УДК 389.6 ББК 30.10я7 К59 Козлов М.Г. Метрология и стандартизация: Учебник М., СПб.: Изд-во «Петербургский ин-т печати», 2001. 372 с. 1000 экз.

Рецензенты: Л.А. Конопелько, доктор технических наук, профессор В.А. Спаев, доктор технических наук, профессор

В книге излагаются основы системы обеспечения единства измерений, общепринятые в настоящее время на территории Российской Федерации. Метрология и стандартизация рассматриваются как науки, построенные на научно-техническом законодательстве, системе создания и хранения эталонов единиц физических величин, службе стандартных справочных данных и службе стандартных образцов. Книга содержит сведения о принципах создания измерительной техники, которая рассмотрена как объект внимания специалистов, занимающихся обеспечением единства измерений. Измерительная техника раскатегорирована по видам измерения, опирающихся на эталоны основных единицсистемы СИ. Рассмотрены основные положения службы стандартизации и сертификации в РФ.

Рекомендовано УМО в качестве учебника для специальностей: 281400 - «Технология полиграфического производства», 170800 - «Автоматизированное полиграфическое оборудование», 220200 - «Автоматизированные системы обработки информации и управления»

Оригинал-макет подготовлен издательством «Петербургский институт печати»

ISBN 5-93422-014-4

© М.Г. Козлов, 2001. © Н.А. Аксиненко, оформление, 2001. © Издательство «Петербургский институт печати», 2001.

http://www.hi-edu.ru/e-books/xbook109/01/index.html?part-002.htm

Предисловие Часть I. МЕТРОЛОГИЯ 1. Введение в метрологию 1.1. Исторические аспекты метрологии 1.2. Основные понятия и категории метрологии 1.3. Принципы построения систем единиц физических величин 1.4. Воспроизведение и передача размера единиц физических величин. Эталоны и образцовые средства измерения 1.5. Измерительные приборы и установки 1.6. Меры в метрологии и измерительной технике. Поверка средств измерений 1.7. Физические константы и стандартные справочные данные 1.8. Стандартизация в обеспечении единства измерений. Метрологический словарь 2. Основы построение систем единиц физических величин 2.1. Системы единиц физических величин 2.2. Формулы размерности 2.3. Основные единицы системы СИ 2.4. Единица длины системы СИ - метр 2.5. Единица времени системы СИ - секунда 2.6. Единица температуры системы СИ - Кельвин 2.7. Единица силы электрического тока системы СИ - Ампера 2.8. Реализация основной единицы системы СИ - единицы силы света - канделы 2.9. Единица массы системы СИ - килограмм 2.10. Единица количества вещества системы СИ - моль 3. Оценка погрешностей результатов измерения 3.1. Введение 3.2. Систематические погрешности 3.3. Случайные погрешности измерений Часть II. ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА 4. Введение в измерительную технику 5. Измерения механических величин 5.1. Линейные измерения 5.2. Измерения шероховатости 5.3. Измерения твердости 5.4. Измерения давления 5.5. Измерения массы и силы 5.6. Измерения вязкости 5.7. Измерение плотности 6. Измерения температуры 6.1. Методы измерения температуры 6.2. Контактные термометры 6.3. Неконтактные термометры 7. Электрические и магнитные измерения 7.1. Измерения электрических величин 7.2. Принципы, лежащие в основе магнитных измерений 7.3. Магнитные преобразователи 7.4. Приборы для измерения параметров магнитных полей 7.5. Квантовые магнитометрические и гальваномагнитные приборы 7.6. Индукционные магнитометрические приборы 8. Оптические измерения 8.1. Общие положения 8.2. Фотометрические приборы 8.3. Спектральные измерительные приборы 8.4. Фильтровые спектральные приборы 8.5. Интерференционные спектральные приборы 9. ФИЗИКО-ХИМИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ 9.1. Особенности измерения состава веществ и материалов 9.2. Измерения влажности веществ и материалов 9.3. Анализ состава газовых смесей 9.4. Измерения состава жидкостей и твердых тел 9.5. Метрологическое обеспечение физико-химических измерений Часть III. СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ 10. Организационные и методические основы метрологии и стандартизации 10.1. Введение 10.2. Правовые основы метрологии и стандартизации 10.3. Международные организации по стандартизации и метрологии 10.4. Структура и функции органов Госстандарта РФ 10.5. Государственные службы по метрологии и стандартизации РФ 10.6. Функции метрологических служб предприятий и учреждений, являющихся юридическими лицами 11. Основные положения государственной службы стандартизации РФ 11.1. Научная база стандартизации РФ 11.2. Органы и службы систем стандартизации РФ 11.3. Характеристика стандартов разных категорий 11.4. Каталоги и классификаторы продукции как объект стандартизации. Стандартизация услуг 12. Сертификация измерительной техники 12.1. Основные цели и задачи сертификации 12.2. Термины и определения, специфические для cертификации 12.3. 12.3. Системы и схемы сертификации 12.4. Обязательная и добровольная сертификация 12.5. Правила и порядок проведения сертификации 12.6. Аккредитация органов по сертификации 12.7. Сертификация услуг Заключение Приложения

Предисловие

Содержание понятий «метрология» и«стандартизация» до сих пор является предметом дискуссий, хотя необходимость профессионального подхода кэтим проблемам очевидна. Так в последние годы появились многочисленные труды, в которых метрология и стандартизация подаются как инструмент сертификации измерительной техники, товаров и услуг. Такой постановкой вопроса все понятия метрологии принижаются и получают смысл как свод правил, законов, документов, позволяющих обеспечить высокое качество товарной продукции.

На самом деле метрология и стандартизация является очень серьезным научным занятием со времен основания в России Депо образцовых мер (1842 г.), преобразованного затем в Главную палату мер и весов России, возглавляемую многие годы великим ученым Д.И. Менделеевым. Наша страна была одним из учредителей Метрической Конвенции, принятой 125 лет назад. В годы Советской власти была создана система стандартизации стран экономической взаимопомощи. Все это свидетельствует о том, что в нашей стране метрология и стандартизация с давних пор являлись основополагающими в организации системы мер и весов. Именно эти моменты вечны и должны иметь государственную поддержку. С развитием рыночных отношений гарантией качества товаров должна стать репутация фирм-производителей, а метрология и стандартизация должны выполнять роль государственных научных и методических центров, в которых собраны наиболее точные средства измерения, наиболее перспективные технологии, и в которых работают самые квалифицированные специалисты.

В данной книге метрология рассматривается как область науки, в первую очередь физики, которая должны обеспечивать на государственном уровне единство измерений. Проще говоря, в науке должна существовать система, позволяющая представителям различных наук, например физики, химии, биологии, медицины, геологии и т.д., разговаривать на одном языке и понимать друг друга. Средствами достижения этого результата являются составные части метрологии: системы единиц, эталоны, стандартные образцы, справочные данные, терминология, теория погрешностей, система стандартов. Основам метрологии посвящена первая часть книги.

Вторая часть посвящена описанию принципов создания измерительной техники. Разделы этой части представлены так, как организованы виды измерений в системе Госстандарта РФ: механические, температурные, электрические и магнитные, оптические и физико-химические. Измерительная техника рассматривается как область непосредственного использования достижений метрологии.

Третья часть книги является кратким описанием сущности сертификации - области деятельности современных центров метрологии и стандартизации в нашей стране. Поскольку стандарты в разных странах разные, существует необходимость проверки всех аспектов международного сотрудничества (товаров, измерительной техники, услуг) на соответствие стандартам тех стран, где они используются.

Книга рассчитана на широкий круг специалистов, работающих с конкретными измерительными приборами в различных областях деятельности от торговли до контроля качества выполнения технологических процессов и измерений в экологии. В изложении опущены подробности некоторых разделов физики, не имеющие определяющего метрологического характера и доступные в специальной литературе. Большое внимание уделено физическому смыслу использования метрологического подхода к решению практических задач. Предполагается, что читатель знаком с основами физики и имеет хотя бы общие понятия о современных достижениях науки и техники, таких как лазерная техника, сверхпроводимость и т. п.

Книга рассчитана на специалистов, использующих те или иные приборы и заинтересованные в том, чтобы обеспечить необходимые им измерения оптимальным образом. Это студенты и аспиранты ВУЗов, которые специализируются в науках, опирающихся на измерения. Изложенный материал хотелось бы видеть в качестве связующего звена между курсами общенаучных дисциплин и специальными курсами по изложению сущности современных технологий производства.

Материал написан на основе курса лекций по метрологии и стандартизации, прочитанного автором в Санкт-Петербургском институте Московского государственного университета печати и в Санкт-Петербургском государственном университете. Это дало возможность скорректировать изложение материала, сделав его понятным для студентов различных специальностей от абитуриентов до студентов старших курсов.

Автор рассчитывает на соответствие материала основополагающим представлениям о метрологии и стандартизации на основании опыта личной работы в течение почти полутора десятилетий в Госстандарте СССР и Госстандарте РФ.

Контрольная работа

Дисциплина: "Электрические измерения"

Введение1. Измерение сопротивления электрической цепи и изоляции2. Измерение активной и реактивной мощности3. Измерение магнитных величинСписок литературы
Введение Задачи магнитных измерений.Область электроизмерительной техники,которая занимается измерениями магнитных величин,обычно называют магнитными измерениями.С помощью методов и аппаратуры магнитных измерений решаются в настоящее время самые разнообразные задачи. В качестве основных из них можно назвать следующие: измерение магнитных величин (магнитной индукции, магнитного потока, магнитного момента и т. д.); определение характеристик магнитных материалов; исследование электромагнитных механизмов;измерение магнитного поля Земли и других планет;изучение физико-химических свойств материалов (магнитный анализ);исследование магнитных свойств атома и атомного ядра;определение дефектов в материалах и изделиях (магнитная дефектоскопия) и т. д.Несмотря на разнообразие задач, решаемых с помощью магнитных измерений,определяются обычно всего несколько основных магнитных величин: Причем во многих способах измерения магнитных величин фактически измеряется не магнитная,а электрическая величина, в которую магнитная величина преобразуется в процессе измерения. Интересующая нас магнитная величина определяется расчетным путем на основании известных зависимостей между магнитными и электрическими величинами. Теоретической основой подобных методов является второе уравнение Максвелла,связывающее магнитное поле с полем электрическим; эти поля являются двумя проявлениями особого вида материи,именуемого электромагнитным полем.Используются в магнитных измерениях и другие (не только электрические)проявления магнитного поля, например механические, оптические.Настоящая глава знакомит читателя лишь с некоторыми способами определения ее основных магнитных величин и характеристик магнитных материалов.

1. Измерение сопротивления электрической цепи и изоляции

Средства измерений

К средствам измерения изоляции относятся мегомметры: ЭСО 202, Ф4100, М4100/1-М4100/5, М4107/1, М4107/2, Ф4101. Ф4102/1, Ф4102/2, BM200/G и другие, выпускаемые отечественными и зарубежными фирмами. Сопротивление изоляции измеряют мегомметрами (100-2500В) со значениями измеренных показателей в Ом, кОм и МОм.

1. К выполнению измерений сопротивления изоляции допускается обученный электротехнический персонал, имеющий удостоверение о проверке знаний и квалификационную группу по электробезопасности не ниже 3-й, при выполнении измерений в установках до 1000 В, и не ниже 4-й, при измерении в установках выше 1000 В.

2. К обработке результатов измерений могут быть допущены лица из электротехнического персонала со средним или высшим специальным образованием.

3. Анализ результатов измерений должен проводить персонал, занимающийся вопросами изоляции электрооборудования, кабелей и проводов.

Требования безопасности

1. При выполнении измерений сопротивления изоляции должны быть соблюдены требования безопасности в соответствии с ГОСТ 12.3.019.80, ГОСТ 12.2.007-75, Правилами эксплуатации электроустановок потребителей и Правилами техники безопасности при эксплуатации электроустановок потребителей.

2. Помещения, используемые для измерения изоляции, должны удовлетворять требованиям взрыво- и пожарной безопасности по ГОСТ 12.01.004-91.

3. Средства измерений должны удовлетворять требованиям безопасности по ГОСТ 2226182.

4. Измерения мегомметром разрешается выполнять обученным лицам из электротехнического персонала. В установках напряжением выше 1000 В измерения производят по наряду два лица, одно из которых должно иметь по электробезопасности не ниже IV группы. Проведение измерений в процессе монтажа или ремонта оговаривается в наряде в строке "Поручается". В установках напряжением до 1000 В измерения выполняют по распоряжению два лица, одно из которых должно иметь группу не ниже III. Исключение составляют испытания, указанные в п. БЗ.7.20.

5. Измерение изоляции линии, могущей получить напряжение с двух сторон, разрешается проводить только в том случае, если от ответственного лица электроустановки, которая присоединена к другому концу этой линии, получено сообщение по телефону, с нарочным и т.п. (с обратной проверкой) о том, что линейные разъединители и выключатель отключены и вывешен плакат "Не включать. Работают люди".

6. Перед началом испытаний необходимо убедиться в отсутствии людей, работающих на той части электроустановки, к которой присоединен испытательный прибор, запретить находящимся вблизи него лицам прикасаться к токоведущим частям и, если нужно, выставить охрану.

7. Для контроля состояния изоляции электрических машин в соответствии с методическими указаниями или программами измерения мегомметром на остановленной или вращающейся, но не возбужденной машине, могут проводиться оперативным персоналом или, по его распоряжению, в порядке текущей эксплуатации работниками электролаборатории. Под наблюдением оперативного персонала эти измерения могут выполняться и ремонтным персоналом. Испытания изоляции роторов, якорей и цепей возбуждения может проводить одно лицо с группой по электробезопасности не ниже III, испытания изоляции статора - не менее чем два лица, одно из которых должно иметь группу не ниже IV, а второе - не ниже III.

8. При работе с мегомметром прикасаться к токоведущим частям, к которым он присоединен, запрещается. После окончания работы необходимо снять остаточный заряд с проверяемого оборудования посредством его кратковременного заземления. Лицо, производящее снятие остаточного заряда, должно пользоваться диэлектрическими перчатками и стоять на изолированном основании.

9. Производство измерений мегомметром запрещается: на одной цепи двухцепных линий напряжением выше 1000 В, в то время когда другая цепь находится под напряжением; на одноцепной линии, если она идет параллельно с работающей линией напряжением выше 1000 В; во время грозы или при ее приближении.

10. Измерение сопротивления изоляции мегомметром осуществляется на отключенных токоведущих частях, с которых снят заряд путем предварительного их заземления. Заземление с токоведущих частей следует снимать только после подключения мегомметра. При снятии заземления необходимо пользоваться диэлектрическими перчатками.

Условия выполнения измерений

1. Измерения изоляции должны проводиться в нормальных климатических условиях по ГОСТ 15150-85 и при нормальном режиме питающей сети или оговоренных в заводском паспорте - техническом описании на мегомметры.

2. Значение электрического сопротивления изоляции соединительных проводов измерительной схемы должно превышать не менее чем в 20 раз минимально допускаемое значение электрического сопротивления изоляции испытуемого изделия.

3. Измерение проводят в помещениях при температуре 25±10 °С и относительной влажности воздуха не более 80%, если в стандартах или технических условиях на кабели, провода, шнуры и оборудование не предусмотрены другие условия.

Подготовка к выполнению измерений

При подготовке к выполнению измерений сопротивления изоляции проводят следующие операции:

1. Проверяют климатические условия в месте измерения сопротивления изоляции с измерением температуры и влажности и соответствие помещения по взрыво- пожароопасности для подбора, к соответствующим условиям, мегомметра.

2. Проверяют по внешнему осмотру состояние выбираемого мегомметра, соединительных проводников, работоспособность мегаомметра согласно техническому описанию на мегомметр.

3. Проверяют срок действия госповерки на мегомметр.

4. Подготовку измерений образцов кабелей и проводов выполняют согласно ГОСТ 3345-76.

5. При выполнении периодических профилактических работ в электроустановках, а также при выполнении работ на реконструируемых объектах в электроустановках подготовку рабочего места выполняет электротехнический персонал предприятия, где выполняется работа согласно правилам ПТБЭЭП и ПЭЭП.

Выполнение измерений

1. Отсчет значений электрического сопротивления изоляции при измерении проводят по истечении 1 мин с момента приложения измерительного напряжения к образцу, но не более чем через 5 мин, если в стандартах или технических условиях на конкретные кабельные изделия или на другое измеряемое оборудование не предусмотрены другие требования.

Перед повторным измерением все металлические элементы кабельного изделия должны быть заземлены не менее чем за 2 мин.

2. Электрическое сопротивление изоляции отдельных жил одножильных кабелей, проводов и шнуров должно быть измерено:

для изделий без металлической оболочки, экрана и брони - между токопроводящей жилой и металлическим стержнем или между жилой и заземлением;

для изделий с металлической оболочкой, экраном и броней - между токопроводящей жилой и металлической оболочкой или экраном, или броней.

3. Электрическое сопротивление изоляции многожильных кабелей, проводов и шнуров должно быть измерено:

для изделий без металлической оболочки, экрана и брони - между каждой токопроводящей жилой и остальными жилами, соединенными между собой или между каждой токопроводящей; жилой и остальными жилами, соединенными между собой и заземлением;

для изделий с металлической оболочкой, экраном и броней - между каждой токопроводящей жилой и остальными жилами, соединенными между собой и с металлической оболочкой или экраном, или броней.

4. При пониженном сопротивлении изоляции кабелей проводов и шнуров, отличной от нормативных правил ПУЭ, ПЭЭП, ГОСТ, необходимо выполнить повторные измерения с отсоединением кабелей, проводов и шнуров от зажимов потребителей и разведением токоведущих жил.

5. При измерении сопротивления изоляции отдельных образцов кабелей, проводов и шнуров, они должны быть отобраны на строительные длины, намотанные на барабаны или в бухты, или образцы длиной не менее 10 м, исключая длину концевых разделок, если в стандартах или технических условиях на кабели, провода и шнуры не оговорена другая длина. Число строительных длин и образцов для измерения должно быть указано в стандартах или технических условиях на кабели, провода и шнуры.

Одним из важных понятий в теории и практике измерений является понятие физической величины. Физическая величина – свойство, в качественном отношении общее для многих объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них.

Измерение физической величины представляет собой нахождение ее значения экспериментальным путем с помощью специальных технических средств. По способу получения числового значения измеряемой величины все измерения делят на прямые, косвенные, совокупные и совместные.

Прямые измерения основаны на методе сравнения измеряемой величины с мерой этой величины или на методе непосредственной оценки значения измеряемой величины по отсчетному устройству, шкала которого проградуирована в единицах измеряемой величины. Примером прямых измерений может служить измерение силы тока амперметром.

Косвенные измерения – измерения, результат которых получают после прямых измерений величин, связанных с измеряемой величиной известной зависимостью. Так, измерение электрического сопротивления в цепи постоянного тока производится путем прямых измерений силы тока амперметром и напряжения вольтметром с последующим вычислением искомого значения сопротивления.

Совокупные измерения представляют собой неоднократные, обычно прямые измерения одной или нескольких одноименных величин с получением общего результата измерений путем решения системы уравнений, составляемых по частным результатам измерений. В качестве примера приведем процесс определения взаимной индуктивности между двумя катушками путем двукратного измерения их общей индуктивности. Сначала катушки соединяют так, чтобы их магнитные поля складывались, и измеряют общую индуктивность: L 01 = L 1 + L 2 + 2M, где М – взаимная индуктивность; L 1 , L 2 – индуктивности первой и второй катушек. Затем катушки соединяют так, чтобы их магнитные поля вычитались, и измеряют общую индуктивность: L 02 = L 1 + L 2 – 2M. Искомое значение М определяют решением этих уравнений: М = (L 01 - L 02)/4.

Совместные измерения состоят в одновременном измерении двух или более неодноименных величин с последующим вычислением результата путем решения системы полученных при измерениях уравнений. Пусть, например, требуется найти температурные коэффициенты A , B терморезистора R т = R 0 (1+AT +BT 2) , где R 0 – значение сопротивления при T 0 = 20 о С, Т – температура среды. Измерив значения сопротивлений R 0 , R 1 , R 2 терморезистора при значениях температуры T 0 , T 1 , T 2 , определяемой с помощью термометра, и решив полученную систему из трех уравнений, найдем значения величин А и В.

Средство измерений – техническое устройство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические характеристики. К средствам измерений относятся меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы и измерительные системы.

Мера – средство измерений, предназначенное для хранения и воспроизведения физической величины заданного размера. К мерам относятся нормальные элементы, магазины сопротивлений, генераторы стандартных сигналов, градуированные шкалы показывающих приборов.

Измерительные преобразователи – средства измерений, предназначенные для преобразования измерительного сигнала в форму, удобную для передачи, хранения и обработки.

Измерительные приборы – средства измерений, предназначенные для выработки сигнала измерительной информации, функционально связанного с числовым значением измеряемой величины, и отображения этого сигнала на отсчетном устройстве или его регистрации.

Измерительная система – комплекс средств измерений и вспомогательных устройств, обеспечивающий получение измерительной информации на исследуемом объекте в заданном объеме и заданных условиях.

Наиболее важными свойствами средств измерений являются метрологические свойства. К метрологическим свойствам (характеристикам) относятся точность, диапазон измерений, чувствительность, быстродействие и др.

Минск: БНТУ, 2003. — 116 с.Введение.
Классификация физических величин.
Размер физических величин. Истинное значение физических величин.
Основной постулат и аксиома теории измерений.
Теоретические модели материальных объектов, явлений и процессов.
Физические модели.
Математические модели.
Погрешности теоретических моделей.
Общая характеристика понятия измерение (сведения из метрологии).
Классификация измерений.
Измерение как физический процесс.
Методы измерений как методы сравнения с мерой.
Методы прямого сравнения.
Метод непосредственной оценки.
Метод прямого преобразования.
Метод замещения.
Методы масштабного преобразования.
Метод шунтирования.
Метод следящего уравновешивания.
Мостовой метод.
Разностный метод.
Нулевые методы.
Метод развёртывающей компенсации.
Измерительные преобразования физических величин.
Классификация измерительных преобразователей.
Статические характеристики и статические погрешности СИ.
Характеристики воздействия (влияния) окружающей среды и объектов на СИ.
Полосы и интервалы неопределённости чувствительности СИ.
СИ с аддитивной погрешностью (погрешность нуля).
СИ с мультипликативной погрешностью.
СИ с аддитивной и мультипликативной погрешностями.
Измерение больших величин.
Формулы статических погрешностей средств измерений.
Полный и рабочий диапазоны средств измерений.
Динамические погрешности средств измерений.
Динамическая погрешность интегрирующего звена.
Причины аддитивных погрешностей СИ.
Влияние сухого трения на подвижные элементы СИ.
Конструкция СИ.
Контактная разность потенциалов и термоэлектричество.
Контактная разность потенциалов.
Термоэлектрический ток.
Помехи, возникающие из-за плохого заземления.
Причины мультипликативных погрешностей СИ.
Старение и нестабильность параметров СИ.
Нелинейность функции преобразования.
Геометрическая нелинейность.
Физическая нелинейность.
Токи утечки.
Меры активной и пассивной защиты.
Физика случайных процессов, определяющих минимальную погрешность измерений.
Возможности органов зрения человека.
Естественные пределы измерений.
Соотношения неопределенности Гейзенберга.
Естественная спектральная ширина линий излучения.
Абсолютная граница точности измерения интенсивности и фазы электромагнитных сигналов.
Фотонный шум когерентного излучения.
Эквивалентная шумовая температура излучения.
Электрические помехи, флуктуации и шумы.
Физика внутренних неравновесных электрических шумов.
Дробовой шум.
Шум генерации - рекомбинации.
1/f-шум и его универсальность.
Импульсный шум.
Физика внутренних равновесных шумов.
Статистическая модель тепловых флуктуаций в равновесных системах.
Математическая модель флуктуаций.
Простейшая физическая модель равновесных флуктуаций.
Основная формула расчета дисперсии флуктуации.
Влияние флуктуаций на порог чувствительности приборов.
Примеры расчета тепловых флуктуаций механических величин.
Скорость свободного тела.
Колебания математического маятника.
Повороты упруго подвешенного зеркальца.
Смещения пружинных весов.
Тепловые флуктуации в электрическом колебательном контуре.
Корреляционная функция и спектральная плотность мощности шума.
Флуктуационно-диссипационная теорема.
Формулы Найквиста.
Спектральная плотность флуктуации напряжения и тока в колебательном контуре.
Эквивалентная температура нетепловых шумов.
Внешние электромагнитные шумы и помехи и методы их уменьшения.
Емкостная связь (емкостная наводка помехи).
Индуктивная связь (индуктивная наводка помехи).
Экранирование проводников от магнитных полей.
Особенности проводящего экрана без тока.
Особенности проводящего экрана с током.
Магнитная связь между экрана с током и заключенным в него проводником.
Использование проводящего экрана с током в качестве сигнального проводника.
Защита пространства от излучения проводника с током.
Анализ различных схем защиты сигнальной цепи путем экранирования.
Сравнение коаксиального кабеля и экранированной витой пары.
Особенности экрана в виде оплетки.
Влияние неоднородности тока в экране.
Избирательное экранирование.
Подавление шумов в сигнальной цепи методом ее симметрирования.
Дополнительные методы шумоподавления.
Развязка по питанию.
Развязывающие фильтры.
Защита от излучения высокочастотных шумящих элементов и схем.
Шумы цифровых схем.
Выводы.
Применение экранов из тонколистовых металлов.
Ближнее и дальнее электромагнитное поле.
Эффективность экранирования.
Полное характеристическое сопротивление и сопротивление экрана.
Потери на поглощение.
Потери на отражение.
Суммарные потери на поглощение и отражение для магнитного поля.
Влияние отверстий на эффективность экранирования.
Влияние щелей и отверстий.
Использование волновода на частоте ниже частоты среза.
Влияние круглых отверстий.
Использование проводящих прокладок для уменьшения излучения в зазорах.
Выводы.
Шумовые характеристики контактов и их защита.
Тлеющий разряд.
Дуговой разряд.
Сравнение цепей переменного и постоянного тока.
Материал контактов.
Индуктивные нагрузки.
Принципы защиты контактов.
Подавление переходных процессов при индуктивных нагрузках.
Цепи защиты контактов при индуктивных нагрузках.
Цепь с емкостью.
Цепь с емкостью и резистором.
Цепь с емкостью, резистором и диодом.
Защита контактов при резистивной нагрузке.
Рекомендации по выбору цепей защиты контактов.
Паспортные данные на контакты.
Выводы.
Общие методы повышения точности измерений.
Метод согласования измерительных преобразователей.
Идеальный генератор тока и идеальный генератор напряжения.
Согласование сопротивлений генераторных ИП.
Согласование сопротивлений параметрических преобразователей.
Принципиальное различие информационных и энергетических цепей.
Использование согласующих трансформаторов.
Метод отрицательной обратной связи.
Метод уменьшения ширины полосы пропускания.
Эквивалентная полоса частот пропускания шумов.
Метод усреднения (накопления) сигнала.
Метод фильтрации сигнала и шума.
Проблемы создания оптимального фильтра.
Метод переноса спектра полезного сигнала.
Метод фазового детектирования.
Метод синхронного детектирования.
Погрешность интегрирования шумов с помощью RC - цепочки.
Метод модуляции коэффициента преобразования СИ.
Применение модуляции сигнала для увеличения его помехозащищенности.
Метод дифференциального включения двух ИП.
Метод коррекции элементов СИ.
Методы уменьшения влияния окружающей среды и условий изменения.
Организация измерений.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ВОСТОЧНО-СИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Кафедра «Метрология, стандартизация и сертификация

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИЗМЕРЕНИЙ

Курс лекций «Универсальные физические постоянные»

Составитель: Жаргалов Б.С.

Улан-Удэ, 2002 г.

Курс лекций «Универсальные физические постоянные» предназначен для студентов направления «Метрология, стандартизация и сертификация» при изучении дисциплины «Физические основы измерений». В работе дан краткий обзор об истории открытий физических постоянных крупнейшими физиками мира, которые в последующем легли в основу международной системы единиц физических величин.

Введение Гравитационная постоянная

Постоянная Авогадро и Больцмана Постоянная Фарадея Заряд и масса электрона Скорость света

Постоянные Планка Ридберга Масса покоя протона и нейтрона Заключение Список использованной литературы

Введение

Универсальные физические постоянные – это величины, входящие в качестве количественных коэффициентов в математические выражения фундаментальных физических законов или являющиеся характеристиками микрообъектов.

Не следует воспринимать таблицу универсальных физических постоянных как нечто уже завершенное. Развитие физики продолжается, и этот процесс будет неизбежно сопровождаться появлением новых констант, о которых сегодня мы и не догадываемся.

Таблица 1

Универсальные физические постоянные

Наименование				Числовое значение
Гравитационная				6,6720*10-11 Н*м2 *кг-2
постоянная
Постоянная Авогадро				6,022045*1022 моль-1
Постоянная Больцмана				1,380662*10-23 Дж* К-1
Постоянная Фарадея				9,648456*104 Кл*моль-1
Заряд электрона				1,6021892*10-19 Кл
Масса покоя электрона				9,109534*10-31 кг
Скорость				2,99792458*108 м*с-2
Постоянная Планка				6,626176*10-34 *Дж*с
Постоянная Ридберга			R∞	1,0973731*10-7 *м--1
Масса покоя протона				1,6726485*10-27 кг
Масса покоя нейтрона				1,6749543*10-27 кг

Рассматривая таблицу, можно заметить, что значения констант измерены с большой точностью. Однако возможно более точное знание величины той или иной константы оказывается принципиально важным для науки, поскольку это часто является критерием справедливости одной физической теории или ошибочности, другой. Надежно измеренные экспериментальные данные являются фундаментом для построения новых теорий.

Точность измерения физических констант представляет собой точность наших знаний о свойствах окружающего мира. Она дает возможность сравнивать выводы основных законов физики и химии.

Гравитационная постоянная

О причинах, вызывающих притяжение тел друг к другу, размышляли еще в глубокой древности. Один из мыслителей древнего мира – Аристотель (384-322 гг. до н.э.) делил все тела на тяжелые и легкие. Тяжелые тела – каменьпадают вниз, стремясь достичь введенного Аристотелем некоего «центра мира», легкие тела – дым от костра – улетают вверх. «Центром мира» согласно учению другого древнегреческого философа – Птолемея являлась Земля, все же остальные небесные тела вращались вокруг нее. Авторитет Аристотеля был настолько велик, что вплоть до ХV в. его взгляды не подвергались сомнению.

Первым подверг критике предположение о «Центре мира» Леонардо да Винчи (14521519) .Несостоятельность взглядов Аристотеля показали опыт первого в истории физики

ученого-экспериментатора Г.Галилея (1564-1642). Он сбросил с вершины знаменитой Пизанской башни чугунное ядро и деревянный шар. Различные по массе предметы упали на Землю в одно и то же время. Простота экспериментов Галилея не умаляет их значения, поскольку это были первые, надежно установленные путем измерений экспериментальные факты.

Все тела падают на Землю с одинаковым ускорением – вот основной вывод из опытов Галилея. Он же измерил и значение ускорение свободного падения, которое с учетом

солнечной системы вращаются вокруг Солнца. Однако Коперник не смог указать причины, под действием которых происходит это вращение. Законы движения планет были выведены в окончательном виде немецким астрономом И.Кеплером (1571-1630). Кеплер все же не понял, что сила тяготения определяет движение планет. Англичанин Р.Кук в 1674 г

Показал, что движение планет по эллиптическим орбитам согласуется с предположением о том, что все они притягиваются Солнцем.

Исаак Ньютон (1642-1727) в 23 –летнем возрасте пришел к выводу, что движение планет происходит под действием радиальной силы притяжения, направленной к солнцу и по модулю обратно пропорциональной квадрату расстояния между Солнцем и планетой.

Но это предположение необходимо было проверить Ньютон, предположив, что такая же по происхождению сила тяготения удерживает около Земли ее спутник – Луну, выполнил несложный расчет. Он исходил из следующего, Луна движется вокруг Солнца по орбите, которую в первом приближении можно считать круговой. Ее центростремительное ускорение а , можно рассчитать по формуле

a =rω 2

где r -расстояние от Земли до Луны,а ω - угловое ускорение Луны. Величина r равна шестидесяти земным радиусам (R3 =6370 км). Ускорение ω рассчитывается из периода обращение Луны вокруг Земли, который равен 27,3 сут: ω =2π рад/27,3 сут

Тогда ускорение а равно:

a =r ω 2 =60*6370*105 *(2*3,14/27,3*86400)2 см/с2 =0,27 см/с2

Но если справедливо то, что силы тяготения убывают обратно пропорционально квадрату расстояния, то ускорения свободного падения g л на Луне должно быть:

g л =go /(60)2 =980/3600cм/с2 =0,27 см/с3

В результате расчетов получено равенство

а =g л,

т.е. сила, удерживающая Луну на орбите, есть не что иное как сила притяжения Луны Землей. Это же равенство показывает справедливость предположений Ньютона о характере изменения силы с расстоянием. Все это дало основание Ньютону записать закон тяготения в

окончательном математическом виде:

F=G (M1 M2 /r2 )

где F–сила взаимного притяжения, действующая между двумя массами М1 и М2 удаленными друг от друга на расстояние r .

Коэффициент G входящий в закон всемирного тяготения, пока еще таинственная гравитационная постоянная. О ней ничего неизвестно - ни ее значение, ни зависимость от свойств притягивающихся тел.

Поскольку этот закон был сформулирован Ньютоном одновременно с законами движения тел (законами динамики), ученые получили возможность теоретически рассчитывать орбиты планет.

В 1682 г. английский астроном Э.Галлей по формулам Ньютона вычислил время вторичного прихода к Солнцу наблюдавшейся в то время на небе яркой кометы. Комета вернулась строго в расчетное время, подтверждая истинность теории.

Значение закона тяготения Ньютона в полной мере проявилось в истории открытия новой планеты.

В1846 г. расчеты положения этой новой планеты провел французский астроном У.Леверье. После того как он сообщил ее небесные координаты немецкому астроному И.Галле, неизвестная планета, названная в последствии Нептун, была обнаружена точно в расчетном месте.

Несмотря на очевидные успехи, теория тяготения Ньютона еще долгое время не была признана окончательно. Было известно значение постоянной тяготения G в формуле закона.

Не зная значения гравитационной постоянной G, нельзя рассчитать F. Однако нам известно ускорение свободного падения тел: go = 9.8 м/с2 ,что позволяет теоретически оценить значение гравитационной постоянной G. В самом деле, сила под действием которой шар падает на Землю, есть сила притяжения шара Землей:

F1 =G(M111 M 3 /R3 2 )

По второму закону динамики эта сила сообщит телу ускорение свободного падения:

g 0=F/M 111 =G M 3/R 32

Зная значениe массы Земли и ее радиуса, можно рассчитать значение гравитационной

постоянной:

G=g0 R3 2 / M 3= 9.8*(6370*103 )2 /6*1024 м3 /с2 кг=6,6*10-11 м3 /с2 кг

В 1798 г. английский физик Г.Кавендиш обнаружил притяжение между небольшими телами в земных условиях. Два маленьких свинцовых шарика массами по 730 г. подвешивали на концах коромысла. Затем к этим шарикам подводили два больших свинцовых шара массами по 158 кг. В этих экспериментах Кавендиш впервые наблюдал притяжение тел друг другу. Он же экспериментально определил значение гравитационной

постоянной:

G=(6,6 + 0,041)*10-11 м3 /(с2 кг)

Опыты Кавендиша имеют громадное значение для физики. Во-первых, было измерено значение гравитационной постоянной, а во-вторых, эти опыты доказали всеобщность закона тяготения.

Постоянные Авогадро и Больцмана

Как устроен мир, размышляли еще в глубокой древности. Сторонники одной точки зрения полагали, что имеется некий первичный элемент, из которого состоят все вещества. Таким элементом, по мнению древнегреческого философа Геосида, явилась Земля, Фалес предполагал в качестве первичного элемента воду, Анаксименвоздух, Гераклит – огонь, Эмпедокл допускал одновременное существование всех четырех первичных элементов. Платон считал, что при определенных условиях один первичный элемент может переходить в другой.

Существовала и принципиально другая точка зрения. Левкипп, Демокрит и Эпикур представляли вещество состоящим из маленьких неделимых и непроницаемых частиц, отличающихся друг от друга размером и формой. Эти частицы они назвали атомами (от греч. «атомос» – неделимый). Взгляд на строение вещества не был подкреплен экспериментально, а может считаться интуитивной догадкой древних ученых.

Впервые корпускулярную теорию строения вещества, в которой строение материи объяснялось с атомистических позиций, создал английский ученый Р.Бойль (1627-1691).

Французский ученый А.Лавуазье (1743-1794) дал первую в истории науки классификацию химических элементов.

Корпускулярная теория получила дальнейшее развитие в трудах выдающегося английского ученого-химика Дж.Дальтона (1776-1844). В 1803г. Дальтон открыл закон простых кратных отношений, согласно котором различные элементы могут соединиться друг с другом в соотношениях 1:1,1:2 и т.п.

Парадоксом истории науки является абсолютное непризнание Дальтоном открытого в 1808 г. французским ученым Ж.Гей-Люсаком закона простых объемных отношений. Согласно этому закону объемы как участвующих в реакции газов, так и газообразных продуктов реакции находятся в простых кратных соотношениях. Например, соединения 2 л водорода и 1л кислорода дает 2 л. водяных паров. Это противоречило теории Дальтона отвергал закон Гей-люсака как не соответствующий его атомной теории.

Выход из этого кризисного положения был указан Амедео Авогадро. Он нашел возможность объединить атомистическую теорию Дальтона с законом Гей-Люсака. Гипотеза состоит в том, что число молекул всегда одно и то же в одинаковых объемах любых газов или всегда пропорционально объемам. Авогадро тем самым впервые вводит в науку понятие молекулы как соединение атомов. Это объясняло результаты Гей-Люсака: 2 л молекул водорода в соединении с 1 л молекул кислорода дают 2л молекул водяных паров:

2Н2 +О2 =2Н2 О

Исключительную важность гипотеза Авогадро приобретает в связи с тем, что из нее вытекает существование постоянного числа молекул в моле любого вещества. В самом деле если обозначить молярную массу (массу вещества, взятого в количестве одного моля) через М,а относительную молекулярную массу через т , то очевидно, что

M=NA m

где NA -число молекул в моле. Оно одинаково для всех веществ:

NA =М/m

Используя это, можно получить еще один важный результат. Гипотеза Авогадро гласит, что одинаковое число молекул газа всегда занимает одинаковый объем. Следовательно, объем Vo , который занимает моль любого газа при нормальных условиях (температура 0Co и давление 1.013*105 Па), является постоянной величиной. Этот молярный

объем был вскоре изменен экспериментально и оказался равным: Vo =22,41*10-3 м3

Одной из первоочередных задач физики стало определение числа молекул в моле любого вещества NA , получившего в дальнейшем постоянная Авогадро.

Австрийский ученый Людвиг Больцман (1844-1906), выдающийся физик-теоретик, автор многочисленных фундаментальных исследований в различных областях физики, он горячо отстаивал анатомическую гипотезу.

Больцман впервые рассмотрел важный вопрос о распределении тепловой энергии по различным степеням свободы частиц газа. Он строго показал, что средняя кинематическая энергия частиц газа Е пропорциональна абсолютной температуре Т:

Е Т Коэффициент пропорциональности можно найти пользуясь основным уравнением

молекулярнокинематической теории:

р =2/3 пЕ

Где п – концентрация молекул газа. Умножив обе части этого равенства на молекулярный объем Vo. Поскольку п Vo есть число молекул в моле газа, получим:

р Vо == 2/3 NA Е

С другой стороны, уравнение состояния идеального газа определяет произведение р

Vо как

р Vо =RT

Следовательно, 2/3 NA Е = RT

Или E=3 RТ/2NA

Отношение R/NА является постоянной величиной, одинаковой для всех для всех веществ. Эта новая универсальная физическая постоянная получила, по предложению М.

Планка, название постоянной Больцмана k

k= R/NA.

Заслуги Больцмана в создании молекулярно-кинетической теории газов получили тем самым должное признание.

Численное значение постоянной Больцмана равно: k= R/NA =8,31Дж моль/6,023*1023 К моль=1,38*10-16 Дж/К.

Постоянная Больцмана как бы связывает характеристики микромира (средняя кинетическая энергия частиц Е) и характеристики макромира (давление газа и его температуру).

Постоянная Фарадея

Изучение явлений, так или иначе связанных с электроном и его движением, позволили с единых позиций объяснить самые разнообразные физические явления: электричества и магнетизм, свет и электромагнитные колебания. Строение атома и физику элементарных частиц.

Еще за 600 лет до н.э. Фалес Милетский обнаружил притяжение легких тел (пушинки. кусочки бумаги) натертым янтарем (янтарь в переводе с древнегреческого означает электрон).

Работы, в которых качественно описываются те или иные электрические явления. появились вначале очень скупо. В 1729 г. С.Грей установил разделение тел на проводники электрического тока и изоляторы. Француз Ш.Дюфэ обнаружил, что сургуч, натертый мехом, также электризуется, но противоположно электризации стеклянной палочки.

Первая работа, в которой была предпринята попытка теоретически объяснить электрические явления, была написана американским физиком В.Франклином в 1747 г. Для объяснения электризации он предложил существование некой «электрической жидкости» (флюида), которая входит в качестве составной части во всякую материю. Наличие двух видов электричества он связывал с существованием двух типов жидкостей-«положительной» и «отрицательной». Обнаружив. что при трении друг о друга стекло и шелк электризуются поразному.

Именно Франклин первым высказал предположение об атомарной, зернистой природе электричества «Электрическая материя состоит из частичек, которые должны быть чрезвычайно мелкими».

Основными понятиями в науке об электричестве удалось сформулировать лишь после того, как появились первые количественные исследования. Измеряя силу взаимодействия электрических зарядов, французский ученый Ш.Кулон в 1785 г. установил закон

взаимодействия электрических зарядов:

F= k q1 q2 /r2

где q1 и q 2 – электрические заряды, r-расстояние между ними,

F – сила взаимодействия между зарядами, k- коэффициент пропорциональности. Трудности с использованием электрических явлений во многом были вызваны тем, что в распоряжении ученых не было удобного источника электрического тока. Такой

источник в 1800 г. изобрел итальянский ученый А.Вольта – это был столб из цинковых и серебряных кружочков, разделенных смоченной в подсоленной воде бумагой. Начались интенсивные исследования прохождения тока через различные вещества.

электролизом, оно содержало в себе первые указания на то. что материя и электричество связано друг с другом. Важнейшие количественные исследования в области электролиза выполнил величайший английский физик М.Фарадей (1791-1867). Он установил, что масса вещества, выделившегося на электроде при прохождении электрического тока, пропорциональна силе тока и времени (закон электролиза Фарадея).Исходя из этого, он показал, что для выделения на электродах массы вещества, численно равной М/п (М- молярная масса вещества, п - его валентность), нужно пропустить через электролит строго определенный заряд F. Таким образом в физике появилась еще одна важнейшая универсальная F, равная как показали измерения, F=96 484,5 Кл/моль.

Впоследствии постоянная F была названа числом Фарадея. Анализ явления электролиза привел Фарадея к мысли, что носителем электрических сил являются не какиелибо электрические жидкости, а атомы-частицы материи. “Атомы материи каким-то образом одарены электрическими силами”, - утверждает он.

Фарадей впервые обнаружил влияние среды на взаимодействие электрических зарядов и уточнил вид закона Кулона:

F= q1 q2/ ε r2

Здесь-ε - характеристика среды, так называемое диэлектрическая постоянная. На основании этих исследований Фарадей отверг действие электрических зарядов на расстоянии (без промежуточной среды)и ввел в физику совершенно новое и важнейшее представление о том, что носителем и передатчиком электрического влияния является электрическое поле!

Заряд и масса электрона

Эксперименты по определению постоянной Авогадро заставили физиков думать о том, не слишком ли большое значение придается характеристикам электрического поля. Не существует ли более конкретный, более материальный носитель электричества? Впервые эту мысль четко в 1881г. выразил Г.Гельмольц: «Если мы допускаем существование химических атомов, то мы принуждены заключить отсюда далее, что также и электричество, как положительное, так и отрицательное, разделяется на определенные элементарные количества, которые играют роль атомов электричества».

Расчет этого «определенного элементарного количества электричества» выполнил ирландский физик Дж.Стоней (1826-1911). Он предельно прост. Если для выделения одного моля одновалентного элемента при электролизе требуется заряд, равный 96484,5 Кл, а в одном моле содержится 6*1023 атомов, то очевидно, что разделив число Фарадея F на число Авогадро NA , мы получаем количество электричества, необходимое для выделения одного

атома вещества. Обозначим эту минимальную порцию электричества через е :

Е = F/ NA =1,6*10-18 Кл.

В 1891 г. Стоней предложил назвать эту минимальную порцию электричества электроном. Вскоре это было принято всеми.

Универсальные физические постоянные F и NA - в соединении с интеллектуальными усилиями ученых вызвали к жизни еще одну постоянную – заряд электрона е.

Факт существования электрона как самостоятельной физической частицы был установлен в исследованиях при изучении явлений, связанных с прохождением электрического тока через газы. И опять мы обязаны воздать должное проницательности Фарадея, впервые начавшего эти исследования в 1838 г. Именно эти исследования привели к открытию так называемых катодных лучей и в конечном счете к открытию электрона.

Для того чтобы убедиться в том, что катодные лучи действительно представляют собой поток отрицательно заряженных частиц, необходимо было в прямых экспериментах определить массу этих частиц и их заряд. Эти эксперименты 1897г. осуществил английский физик Дж. Дж. Томсон. Одновременно он использовал отклонение катодных лучей в электрическом поле конденсатора и в магнитном поле. Как показывают расчеты, угол

отклонения лучей θ в электрическом поле напряженностью δ равен:

θ = еδ / т* l/v2 ,

где е - заряд частицы, т - ее масса, l- длина конденсатора,

v – скорость частицы (она известна).

При отклонении лучей в магнитном поле В угол отклонения α равен:

α = еВ/т * l/v

При θ ≈ α (что достигалось в опытах Томсона) можно было определить v, а затем рассчитать и отношение е / т является константой, не зависящей от природы газа. Томсон

первый четко сформулировал мысль о существовании новой элементарной частицы вещества, поэтому он по праву считается открывателем электрона.

Честь прямого измерения заряда электрона и доказательства того, что этот заряд действительно является мельчайшей неделимой порцией электричества, принадлежит замечательному американскому физику Р.Э.Милликену. В пространство между пластинками конденсатора через верхнее окошко впрыскивались капли масла из пульверизатора. Теория и эксперимент показали, что при медленном падении капли сопротивление воздуха приводит к тому, что скорость ее становится постоянной. Если напряженность поля ε между пластинами равна нулю, то скорость капли v 1 равна:

v1 = f P

где P -вес капли,

f- коэффициент пропорциональности.

При наличии электрического поля скорость капли v 2 определяется выражением:

v2 = f (q ε - P),

где q - заряд капли. (Предполагается, что сила тяжести и электрическая сила направлены противоположно друг другу.) Из этих выражений следует, что

q= P/ε v1 * (v1 + v2 ).

Для измерения заряда капель Милликен использовал открытые в 1895 г

ионизировать воздух. Ионы воздуха захватываются каплями, в результате чего изменяется заряд капель. Если обозначить заряд капли после захвата иона через q ! , а ее скорость через v 2 1 , то изменение заряд дельта q = q ! - q

дельта q== P/ε v1 *(v1 - v2 ).,

величина P/ ε v 1 для данной капли является постоянной. Таким образом, изменение заряда капли оказывается сведенным к измерению пути, пройденного каплей масла, и времени, за которое был пройден этот путь. Но время и путь можно было легко и достаточно точно определить на опыте.

Многочисленные измерения Милликена показали, что всегда, независимо от размеров капли, изменение заряда является целым кратным от некоторого наименьшего заряда е:

дельта q=пе, где п- целое число. Таким образом, в опытах Милликена было установлено существование минимального количества электричества е . Опыты убедительно доказали атомистическую структуру электричества.

Эксперименты м расчеты позволили определить значение заряда е Е=1.6*10-19 Кл.

Реальность существования минимальной порции электричества была доказана, сам Милликен за эти реакции в 1923г. был удостоен Нобелевской премии.

Теперь, используя известное из опытов Томсона значение удельного заряда электрона е/т и е, можно вычислить и массу электрона т е .

Ее значение оказалось равным:

т е .=9,11*10-28 г.

Скорость света

Впервые метод прямого измерения скорости света предложил основоположник экспериментальной физики Галилей. Его идея была очень проста. Два наблюдателя с фонарями располагались на расстоянии нескольких километров друг от друга. Первый открывал заслонку на фонаре, посылая в направлении второго световой сигнал. Второй заметив свет фонаря, открывал заслонку своего и посылал сигнал в сторону первого наблюдателя. Первый наблюдатель измерял время t , прошедшее между открытием им

своего фонаря и временем, когда он заметил свет второго фонаря. Скорость света с, очевидно равна:

где S- расстояние между наблюдателями, t – измеренное время.

Однако первые опыты, предпринятые во Флоренции по этому методу, не дали однозначных результатов. Уж очень малым и трудным для измерения оказался промежуток времени t. Все же из опытов следовало, что скорость света конечна.

Честь первого измерения скорости света принадлежит датскому астроному О.Ремеру. Проводя в 1676г. наблюдения затмения спутника Юпитера, он заметил, что когда Земля находится на отдаленной от Юпитера точке своей орбиты, спутник Ио появляется из тени Юпитера на 22 мин позже. Объясняя это, Ремер писал: «Это время свет употребляет на прохождение места от моего первого наблюдения до теперешного положения». Разделив диаметр земной орбиты D на время запаздывания, можно было получить значение света с . Во времена Ремера, D было известно неточно, поэтому из его измерений следовало, что с ≈ 215000 км/с. В дальнейшем были уточнены как значение D , так и время запаздывания, поэтому теперь, пользуясь методом Ремера, мы получили бы с ≈ 300 000 км/с.

Спустя почти 200 лет после Ремера скорость света была впервые измерена в земных лабораториях. Это сделал в 1849г. француз Л.Физо. Его метод в принципе не отличался от метода Галилея, только второй наблюдатель был заменен отражающим зеркалом, а вместо заслонки, открываемой рукой было применено быстро вращающееся зубчатое колесо.

Одно зеркало Физо расположил в Сюрен, в доме своего отца, другое - на Монмарте в Париже. Расстояние между зеркалами было равно L=8,66 км. Колесо имело 720 зубцов, свет достигал максимальной интенсивности при скорости вращения колеса, равно 25 об/с. Скорость света ученый определял по формуле Галилея:

Время t, очевидно, равно t =1/25*1/720 с=1/18000с и с=312 000 км/с

Все перечисленные измерения проведены в воздухе. Расчет скорости в пустоте производился по известному значению показателя преломления воздуха. Однако при измерениях на больших расстояниях могла возникнуть ошибка за счет неоднородности воздуха. Чтобы устранить эту ошибку, Майкельсон в 1932г. измерил скорость света методом вращающейся призмы,но при распространении света в трубе, из которой был выкачан воздух, и получил

с=299 774 ± 2 км/с

Развитие науки и техники позволило внести в старые методы некоторые улучшения и разработать принципиально новые. Так в 1928г. вращающееся зубчатое колесо заменяется безынерционным электрическим прерывателем света, при этом

С=299 788± 20 км/с

С развитием радиолокации возникли новые возможности для измерения скорости света. Аслаксон, используя этот метод в 1948 г. получил значение с=299 792 +1,4 км/с, а Эссен методом интерференции микроволн- с=299 792+3 км/с. В 1967г. выполняются измерения скорости света с гелий-неоновым лазером в качестве источника света

Постоянные Планка и Ридберга

В отличие от многих других универсальных физических постоянных постоянная Планка имеет точную дату своего рождения14 декабря 1900г. В этот день М.Планк в Немецком физическом обществе сделал доклад, где для объяснения излучательной способности абсолютно черного тела фигурировала новая для физиков величина h Исходя

из экспериментальных данных, Планк вычислил ее значение: h= 6,62*10-34 Дж с.