Федеральное агентство по образованию

Хабаровский государственный технический университет

Институт информационных технологий


К О Н Т Р О Л Ь Н А Я Р А Б О Т А

по дисциплине: физические основы измерений

История создания эталона механических величин.


Выполнил студент заочной формы обучения

Специальность СС 44 У

№зачётной книжки 090440785

Емелин Михаил Михайлович

Проверил: Корчевский В.В.
Хабаровск 2010


Вся жизнь человека неразрывно связана с получением количественной информации о состоянии окружающего его мира. Эту информацию он получает либо непосредственно с помощью органов чувств, либо с помощью различных приспособлений. Процедура получения количественной оценки некоторых свойств или качеств окружающего мира представляет собой измерение. Измерения присущи всем сложным формам животного мира. Без количественной оценки размеров типа « больше», «меньше» или расстояния «ближе», «дальше» невозможна ориентация в пространстве. А животное, которое теряет способность ориентироваться, быстро погибает. Человеку как представителю животного мира в полной мере присущи такие измерения. (например: размер входа в пещеру, достаточного для того, чтобы прошёл человек, но не смог проникнуть крупный зверь). В результате эволюции человека происходило развитие приёмов измерений. Объектом любого измерения всегда является некоторая реальность, существующая независимо от человека. Для количественного описания физической величины необходима единица измерения. Для того чтобы можно было производить, сопоставлять физические параметры и производить какие-либо расчеты, необходимо иметь систему единиц физических величин, которая явится общим физическим языком для единой оценки качества параметров — их физической сущности и их количественного содержания. Тогда каждый параметр может иметь количественное значение, выраженное через эти величины. Но в каждой системе единиц нужно какие-то величины принимать за исходные, а какие-то окажутся производными величинами, зависящими от первых. Неудачный выбор исходных величин приведет к тому, что размерность некоторых производных величин окажется лишенной физического смысла.

В первых системах единиц в качестве единиц были выбраны единицы дли

ны и массы.

Например, в Великобритании фут и английский фунт. Слово фут происходило от английского слова foot — ступня и равнялась 1/3 ярда или 12 дюймам или 0,3048м. Фунт (от латинского pondus — тяжесть), обозначался lb подразделялся на 16 унций или на 16 х Торговый английский фунт составлял в сегодняшней мере 0,45359237 кг.

В России были выбраны аршин и русский фунт. Аршин до Петра I равнялся 27 английским дюймам, но при Петре I он был установлен равным 28 английским дюймам и с тех пор сохранялся неизменным. 1 аршин = 16 вершкам =71,12 см. До введения метрической системы мер аршин использовался в ряде стран — Болгарии,

Афганистане, России, Турции и Иране и колебался от 65,5 см до 112 см. Русский торговый фунт равнялся 1/40 пуда и был равен 32 лотам или 96 золотникам или 9216 долям или 409,51241 грамм. Неудобства в сфере торговли и промышленного производства, связанные с различием национальных систем единиц, натолкнули на идею разработки метрической системы мер в конце XVIII века во Франции, послужившей основой для международной унификации единиц длины (метр) и массы (килограмм). В XIX веке К. Гаусс и В. Э. Вебер предложили систему единиц для электрических и магнитных величин, а во второй половине XIX столетия Британская ассоциация по развитию наук приняла две системы единиц: СГСЭ (электростатическую) и СГСМ (электромагнитную). В первой из них за безразмерную единицу принята диэлектрическая проницаемость вакуума, а во второй — магнитная проницаемость вакуума. Это сразу же лишило их какого бы то ни было физического 

содержания. В результате все электромагнитные величины в системах СГСЭ и СГСМ имеют дробную размерность, что не только не удобно, но и еще раз подчеркивает отсутствие в этих системах единиц физического смысла.

В 1901 г. итальянский физик Дж. Джорджи предложил систему единиц, основанную на метре, килограмме, секунде и одной электрической единице (позднее был выбран ампер), появилась система МКСА. Все остальные величины были производными. В настоящее время наметился принципиально иной подход к выбору основных величин, который тем не менее во многом совпал с уже существующей практикой. В каждом физическом явлении участвуют три инварианта — материя, пространство и время. В конкретном явлении они проявляются в виде конкретной формы их взаимосвязи, что выражается в виде их размерности. Система измерений СИ, оперирующая мерами инвариантных величин — фактически коли

чеством материи, выраженной мерой массы — кг, пространством, выраженным мерой длины — метром, а также временем, выраженным мерой времени — секундой фактически полностью соответствует этим инвариантным величинам и поэтому является наиболее физической, отражающей реальное положение вещей в мире. В любой физической величине меры материи, пространства и времени входят в целочисленных степенях. Международная система единиц физических величин СИ была принята в 1960 г. 11-й Генеральной конференцией по мерам и весам. Эта система единиц разработана с целью замены сложной совокупности систем единиц и отдельных внесистемных единиц, сложившихся на основе метрической системы мер, и упрощения пользования единицами. Достоинством системы СИ являются ее универсальность (охватывает все отрасли науки и техники) и когерентность, т.е. согласованность производных единиц, которые образуются по уравнениям, не содержащим коэффициентов пропорциональности. Благодаря этому при расчетах в формулы не требуется вводить коэффициенты пропорциональности. Система СИ основана на метрической системе мер.

В 1975 году во Франции был принят декрет о введении метрической системы мер, в основу которой был положен метр, равный одной сорокамиллионной доле Парижского меридиана. В 1799 году был утвержден платиновый прототип метра. В 1875 году 17 стран, в том числе и Россия подписали Метрическую конвенцию для обеспечения международного единства и усовершенствования, метрической системы. В России как необязательная метрическая система была утверждена 4 июня 1899 г. (проект был разработан Д. И. Менделеевым). И как обязательная была введена декретом СНК РСФСР 14 сентября 1918 г., а для СССР постановлением СНК СССР от 21 мюля 1925 г. Первоначально в метрическую систему мер входили квадратный метр как мера площади, кубический метр как мера объема и для массы — килограмм (масса 1 куб. дм. воды при 4 град. Цельсия), а также литр (для вместимости). Единицей времени была принята секунда как 1/3600 часа, равного 1/24 суток. По основным мерам созданы воспроизводимые эталоны, которые все время менялись, уточнялись и совершенствовались. В настоящее время за эталоны приняты:

— эталон метра как “длина, равная 1.650.763,73 длины волны в вакууме излучения

— эталон килограмма — “гиря из платиноиридиева сплава, имеющая форму цилиндра высотой и диаметром 39 мм”



— эталон секунды - “время, равное 9.192.631.660 периодам излучения

Все единицы в системе СИ делятся на основные, дополнительные и производные.


Основные единицы:

— длина, выраженная в метрах (м);

— масса, выраженная о килограммах |кг|;

— время, выраженное в секундах [с], а также

— сила электрического тока, выраженная в Амперах [А|;

— термодинамическая температура, выраженная в градусах Кельвина [К];

— сила света, выраженная в канделах [кд];

— количество вещества, выраженное в молях [моль].


Первые три основные единицы (метр, килограмм, секунда) позволяют образовывать

когерентные производные единицы для всех величин, имеющих механическую природу, остальные добавлены для образования производных единиц величин, не сводимых, как считалось, к механическим, — для электрических и магнитных

(Ампер), тепловых (Кельвин), световых (кандела) и величин физической химии и молекулярной физики (моль).

Однако необходимо отметить, что реально основными являются только три величины — метр, килограмм, секунда, поскольку только они соответствуют физическим инвариантам. Остальные все величины являются производными от них, в том числе электрические, световые, тепловые и физико-химические. Перевод

этих величин в систему МКС (метр, килограмм, секунда) уже выполнен применительно к электрическим величинам и принципиально может быть выполнен применительно к остальным.

Средство измерений, предназначенное для воспроизведения и хранения единицы величины (или кратных либо дельных значений единицы величины) с целью передачи ее размера другим средствам измерений данной величины, выполненное по особой спецификации и официально утвержденное в установленном порядке, называется эталоном.

Эталон, утвержденный в качестве исходного для страны, называют государственным эталоном.

В основе создания эталонов лежат фундаментальные исследования. В эталонах воплощены новейшие достижения науки и техники для воспроизведения единиц с максимально возможной точностью. Эталонную базу страны составляет государственные эталоны (порядка 120), которые хранятся в Государственных научных метрологических центрах (ГНМЦ).

Для различных метрологических работ создают вторичные эталоны, значения которых устанавливают по государственному эталону. По назначению их подразделяют на эталоны-свидетели, эталоны-копии, эталоны-сравнения и рабочие эталоны. Эталон-свидетель предназначен для проверки сохранности 

государственного эталона и его замены в случае порчи или утраты. Эталон-копия предназначен для передачи размеров единиц рабочим эталонам. Эталон-свидетель применяют для сличения эталонов. Рабочий эталон используется для передачи размера единиц эталонам высшей точности и в отдельных случаях наиболее точным рабочим средствам измерений.

Для передачи размеров единиц от государственного эталона рабочим средствам измерений создана система эталонов, которые по точности подразделяются на разряды. Передача размеров единиц осуществляется путем поверки или калибровки средств измерений.
Классификация эталонов


В настоящее время различают следующие виды эталонов:

Первичный эталон — эталон, обеспечивающий воспроизведение единицы с наивысшей в стране (по сравнению с другими эталонами той же единицы) точностью. Первичные эталоны подразделяются на национальные (государственные), международные и специальные.

Вторичный эталон — эталон, получающий размер единицы непосредственно от первичного эталона данной единицы. Вторичные эталоны подразделяются на эталоны-копии и эталоны сравнения.

Термин "рабочий эталон" заменил используемый ранее термин "образцовое средство измерений".

Национальный эталон — эталон, признанный официальным решением служить в качестве исходного для страны. Первичный эталон, признанный решением уполномоченного на то государственного органа в качестве исходного на территории Российской Федерации, называется государственным первичным эталоном. Оба термина имеют адекватное значение. Термин "национальный эталон" применяется тогда, когда хотят подчеркнуть соподчиненность государственного эталона международному.

Международный эталон — эталон, принятый по международному соглашению в качестве международной основы для согласования с ним размеров единиц, воспроизводимых и хранимых национальными эталонами.

Специальный эталон — эталон, обеспечивающий воспроизведение единицы в особых условиях и заменяющий для этих условий первичный эталон. Единица, воспроизводимая с помощью специального эталона, по размеру должна быть согласована с единицей, воспроизводимой с помощью соответствующего первичного эталона.

Эталон-копия — вторичный эталон, предназначенный для передачи размеров единиц рабочим эталонам. Эталон-копия не всегда является физической копией государственного эталона, он копирует лишь метрологические свойства государственного эталона.



Эталон сравнения — вторичный эталон, применяемый для сличения эталонов, которые по тем или иным причинам не могут быть непосредственно сличены друг с другом.

Рабочий эталон воспринимает размер единицы от вторичных эталонов и, в свою очередь, служит для передачи размера менее точному рабочему эталону (низшего разряда) или рабочим средствам измерений.

Разрядный эталон — эталон, обеспечивающий передачу размера единицы физической величины через цепочку соподчиненных по разрядам рабочих эталонов.
В зависимости от назначения и исполнения эталоны подразделяются следующим образом:

одиночный эталон, в составе которого имеется одно средство измерений (мера, измерительный прибор, эталонная установка) для воспроизведения и хранения единицы;

групповой эталон, в состав которого входит совокупность средств измерений одного типа, номинального значения или диапазона измерений, применяемых совместно для повышения точности воспроизведения единицы или ее хранения; за результат измерений обычно принимается среднее арифметическое значение из результатов измерений однотипными средствами измерений или эталонными установками;

эталонный набор, состоящий из совокупности средств измерений, позволяющих воспроизводить и хранить единицу в диапазоне, представляющем объединение диапазонов указанных средств; эталонные наборы создаются в тех случаях, когда необходимо охватить определенную область значений физической величины, например набор эталонных гирь;

транспортируемый эталон, иногда специальной конструкции, предназначенный для его транспортировки к местам поверки или калибровки средств измерений или сличений эталонов данной единицы.


Основные функции государственного эталона (воспроизведение и хранение единицы), зафиксированные в его определении по основополагающему стандарту (ГОСТ 8.057 - 80), определяют основные требования и к метрологическим параметрам, и к составу, и к условиям хранения и применения государственных эталонов.

В нашей стране внедрение СИ началось еще в 1961 г. Официально СИ действует с 1 января 1982 г. в соответствии с ГОСТ 8.417 - 81 "ГСИ. Единицы физических величин".

Государственные эталоны России по своим метрологическим параметрам соответствуют международному уровню, а в отдельных случаях превосходят национальные эталоны некоторых высокоразвитых стран.


Использованная литература.

Камке Д. Кремер К. Физические основы единиц измерений. Мир, 1980

Спиридонов О.Фундаментальные физические постоянные. Высшая школа. 1991

Чёртов А. Физические величины. Терминология, определения, обозначения , размерность, единицы. Высшая школа. 1991