Введение. Методы измерения в механике

Методы измерения в механике

Процесс научного познания можно схематически представить состоящим из трех последовательных ступеней:

1. Восприятие или наблюдение – первичное изучение физических процессов в их разнообразных конкретных проявлениях.

2. Обобщение наблюдений, т.е. выделение характерных особенностей процессов одного типа, установление связей между ними и создание гипотез, предположительно объясняющих эти связи.

3. Проверка истинности гипотезы на практике или в эксперименте – моделирование реальных условий процесса, соответствующих принятым при построении гипотезы обобщениям и предположениям.

Если при этом хотя бы один эксперимент противоречит гипотезе, она отбрасывается или перерабатывается. Подтверждение гипотезы всеми возможными экспериментами превращают гипотезу в теорию, а установленные ею связи в законы.

На разных этапах развития физики ведущее значение придавалось различным ступеням познания. На современном этапе, начиная приблизительно с времен Галилея, ведущая роль принадлежит третьей ступени – проверке гипотез в ходе физических экспериментов. Это вовсе не означает, что эксперимент является единственной основой науки.

Любой эксперимент, ставится в рамках существующих гипотез и имеет для науки такое же значение как и проверяемые им гипотезы. Поэтому с отменой гипотезы отпадает и надобность в результатах соответствующего эксперимента. Однако, накопленный в ходе эксперимента опыт проведения измерений сохраняется и используется в дальнейших экспериментах. В этом смысле методика измерений и экспериментальная физика представляет собой единый непрерывно развивающийся процесс, в котором одинаково важно знать и современные и давно не применяющиеся методы измерений.

Физики давно уже поняли, что гипотезы и теории, а также законы удобно формулировать в виде математических соотношений. В таком виде они наиболее удобны и универсальны в различных применениях. Соответственно, измерения проводятся таким образом, чтобы их результаты можно было представить в виде ряда чисел. Поэтому необходимыми условиями проведения измерения является наличие эталона измеряемой величины и измерительного прибора или прибора сравнения, а само измерение по сути дела заключается в том, чтобы установить во сколько раз измеряемая величина больше или меньше соответствующего эталона.

В зависимости от способа сравнения измерения могут быть прямыми или косвенными. При прямых измерениях эталон бывает непосредственно связан с прибором сравнения. Простейшим примером прямого измерения является измерение длины. В этом случае, как правило, масштабная линейка, представляющая собой вторичный эталон длины, непосредственно прикладывается к измеряемому телу. Первичным эталоном длины является эталон метра, хранящийся в Парижской Палате мер и весов, либо длина волны излучения соответствующего переходу между уровнями 2 р₁₀ и 5 d₅ атома криптона – 86. Очевидно, что использование первичных эталонов в каждом измерении невозможно.

Эталон может быть использован непосредственно в ходе измерения, либо для предварительной градуировки измерительного прибора. Например, при взвешивании на пружинных весах предварительно с помощью эталона делается градуировка шкалы весов, а затем измерения проводятся с уже проградуированной шкалой.

Прибор сравнения может быть различной сложности. Например, при измерении длины прибор сравнения – просто две риски, ограничивающие измеряемую длину и устройство, перемещающее между ними эталон. В электроизмерительных приборах используются уже более сложные системы, преобразующие измеряемую величину в другую, которая уже непосредственно измеряется. Широкое распространение в приборах сравнения получили различные вычислительные устройства. Например, измерение энергии заряженных частиц осуществляется с помощью сложных вычислительных машин. Непосредственные измерения с использованием органов чувств человека в этом случае просто невозможны.

Во многих случаях измерения не могут быть проведены непосредственно, либо из-за отсутствия соответствующих эталонов, либо из-за отсутствия прибора сравнения. Например, можно создать эталон скорости, но невозможно создать прибор, позволявший бы сравнивать измеряемую скорость с эталоном. В этих случаях приходится применить расчет измеряемой величины по измеренным величинам, функционально связанным с измеряемой. Например, скорость мы обычно измеряем, отдельно измеряя расстояние и время. Такие измерения получили название косвенных измерений.