2.2 Единицы физических величин и системы физических величин

Народная мудрость:

«Все познается в сравнении»

«Невозможно определить или измерить одну величину

иначе как приняв в качестве известной другую величину

этого же рода и указав соотношение, в котором

она находится с ней».

Л.Эйлер.

Единица физической величины- физическая величина фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение равное 1, и применяемая для количественного выражения однородных физических величин.

Должно существовать, по меньшей мере столько единиц, сколько физических величин. Примеры : 1м – единица длины, 1с-единица времени, 1 Бк – единица активности радионуклида.

Первой системой единиц физических величин была система, принятая в 1795 году Национальным Собранием Франции (выше говорили об этом).

Вообще в природе физические величины связаны между собой зависимостями, которые выражают одни величины через другие и называются уравнениями связи между величинами.

Совокупность связанных такими зависимостями величин среди которых одни условно называются независимыми, а другие выражаются через них, называют системой величин. Независимые величины называют основными, а выражаемые через основные – производными.

Хорошо спланировано - наполовину сделано

В 1882 году Гаусс первый предложил методику построения системы единиц физических величин как совокупности основных и производных.

Основные (независимые друг от друга) единицы физических величин:

• длины

• массы

• времени

Все остальные –производные –определялись через них.

Система, которую он создал –

Абсолютная система единиц (осн.ед. миллиметр, миллиграмм, секунда)

С развитием науки и техники возникли другие метрические системы, построенные по принципу, предложенному Гауссом, которые отличались основными единицами физических величин.

Система СГС

В 1881 году первым международным конгрессом электриков была принята система

Система СГС (осн.ед.- сантиметр, грамм, секунда; производные: дина –единица силы и эрг – единица работы)

Для механических и магнитных измерений сегодня действуют семь видов СГС: СГСЕ, СГСМ и др.

Значительное количество констант и до сих пор выражаются в единицах СГС.

Система МКГСС

В конце 18 века, когда 1 кг был принят за единицу веса – это обусловило формирование новой системы единиц физических величин с тремя единицами :

Система МКГСС (осн.ед.- метр, килограмм-сила, секунда)

Килограмм-сила (кгс)- сила, которая дает массе в 1кг ускорение 9, 80665 м/ с² (ускорение свободного падения)

Система МКГСС использовалась в механике и технике и неофициально называлась «технической» . Причина – удобная единица силы кгс, но в то же время система не очень была удобна, что основная единица для силы, а не массы. (получалось, что единица массы – производная от единицы силы и равняется 9, 80665 кг, а это противоречит метрической десятичной системе, да и в названиях путаница. Еще одним недостатком системы является ее некогерентность (несогласованность) с единицами электрических и механических величин. Единица работы и энергии в МКГСС – килограмм-сила-метр, а в системе электрических величин – джоуль, что заставляет использовать переходные коэффициенты для пересчета. И еще ряд неудобств.

Система МКСА

Основы этой системы были предложены в 1901 г. итальянским ученым Джорджи. Основными единицами системы МКСА являются метр, килограмм, секунда и ампер.

Абсолютная практическая система электрических единиц

Была принята в 1881 г. Первым международным конгрессом электриков, как производная от системы СГСМ и была предназначена для практических измерений электрических и магнитных величин. Электрические и магнитные единицы системы СГСМ оказались неудобными для практического применения, т.к. одни единицы были чрезмерно велики, а другие очень малы.

В абсолютной практической системе электрические и магнитные единицы были созданы из соответствующих единиц системы СГСМ умножением их на 10 в соответствующей степени.

• практическая единица электрического сопротивления, которая равна 10⁹ единицам сопротивления СГСМ (позже стали называть «Ом»)

• практическая единица ЭДС , которая равна 10⁸ единицам ЭДС СГСМ ( с названием «вольт»)

• практическая единица силы тока ампер, которая равна 10^-1 единицы тока СГСМ

• практическая единица электрической емкости фарада, которая равна 10^-9 емкости СГСМ.

Каждая из этих единиц имела теоретическое обоснование, которое со временем изменялась и совершенствовалось с учетом достижений науки и техники

Система МТС

Система МТС (осн.ед.-метр, тонна, секунда)

Впервые была принята во Франции в 1919 г.

Принятая тонна казалась удачной, так как обеспечивалось соответствие между единицами длины, массы и объема. 1 тонна – 1куб.м Кроме того, единица работы и энергии в этой системе (килоджоуль) и единица мощности (киловатт) совпадали с соответствующими кратными практическими электрическими единицами. Но все равно эта система не нашла практического применения в др. странах и в 1961 г. была отменена и во Франции.

Тем не менее при унификации единиц и утверждении единой системы единиц количество внесистемных единиц должно быть сведено к минимуму.

Международная система единиц (СИ)

Присутствие многочисленных единиц физических величин, а также большого числа внесистемных единиц сделало неудобным переход от одной системы к другой, то есть необходимо было как можно быстрее унифицировать единицы измерения.

Необходима была единая система единиц физических величин, которая была бы удобна для измерений в любой области и сберегла бы принцип когерентности (согласованности).

Система МКГСС удобна в механике и прикладных науках, но не согласовывалась с практическими электрическими единицами. Система СГС широко применялась в физике, но была неудобна в механике.

В 1954 году 10 Генеральная конференция по мерам и весам установила 6 основных единиц , 27 производных единиц и приставки для кратных и дольных единиц практичной системы для международных отношений.

Основные единицы:

- метр

• килограмм

• секунда

• ампер

• градус Кельвина

• свеча

На этот момент членами Метрической конференции стали 40 стран.

Систему назвали СИ (от фр. Systeme International)

Сегодня 115 стран присоединились к этой системе.

В 1981 году СССР ввел в действие стандарт ГОСТ 8.417-81 «Единицы физических величин» в котором за основу было принято систему СИ и утверждено для обязательного выполнения.

И сегодня (уже в Украинском ГОСТе) в нем перечислены единицы измерения, приведены их украинские и международные названия и установлены правила их применения. По этим правилам в международных документах и на шкалах приборов допускается использовать только международные обозначения. Во внутренних документах и публикациях можно использовать либо международные либо украинские обозначения (но не те и другие одновременно).

Основные преимуществами системы СИ:

1. универсальность, которая обеспечивает ее использование в науке, технике и хозяйстве.

2. унификация единиц для всех видов измерений (т.е. приведение нескольких видов единиц к одной и четкая система образования кратных и дольных единиц от нее) (так вместо нескольких единиц давления атм.мм рт.ст., бар и др. в СИ признана единица Па, вместо нескольких единиц работы и энергии –Джоуль)

3. когерентность (согласованность) системы: коэффициенты пропорциональности в физических уравнениях для определения производных единиц равны единице) (более подробно это понятие рассмотрим позже)

4. использование удобных для практических измерений основных и производных величин

5. четкое различие единицы массы (килограмм) и силы (ньютон)

6. упрощенная запись уравнений и формул благодаря отсутствию переходных коэффициентов для перехода от одной системы к другой

7. система рационализирована (множители и появляются только в выражениях, где есть круговая и сферическая симметрия соответственно)

8. отпала необходимость помнить все единицы величин для различных областей измерений

9. укрепление международных связей (экономических и научно-технических)

В 1971 году утвердили седьмую основную единицу СИ –моль, а свечу заменили на канделу.

Кандела введена для того, чтобы упростить измерение субъективно воспринимаемой интенсивности света и связана с стандартизированной чувствительностью человеческого глаза. Вообще силу света характеризуют длиной волны и энергией, так что в действительности это лишняя единица (кандела и ее производные используют только в фотометрии).

Основные единицы СИ

Величина	Единица	Размерность	Укороченное название единиц
			укр	рус	международное
Длина	метр	L	м	м	m
Масса	килограмм	M	кг	кг	kg
Время	секунда	T	с	с	s
Сила электрического тока	ампер	I	А	А	A
Термодинамическая температура*	кельвин	Q	К	К	K
Сила света	кандела	J	кд	кд	kd
Количество вещества	моль	N	моль	моль	mol

* - градус Цельсия допускаемая единица температуры наравне с кельвином.

Вообще оба термина «единица физической величины» и «физическая величина » - абстрактные понятия. Чтобы воспользоваться единицей, необходимо иметь реализацию этой единицы, то есть физический эталон.(более подробно-позже) Эталон может быть:

- осязаемым воплощением физической величины (килограмм)

• определен посредством стандартизированной измерительной процедуры, в которых применяются эталонные методы измерений и калибровочное специальное оборудование. (ампер, измерение по методу баланса токов)

• явлением природы, например, процессом, происходящим в атомах (секунда, моль).

На сегодняшний день основные величины имеют следующие определения (эталоны):

Метр равен расстоянию, которое проходит плоская электромагнитная волна в вакууме за 1/299792458 долю секунды

Килограмм равен массе международного прототипа килограмма – платиноиридиевого цилиндра высотой 39 мм и диаметром 39 мм

Секунда равна 9192631770 периодам излучения, соответствующего перехода между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133