Номер 5, страница 44, часть 1 - гдз по физике 7 класс учебник Белага, Воронцова

Часть 1. Глава 1. Физика и мир, в котором мы живём. Параграф 10. Лабораторные и исследовательские работы. Темы исследовательских и проектных работ - номер 5, страница 44.

Условие.

• Аналоговые и цифровые измерительные приборы. История развития и об-ласть применения.

Решение.

Аналоговые и цифровые измерительные приборы

Измерительные приборы являются неотъемлемой частью науки, техники и повседневной жизни. Их можно разделить на два основных типа: аналоговые и цифровые.

Аналоговый измерительный прибор — это устройство, в котором показания являются непрерывной функцией измеряемой величины. Результат измерения обычно отображается с помощью стрелки, движущейся по шкале с делениями. Принцип действия таких приборов основан на прямом преобразовании измеряемой величины (например, тока или напряжения) в механическое перемещение указателя. Примерами могут служить стрелочный вольтметр, амперметр, ртутный термометр, механический барометр.

Преимущества аналоговых приборов:

• Наглядность: легко отслеживать динамику изменения величины, видеть тенденции и пиковые значения.
• Простота конструкции и, в некоторых случаях, отсутствие необходимости во внешнем источнике питания (например, для магнитоэлектрических приборов).
• Мгновенная реакция на изменение сигнала без задержек, связанных с дискретизацией.

Недостатки аналоговых приборов:

• Невысокая точность, ограниченная классом точности прибора и погрешностью считывания (ошибка параллакса).
• Чувствительность к механическим воздействиям (вибрации, удары).
• Сложность автоматизации считывания показаний.

Цифровой измерительный прибор — это устройство, которое измеряет аналоговую величину, преобразует ее в цифровой код с помощью аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и отображает результат в виде числа на цифровом дисплее. Примеры: цифровой мультиметр, электронные весы, цифровой осциллограф.

Преимущества цифровых приборов:

• Высокая точность и разрешение, минимальная погрешность считывания.
• Объективность показаний, не зависящая от оператора.
• Возможность автоматизации измерений, хранения данных, их математической обработки и передачи на компьютер.
• Устойчивость к механическим воздействиям и помехам (в большинстве случаев).

Недостатки цифровых приборов:

• Необходимость в источнике питания.
• Возможность ошибок дискретизации и квантования.
• Сложнее отслеживать быстрые изменения сигнала по цифровому дисплею по сравнению со стрелочным индикатором.

Ответ: Аналоговые приборы отображают измеряемую величину непрерывно (например, стрелкой на шкале), в то время как цифровые приборы представляют результат в виде дискретного числового значения на дисплее, преобразуя для этого аналоговый сигнал в цифровой код.

История развития

История измерительных приборов начинается с древнейших времен (солнечные и водяные часы, весы), но ее современный этап связан с открытиями в области электричества и магнетизма.

Эпоха аналоговых приборов началась в XIX веке. В 1820 году Ганс Христиан Эрстед обнаружил связь между электричеством и магнетизмом, что привело к созданию Иоганном Швейггером первого гальванометра — прибора для обнаружения электрического тока. Дальнейшее развитие связано с работами Арсена д'Арсонваля, который усовершенствовал гальванометр, создав высокочувствительный прибор с подвижной катушкой, ставший основой для большинства стрелочных амперметров и вольтметров. К началу XX века аналоговые электроизмерительные приборы стали широко распространены.

Революция в измерительной технике началась в середине XX века с развитием электроники. Ключевыми событиями стали изобретение транзистора в 1947 году, интегральной схемы в 1958 году и микропроцессора в 1971 году. Эти изобретения открыли путь к созданию цифровых приборов. Первым коммерчески успешным цифровым прибором считается цифровой вольтметр (ЦВ), созданный Эндрю Кэем в 1953 году. Он обеспечивал значительно более высокую точность по сравнению с аналоговыми аналогами. С появлением микропроцессоров цифровые приборы стали "умными": в них появились функции автоматического выбора диапазона, самокалибровки, статистической обработки результатов и интерфейсы для связи с компьютерами. Это привело к постепенному вытеснению аналоговых приборов из большинства сфер применения.

Ответ: Развитие измерительных приборов прошло путь от механических и электромеханических аналоговых устройств XIX века (гальванометры) до появления первых цифровых вольтметров в середине XX века, что стало возможным благодаря изобретению транзисторов и интегральных схем, и привело к современной микропроцессорной измерительной технике.

Область применения

Несмотря на доминирование цифровых технологий, аналоговые приборы до сих пор находят свое применение в ряде специфических областей.

Области применения аналоговых приборов:

• Мониторинг процессов: Когда важнее отслеживать тенденцию и скорость изменения параметра, а не его точное значение (например, индикаторы давления, температуры на панелях управления, VU-метры в звукозаписывающем оборудовании).
• Индикаторы нулевого значения: В мостовых схемах и компараторах стрелочный индикатор наглядно показывает отклонение от нуля.
• Условия сильных электромагнитных помех: Простые электромеханические приборы могут быть менее восприимчивы к высокочастотным помехам, чем сложные цифровые схемы.
• Образовательные цели: Для демонстрации фундаментальных физических принципов работы измерительных устройств.
• Автономность: Некоторые приборы (например, магнитоэлектрические) не требуют внешнего питания, получая энергию от измеряемой цепи.

Цифровые приборы сегодня являются стандартом де-факто в подавляющем большинстве приложений.

Области применения цифровых приборов:

• Научные исследования и лабораторные измерения: Где требуются максимальная точность, разрешение и повторяемость результатов.
• Промышленность и производство: В системах автоматического контроля и управления технологическими процессами (АСУ ТП), для контроля качества продукции.
• Медицина: Цифровые термометры, тонометры, глюкометры, сложное диагностическое оборудование (ЭКГ, УЗИ).
• Телекоммуникации: Анализаторы спектра, частотомеры, измерители мощности.
• Ремонт и обслуживание техники: Портативные цифровые мультиметры являются основным инструментом инженеров и техников.
• Бытовая сфера: Электронные весы, кухонные термометры, таймеры и т.д.
• Системы сбора данных: Любые приложения, где требуется регистрация, хранение и последующая компьютерная обработка результатов измерений.

Ответ: Аналоговые приборы до сих пор применяются для отслеживания быстрых изменений (например, в аудиоаппаратуре), в условиях сильных помех и в качестве простых индикаторов, тогда как цифровые приборы доминируют в областях, требующих высокой точности, автоматизации, хранения и обработки данных, таких как наука, производство, медицина и бытовая техника.