Альфа. Методические рекомендации по выполнению самостоятельной работы студентов разработаны в рамках общепрофессиональной дисциплины опд. Ф. 05 Метрология, стандартизация и сертификация
 Скачать 0.82 Mb.
|
|
3 ВВЕДЕНИЕ Методические рекомендации по выполнению самостоятельной работы студентов разработаны в рамках общепрофессиональной дисциплины ОПД.Ф.05 «Метрология, стандартизация и сертификация» учебного плана по ряду специальностей и направлений подготовки дипломированных специалистов и подготовки бакалавров и магистров и предназначены для организации и контроля самостоятельной работы студентов. Задачей дисциплины является формирование у студентов достаточных знаний в области основ метрологии, стандартизации и сертификации, позволяющих использовать современные измерительные технологии, которые представляют собой последовательность действий, направленных на получение измерительной информации требуемого качества, что отражает современные подходы к решению сложных научно-технических задач. Одна из таких задач связана с поиском и установлением существенных закономерностей изменения значений измеряемых величин, которые наиболее адекватно отражают состояния исследуемых объектов. Следует отметить, что данная задача еще весьма далека от какого-то окончательного, если таковое вообще существует, решения, которое непосредственно связано с разработкой методов и средств измерений, разработкой основ обеспечения единства измерений и единообразия средств измерений и многое другое, т. е. с динамикой развития такой области знаний как общая метрология. И тем более решение задачи невозможно без постоянного совершенствования общей теории измерений. Высокоточные измерения и последующая обработка полученных результатов приобретают все большее значение во многих сферах человеческой деятельности. Как правило, измерения непосредственно связаны с задачами оценки (распознавания) состояний исследуемых объектов, т.е. с поиском закономерностей взаимосвязи и изменения значений измеряемых величин. Такой поиск невозможен без использования методов математической обработки результатов измерений. Существует большое количество публикаций как по общей метрологии, так и по методам обработки результатов измерений. Здесь можно отметить таких авторов, как В.А. Кузнецов, И.Ф. Шишкин, А.Г. Сергеев, С.Г. Рабинович, П.В. Новицкий, Н.А. Зограф, Е.Ф. Долинский, В.А. Грановский, Л.3. Румшиский, В.В. Налимов, Э.И. Цветков, Е.И. Куликов, В.Н. Вапник, Э.М. Браверман, И.Б. Мучник и др. Вместе с тем, как показывает практика, существуют трудности в усвоении и понимании студентами связи задач измерений и положений общей 4 метрологии с характером и обоснованностью методов математической обработки получаемых результатов. Метрология стала такой наукой, на достижения, средства и методы которой опираются в своем развитии как фундаментальные, так и прикладные научные направления. Развитие научных теорий и их практическое применение невозможны без первичной информации, получаемой путем измерений в процессе научного познания. Без измерений не может сегодня обойтись ни одна наука, поэтому метрология находится в связи и отношениях со всеми научными дисциплинами. Цель данного учебно-методического пособия – представить указанную связь, насколько это возможно, в четком и систематизированном виде. Данные методические рекомендации содержат примеры решений типовых метрологических задач, варианты тестовых заданий, рекомендации по выполнению виртуальных лабораторных работ, обширный материал для самостоятельного решения и подготовки к контрольным работам по учебному курсу. 5 ОРГАНИЗАЦИЯ САМОСТОЯТЕЛЬНОЙ РАБОТЫ СТУДЕНТОВ Самостоятельная работа студентов (СРС) основана на самостоятельном формировании у учащихся знаний, умений, навыков и компетенций и направлена на реализацию принципов обучения, связанных с саморазвитием личности в процессе обучения, формированием активных методов и технологий познавательной деятельности. На преподавателей возлагается управление, включающее планирование работы, консультирование студентов, текущий контроль и анализ результатов учебной работы. При этом планируемый объем СРС занимает большую часть (от 55% до 70%) учебной нагрузки студентов университета. Нормированные виды СРС (без участия преподавателей) Основными видами самостоятельной работы студентов без участия преподавателей при освоении в университете образовательных программ являются: − формирование и изучение содержания конспекта лекций на базе рекомендованной лектором учебной литературы, включая информационные образовательные ресурсы; − написание рефератов; − подготовка к семинарам и лабораторным работам, их оформление; − выполнение домашних заданий в виде: решения отдельных задач, проведения типовых расчетов, расчетно-компьютерных и индивидуальных работ по отдельным разделам содержания дисциплин; − компьютерный текущий самоконтроль и контроль успеваемости на базе электронных обучающих и аттестующих тестов; − выполнение курсовых работ (проектов) в рамках дисциплин; − выполнение учебно-исследовательской работы (УИРС); − прохождение и оформление результатов практик; − выполнение выпускной квалификационной работы. Нормированные виды СРС в дисциплине «Метрология, стандартизация и сертификация» − формирование и изучение содержания конспекта лекций на базе рекомендованной лектором учебной литературы, включая информационные образовательные ресурсы; − подготовка к практическим занятиям и лабораторным работам, их оформление; − выполнение домашних заданий в виде решения отдельных задач; 6 − компьютерный текущий самоконтроль и контроль успеваемости на базе электронных обучающих и аттестующих тестов; Нормированные виды СРС (с участием преподавателей) Основными видами самостоятельной работы студентов с участием преподавателей для ее управления в учебном процессе являются: − текущие консультации и контроль по формированию и освоению теоретического содержания дисциплин; − прием и разбор домашних заданий; − прием и защита лабораторных работ; − консультирование и прием рефератов; − консультирование по результатам текущего компьютерного контроля знаний; − руководство, консультирование и защита курсовых работ (проектов); − руководство, консультирование и защита УИРС; − прием зачетов по дисциплинам; − руководство и прием зачетов по различным практикам; − руководство, консультирование и защита выпускных квалификационных работ. Нормированные виды СРС в дисциплине «Метрология, стандартизация и сертификация» − текущие консультации и контроль по формированию и освоению теоретического содержания дисциплин; − прием и разбор домашних заданий; − прием и защита лабораторных работ; − консультирование по результатам текущего компьютерного контроля знаний; − прием зачета по дисциплине. Форма планирования СРС по дисциплине Для организации и проведения СРС необходимо планирование этого вида обучения на кафедре. Целью планирования СРС является оптимальное распределение по содержанию и трудоемкости для студентов и преподавателей всех видов СРС по дисциплине и обеспечение условий, необходимых для ритмичного и качественного освоения дисциплины. Для этого необходимо определить базовые разделы дисциплины для СРС, установить оптимальные виды СРС и их объемы, формы и сроки контроля, обеспечить необходимые материально-технические и учебно- методические ресурсы по проведению СРС. 7 Планирование СРС по дисциплине «Метрология, стандартизация и сертификация» Таблица 1 Самостоятельная работа, зач.ед./часы № мод ул я об раз оват ельн ой прог раммы Наименование модулей дисциплины Освоение теоретического мате риала , п од гот овк а к тестиров ани ю Т естиров ани е в ЦД О Выполнение домашних заданий По дг от овка к контрольны м ра бо та м По дг от овка к выполнени ю лабораторных р абот Всего ча со в ил и за ч ет н ых единиц Формы контроля 3 Предмет метрологии. Системы физических величин и единиц. Погрешности измерений 16 4 6 4 4 34 − тестирование в ЦДО; − письменные домашние задания; − контрольные работы; − работа в классе. 4 Единство измерений. Средства измерений. Основы стандартизации и сертификации 14 6 5 4 4 33 − тестирование в ЦДО; − письменные домашние задания; − контрольные работы; − лабораторные работы; − работа в классе. ИТОГО: 67 зачет В таблице 1 приведены общие суммарные планируемые часы СРС, распределенные по видам СРС. Для более подробного рассмотрения планирования СРС по дисциплине, допустим сокращения для таблицы: − освоение теоретического материала – формирование и (электронные учебники, электронные библиотеки и др.); − тестирование в ЦДО – компьютерный текущий самоконтроль и контроль успеваемости на базе электронных обучающих и аттестующих тестов в Центре дистанционного обучения СПбГУ ИТМО; − письменные домашние задания – выполнение домашних заданий – решение отдельных задач; − подготовка к контрольным работам – решение задач, изучение материалов для подготовки к рубежной аттестации; − подготовка к выполнению лабораторных работ – изучение содержания конспекта лекций на базе рекомендованной лектором учебной литературы, включая методические рекомендации по выполнению лабораторных работ. 8 Управление СРС на практических занятиях по дисциплине «Метрология, стандартизация и сертификация» Практические занятия объемом 17 часов скомпонованы таким образом, что проводится одно занятие (2 академических часа), раз в две недели. Такой перерыв между этапами встреч с преподавателем обусловлен временем, отводимым на выполнение домашнего задания и изучения теоретического материала, которое студент проводит самостоятельно. В каждом модуле на практике в общем случае предусматриваются практические занятия, домашние задания и контрольная работа по итогам изучения материала модуля. За модуль проводится 4 занятия под руководством преподавателя и на аттестационной неделе модуля дается возможность досдать неуспешные этапы. В течение модуля студентами совместно с преподавателем должны быть изучены темы в соответствии с программой дисциплины в течение занятий, и часть материала может быть дана на самостоятельное изучение по выбору преподавателя. Стимулируется самостоятельность мышления студентов посредством работы у доски, сравнения результатов решения задач среди студентов группы. После изучения темы на домашнюю проработку каждому студенту выдается индивидуальный комплект задач. В данном пособии представлены и показаны способы решения типовых задач по всем подлежащим изучению темам. Самостоятельная работа студента выполняется и путем организации и стимулирования работы учащихся с учебно-методическим комплексом, изучения ими необходимого материала в данном пособии, в конспекте лекций, в методических рекомендациях по выполнению лабораторных работ и заданий для практических занятий, в описаниях виртуальных лабораторий. 9 ПРИМЕРЫ РЕШЕНИЯ ТИПОВЫХ ЗАДАЧ Теория воспроизведения единиц физических величин Задача 1. Определить маховой и динамический моменты инерции для вращающейся массы 0,6 т при диаметре инерции 180 см. Решение: Маховой момент равен 2 mD , динамический момент инерции – 2 mr I = . Переводим величины в единицы СИ: m =0,6 т=600 кг, D =180 см= 1,8 м. Тогда, маховой момент 1944 8 , 1 600 2 = ⋅ кг 2 м ⋅ Динамический момент инерции I=600 2 9 , 0 ⋅ =468 кг 2 м ⋅ Задача 2. Определить мощность электродвигателя, если от насоса, подающего воду из скважины глубиной 3 км, требуется подача 45000 л воды в 1 ч. КПД насоса 74,5 %. Решение: Гидравлическая мощность насоса t p V P = ; давление, развиваемое насосом, g h p ⋅ ⋅ = ρ . Переводим величины в единицы СИ: h=3 км=3000 м; V=45000 л=45 м 3 ; t=1 ч=3600 с; 1000 ρ = кг/м 3 . Находим давление 6 10 4 , 29 8 , 9 1000 3000 ⋅ = ⋅ ⋅ = p Па. Гидравлическая мощность насоса 3 6 10 410 3600 10 4 , 29 45 ⋅ = ⋅ ⋅ = P Вт=410 кВт. Мощность электромотора 550 5 , 74 100 410 = ⋅ = P кВт. Задача 3. Давление воздуха в заводской пневматической сети изменяется от 3 ат до 6 ат. Выразить давление в единицах системы Си. Решение: Р=3·9,80665·10 4 =0,3 МПа, Р=6·9,80665·10 4 =0,6 МПа. Задача 4. Удельное давление при объемной штамповке латуни состав- ляет (120 – 200) кгс/мм 2 . Выразить удельное давление в единицах системы СИ. Решение: 6 1 10 80665 , 9 120 − ⋅ = p Н/м 2 =1,2 ГПа, 6 2 10 80665 , 9 200 − ⋅ = p Н/м 2 =2 ГПа. Основные понятия теории погрешностей Задача 1. Определите относительную погрешность измерения напря- жения переменного тока вольтметром при положениях переключателя рода работы на постоянном и переменном токах, если прибор 10 показывает в первом случае 128 В, во втором 120 В при напряжении 127 В. Решение: Относительная погрешность измерения выражается отношением абсолютной погрешности измерения Д x x x − = Δ (отклонение результата измерения х от истинного (действительного) значения измеряемой величины Д x ) к действительному Д x или измеренному х значению: % 100 Δ δ ⋅ = Д x x % 8 , 0 % 100 127 127 128 1 ≈ ⋅ − = δ ; % 5 , 5 % 100 127 127 120 2 ≈ ⋅ − = δ Ответ: % 5 , 5 ; % 8 , 0 2 1 = = δ δ Задача 2. Показания часов в момент поверки 12 ч 03 мин. Действительное значение времени 12 ч 00 мин. Определить абсолютную и относительную погрешности часов. Решение: Абсолютная погрешность часов: Д x x x − = Δ =3 мин=180 с. Относительная погрешность часов: % 4 , 0 % 100 с 43200 с 180 % 100 ≈ ⋅ = ⋅ Δ = Д x x δ Ответ: = Δ x 180 с ; % 4 , 0 ≈ δ Задача 3. Определить приведенную погрешность амперметра, если его диапазон измерений от –5 А до +5 А, значение поверяемой отметки шкалы равно 3 А, а действительное значение измеряемой величины – 2,98 А. Решение : Приведенная погрешность амперметра: % 2 , 0 % 100 А 10 А 2,98 А 3 % 100 ≈ ⋅ − = ⋅ Δ = γ N x x Ответ: % 2 , 0 ≈ γ Задача 4. Результат измерения давления 1,0600 Па, погрешность результата измерения Δ =0,001 Па. Запишите результат измерения давления, пользуясь правилами округлений. Ответ: (1,060±0,001) Па. Задача 5. Пользуясь правилами округлений до целых, запишите результаты следующих измерений: 3478,4 м; 4578,6 м; 5674,54 м; 1234,50 мм; 43210,500 с; 8765,50 кг; 232,5 мм; 450,5 с; 877,5 кг. Ответ: 3478 м; 4579 м; 5675 м; 1234 мм; 43210 с; 8766 кг; 232 мм; 450 с; 878 кг. 11 Систематические погрешности Задача 1 . Оцените систематическую погрешность измерения напряжения x U источника, обусловленную наличием внутреннего сопротивления вольтметра (рис. 1). Рис. 1. Измерение напряжения источника вольтметром Внутреннее сопротивление источника напряжения 50 = i R Ом; сопротивление вольтметра 5 = v R кОм; показания вольтметра 2 , 12 = изм U В. Решение: Здесь x i v v изм U R R R U + = и относительная систематическая погрешность, определяемая как % 100 % 100 ⋅ + − = ⋅ − = Θ v i i x изм x R R R U U U U x , составит 0,99 %. Это достаточно ощутимая погрешность и ее следует учесть введением поправки. Поправка ∇ равна погрешности, взятой с обратным знаком в единицах измеряемой величины 12 , 0 2 , 12 10 99 , 0 2 + = ⋅ ⋅ = ∇ − В. Таким образом, напряжение источника будет 12,2+0,12=12,32 В. Отметим, что полученная оценка систематической погрешности имеет некоторую погрешность из-за погрешностей в определении v R и i R , а также из-за наличия инструментальной погрешности вольтметра. Эта погрешность при введении поправки не исключается и называется неисключенной систематической погрешностью Ответ: 12 , 0 = Θ В. Случайные погрешности Задача 1. Техническими условиями на изготовление некоторого типа резисторов было установлено, что величина сопротивления была 100Ом ± 5Ом. Для оценки партии резисторов из нее сделали случайную выборку объемом 50 = n резисторов. Среднее значение величины сопротивления получено 100 = X Ом. Среднее квадратическое отклонение 5 ± = σ Ом. Сколько процентов сопротивлений в партии будет забраковано при сплошной проверке? 12 Решение: Найдем значение нормированной случайной величины σ x m x t − = , где x m – математическое ожидание X m x = 105 5 100 max = + = x Ом ; 1 5 100 105 max = − = ⇒ t 95 5 100 min = − = x Ом 1 5 100 95 min − = − = ⇒ t По таблице Лапласа получим ( ) ( ) 3413 , 0 ; 3413 , 0 min max − = + = t Ф t Ф т.к. ( ) ( ) t Ф t Ф − = − , таким образом, вероятность появления брака составит: ( ) ( ) [ ] 3174 , 0 6826 , 0 1 1 min max = − = − − t Ф t Ф или 31,74 %. Ответ: 31,74 % сопротивлений будет забраковано в партии при сплошной проверке |