Зачем нужны в науке измерения доклад

Обновлено: 07.05.2024

Измерения являются одним из основных средств познания природы, ее явлений и законов.

Особенно важную роль играют электрические измерения, так как теоретическая и прикладная электротехника имеет дело с различными электрическими и магнитными величинами и явлениями, которые не воспринимаются непосредственно органами чувств. Поэтому обнаружение присутствия этих величин, количественное их, а так же изучение электрических и магнитных явлений возможно только при помощи электроизмерительных приборов.

Быстро развивающейся областью измерительной техники является измерение электрических величин электрическими приборами и методами. Это объясняется возможностью непрерывного измерения и записью его результатов на расстоянии, высокой точностью, чувствительностью и другими положительными свойствами электрических методов и приборов измерения. В современном производстве соблюдение любого технологического процесса и автоматизация управления обеспечиваются применением измерительной техники и тесно связанной с ней автоматики.

Таким образом, электрические измерения обеспечивают рациональное ведение любых технологических процессов, бесперебойную работу электроустановок и т.п., а следовательно, улучшают технико-экономические показатели работы предприятия.

Начертите структурную схему электронно-лучевого осциллографа и опишите назначение основных его узлов

Канал вертикального отклонения электронно-лучевого осциллографа предназначен для передачи входного напряжения на вертикальные отклоняющиеся пластины. Он включает аттенюатор, обеспечивающий ослабление входного сигнала до уровня получения на экране картинки необходимого размера, линию задержки и усилитель. С выхода усилителя сигнал поступает на вертикальные отклоняющиеся пластины.

Рис. 1 Структурная схема электронно-лучевого осциллографа

Канал горизонтального отклонения (канал развертки) служит для создания и передачи на горизонтально отклоняющие пластины напряжения, вызывающего горизонтальное перемещение луча, пропорционально времени.

Изображение формируется с помощью электронно-лучевой трубки, использующей электростатическое отклонение луча. В ней с помощью электронного прожектора формируется поток электронов в виде тонкого луча, который, достигая люминофора на внутренней поверхности экрана, вызывает его свечение. Отклонение луча по вертикали и горизонтали осуществляется с помощью двух пар пластин, на которые подаются отклоняющие напряжения. Исследуемое напряжение является функцией времени, и поэтому для его наблюдения необходимо, чтобы луч двигался по экрану в горизонтальном направлении пропорционально времени, а его перемещение по вертикали определялось входным исследуемым напряжением. Для движения луча по горизонтали к горизонтальным отклоняющимся пластинам прикладывается напряжение пилообразной формы, что обеспечивает перемещение луча слева направо с постоянной скоростью, быстрый возврат в начало экрана и очередное движение с постоянной скоростью слева направо. Исследуемое напряжение подается на вертикальные отклоняющие пластины, в результате положение луча в момент времени однозначно соответствует значению исследуемого сигнала в данный момент времени.

В осциллографе имеются два канала – канал вертикального (Y) и горизонтального (X) отклонения. Канал вертикального отклонения предназначен для передачи входного напряжения на вертикальные отклоняющие пластины. Он включает аттенюатор, обеспечивающий ослабление входного сигнала до уровня получения на экране картинки необходимого размера, линию задержки и усилитель. С выхода усилителя сигнал поступает на вертикальные отклоняющие пластины. Канал горизонтального отклонения (канал развертки) служит для создания и передачи на горизонтальные отклоняющие пластины напряжения вызывающего горизонтальное перемещение луча, пропорционально времени.

В осциллографах применяются несколько видов развертки, основная из которых образуется с помощью пилообразного напряжения. Чтобы линия развертки не мерцала при наблюдении, луч должен прочерчивать одну и ту же траекторию не менее 25…30 раз в секунду ввиду инерционной способности зрения человека.

Приведите схему и опишите, каким образом определяется место повреждения изоляции кабеля методом петли Муррея

Метод петли из жил кабеля – метод Муррея представляет собой использование схемы одинарного моста.

Для определения места пробоя между жилой и броней или землей концы б-б´ исправной и поврежденной жил кабеля закорачиваются. К двум другим концам а-а´ подключают магазины сопротивлений R и r_А и гальванометр. Зажим, в котором соединены магазины резисторов, через батарею элементов соединен с землей.

Рис. 1 Схема метода петли из жил кабеля – метод Муррея

В результате имеем схему моста, равновесие которой определяется условием:

Определив r_x, зная удельное сопротивление ρ материала жил кабеля и их сечение S, по формуле l_x=r_xS/ρ определяют расстояние от конца кабеля а´ до места повреждения изоляции.

При неизменном сечении жил кабеля r_x и r можно заменить их выражением:

откуда определяется расстояние до места повреждения

Для проверки результата измерения производят второе аналогичное измерение, поменяв концы кабеля а и а´. При этом расстояние до места повреждения определяют по формуле:

где R´ и r´_A – значения сопротивлений плеч моста при втором измерении. Правильность результатов измерений подтверждается равенством l_x + l_y =2l

Определите напряжение на сопротивлении и наибольшую возможную относительную погрешность при его определении если напряжение на зажимах сети равно 220 В, а напряжение на сопротивлении R₁ = 180 В. Для измерения используются вольтметры класса точности 1,0 на 250 В

Из электротехники знаем:

где U₁ – напряжение на сопротивлении R₁, а U₂ – напряжение на сопротивлении R₂

U₂ = U – U₁ = 220 – 180 = 40 В

Наибольшая возможная относительная погрешность

где – относительная погрешность прибора, в нашем случае для класса точности 1,0 = 1,0%;

U_н – номинальное напряжение вольтметра;

U – показание вольтметра.

Измерительный прибор без шунта сопротивлением R_A = 28 Ом имеет шкалу в 50 делений цена деления 0,01 A/дел. Определить цену деления этого прибора и предельную величину измеряемого тока при подключении шунта сопротивлением R_Ш = 0,02 Ом.

где r_И - сопротивление прибора; r_Ш – сопротивление шунта.

Найдем предельную величину измеряемого прибором тока

где W – количество делений прибора; N – цена деления

Найдем предельную величину измеряемого прибором тока при подключении шунта

где I_max – предельная величина измеряемого прибором тока;

р – шунтирующий множитель

Найдем цену деления прибора при подключении шунта

где I′_max – предельная величина измеряемого прибором с шунтом тока; W – количество делений прибора

На щитке счетчика написано: 220В, 5А, 1кВт·ч – 2000 оборотов диска. Вычислить номинальную постоянную счетчика, действительную постоянную, относительную погрешность, поправочный коэффициент, если при проверке счетчика на неизменное напряжение U = 220 В и неизменной величине тока I = 5 А диск сделал N = 37 оборотов за 60 с.

Определим номинальную постоянную счетчика

где W_н – номинальное количество регистрируемой счетчиком энергии за N_н оборотов диска

Определим действительную постоянную счетчика

Определим относительную погрешность счетчика

где k_н – номинальная постоянная счетчика; k – действительная постоянная счетчика, определенная при проверке.

Поправочный коэффициент будет равен

Ответ: Вт·ч/об, Вт·ч/об,

Номинальный ток амперметра 5А, класс точности его 1,5. Определить наибольшую возможную абсолютную погрешность.

Наибольшая возможная абсолютная погрешность:

где γ_д – относительная погрешность амперметра, в нашем случае для класса точности 1,5 γ_д = 1,5%; I_н – номинальный ток амперметра.

Когда я пишу тексты за своим столом, я могу протянуть руку вверх, чтобы включить лампу, или вниз, чтобы открыть ящик стола и достать ручку. Протянув руку вперёд, я касаюсь небольшой и странной на вид статуэтки, которую мне на счастье подарила сестра. Потянувшись назад, я могу похлопать чёрную кошку, крадущуюся у меня за спиной. Справа лежат заметки, сделанные во время исследований для статьи, слева — куча вещей, которые необходимо сделать (счета и корреспонденция). Вверх, вниз, вперёд, назад, вправо, влево — я управляю самим собой в моём личном космосе трёхмерного пространства. Невидимые оси этого мира налагает на меня прямоугольная структура моего кабинета, определяемая, как и большая часть западной архитектуры, тремя составленными вместе прямыми углами.

Чтобы прийти к современному математическому пониманию пространства, сначала необходимо подумать о нём как о некоей арене, которую может занимать материя. По меньшей мере, пространство необходимо представить себе, как нечто протяжённое. Такая идея, пусть и очевидная для нас, показалась бы еретической Аристотелю, чьи концепции представления физического мира преобладали в западном мышлении в поздней античности и в средневековье.

Строго говоря, аристотелева физика включала в себя не теорию пространства, а лишь концепцию места. Рассмотрим чашку чаю, стоящую на столе. Для Аристотеля чашка была окружённой воздухом, самим по себе представлявшим некую субстанцию. В его картине мира не было такой вещи, как пустое пространство — были только границы между веществами — чашкой и воздухом. Или столом. Для Аристотеля пространство, если вы хотите его так называть, было лишь бесконечно тонкой гранью между чашкой и тем, что её окружает. Баз протяжённости пространство не было чем-то таким, внутри чего может быть что-то другое.

Иллюзорное евклидово пространство перспективного изображения, постепенно откладывавшееся в сознании европейцев, было принято Декартом и Галилеем, как пространство реального мира. Стоит отметить, что сам Галилей имел опыт обращения с перспективой. Его способность изображения глубины стала критически важной в его прорывных изображениях Луны, на которых были показаны горы и долины, и которые говорили о том, что Луна состоит из такого же твёрдого материала, что и Земля.

Приняв пространство перспективных изображений, Галилей смог показать, как такие объекты, как пушечные ядра, движутся согласно законам математики. Пространство само по себе было абстракцией: непримечательной, инертной, неосязаемой пустотой, чьим единственным известным свойством была евклидова форма. К концу XVII века Исаак Ньютон расширил видение Галилея, чтобы объять всю Вселенную целиком, и сейчас эта идея превратилась в потенциально бесконечный трёхмерный вакуум — протяжённую, лишённую особенностей пустоту, вечно длящуюся во всех направлениях. Структура реальности таким образом превратилась из философского и теологического вопроса в геометрическое предложение.

Пока художники использовали математические инструменты для выработки новых способов создания изображений, Декарт на заре научной революции открыл способ создания изображений математических взаимосвязей. В процессе он формализовал концепцию измерения и ввёл в наше сознание не только новый способ смотреть на мир, но и новый метод заниматься наукой.

Сегодня практически все признают плоды гения Декарта в виде прямоугольной системы координат — решётки на плоскости, размеченной осями x и у.

По определению, плоскость декартовых координаты — двумерная, поскольку для определения любой точки на ней нам требуется две координаты. Декарт обнаружил, что на такой платформе можно связывать геометрические формы и уравнения. Таким способом круг радиуса 1 можно описать в виде уравнения x 2 + y 2 = 1

На примере последней диаграммы легко видеть, как можно добавить третье измерение. При помощи осей x, y и z мы можем описать поверхность сферы — к примеру, поверхность пляжного меча. Уравнение для сферы радиуса 1 приобретает вид x 2 + y 2 + z 2 = 1

При помощи трёх осей можно описывать формы в трёхмерном пространстве. Опять-таки, каждая точка уникальным образом определяется тремя координатами — это необходимое условие тройственности, делающее пространство трёхмерным.

И я могу продолжать заниматься этим и далее, добавляя дополнительные измерения. Сферу в пятимерном пространстве с осями (x, y, z, p, q) я могу определить уравнением: x 2 + y 2 + z 2 + p 2 + q 2 = 1. А в шестимерном: x 2 + y 2 + z 2 + p 2 + q 2 + r 2 = 1, и так далее.

В отличие от математиков, свободно играющих на полях идей, физики привязаны к природе, и, по крайней мере, в принципе, зависят от материальных вещей. Но все эти идеи приводят нас к освобождающей возможности — ведь если математика допускает количество измерений больше трёх, и мы считаем, что математика оказывается полезной для описания мира, откуда нам знать, что физическое пространство ограничено тремя измерениями? Хотя Галилей, Ньютон и Кант принимали длину, ширину и высоту как аксиомы, не может ли в нашем мире существовать больше измерений?

Опять-таки, идея Вселенной с количеством измерений больше трёх проникла в сознание общества через художественную среду, на этот раз — через литературные рассуждения, наиболее известной из которых служит работа математика Эдвина Эбботта Эбботта "Флатландия" (1884). Это очаровательная социальная сатира рассказывает историю скромного Квадрата, живущего на плоскости, к которому однажды в гости приходит трёхмерное существо лорд Сфера, выводящее его в великолепный мир трёхмерных тел. В этом рае объёмов Квадрат наблюдает за его трёхмерной версией, Кубом, и начинает мечтать о переходе в четвёртое, пятое и шестое измерение. Почему не гиперкуб? Или не гипер-гиперкуб, думает он?

К сожалению, в Флатландии Квадрата причисляют к лунатикам и запирают в сумасшедший дом. Одной из моралей истории, в отличие от более слащавых её экранизаций и адаптаций, является опасность, таящаяся в игнорировании социальных устоев. Квадрат, рассказывая о других измерениях пространства, рассказывает и о других изменениях бытия — он становится математическим чудаком.

В картине мира Ньютона материя движется через пространство во времени под влиянием естественных сил, в частности, гравитации. Пространство, время, материя и силы — различные категории реальности. С СТО Эйнштейн демонстрировал объединение пространства и времени, уменьшая количество фундаментальных физических категорий с четырёх до трёх: пространства-времени, материи и сил. ОТО делает следующий шаг, вплетая гравитацию в структуру самого пространства-времени. С четырёхмерной точки зрения, гравитация — всего лишь артефакт формы пространства.

Чтобы осознать эту примечательную ситуацию, представим её двумерный аналог. Представьте себе батут, нарисованный на поверхности декартовой плоскости. Теперь разместим на решётке шар для боулинга. Вокруг него поверхность натянется и исказится так, что некоторые точки отдалятся друг от друга сильнее. Мы исказили внутреннюю меру расстояния в пространстве, сделали её неровной. ОТО говорит, что именно такому искажению тяжёлые объекты, такие, как Солнце, подвергают пространство-время, и отклонение от декартового совершенства пространства приводит к появлению явления, которое мы ощущаем, как гравитацию.

Математика волшебным образом сходится, но в данном случае проблемой стало то, что дополнительное измерение никак не коррелировало с каким-либо определённым физическим свойством. В ОТО четвёртым измерением было время; в теории Калуцы оно не было чем-либо, что можно увидеть, почувствовать или на что можно указать: оно просто было в математике. Даже Эйнштейн разочаровался в такой эфемерной инновации. Что это? — спрашивал он; где оно?

В 1926 году шведский физик Оскар Клейн дал на этот вопрос ответ, очень похожий на отрывок из произведения о Стране чудес. Он предложил представить себе муравья, живущего на очень длинной и тонкой секции шланга. По шлангу можно бегать вперёд и назад, даже не замечая крохотного кругового изменения под ногами. Это измерение смогут увидеть только муравьиные физики при помощи мощных муравьиных микроскопов. Согласно Клейну, каждая точка нашего четырёхмерного пространства-времени обладает небольшим дополнительным кружком в пространстве подобного рода, который слишком мал для того, чтобы мы его видели. Поскольку он во много раз меньше атома, неудивительно, что мы его пока не нашли. Только физики с очень мощными ускорителями частиц могут надеяться добраться до такой крохотной шкалы.

Когда физики отошли от первоначального шока, идея Клейна их покорила, и в течение 1940-х эта теория была разработана в больших математических подробностях и перенесена в квантовый контекст. К несчастью, бесконечно малая шкала нового измерения не даёт представить, как его существование можно подтвердить экспериментально. Клейн подсчитал, что диаметр крохотного кружка составляет примерно 10 -30 см. Для сравнения, диаметр атома водорода равен 10 -8 см, поэтому мы говорим о чём-то, на 20 порядков меньшем, чем самый мелкий из атомов. Даже сегодня мы вовсе не приблизились к тому, чтобы суметь разглядеть что-то на такой миниатюрной шкале. Так эта идея вышла из моды.

Калуцу же так просто было не напугать. Он верил в своё пятое измерение и в мощь математической теории, поэтому он решил провести собственный эксперимент. Он выбрал такую тему, как плавание. Он не умел плавать, поэтому он прочёл всё, что нашёл, по теории плавания, и когда решил, что достаточно полно овладел принципами поведения на воде, поехал с семьёй к морю, бросился в волны, и внезапно поплыл. С его точки зрения эксперимент по плаванию подтверждал правдивость его теории, и, хотя он не дожил до триумфа своего любимого пятого измерения, в 1960-х специалисты по теории струн возродили идею пространства с высшими измерениями.

К 1960-м физики открыли две дополнительных силы природы, работающие на субатомном масштабе. Их назвали слабым ядерным взаимодействием и сильным ядерным взаимодействием, и они отвечают за некоторые типы радиоактивности и за удержание кварков, формирующих протоны и нейтроны, из которых состоят атомные ядра. В концце 1960-х физики начали изучать новую тему теории струн (утверждающей, что частицы похожи на крохотные резиновые полоски, вибрирующие в пространстве), и идеи Калуцы и Клейна вновь вышли на поверхность. Теоретики начали постепенно приходить к мысли, нельзя ли описать две субатомные силы в терминах геометрии пространства-времени.

Физики и математики прилагают огромные усилия к тому, чтобы понять все возможные формы, которые способно принять это миниатюрное пространство, и какие, если вообще какие-то из множества этих альтернатив, реализуются в реальном мире. Технически эти формы известны как многообразия Калаби-Яу, и они могут существовать в любом количестве высших измерений. Эти экзотические и сложные существа, эти необычайные формы, составляют абстрактную систематику в многомерном пространстве; их двумерное сечение (лучшее, что мы можем сделать для визуализации их внешнего вида) напоминает кристаллические структуры вирусов; они кажутся почти живыми.

Пока что у нас нет никаких свидетельств этих дополнительных измерений — мы всё ещё находимся в состоянии плавающих физиков, мечтающих о недоступных миниатюрных ландшафтах — но теория струн оказала мощное влияние на саму математику. Недавно разработки версии этой теории, имеющей 24 измерения, показали наличие неожиданной взаимосвязи между несколькими основными ответвлениями математики, что означает, что даже если теория струн не пригодится в физике, она станет полезным источником чисто теоретических идей. В математике 24-мерное пространство особенное — там происходят волшебные вещи, к примеру, возможно упаковать сферы особенно элегантным образом — хотя маловероятно, что в реальном мире 24 измерения. Касательно мира, в котором мы живём и который мы любим, большинство специалистов по теории струн считают, что 10 или 11 измерений будет достаточно.

Проект понимания геометрической структуры пространства — одно из характерных достижений науки, но может получиться так, что физики достигли конца этого пути. Оказывается, что Аристотель в каком-то смысле был прав — у идеи протяжённого пространства и правда есть логические проблемы. Несмотря на все необычайные успехи теории относительности, мы знаем, что её описание пространства не может быть итоговым, поскольку оно отказывает на квантовом уровне. За последние полвека физики безуспешно пытались объединить их понимание пространства на космологическом масштабе с тем, что они наблюдают на квантовом масштабе, и всё больше кажется, что такой синтез может потребовать радикально новой физики.

Воспитательная: прививать культуру умственного труда, аккуратность, учить видеть практическую пользу знаний, продолжить формирование коммуникативных умений, воспитывать внимательность, наблюдательность.

Тип урока: обобщение и систематизация знаний

1 . Меры длины.

Система древнерусских мер длины включала в себя следующие основные меры: версту, сажень, дюйм, локоть и пядь. 1 Аршин = 0,712 м, 1 Пядь = 0,19 м.

Задача № 1. Купец привез своим трем дочерям на сарафаны тюк выбойки (бумажная или льняная ткань с отпечатанными на ней узорами в одну краску), в котором было 7 аршинов материи. Если на сарафан первой дочери надо 2 аршина и 3 пяди, второй дочери 2 аршина и 2 пяди, третьей дочери 1 аршин и 1 пядь. Хватит ли выбойки на сарафаны всем дочерям?

Задача № 2. Канат длиной 11 аршин матросы разрезали на 2 части так, что в одной из них оказалось столько вершков, столько в другой дюймов. Какой длины меньший кусок?

Задача № 3. Борода у человека растет, удлиняясь в неделю 1/5 дюйма. Предположим, что борода растет с постоянной скоростью на протяжении всей жизни. Какой длины достигла бы борода у мужчины, который не брился 30 лет?

2. Меры объема.

Система древнерусских мер объема включала в себя следующие основные меры: кадь, половник, четверть, осмин, бочка, ведро.

Задача № 1. Атаман велел к приходу войска сварить сбитень. В большой котел выли 2 ведра меда, 68 ведер воды, 13 ведер давленой малины, ведро хмеля. Сколько бочек напитка получится? Решение: 1 бочка = 40 ведер

3. Меры площади

Система древнерусских мер длины включала в себя следующие основные меры: соха, выть, четверть, десятина.

Задача № 1. На мельнице имеется три жернова. На первом из них за сутки можно смолоть 60 четвертей зерна, на втором 54 четверти, а на третьем 48 четвертей. Некто хочет смолоть 81 четверть зерна за наименьшее время на этих трех жерновах. За какое наименьшее время можно смолоть зерно и сколько для этого на каждый жернов надо зерна насыпать?

Решение: Ясно, что все три жернова должны работать одинаковое время, потому что простой любого из них увеличивает время помола зерна. За сутки все три жернова могут смолоть 60+54+48=162 четверти зерна, тогда 81 четверть зерна они смелют за 0,5 суток, т.е. за 12 часов. За это время на первом жернове можно смолоть 30 четвертей зерна, на втором 27 четвертей, а на третьем 24 четверти зерна.

Ответ: за 12 часов,30, 37, 24 четверти зерна.

4. Меры веса

Система древнерусских мер веса включала в себя следующие основные меры: гривна, золотник , почка , пирог ,берковец , пуд ,ласт четверть вощаная батман , фунт и др.

Задача №1. Крестьянину нужно заплатить оброк за свою семью из 12 человек. За каждого нужно отдать 30 фунтов зерна. Сможет ли он увести оброк верхом на лошади, если сам весит 5 пудов, а лошадь поднимает 15 пудов? [9]

Читайте также: