергии ионизации атома, частица создает на своем пути большое
количество пар ионов. Это и дает возможность обнаружить частицу.
Количество созданных пар ионов на единицу длины пробега частицы
приблизительно пропорционально квадрату скорости частицы и не зависит
от массы частицы. Так, - частица создает гораздо больше ионов на единицу
своего пути , чем - частица, поскольку заряд у нее вдвое больше, а скорость
при той же энергии много меньше.
Ионизационные приемники (детекторы) быстрых заряженных частиц
различаются способами обнаружения этой ионизации.
Ионизационная камера – этот камера, содержащая объем газа, в
котором пролетающая частица создает определенное количество пар ионов .
Подключенный источник тока, создавая электрическое поле, приводит эти
ионы в движение. Попадая на электрод, N ионов, если они однозарядные,
изменяют потенциал электрода на
U 
eN
, где С C
электроемкость
электродов камеры. Это изменение потенциала подается на вход усилителя.
На выходе усилителя ставится измерительный прибор. По величине U
можно судить об ионизирующей способности частицы и определять их
энергию. Кроме такого импульсного режима, камера может работать и в
таковом режиме, когда частицы, следуя одна за другой, создает некоторый
средний ток через камеру.
Ионизационная камеры
сравнительно мало чувствительны,
используются для регистрации сильно ионизирующих частиц или как
дозиметры.
Газовый счетчик отличается от ионизационной камеры резкой
асимметрией электродов. Анод выполняется в виде очень тонкой нити, а
катод – виде коаксиального цилиндра. Электрическое поле при такой
конфигурации равно
E 
U
 r
r ln 
 r
 




и очень велико вблизи анода. Если в ионизационной
камере поле служит лишь для приведения ионов в движение и импульс не
зависит от величины поля, то в счетчике электроны, попадая в область
сильного поля , получают настолько большую энергию, что сами ионы
производят ионизацию, порождая новые ионы, которые в свою очередь,
ускоряются. Образуются лавина ионов и электронов. Этот процесс
называется газовым усилением. Газовые усиление зависит от величины
приложенного к счетчику напряжения U. При небольших U величина
получающегося импульса пропорциональна первоначальной ионизации N.
Если повысить, то развивается мощная лавина, размер которой уже не
будет зависеть от величины первоначальной ионизации N. Такой счетчик
называется счетчиком Гейгера – Мюллера.
Газовые счетчики регистрируют практически каждую попадающую в
них ионизирующую частицу, просты и надежны в работе.
Дозиметры ионизирующих излучений
Дозиметры – приборы для измерения общей дозы облучения (в
рентгенах) или поглощенной дозы (в радах). Простейший, но мало
чувствительный дозиметр – кусочек фотопленки, завернутый в черную
бумагу. Если пленка подвергалась облучению, она при проявлении
почернеет. Другой простой дозиметр - полая проводящая трубочка, в
которой на хорошем диэлектрике укреплен второй электрод – проволочка.
Дозиметр перед работой заряжается до определенного потенциала. При
облучении заряд с центрального электрода стекает через ионизируемый
воздух. По уменьшению заряда (оставшийся потенциал измеряется
электрометрическим усилителем) судят о полученной дозе. В более
совершенных дозиметрах используются перечисленные выше счетчики.
После усиления импульсов усилителем либо ставят пересчетную схему,
уменьшающую число импульсов в известное число раз, а затем цифровой
индикатор, либо ставят интегрирующую цепочку, так что стоящий после нее
электроизмерительный прибор регистрирует не отдельные импульсы, а
среднюю силу тока, пропорциональную интенсивности облучения
(мощности дозы).
Приборы для наблюдения траекторий ядерных частиц
Искровая камера – газовый объем, перегороженный большим числом
проницаемых для частиц металлических пластин. Пластины соединяются
между собой так, как показано на рисунке 252, так что между каждой парой
пластин – сильное электрическое поле. Высокое напряжение на пластины
подается в виде короткого импульса. При пролете частицы газ
соответствующих местах пробивается, и путь частицы (трек) отмечен
искорками.
Камера Вильсона – цилиндрическая камера, закрытая сверху стеклом.
В нижней части камеры имеется либо подвижный поршень, либо подвижное
резиновое дно, которое может прижиматься к верхней или нижней прочной
решетке в зависимости от того, какое давление создается под этим дном.
Рабочий объем камеры заполняется паром, близким насыщению. При резком
опускании дна адиабатическое расширение пара. Он охлаждается, и его
состояние меняется по адиабате. При наличии центров конденсации пар
обращается в капельки тумана. Роль таких центров играют ионы,
возникающие вдоль траектории быстрой частицы. В результате след частицы
оказывается отмеченным цепочкой капелек тумана. След держится недолго,
и в этот момент его ярко освещают и фотографируют. Затем резиновое дно
возвращают в исходное верхнее положение. Перед каждым расширением
необходимо удалить из рабочего объема все ионы, чтобы не возник
сплошной туман. Для этого между верхней решеткой и полупроводящим
прозрачным слоем на нижнее поверхности стекла прикладывают высокое
напряжение.
Для определения знака заряда частицы и для определения направления
движения на ее пути ставят перегородку, а камеру помещают в магнитное
m 2
поле. Из соотношения
 eB следует, что чем меньше скорость
r
1
частицы, тем больше кривизна траектории .
r
Недостатком камеры Вильсона является малая плотность вещества в
рабочем объеме. Длина треков частиц в среде малой плотности велика. Она
обычно больше размера камеры, так что в камере видна часть трека.
От этого недостатка свободна пузырьковая камера. Она заполняется
жидкостью (водород, фреон), которая находится в состоянии, близком к
вскипанию. При резком уменьшении давления происходит переход на
неустойчивый участок изотермы. При наличии центров парообразования
жидкость образует пузырьки пара по пути следования частицы.
Еще более плотной средой, в которой треки становятся еще короче,
является фотографическая эмульсия толстослойных фотопластинок. В
отличие от обычных фотоматериалов, имеющих слой около 20 мкм, здесь
используются слои до 500 мкм толщиной. Второе отличие – очень мелкое
зерно – кристаллики бромида серебра AgBr, взвешенные в желатине. Третье
отличие – большая плотность этих зерен. Пластинки складываются в стопки.
После облучения и проявления в слое эмульсии пластинки остаются следы
пролетевших частиц, которые с помощью микроскопа большего увеличения
наблюдаются в виде цепочек почерневших зерен.
Идентификация следов производится по густоте зерен. Чем больше
заряд частицы, тем больше образует частица ионов на единицу длины своего
пути, так как тем сильнее ее взаимодействие, согласно закону Кулона, с
электронами в атомах, мимо которых она летит.
Однако плотность зерен зависит и от скорости частицы. Чем больше
скорость частиц, тем меньше время взаимодействия с электронами в атомах,
тем меньший импульс они получают импульс, тем меньше вероятность
ионизации. К концу пробега скорость частицы уменьшается и густота следа
становится больше. В связи с этим плотность зерен следует сравнить там, где
скорости частиц одинаковы, а именно: на концах следов или на равных
расстояниях от конца.
Энергия частицы определяется по длине свободного пробега, импульс
р - по формуле связи между энергией и импульсом ( E кин 
p2
2m
- для
нерелятивистских частиц, Eполн  с p 2  mo2 c 2 - для релятивистских частиц).
Направление импульса определяется измерением углов под микроскопом.
МЕТОДИЧЕСКИЕ
РЕКОМЕНДАЦИИ
ДЛЯ
ПРОВЕДЕНИЯ
ЛАБОРАТОРНЫХ ЗАНЯТИЙ
1. «Методика проведения электрических измерений.
Основные
требования Правил техники безопасности»
Цель занятия: Ознакомить с принципом действия электроизмерительных
приборов, их основными характеристиками; методикой проведения
измерений, обработки результатов измерений. Ознакомить с основными
требованиями Правил техники безопасности при работе в «Лаборатории
физических измерений и приборов»
«Определение влажности воздуха»
Приборы и принадлежности: Психрометр Августа, аспирационный
психрометр, барометр,ветилятор, таблица для определения упругости
насыщенных водяных паров, психрометрическая таблица.
Цель работы: I. Изучение характеристик влажности воздуха.
2. Определение абсолютной и относительной влажности воздуха.
Краткая теория.
Вследствие происходящего повсеместно в природе испарения воды
атмосферный воздух обладает определенной влажностью, которая
характеризуется степенью насыщения воздуха водяными парами.
Максимальная влажность достигается тогда, когда водяной пар в воздухе
становится насыщающим.
Содержание водяного пара в воздухе характеризуется абсолютной и
относительной влажностью.
Абсолютной влажностью называют массу водяного пара в граммах на
кубический метр/г/м3/, содержащегося при данных условиях в единице
объема воздуха, а в метеорологии- парциальное давление водяного пара,
содержащегося в воздухе/ в мм. рт. ст./ насыщающего водяного пара при
данной температуре.
Относительная влажность измеряется отношением абсолютной влажности f
к максимальной fм и выражается в процентах.

f
fM
 100%
(1)
Максимальной влажность называют массу водяного пара в гр./,
насыщающего 1 м3 воздуха при данной температуре, или соответственно
парциальное давление.
или через парциальное давление

P
 100%
PM
(2)
Относительная влажность указывает, какую долю от максимальной
влажности при данной температуре составляет абсолютная влажность
другими словами- степень насыщения воздуха водяным паром.
Абсолютную влажность и давление можно связать по следствию закона
Клапейрона- Менделеева:
PV=
Если

RT
 cons t ,
то
m

RT ;
m

P
;
v
RT
абсолютная
=P
влажность

RT
прямо
пропорциональна
давлению.
Влажность воздуха имеет большое значение для жизнедеятельности
организма, так как в значительной мере обуславливает скорость испарения
Скорость испарения воды/ пота/ с поверхности кожи зависит от
относительной влажности воздуха. Испарение воды с поверхности альвеол
в легких зависит от абсолютной влажности воздуха, так как из легких
выдыхается воздух почти полностью насыщенный паром при температуре
примерно 300 С. Количество пара, которым воздух насыщается в легких,
зависит от абсолютной влажности воздуха. Наиболее благоприятным для
жизни человек считаеся атмосферный воздухс относительной влажностью
60-70 %.
Для влажности воздуха характерна еще величина, называемая точкой
росы. Точка росы- это температура, при которой пар содержащийся в
воздухе, делается насыщающим и начинает конденсироваться. При этом
абсолютная влажность при данной температуре воздуха численно равняется
максимальной влажности при температуре точки росы.
Влажность воздуха может быть определена по показаниям психрометра и
психрометрическим таблицам. Психометрический метод определения
влажности основан на зависимости скорости испарения воды от влажности
окружающего воздуха.
Рассмотрим определение величины абсолютной влажности с помощью
психрометра. Обозначим показания сухого и влажного термометров tc и tвл .
Понижение температуры влажного термометра будет продолжаться от
окружающей среды Q1, не сравняется с количеством теплоты Q2, отдаваемой
термометром в результате испарения воды с поверхности смоченной ткани.
В соответствии с законом теплопроводности Фурье, количество теплоты
поступающее к телу, пропорционально величине поверхности этого тела
времени и разности температур между телом и окружающей средой:
Q1= k (tc-tвл)  S   (3)
k-коэфицент пропорцианальности.
Количество теплоты, отдаваемое телом при испарении равно: Q2= m
где m – масса испарившейся жидкости,
  удельная теплота параобразования.
Масса испарившейся воды по закону Дальтона пропорциональна S –

площади поверхности жидкости,
времени испарения и разности между
упругостью насыщающих водяных паров Pн и упругостью водяных паров,
находящихся в данное время в воздухе, т.е. абсолютной влажности Р:
m=
B  S PH  P 
  (4)
H
Где Н- атмосферное давление. В случае теплового равновесия Q1= Q2, то
можно записать:
k= (tc-tвл) S   
k= (tc-tвл)  H  B ( PH  P);
k
B
B  S PH  P 
 
H
(tc-tвл) H= PH  P куда абсолютная влажность
воздуха равна: P=PH-  (tc-tвл)*H; (5)
k
где – постоянная величина, называемой постоянной психрометра и
B
численно равна   0.00130 C 1 ,по формуле (5) можно определить величину

абсолютной влажности воздуха, при данном атмосферном давлении.
Величина PH берется из таблицы, соответствующей показанию влажного
термометра.
Описание приборов.
1. Наиболее распространенным прибором для определения влажности
воздуха является психрометр Августа. Он состоит из двух одинаковых
термометров А и Б, резервуар одного из них обвернут гигроскопической
тканью, конец которой опущен в сосуд с водой. Вследствие капиллярности
ткани вода поднимается по ней и, испаряясь на поверхности шарика
термометра, охлаждает его. Показания влажного термометра снижается по
сравнению с сухим. Это снижение зависит от скорости испарения воды,
которая в первую очередь обусловлена
относительной влажностью
окружающего воздуха. Скорость испарения воды зависит также от скорости
движения воздуха около прибора, температуры воды и атмосферного
давления. Все эти факторы учитываются психрометрической формулой
Ренью, пользуясь которой можно определить абсолютную влажность:
P=PH-  (tc-tвл)*H (6)
где Pн- упругость наcыщающих паров при температуре tвл влажного
термометра /находится по таблице/.
 - психрометрический коэффициент, зависящий от скорости движения
воздуха, для малых помещений   0.00128 град-1
tc-температура сухого термометра,
tвл- температура влажного термометра,
Н- атмосферное давление
Обычно с помощью психрометра по показаниям сухого и влажного
термометров, пользуясь психрометрической таблицей,определяют сразу
отностительную влажность№
2. Психрометр аспирационный.
Психрометр аспирационный предназначен для измерения влажности и
температуры в стационарных и походных условиях.
Прибор состоит из двух одинаковых термометров I и 6, закрепленных в
специальной оправе. Прибор имеет заводной механизм и вентилятор,
составляющие аспирационную головку 5 и закрытые колпаком 3. Пружина
заводного механизма заводится ключом 2. Резервуары термометров
помещены в двойную трубчатую защиту 9 с воздушным зазором между
трубками. Такая защита предохраняет резервуары термометров от нагревания
солнцем, для этого наружная поверхность трубок тщательно полируется и
никелируется. Сами трубки соединены с пластмассовым тройником
воздухопроводной трубки 8, на верхнем конце которой укреплена
аспирационная головка 5. Трубки между собой изолированы изоляционными
кольцами. От механических повреждений термометры с боков защищены
металлическими планками 7.
Резервуар правого термометра обернут одним слоем батиста, который перед
работой смачивается водой.
Под действием вентилятора воздух, обтекая резервуары термометров,
всасывается по воздухопроводной трубке к вентилятору и выбрасывается
наружу через прорези 4. Сухой термометр показывает более низкую
температуру. Аспирационный психрометр имеет следующие технические
данные:
Цена деления термометров - 0,20 С, диапазон измерения от 10 до 100% при
температуре окружающей среды от -10 до -400 С, скорость воздушного
потока
у
резервуаров
термометров,
создаваемая
вентилятором
аспирационной головки, не менее 2 м/с на четвертой минуте, и не менее
1,7м/с на шестой минута работы вентилятора, время действия завода
механизма 8-10 мин. Погрешность определения относительной влажности/
при измерении температуры с точностью до 0,10 С и при температуре
воздуха 200 С/ не должна превышать:
Относительная влажность % 100
80
60
40
20
10
Погрешность % к измерен- ±2
±3
±4,3 ±5,6 ±7
±14
ной величине.
3.Экспериментальные задания.
Задание1. Определите абсолютную и относительную влажность воздуха.
Оборудование: Психрометр Августа, барометр, вентилятор.
Порядок выполнения задания 1.
Осмотрите психрометр Августа, если батист сухой, подлейте в
стаканчик воды и смочите батист на шарике термометра.
Задание 2. Определите относительную влажность с помощью
психрометрического графика.
Оборудование: Аспирационный психрометр, психрометрический график.
Ознакомтесь с устройством аспирационного психрометра.
1.Заведите вентилятор, путем вращения ключа 2 заводного механизма /2-3
оборота ключа/. Это нужно делать очень осторожно, чтобы не сорвать
пружину.
2.На четвертой минуте после пуска вентилятора произведите отсчет по
термометрам.
3.Запишите показания сухого и влажного термометров.
Обработка результатов измерений.
Определите относительную влажность с помощью психрометрического
графика. Для этого по вертикальным линиям отметьте показания сухого, а по
наклонным - смоченного термометров. На пересечении этих линий найдите
значение относительной влажности, выраженное в %.
Линии, соответствующие десяткам %,Обозначены на графике цифрами
20,30,40,…………80,90.
Определите относительную влажность при помощи психрометрической
таблицы. Нахождение влажности в этом случае сводится к простому
отысканию чисел в этой таблице.
Определите абсолютную влажность. Для этого числовое значение
относительной влажности необходимо умножить на упругость насыщенных
паров воды при температуре опыта.
Вычислите погрешность определения относительной влажности.
Продолжение п.1. задания 1.
Включите вентилятор. Спустя 3-4 минуты после включения
вентилятора, запишите показания tc сухого и tвл влажного термометров.
Определите по таблице упругости насыщенного водяного пара значение
PH при по показанию влажного термометра и по показанию сухого
термометра Pм при комнатной температура.
Запишите по барометру величину атмосферного давления Н.
Вычислите по формуле /6 / значение абсолютной влажности, а по
формуле /2/ относительную влажность.
Измерения производите не менее 3-5 раз.
По показаниям
влажного и сухого термометров определите
относительную влажность с помощью психрометрической таблицы и
сравните их с опытными данными.
Полученные экспериментально показания приборов и табличные
значения заносятся таблицу.
Показания
сухого
термометра tc
1.
2.
3.
Влажного
термометра
tвл
Упругость
насыщенного
водяного пара Pн
Абсолютная
влажность Р
мм.рт.ст
Относитель
влажность в %
Ср.
значения.
Окончательный результат:
Контрольные вопросы.
1. Что такое влажность воздуха?
2. Что называется абсолютной, относительной и максимальной
влажностью?
3. Чему равна относительная влажность воздуха, содержащего водяной
пар?
4. Расскажите устройство аспирационного психрометра и психрометра
Августа.
5. Что такое насыщенный и ненасыщенный пар?
6. Как зависит упругость насыщенного пара от температуры.
7. На каком явлении основано определение влажности при помощи
психрометра.
8. Какие физические величины входят в психрометрическую формулу
Ренье?
9. Что определяет точка их росы?
10.Выведите расчетную формулу / 5 /.
11.Значение влажности воздуха для жизнедеятельности организма
Лабораторная работа «Изучение термо ЭДС. Градуировка термопары»
Принадлежности: термопара с нагревателем, два термометра,
микроамперметр, магазин сопротивлений.
Краткая теория
1.Явление термоэлектричества (эффект Зеебека )
При соприкосновении двух разнородных металлических проводников
некоторые электроны могут переходить из одного металла в другой
вследствие теплового движения. Металл, в котором образуется избыток
электронов, заряжается отрицательно, а другой положительно. Возникающая
контактная разность потенциалов называется внутренней. Если из двух
разнородных металлов составить цепь и места соединения поддерживать при
различных температурах, то в цепи возникнет электродвижущая сила,
называемая термоэлектрической.
Такое соединение разнородных проводников называется термопарой.
Контактная разность потенциалов обусловлена двумя причинами:
1.Различием в работах выхода электронов из металлов А и Б.
2.Различием в числе свободных
электронов n B и n A , приходящихся на единицу объема в различных металлах
Теоретическое рассмотрение явления термоэлектричества в классической
физике приводит к следующему выражению для э.д.с. термопары:
Е = С (t 2 - t 1 )
(1)
где
С=
k
n
ln a ;
e nB
(k- постоянная Больцмана, е – заряд электрона) представляет собой э.д.с.,
возникающую при разностях температур в 1 0 С.
Таким образом, э.д.с. термопары пропорциональна разности
температур её спаев (линейная зависимость). Термопары могут изготовляться
из различных материалов. Они находят широкое применение для измерения
и контроля температур в широких пределах. Они могут применяться также
как преобразователи тепловой энергии в электрическую. Наиболее
употребительны термопары: медь – константан, константан – железо, медь –
железо, никель – железо.
Термоэлектродвижущая сила может быть усилена путем применения
ряда термопар, соединенных последовательно, причем, например, все четные
спаи нагреваются, а нечетные охлаждаются. Такая система термопар
называется термостолбиком, имеющим э.д.с.
E N = EN
где N – число термопар.
2.Градуировка и определение э.д.с. термопары. Градуировка
термопары может быть произведена при помощи следующей схемы. Для
поддержания постоянной температуры холодный спай a помещен в сосуд с
маслом. Сосуд снабжен термометром. Горячий спай b также помещается в
сосуд с маслом. Сосуд с маслом имеет электронагреватель и снабжен
термометром Т и мешалкой М.
Предположим, что холодный и горячий спаи имеют температуры t 1 и t 2 .
Если магазин сопротивлений R 1 выключен из цепи (все штырьки вставлены
в гнезда),то ток, идущий через гальвонометр, равен
I1 =
E
= k i n1
Ro
где R o - сопротивление гальванометра, термопары и подводящих проводов,
k = 10 6 цена деления гальвонометра G. При этом стрелка гальванометра
отклонится на делений. Если не изменяя температуры спаев включить
магазин (вытащить штырьки),то
I2 =
E
= ki n2
R  R1
R 1 - сопротивление магазина. Исключая из полученных уравнений R 0 ,найдем
E = ki
n1
n2
R1
n1  n2
Сравнивая с формулой (1) получим
C=
kR1i n1n2
t2  t1 n1  n2
(2)
1.Градуировка термопары.
Выключают сопротивление R 1 из цепи, вставляя штырьки в гнезда.
Включают электронагреватель. В процессе всего периода нагревания
размешивают мешалкой масло. Через каждые 5 0 регистрируют показания
гальвонометра. Строят график, откладывая по оси абсцисс показания
гальванометра, а по оси ординат - разность температур между спаями
термоэлемента.
2.Определение термоэлектродвижущей силы.
После выключения электронагревателя выжидают несколько минут,
пока температура масла в сосуде не перестанет повышаться. Отмечают
показания n 1 гальванометра и регистрируют температуру t 2 нагретого спая.
Включают в цепь сопротивление R 1 и отмечают новое показание
гальванометра n 2 .Показание гальванометра должно быть снято строго при
той же температуре t 2 ,что и показание n 1 .Отсчитывают по термометру
температуру
второго
спая
t 1 .Вычисляем
по
формуле
(2)
термоэлектродвижущую силу, возникающую, при разности температур 1 0 С,
в микровольтах на градус.
Контрольные вопросы.
1.Вчем заключается явление термоэлектричества ?
2.Какими причинами обусловлена контактная разность потенциалов ?
3.Где находят применение термопары ?
4.Выведите формулу (2).
Дозиметр – радиометр бытовой ИРД – 02Б1
Цель работы: Ознакомление с принципом работы и устройством ИРД-02Б1,
Пробы воды, почвы, применение в биологии.
І.Краткое описание прибора.
Принцип действия прибора основан на преобразовании детектором
ионизирующего излучения (счетчиком СБТ – 10) потока гамма – квантов или
бета-частиц в электрические сигналы, число которых в единицу времени
пропорциионально МЭД гамма-излучения от загрязненных поверхностей,
пищевых продуктов и.т.д. Эти сигналы формируются по длительности и
амплитуде и подаются на схему регистрации или звуковой сигнализации.
С выхода схемы регистрации информация об измеряемой величине
поступает на цифровое табло прибора. Периодичность смены показаний
значений измеряемой величины на цифровом табло прибора составляет 0,51,0 с.Центр чувствительного объема детектора находится по центру экрана в
10 мм от наружной поверхности экрана.
Прибор имеет два режима работы, устанавливаемых переключателем
режима работы:
1.Режим «мкЗв/ч» служит для обнаружения и измерения полей гамма
излучения, а также для измерения загрязненности по гамма-излучению
проб воды, почвы и т.д.
2.Режим «част/мин см» служит для обнаружения и оценки степени
загрязненности бета-гамма излучающими нуклидами поверхностей и проб
почвы и т.д.
II. Подготовка прибора к работе.
Включите прибор,установив переключатель «Вкл-выкл» в положение
«Вкл», после чего на цифровом табло должна появиться цифровая
информация.Вы должны услышать отчетливые звуковые сигналы.
III Порядок работы.
Источники радиоактивного излучения бывают естественного и
искуственного происхождения. Первые создают радиационный фон гаммаизлучения, который складывается из космического фона и фона окружающей
местности. Естественный фон больше при подъеме над уровнем моря, а
также в местах выходе на поверхность земли горных пород содержащих уран
или продукты его распада. В основном на территории СНГ гамма фон
составляет 10-20 мкР/ч/ 0,1-0,2 мкЗв/ч/ и не превышает 60 мкР/ч.
Исскуственные источники радиоактивного излучения могут возникать
в окружающей среде в результате аварийных выбросов ядерных установок,
ядерных взрывов и т.д., что может привести к локальному повышению фонв
гамма-излучения до уровня опасных для здоровья человека.
В определенных условиях источники радиоактивного излучения могут
попасть в организм с загрязненным веществами, продуктами питания
и т.д., создавая опасность внутренного облучения. Возникает задача
контроля удельной и объемной активности в молоке, растениях и
др.биологических объектах. В определенных условиях источники
радиоактивного излучения могут попасть в организм с загрязненными
веществами.
Прибор позволяет измерять МЭД внешнего гамма-излучения, а также
Объемную активность продуктов питания по гамма-излучению.
1.
Интенсивность радиоактивного излучения возникающего в результате
радиоактивного распада, является величиной постоянной, колеблющейся
вблизи некоторого среднего значения. Поэтому следует руководствоваться
средним значением из пяти последовательных показаний.
2.
При определении загрязненности проб по гамма-излучению,
необходимо для каждой пробы определить два показания. Первое с пробой,
второе без пробы (определение фона). Если показания совпадают или второе
показание больше первого, то в проверяемой пробе радиоактивные вещества
практически отсутсвуют.
3.
Для определения МЭД гамма-излучения следует?
- устоновить переключатель «мкЗв/ч» част мин см2 в положение «мкЗв/ч»
- включите прибор, для чего установите переключатель «вкл» - «выкл» в
положение «вкл».
На цифровом табло должна появится цифровая индикация. Примерно через
60 сек. после включения прибор готов к работе. Поместите прибор в то
место, где хотите определить МЭД гамма-излучения. Значение на цифровом
табло прибора, через 25 сек., соответствует велечине мощности дозы гаммаизлучения в данном месте, выраженной в мкЗв/ч без учета точки (запятой)-в
микрорентгенах в час (мкР/ч).
4.Для определения загрязненности проб воды, почвы продуктов питания по
гамма-излучению действуйте следующим образом:
Приготовте пробу. В зависимости от имеющегося в наличии количества,
пробу приготовте в стандартных бытовых стеклянных банках емкостью от
0.5 до 3 литров. Пробу залейте или предварительно измельчив, засыпьте
ровным слоем, таким образом, чтобы верхний продукта не доходил до края
емкости 3-5 мм. Не снимая экран с детектора, переключатель»мкЗв/част мин
см2» устоновите в положение «мкЗв/ч». включите прибор и через 60 секунд
установите его в плотную чувствительной поверхностью к горловине
стеклянной банки, через 25 секунд, зафиксируйте среднее из 3-5 показаний.
Уберите пробу и установив прибор на то же место, определите второе
показание
прибора,
которое
необходимо
вычесть
из
предыдущего.
Полученную разность показаний, без учета запятых, следует умножить на
800 для банки емкостью 3 л., на 1000 для банки емкостью 2 л, на 1200 для
банки емкостью 1 л, и на 1500 для банки емкостью 0.5 л. Найденное значение
будет соответствовать велечине объемной активности пробы, выраженной в
беккерелях на литр. (Бк/л)
При определении загрязненности можно не готовить пробу, а
поместить прибор не снимая экрана, вплотную к исследуемой объекту,
например к буханке хлеба. Через 25 сек. определите фоновые показания без
пробы. Разность показаний без учета запятых, следует умножить на 1000.
Найденное значение соответствует удельной активности пробы, выраженной
в беккерелях на килограмм. В этом случае значение активности имеет
оценочный характер, так как результаты зависят от плотности вещества,
формы и размера объекта, геометрии измерений и др.
Конрольные вопросы:
1.
Как устроен дозиметр?
2.
Сколько режимов работы?
3.
Как осуществляется измерение МЭД гамма-излучения?
4.
Как осуществляется измерение объемной активности различных проб?
5.
В чем измеряется МЭД и объемная активность в данной работе?
6.
Какие единицы дозы вам известны?
Укажите основной закон радиоактивного распада.
7.
МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО СРСП
При подготовке к СРСП рекомендуется предварительно изучить вопрос,
используя учебную литературу по дисциплине. Составить краткий конспект
прочитанного, отметив вопросы, вызывающие сомнение, либо не до конца
понятые при изучении теоретического материала.
1
Параметры измерительных приборов: чувствительность,
порог чувствительности, класс точности,надёжность
2
Измерение физических величин. Классификация измерений
3
Системы единиц измерения физических величин
4
Некоторые
единицы
для
измерения
величин
электромагнитного излучения
5
Погрешности измерений. Классификация погрешностей
6
Графический анализ результатов измерений
7
Расчет погрешности при определении плотности твердого
тела правильной формы
8
Оценка измеряемой величины с помощью доверительного
интервала при прямых и косвенных измерениях
9
Электронный осциллограф электронно-лучевая трубка
10
Измерение теплопроводности тел. Калориметрическая
установка
11
Вспомогательные электрические приборы
12
Исследование свойств полупроводникового диода, триода и
транзистора
13
Интерференционные и спектральные приборы.Сахариметр.
Лазеры
14
Поляризационные приборы.Фотометрические приборы
15
Приборы для наблюдени трааекторий ядерных частиц
МЕТОДИЧЕСКИЕ РЕКОМЕНДАЦИИ ПО СРС
Приступая к выполнению заданий СРС необходимо:
- изучить теоретический материал по теме;
- начиная решать задачу, вникнуть в ее смысл. Представить себе не только
физическое явление, о котором идет речь, но и те упрощающие
предположения, которые надо сделать, проводя решение;
- если позволяет характер задачи, рекомендуется сделать рисунки,
поясняющие содержание и решение задачи;
- условие задачи записывать кратко; все, входящие в неё величины, выразить
в единицах СИ;
- недостающие в условии данные при необходимости выписать из таблиц;
- решение задачи сопровождать пояснительным текстом;
- решив задачу в общем виде, проверить ответ по равенству размерности
отдельных членов формулы;
- выполнить числовые расчеты;
- получив числовой ответ, оценить его правдоподобность.
В соответствии с графиком отчета о выполнении заданий СРС решить и
представить на проверку следующие задания:
Тема :Формула размерностей.Рациональная форма записи формул.
Система единиц. Решить задачи: Волькенштейн В.С. Сборник задач по
курсу общей физики, М. Наука, 1990-1998 № 9-10, 20, 30,40,50,60,70,80,90,100,
110,120
Тема: Вычисление абсолютных погрешностей. Решить задачи: №14-24
Тема: Вычисление относительных погрешностей. Решить задачи: № 25-39.
Тема: Применение законов теории вероятностей и метематической
статистики при обработке результатаов измерения. Доверительный
интервал.Решить задачи:
№1-15
Тема: Расчет характеристик цепей постоянного и переменного токов
Решить задачи: №14-5,10,15,20.
Тема: Расчет характеристик оптических приборов
Решить задачи:
№14-16.
Контрольно-измерительные материалы
Раздаточный материал
Определите абсолютные и относительные погрешности выражений:
Вариант №1.
at 2
1. S   0t 
2
3. К 
2. F  
m1m2
(  const )
r2
1
cv (cv  const ) 4. I 0 
3
0
1 2;
R  (L 
)
C
2
Вариант №2.
Определите абсолютные и относительные погрешности выражений :
1.    0  at
3.  
m RT
P

(   const , R  const )
2.
 V
F
( d  const )
2 ( D  d )
4. R 
Uh
;
BI
Вариант №3.
Определите абсолютные и относительные погрешности выражений :
m 2
E
 mgh( g  const )
2
A  RT ln
V2
( R  const )
V1
F
q1q2
(  const ,   const )
4r 2
nI
(n  const ) ;
2r * tg
H0 
Вариант №4 . Определите абсолютные и относительные погрешности
выражений :
1. N 
3.  
 2
RT
Fs
* cos
t
2. P 
(   const , R  const )
nI
H

(n  const ) ;
4. 0
2r * tg
m RT
(   const , R  const ) ;
 V
Вариант №5.
Определите абсолютные и относительные погрешности выражений :
m 2
F 
R
 
F 
F
( d  const )
2 ( D  d )
m1m2
(  const ) ;
r2
R 
Uh
;
BI
Вариант №6.
Определите абсолютные и относительные погрешности выражений :
m 2
J

( r1  r22 )
1.
2
2.
1
К

cv (cv  const )
3.
3
I 2
Ek 
2
4.
I0 
;
0
R 2  (L 
1 2
)
C
Вариант №7.
Определите абсолютные и относительные погрешности выражений :
I 2
1. Ek 
2
3. p1  p2 (
2.
J 
m 2
( r1  r22 )
2
V2 
U2
) (  const ) 4. Q  I 2 Rt 
t  IUt
V1
R
Вариант №8. Определите абсолютные и относительные погрешности
выражений :
1. Q
m 2
2. F 
R ;
 mc(T2  T1 )
3. в 
2kT
(k  const )
m
4. I 

Rr
;
Вариант №9. Определите абсолютные и относительные погрешности
выражений: 1.
P  P0e
2. N 
 

g
RT
h
(   const , g  const , R  const ) ;
Fs
* cos
t
3. Q
 mc(T2  T1 ) 4.
IU
2aS (T14  T24 ) ;
Вариант № 10
Определите абсолютные и относительные погрешности выражений :
R
R1R2
R1  R2

rm2  rk2

(m  k  const )
(m  k ) R
Ia
(k  m  const )
L ( k  m)
;J
 J cos 2 
Вопросы для самоподготовки:
1.Общие
характеристики средств измерений. Принципы их
классификации
2.Приборы, создающие магнитное поле и измеряющие его индукцию
3. Общие
характеристики средств измерений.
Классификация
приборов по назначению
4.Измерение физических величин. Виды измерений
5.Общие характеристики средств измерений. Классификация приборов по
принципу действия
6.Приборы электродинамической системы. Электроизмерительные
компенсационные приборы. Приборы магнитоэлектрической системы
7. Общие характеристики средств измерений. Классификация приборов по
конструктивному оформлению
8.Классификация
погрешностей.
Определение
систематических
погрешностей при прямых измерениях
10.Определение случайных погрешностей при прямых измерениях:
математическая обработка результатов измерений
11.Многопредельные электроизмерительные приборы: цена деления,
оформления шкал и указателей, обозначения на шкалах
13.Параметры
измерительных
приборов:
чувствительность,
порог
чувствительность, класс точности, надежность
14.Вспомогательные электрические приборы: шунт, добавочное
сопротивление, измерительные трансформаторы
15.Измерение линейных величин: точность измерения. Средства
измерения. Нониус
16.Классификация электроизмерительных приборов по роду измеряемой
величины. Выбор электроизмерительного прибора
для данного
эксперимента
17.Приборы для измерения малых перемещений. Датчики
18.Обработка результатов измерений с помощью теории вероятностей,
основные понятия Закон распределения. Гистограмма
19.Характеристики акустических приборов. Приемники звука,
микрофоны. Приборы звукозаписи и звуковоспроизведения
20. Электровакуумные приборы. Электронно-лучевая трубка
21.Электронные приборы. Транзистор.
22.Оптические квантовые генераторы. Гелий-неоновый лазер.