2.2 Классификация единиц измерения физической величины I. По методу получения:

1. Единица измерения независимая - выбирается произвольно, независимо как от других однородных единиц, так и от единиц измерения других физических величин. Например: Метр - был выбран как одна десяти миллионная часть четверти длины Парижского меридиана. Градус Цельсия - был выбран как одна сотая часть температурного интервала между температурой таяния льда и температурой кипения воды при нормальном атмосферном давлении 760 мм.рт.ст.

2. Единица измерения производная - образована с помощью физических формул, выражающих количественную зависимость между физическими величинами и соответственно через другие единицы измерений.

Например: единица измерения давления (Паскаль) получена делением единицы измерения силы (Ньютон) на квадратный метр и т.д.

3. Единица измерения дольная - получается путем деления независимой или производной единицы на целое отвлеченное число (обычно на число являющееся степенью при основании 10). Например из метра - миллиметр

4. Единица измерения кратная - получается путем умножения независимой или производной единицы на целое отвлеченное число (обычно на число являющееся степенью при основании 10). Например: из метра - километр.

II. По типу объединения

1. Единицы измерения внесистемные - единицы не входящие ни в одну из систем. Например: километр, ангстрем, киловат, лошадиная сила, мм.рт.ст., техническая

атмосфера и др.

2. Единицы измерения системные - единицы образующие (входящие в) какую бы то ни было систему. В зависимости от того, какое они место занимают в системе их подразделяют на:

• единицы измерения системные основные - выбранные произвольно и послужившие основой для выражения остальных системных единиц.

• единицы измерения системные производные - полученные (произведенные) на основании основных системных единиц с помощью физических формул.

Понятие "Единицы измерения системные производные" уже понятия "Единицы измерения производные", т.к. последние не входят ни в одну из систем.

единицы измерения (системные) производные когерентные - представляют собой произведение степеней основных единиц, не содержащие численных коэффициентов, или иначе говоря, выделены без численного коэффицента. (Пример: 1 Вт = 1 кг × м² / с³)

единицы измерения (системные) производные некогерентные - выделены с помощью численного коэффициента (Пример: 1 кВт = 10³ кг × м² / с³)

единицы измерения системные дополнительные - выбранные произвольно, но не вошедшие в основные системные единицы

3 Международная система единиц (си)

Первоначально единицы физических величин выбирались произвольно, без какой-либо связи друг с другом, что создавало большие трудности. Значительное число произвольных единиц одной и той же величины затрудняло сравнение результатов измерений, произведённых различными наблюдателями. В каждой стране, а иногда и в каждом городе создавались свои единицы физических величин. Перевод одних единиц физических величин в другие был очень сложен и приводил к существенному снижению точности результатов измерений. Кроме указанного разнообразия единиц, которое можно назвать территориальным, существовало разнообразие единиц применяемых в различных отраслях науки, техники, промышленности и т.п.

По мере развития науки, а так же международных связей трудности использования результатов измерений возрастали и тормозили дальнейший научно-технический прогресс.

Положение еще осложнялось тем, что соотношения между дольными и кратными единицами были чрезвычайно многообразными.

Во второй половине XVIII в. в Европе насчитывалось до стони футов различной длины, около полусотни различных миль, свыше 120 различных фунтов.

В 1790 г. во Франции было принято решение о создании системы новых мер, основанных на неизменном прототипе, взятом из природы, с тем, чтобы её могли принять все нации. Было предложено считать единицей длины длину десятимиллионной части четверти меридиана Земли, проходящего через Париж. Эту единицу назвали метром. Для определения размера метра с 1792 по 1799 г. были проведены измерения дуги парижского меридиана.

За единицу массы была принята масса 0.001 м³ (1 дм³) чистой воды при температуре наибольшей её плотности (+4 °С). Эта единица была названа килограммом. Кроме того, при введении метрической системы была принята десятичная система образования кратных и дольных единиц, соответствующая десятичной системе нашего числового счёта. Десятичность метрической системы является одним из важнейших её преимуществ.

Последующие измерения показали, что в 1/4 парижского меридиана содержится не 10 000 000, а 10 000856 первоначально определённых метров. Так как при дальнейших, более точных измерениях земного меридиана могли получиться другие размеры основной единицы длины. В 1872 г. Международной комиссией по прототипам метрической системы было решено перейти от единиц длины и массы, основанных на естественных эталонах, к единицам, основанных на условных эталонах (прототипах).

В 1875 г. на дипломатической конференции 17 государств подписали метрическую конвенцию, в соответствии с которой было принято:

- установление международных прототипов метра и килограмма;

• создание Международного бюро мер и весов;

• учрежден Международный комитет мер и весов, состоящий из учёных разных стран, одной из функций которого было руководство деятельностью Международного бюро мер и весов

• установлен созыв один раз в шесть лет Генеральной конференции по мерам и весам.

В 1889 г. в Париже на 1-ой Генеральной конференции по мерам и весам были утверждены международные прототипы из вновь изготовленных образцов и переданы на хранение Международному бюро мер и весов.

Понятие о системе физических величин ввел немецкий учёный К. Гаусс. По его методу построения систем единиц различных величин сначала устанавливают или выбирают произвольно несколько величин независимо друг от друга. Эти величины называют основными, Через эти основные величины, пользуясь закономерной связью между величинами, образуются единицы других величин. Единицы, выраженные через основные единицы, называют производными.

Полная совокупность основных и производных единиц, установленных таким путём, и является системой единиц физических величин.

Первоначально были созданы системы единиц, основанные на трёх единицах. Эти системы охватывали большой круг величин, условно называемых механическими. Они строились на основе тех единиц физических величин, которые были приняты в той или иной стране. Предпочтение отдается системам, построенным на единицах длины-массы-времени как основных. Одной из систем, построенных по этой схеме для метрических единиц, является система метр-килограмм-секунда (МКС). В научных трудах по физике до сих пор применяется система сантиметр-грамм-секунда (СГС), разработанная в 1861-1870 гг. и построенная по той же схеме.

В течение некоторого времени применяли так называемую техническую систему единиц, построенную по схеме длина-сила-время. При применении метрических единиц основными единицами этой системы является метр - килограмм-сила - секунда. (МКГСС). Преимущество заключалось в том, что применение в качестве одной из основных единицы силы упрощало вычисления и выводы зависимостей для многих величин, применяемых в технике. Недостатком являлось то, что единица массы в ней получалась производной и равной приблизительно 9,81 кг. Это нарушало метрический принцип десятичности мер. Другой недостаток заключался в сходности наименования единицы силы (килограмм-сила) и единицы массы (килограмм), что часто приводило к путанице. Третьим недостатком системы МКГСС являлась несогласованность с практическими электрическими единицами.

Некоторое время применялась система единиц метр-тонна-секунда.

Поскольку системы механических единиц охватывали не все физические величины, для отдельных отраслей науки и техники системы единиц расширялись путём добавления ещё одной основной единицы. Так появилась система тепловых единиц метр-килограмм-секунда-градус температурной шкалы (МКСГ). Система единиц для электрических и магнитных измерений получена добавлением единицы силы тока - ампера (МКГСА).

Серьезные трудности встретились при применении системы СГС для измерения электрических и магнитных величин. Всего было составлено семь видов единиц СГС электрических и магнитных величин.

Большинство недостатков было устранено в 1960 г. принятием на XI Генеральной конференции по мерам и весам единой универсальной Международной системы единиц (СИ), которая в настоящее время принята большинством стран.

Основными преимуществами международной системы единиц (СИ) являются:

1. Система охватывает все области измерений и поэтому является универсальной,

2. Позволяет отказаться от большого количества внесистемных единиц измерения

3. Система СИ является когерентной, в которой производные единицы всех величин могут быть получены с помощью определяющих уравнений с числовыми коэффициентами равными единице. Например, система СГС, конкурировавшая с СИ в теоретической физике, не обладает этим преимуществом

4. Как основные, так и производные единицы измерения системы СИ удобны для практического применения

5. Значительное число единиц системы СИ (метр, секунда, килограмм, ватт, ампер, ом, вольт, люкс и др.) использовалось задолго до введения системы СИ и поэтому не вызвали затруднений и больших финансовых затрат при переходе на новую систему.

6. Существенно повысился уровень точности измерений, так как основные единицы (эталоны) могут быть воспроизведены точнее, чем единицы других систем.

Международная система единиц содержит семь основных единиц: метр (м) - единица длины;

секунда (с) - единица времени;

килограмм (кг) - единица массы;

ампер (А) - единица силы электрического поля;

кельвин (К) - единица термодинамической температуры;

моль (моль) - единица количества вещества;

кандела (кд.) - единица силы света.

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

Килограмм - единица массы, равная массе международного прототипа килограмма, хранимого в международном бюро мер и весов.

Секунда - интервал времени, в течении которого совершается 9 192 631 770 колебаний, соответствующих резонансной частоте энергетического перехода между уровнями сверхтонкой

структуры основного состояния атома цезия-133 при отсутствии возмущения внешними полями.

Ампер - сила неизменяющегося электрического тока, который, проходя по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого кругового сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме создаёт между этими проводниками силу, равную 2×10^-7 Н на каждый метр длины.

Кельвин - единица измерения термодинамической температуры, равная 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды.

Кандела - сила света в заданном направлении источника света, испускающего монохроматическое излучение частотой 540×10¹² Гц, энергетическая сила излучения которого в этом направлении составляет 1/683 Вт·ср^-1.

Моль - количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится в 0,012 кг углерода-12.

Основные единицы СИ приведены в таблице 1.

Кроме основных единиц международная система включает в себя и две дополнительные единицы: плоского угла - радиан и телесного угла - стерадиан.

Радиан - угол между двумя радиусами окружности, дуга между которыми по длине равна радиусу. Один радиан составляет 57° 17' 44,8".

Стерадиан - телесный угол, вершина которого расположена в центре сферы и который вырезает на сфере поверхность, площадь которой равна площади квадрата со стороной, по длине равной радиусу сферы.

Дополнительные единицы СИ приведены в таблице 1.

Таблица 1