Эксперимент как средство оценки качества теоретического знания
атель должен удостовериться в ее
практической применимости, так как она может оказаться неприемлемой или
сложной в силу специфических особенностей климата, помещения, лабораторного
оборудования, персонала, объекта исследований и т.д.
Перед каждым экспериментом составляется его план (программа), который
включает: цель и задачи эксперимента; выбор варьирующих факторов;
обоснование объема эксперимента, числа опытов; порядок реализации опытов,
определение последовательности измерения факторов; выбор шага изменения
факторов, задавание интервалов между будущими экспериментальными точками;
обоснование способов обработки и анализа результатов эксперимента.
Применение математической теории эксперимента позволяет уже при
планировании определенным образом оптимизировать объем экспериментальных
исследований и повысить их точность.
Важным этапом подготовки к эксперименту является определение его целей
и задач. Количество задач для конкретного эксперимента не должно быть
слишком большим (лучше 3…4).
Необходимо также обосновать набор средств измерений (приборов) другого
оборудования, машин и аппаратов. В отдельных случаях возникает потребность
в создании уникальных приборов, установок, стендов для разработки темы.
Методы измерений должны базироваться на законах науки — метрологии,
изучающей средства и методы измерений.
При экспериментальном исследовании одного и того же процесса
(наблюдения и измерения) повторные отсчеты на приборах, как правило,
неодинаковы. Отклонения объясняются различными причинами — неоднородностью
свойств изучаемого тела (материал, конструкция и т.д.), несовершенностью
приборов и классов их точности, субъективными особенностями
экспериментатора и др. Чем больше случайных факторов, влияющих на опыт, тем
больше расхождения цифр, получаемых при измерениях, т.е. тем больше
отклонения отдельных измерений от среднего значения. Это требует повторных
измерений, а следовательно, необходимо знать их минимальное количество Под
потребным минимальным количеством измерений понимают такое количество
измерений, которое в данном опыте обеспечивает устойчивое среднее значение
измеряемой величины, удовлетворяющее заданной степени точности.
Установление потребного минимального количества измерений имеет большое
значение, поскольку обеспечивает получение наиболее объективных результатов
при минимальных затратах времени и средств.
Обработка и анализ экспериментальных данных сводится к систематизации
всех цифр, классификации. Результаты экспериментов должны быть сведены в
удобочитаемые формы записи — таблицы, графики, формулы, номограммы,
позволяющие быстро и доброкачественно сопоставлять и проанализировать
результаты. Все переменные должны быть оценены в единой системе единиц
физических величин.
ПОГРЕШНОСТИ РЕАЛЬНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ. СРЕДНИЕ ЗНАЧЕНИЯ И ОТКЛОНЕНИЯ ОТ НИХ.
ПРИБОР КАК ИДЕАЛЬНЫЙ КАНАЛ СВЯЗИ МЕЖДУ ИССЛЕДОВАТЕЛЕМ И ОБЪЕКТОМ. ПРИНЦИП
СОВМЕСТНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ ОДНОВРЕМЕННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ НЕСКОЛЬКИХ ФИЗИЧЕСКИХ
ВЕЛИЧИН. НЕЗАВИСИМОСТЬ (ПЕРЕСТАНОВОЧНОСТЬ) И АДДИТИВНОСТЬ ИЗМЕРЯЕМЫХ
ХАРАКТЕРИСТИК. ВЛИЯНИЕ ПРИБОРА НА ПРОЦЕСС РЕАЛЬНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ.
Дмитрий Иванович Менделеев о значении измерений для науки говорил:
«Наука начинается с тех пор, как начинают измерять. Точная наука немыслима
без меры». А английский физик В. Томсон (Кельвин) указал на то, что «каждая
вещь известна лишь в той степени, в какой ее можно измерить».
Измерение следует отличать от других приемов количественной
характеристики величин, применяемых в тех случаях, когда нет однозначного
соответствия между величиной и ее количественным выражением в определенных
единицах. Так, визуальное определение скорости ветра по шкале Бофорта или
твердости минералов по шкале Мооса следует считать не измерением, а
оценкой.
При исследовании приходится иметь дело с измерением физических величин.
Под физической величиной понимается особенность, свойство, общее в
качественном отношении многим физическим явлениям, объектам, физическим
системам, их состояниям и т.п., но в количественном отношении
индивидуальное для каждого объекта (Советский энцикл. словарь, 1987).
Примерами физических величин служат масса, плотность, интервал времени,
вязкость и др.).
Под измерением физической величины понимают последовательность
операций, выполняемых опытным путем при помощи технических средств,
специально предназначенных для этой цели, по нахождению с известной
точностью значения физической величины, характеризующей исследуемый объект
или явление. (Измерить физическую величину — это значит найти опытным путем
значение физической величины, используя специальные технические средства).
Измерение начинают с приведения технического средства измерения во
взаимодействие с исследуемым объектом. В результате возникает измерительный
сигнал на входе средства измерения. Оканчивают измерение при получении
информации о физической величине в виде значения величины и оценки
погрешности этого значения.
Строго говоря, законченное измерение включает несколько элементов:
собственно физический объект (явление), свойство или состояние которого
характеризует измеряемая величина; единицу этой величины; технические
средства измерений, проградуированные в этих единицах; метод измерения и,
наконец, наблюдателя (регистрирующее устройство), воспринимающего результат
измерений.
Наличие субъекта (исследователя), производящего измерения, не всегда
является обязательным. Он может и не принимать непосредственного участия в
процессе измерения, если измерительная процедура включена в работу
автоматической информационно-измерительной системы. Последняя строится на
базе электронно-вычислительной техники. Причем с появлением сравнительно
недорогих микропроцессорных вычислительных устройств в измерительной
технике стало возможным создание «интеллектуальных» приборов, в которых
обработка данных измерений производится одновременно с чисто измерительными
операциями.
Различают следующие виды измерений: прямые, косвенные, совокупные и
совместные.
Прямым измерением называют измерение физической величины, при котором
входной измерительный сигнал уже содержит информацию об измеряемой
физической величине, например измерения температуры физического объекта
термометром, давления газа в сосуде манометром, атмосферного давления
барометром, массы тела взвешиванием на рычажных весах и т.д. (т.е. при
прямых измерениях искомую величину устанавливают непосредственно из опыта).
Косвенным измерением называют измерение физической величины, при
котором искомое значение вычисляют с помощью известной зависимости между
искомой величиной и величинами подвергаемыми прямым измерением. Например,
вычисление значения электрической мощности постоянного тока по показаниям
амперметра и вольтметра, определение удельного электрического сопротивления
цилиндрического проводника прямыми измерениями длины, диаметра поперечного
сечения и электрического сопротивления проводника (при косвенных измерениях
искомую величину устанавливают функционально от других величин,
определенных прямыми измерениями).
Под совокупным измерением понимают измерение нескольких одноименных
физических величин, состоящее из прямых измерений различных сочетаний этих
величин. Например, определение масс отдельных гирь по известному значению
массы одной гири и разности масс нескольких целесообразно выбранных
сочетаний гирь.
Совместным измерением понимают измерение, состоящее из прямых измерений
нескольких величин в изменяющихся условиях и последующего нахождения
зависимости между этими величинами. Например, определение температурной
зависимости электрического сопротивления путем его измерения при различных
температурах.
Кроме того, различают измерения постоянной или мало изменяющейся
физической величины, называемые статистическими измерениями, и измерения
переменной во времени величины, называемые динамическими измерениями.
Примеры статистических измерений: измерения размеров физического объекта,
постоянного давления манометром, остающегося постоянным действующего
напряжения переменного тока вольтметром. Примеры динамических измерений:
измерения вибраций, пульсирующих давлений.
Выделяется несколько основных методов измерения.
Метод непосредственной оценки соответствует определению значения
величины непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора
прямого действия (например, измерение массы на циферблатных весах). При
использовании метода сравнения с мерой измеряемую величину сравнивают с
величиной, воспроизводимой мерой (например, измерение массы на рычажных
весах с уравновешиванием гирями). При методе противопоставления
осуществляется сравнение с мерой (измеряемая величина и величина,
воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор, с помощью
которого устанавливается соотношение между этими величинами, как,
например, при измерении массы на равноплечных весах с помещением измеряемой
массы и гирь на двух противоположных чашках весов). При дифференциальном
методе на измерительный прибор воздействует разность измеряемой и известной
величины, воспроизводимой мерой (например, измерения, выполняемые при
проверке мер длины сравнением с образцовой мерой на компараторе). При
нулевом методе результирующий
| |  скачать работу |
Эксперимент как средство оценки качества теоретического знания |
