Файл в формате PPT (4,5 МB)

Лекционный курс
«Физические основы
измерений и эталоны»
Раздел
ВВЕДЕНИЕ.
ЕДИНИЦЫ ИЗМЕРЕНИЙ И ЭТАЛОНЫ
Лектор ЕВДОКИМОВ
ИГОРЬ НИКОЛАЕВИЧ
доктор физико-математических наук,
профессор кафедры физики
(ауд. 354-А)
http://eee.gubkin.ru/
Международная
система единиц СИ
и ее реализация
в эталонах
Система СИ была принята
XI Генеральной конференцией по
мерам и весам в 1960 г.
На территории РФ действует
с 1 января 1982 г.
в соответствии с
ГОСТ 8.417–81.
Основные единицы СИ
Наименование
единицы
Обозначение
международное
русское
Килограмм
kg
кг
Масса
Метр
m
м
Длина
Секунда
s
с
Время
Ампер
А
А
Сила электрического
тока
Кельвин
К
К
Термодинамическая
температура
Моль
mol
моль
Количество вещества
Кандела
cd
кд
Сила света
Измеряемая величина
Эталон – это средство измерений (или комплекс
средств измерений), предназначенное для
воспроизведения и (или) хранения единицы и
передачи ее размера нижестоящим по поверочной
схеме средствам измерений и утвержденное в
качестве эталона в установленном порядке.
ИСТОРИЯ
ЛИНЕЙНЫХ
МЕР
И
ЭТАЛОНОВ
САМЫЕ ДРЕВНИЕ МЕРЫ
• Испания – сигара (расстояние, которое
проплывает корабль, пока выкуривается сигара).
• Япония – лошадиный башмак
(расстояние, которое проходит лошадь, пока не
износится ее соломенная подкова).
• Египет – стадий (расстояние, которое
проходит мужчина за время от первого луча солнца
до появления всего солнечного диска).
• У многих народов – стрела (расстояние,
которое пролетает стрела).
Меры
Египта
и Рима
Большие расстояния римляне измеряли в пасах.
На Руси издавна использовали
аршин («арш» – локоть), ту же меру
длины, которой пользовались
египтяне.
Пядь, или четверть (18 см) = 1/4 аршина
1/16 аршина – вершок (4, 4 см)
САЖЕНЬ
Маховая
Косая
В Англии использовался дюйм, ярд и фут.
Переход
к единой
системе мер
Май 1875г.
Подписана Международная метрическая
конвенция.
Создано Международное бюро мер и весов
(Париж).
В 1782 г. приняли за единицу длины 1/40000000 часть
длины земного меридиана, проходящего через Париж.
Измерить длину меридиана было поручено астрономам
Мешену и Деламберу. Работа продолжалась шесть лет.
На основании полученных учеными данных, из сплава
90% платины и 10% иридия был изготовлен эталон
новой единицы, хранившийся в г. Севре во Франции .
Эту единицу назвали метром — от греческого
слова «метрон», что значит «мера».
С основного эталона метра были сделаны копии.
Копия №28 долго служила государственным эталоном
метра России.
Сентябрь 1889г.
1-я Генеральная конференция по мерам и весам.
“Метр – длина, равная 1/40.000.000 длины
Парижского меридиана”
Прототип метра –
платино-иридиевый жезл
– штриховая мера.
Неопределенность 0,1 мкм.
Октябрь 1960г.
XI Генеральная конференция по мерам и весам.
“Метр – длина, равная 1650763,73 длин волн в
вакууме излучения, соответствующего переходу
между уровнями 2p10 - 5d5 атома криптона-86”
(Резолюция 6).
Неопределенность 0,01 мкм
Октябрь 1983г.
XVII Генеральная конференция по мерам и весам.
“Метр есть длина пути проходимого светом в
вакууме за интервал времени, равный
1/299792458 секунды” (Рекомендация 1)
“Значение скорости света в вакууме
с=299792458 м/с точно!”
Сентябрь1997г.
9-я Сессия Консультативного комитета по
длине.
Рекомендованное значения частоты и длины
волны излучения в вакууме He-Ne / I2 лазера
ν = 473612214705 кГц
λ = 632,99139822 нм
Наивысшая точность воспроизведения метра
10-11 м
РАЗВИТИЕ
ЭТАЛОННОЙ
БАЗЫ
РОССИИ
Именной указ Императора Николая I от
11 октября 1835 г. «О системе
Российских мер и весов» утвердил
первые государственные эталоны.
За основание системы были приняты:
• линейная мера – сажень в 7
английских футов с разделением на
3 аршина, каждый в 28 дюймов, или
16 вершков;
• мера веса – фунт, равный весу
перегнанной воды в объеме 25,019
куб. дюймов;
• мера жидких тел – ведро в 30 фунтов
перегнанной воды или 750,57 куб.
дюймов;
• мера сыпучих тел – четверик в 64
фунта или в 1601,22 куб. дюйма при
температуре 13 1/3º Реомюра.
Промышленный подъем в России, конец ХIХ – начало ХХ вв.
 Менее чем за десятилетие (18931899 гг.) объем промышленного
производства удвоился.
Интенсивно развивались наука,
торговля, страна утверждалась
на мировом экономическом
рынке.
 Количество
машиностроительных заводов с
1860 по 1890 гг. возросло в три
раза. Длина железнодорожной
сети возросла с 1,5 тысяч
километров в 1860 г. до 33 тыс.
километров в 1895 г.
 Возникает нефтяная
промышленность. В 1865 г.
добывали всего 557 тысяч пудов
нефти, в 1890 г. -243 млн. пудов, а
в 1895 г. - 426 млн пудов.
 Активно развиваются
текстильная, бумажная,
химическая, газовая отрасли
промышленности.
«…нефтяная промышленность, по случаю
вздорожания нефти и продуктов ее переработки,
требует более точного учета... Помимо указанных
выше больших, по мнению заинтересованных лиц,
ошибок в весе нефти, правильному течению сделок
с нею много вредит и отсутствие у нас каких либо
правил и постановлений об однообразных приемах
определения в нефти и ее остатках воды и других
примесей, вследствие чего возникают многие
споры и недоразумения между продавцами и
покупателями, пользующимися для указанной цели
неодинаковыми приборами и методами».
«Показания одних и тех же ареометров,
проверенных в разных правительственных
учреждениях (Техническом комитете Министерства
финансов и в Главной палате мер и весов),
оказываются несогласными, а именно: по
свидетельству Технического комитета ареометр
оказался верным, а по свидетельству Главной
палаты-имеющим погрешность в 0,001. Старший
инспектор Главной палаты А.Н.Доброхотов
объяснил такое несогласие тем, что Технический
комитет в своих свидетельствах не указывает
величины погрешности, а в свидетельствах
Главной палаты таковая погрешность приводится.»
Метрологическая реформа предусматривала
следующие основные мероприятия:
1. Создание новой усовершенствованной и расширенной базы
национальных эталонов единиц физических величин.
2. Основание научного метрологического центра страны –
Главной палаты мер и весов, способного на должном уровне
решать научные, практические и организационные задачи по
обеспечению единства измерений.
3. Разработка новых законов в области метрологии,
обеспечивающих юридическую поддержку реформы.
4. Открытие сети поверочных учреждений в различных городах
Российской Империи для контроля за применением мер и
контрольно-измерительных приборов на местах.
5. Проведение комплекса работ по подготовке России к переходу
на международную метрическую систему единиц.
«Для сохранения в государстве единообразия,
верности и взаимного соответствия мер и весов в
ведении Министерства финансов состоит в С.Петербурге Главная палата мер и весов»
Эталонные установки и лаборатории Главной
палаты мер и весов, конец XIX- начало XX веков
«Поручили мне дело
упорядочения мер и весов
в России, чем я занят с
тех пор с увлечением, так
как тут чистая наука
тесно переплеталась с
практической»
Д.И.Менделеев,
первый управляющий
Главной палатой мер и весов
(1893-1907 гг.)
Великий русский ученый, мыслитель, энциклопедист, патриот,
советник правительства, педагог
«… основную задачу Палаты мер
и весов должно составлять
точное объединение мер,
применяемых в торговле и
промышленности Империи, и
укрепление во всем мире
доверия к постановке
метрологических задач в России»
Д.И.Менделеев
Новые эталоны длины и массы –аршин и фунт,
воспроизведенные под руководством
Д.И.Менделеева
Эталонные весы
фирмы «Неметц»
В настоящее время эталонная база России имеет в
своем составе 114 государственных эталонов (ГЭ) и
более 250 вторичных эталонов единиц физических
величин.
• 52 находятся во Всероссийском научно-исследовательском
институте метрологии им. Д. И. Менделеева (ВНИИМ, СанктПетербург), в том числе эталоны метра, килограмма, ампера,
кельвина и радиана.
• 25 – во Всероссийском научно-исследовательском институте
физико-технических и радиотехнических измерений
(ВНИИФТРИ, Москва), это эталоны единиц времени и частоты.
• 13 – во Всероссийском научно-исследовательском институте
оптико-физических измерений, в том числе эталон канделлы.
• 5 и 6 – в Уральском и Сибирском научно-исследовательских
институтах метрологии.
«ИНТЕЛЛЕКТУАЛИЗАЦИЯ» МЕСТОРОЖДЕНИЙ
ФОНТАНЫ НЕФТИ И ФОНТАНЫ ДАННЫХ
Разработка нефтегазовых месторождений и организация
нефтепромыслов сопровождается в современных условиях большим
количеством данных технологического процесса
Эталонная база насчитывает в настоящее время большое
количество государственных эталонов, причем их
число продолжает увеличиваться.
Эту тенденцию нельзя назвать положительной,
поскольку независимое воспроизведение основных
единиц, невысокая точность и несогласованность
воспроизведения на их основе производных единиц в
разных условиях и диапазонах их значений не
способствует обеспечению единства измерений.
Поэтому главной задачей современной метрологии
является создание системы взаимосвязанных эталонов
на основе использования фундаментальных
физических констант и высокостабильных квантовых
явлений.
Квантовая метрология
В начале 20 века немецкий физик М. Планк показал, что
основные единицы для нашей Вселенной, однозначно
предопределенные наиболее общими законами физики,
могут быть составлены из фундаментальных физических
констант: скорости света с, постоянной Планка h, и
гравитационной постоянной g.
Значения этих констант, фигурирующие в виде
коэффициентов в уравнениях основных физических
теорий – классической и квантовой электродинамике и
общей теории относительности – являются максимально
стабильными и не зависящими от внешних условий.
• Однако планковские единицы длины l  10-33 см,
времени t  10-43 с, массы m  10-5 г лежат очень далеко
от используемых на практике диапазонов.
• Кроме того, значение гравитационной постоянной до сих
пор известно с недостаточной точностью. Но самым
главным недостатком планковских единиц является то,
что мы не располагаем реальными физическими
процессами, в которых бы они воспроизводились.
• В частности, науке пока не известны объекты, которые
бы имели в точности планковскую массу или длились бы
планковское время.
• Именно поэтому планковские единицы, несмотря на их
универсальность в метрологии пока не используются.
Реальная возможность создания универсальной системы
естественных мер появилась после открытия так
называемых макроскопических квантовых эффектов:
явлений сверхпроводимости, сверхтекучести, квантового
эффекта Холла, эффектов Ааронова-Бома, Зеемана,
Джозефсона, Мессбауэра . В этих эффектах в результате
когерентного (упорядоченного) поведения огромного
числа микрочастиц происходит квантование строго
определенными порциями той или иной
макроскопической величины.
Рассмотрим, в частности, эффект Джозефсона, который
возникает в контакте
двух сверхпроводников,
разделенных тонким
слоем диэлектрика
Куперовские пары (пары электронов, обеспечивающих
сверхпроводимость) могут просачиваться (туннелировать)
через диэлектрик из одного сверхпроводника в другой.
При этом, если фазы волновых функций пар в двух
сверхпроводниках окажутся различными, то через переход
Джозефсона будет протекать ток в отсутствие разности
потенциалов. Такое явление получило название
стационарного эффекта Джозефсона.
Если приложить к двум сторонам джозефсоновского перехода
напряжение U, то при туннелировании куперовской пары
из одного сверхпроводника в другой избыток ее энергии
2eU излучится в виде кванта света - фотона. Частота 0,
этого кванта определяется законом сохранения энергии:
h0=2eU. Это явление получило название нестационарного
эффекта Джозефсона.
Если, наоборот, облучать джозефсоновский переход
излучением с частотой , то при совпадении этой частоты с
характерной для данного напряжения U частотой 0
возникает резонансное взаимодействие. Такой же резонанс
наступает при =0/n, где n - любое целое число, в
результате чего на вольт-амперной характеристике
появляются особенности
в виде ступенек
при напряжениях:
h
U n 
2e
На использовании эффекта Джозефсона основаны
эталоны единицы напряжения – вольта во всех
промышленно развитых странах с начала 1980-х гг. В
состав эталона обычно входит дискретный переход,
возбуждаемый СВЧ излучением на частоте 8…10 ГГц.
Значение квантованного напряжения составляет при
этом 4…10 мВ. Столь низкое значение
воспроизводимого напряжения вынуждает включать в
состав эталона масштабные преобразователи
напряжения различной конструкции и нормальные
элементы, приводящие к потере точности. В связи с
этим, в самое последнее время были созданы
интегральные схемы, включающие в себя порядка
1000 переходов и позволяющие воспроизводить
напряжение непосредственно в 1 В и выше.
КОНЕЦ
ТЕМЫ