Вимірювання неелектричних величин - Фізика

1. Вимірювання довжини

2. Вимірювання кутів

3. Вимірювання маси

4. Вимірювання температури

З виміром неелектричних величин нам доводиться стикатися набагато частіше, ніж електричними. Погодьтеся, далеко не кожен з нас щодня вимірює силу струму в якомусь навароченому приладі за допомогою осцилографа або просиджує годинником з мультиметром над друкарською платою. Зате буквально кожен другий постійно вдається до допомоги лінійки, для вимірювання довжини чогось дивиться на термометр, вирішуючи йти йому сьогодні на заняття або -30 ° С якось занадто прохолодно. Я вже й не говорю про вимірювання інших величин: кутів, швидкості, освітленості…

Неелектричних величин набагато більше, ніж електричних. А вже приладів для їхнього виміру – більше у квадраті. І тепер переді мною стоїть завдання: спробувати розглянути найпоширеніші методи та засоби вимірювання неелектричних величин.

1. Вимірювання довжини.

Чесно кажучи, я гублюся у здогадах, шукаючи визначення слова «довжина». Довжина – вона і в Барбадосі довжина, тому я не загострюватиму увагу на визначенні.

Основний захід довжини – метр. Вперше ця величина виникла після Великої Французької революції. Французькі вчені прийняли за метр довжину, що дорівнює одній сорокамільйонній частині меридіана Землі, що проходить через Париж. Декілька років географи та фізики скрупульозно займалися вимірюванням цієї частини меридіана і зрештою з'явився архівний метр – лінійка, виготовлена зі сплаву платини та іридію.

Однак незабаром виявилося, що архівний метр насправді коротший за сорокомільйонну частку меридіана. Крім того, копії метра змінилися згодом через перекристалізації металу.

Тоді на допомогу прийшовінший спосіб. Вчені відкрили, що довжина хвиль світла, що випромінюється атомами деяких елементів, набагато постійніша, ніж довжина металевого еталона метра. За допомогою спеціальних приладів можна виміряти довжину зразка, порівнюючи його з довжиною світлової хвилі. Особливо придатною для цієї мети виявилася довжина хвилі помаранчевої лінії спектру, що випускається інертним газом криптоном-86 під час пропускання через нього електричного струму. Вона найбільш постійна і легко вимірна. Довжина цієї хвилі прийнята за природний стандарт довжини – метра. Метр тепер визначається так: метр є довжина, що дорівнює 1650763, 73 довжини хвилі помаранчевого випромінювання криптону-86.

Ну гаразд, що таке метр ми розібралися. Але ж тепер НАМ треба вимірювати цей метр. Причому МИ – прості смертні, які не мають інтерференційних компараторів, щоб проводити вимірювання за допомогою світлових хвиль. Подивимося, які ж прилади у нас є.

Найпростіший прилад, який ми використовуємо для вимірювання довжини – банальна лінійка, яку можна купити у будь-якому газетному кіоску чи магазині канцтоварів. Лінійка є дерев'яною, металевою або пластиковою смужкою, на якій нанесені поділки (зазвичай міліметри). Метод вимірювання лінійкою простий, як самогонний апарат – прикладаємо лінійку до об'єкта (вірніше не до об'єкта, а до поверхні), який треба виміряти та відраховуємо кількість поділів від одного кінця довжини до іншого. Якщо поділів не вистачає - біжимо в магазин за лінійкою більшої довжини, якщо вистачило, тоді, задовольнившись результатом, робимо таку справу.

Лінійки зазвичай не бувають довшими за один метр. Надто вже громіздкими вони виходять. Але ж іноді доводиться міряти довжини і більше, скажімо довжину земельної ділянки, що залишилася у спадок від дідуся. Тоді на допомогуприходять рулетки. Рулетка - та сама лінійка, але виконана у вигляді гнучкої стрічки з тонкого металу або тканини. Вони зазвичай змотуються в один моток і для зручності поміщаються у спеціальний корпус. Крім більшої довжини, рулетки мають ще одну гідність, обумовлену гнучкістю. Ви намагалися поміряти лінійкою, скажімо довжину кола циліндра? Хочете спробувати? Ну, бажаю удачі! Адже рулеткою це робиться дуже просто - обмотуємо циліндр навколо рулеткою і знову насолоджуємося результатом.

Лінійка, звісно добре. Але раптом десь падає завдання іншого плану - виміряти об'єкт маленької довжини, але виміряти точно, до 0, 05 мм. Викидаємо лінійку з рулеткою у смітник і біжимо до магазину за наступним інструментом – штангенциркулем.

Штангенциркуль являє собою лінійку з міліметровими поділами (основна шкала) і рухому рамку, що переміщається по ній. На лівому кінці основної шкали є виступи, які називаються нерухомою губкою, а виступи біля рамки називаються рухомою губкою. Між губками затискають предмет, що вимірюється. Спочатку по штрихах основної шкали відраховують ціле число міліметрів (позначимо l1). Потім по штрихах рамки (ноніуса) визначають довжину більш точно, для чого вважаємо який за рахунком штрих ноніуса збігся зі штрихом на основній шкалі і додаємо до l1 номер штриха, помножений на число, вказане на штангенциркулі. Штангенциркуль дозволяє вимірювати довжину з точністю до 0,01 мм.

На закінчення розповіді про вимірювання довжин хочу повернутися трохи назад і розповісти, як вимірюється довжина за допомогою світлової хвилі. Для таких вимірювань застосовується прилад, що називається інтерференційним компаратором.

Інтерференційний компаратор є таким: на масивній оптичній лаві встановлюють два дзеркала, одне зяких може переміщуватись за допомогою гвинта. Площина дзеркала, що переміщується, точно поєднують з площиною нерухомого. На обидва дзеркала направляють вузьким променем світла від криптонової лампи, відбиті від дзеркал промені зводять в одну точку і спостерігають за її освітленістю. Коли площини обох дзеркал суміщені точно, різниця ходу між відбитими променями дорівнює нулю, а точці ми побачимо світле пляма. Варто зрушити верхнє дзеркало (рухоме) праворуч на чверть світлової хвилі, як відбитий від нього промінь прийде в крапку з різницею ходу на одну напівхвилю, і в точці не буде видно світла - він погаситься через інтерференцію. Якщо верхнє дзеркало зрушити вправо ще на одну чверть хвилі - промінь прийде в крапку з різницею ходу в дві напівхвилі і світло в цій точці посилиться. Відстань між поверхнями дзеркал дорівнюватиме половині довжини світлової хвилі. Спостерігач поступово зрушує верхнє дзеркало і підраховує кількість посилень та послаблень освітленості плями. Коли він нарахує 3301527, 46 таких змін, відстань між дзеркалами можна вважати рівним 1 метр. Насправді спостерігач швидше постаріє, доки порахує 3 млн. змін, тому застосовують прилади, які реєструють кожну зміну та видають її на відповідних індикаторах.