ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет»
Ю.Е. Калинин
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТОДЫ ИССЛЕДОВАНИЙ
Утверждено Редакционно-издательским советом университета в качестве учебного пособия
Воронеж 2015
УДК 539.67, 548:537.621
Калинин Ю.Е. Экспериментальные методы исследований: учеб. пособие [Электронный ресурс]. – Электрон. текстовые, граф. данные (9 Мб) / Ю.Е. Калинин. – Воронеж : ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2015. – 1 электрон. опт. диск (CD-ROM). – Систем. требования: ПК 500 и
выше; 256 Мб ОЗУ; Windows XP; Adobe Acrobat; 1024x768; CD-ROM
;мышь. – Загл. с экрана.
Вучебном пособии рассмотрены сведения об экспериментальных методах исследований, применяемых при контроле качества материалов, изделий и их компонентов. В частности, рассмотрены методы исследования электрических, магнитных, оптических свойств материалов электронной техники, методы механических испытаний конструкционных материалов и др. Отдельная глава пособия посвящена сканирующей туннельной микроскопии и сканирующей микроскопии на атомных силах.
Издание соответствует требованиям Федерального государственного образовательного стандарта высшего образования по направлению 16.03.01 «Техническая физика» (профиль «Физическая электроника»), дисциплине «Экспериментальные методы исследований». Может быть использовано аспирантами специальности «Физика конденсированного состояния».
Табл. 13. Ил. 204. Библиогр.: 43 назв.
Научный редактор д-р физ.- мат. наук, проф. С.А. Гриднев
Рецензенты: кафедра физики полупроводников и микроэлектроники Воронежского государственного университета (зав. кафедрой д-р физ.-мат. наук, проф. Е.Н. Бормонтов); д-р физ.-мат. наук, проф. А.Т. Косилов
©Калинин Ю.Е., 2015
©Оформление. ФГБОУ ВПО «Воронежский государственный технический университет», 2015
ПРЕДИСЛОВИЕ
Физика - экспериментальная наука, основанная на опыте, и не может обойтись без математики. Количественные измерения позволяют формулировать математические зависимости между физическими величинами. Еще шумеры умели измерять три фундаментальные физические величины: длину, время, массу, однако значение экспериментальных данных и точных измерений стало понятным лишь начиная со времен Галилея (17 век). Именно тогда были заложены основы современного естествознания. Экспериментальные методы и измерительная техника в физике в настоящее время весьма многообразны. Специальные методы эксперимента развиваются не только в физике, но и в других разделах естественных и технических наук, для которых физика служит основой.
Дисциплина «Экспериментальные методы исследований», читаемая на факультете радиотехники и электроники ВГТУ, включает широкий круг методик для измерений различных физических свойств, по которым отсутствуют учебные пособия и монографии. Предлагаемое учебное пособие направлено на восполнение данного пробела.
Учебное пособие предназначено для студентов старших курсов, обучающихся по направлению "Техническая физика" и по специальностям «Микроэлектроника и твердотельная электроника», «Физика металлов», «Материаловедение и технология новых материалов», а также будет полезно аспирантам, научным работникам и инженерам, специализирующимся в области физики конденсированного состояния.
3
ВВЕДЕНИЕ
Общей чертой, объединяющей инженеров, физиков и социологов, является то, что все они проводят эксперименты. И хотя проводимые ими экспериментальные методы различны, они имеют много общего. Исследователи стараются контролировать свой эксперимент или исключить влияние внешних переменных, поскольку это ускоряет его работу и делает ее более экономичной. Многие экспериментальные переменные исследователь не может контролировать, и поэтому он должен определенным образом планировать эксперимент, чтобы свести к минимуму или вообще исключить эти внешние воздействия. Кроме того биолог вынужден многократно повторять эксперимент, тогда как физик-экспериментатор может удовлетвориться несколькими отчетами. Однако это не означает, что планирование эксперимента и статистический вывод не интересуют инженера: эти методы находят применение в различных областях техники.
С другой стороны, более вероятно, что инженерэкспериментатор, имея сравнительно точные данные, будет использовать графики и формулы для представления полученных им результатов, тогда как биолог часто может ограничиться составлением простой таблицы статистических данных. В промышленных и производственных экспериментах, где имеет место взаимодействие человека и экспериментального оборудования, различие между этими двумя подходами к проведению эксперимента исчезает, и нередко инженеру приходиться обращаться к методам, которые были разработаны специалистами весьма отдаленных областей исследования.
Целью эксперимента является поиск таких параметров физических явлений, которые можно измерить, получив численные значения. Между этими измеренными значениями уже можно установить определенную функциональную зависимость. Свойства физических объектов и процессов, которые можно прямо или косвенно измерить, называют физическими
4
величинами. Физические законы, связывающие между собой эти величины, имеют вид математических уравнений. Физические величины можно разделить на классы, каждый из которых описывает определенный круг явлений.
При измерении физической величины ее значение G сравнивают с единицей измерения [G]. Число, которое получается при измерениях, называют численным значением {G} физической величины:
G = {G}[G].
Таким образом, любая физическая величина равна произведению численного значения и единицы измерения [1].
Физические величины связаны математическими уравнениями. Можно выделить несколько независимых величин, которые не сводятся одна к другой. Их называют основными физическими величинами. Эти величины, вообще говоря, можно выбрать произвольно. Поэтому существует международное соглашение, которое определяет основные физические величины. Все остальные величины называют производными. Они определяются уравнениями, в которые входят основные физические величины или их комбинации.
В 1960 г. было заключено международное соглашение о выборе основных физических величин. Эти величины, а также производные физические величины составляют основу Международной системы Единиц СИ (Systeme International d'Unites). Во многих странах эта система единиц имеет силу закона. Международную систему единиц очень удобно использовать как в теории, так и на практике. Производные единицы в СИ получаются из основных. Наиболее важные из них имеют собственные имена и краткие обозначения.
В таблице приведены основные физические величины и их единицы измерения. Существуют точные определения этих величин.
5