Füüsika mõõtmise põhitehnikad: katsete peamine alus
Pengantar
Mõõtmine on füüsika põhiaspekt, mis võimaldab meil saada kvantitatiivseid andmeid meid ümbritseva maailma kohta. Füüsika põhilised mõõtmistehnikad hõlmavad mitmesuguseid tööriistu ja meetodeid, mida kasutatakse füüsikaliste suuruste, näiteks pikkuse, massi, aja, temperatuuri jne mõõtmiseks. See artikkel käsitleb mõningaid füüsikakatsetes sageli kasutatavaid põhilisi mõõtmistehnikaid ja nende aluseks olevaid põhimõtteid.
1. Pikkuse mõõtmine
Pikkuse või vahemaa mõõtmine on füüsikas üks põhilisemaid tegevusi. Levinud mõõteriistade hulka kuuluvad joonlauad, nihikmõõdikud ja mikromeetrilised kruvimõõturid.
Mistar
Joonlaud on pikkuse mõõtmiseks kõige lihtsam ja põhilisem mõõteriist. Tavaliselt on see valmistatud puidust, plastist või metallist ning sellel on skaala, mis on märgitud meetrites, sentimeetrites ja millimeetrites. Mõõtemääramatus joonlauaga on tavaliselt umbes ±0.5 mm.
Vernier-nihik
Nihik on täpsem mõõteriist kui joonlaud. Sellega saab mõõta pikkusi kuni 0.1 mm täpsusega. See tööriist koosneb kahest lõuast, ühest fikseeritud ja teisest liikuvast, ning nooniusskaalast detailsemate näitude saamiseks.
Kruvimikromeeter
Mikromeetriline kruviga kaliiber on väga suure täpsusega mõõtevahend, tavaliselt umbes ±0.01 mm. Seda kasutatakse väikeste või õhukeste objektide mõõtmiseks. Mikromeetriline kruviga kaliiber koosneb fikseeritud võllist ja liikuvast võllist, mis mõlemad on varustatud pöörleva skaalaga täpsete mõõtmiste tegemiseks.
2. Massi mõõtmine
Mass on suurus, mis näitab objektis oleva aine hulka. Füüsikas mõõdetakse massi kaalu või kaalu abil.
Analoogkaalud
Analoogkaal on massi mõõtmise vahend, mis kasutab vedru objekti kaalu mõõtmiseks. Objekti massile mõjuv gravitatsioonijõud paneb vedru venitama ja kaal kuvab objekti massi. Analoogkaalu mõõtmismääramatus võib varieeruda sõltuvalt vedru seisukorrast ja instrumendi kalibreerimisest.
Digitaalsed kaalud
Digitaalsed kaalud pakuvad massi mõõtmist suurema täpsusega kui analoogkaalud. Need seadmed kasutavad massi mõõtmiseks ja tulemuste digitaalseks kuvamiseks elektroonilisi andureid. Digitaalsete kaalude täpsus võib ulatuda grammidesse või isegi milligrammidesse, olenevalt seadme tüübist ja kvaliteedist.
3. Aja mõõtmine
Aeg on üks füüsika põhisuurusi, mida sageli mõõdetakse stopperi, kella või elektroonilise ajamõõteseadmega.
Stopper
Stopper on aja mõõtmise vahend, mida tavaliselt kasutatakse füüsikakatsetes. Stopperid võivad olla analoog- või digitaalsed ning digitaalsete täpsus on tavaliselt kuni 0.01 sekundit. Neid kasutatakse sageli katsetes, mis nõuavad suhteliselt lühikeste ajavahemike mõõtmist.
Aatomkell
Äärmiselt täpsete ajamõõtmiste jaoks kasutatakse aatomkellasid. Aatomkellad kasutavad aja pidamiseks aatomite (tavaliselt tseesiumi või rubiidiumi) resonantsi. Aatomkellade täpsus võib olla üks sekund miljoni aasta kohta, mis võimaldab teadusuuringutes väga täpseid ajamõõtmisi.
4. Temperatuuri mõõtmine
Temperatuur on suurus, mis näitab aine osakeste keskmist kineetilist energiat. Seda mõõdetakse termomeetri või muu seadme abil, mis sobib mõõdetava temperatuurivahemiku ja tüübiga.
Elavhõbeda ja alkoholi termomeeter
Traditsioonilised termomeetrid kasutavad indikaatorvedelikuna elavhõbedat või alkoholi. Temperatuuri tõustes see vedelik paisub ja tõuseb kapillaartorus, saavutades kindla skaala, mis näitab temperatuuri. Nende termomeetrite täpsus sõltub tavaliselt mõõtepiirkonnast, kuid on üldiselt kümnendmurruga.
Digitaalne termomeeter
Digitaalsed termomeetrid kasutavad temperatuuri mõõtmiseks ja tulemuste digitaalseks kuvamiseks elektroonilisi andureid. Levinud andurid on termopaarid või RTD-d (takistustemperatuuri detektorid). Digitaalseid termomeetreid on sageli lihtsam lugeda ja need pakuvad täpsemaid mõõtmisi, täpsusega kuni lähima kümnendkohani.
5. Elektrivoolu ja -pinge mõõtmine
Elektrivoolu ja -pinge mõõtmine on elektri ja elektroonika uurimisel ülioluline aspekt. Kasutatavate instrumentide hulka kuuluvad ampermeetrid, voltmeetrid ja multimeetrid.
ampermeeter
Ampermeeter on seade, mida kasutatakse elektrivoolu mõõtmiseks vooluahelas. See ühendatakse vooluahelaga järjestikku, et mõõta voolavat voolu. Ampermeetri täpsus sõltub seadme tüübist ja kvaliteedist, kuid üldiselt kasutatakse seda voolu mõõtmiseks milliamprite täpsusega.
voltmeeter
Voltmeeter mõõdab pinget kahe punkti vahel vooluringis. See on ühendatud paralleelselt komponendiga, mille klemmide pinget mõõdetakse. Kaasaegsed digitaalsed voltmeetrid suudavad anda näidud täpsusega mitu kohta pärast koma.
Multimeeter
Multimeeter on mitmekülgne mõõtevahend, mis suudab mõõta voolutugevust, pinget ja takistust. Multimeetreid on saadaval nii analoog- kui ka digitaalversioonina, kusjuures digitaalsed pakuvad üldiselt suuremat täpsust ja on hõlpsamini loetavad.
6. Mõõtmise põhiprintsiibid
Füüsikaliste mõõtmiste puhul tuleb järgida mitmeid põhiprintsiipe:
Kalibreerimine
Kalibreerimine on protsess, mille käigus võrreldakse mõõtevahendit teadaoleva standardiga, et tagada selle täpsus. Kalibreerimata mõõtevahendid võivad anda kallutatud või vigaseid andmeid, mis mõjutavad katsetulemusi.
Mõõtmise ebakindlus
Igal mõõtmisel on määramatus, mida tuleb tunnistada. Selle määramatuse võivad põhjustada mõõtevahend, mõõtmismeetod või muud välised tegurid. Mõõtemääramatuse esitamine on teadusliku aruandluse oluline osa.
Korduvad mõõtmised
Korduvate mõõtmiste tegemine aitab vähendada juhuslikke vigu ja annab usaldusväärsemaid andmeid. Esinduslikuma väärtuse saamiseks kasutatakse sageli mitme mõõtmise keskmist.
Süstemaatilised ja juhuslikud vead
Süstemaatilised vead on vead, mis pidevalt kõrvale kalduvad teatud suunas ja mille põhjuseks on fikseeritud tegurid, näiteks kalibreerimata mõõtevahendid. Juhuslikud vead on vead, mis varieeruvad juhuslikult ja mille põhjuseks on ettearvamatud või kontrollimatud tegurid.
Järeldus
Mõõtmine on kõigi füüsikakatsete alus. Füüsikaliste mõõtmiste põhitehnikate omandamine ja aluspõhimõtete mõistmine on esimene samm täpse ja usaldusväärse teadusliku uurimistöö suunas. Õigete mõõtevahendite, õigete meetodite ja mõõtmismääramatuse põhjaliku mõistmise abil saavad teadlased oma katsetest saada kehtivaid andmeid ja teha usaldusväärseid järeldusi.
