Эталон единицы массы реферат
Обновлено: 04.07.2024
Старейшая на сегодняшний день материальная единица измерения - эталон массы. Международное определение идеального килограмма не меняется с 1875 года. Килограмм определили как вес одного кубического дециметра воды при наибольшей ее плотности, при температуре 4 градуса. В России копия идеального килограмма хранится в Петербургском научно-исследовательском институте метрологии им. Д.И.Менделеева.
Кубический дециметр воды из парижской реки Сена увековечили в платиноиридиевом прототипе. Чистая платина не окисляется и имеет большую плотность и твердость. Но платина не идеальный металл, слишком чувствительно реагирует на изменения температуры. Проблему решило добавление иридия. 90% платины и 10% иридия стали совершенным материалом для хранения весовой гири в 19 веке. Как ни странно, этот прототип до сих пор служит всеобщим эталоном веса. Хотя его точность не столь высока как у других более современных эталонов. Если единица времени воспроизводится с погрешностью несколько единиц 16-го знака, то, скажем, величины типа электрические, тот же килограмм, те же тепловые величины, это что-нибудь типа девятый, восьмой знак. То есть отличие 6-7 порядков, то есть десятки миллионов раз. Килограмм - самый проблемный эталон в мире. Несмотря на аккуратность при хранении, сверхпрочная гиря постепенно меняется в весе.
За последние 100 лет относительно международного эталона, международного прототипа, который хранится в Париже, российский эталон килограмма изменился на 30 микрограмм. С поверхности металла происходит испарение, механический износ, на металл осаждаются атомы кислорода, водорода, тяжелых металлов. Пока мы используем этот прототип, этого не избежать. Чем грозит отклонение от эталона веса на 30 микрограммов? Что такое один микрограмм? Тысячная доля миллиграмма или миллионная доля грамма? 500 микрограммов обычных яблок - это 1 кубический миллиметр. В сфере бытовой торговли таких изменений никто не заметит. Другое дело - фармацевтика. Если ошибка при изготовлении лекарства будет на один миллиграмм, последствия могут быть очень трагичными. Ученые всего мира работают над созданием обновленного эталона массы - шара из сверхчистого кремния. Кремний имеет идеальную кристаллическую решетку. С помощью силовых микроскопов метрологи определят точное количество атомов в одном килограмме кремния.
Эталоны времени.
Уже сейчас современный человек ежеминутно сталкивается с работой сложнейших метрологических устройств, даже не подозревая об этом. Например, мобильная связь, мобильный телефон. . Кто задумывался, почему оно работает? Кнопочку нажал - работает. Для того чтобы мобильная связь работала, вот эти станции сотовые, вот эти вышки, которые люди все видят, должны быть жестко синхронизованы межу собой, то есть увязаны по времени. И эта увязка по времени для обеспечения работоспособности мобильной связи, это миллионные доли секунды.
Люди измеряли время по обращению небесных светил до середины 20 века. Но такой способ оказался далеко не идеальным. Земля потихоньку замедляется в своем вращении. Более того она вращается не совсем равномерно. То есть, грубо говоря, то побыстрее, то помедленнее. Перед метрологией встал вопрос: как вычислить и сохранить точный интервал времени? В 1967 году был создан новый эталон.
Это 9 млрд. 192 млн. 631 тысяча 770 периодов излучения атома цезия 133 в основном состоянии. Когда столько периодов излучения отсчитают, это и есть одна секунда. И есть устройства, конкретные приборы, физические установки, которые это реализуют. Почему цезий? Он наиболее нечувствителен к внешним воздействиям. В России главный эталон времени хранится в подмосковном научно-исследовательской институте физико-технических и радиотехнических измерений. За определение точного времени отвечает сложнейший комплекс приборов - хранителей и частоты, и шкал времени. Российский эталон времени входит в группу лучших мировых эталонов. Его относительная погрешность не более 1 секунды за полмиллиона лет.
Только изобретение атомных эталонов времени часов позволило создать сложнейшие системы навигации: GPS и Глонасс. Для того чтобы передвижение на дороге было удобным, система должна определить положение машины в пределах одного метра. Метр для спутника - это 3 миллиардные доли секунды. С такой невероятной скоростью идет обновление информации о передвижении автомобиля. При помощи сигналов спутников метрологи всего мира обмениваются данными о точном времени. Установки фиксируют разность показания часов лабораторий и спутника. Затем данные всех лабораторий сличаются специальной программой. В результате получается синхронизированное международное атомное время. Подмосковный спутниковый комплекс осуществляет передачу данных в космос с погрешностью всего в одну наносекунду, то есть в одну миллиардную часть секунды обычной.
История разработки эталонов физических величин системы СИ. Основные, дополнительные и производные физические величины в Международной системе единиц CИ (SI-Sistem International d`Unites) и СГС, связь между ними. Фундаментальные физические константы.
| Рубрика | Физика и энергетика |
| Вид | реферат |
| Язык | русский |
| Дата добавления | 25.03.2016 |
| Размер файла | 362,2 K |
Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.
Эталоны основных физических величин
Размеры физических величин, взятых за основу, определяют величины всех последующих производных единиц системы, получаемых с использованием функциональной зависимости этих величин от основных. Поэтому особое внимание уделяется точности измерений основных величин. Для этого на каждом этапе развития науки и техники создается эталон, т.е. такая мера, которая служит образом для сравнения с другими. Для этого существует специальный и довольно сложный раздел метрология, который определяет весь набор физических констант с учетом всех параметров для их определения. Поэтому в 1875 году было создано Международное бюро мер и весов, которое раз в шесть лет собирает Генеральные конференции, где тщательнейшим образом оговариваются все технические условия, в которых происходят физические измерения, а именно учитываются: давление, температура, место, приборы.
Перечислим эталоны основных физических величин системы СИ в исторической последовательности, приведенной в таблице для основных единиц системы СИ.
1) метр (от французского metre, от греческого metron - мера) - основная единица длины в Международной системе единиц (СИ). Обозначения: русское - м, международное - m. Символ - L.
В этом определении используются 2 преимущества: 1. длина волны этой линии имеет стабильную ширину; 2. эта ширина наиболее узкая. Воспроизведение метра осуществляется криптоновым эталоном единицы длины.
Кратные и дольные единицы измерения длины, установленные СИ рекомендованы: 1км=103м; 1см=10-2м; 1мм=10-3м; 1мкм=10-6м.
2) килограмм (кило… - от французского kilo, от греческого chiliоi - тысяча). Дословно килограмм означает тысяча мелких мер весов. Это вторая основная единица в СИ - единица измерения массы вещества - является мерой его инертности и гравитации. Обозначения: кг - русское, kg - международное, символ - М. 1 кг равен массе международного эталона, который хранится в Международном бюро мер и весов.
В 1583 году Галилей стал время периодических колебаний люстры в Пизанском соборе сравнивать с числом ударов своего пульса. На основании этого он предложил Генеральным Штатам Нидерландов свое изобретение на основе колебания люстры - маятниковые часы, точность хода которых могли быть выше. Очередным шагом в повышении точности измерения времени стало создание в 1910 году английским конструктором Шортом точных астрономических часов, которые с течением времени усовершенствовались.
Кварцевые часы, построенные с использованием колебательного процесса в квантовых генераторах давали погрешность 1,0*10-5 с.
В 1955 году 9 Ассамблея Международного астрономического союза предложила секунду связать с тропическим годом, который считается, как промежуток времени между двумя последовательными прохождениями Солнца через точку весеннего равноденствия. Однако продолжительность тропического года в действительности, хотя медленно (на 0,5 с в столетие), но меняется из-за прецессии земной оси и других возмущений.
Исходя из этой рекомендации, 11 Генеральная конференция по мерам и весам в 1960 году приняла следующее определение секунды: «Секунда - тропического года для 1900 года января 0 в 12 часов эфемероидного времени. Размер секунды равен средней продолжительности секунды за последние 300 лет. Это определение было связано с естественным эталоном времени. Относительная погрешность определения, таким образом, времени составила 10-7.
С течением времени ученые убедились, что единицу времени, так же, как единицу длины, лучше всего определять на основе спектроскопического излучения.
Для повышения точности исследования ученых привели к созданию атомных часов. На основании всестороннего изучения атомных часов 13 Генеральная конференция по мерам и весам в октябре 1967 года решила заменить эталон времени, основанный на астрономических наблюдениях, атомным эталоном времени, формулировка которого приведены выше. Воспроизвести размер секунды можно с точностью до 10-11 в цезиевом эталоне частоты.
Не лучше обстоит дело с эталоном секунды, связанного с естественными физическими процессами обращения Земли вокруг Солнца. При изменении орбиты Земли в связи со столкновениями с каким-нибудь космическим телом неизбежно меняется продолжительность секунды. Чего нельзя сказать об атомном стандарте секунды, который не меняется в силу особой устойчивости и неизменности атомных законов, на основании которых установлены эти эталоны.
С появлением лазеров и создания на их основе эталона времени - частоты - длины, нам дается возможность определить секунду с относительной погрешностью не более 10-12.
Разрешается использовать кратные и дольные единицы секунды: 1кс= 103с; 1мс=10-3с; 1мкс= 10-6с.
Действительно, невозможно представить себе, как понимать эти микро и макроскопические расстояния, массы и времени.
4) ампер (по имени французского физика А.М. Ампера (Ampere)) - сила электрического тока, четвертая основная единица в системе СИ, применяемая для измерения электрических и магнитных физических величин. Обозначения: русское - А, международное - А. Символ - I.
Успехи в области измерений электрических величин и дальнейший технический и научный прогресс привели к необходимости отказа от такого эталона, связанного с не очень точной воспроизводимостью. Осенью 1935 года члены Консультативного Комитета по электричеству по предложению Сирса приняли эталон, исходя из закона Ампера о взаимодействии параллельно расположенных двух проводников с током
где =410-7 - магнитная постоянная; I1 и I2 - силы тока в проводниках; - длина проводника; - расстояние между двумя параллельными проводниками.
Эталоном ампера являются токовые весы, которые воспроизводят значение силы тока с довольно высокой точностью. Относительная погрешность воспроизведения единицы силы тока государственным первичным эталоном не превышает 10-5 .
5) кельвин - термодинамическая температура является пятой физической величиной, относящейся к основным. Обозначение: русское и международное - К. Символ: .
Первые термометры в качестве рабочего термометрического тела использовали воздух, жидкость (спирт, ртуть), используя свойство расширяться при нагревании и уменьшать объем при охлаждении. Реперные (от слова reper - по-французски - метка) точки выбирались по-разному. В 1665 году Гюйгенс предложил реперные точки связать с водой, с её способностью менять фазу (замерзать и кипеть). В разное время появились шкалы Д. Фаренгейта (1724г.), А. Цельсия (1742г.), Ранкена, Реомюра (1730г.). В шкале Цельсия за начало отсчета (0 0С) принята температура таяния льда (затвердевания воды), а за (100 0С) температура кипения воды (хотя сначала было наоборот). 10С равен одной сотой () части этого интервала между кипением и затвердеванием воды. (10С=0,80R Реомюра; 10С=1,80 F по Фаренгейту). Приведем соотношения для перевода температуры из одной шкалы в другую n0C=0,8n 0R=(1,8n+32) 0F.
Где - количество теплоты, полученной от нагревателя при температуре Т1, - количество теплоты, отданной холодильнику при температуре Т2. Здесь отношения и не зависят от свойств термометрического вещества. Температурная шкала такого типа носит название термодинамической температурной шкалы.
В качестве второй реперной точки выбрана точка абсолютного нуля. Соотношение между температурами шкалами Цельсия и термодинамической определяется:
Т К= t 0C+273,160С; nK=n 0C.
nK=1,8 n 0Ra - температурная шкала Ранкина.
Здесь точка таяния льда соответствует 491, 67 0Ra, а точка кипения воды - 671,67 0Ra.
Эталон единицы массы
В 1872 г. решением Международной комиссии по эталонам метрической системы за единицу массы была принята масса прототипа килограмма, хранящегося в Национальном архиве Франции. Этот прототип представляет собой платиновую цилиндрическую гирю высотой и диаметром 39 мм. Прототипы килограмма для практического использования были изготовлены из платиноиридиевого сплава. За международный прототип килограмма была принята платиноиридиевая гиря, наиболее близкая к массе платинового килограмма Архива. Следует отметить, что масса международного прототипа килограмма несколько отличается от массы кубического дециметра воды. В результате объем 1 литра воды и 1 кубического дециметра не равны друг другу (1л = 1,000028 дм 3 ). В 1964 г. XII Генеральная конференция по мерам и весам решила приравнять 1 л к 1 дм 3 .
Международный прототип килограмма был утвержден на I Генеральной конференции по метрам и весам в 1889 г. как прототип единицы массы, хотя в тот период еще не существовало четкого разграничения понятий массы и веса и поэтому часто эталон массы называли эталоном веса.
По решению I Конференции по мерам и весам из 42 изготовленных прототипов килограмма России были переданы платиноиридиевые прототипы килограмма № 12 и № 26. прототип килограмма № 12 был утвержден в 1899 г. в качестве государственного эталона массы факультативно (фунт должен был периодически сличаться с килограммом), а прототип № 26 использоваться в качестве вторичного эталона.
В состав эталона входят:
копия международного прототипа килограмма (№12), представляющая собой платиноиридиевую гирю в виде прямого цилиндра с закругленными ребрами диаметром и высотой 39 мм. Прототип килограмма храниться в ВНИИМ им. Д. М. Менделеева (г. Санкт-Петербург) на кварцевой подставке под двумя стеклянными колпаками в стальном сейфе. Эталон храниться при поддержание температуры воздуха в пределах (20 ±3) °С и относительной влажности 65%. С целью сохранения эталона с ним сличают два вторичных эталона раз в 10 лет. Они и используются для дальнейшей передачи размера килограмма. При сличении с международным эталоном килограмма отечественной платиноиридиевой гире приписано значение 1,0000000877 кг;
Погрешность воспроизведения килограмма, выраженная средним квадратическим отклонением результата измерений 2 . 10 -9 . Удивительная долговечность эталона единицы массы в виде платиноиридиевой гире не связана с тем, что в свое время был найден наименее уязвимый способ воспроизведения килограмма. Отнюдь нет. Уже несколько десятилетий тому назад требования к точности измерений массы превзошли возможности их реализации с помощью действующих эталонов единицы массы. Длительное время продолжаются исследования по воспроизведению массы с помощью известных фундаментальных физических констант масс различных атомных частиц (протон, электрон, нейтрон и др.). Однако реальная погрешность воспроизведения больших масс (например, килограмма), привязанных, в частности, к массе покоя нейтрона, пока что существенно больше, чем погрешность воспроизведения килограмма с помощью платиноиридиевой гире. Масса покоя единичной частицы – нейрона составляет 1,6949286 (10)х10 -27 кг и определяется со средним квадратическим отклонением 0,59 . 10 -6 .
Для обеспечения единства измерений необходима тождественность единиц, в которых должны быть проградуированы все существующие средства измерений одной и той же физической величины.
Это достигается путем точного воспроизведения и хранения в специализированных учреждениях установленных единиц физических величин и передачи их размеров применяемым средствам измерения с помощью эталонов.
Эталон — это высокоточная мера, предназначенная для воспроизведения и хранения единицы величины с целью передачи ее размера другим средствам измерений. От эталона единица величины передается разрядным эталонам, а от них — рабочим средствам измерений.
Эталон должен обладать взаимосвязанными свойствами: воспроизводимостью, неизменностью и сличаемостью.
Воспроизводимость — возможность воспроизведения единицы физической величины (на основе ее теоретического определения) с наименьшей погрешностью для существующего уровня развития измерительной техники. Это достигается постоянным исследованием эталона в целях определения систематических погрешностей и их исключения путем введения соответствующих поправок.
Сличаемость — возможность обеспечения сличения нижестоящих по поверочной схеме, в первую очередь вторичных эталонов, с наивысшей точностью для существующего уровня развития техники измерения. Это свойство предполагает, что эталоны по своему устройству и действию не вносят каких-либо искажений в результаты сличений и сами не претерпевают изменений при проведении сличения
Эталоны классифицируют на первичные, вторичные и рабочие.
Первичный эталон — это эталон, воспроизводящий единицу физической величины с наивысшей точностью, возможной в данной области измерений на современном уровне научно-технических достижений. Первичный эталон может быть национальным (государственным) и международным.
Национальный эталон утверждается в качестве исходного средства измерения для страны национальным органом по метрологии. В России национальные (государственные) эталоны утверждает Госстандарт РФ.
Единицы физической величины
Цель реферата – рассмотреть эталоны единиц физических величин. Важной задачей метрологии является создание эталонов физических величин, привязанных к физическим константам и имеющих диапазоны, необходимые . можно выделить три вида физических величин, измерение которых осуществляется по различным правилам. К первому виду физических величин относятся величины, на множестве размеров которых определены .
Международные эталоны хранит и поддерживает Международное бюро мер н весов (МБМВ).
Важнейшая задача деятельности МБМВ состоит в систематических международных сличениях национальных эталонов крупнейших метрологических лабораторий разных стран с международными эталонами, а также и между собой, что необходимо для обеспечения достоверности, точности и единства измерений как одного из условий международных экономических связей. Сличению подлежат как эталоны основных величин системы СИ, так и производных. Установлены определенные периоды сличения. Например, эталоны метра и килограмма сличают каждые 25 лет, а электрические и световые эталоны — один раз в 3 года.
Вторичные эталоны по своему метрологическому назначению подразделяются на эталоны-копии, эталоны сравнения и эталоны-свидетели.
Эталон-копия — предназначен для передачи размера единицы рабочим эталонам. Эталон-копия представляет собой копию государственного эталона только по метрологическому назначению, поэтому он всегда является его физической копией.
Эталон сравнения — применяется для сличения эталонов, которые по тем или иным причинам не могут быть непосредственно сличаемы друг с другом.
Эталон-свидетель — предназначен для проверки сохранности и неизменности государственного эталона и замены его в случае порчи или утраты.
Рабочий эталон — применяется для передачи размера единицы от эталона-копии образцовым средствам измерения и в отдельных случаях — наиболее точным рабочим средствам измерений.
Эталонная база России имеет около 120 государственных эталонов и более 250 вторичных эталонов единиц физических величин, размещенных в ведущих метрологических научно-исследовательских институтах страны.
В области механики в стране созданы и используются 38 государственных эталонов, в том числе первичные эталоны метра, килограмма и секунды, точность которых имеет чрезвычайно большое значение, поскольку эти единицы участвуют в образовании производных единиц всех научных направлений.
Международная система единиц СИ
. расстояние, которое тело проходит в единицу времени; соответственно, единица измерения скорости м/с (метр в секунду). метрический эталон длина Часто одна и та же единица может быть записана по-разному, с . помощью разного набора основных и производных единиц. .
Остальные 30 эталонов были переданы разным государствам. Россия получила № 28 и № 11, причем в качестве государственного был принят эталон № 28.
Однако в космический век и эта точность оказалась недостаточной, а новейшие достижения науки позволили в 1983 г. на XVII Генеральной конференции мер и весов принять новое определение метра как длины пути, проходимого светом за 1/299792458 доли секунды в условиях вакуума. Следует отметить, что на этой же конференции было объявлено точно определяемое современной наукой значение скорости света.
По решению I Генеральной конференции по мерам и весам России из 42 экземпляров прототипов килограмма были переданы № 12 и № 26, причем № 12 утвержден в качестве государственного эталона массы (см. рис. 28.1).
Прототип № 26 использовался как вторичный эталон.
За 100 с лишним лет существования описанного прототипа килограмма, конечно, были попытки создать более современный эталон на основе фундаментальных физических констант масс различных атомных частиц (протона, электрона и т.д.).
Однако на современном уровне научно-технического прогресса пока не удалось воспроизвести этим новейшим методом массу килограмма с меньшей погрешностью, чем существующая.
Перспективы развития эталонов
За последние годы получены высокие результаты точности и надежности эталонов, создаваемых на основе использования квантовых эффектов, что позволяет предположить возможность создания новых эталонов в недалеком будущем.
С использованием квантовых эффектов был создан современный эталон ампера и ома. Квантовые эталоны характеризуются высокой степенью стабильности значений погрешности воспроизведения единиц величин.
С помощью новых методов и средств измерений уточняются фундаментальные физические константы, поэтому точность квантовых эталонов будет возрастать.
Ожидается появление возможности создания сравнительно недорогих квантовых эталонов и рабочих средств измерений на основе практического использования эффекта высокотемпературной сверхпроводимости, что послужит началом нового периода в развитии фундаментальной и практической метрологии
Примеры похожих учебных работ
Физические величины и единицы их измерения
. тела. ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ И ЕДИНИЦЫ ИХ ИЗМЕРЕНИЯ. Физические величины Технологическая деятельность человека связана с измерением различных физических величин. Физическая величина, Значение физической величины –, Измерением физической величины В .
. ло промежуточным метрологическим звеном, расположенным между эталоном и рабочим средством. С целью приближения термино . квадратическим отклонением результата измерения, с помощью данного эталона существенно уменьшилась по сравнению с погрешностью .
Эталон единицы массы
. плечу которых присоединена катушка, помещенная во внешнее магнитное поле, а другое – нагружено эталоном массы 1 кг. После уравновешивания весов катушка перемещается на некоторое расстояние от положения .
Эталоны единиц измерений
. других измерительных приборов., Мерило, образец для подражания, сравнения., Эталон метра. Метр был впервые введён во Франции в XVII . В 1889 был изготовлен более точный международный эталон метра. Этот эталон также изготовлен из сплава платины и иридия .
. многих тысяч километров [1]. В данном реферате рассмотрены методы измерения охватывающие вторую и третью группы размеров, а . расходимости излучения лазеров может достигать нескольких угловых секунд. По указанным причинам оптические дальномеры .
Измерения электрических величин
. входе измерительные преобразователи для электрических измерений делят на преобразователи электрических величин и преобразователи неэлектрических величин. Примерами преобразователей электрических величин в электрические являются делители напряжения, .
Читайте также: