Фізичні основи вимірювань
Фізичні основи вимірів (ФОІ) - це предмет, в якому вивчають загальні принципи і методи вимірювань фізичних величин, засновані на конкретних фізичних явищах і законах, а також вивчають джерела похибок вимірювань і методи підвищення точності вимірювань.
Фізичних величин, що мають не вимірювати в побуті і виробництві кілька тисяч, для кожної з них розробляються і використовуються (і не один) метод вимірювань і своє (СІ).
Навчальний курс ФОІ відрізняється від курсу метрології. Метрологія - вчення про заходи, методах і засобах забезпечення єдності вимірювань в рамках необхідної точності.
Метрологія ділиться на законодавчу і наукову. Наукова метрологія займається розробкою заходів, методів і засобів забезпечення єдності вимірювань в рамках необхідної точності. Образно можна сказати, що наукова метрологія - це філософія вимірювань.
Законодавча метрологія - це своєрідний "юридичний кодекс" в області вимірювань. Законодавча метрологія стежить за строгим дотриманням методів, методик і правил, що забезпечують єдність вимірювань в рамках необхідної точності.
Класифікація фізичних величин
Величини, що мають не вимірювати, можна розділити на 2 види:
Нефізичні величини: мораль, краса, розум, .... Ці величини порівнюють між собою за допомогою так званих експертних оцінок. Вони не мають кількісних властивостей, хоча можуть вимірюватися в балах, що виставляються експертами (фахівцями, визнаними в своїй справі громадськістю або іншими фахівцями).
Фізична величина - властивість матеріальних об'єктів, загальна в якісному відношенні для багатьох об'єктів, але індивідуальне в кількісному відношенні для кожного з них.
Наприклад, маса - міра інертності (інертна маса) або міра гравітаційної взаємодії (гравітаційна маса) будь-яких матеріальних об'єктів, але не існує макроскопічних матеріальних об'єктів з однаковою масою.
Фізичні величини мають і якісними, і кількісними властивостями. Наприклад, маса як міра інертності (краще говорити - інерційності) включає в себе якісне властивість матерії - інерційність як здатність тіл зберігати значення імпульсу при відсутності дії зовнішніх сил і включає в себе кількісне властивість - величину маси.
У будь-якого фізичного об'єкта є нескінченна кількість властивостей, і будь-яка класифікація об'єднує або виділяє лише малу частину цих властивостей.
1. За якісним фізичним властивостям: інерційність (маса); ступінь "нагретости" (температура); взаємодія з постійним електричним полем (діелектрична проникність); і так далі.
Таким чином, можна ввести електричні, механічні, оптичні, акустичні та інші величини.
2. По залежності величини від напрямку в даній точці простору. Цю залежність описують три види фізичних величин:
- скаляри (температура, тиск, маса, щільність). Їх значення не залежить від напрямку;
- вектори (швидкість, сила, напруженість електричного і магнітного полів, імпульс). Значення цих величин не рівні нулю тільки в певному напрямку;
Сюди ж відносяться і квазівектори. В даному випадку вектор, що описує дану фізичну величину, розташований уздовж обраної осі і його напрямок уздовж цієї осі залежить від угоди. Наприклад, напрямок вектора, що є результатом векторного добутку двох звичайних векторів, вибирається зазвичай по правилу правого гвинта (зокрема, так вибирається напрямок моменту сили). Квазівектором є кутова швидкість;
- тензори. В даному випадку значення фізичної величини в даній точці простору залежить від напрямку. У різних напрямках значення фізичної величини різний.
Розглянемо це властивість тензорів докладніше на прикладі співвідношення між векторами і.
Вектор електричної індукції зазвичай визначається за формулою, де ε-діелектрична проникність. З цієї формули видно, що вектор завжди паралельний вектору напруженості електричного поля, і його величина пропорційна величині вектора. Однак ця формула справедлива в так званих ізотропних середовищах, в яких значення ε однаково в будь-яких напрямках в просторі (повітря, скло). Тут ε - є скаляром.
Коли між обкладинками конденсатора розташоване кристалічна речовина вектор може бути не паралельним вектору. Тоді співвідношення між і записують у вигляді системи рівнянь. У цій системі рівнянь - числа, які описують діелектричні властивості анізотропного речовини в обраній системі координат xyz, і - проекції вектора і вектора в цій системі координат. Зокрема, якщо на рис. Ex ≠ 0 і Ey = Ez = 0, маємо. Зазначена вище система рівнянь може бути записана у вигляді. Числа називають компонентами тензора другого рангу. Таких чисел всього дев'ять. Їх можна записати у вигляді матриці:. Як правило, для фізичних величин виконується рівність, тобто тензор є симетричним.
Існують також фізичні величини, властивості яких описуються тензорами третього, четвертого і більш високого рангу. Скаляри можна назвати тензорами нульового рангу, вектори - тензорами першого рангу.
3. По відношенню до процесу вимірювання:
- активні і пасивні;
- адитивні і інтенсивні.
Активні - величини, які можуть бути перетворені в сигнали вимірювальної інформації без допоміжних джерел енергії (наприклад: ЕРС, сила тяжіння і т.д.).
Пасивні - величини, які при вимірюванні вимагають використання джерела енергії та перетворення в активні величини (наприклад: опір, індуктивність, ємність і т.д.).
Адитивні - величини, до яких застосовні операції підсумовування і віднімання (наприклад: маса, довжина, ЕРС, заряд і т.д.).
Інтенсивні (неаддитивну) - величини, до яких не можна застосувати операції підсумовування і віднімання (наприклад: температура, питома електропровідність, діелектрична проникність і т.д.).
Родоначальницею всіх приладобудівних спеціальностей з'явилася кафедра «Прилади точної механіки», яка була відкрита в 1961 р на машинобудівному факультеті.
У 1976 р був організований оптико-механічний факультет.