Министерство образования Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального обра-зования

СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЗАОЧНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Базовая кафедра метрологии при ФГУП ВНИИМ им. Д.И. Менделеева

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИЗМЕРЕНИЙ

Рабочая программа

Задание на контрольную работу Факультет радиоэлектроники Направление и специальность подготовки дипломированного специалиста: 653800 - стандартизация, сертификация и метрология; 190800 - метрология и метрологическое обеспечение Направление подготовки бакалавра 552200 - стандартизация, сертификация и метрология

Санкт-Петербург 2003

Утверждено редакционно-издательским советом университета УДК 389 (07) Физические основы измерений: Рабочая программа, задание на контрольную работу. - СПб.: СЗТУ, 2003. - 16 с. Рабочая программа разработана в соответствии с государственными образователь-ными стандартами высшего профессионального образования по направлению под-готовки дипломированного специалиста 653800 - “Стандартизация, сертификация и метрология” (специальность 190800 - “Метрология и метрологическое обеспече-ние”) и направлению подготовки бакалавра 552200 - “Стандартизация, сертифика-ция и метрология”. Методический комплекс содержит рабочую программу, тематический план лек-ций, темы практических занятий, перечень основной и дополнительной литерату-ры, задание на контрольную работу и методические указания по её выполнению. В рабочую программу включено рассмотрение фундаментальных физических по-нятий, явлений и закономерностей, используемых в метрологии и измерительной технике. Тематический план лекций представлен для студентов очно-заочной формы обу-чения. Практические занятия посвящены наиболее важным темам. В перечень ос-новной и дополнительной литературы включены источники на бумажном и элек-тронном носителях. Задание на контрольную работу предусматривает подготовку и защиту реферата на тему, согласованную с преподавателем. Рассмотрено на заседании базовой кафедры метрологии 8 сентября 2003 г., одоб-рено методической комиссией факультета радиоэлектроники 20 ноября 2003 г. Рецензенты: И.Е. Ушаков д-р техн. наук, проф. базовой кафедры метрологии СЗТУ, С.А. Кравченко, д-р техн. наук, проф., ст. науч. сотр. ФГУП ВНИИМ им. Д.И. Менделеева. Составитель И.Ф. Шишкин, д-р техн. наук, проф. © Северо-Западный государственный заочный технический университет, 2003

3

ПРЕДИСЛОВИЕ По учебному плану инженерной специальности 190800 − “Метрология и метрологическое обеспечение” и направлению подготовки бакалавра 552200 − “Стандартизация, сертификация и метрология” учебная дисциплина “Физические основы измерений” изучается на III курсе в объёме 92 часа; из них при обучении по очно-заочной форме − 20 часов лекций и 8 часов практических занятий, при обучении по заочной форме - 12 часов лекций и 4 часа практических занятий. При ускоренной форме обучения из общего объёма 100 часов - 8 часов лекций и 4 часа практических занятий. Предусмотрены 1 контрольная работа и зачёт. Цель изучения дисциплины - подготовка к изучению общепрофессиональных и специальных дисциплин. Основная задача дисциплины - углублённое изучение физических понятий, пред-ставлений, закономерностей и явлений в контексте их использования при измере-ниях и в измерительной технике для обеспечения единства измерений и метроло-гического обеспечения различных видов деятельности. Основные положения дисциплины относятся к фундаментальным проблемам метрологии и измерительной техники: централизованному и децентрализованному воспроизведению единиц физических величин, обеспечению единства, правильно-сти, достоверности и точности результатов измерений. После изучения дисциплины студент должен: - знать фундаментальные физические законы, свойства и явления, используемые в метрологии и измерительной технике; - уметь применять физические знания для решения измерительных задач, конст-руирования измерительных приборов, обеспечения единства измерений; - иметь представление о перспективных для метрологии и измерительной техни-ки направлениях развития физической науки, последних достижениях в этой об-ласти. Основной формой изучения материала является самостоятельная работа над реко-мендованной литературой. По всем определяющим темам программы читаются обзорные и установочные лекции, проводятся групповые и индивидуальные кон-сультации. Практические навыки приобретаются на практических занятиях и при выполнении контрольной работы. По всему курсу в целом сдаётся зачёт. Курс основывается на учебных дисциплинах “Философия”, “Физи- ка”,“Метрология, стандартизация и сертификация”(часть I) и используется при

4

изучении общепрофессиональных и специальных дисциплин, выполнении курсо-вых и дипломных работ и проектов.

5

1. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ 1.1. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ ПО ГОС

Методы теории подобия и размерностей. Классические измерительные сис-

темы. Адиабатические инварианты. Стабильность – необходимое условие дости-жения достоверности и точности результатов измерений. Элементы современной физической картины мира. Постоянные необратимые изменения Вселенной и ста-бильность фундаментальных физических постоянных. Принципиальная невоз-можность полного устранения неопределенности результатов измерений. Фундаментальный источник погрешностей измерений – самодвижение материи и его конкретные проявления – необратимость, инерция, тепловые и квантовые флуктуации, шумы нетеплового происхождения. Соотношения неопределенно-стей. Принцип дополнительности. Фундаментальные пределы точности измере-ний. Несоответствие уровня стабильности параметров, объектов макро- и мегами-ра требованиям современной метрологии. Потенциальные ресурсы стабильности параметров физических объектов микромира. Физико-техническое обеспечение инженерных решений проблемы передачи стабильности объектов микромира микроскопическим объектам измерительных приборов и систем. Физические принципы создания современной эталонной базы с использованием явления сверхпроводимости, эффектов Ааронова-Бома, Зеемана, Джозефсона, Мессбауэра, Холла и других эффектов квантовой физики.

6

1.2. РАБОЧАЯ ПРОГРАММА (Объём курса - 92 ч)

Введение (2 ч)

Предмет, задачи и содержание курса; его роль и место в формировании мет-ролога с высшим образованием. Структура курса, его связь с другими дисциплинами. Порядок изучения предмета и организация учебного процесса.

Тема 1. Физический континуум (16 ч) [1], c. 17...20; [2], с.17... 20 Материя и движение

Формы существования материи. Фундаментальные физические понятия: про-странство, время, движение, взаимодействие и др..

Элементы современной физической картины мира Свойства микромира: дискретность, корпускулярно-волновой дуализм, неопреде-лённость. Переход от свойств микромира к свойствам макромира. Стабильность как следствие усреднения. Тепловые, механические, электромагнитные и другие свойства макромира.

Физические величины и их единицы Физические величины как меры свойств объектов и явлений материального мира. Единицы физических величин.

Теория отражения Отражение реального мира в результатах измерений. Классическая измерительная процедура: сравнение неизвестного размера с известным. Принципиальная невоз-можность полного устранения неопределённости результатов измерений.

Тема 2. Фундаментальные физические константы*) и их использование при выборе единиц

физических величин (12 ч) [2], с. 5...15, 135...137; [3], с. 114...130

Константы макромира Размеры и параметры движения Земли. Угол 2π радиан. Ускорение при свобод-ном падении. Скорость света. Нулевая термодинамическая температура и точки фазовых переходов. Другие константы макромира.

Константы микромира Масса и заряд электрона. Гиромагнитное отношение электрона и протона. Квант магнитного потока. Постоянная фон-Клитцинга. Постоянная тонкой структуры. Гравитационная постоянная. Константы, используемые при переходе от свойств микромира к свойствам

макромира Постоянная Планка. Постоянная Больцмана. Число Авогадро.

7

Тема 3. Высокостабильные квантовые эффекты и их использование для воспроизведения единиц

физических величин (16 ч) [2], с. 131...135; [3], с. 123...130

Квантовые переходы Использование квантовых переходов между энергетическими уровня- ми электро-нов для воспроизведения единиц времени, частоты и длины. Эффекты Холла и Джозефсона. Использование эффектов Холла и Джозефсона для воспроизведения единиц элек-трического сопротивления и напряжения. ___________________ *) Значения основных фундаментальных физических констант приведены в при-ложении.

8

Тема 4. Некоторые физические явления, используемые при высокоточных измерениях (26 ч)

Электромагнитные явления

Высокотемпературная сверхпроводимость ([4], с. 266...269) Явление сверхпроводимости. Использование высокотемпературной сверхпрово-димости для реализации переходов Холла и Джозефсона. Использование перехо-дов Холла и Джозефсона в измерительной технике. Измерение сверхнизких тем-ператур сверхпроводящим термошумовым датчиком на основании уравнения Найквиста. Интерференция электромагнитных волн ([4], с. 178...186) Интерференция света. Интерферометрический метод измерения линейных разме-ров: двухлучевой интерферометр Майкельсона; интерферометр с двухчастотным гелий-неоновым лазером. Многоцелевые лазерные интерферометры. Рентгенов-ская интерферометрия. Голографическая интерферометрия. Электромагнитная индукция ([4], с. 122...124) Закон электромагнитной индукции. Измерение параметров постоянных и пере-менных магнитных полей. Эффект Фарадея ([4], с. 71...73) Вращение плоскости поляризации линейно поляризованного света в оптически активных веществах под действием магнитного поля. Использование эффекта Фа-радея для измерения магнитной индукции. Эффекты Керра и Поккельса ([4], с. 73...75) Квадратичный электрооптический эффект Керра. Линейные электрооптические продольный и поперечный эффекты Поккельса. Использование эффектов Керра и Поккельса для измерения напряжения. Пьезоэффект ([4], с. 190;199) Прямой пьезоэффект. Использование пьезоэлектрических датчиков для измерения сил и давлений. Многокомпонентные динамометры. Эффект Доплера ([4], с. 249...252) Доплеровское смещение частоты. Доплеровские измерители скорости.

Резонансные явления на квантовом уровне Магнитный резонанс ([4], с. 107...122) Собственная частота квантовой системы; уравнение Лармора. Ядерный магнитный резонанс (ЯМР). Измерение магнитной индукции слабых магнитных полей методом свободной ядерной прецессии. Спиновые генераторы, основанные на методе ядерной индукции. Метод ядерного резонансного поглоще-ния. Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР). Эффект Зеемана. Сверхтонкая структура энергетического спектра атома. Магни-торезонансные методы измерений с оптической накачкой атомов.

9

Ядерный гамма-резонанс ([4], с. 252...253) Эффект Мессбауэра. ЯГР-виброметры. Использование эффекта Мессбауэра для измерения малых скоростей и расходов жидких веществ. Ядерный квадрупольный резонанс ([4], с. 271...273) Зависимость частоты прецессии атомных ядер, обладающих электрическим квад-рупольным моментом, от температуры. ЯКР-термометры.

10

Тема 5. Фундаментальные физические законы, используемые в измерительной технике (18 ч)

[4], с. 260…280; [6], с. 50…60, с. 211…228; [7], с. 146…167, 229 Использование в измерительной технике законов механики

Использование второго закона Ньютона в различных конструкциях весов; приёмы взвешивания. Использование первого и второго законов Ньютона в акселеромет-рах и деселерометрах. Ареометры, основанные на законе Архимеда. Манометры и барометры, принцип действия которых основан на законе Паскаля. Другие средства измерений, основанные на законах механики.

Использование в измерительной технике законов электромагнетизма Электроскоп, основанный на законе Кулона; принцип действия осциллографа. Ис-пользование закона Ампера в приборах магнитоэлектрической системы. Приборы электромагнитной, электродинамической, ферродинамической и электростатиче-ской систем.

Использование в измерительной технике тепловых законов Газовый и шумовой термометры. Тепловое расширение термометрических жидко-стей. Термометры сопротивления и термопары. Излучение нагретых тел: законы излучения Планка, Вина, Стефана-Больцмана. Радиационные, яркостные и цвето-вые пирометры.

Заключение (2 ч) Краткое обобщение основных вопросов курса. Направления дальнейшей работы над углублением и расширением полученных знаний в процессе изучения общепрофессиональных и специальных дисциплин.

11

1.3. ТЕМАТИЧЕСКИЙ ПЛАН ЛЕКЦИЙ ДЛЯ СТУДЕНТОВ ОЧНО-ЗАОЧНОЙ ФОРМЫ ОБУЧЕНИЯ (20 ч)

Темы лекций Объём, ч Введение. Физический континуум .................................................. 2 Фундаментальные физические константы и их использование при выборе единиц физических величин ...................................

2

Высокостабильные квантовые эффекты и их использование для воспроизведения единиц физических величин ..................

4

Некоторые физические явления, используемые при высокоточных измерениях Электромагнитные явления ...................................................... Резонансные явления на квантовом уровне…..........................

4 2

Фундаментальные физические законы, используемые в измерительной технике ........................................................

4

Заключение .......................................... ................................................. 2

1.4. ТЕМЫ ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ (8ч) Темы занятий Объём, ч Использование квантовых эффектов для обеспечения единства измерений ............................................................................

4

Использование квантовых эффектов в измерительной технике …… 4

12

2. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

Основной:

1. Савельев И.В. Курс общей физики в 3-х т.т. - М.: Наука, 1982, 1989. 2. Шишкин И.Ф. Метрология, стандартизация и управление качеством: Учебник для вузов. / Под ред. акад. Н.С. Соломенко. - М.: Изд-во стандартов, 1990. 3. Шишкин И.Ф. Теоретическая метрология: Учебник для вузов. - М.: Изд-во стан-дартов, 1991. 4. Спектор С.А. Электрические измерения физических величин: Методы измере-ний: Учеб. пособие для вузов. - Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1987.

Дополнительный: 5. Боднер В.А. Физические основы измерений. - М.: Машиностроение, 1995. 6. Измерение электрических и неэлектрических величин: Учеб. пособие для вузов. / Под общ. ред. Н.Н. Евтихиева. -М.: Энергоатомоиздат, 1990. 7. Измерение в промышленности. Справ. изд. В 3-х кн. Кн 2. Способы измерения и аппаратура./ Под ред. П. Профоса. -М.: Металлургия, 1990.

Средства обеспечения освоения дисциплины (ресурсы Internet): На сайте дистанционного обучения СЗТ У (http://www.de.nwpi.ru) в разделе «Учебные материалы» имеется: 1. Рабочая программа. Задания на контрольную работу. (14,2 КБ). 2. Спектр С.А. «Электрические измерения физических величин». (2,44 МБ). 3. И.Ф. Шишкин «Теоретическая метрология». (5,83МБ).

3. ЗАДАНИЕ НА КОНТРОЛЬНУЮ РАБОТУ И МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЕЕ ВЫПОЛНЕНИЮ

Контрольная работа выполняется в виде реферата по одному из разделов (вопро-сов) программы. Например: децентрализованное воспроизведение единицы массы килограмма на основе ис-пользования числа Авогадро; перспективы использования в метрологии шумового термометра; использование электромагнитной индукции в приборах магнитоэлектрической и электромагнитной систем; использование фундаментальных физических констант и высокостабильных кван-товых явлений - магистральный путь развития метрологии и т.п.

13

Реферат не должен быть простым переписыванием материала из источников, ука-занных в программе. Анализ в нём не должен подменяться обзором. Студент дол-жен продемонстрировать глубокое знание предмета, умение самостоятельно мыс-лить, логично и аргументировано излагать свою точку зрения. Достигается это, как правило, в результате общения с преподавателем в часы аудиторных занятий и во время консультаций. Во время аудиторных занятий нужно согласовать с преподавателем тему реферата, его объём, обсудить список литературных источников, порядок изложения мате-риала. В дальнейшем все возникающие вопросы обсуждаются и решаются на кон-сультациях.

14

Приложение

Значения некоторых фундаментальных физических констант

Константа Обоз-на-чение

Значение

Относи-тельное стандарт-ное откло-нение × 10-6

Примечание

Константы макромира

Длина земного меридиана на уровне моря

L 40007817,6 м По результатам измерений 1964 ... 1967 г.г.

Период обраще-ния Земли вокруг оси

Тсут 86400 c 0,1 Среднее значениесуток

Период обраще-ния Земли вокруг Солнца

Тгод 31556925,9747 с 0,0001 В 1900 году

Ускорение при свободном паде-нии

g

Скорость света в вакууме с 299792458 мс-1 - Приписанное зна-

чение

Константы микромира

Масса электрона me9,1093897 × 10-31 кг 0,59

Заряд электрона e 1,60217733 × 10-19 Кл 0,30

Гиромагнитное отношение элек-трона

γе1,7608144 ×1011 с-1Тл-1

0,30

Гиромагнитное отношение про-тона

γр2,67515255 ×108 с-1Тл-1 0,30

Квант магнитно-го потока h/2e 2,06783461

×10-15 Вб 0,30 Определён точнее, чем e и h

15

Постоянная фон- Клитцинга h/e2 25812,8056 Ом 0,045 Определёна точ-

нее, чем e и h Постоянная тон-кой структуры α 7,29735308

× 10-3 0,045

Гравитационная постоянная γ 6,67259

×10-11м3кг-1с-2 128

Переходные константы

Постоянная Планка h

Постоянная Больцмана k 1,38 × 10-23 Дж/К

Число Авогадро NA6,0221367×1023 моль-1 0,59

Редактор И.Н. Садчикова Сводный темплан 2004 г.

Лицензия ЛР № 020308 от 14.02.97.

Санитарно-эпидемиологическое заключение № 78.01.07.953.П.005641.11.03 от 21.11.2003 г. ___________________________________________________________________________________ Подписано в печать . Формат 60×84 1/16 Б.кн.-журн. П.л. . Б.л. . РТП РИО СЗТУ. Тираж экз. Заказ . ______________________________________________________________________

Северо-Западный государственный заочный технический университет РИО СЗТУ, член издательско-полиграфической ассоциации вузов

Санкт-Петербурга

191186 Санкт-Петербург, ул. Миллионная, д.5