ПЕРВОЕ ВЫСШЕЕ ТЕХНИЧЕСКОЕ УЧЕБНОЕ ЗАВЕДЕНИЕ РОССИИ МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «НАЦИОНАЛЬНЫЙ МИНЕРАЛЬНО-СЫРЬЕВОЙ УНИВЕРСИТЕТ «ГОРНЫЙ» Согласовано Утверждаю Руководитель ООП по специальности 221700 проф. Б.Я. Литвинов Зав. кафедрой М и УК проф. Б.Я. Литвинов РАБОЧАЯ ПРОГРАММА дисциплины Физические основы измерений и эталоны Направление подготовки: 221700 – Стандартизация и метрология Профиль подготовки: Метрология и метрологическое обеспечение Квалификация (степень) выпускника: бакалавр Форма обучения: очная Санкт-Петербург 2012 3 РАБОЧАЯ ПРОГРАММА дисциплины Физические основы измерений и эталоны Общая трудоемкость дисциплины «Физические основы измерений и эталоны» составляет 3 зачетные единицы или 108 часов. Цели и задачи дисциплины: Цель дисциплины - подготовка к изучению общепрофессиональных и специальных дисциплин. Основная задача дисциплины - углублённое изучение физических понятий, представлений, закономерностей и явлений в контексте их использования при измерениях и в измерительной технике, для обеспечения единства измерений и метрологического обеспечения различных видов деятельности. Основные положения дисциплины относятся к фундаментальным проблемам метрологии и измерительной техники: централизованному и децентрализованному воспроизведению единиц физических величин, обеспечению единства, правильности, достоверности и точности результатов измерений. Основные дидактические единицы (модули): Дисциплина «Физические основы измерений и эталоны» состоит из следующих разделов: Введение Предмет, задачи и содержание курса; его роль и место в формировании метролога с высшим образованием. Структура курса, его связь с другими дисциплинами. Порядок изучения предмета и организация учебного процесса. Тема 1. Физический континуум 1, c. 17...20; 2, с.17... 20 Материя и движение Формы существования материи. Фундаментальные физические понятия: пространство, время, движение, взаимодействие и др.. Элементы современной физической картины мира Свойства микромира: дискретность, корпускулярно-волновой дуализм, неопределённость. Переход от свойств микромира к свойствам макромира. Стабильность как следствие усреднения. Тепловые, механические, электромагнитные и другие свойства макромира. Физические величины и их единицы 4 Физические величины как меры свойств объектов и явлений материального мира. Единицы физических величин. Теория отражения Отражение реального мира в результатах измерений. Классическая измерительная процедура: сравнение неизвестного размера с известным. Принципиальная невозможность полного устранения неопределённости результатов измерений. Тема 2. Фундаментальные физические константы*) и их использование при выборе единиц физических величин 2, с. 5...15, 135...137; 3, с. 114...130 Константы макромира Размеры и параметры движения Земли. Угол 2 радиан. Ускорение при свободном падении. Скорость света. Нулевая термодинамическая температура и точки фазовых переходов. Другие константы макромира. Константы микромира Масса и заряд электрона. Гиромагнитное отношение электрона и протона. Квант магнитного потока. Постоянная фон-Клитцинга. Постоянная тонкой структуры. Гравитационная постоянная. Константы, используемые при переходе от свойств микромира к свойствам макромира Постоянная Планка. Постоянная Больцмана. Число Авогадро. Тема 3. Высокостабильные квантовые эффекты и их использование для воспроизведения единиц физических величин 2, с. 131...135; 3, с. 123...130 Квантовые переходы Использование квантовых переходов между энергетическими уровнями электронов для воспроизведения единиц времени, частоты и длины. Эффекты Холла и Джозефсона Использование эффектов Холла и Джозефсона для воспроизведения единиц электрического сопротивления и напряжения. ___________________ *) Значения основных фундаментальных физических констант приведены в приложении. 5 Тема 4. Некоторые физические явления, используемые при высокоточных измерениях Электромагнитные явления Высокотемпературная сверхпроводимость (4, с. 266...269) Явление сверхпроводимости. Использование высокотемпературной сверхпроводимости для реализации переходов Холла и Джозефсона. Использование переходов Холла и Джозефсона в измерительной технике. Измерение сверхнизких температур сверхпроводящим термошумовым датчиком на основании уравнения Найквиста. Интерференция электромагнитных волн (4, с. 178...186) Интерференция света. Интерферометрический метод измерения линейных размеров: двухлучевой интерферометр Майкельсона; интерферометр с двухчастотным гелий-неоновым лазером. Многоцелевые лазерные интерферометры. Рентгеновская интерферометрия. Голографическая интерферометрия. Электромагнитная индукция (4, с. 122...124) Закон электромагнитной индукции. Измерение параметров постоянных и переменных магнитных полей. Эффект Фарадея (4, с. 71...73) Вращение плоскости поляризации линейно поляризованного света в оптически активных веществах под действием магнитного поля. Использование эффекта Фарадея для измерения магнитной индукции. Эффекты Керра и Поккельса (4, с. 73...75) Квадратичный электрооптический эффект Керра. Линейные электрооптические продольный и поперечный эффекты Поккельса. Использование эффектов Керра и Поккельса для измерения напряжения. Пьезоэффект (4, с. 190;199) Прямой пьезоэффект. Использование пьезоэлектрических датчиков для измерения сил и давлений. Многокомпонентные динамометры. Эффект Допплера (4, с. 249...252) Допплеровское смещение частоты. Доплеровские измерители скорости. Резонансные явления на квантовом уровне Магнитный резонанс (4, с. 107...122) Собственная частота квантовой системы; уравнение Лармора. Ядерный магнитный резонанс (ЯМР). Измерение магнитной индукции слабых магнитных полей методом свободной ядерной прецессии. Спиновые генераторы, основанные на методе ядерной индукции. Метод ядерного резонансного поглощения. 6 Электронный парамагнитный резонанс (ЭПР). Эффект Зеемана. Сверхтонкая структура энергетического спектра атома. Магниторезонансные методы измерений с оптической накачкой атомов. Ядерный гамма-резонанс (4, с. 252...253) Эффект Мессбауэра. ЯГР-виброметры. Использование эффекта Мессбауэра для измерения малых скоростей и расходов жидких веществ. Ядерный квадрупольный резонанс (4, с. 271...273) Зависимость частоты прецессии атомных ядер, обладающих электрическим квадрупольным моментом, от температуры. ЯКР-термометры. Тема 5. Фундаментальные физические законы, используемые в измерительной технике 4, с. 260…280; 6, с. 50…60, с. 211…228; 7, с. 146…167, 229 Использование в измерительной технике законов механики Использование второго закона Ньютона в различных конструкциях весов; приёмы взвешивания. Использование первого и второго законов Ньютона в акселерометрах и деселерометрах. Ареометры, основанные на законе Архимеда. Манометры и барометры, принцип действия которых основан на законе Паскаля. Другие средства измерений, основанные на законах механики. Использование в измерительной технике законов электромагнетизма Электроскоп, основанный на законе Кулона; принцип действия осциллографа. Использование закона Ампера в приборах магнитоэлектрической системы. Приборы электромагнитной, электродинамической, ферродинамической и электростатической систем. Использование в измерительной технике тепловых законов Газовый и шумовой термометры. Тепловое расширение термометрических жидкостей. Термометры сопротивления и термопары. Излучение нагретых тел: законы излучения Планка, Вина, Стефана-Больцмана. Радиационные, яркостные и цветовые пирометры. Заключение Краткое обобщение основных вопросов курса. Направления дальнейшей работы над углублением и расширением полученных знаний в процессе изучения общепрофессиональных и специальных дисциплин. В результате изучения дисциплины «Физические основы измерений и эталоны» студент должен: Иметь представление: 7 - о перспективных для метрологии и измерительной техники направлениях развития физической науки, последних достижениях в этой области; Знать и уметь использовать: - фундаментальные физические законы, свойства и явления, используемые в метрологии и измерительной технике; - физические знания при решении измерительных задач, конструировании измерительных приборов, обеспечении единства измерений; В результате изучения дисциплины выпускник должен обладать следующими профессиональными компетенциями: ОК5, ОК13, ПК4, ПК18. Виды учебной работы: Лекции; Практические занятия; Контрольная работа. Основной формой изучения материала является самостоятельная работа над рекомендованной литературой. По всем определяющим темам программы читаются обзорные и установочные лекции, проводятся групповые и индивидуальные консультации. Практические навыки приобретаются на практических занятиях и при выполнении контрольной работы. Изучение дисциплины заканчивается зачетом. Курс основывается на учебных дисциплинах “Философия”, “Физика”,“Метрология, стандартизация и сертификация”(часть I) и используется при изучении общепрофессиональных и специальных дисциплин, выполнении курсовых и дипломных работ и проектов. БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК Основной: 1. Савельев И.В. Курс общей физики в 3-х т.т. - М.: Наука, 1982, 1989. 2. Шишкин И.Ф. Метрология, стандартизация и управление качеством: Учеб. для вузов /Под ред. акад. Н.С. Соломенко. - М.: Изд-во стандартов, 1990. 3. Шишкин И.Ф. Теоретическая метрология: Учеб. для вузов. - М.: Изд-во стандартов, 1991. 4. Спектор С.А. Электрические измерения физических величин: Методы измерений: Учеб. пособие для вузов. Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1987. Дополнительный: 5. Боднер В.А. Физические основы измерений. - М.: Машиностроение, 1995. 6. Измерение электрических и неэлектрических величин: Учеб. пособие для вузов. / Под общ. ред. Н.Н. Евтихиева. -М.: Энергоатомоиздат, 1990. 7. Измерение в промышленности. Справ. изд. В 3-х кн. Кн 2. Способы измерения и аппаратура./ Под ред. П. Профоса. -М.: Металлургия, 1990. 8 Средства обеспечения освоения дисциплины (ресурсы Internet): На сайте дистанционного обучения (http://www.spmi.ru) в разделе «Учебные материалы» имеется: 1. Рабочая программа. Задания на контрольную работу. (14,2 КБ). 2. Спектр С.А. «Электрические измерения физических величин». (2,44 МБ). 3. И.Ф. Шишкин «Теоретическая метрология». (5,83МБ).