Экспериментальные методы расшифровки сложных структур.

  Для идентификации и анализа сложных структур, в частности для анализа сложных молекул, необходимо управлять химическими процессами и затем определять состав и структуру продуктов реакций. Предложенные физиками эффективные методы экспериментальных исследований макрообъектов на молекулярн дом уровне — ядерный магнитный резонанс, оптическая спек­троскопия, масс-спектроскопия, рентгеноструктурный анализ, нейтронография и т.п. — позволяют исследовать состав и струк­туру необычайно сложных молекул, что способствует изучению, например, химической природы жизненно важных биологиче­ских процессов.

Метод ядерного магнитного резонанса (ЯМР) основан на ана­лизе взаимодействия магнитного момента атомных ядер с внеш­ним магнитным полем. Это один из важнейших методов в раз­ных отраслях естествознания, в особенности, в химии: химии синтеза, химии полимеров, биохимии, медицинской химии и т.п. С помощью метода ЯМР можно определить, например, хи­мическое окружение атомов водорода даже в таких сложных мо­лекулах, как сегменты ДНК. Прогресс в развитии спектроско­пии ЯМР зависит от возможности создания сильного магнит­ного поля, которое можно получить с помощью компактных сверхпроводящих магнитов. Созданный в 1973 г. томограф, ос­нованный на ЯМР, позволяет наблюдать картину распределения химических отклонений и концентрации ядер таких крупных объектов, как тело человека, что весьма важно при диагностике ряда заболеваний, в том числе и злокачественных опухолей.

Оптическая спектроскопия позволяет анализировать спектр излучения вещества, находящегося в различных агрегатных состояниях: твердом, жидком, газообразном. Спектральный анализ - физический метод качественного и количественного опреде­ления состава вещества по его оптическому спектру излучения. В качественном спектральном анализе полученный спектр ин­терпретируют с помощью таблиц и атласов спектров элементов и индивидуальных соединений. Содержание исследуемого вещества при количественном спектральном анализе определяют по относи­тельной или абсолютной интенсивности линий или полос спектра.

С применением лазерного источника излучения и персо­нального компьютера возможности оптического спектрометра значительно расширяются: такой спектрометр способен обнару­жить отдельную молекулу или даже атом любого вещества.

С помощью метода индуцированной лазерной флуоресцен­ции можно регистрировать загрязнение воздуха на расстоянии около двух километров.

В масс-спектроскопии исследуемое вещество вначале пре­вращается в газовую фазу, затем газ конденсируется и ионы ускоряются до заданной кинетической энергии электрическим по­лем. Масса частиц может быть определена двумя способами:

измерением радиуса кривизны траектории иона и измepeниeм времени пролета им заданного расстояния.                 

Масс-спектрометры отличаются высокой чувствительностью и могут обнаружить, например, три атома изотопа ¹⁴С среди 10¹⁶ атомов ¹²С. Такое содержание изотопа ¹⁴ С соответствует, coгласно радиоизотопному методу определения возраста пород возрасту в 70000 лет. Масс-спектрометрия широко применяется для анализа элементов, определения изотопного состава 1 строения молекулы в таких областях, как производство интеа гральных схем, металлургия, ядерная, нефтяная, фармацевтическая и атомная промышленность.                          

Комбинированные приборы — хромато-масс-спектрометры позволяют обнаружить в питьевой воде галогеноуглеводороды и нитрозамины, а также определить небольшие концентрации од ного из самых ядовитых веществ — изомеров диоксина.      

Сочетание газового хроматографа с масс-спектрометром - лучший аналитический прибор для работы со сложными смеся ми, позволяющий решать разнообразные задачи химии, биола гаи, геохимии, экологии, криминалистики и других наук. Однако вплоть до недавнего времени применение такого прибора orpaничивалось лишь легко испаряемыми веществами. С разработкой способов десорбции ионов из твердых образцов путем бомбардировки их ионами, фотонами или нейтральными частицами границы применения масс-спекгроскопии значительно pacширились. Существенно увеличились предельные молекулярны массы соединений, исследуемых методом масс-спектроскопив Например, плазменная десорбция с применением бомбарди ровки продуктами деления радиоактивного калифорния-252 позволила получить ионы с молекулярной массой 23000 и про извести их масс-спектральный анализ. С помощью полевой и лазерной десорбции можно получить масс-спектральные харак теристики фрагментов ДНК. Для идентификации неизвестног вещества методом масс-спекгроскопии достаточно всего 10^-10 соединения. В плазме крови масс-спектрометр регистрирует ак тивное вещество марихуаны в концентрации 0,1 мг на кило грамм массы тела.

Современные электрохимические методы в сочетании с вы сокочувствительной аппаратурой открывают новые возможнос-п исследования структуры и функций живой клетки: с помощы электродов, площадь которых составляет всего лишь нескольк микрометров, можно регистрировать процессы, происходяцпя внутри клетки.

                            

Для определения строения молекул необходимо знать про­странственное расположение атомов. Зная молекулярную струк­туру, легче понять физические и химические свойства соедине­ния, механизмы химических реакций и идентифицировать но­вые соединения. Один из наиболее распространенных методов исследования молекулярных структур — рентгеноструктурный анализ, основанный на явлении дифракции, позволяет изучать все те соединения, которые удается получить в кристаллическом состоянии. Современные компьютеры расшифровывают рентге­нограмму довольно сложной молекулярной структуры. Рентге­ноструктурный анализ способствовал получению феромонов на­секомых, применяемых для борьбы с вредителями в сельском хозяйстве, и изучению гормонов роста, необходимых для увели­чения производства пищи и биомассы.

Рентгеноструктурный анализ дополняет нейтронография, ос­нованная на дифракции нейтронов. Для нейтронографии необ­ходимы потоки нейтронов, которые получаются в ядерных реак­торах, что несколько ограничивает применение данного метода. Отличительная особенность нейтронографии — высокая точ­ность определения расстояния между атомами. Нейтронография успешно применяется при определении структур сверхпровод­ников, рибосомы и других сложных молекулярных образований, а также расположения протонов, участвующих в образовании водо­родных связей, определяющих строение белков.

Важнейшие достижения современного естествознания

Несмотря на отставание экспериментальных исследований от теоретических, в естествознании второй половины XX столетия благодаря развитию экспериментальной базы достигнуты значи­тельные успехи. Невозможно перечислить все достижения во всех отраслях естествознания, но можно однозначно утверждать, что большинство из них воплотилось в современных наукоемких технологиях. Высокотемпературная сверхпроводимость, молеку­лярные пучки, химические лазеры, достижения ядерной химии, химический синтез ДНК, клонирование и т.п. — вот некоторые °чень важные достижения современного естествознания.

Высокотемпературная сверхпроводимость. История сверхпроводимости начинается с 1911 г, когда датский ученый X. Камер-линг-Оннес, исследуя электрическое сопротивление охлажденных металлов, обнаружил, что при охлаждении ртути до температуры

жидкого гелия, составляющей около 4,2 К, электрическое с противление этого металла скачком уменьшается до нуля. А это означает, что металл при данной температуре переходит сверхпроводящее состояние. По мере синтеза новых материал сверхпроводников температура перехода их в сверхпроводяи) состояние неуклонно повышалась. В 1941 г. для бинарнс сплава NaN была установлена температура сверхпроводящего перехода около 15 К, а в 1973 г. — примерно 23 К для другого бинарного сплава — NвGe.                              

С 1986 г. начинается новый этап исследования сверхпроводимости, положивший начало высокотемпературной сверхпроводимости: был синтезирован четырехкомпонентный материал на основе оксидов меди, температура перехода которых соста ляла приблизительно 37 К. Затем через непродолжительное время температуру перехода удалось поднять до 40, 52, 70, 92 и д же выше 100 К. В результате многочисленных эксперимент было установлено, что четырехкомпонентные оксиды меди, обладающие сложной кристаллической структурой, переходят в сверхпроводящее состояние примерно при 94 К.

В 1992 г. синтезирован материал, переходящий в сверхпроводящее состояние уже при 170 К. Такое сверхпроводящее состояние можно реализовать при охлаждении не жидким азоте а более дешёвым охладителем — жидким ксеноном. Этот сверхпроводящий материал состоит из оксида меди, стронция кальция; структура его относительно проста.

Широкое применение сверхпроводников позволит существенно сократить рассеяние энергии в различного рода электрических цепях, и особенно при электропередаче, потери которой составляют около 20% при использовании обычных проводников.

                          Химические лазеры.

Экспериментальное исследование смешивания двух газообразных соединений, проведенное более 10 л назад, позволило установить распределение энергии между м лекулами. Например, в результате реакции атомного водорода молекулярным хлором в газовой форме образуется хлороводород и атомарный хлор, которые излучают инфракрасный свет. Анал спектра излучения показывает, что существенная часть энерп (около 40%) представляет собой энергию колебательного движения молекулы НС1. За открытие такого рода явлений Джону Поляни (Университет Торонто) присуждена Нобелевская прем! по химии. Данные исследования привели к созданию перво химического лазера — лазера, получающего энергию от взрыва смеси водорода с хлором. Химические лазеры отличаются от обычных тем, что превращают в когерентное излучение не энер­гию электрического источника, а энергию химической реакции. Открыты десятки химических лазеров, в том числе и достаточно мощные для инициирования термоядерного синтеза (йодный тазер) и для военных целей (водородно-фторидный лазер).

Молекулярные пучки.

Молекулярный пучок представляет со­бой струю молекул, образующуюся при испарении вещества в специальной печи и пропускании его через узкое сопло, форми­рующее пучок в камере, в которой поддерживается сверхвысо­кий вакуум, исключающий межмолекулярные столкновения. При направлении молекулярного пучка на реагенты — соединения, вступающие в реакцию, — при низком давлении (10^-10 атм) каждая молекула может участвовать не более чем в одном столкновении, приводящем к реакции. Для осуществления такого сложного экс­перимента требуется установка сверхвысокого вакуума, источ­ник интенсивных сверхзвуковых пучков, высокочувствительный масс-спектрометр и электронные определители времени свобод­ного пробега молекул. За проведение этих экспериментов Юан-Чен Ли (Калифорнийский университет Беркли) и Дадли Херм-баху (Гарвардский университет) присуждена Нобелевская пре­мия по химии. Опыты с молекулярными пучками позволили оп­ределить, например, ключевые реакции при горении этилена, при котором в реакции этилена с кислородом образуется корот-коживущая молекула.

Достижения ядерной химии. Химия играет важную роль в ис­следовании свойств радиоактивных веществ и в разработке ра­диоактивных методов анализа, применяемых в различных отраслях естествознания. Одна из первых Нобелевских премий в об­ласти ядерных процессов была присуждена химику Отто Гану в 1944 г. за открытие деления ядер. В 1951 г. Нобелевская премия за открытие двух первых в Периодической системе трансурановых элементов была присуждена химику Гленну Сиборгу и его коллеге - физику Эдвину Мак-Миллану. Многие современные достижения науки о ядерных процессах получены при тесном взаимодей­ствии химиков, физиков и ученых многих других направлений.

С применением химических методов в течение всего лишь 15 лет синтезированы химические элементы с номерами от 104 до 109. Было найдено много новых изотопов элементов, расположенных выше урана. Исследования изотопов позволили не только количественно описать многие ядерные процессы, но и определить свойства, от которых зависит устойчивость атомных ядер.

Одна из интересных задач ядерной химии — обнаружение супертяжелых элементов, т.е. элементов, входящих предсказанный остров стабильности, включающий атомный номер 114.

В последние десятилетия методы ядерной химии нашли яркое применение при исследовании грунта планет Солнечной системы и Луны. Например, для химического анализа грунта Луны применялся трансурановый элемент. Такой метод позволил определить около 90% элементов в трех различных местах лунной поверхности. Анализ изотопного состава образцов лунного грунта, метеоритов и других небесных тел помогает сформировать представление об эволюции Вселенной.

Ядерная химия применяется и в медицине. Например США ежегодно назначается около 20 млн. процедур с приме нием радиоактивных препаратов. Особенно широко распространено лечение щитовидной железы радиоактивным йодом. Пр тика показывает, что химические соединения радиоактивн технеция обладают терапевтическими свойствами. Позитрона метод, основанный на взаимодействии с исследуемым обьекз позитронов, испускаемых короткоживущими изотопами углерода и фтора, а также применение стабильных изотопов в соче нии со спектроскопией ЯМР дают возможность исследования процессов обмена веществ в живых организмах и служат весьма эффективным средством ранней диагностики заболеваний.

Новая ядерная установка.

 Одна из основных проблем атомной энергетики связана с нахождением таких условий протекания ядерных процессов, при которых можно было бы уме шить количество ядерных отходов и продлить срок службы атомных реакторов. Учеными разных стран отрабатываю многочисленные способы, способствующие решению этой весьма важной проблемы. Среди разных направлений в её peшении уже воплощается в металл новое направление в ядерной энергетике — так называемый электрояд, на который ученые возлап большие надежды. В Институте теоретической и экспериментальной физики Российской академии наук и в институтах других стран сооружается прообраз пока не известных практике ядерных установок, которые станут безотходными, экологически чистым более безопасными источниками энергии, чем многие из существующих. Действующая модель новой ядерной энергетической установки состоит из двух агрегатов — ускорителя элементарных частиц и бланкета — особого типа атомного реактора. Для технн ского воплощения этой новой идеи предполагается использовать старые атомные реакторы, выработавшие свой ресурс.

Химический синтез ДНК.

В полимерных молекулах ДНК природа кодирует информацию, необходимую для создания жи­вого организма. Цепочка из повторяющихся сложноэфирных фосфатных связей между сахарами образует жесткий скелет ДНК, на котором информация записывается с помощью осо­бого алфавита из четырех аминов аденина, тимина, цитозина и гуанина (А, Т, С, G). Последовательность таких циклических аминов кодирует информацию. Каждый из аминов содержит не­сколько атомов азота, ковалентно связанных с фрагментами сахаров. Двойная спираль ДНК включает водородные связи между аминами. Информацию, записанную в молекуле ДНК, можно прочитать, разрывая и вновь создавая относительно слабые во­дородные связи, совсем не затрагивая более прочные связи са­хар-фосфат в цепочке-матрице.

Первый химический синтез гена, осуществленный более 20 лет назад, потребовал многолетней напряженной работы. В промышленных лабораториях уже синтезированы гены инсули­на и интерферона. Произведен синтез гена для фермента рибо-нуклеозы, открывающей возможность изменять желаемым обра­зом физические и химические свойства белка. Однако самыми современными методами получаются фрагменты генов длиной в сотни пар оснований, а для дальнейших исследований нужны фрагменты в 100 и более раз длиннее.

Успехи генной инженерии.

В высших организмах, в том числе и в организме человека, доля нуклеотидов в цепи ДНК, которые действительно кодируют последовательность аминокислот в белках, составляет только около 5%. Установлено, что в осталь­ных нуклеотидных последовательностях ДНК закодирована ин­формация о форме молекул ДНК. Например, выгибание фуранозного цикла (пятичленного циклического моносахарида), ко­торый существует как в ДНК, так и в РНК, приводит к подвижности их скелета.

Современная молекулярная биология позволяет вводить поч­та любой отрезок ДНК в микроорганизм, чтобы заставить его синтезировать тот белок, который кодирует данная ДНК. А соломенная органическая химия дает возможность синтезировать последовательности нуклеотидов - фрагменты генов. Такие фраг­менты генов можно применять для изменения исходной последо-тельности оснований в гене, кодирующем нужный белок. Таким способом можно получить модифицированный белок с измененной последовательностью аминокислот, т.е. белок со структурой и функцией, ранее не существовавшими в природе.

Данный метод осуществления специфических мутаци нормальных белках получил название мутагенеза. Он позво получить белки любой желаемой структуры. Кроме того, с раз синтезированная молекула гена, кодирующего белок, с мощью микроорганизмов может воспроизвести белок в угодных количествах.

Клонирование.

Успехи, достигнутые в разных отраслях   естественных наук, открыли новые возможности в понимании строе геномов человека и других сложных организмов. Ученые научились соединять ДНК из разных организмов, определять и выделять сегменты ДНК, кодирующие нужный белок, определять ную тидные последовательности в больших фрагментах ДНК.

Найти единственно нужный сегмент ДНК, содержащие всего в одном гене, среди огромного количества генетическ материала клетки организма человека столь же трудно, как отыскать иголку в стоге сена. Решение данной проблемы дает при нение рекомбинантных ДНК. Фрагменты ДНК клетки встраиваются в миллион быстро делящихся бактерий. Каждая из бактерий, которые выращиваются отдельно, дает целую колонию своих потомков. Применяя методы диагностики, чувствительные к определенной функции гена, находят колонию бактерий, содержащую новый ген. Каждая из быстро растущих колоний бактер дает миллиарды одинаковых копий каждого гена. Поэтому такой ген можно выделить из бактерий в химически чистом виде. С помощью такого процесса — клонирования — очищены сегмен ДНК более 100 различных генов человека. Ещё большее число генов вьщелено из простейших организмов, таких, как дрожжи.

В 1997 г. появилось сообщение о выращенной методом кл нирования овце. Шотландский ученый Ян Вильмут и его ко леги получили из клетки взрослой овцы её генетическую иде тичную копию — известного теперь во всем мире ягненка До ли. Овца Долли, говоря общедоступным языком, не имеет отца— ей дала начало клетка, содержащая двойной набор генов м тери. Как известно, любая клетка взрослого организма, так н. зываемая соматическая клетка, несет полный набор наследственного вещества. Половые же клетки имеют только полови-генов. При зачатии такие половинки — отцовская и материнская — соединяются и образуют новый организм. Искусственно выращивание нового животного из соматической клетки — это создание генетически тождественного существа, процесс, которы и называется клонированном. Работы по клонированию растении простейших живых организмов начались ещё в 60-е годы последнего столетия. Росли масштабы и сложность таких работ. о клонирование млекопитающих из соматической клетки впервые удалось осуществить только в 1997 г. Подобные опыты дли мечтой нескольких поколений генетиков. Некоторые ученые уверены в реальной возможности повторить данный эксперимент и для человека. Однако остается предметом дискуссий вопрос о нравственных, социальных, биологических и других следствиях такого рода экспериментов.²⁾

 

 

 

3.Экспериментальные измерения

Любому материальному объекту присущи вполне определеннь свойства, большинство из которых характеризуется численным величинами. Например, для куска медного провода можно oпределить следующие величины: диаметр, длину, массу, элекгрс проводность, температурный коэффициент расширения, электрическое сопротивление и др. Некоторые свойства объектов явления природы труднее поддаются количественному описанию. К ним можно отнести, например, цвет, блеск, способность противостоять многократным изгибам. Однако даже в таких случаях необходимо определить соответствующие данным свойствам количественные характеристики, без знания которых невозможно описать объект для достаточно точного его воспроизведения.

Для определения численной характеристики какого-либо свойства выбранного объекта необходимо знать, во сколько раз искомая характеристика больше или меньше другого объекта, принятого за эталон. Операция сравнения определяемой величин для исследуемого объекта с соответствующей величиной эталоь называется измерением. Например, за единицу длины принят метр. В результате измерения некоторой длины отрезка определяется, сколько метров в нем содержится. В основе этих измс рений лежит метр эталона — расстояние между штрихами, нанесенными на стержне из особого стойкого сплава. Точно так ж при измерении массы некоторого тела устанавливается, в сколько раз измеряемая масса превосходит массу эталонног образца в один килограмм. Разумеется, очень редко пользуются сравнением измеряемых величин с величинами эталонов, хронящихся в государственных метрологических учреждениях в основном пользуются различного рода измерительными устрой ствами и приборами, тем или иным способом сверенными эталонами. Это относится в одинаковой мере как к устройства и приборам для измерения длины (различные линейки, микрс метр, измерительный микроскоп и т.п.), так и к многообразным измерителям времени, массы и к электроизмерительным, оптическим и многим другим приборам.

 

Принято различать два вида экспериментальных измерений - прямые и косвенные. При прямом измерении определяемая ве­личина сравнивается с единицей измерения непосредственно при помощи измерительного прибора. Измерение длины рулет­кой либо штангенциркулем, измерение промежутков времени секундомером, измерение силы тока амперметром и т.п. — все это примеры прямых измерений, при которых измеряемая вели­чина отсчитывается непосредственно по шкале прибора.

При косвенном измерении определяемая величина вычисляет­ся по формуле, включающей результаты прямых измерений. К косвенным измерениям относятся, например, определение пло­щади прямоугольника по измеренным двум его сторонам, опре­деление сопротивления участка цепи по силе тока и напряже­нию, определение концентрации примесей по интенсивности ее спектральных линий и т.п.

Независимо от способа измерений определение той или иной физической величины сопровождается ошибкой, показы­вающей, насколько искомая величина отличается от ее истин­ного значения.

Ошибки измерений

Никакое измерение не может быть выполнено абсолютно точно. Другими словами, при измерении какой-либо величины любым способом абсолютное значение ее недостижимо, а это означает, что результат измерения содержит некоторую погрешность — ошибку измерений. Такой вывод следует из одного из критериев теории естественно-научного познания действительности — лю­бое научное знание относительно. Ограниченные возможности измерительных приборов, несовершенство органов чувств, не­однородность измерительных объектов, внешние и внутренние факторы, влияющие на объекты и т.п. — вот основные причины недостижимости абсолютного значения измеряемой величины.

Точность измерений возрастает по мере увеличения чувстви­тельности измерительного прибора. Однако при измерении сколь угодно чувствительным прибором нельзя сделать ошибку измерений меньше ошибки измерительного прибора даже при многократном повторении измерений. Например, если линейка позволяет измерить длину с относительной ошибкой 0,1%, что соответствует 1 мм на метровой линейке, то, применяя ее для измерения длины любых объектов, нельзя определить длину с ошибкой, меньшей 0,1%. Абсолютное значение является иде альным, недостижимым на практике. Чем точнее поставлен эксперимент, чем совершеннее измерительная техника и т.п тем ближе измеряемая величина к абсолютной. Одна из важны целей экспериментатора — приблизить получаемые эксперимен тальные данные к их абсолютным величинам.

В качестве истинного значения измеряемой величины обыч но принимают среднее арифметическое измеренных значений:

                   X1+X2+…+Xn    å Xi

       <X> =        n        = n

где xi, X2,..., Хп — значения измеренной величины; п — число измерений.

По отношению к истинному значению различают абсолют ную и относительную ошибки измерений. С учетом причин, по рождающих ошибки, обычно выделяют систематические, слу чайные и приборные ошибки. При такой классификации н учитываются грубые ошибки, вызванные невниманием при сня тии показаний приборов, неправильной записью измеряемы данных, ошибками при вычислениях и т.п. Такие ошибки н подчиняются какому-либо закону и устраняются при промежу точной оценке результатов измерений.

Систематические ошибки обусловливаются факторами, действующими одинаково при многократном повторении измерений. Возникают они чаще всего при неисправности измери тельных приборов, неточности метода измерений и при исполь зовании для расчетов неточных данных.

Если, например, стрелка амперметра изогнута или смещен «нуль» прибора, то при измерении таким прибором всегда полу чится ошибочная величина. Сколько бы раз ни проводились из мерения, как бы тщательно ни записывались показания прибора, в измерениях всегда будет одна и та же ошибка. Для устра нения систематической ошибки, вызванной неисправность к прибора, необходимо ввести соответствующие поправки, полученные при сравнении показания неисправного прибора с заве домо исправным.

Систематическая ошибка всегда смещает результат измерений в одну и ту же сторону, а часто и на одну и ту же величину Следовательно, даже полное совпадение ряда измеренных величин не является условием отсутствия систематической ошибка — ее нельзя выявить при повторных измерениях.

Сущность систематических ошибок, обусловленных методом измерений, можно пояснить на примере определения электри­ческого сопротивления, при котором возникает систематическая ошибка, вызванная электрическим сопротивлением соедини­тельных проводов в цепи измерительной схемы. Для устранения ее нужно ввести поправки на неучтенное сопротивление.

Иногда для устранения систематических ошибок требуется тщательная проверка всех измерительных приборов и кропотли­вый анализ метода измерений.

Случайные ошибки вызываются факторами, действующими неодинаковым, непредсказуемым образом в каждом отдельном измерении. Они возникают при совокупном действии многих факторов и остаются при устранении грубых и систематических ошибок. Можно назвать многочисленные объективные и субъ­ективные причины случайных ошибок: изменение напряжения в сети при электрических измерениях, неоднородность вещества при определении плотности, изменение условий окружающей среды (температуры, давления), возбужденное состояние произ­водящего измерения и др. Подобные причины приводят к тому, что несколько измерений одной и той же величины дают разлмчные результаты. К случайным ошибкам, кроме того, следует отнести все те ошибки, многочисленные причины которых не­известны или неясны.

Вследствие непредсказуемых обстоятельств случайные ошиб­ки могут как увеличивать, так и уменьшать значения измеряе­мой величины. Обычно случайные ошибки не устраняются — их нельзя избежать в каждом из результатов измерений.

Случайные ошибки подчиняются законам теории вероятно­стей, установленным для случайных явлений. С помощью мето­дов теории вероятностей можно уменьшить влияние случайных ошибок на результат эксперимента. Широко известен нормаль­ный закон распределения случайных ошибок (закон Гаусса), из которого следуют важные выводы:

• малые по модулю ошибки встречаются чаще;

• равные по модулю случайные ошибки разных знаков встречаются одинаково часто;

• с возрастанием точности (уменьшением интервала разброса измеренных значений) плотность случайных ошибок воз­растет.

Теория случайных ошибок позволяет определить наиболее вероятные значения измеряемых величин и возможные отклонения от них. Однако следует отметить, что выводы теории вероятностей справедливы только для достаточно большого числа случайных событий. Поэтому, строго говоря, применение та рии случайных ошибок целесообразно только к сравнителы большому числу измерений. На практике же часто ограничив ются 5—10 измерениями, хотя следует помнить, что увеличен числа измерений уменьшает влияние случайных ошибок. В кц дом конкретном случае устанавливается необходимое число мерений для получения заданной точности.

Приборные ошибки обусловливаются конструктивными о бенностями измерительных приборов. Приборную оши иногда называют точностью измерительного прибора. По ве чине ошибок, которые могут вносить при измерении элекг измерительные приборы, различают семь классов точности п боров, которые обозначаются цифрами: 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1 2,5; 4,0. Цифра класса точности показывает величину относ тельной ошибки в процентах при отклонении стрелки прибора последнего деления шкалы. Абсолютная ошибка прибора при любом отклонении стрелки одинакова. Поэтому при меньших отклонениях стрелки относительная ошибка больше. Например если у прибора класса точности 0,5 вся шкала содержит 150 делений, то относительная ошибка при отклонении на все 150 делений составляет 0,5%, а абсолютная ошибка равна 0,75 дeления. При отклонении стрелки на 25 делений абсолютная ошибка та же — 0,75 деления, а относительная ошибка — 3%. Д получения возможно меньших относительных ошибок при по:

зовании измерительными приборами нужно добиваться достаточно большого отклонения стрелки, не меньше, чем на половину шкалы. Для этого нужно выбирать прибор с достаточнной чувствительностью или переходить к меньшим пределам измерений многопредельного прибора.

Измерительные приборы

Большинство приборов, предназначенных для измерения разных физических величин, содержит линейные, угловые или круговые шкалы. Показание того или иного прибора соответствует длине отрезков прямой или дуги. Чем больше точность прибора, тем больше должно быть число делений, на которые разбита шкала. Для одной и той же шкалы с увеличением числа делений расстояние между штрихами уменьшается.

В некоторых приборах для повышения точности измерений пpимeняютcя различные приспособления, позволяющие отсчи­тывать доли деления шкалы. Наиболее широко распространены нониусы и микрометрические винты, они обычно применяются в приборах для измерения длины или угла, в которых части прибора перемещаются относительно друг друга. На одной из частей наносится основная шкала, а на другой — нониус, пред­ставляющий собой небольшую дополнительную шкалу, пере­двигающуюся при измерении вдоль основной шкалы. Удобство отсчета с применением нониуса заключается в том, что челове­ческий глаз легко различает, является ли один штрих продолже­нием другого или они сдвинуты друг относительно друга.

Иногда для отсчета долей деления применяется специальный циферблат, указатель которого связан с перемещением измери­тельного устройства механической передачей. В оптических приборах современных конструкций наносятся микроскопиче­ские цифры около каждого штриха шкалы, и показание отсче­тов снимается при помощи отсчетного микроскопа, в поле зре­ния которого видна только одна необходимая цифра и дополни­тельная шкала для отсчета долей деления.

Для измерения электрических величин применяются элек­троизмерительные приборы. Принцип действия их основан на превращении электрической энергии в другие виды энергии, например, механическую, тепловую, магнитную и тд. Каждый электрический прибор состоит принципиально из двух частей: электрического и отсчетного механизмов. Отсчетный механизм большинства приборов содержит шкалу и указатель. Указатель определяет точку шкалы, соответствующую отсчету измеренной величины. Обычно указатель представляет собой тонкую стрелку или световое пятно. В современных электроизмерительных при­борах отсчетным устройством служит электронное табло с цифро­вой индикацией, очень удобной при снятии показаний прибора.

Электроизмерительные приборы широко применяются и для измерения неэлектрических величин: температуры, давления, скорости движения, освещенности и т.п. Принцип действия та­ких приборов основан на связи между электрическими и други­ми физическими явлениями. Такая связь обусловливает возникно­вение термотоков, фототоков, электромагнитной индукции и т.п.

В измерительной практике часто встречаются косвенные из­мерения, в основу которых положены законы или закономерно­сти, устанавливающие зависимость между различными физиче­скими величинами. Например, электрическое сопротивление проводника можно определить, измерив падение напряжения на нем и силу тока.

Электрические измерения можно производить двумя спосо­бами:

1) сравнением измеряемой величины с ее соответствующи­ми эталонами э.д.с., сопротивления, емкости, индуктив­ности и т.п.;

2) с помощью приборов, показывающих численные значе­ния измеряемой величины.

По своему назначению основные электроизмерительные приборы можно классифицировать следующим образом:

• амперметры и миллиамперметры — измерители силы тока:

• вольтметры и милливольтметры — измерители напряжения;

• ваттметры — приборы для измерения электрической мощ ности;

• счетчики электрической энергии — приборы для измерени электрической энергии;

• омметры — приборы для измерения электрического сопро тивления;

• частотометры — приборы для измерения частоты перемен­ного тока;

• приборы для измерения емкости и т.п.

По принципу действия электроизмерительные приборы под­разделяются на магнитоэлектрические, электромагнитные, элек­тродинамические, тепловые, индукционные, электронные и другие системы.

Одна из основных характеристик электроизмерительного прибора — чувствительность, определяемая отношением линейного или углового перемещения указателя к изменению измеряемой величины про отклонении на одно деление.³⁾

 

III. Заключение

⇐ Предыдущая123

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: