Физические основы измерений. Базовый учебно-методический комплекс

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ТАГАНРОГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

«УТВЕРЖДАЮ» РЕКТОР ТРТУ _______________________ ЗАХАРЕВИЧ В.Г. «____»_____________200__г.

БАЗОВЫЙ УЧЕБНО-МЕТОДИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС дисциплины «Физические основы измерений» Образовательной профессиональной программы (ОПП) 200106 – Информационно-измерительная техника и технологии Факультет электроники и приборостроения Выпускающая

кафедра по ОПП Автоматизированных систем научных исследований и эксперимента Таганрог 2006 г.

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ТАГАНРОГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «СОГЛАСОВАНО» Председатель методической комиссии по образовательной программе

«УТВЕРЖДАЮ» Декан _________ЕГ_______факультета

___________________________ ___________________________ _______________И.Б.Доценко

____________________________ ____________________________ ______________В.В.Василовский

«____»____________2005/6__ учеб.год

«____»___________2005/6___ учеб.год

Образовательная профессиональная программа (ОПП) 200106 – Информационно-измерительная техника и технологии Факультет электроники и приборостроения Выпускающая кафедра по ОПП Автоматизированных систем научных исследований и эксперимента

РАБОЧАЯ ПРОГРАММА дисциплины «Физические основы измерений» Кафедра физики Форма обучения Технология обучения

Академические часы 102 Учебных занятий

-

102 час.

Из них: лекций практических лабораторных самостоятельных индивидуальных курсовая работа

-

36 час. 0 час. 0 час. 48 час. 18 час. 0 час. ___5_____ семестры 5

Промежуточный рейтинг-контроль (зачет) Итоговый рейтингконтроль (экзамен)

Срок обучения

очная стандартная

Курс 3

5 лет

Семестр

5

Зачетные единицы 2,83 Учебных занятий

-

2,33 балла

Из них: лекций практических лабораторных самостоятельных индивидуальных курсовая работа

-

1,0 балл. 0 балл. 0 балл. 1.33 балл. 0,5 балл. 0 балл. __5______ семестры 5

Промежуточный рейтингконтроль (зачет) Итоговый рейтингконтроль (экзамен)

Таганрог 2005 г. 2

Рабочая программа составлена в соответствии с требованиями Государственного образовательного стандарта Российской Федерации образовательной профессиональной программы (ОПП) для специальности 200106 – Информационно-измерительная техника и технологии

Составитель: Должность

Ученая степень

Доцент

к.т.н.

Звание

Ф.И.О.

Подпись

Голосов С.П.

Рабочая программа обсуждена и одобрена на заседании кафедры физики Зав. кафедрой

А.Г.Захаров

Согласовано со специальной кафедрой Название кафедры Кафедра автоматизированных систем научных исследований и экспериментов

Дата

Подпись

Ф.И.О. руководителя д.т.н., профессор Самойлов К.Л.

3

1. МЕСТО, ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ДИСЦИПЛИНЫ В ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЙ ПРОФЕССИОНАЛЬНОЙ ПРОГРАММЕ, реализуемой в университете 1.1.

Место дисциплины в реализации основных задач образовательной профессиональной программы (ОПП). Дисциплина «Физические основы измерений» входит в блок общепрофессиональных дисциплин, федеральный компонент ОПД Ф.05. 1.2.

Место дисциплины в обеспечении образовательных интересов личности обучающегося студента по данной ОПП. При изучении дисциплины «Физические основы измерений» обучающийся студент получает знания о терминах, определениях, понятиях физических основ измерений; изучает методы теории подобия и размерностей, условие достижения достоверности и точности результатов измерений, элементы современной физической картины мира. Кроме того, студенты знакомятся с фундаментальными пределами достижимой точности измерений, осваивают физические принципы создания современной эталонной базы. По изучению курса они смогут грамотно планировать проведение экспериментов при наличии косвенных измерений самых разнообразных физических величин. 1.3. Место дисциплины в удовлетворении требований заказчиков выпускников университета данной ОПП. Знание студентами теоретических положений и получение практических навыков в области физических основ измерений позволяет студентам университета данной специализации быстро включиться в производственную деятельность по проведению разнообразных экспериментов и решать практические задачи. 1.4. Знания, каких учебных дисциплин должны предшествовать изучению дисциплины в данной ОПП. Изучение дисциплины "Физические основы измерений" использует материал дисциплин: "Высшая математика", "Физика", "Информатика", «Математическая статистика». 1.5. Для изучения, каких дисциплин будет использоваться материал дисциплины при реализации рассматриваемой ОПП. Дисциплина «Физические основы измерений» является базовой для изучения таких дисциплин как " Метрология", "Стандартизация", "Сертификация", "Теория автоматического управления", "Общая электротехника и электроника". 1.6. Цель преподавания дисциплины Целью дисциплины «Физические основы измерений» является изучение студентами основ физических измерений, методов теории подобия и размерностей, приобретение навыков в использовании средств измерений. 1.7. Задачи изучения дисциплины 4

Основными задачами дисциплины являются: • научить студентов современным методам достижения достоверности и точности различных видов измерений; • изучить приемы и навыки выбора методики и измерения конкретных масштабов физических величин с минимально возможными погрешностями; • усвоить основные физические закономерности, наиболее часто привлекаемые для решения задач экспериментального физического исследования требуемой точности. 2. СОДЕРЖАНИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКОГО КУРСА. 2.1. Лекционные занятия 2.1.1. Темы лекций 1. Вводная лекция. Предмет “Физические основы измерений”. Его содержание. Распределение учебных часов и материала. Рейтинг-контроль. Экзамен. Понятия об измерениях. Прямые и косвенные измерения. Физический смысл записи конечного результата. 2 часа 2. Методы теории подобия и размерностей. Трансдисциплинарные идеи в естествознании. Трансдисциплинарная идея единства объекта и его окружения. Трансдисциплинарная идея пространственно-временных отношений в природе. Трансдисциплинарная идея экспериментальной достоверности. Роль трансдисциплинарных идей в целостном понимании природы. Адиабатические инварианты. 2 часа 3. Элементы современной физической картины мира. Ретроспективный взгляд на формирование естественнонаучных представлений. Особенности описания природы в классической версии естественнонаучной картины мира. Особенности описания природы в неклассической версии естественнонаучной картины мира. 2 часа 4. Концепция измерения в классическом естествознании. Классические измерительные системы. Проблема измерения в классическом естествознании. Единицы измерения и системы единиц. 2 часа 5. Концепция единого пространства – времени. Временные отношения в природе. Пространственные отношения в природе. Движение частицы. Взаимосвязь пространства и времени. Целостное описание пространства – времени. 2 часа 6. Концепция моделирования объектов. Традиции атомизма и непрерывности в естествознании. Фундаментальные физические модели объектов. Масса как фундаментальная характеристика инертности и гравитации. Импульс как фундаментальная характеристика объекта. Полная энергия и полный момент как фундаментальные характеристики объекта. Роль фундаментальных законов сохранения в описании природы. 2 часа 7. Концепция контролируемого воздействия. Воздействие и взаимодействие. Характеристики контролируемого воздействия на частицу. Фундаментальные силы. Механическая энергия и динамика частицы. Энергия взаимодействия в системе частиц. 2 часа 8. Концепция измерения в неклассическом естествознании. Концепция моделирования состояний. Неклассические представления о характеристиках объектов и состояний. Фундаментальные модели неклассической физики. 2 часа 9 Концепция микросостояния объекта. Ограничение воздействия на микроуровне как фундаментальный закон природы. Микросостояние одной микрочастицы. Целостность микросостояний. Особенность микросостояний системы тождественных частиц. 2 часа 10. Концепция макросостояний объектов. Тепловое равновесие как макросостояние. Детерминированное и стохастическое движения. Ограничение воздействия на макроуровне как фунда-

5

ментальный закон природы. Макропараметры как характеристики объектов и их макросостояний в тепловом равновесии. Два способа описания природы на макроуровне. 2 часа 11. Концепция флуктуаций и их корреляций. Флуктуации и их роль в описании природы. Флуктуации и альтернативная корреляция между ними в микромире. Флуктуации и неальтернативная корреляция между ними в макромире. Универсальные корреляции между флуктуациями в неклассической физике. 2 часа 12. Физические принципы создания современной эталонной базы. Использование явления сверхпроводимости. 2 часа 13 Явление Зеемана. Явление Джозефсона. 2 часа 14. Явление Мессбауэра. Другие эффекты квантовой физики. 2 часа 15. Классический и квантовый эффекты Холла. Метод измерения подвижности носителей тока в металлах и полупроводниках, основанный на эффекте Холла. Измерение фазы волновой функции и связанные с ней эффекты. Эффект Ааронова-Бома. 2 часа 16. Измерение абсолютного заряда электрона и его удельного заряда. Опыт Милликена. Метод Томсона. Метод магнитной фокусировки Буша. Инерционный метод измерения заряда. 2 часа 17. Естественные пределы точности измерений. Броуновское движение. Шумы, обусловленные дискретностью вещества. Шумы и помехи. Дробовый эффект. Шумы Найквиста. Фундаментальный источник погрешностей измерений – самодвижение материи. 2 часа 18. Заключительная лекция по курсу ФОИ. 2 часа

2.1.2. Основная литература 1. Савельев И.В. Курс общей физики. т.1, т.2, т.3. М.: Наука, 1979 г. 2. Фейнмановские лекции по физике. т.1-9. М.: Мир. 1966 г. 3. Волощенко В.Ю., Сапогин В.Г. Оценка погрешностей при физических измерениях. Для студентов дневной формы обучения по направлению подготовки бакалавров и магистров: 550 000 – технические науки. №87. Таганрог 2004 г. .

2.1.3. Дополнительная литература 4. Сквайрс. Дж. Практическая физика. М.: Мир.1971 г. 5. Солоухин Р.И. Методы физических измерений. Н-ск. Наука. Сиб. отд. 1975 г. 6. Атамалян Э.Г. Приборы и методы измерения электрических величин. М.: Высшая шк. 1982 г. 7. Спектор С.А. Электрические измерения физических величин. Методы измерений. Для студентов ВУЗов. Ленинград. Энергоатомиздат. !987 г. 8. Деденко Л.Г., Керженцев В.В. Математическая обработка и оформление результатов эксперимента (в лабораториях общего физического практикума). Под редакцией проф. Матвеева А.Н. Издательство Московского университета, 1977 г.

2.2. Лабораторные занятия – не планируются 2.3. Практические занятия – не планируются

6

2.4. Индивидуальные занятия. Форма организации индивидуальных занятий: - самостоятельное изучение отдельных проблемных вопросов курса и выполнение домашнего индивидуального задания под контролем преподавателя. Содержание индивидуальных занятий: - освоение основных элементов современной физической картины мира (2 часа); освоение концепции измерения в классическом естествознании (3 часа); освоение концепции измерения в неклассическом естествознании (3 часа); написание реферата (10 часов).

2.5. Курсовое проектирование – не планируется Разработчик программы: Голосов С.П. – к.т.н., доцент кафедры физики ТРТУ.

7

КАРТА методической обеспеченности учебной дисциплины «Физические основы измерений» для студентов образовательной профессиональной программы 200106 Информационно-измерительная техника и технологии по бакалавриату ________________________________________________________________, специалитету _______________________________________________________________, курса__3___________________групп__1_________________

1. ОСНОВНАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. Савельев И.В. Курс общей физики. т. 1, т. 2, т .3. М.: Наука, 1979 г. на кафедре 2экз, в НТБ -- 53 экз. 2. Фейнмановские лекции по физике. т. 1-9. М.: Мир. 1966 г. на кафедре 5 экз., в НТБ – 10 экз. 3. Волощенко В.Ю., Сапогин В.Г. Оценка погрешностей при физических измерениях. Для студентов дневной формы обучения по направлению подготовки бакалавров и магистров: 550 000 – технические науки. №87. Таганрог 2004 г. на кафедре –5 экз., в НТБ – 54 экз. П. ДОПОЛНИТЕЛЬНАЯ ЛИТЕРАТУРА 1. Сквайрс. Дж. Практическая физика. М.: Мир.1971 г. на кафедре 2 экз., в НТБ – 2экз. 2. Спектор С.А. Электрические измерения физических величин. Методы измерений. Для студентов ВУЗов. Ленинград. Энергоатомиздат. !987 г. на кафедре 2 экз., в НТБ –2 экз.

Карту составил

Голосов С.П.

Зав. кафедрой__________________________ «_____»_______________200__ г.

8

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ ГОСУДАРСТВЕННОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

ТАГАНРОГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ РАДИОТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ «УТВЕРЖДАЮ» Декан __________________факультета

____________________________ ____________________________ «____»___________200__/___ учеб. год Образовательная профессиональная программа (ОПП) _200106 – Информационно-

измерительная техника и технологии Факультет электроники и приборостроения_____________________ Выпускающая кафедра по ОПП Автоматизированных систем научных исследований и экспе-

риментов

КАЛЕНДАРНЫЙ ПЛАН изучения дисциплины «Физические основы измерений» Кафедра Физики

Лектор Голосов С.П. Форма обучения

очная

Технология обучения

стандартная

Академические часы 102 Учебных занятий

-

102 час.

Из них: лекций практических лабораторных самостоятельных индивидуальных курсовая работа

-

36 час. 0 час. 0 час. 48 час. 18 час. 0 час. ___5_____ семестры Экзамен, 5-семестр

Промежуточный рейтинг-контроль (зачет) Итоговый рейтингконтроль (экзамен)

Срок обучения Курс

3

5 лет

Семестр

5

Зачетные единицы 2,83 Учебных занятий

-

2,33 балла

Из них: лекций практических лабораторных самостоятельных индивидуальных курсовая работа

-

1.0 балл. 0 балл. 0 балл. 1.33 балл. 0.5 балл. 0 балл. ____5____ семестры Экзамен, 5- семестр

Промежуточный рейтинг-контроль (зачет) Итоговый рейтингконтроль (экзамен)

9

ЛЕКЦИИ Неделя, число, месяц №1 с___по___ №2 с___по___

№3 с___по___

№4 с___по___ №5 с___по___ №6 с___по___

№7 с___по___ №8 с___по___ №9 с___по___ № 10 с___по___

№ 11 с___по___

ТЕМА ЛЕКЦИИ Вводная лекция. Предмет “Физические основы измерений”. Его содержание. Распределение учебных часов и материала. Рейтингконтроль. Экзамен. Понятия об измерениях. Прямые и косвенные измерения. Физический смысл записи конечного результата. Методы теории подобия и размерностей. Трансдисциплинарные идеи в естествознании. Трансдисциплинарная идея единства объекта и его окружения. Трансдисциплинарная идея пространственно-временных отношений в природе. Трансдисциплинарная идея экспериментальной достоверности. Роль трансдисциплинарных идей в целостном понимании природы. Адиабатические инварианты. Элементы современной физической картины мира. Ретроспективный взгляд на формирование естественнонаучных представлений. Особенности описания природы в классической версии естественнонаучной картины мира. Особенности описания природы в неклассической версии естественнонаучной картины мира. Концепция измерения в классическом естествознании. Классические измерительные системы. Проблема измерения в классическом естествознании. Единицы измерения и системы единиц. Концепция единого пространства – времени. Временные отношения в природе. Пространственные отношения в природе. Движение частицы. Взаимосвязь пространства и времени. Целостное описание пространства – времени. Концепция моделирования объектов. Традиции атомизма и непрерывности в естествознании. Фундаментальные физические модели объектов. Масса как фундаментальная характеристика инертности и гравитации. Импульс как фундаментальная характеристика объекта. Полная энергия и полный момент как фундаментальные характеристики объекта. Роль фундаментальных законов сохранения в описании природы. Концепция контролируемого воздействия. Воздействие и взаимодействие. Характеристики контролируемого воздействия на частицу. Фундаментальные силы. Механическая энергия и динамика частицы. Энергия взаимодействия в системе частиц. Концепция измерения в неклассическом естествознании. Концепция моделирования состояний. Неклассические представления о характеристиках объектов и состояний. Фундаментальные модели неклассической физики. Концепция микросостояния объекта. Ограничение воздействия на микроуровне как фундаментальный закон природы. Микросостояние одной микрочастицы. Целостность микросостояний. Особенность микросостояний системы тождественных частиц. Концепция макросостояний объектов. Тепловое равновесие как макросостояние. Детерминированное и стохастическое движения. Ограничение воздействия на макроуровне как фундаментальный закон природы. Макропараметры как характеристики объектов и их макросостояний в тепловом равновесии. Два способа описания природы . Концепция флуктуаций и их корреляций. Флуктуации и их роль в описании природы. Флуктуации и альтернативная корреляция между ни-

число часов 2

2

2

2 2

2

2

2

2

2

2

10

№ 12 с___по___ № 13 с___по___ № 14 с___по___ № 15 с___по___ № 16 с___по___ № 17 с___по___

ми в микромире. Флуктуации и неальтернативная корреляция между ними в макромире. Универсальные корреляции между флуктуациями в неклассической физике. Физические принципы создания современной эталонной базы. Использование явления сверхпроводимости. Явление Зеемана. Явление Джозефсона.

2

Явление Мессбауэра. Другие эффекты квантовой физики.

2

Классический и квантовый эффекты Холла. Метод измерения подвижности носителей тока в металлах и полупроводниках, основанный на эффекте Холла. Измерение фазы волновой функции и связанные с ней эффекты. Эффект Ааронова-Бома. Измерение абсолютного заряда электрона и его удельного заряда. Опыт Милликена. Метод Томсона. Метод магнитной фокусировки Буша. Инерционный метод измерения заряда. Естественные пределы точности измерений. Броуновское движение. Шумы, обусловленные дискретностью вещества. Шумы и помехи. Дробовый эффект. Шумы Найквиста. Фундаментальный источник погрешностей измерений – самодвижение материи.

2

2

2 2

2. БЮДЖЕТ ВРЕМЕНИ НА САМОСТОЯТЕЛЬНУЮ ПОДГОТОВКУ СТУДЕНТА №

Вид работы

Часов в неделю 1,3 0,25

Всего Часов 22,5 4,5

1 2

Проработка лекций Подготовка к коллоквиуму №1

3

Подготовка к коллоквиуму №2

0,25

4,5

4

Подготовка к экзамену

0,9

16,5

Всего

48 часов

ИТОГО: Аудиторных занятий по курсу: из них лекций: индивидуальных: Самостоятельная работа студентов: Всего:

36 часа 36 часов 18 часов 48 часов 102 часа

11

4. ВОПРОСЫ К ЭКЗАМЕНУ 1. Что такое прямые измерения? 2. Что такое косвенное измерение? 3. В чем заключается основная задача измерений? 4. Что такое истинное значение измеряемой величины? 5. Физический смысл записи конечного результата. 6. Методы теории подобия и размерностей. 7. Адиабатические инварианты. 8. Современная физическая картина мира. 9. Ретроспективный взгляд на формирование естественнонаучных представлений. 10. Особенности описания природы в классической версии естественнонаучной картины мира. 11. Особенности описания природы в неклассической версии естественнонаучной картины мира. 12. Концепция измерения в классическом естествознании. 13. Классические измерительные системы. 14. Единицы измерения и системы единиц. 15. В чем состоит смысл понятия однородность применительно к времени, к пространству? 16. Как понимать термин «изотропность пространства»? 17. Почему пространство и время относительны? 18. Почему движение объекта отражает взаимосвязь пространства и времени? 19. Масса как фундаментальная характеристика инертности и гравитации. 20. . Импульс как фундаментальная характеристика объекта. 21. Полная энергия и полный момент как фундаментальные характеристики объекта. 22 Концепция контролируемого воздействия. 23. Характеристики контролируемого воздействия на частицу. 24. Механическая энергия и динамика частицы. 25. Концепция измерения в неклассическом естествознании. 26. Концепция моделирования состояний. 27. Неклассические представления о характеристиках объектов и состояний. 28. Фундаментальные модели неклассической физики. 29. Ограничение воздействия на микроуровне как фундаментальный закон природы. 30. Микросостояние одной микрочастицы. 31. Целостность микросостояний. 32. Особенность микросостояний системы тождественных частиц. 33. Тепловое равновесие как макросостояние. 34. Детерминированное и стохастическое движения. 35. Ограничение воздействия на макроуровне как фундаментальный закон природы. 12

36. Макропараметры как характеристики объектов и их макросостояний в тепловом равновесии. 37. Два способа описания природы на макроуровне. 38. Концепция флуктуаций и их корреляций. 39. Флуктуации и альтернативная корреляция между ними в микромире. 40. Флуктуации и неальтернативная корреляция между ними в макромире. 41. Универсальные корреляции между флуктуациями в неклассической физике. 42. Физические принципы создания современной эталонной базы. 43. Явления сверхпроводимости. 44. Эффект Ааронова-Бома. 45. Эффект Зеемана. 46. Эффект Джозевсона. 47. Эффект Мессбауэра. 48. Эффект Холла. 49. Естественные пределы точности измерений. Броуновское движение. Шумы сопротивления. 50. Естественные пределы точности измерений. Шумы, обусловленные дискретностью вещества. Шумы и помехи окружающей среды. 5. Рейтинг и итоговая дифференциальная оценка по дисциплине Дифференциальная Оценка Рейтинг (в баллах системы РИТМ) Обозначение оценки в системе ECTS

Отлично

Хорошо

Удовлетворительно

Неудовлетворительно

100-85

84-70

69-55

Менее 55

A

C

E

F

1 рейтинг контроль: мин.11, макс.20 2 рейтинг контроль: мин.11, макс.20 Экзамен: мин. 33, макс 60

Лектор _________________________ __Голосов_С.П. Ответственный за дисциплину (цикл)_ Голосов_С.П. Зав. кафедрой

__________________ ___Захаров А.Г.

13