Обработка полученных результатов
Лабораторная работа №3.
1. Физические величины. Физические объекты, окружающие человека в повседневной жизни, обладают разнообразными свойствами, для описания которых вводятся физические величины.
«Физическая величина – одно из свойств физического объекта (физической системы, явления или процесса), общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них». Для того чтобы определить количественное значение физической величины, выполняют измерения. При прямых измерениях значение физической величины получают непосредственно; при косвенных – на основании результатов прямых измерений других величин, которые связаны с искомой величиной известной зависимостью. Также устанавливают единицу измерения физической величины, т.е. физическую величину фиксированного размера, которой условно присваивают числовое значение, равное 1. «Совокупность физических величин, образованная в соответствии с принятыми принципами, когда одни величины принимаются за независимые, а другие определяются как функции этих независимых величин», называется системой физических величин.
2. Системы единиц физических величин. Совокупность основных и производных единиц, принадлежащих некоторой системе величин, сформированную по принципам заданной системы физических величин, называют системой единиц физических величин. Выделяют метрические системы, системы естественных единиц измерения, традиционные системы мер. В 1795 г. Национальное собрание Франции установило основную единицу длины – метр, а также ряд производных единиц. В 1832 г. К. Гаусс предложил систему единиц, основанную на независимых друг от друга единицах длины, массы и времени, и определил ее как абсолютную. После подписания в 1875 г. Метрической конвенции была принята метрическая система мер для обеспечения международного единства мер. На принципах метрической системы мер построен ряд других систем единиц физических величин, которые отличаются основными единицами (СИ, СГС, МКГСС, МТС, МКС, МСК, МКСЛ). В системе СГС (1881 г.) основными единицами являются сантиметр (длина), грамм (масса), секунда (время). Система МКГСС, распространившаяся в механике и технике, построена на системе физических величин с основными единицами: метр (длина), килограмм-сила (сила), секунда (время). Система МТС (1919 г. – во Франции, 1933 г. – в СССР) основана на системе физических величин с основными единицами: метр (длина), тонна (масса), секунда (время). В естественной системе единиц (1906 г.) за основные приняты: скорость света в вакууме (с = 3 ∙ 108 м/с), гравитационная постоянная (G = 6.67 ∙ 10-11 м 3 ∙с -2 ∙кг -1 ), постоянная Больцмана (k = 1.383 ∙ 10-23 Дж/К), постоянная Планка (h = 6.633 ∙ 10-34 Дж∙с). К естественным относят атомную систему единиц (систему единиц Хартри) и планковские единицы. В середине ХХ в. появилась необходимость в создании единой универсальной системы единиц, которая заменила бы уже существующие системы и стала удобной для использования в науке и технике. В 1960 г. XI Генеральной конференцией по мерам и весам на основе метрической системы мер была утверждена Международная система единиц СИ (фр. Le Système International d’Unités). Первоначально СИ имела шесть основных единиц (в настоящее время – семь) (таблица 1).
|
|
|
|
|
|
Все единицы СИ независимы друг от друга. С их помощью можно образовывать производные единицы по простым уравнениям для любых физических величин. СИ универсальна во всех областях науки и техники. Все единицы и их размер согласованы на международном уровне. Каждая единица используется только для конкретной физической величины. СИ – когерентная система, позволяющая производить измерения с высокой точностью.
3. Средства измерений - является техническое средство, которое имеет нормированные метрологические характеристики, воспроизводит и/ или хранит единицу физической величины (с неизменным размером в пределах установленной погрешности в течение определенного временного интервала) [1]. Средства измерений позволяют сравнивать неизвестные размеры физических величин с известными или сравнивать отклики на воздействие физических величин известных и неизвестных размеров. Классификация средств измерений достаточно разнообразна. Их можно классифицировать по: техническому назначению; степени автоматизации (автоматические, автоматизированные, ручные); стандартизации средств измерения; положению в поверочной схеме (эталоны; рабочие средства измерений) и др. По техническому назначению средства измерений подразделяются на меры физической величины, измерительные приборы, измерительные преобразователи, измерительные установки, измерительные системы и измерительно-вычислительные комплексы. Классификация средств измерений приведена в таблице 2.
|
|
|
Меры физической величины предназначены для воспроизведения и/или хранения физической величины одного (однозначные) или нескольких (многозначные) заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью. Сравнение с мерой производят с помощью специальных компараторов. К однозначным мерам еще относят стандартные образцы. Измерительные приборы используют, когда необходимо измерить в установленном диапазоне значения физической величины. Обычно они имеют устройство индикации для произведения регистрации и/или отсчета физической величины (шкала, цифроуказатель, дисплей).
|
|
|
По принципу действия измерительные приборы подразделяют на суммирующие (если показания связаны с суммой нескольких величин) и интегрирующие (если значение искомой величины находят посредством ее интегрирования по другой величине).
В зависимости от способа индикации выделяют показывающие и регистрирующие приборы. Их отличие состоит в том, что первые приборы позволяют только отсчитывать показания, но не регистрировать их. Если измерительный прибор используют для определения значения физической величины путем сравнения с известным значением, то речь идет о приборе сравнения. В противном случае можно говорить о приборе прямого действия. Показания измерений могут быть представлены или в аналоговой (при их непрерывной записи), или в цифровой форме.
Измерительные преобразователи предназначены для преобразования измеряемой физической величины в другую величину или удобный для индикации, передачи, обработки, хранения и др. измерительный сигнал. Их метрологические характеристики нормативны. Измерительные преобразователи, как правило, включены в состав измерительных приборов. Но в отличие он них измерительная информация представляется измерительными преобразователями в недоступной для непосредственного восприятия форме. Измерительные преобразователи могут выполнять преобразование аналоговых сигналов в аналоговые; аналоговых сигналов в цифровые коды и наоборот. Соответственно такие преобразователи называют аналоговыми, аналого-цифровыми и цифро-аналоговыми. В измерительной цепи преобразователи занимают различное положение. Если измеряемая физическая величина оказывает непосредственное воздействие на преобразователь, то его называют первичным. После первичного следует промежуточный преобразователь. Измерительные установки включают в себя измерительные приборы и преобразователи, а также меры и др., располагаются в одном месте и служат для измерения физических величин. Выделяют эталонные и поверочные измерительные установки.
Измерительные системы также включают измерительные приборы и преобразователи, а также меры, ЭВМ и др., которые располагаются в разных точках исследуемого объекта и служат для измерения характеризующих его физических величин, а также выработки измерительных сигналов. Измерительно-вычислительные комплексы функционально объединяют средства измерений, ЭВМ, различные вспомогательные устройства и др. и выполняют определенные измерительные задачи.
4 Датчики физических величин «Конструктивно обособленный первичный измерительный преобразователь» называют датчиком. Датчики предназначены «для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем». В зарубежной литературе чаще используют термин «сенсор».
В зависимости от выбранных критериев существуют различные системы классификации датчиков. По принципу действия выделяют физические (например, акустические, магнитные, оптические, электрические и др.), химические и комбинированные.
Если датчику необходим внешний источник энергии, а под воздействием измеряемой физической величины меняются такие параметры, как электрическое сопротивление, емкость, диэлектрическая проницаемость, индуктивность и др., то такой датчик относится к параметрическим или пассивным. Если датчику не требуется внешний источник энергии, а выходными величинами являются электрические (ток, напряжение, заряд и др.), то датчик относят к генераторным или активным. Также датчики классифицируют по виду измеряемых электрических и неэлектрических физических величин. К последним относят датчики давления, расхода и состава веществ, температуры, размеров и перемещений, влажности, параметров излучений и др.
Датчики могут быть однофункциональные или многофункциональные, аналоговые или цифровые, проводные или беспроводные и др.
Понятие об электричестве.
Абсолютно все тела имеют способность электризоваться (приобретать заряд). Примером может служить электризация пластмассовой расчёски о волосы. Термин «электрические явления» был введён Уильямом Гильбертом1 . Учёный первый экспериментировал с электризацией трением, обнаружив данный эффект у янтаря, откуда и произошло название (electricus — янтарный). Долгое время причина приобретения заряда оставалась загадкой. На опытах было отмечено, что наэлектризованные тела способны отталкиваться друг от друга или притягиваться. Это привело к тому, что Шарль Франсуа Дюфе2 предложил разделить электричество на смоляное и стеклянное. Первое позднее стало объясняться избытком отрицательного заряда, второе — избытком положительного. Какой заряд выбирается положительным — дело вкуса. Исторически сложилось, что заряд электрона стал отрицательным, а заряд протона — положительным. Элементарным прибором регистрирующим наличие заряда является «электроскоп». Его можно сконструировать из листочков фольги, которые станут отталкиваться при сообщении им заряда. Подобно массе электрический заряд является неотъемлемым свойством элементарных частиц, а значит и макроскопических тел. Элементарные частицы, входящие в состав тела и способные передаваться от одного тела другому, и создают возможность электризации тел. Электрический заряд является релятивистским инвариантом. Действительно, если элементарные частицы находятся в состоянии термодинамического равновесия, то более тяжёлые (например, протоны) будут двигаться медленнее более лёгких (например, электронов). В случае зависимости заряда от скорости движения частиц при нагревании такой системы происходила бы её электризация. Многочисленные опыты не подтверждают такой вывод, что и говорит об инвариантности заряда. В 1910 году Милликен3 определил, что заряд тел после их электризации пропорционален величине e = 1.6021892 · 10−19 Кл, т. е.
q = Ne, N ∈ Z. (1)
Величина e называется «элементарным зарядом». Электрон обладает отрицательным элементарным зарядом, протон — положительным. В результате получаем, что электрический заряд «квантуется» (quantum — сколько), т. е. изменяется порциями. Однако малая величина элементарного заряда позволяет при исследовании макроскопических явлений полагать заряд непрерывно изменяющейся величиной. Ввиду того, что заряд является неотъемлемой характеристикой частицы, справедлив следующий закон. Закон 1.1 (сохранения заряда). Алгебраическая сумма всех зарядов электрически замкнутой системы (не обменивающейся зарядами с другими системами) не изменяется:
q1 + q2 + . . . + qn = const. (2)
Суммарный заряд системы при таких процессах, конечно, сохраняется.
Назовём «электрическим током» упорядоченное движение заряженных частиц.
Носителями заряда могут быть электроны и ионы (атомы или молекулы, которые присоединили или потеряли электроны). В отсутствие силового поля носители заряда находятся в беспорядочном (тепловом) движении. Через любую воображаемую площадку переносится в обоих направлениях одинаковый заряд — электрического тока нет. При наличии поля на заряды начинает действовать направленная сила, и на хаотическое движение накладывается упорядоченное — возникает ток.
Назовём «силой тока» заряд, протекающий через поперечное сечение проводника в единицу времени:
I = dq/dt. (3)
Электрический ток, не изменяющийся со временем, называется «постоянным». Единицей силы тока является ампер: [I] = A
Если в проводнике возбудить стационарное электрическое поле, то установится конечная плотность тока. Несмотря на действие силы qE скорость носителей не возрастает неограниченно, а достигает конечного значения u. Следовательно на заряды действует аналог силы трения, обусловленный взаимодействием с атомами, молекулами, другими зарядами и т. п. Эта сила является причиной того, что ток быстро спадает после выключения поля.
Очевидно, что на носители заряда кроме электростатических сил действуют также «сторонние силы». Причиной их возникновения м. б. химические и диффузионные процессы, электрические поля, порождаемые магнитными и т. д. Эти силы также характеризуются работой.
Величина равная работе сторонних сил над единичным положительным зарядом называется «электродвижущей силой» (э. д. с., ЭДС):
e = A / q (4)
Величина численно равная работе, совершаемой электростатическими и сторонними силами над единичным положительным зарядом называется «падением напряжения» или просто «напряжением»:
U12 = f1 − ϕ2 + e12. (5.8) Видно, что единицей измерения ЭДС (как напряжения и потенциала) является вольт: [e] = В.
f - электростатический потенциал
ЭДС считают положительной, если она способствует движению положительных зарядов от точки 1 к точке 2.
Экспериментально в 1826 г. был установлен следующий закон (закон Ома в интегральной форме).
Сила тока, текущего по однородному металлическому проводнику, пропорциональна падению напряжения на проводнике:
I = U / R = (ϕ1 − ϕ2) / R (5)
Коэффициент пропорциональности R называется «электрическим сопротивлением» проводника или просто «сопротивлением».
Единицей сопротивления является ом1 : [R] = Ом. Сопротивление 1 Ом имеет проводник, по которому при напряжении 1 В течёт ток 1 А.
6. Деформация
Силы упругости возникают при деформациях тел. Деформация — это изменение формы и размеров тела. К деформациям относятся растяжение, сжатие, кручение, сдвиг и изгиб.
Деформации бывают упругими и пластическими. Упругая деформация полностью исчезает после снятия внешнего воздействия, которое вызвало деформацию. В результате деформированное поначалу тело восстанавливает свои первоначальные размеры и форму. Пластическая деформация сохраняется (быть может, частично) после снятия внешней нагрузки, и тело уже не возвращается к прежним размерам и форме.
Частицы тела (молекулы или атомы) взаимодействуют друг с другом силами притяжения и отталкивания, имеющими электромагнитное происхождение (это силы, действующие между ядрами и электронами соседних атомов). Силы взаимодействия зависят от расстояний между частицами. Если деформации нет, то силы притяжения компенсируются силами отталкивания. При деформации изменяются расстояния между частицами, и баланс сил взаимодействия нарушается. Например, при растяжении стержня расстояния между его частицами увеличиваются, и начинают преобладать силы притяжения. Наоборот, при сжатии стержня расстояния между частицами уменьшаются, и начинают преобладать силы отталкивания. В любом случае возникает сила, которая направлена в сторону, противоположную деформации, и стремится восстановить первоначальную конфигурацию тела.
Сила упругости — это сила, возникающая при упругой деформации тела и направленная в сторону, противоположную смещению частиц тела в процессе деформации.
Сила упругости:
1. действует между соседними слоями деформированного тела и приложена к каждому слою;
2. действует со стороны деформированного тела на соприкасающееся с ним тело, вызывающее деформацию, и приложена в месте контакта данных тел перпендикулярно их поверхностям (типичный пример — сила реакции опоры).
Силы, возникающие при пластических деформациях, не относятся к силам упругости. Эти силы зависят не от величины деформации, а от скорости её возникновения.
Закон Гука. Деформация называется малой, если изменение размеров тела много меньше его первоначальных размеров. При малых деформациях зависимость силы упругости от величины деформации оказывается линейной.
Абсолютная величина силы упругости прямо пропорциональна величине деформации. В частности, для пружины, сжатой или растянутой на величину x, сила упругости задается формулой:
F = kx (6)
где k — коэффициент жёсткости пружины. Коэффициент жёсткости зависит не только от материала пружины, но также от её формы и размеров. Из формулы (6) следует, что график зависимости силы упругости от (малой) деформации является прямой линией (рис. 1.):
Рисунок 1. Закон Гука.
Коэффициент жёсткости k — это угловой коэффициент в уравнении прямой F = kx. Поэтому справедливо равенство:
k = tgα,
где α — угол наклона данной прямой к оси абсцисс. Это равенство удобно использовать при экспериментальном нахождении величины k. Подчеркнём ещё раз, что закон Гука о линейной зависимости силы упругости от величины деформации справедлив лишь при малых деформациях тела. Когда деформации перестают быть малыми, эта зависимость перестаёт быть линейной и приобретает более сложный вид. Соответственно, прямая линия на рис. 1 — это лишь небольшой начальный участок криволинейного графика, описывающего зависимость F от x при всех значениях деформации x.
Обработка полученных результатов
Для пружинного индикатора ( получить значения в барах ).
1. Пересчитать полученные результат X (пружинного индикатора) в единицы давления по следующей формуле 
(С = 14.3 Н/мм – жесткость пружины, 
– диаметр поршня, dП = 25 мм – диаметр поршня, X – перемещение *полученный результат*).
2. Измеренные точки эксперимента найдем их средние значения.
3. Рассчитаем абсолютную погрешность.
4. Рассчитаем среднею квадратичную погрешность.
5. Найдем значение 
по формуле.
6. Получить значение с его отклонением ( 
).
7. Построить график зависимости давлений, при этом на оси абсцисс отложить истинные значения измеренных точек (1,2,3,4,5), на оси ординат – значение с отклонения результата.
Датчик давления с аналоговым выходом ( получить значения в барах ).
1. Пересчитать полученные результат I и U в единицы давления по следующим формулам: а) 
б) 
2. Измеренные точки эксперимента найдем их средние значения.
3. Рассчитаем абсолютную погрешность.
4. Рассчитаем среднею квадратичную погрешность.
5. Найдем значение по формуле.
6. Получить значение с его отклонением ( ).
7. Построить график зависимости давлений, при этом на оси абсцисс отложить истинные значения измеренных точек (1,2,3,4,5), на оси ординат – значение с отклонением результата.
Датчик давления ДД1 ( перевести значения в бары ).
1. Измеренные точки эксперимента найдем их средние значения.
2. Рассчитаем абсолютную погрешность.
3. Рассчитаем среднею квадратичную погрешность.
4. Найдем значение по формуле.
5. Получить значение с его отклонением ( ).
6. Построить график зависимости давлений, при этом на оси абсцисс отложить истинные значения измеренных точек (1,2,3,4,5), на оси ординат – значение с отклонением результата.
Вопросы выходного контроля
1. Понятие о физических величинах
2. Система единиц физических величин, их виды, классификации.
3. Средства измерений, приборы, виды приборов, понятие о приборах и их применения.
4. Датчики, определение, основные понятие и применение.
5. Электричество, основные понятие, возникновение, заряд, сила тока, ЭДС, напряжение, закон Ома.
6. Деформация, основное понятие, упругость, сила упругости, закон Гука.
Дата добавления: 2021-11-30; просмотров: 57; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!