Какими были первые международные эталоны и почему они были именно такими кратко
Обновлено: 02.07.2024
В Древнем Египте, провожая в загробное царство умершего фараона, среди прочих ценных предметов в гробницу помещали копию меры длины — “священного локтя”. Сам же эталон покоился в храме и тщательно оберегался жрецами. Сегодня создают эталоны и средства передачи их показаний измерительным приборам, открывают новые и более совершенные методы точных измерений ученые-метрологи. Сами же эталоны представляют собой сложные аппаратурные комплексы, занимающие большую площадь. В трех научных метрологических центрах России хранится 116 государственных эталонов основных и производных единиц измерений. Это достояние чрезвычайно ценное, ведь ошибки измерения в любой области человеческой деятельности чреваты многими бедами: в науке может не состояться открытие, а в промышленности отклонение от стандарта влечет большие экономические потери. Обо всех эталонах рассказать в журнальной статье невозможно. Поэтому заслуженного метролога России Льва Николаевича Брянского мы попросили описать лишь основные эталоны — времени, массы и длины.
Эталон единицы давления. Его основа — грузопоршневой манометр. Зная площадь поршня и приложенную к нему силу (на фото — это диски и гирьки-довески), можно вычислить давление.
Зал эталона звукового давления не имеет ни одного прямого угла, чтобы минимальное отражение звука не возвращалось в ту же точку.
Уздечка на времени
Самые точные наручные или настенные часы грешат против эталонного времени в миллиарды раз. Впрочем, в быту и не нужна точность до долей микросекунды. Но она совершенно необходима в исследовании космоса, для создания систем навигации, управления воздушным движением, повышения качества теле- и радиопередач и многих других целей.
Эталон времени — особенный. Все остальные эталоны вводятся в действие периодически, для сличения с ними вторичных и рабочих эталонов. Но эталон, хранящий шкалу времени, нельзя остановить, как нельзя остановить время. Он работает всегда. Есть такой афоризм: время — очень простое понятие, пока вы не пытаетесь объяснить его кому-нибудь. С полным основанием эти слова можно отнести и к эталону времени. Меньше всего он напоминает часы, а оборудование и научные подразделения, которые обеспечивают эксплуатацию эталона, занимают большое здание. Находится оно во Всероссийском научно-исследовательском институте физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ) под Москвой.
Эталон времени — это сложный комплекс, в который входят цезиевые реперы (генераторы, дающие строго определенную частоту) и водородные хранители частоты, хранители шкал времени, приборы для измерения временных интервалов и другая аппаратура. Некоторые составляющие эталона уникальны, например радиооптический частотный мост, который служит для измерения частот излучения лазеров. В мире кроме России такой мост есть только в Канаде, во Франции, в США и Великобритании. Российский государственный эталон времени входит в группу лучших мировых эталонов, его относительная погрешность не превышает 5 . 10 -14 , то есть 0,00000000000005 секунды. За полмиллиона лет эталон даст погрешность в одну секунду. (О различиях атомного и астрономического времени см. “Наука и жизнь” № 11, 1976 г.).
От линейки — к лазеру
Первое определение метра — одна десятимиллионная доля четверти земного меридиана, проходящего через Париж. К 1799 году французами были выполнены необходимые измерения и изготовлен эталон — платиновая линейка. Ее и поныне называют “архивный метр”. Старшее поколение, очевидно, помнит по школьному учебнику физики рисунок линейки Х-образного сечения длиной 102 см, на которой нанесены две группы штрихов. Расстояние между средними штрихами этих групп равнялось 1 метру.
Старые эталоны (платиново-иридиевая линейка и пришедшие ей на смену кадмиевые и криптоновые лампы) не позволяли определить значение метра с погрешностью меньшей 10 -7 . А этого было уже недостаточно. Развитие техники, и прежде всего электроники, требовало создания деталей с более высокой точностью. Чтобы сделать новый эталон, нужно было придумать метру новое определение, причем привязанное к заведомо постоянным величинам, так называемым фундаментальным физическим константам. Было заманчиво определить метр через время и скорость. До этого додумались еще мудрецы Халдеи: во время специального обряда на горизонтальной площадке жрец ловил взглядом первую точку появления Солнца на горизонте и размеренным шагом устремлялся ему навстречу; как только над горизонтом всходил весь диск, жрец останавливался, место отмечалось — таким образом определялась мера длины “стадий” — около 185 метров.
Со временем все было в порядке — погрешность его эталона в сотни тысяч раз меньшая, чем у метра. Но возникли проблемы со скоростью. Годилась лишь одна фундаментальная константа — скорость света в вакууме, но погрешность определения ее значения не могла быть меньше, чем у эталона метра (ведь скорость — это те же метры в секунду). Образовался заколдованный круг. И разорвали его, приняв неординарное решение: считать наиболее достоверное из измеренных значений скорости света истинным, то есть не имеющим погрешностей. Так появилось новое определение метра — он равен пути, проходимому светом в вакууме за 1/2999792458 доли секунды, а метр попал в “вассальную зависимость” от времени.
Хранится российский эталон длины во Всероссийском научно-исследовательском институте метрологии имени Д. И. Менделеева в Петербурге. Основные части его — источник оптического излучения с известной длиной волны (лазер) и интерферометр — прибор, с помощью которого подсчитывают число волн на проверяемом образце.
700 тонн в основании 1 килограмма
Современные эталоны — это, как правило, сложные аппаратурные комплексы. А эталон массы был и остается гирей — платиново-иридиевой “образца 1889 года” (именно тогда Международное бюро мер и весов изготовило 42 эталона килограмма). Сущность самой измерительной операции также осталась прежней и сводится к сравнению двух масс при взвешивании. Конечно, изобретены сверхчувствительные весы, растет точность взвешивания, благодаря которой появляются новые научные открытия (так, например, были открыты аргон и другие инертные газы), но все же эталон массы — это источник головной боли для метрологов всего мира.
Килограмм никак не связан ни с физическими константами, ни с какими-либо природными явлениями. Поэтому эталон берегут тщательнее, чем зеницу ока — в буквальном смысле не дают пылинке на него сесть, ведь пылинка — это уже несколько делений на чувствительных весах. Международный прототип эталона достают из хранилища не чаще одного раза в пятнадцать лет, российский — раз в пять лет. Все работы ведутся со вторичными эталонами (только их допускается сравнивать с основным), от вторичного эталона значение массы передается рабочим эталонам, от них — к образцовым наборам гирь.
Проходят годы, и эталон килограмма худеет или полнеет. Определить, что именно с ним происходит, принципиально невозможно — здесь плохую услугу оказывает одинаковость всех эталонов массы. Поэтому во многих метрологических лабораториях мира ведутся интенсивные поиски новых путей создания и определения эталона килограмма. Например, есть идея привязать его к вольту и ому, единицам измерения электрических величин, и взвесить с помощью эталона единицы силы тока — ампер-весов. Теоретически можно представить себе эталон килограмма в виде идеального кристалла, содержащего известное число атомов определенного химического элемента (точнее — одного его изотопа). Но способы выращивания таких кристаллов пока не известны.
Словом, мы, возможно, стоим на пороге революционного открытия в метрологии. Но пока “капризный килограмм” требует к себе большого почтения. Эталонные весы во ВНИИМ им. Д. И. Менделеева установлены на специальном фундаменте в 700 тонн, не связанном со стенами здания, чтобы исключить влияние вибраций. Температура в помещении, где за сутки на весы устанавливаются две килограммовые гири, поддерживается с точностью до 0,01 о С, а все операции ведутся из соседней комнаты с помощью манипуляторов. Погрешность эталона массы России не превышает +0,002 мг.
Когда погрешность не грех
Создание и эксплуатация эталонов требуют и больших сооружений, и больших затрат. Мы уже говорили о многотонном фундаменте эталона килограмма, не менее “легкий” фундамент и у радиооптического моста эталона времени. При эталоне метра “состоит” пятидесятиметровый интерферо метр для поверки мерных проволок и рулеток, при эталоне звукового давления в воде — гидроакус тический бассейн с 360 тоннами деаэрированной (“безвоздушной” — без растворенного воздуха) воды. Эталон единицы плотности потока нейтронов окружен массивными бетонными стенами; эталоны напряженности электрического и магнитного полей размещаются в больших залах, оборудованных специальными поглощающими покрытиями. Уникальное помехозащитное оборудование для испытаний включает наземный фундамент в 2500 тонн, подвешенный на пружинах.
Итак, точность обходится недешево. И все же разница в погрешности между отдельными видами эталонов колоссальная — от 5 . 10 -14 до 2,5 . 10 -3 , то есть в сто миллиардов раз. Почему? Во-первых, никто не занимается уменьшением погрешности эталонов, исходя только из научной любознательности — все определяют запросы науки и техники. Именно поэтому могут существовать уникальные экспериментальные установки, погрешность которых (во время эксперимента) меньше, чем у некоторых государственных эталонов. Со временем на базе таких установок создаются госэталоны нового поколения.
Во-вторых, метрологи сталкиваются с трудностями фундаментальными, связанными со свойствами (физической сущностью) эталонируемых величин. Например, напряженность электрического и магнитного полей необходимо измерять в свободном пространстве, создать эффект которого в помещении непросто. Еще сложнее обеспечить нужную конфигурацию поля. Поэтому погрешность эталона около одного процента считается вполне приемлемой. Не меньшие трудности встречают специалисты в области ионизирующих излучений. Заставить элементарные частицы отдать всю свою энергию в калориметре — задача принципиально невыполнимая. Приходится мириться с погрешностями, доходящими до пяти процентов.
Но вот с чем трудно мириться — с недальновидным отношением власть предержащих к метрологии, проявившимся в последние годы. Уровень эталонной базы страны определяет в конечном счете конкурентоспособность ее продукции на международном рынке, развитие науки и даже престиж государства. Бисмарк когда-то сказал: “Страна, которая не может содержать свою армию, будет содержать чужую”. Без эталонов, без единства измерений не обойтись. Не будет своих эталонов, придется платить за чужие. И платить дорого.
Читайте в любое время
Перевозимые водородные часы. Их используют для сличения вторичных эталонов времени и частот в других городах и странах. Процесс сличения достаточно сложен и длителен. Водородные часы подключают к основному эталону на две недели. И столько же времени после переезда они работают со вторичным эталоном. Вернувшиеся в институт водородные часы снова должны быть сверены с госэталоном. Если показания не изменились, сличение прошло успешно.
Государственный российский эталон массы. Эту килограммовую гирю из платины и иридия сделала в 1889 году парижская ювелирная фирма по заказу Международного бюро мер и весов. Всего таких эталонов было изготовлено 42, а стран, подписавших тогда конвенцию о принятии метрической системы, — 17. По мере “подключения” к новой системе измерений других стран им вручали эталон килограмма.
Зал эталона звукового давления не имеет ни одного прямого угла, чтобы минимальное отражение звука не возвращалось в ту же точку. Таким образом достигается абсолютная тишина в центре зала. Стены, потолок, пол покрыты клиньями из звукопоглощающего материала. Ходят в зале по сетке, натянутой над полом.
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, .
2 Смотреть ответы Добавь ответ +10 баллов
Ответы 2
С1V1=C2V2 → V2=С1V1/C2=700,0 ∙ 0,2464 / 0,2000 = 862,4 мл
V(воды) = V2 - V1 = 862,4 = 700,0 = 162,4 мл
1. Выбор и подготовка сырья.
2. Непрерывность производства (основные стадии производства H2SO4)
3. Оптимальные условия производства (подбор катализаторов, давления, температуры; принцип противотока; осуществление теплообмена)
4. Механизация и автоматизация производства.
5. Охрана окружающей среды (улавливание шлака, золы; рассеивание примесей с помощью дымовых труб; установка фильтров).
Другие вопросы по Другим предметам
Какие из точек a(3.6; 5) b(-3; 7) c(8; -5) и d(0; 6) расположены 1)выше оси абсцисс 2)правее оси ординат.
Откуда взялся килограмм? 1 кг = 1000 г, a 1 г это масса 1 см³ чистейшей воды при 4 °C. Потом он многократно переопределялся Международным Бюро Мер и Весов (МБМВ) и сегодня 1 кг является международным эталоном единицы измерения массы в СИ. Эта длинная история подробно написана здесь.
А почему метр именно такой длины? 1 метр — это была длина маятника с полупериодом колебаний на широте 45°, равным 1 сек. Метр также многократно переопределялся и на сегодня он привязан к скорости света и является международным эталоном единицы измерения длины в СИ. Подробнее здесь.
А миля? Традиционная единица измерения пути (тысяча двойных шагов римских солдат в полном облачении на марше), разная в разных странах. Американская и Британская 1 миля = 1609,34 м.
Существуют ли идеальные эталоны этих мер и где хранятся? Ничего нет идеального. Для того и существует Международное Бюро Мер и Весов, чтобы регулярно уточнять и переопределять при необходимости международные единицы измерения (СИ) и продолжать их хранить. Штаб-квартира, расположена в городе Север с 1875 г (предместье Парижа, Франция). Подробнее об МБМВ здесь.
Читайте также: