3.2. Международная система единиц (система си)

Правила, по которым тот или иной комплекс единиц выбирают в качестве основного, не могут быть обоснованы теоретически. Единственными аргументами в пользу выбора могут служить лишь эффективность и целесообразность использования данной системы. Для практических целей измерения в качестве основных величин и единиц следует выбирать такие, которые могут быть воспроизведены с наибольшей точностью. Образование системы единиц базируется на [21, 22] объективных закономерных связях между физическими величинами и произвольной, но разумной воле людей и их соглашениях, заключительным из которых является Генеральная конференция по мерам и весам.

При построении системы единиц или при введении новой ученые руководствуются только одним-единственным принципом — практической целесообразностью, т.е. удобством применения единиц в практической деятельности человека. В основу этого принципа положены следующие базовые критерии:

• простота образования производных ФВ и их единиц, т.е. приравнивание единице коэффициентов пропорциональности в уравнениях связи;

• высокая точность материализации основных единиц и передачи их размера нижестоящим эталонам;

• неуничтожаемость эталонов основных единиц, т.е. возможность их воссоздания в случае утраты;

• преемственность единиц, сохранение их размеров и наименований при введении новой системы единиц, что связано с исключением материальных и психологических затрат;

• высокая точность воспроизведения производных

• единиц;

• близость размеров основных и производных единиц к размерам ФВ, наиболее часто встречающихся в практике;

• долговременность хранения основных и производных единиц их эталонами;

• минимальное число основных ФВ;

• выбор в качестве основных ФВ, отражающих наиболее общие свойства материи.

Приведенные критерии вступают в противоречие, поэтому путем соглашения выбирается наиболее выгодный для практики вариант.

Единая международная система единиц (система СИ) была принята XI Генеральной конференцией по мерам и весам в 1960г. На территории нашей страны система единиц СИ действует с 1 января 1982г. в соответствии с ГОСТ 8.417—81. Она возникла не на пустом месте и является логическим развитием предшествовавших ей систем единиц СГС, МКГСС и др.

Система СИ — единственная система единиц ФВ, которая принята и используется в большинстве стран мира. Это обусловлено ее достоинствами и преимуществами перед другими системами единиц, к которым относятся:

• универсальность, т.е. охват всех областей науки и техники;

• унификация всех областей и видов измерений;

• когерентность величин, т.е. все производные единицы СИ получаются из уравнений связи между величинами, в которых коэффициенты равны единице;

• возможность воспроизведения единиц с высокой точностью в соответствии с их определением;

• упрощение записи формул в физике, химии, а также в технических расчетах в связи с отсутствием переводных коэффициентов;

• уменьшение числа допускаемых единиц;

• единая система образования кратных и дольных единиц, имеющих собственные наименования;

• облегчение педагогического процесса в средней и высшей школах, так как отпадает необходимость в изучении множества систем единиц и внесистемных единиц;

• лучшее взаимопонимание при развитии научно-технических и экономических связей между различными странами.

Ниже приведены определения основных единиц (см. табл. 3.1) системы СИ [1].

Первоначально (до 1983г.) в качестве основных были выбраны единицы измерения длины и времени, а в качестве производной — скорость. В 1983 г. основными единицами были названы единицы измерения времени и скорости, при этом скорости света в вакууме было придано точное, но в принципе произвольное численное значение, равное с₀ = 299 792 458 м/с. Длина и ее единица метр стали, по существу, производными единицами. Однако формально длина в СИ остается основной физической величиной.

Метр — расстояние, проходимое светом в вакууме за 1/299 792 458 долю секунды.

Секунда — 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующих переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.

Килограмм — масса международного прототипа килограмма, представляющего собой цилиндр из сплава платины и иридия. Следует отметить, что при таком определении килограмма не выполняется третий базовый критерий выбора основных единиц системы ФВ. Эталон килограмма является единственным уничтожимым эталоном из всех эталонов основных единиц системы СИ. Он подвержен старению и требует применения громоздких поверочных схем. Современное развитие науки пока не дает возможности связать килограмм с естественными атомными константами с достаточной степенью точности. До сих пор килограмм является чисто договорной единицей.

Кельвин равен 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды.

В системе СИ за основную выбрана единица магнитной проницаемости μ₀ = 4π·10^-7 Гн/м, называемая магнитной постоянной. Однако формально основной единицей считается ампер. Это связано с тем, что при выборе основной единицы путем постулирования ее численного значения оказывается невозможным материализовать эту единицу в виде эталона. Поэтому реализация такой единицы осуществляется через какую-либо производную. Так, единица скорости материализуется эталоном метра, а единица магнитной проницаемости — эталоном ампера. По определению, ампер — сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, вызвал бы на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2 10^-7Н.

Канделла — сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540·10¹² Гц, энергетическая сила которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср.

Моль — количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0,0012 кг. При применении моля структурные элементы должны быть специфицированы и могут быть атомами, молекулами, ионами, электронами и другими частицами или группами частиц.

Радиан — угол между двумя радиусами окружности, длина дуги которой равна радиусу. На практике часто используется градус 1° = 2π/360 рад = 0,017453 рад; минута 1΄ = 1°/60 = 2,9088·10^-4 рад и секунда 1" = 1΄/60 = 1˚/3600 = = 4,8481 · 10^-6 рад. Соответственно 1 рад = 57° 17' 45" = = 57,2961° = (3,4378·10³)' = (2,0627·10⁵)".

Стерадиан представляет собой телесный угол с вершиной в центре сферы, вырезающий на ее поверхности площадь, равную площади квадрата со стороной, равной радиусу сферы.