Одиниці фізичних величин

Одиниця фізичної величини – фізична величина, якій за визначенням присвоєне чисельне значення, рівне 1. Наприклад: 1 м/с – одиниця швидкості, 1 Н = 1 (кг·м)/с²– одиниця сили, 1 Кл = 1 А·с – одиниця кількості електрики.

Одиниці фізичних величин зведені у систему.

Система одиниць фізичних величин – сукупність основних та похідних одиниць, які відносяться до деякої системи фізичних величин відповідно до прийнятих принципів. Наприклад, система одиниць СГС, Міжнародна система одиниць (СІ) тощо.

Фізичні величини поділяються на такі групи:

1) Однорідні фізичні величини – величини, які мають однакові розмірності та один й той самий фізичний зміст, тобто відрізняються тільки за числовим значенням. Наприклад, координати точок тіла та його лінійні розміри; ціна поділки амперметра, включеного в дану ділянку електричного кола та сила струму на цій ділянці тощо.

2) Однойменні фізичні величини – величини, які мають однакову розмірність, але відрізняються за фізичним змістом. Наприклад, робота сили та момент сили; кутова швидкість та циклічна частота; тиск та модуль Юнга тощо.

3) Безрозмірні фізичні величини – величини, чисельні значення яких не залежать від вибору системи одиниць. Наприклад, відношення довжини кола до його діаметра; коефіцієнт тертя ковзання; відносна діелектрична проникність середовища тощо.

Міжнародна система одиниць сі

(The International System of Units)

З 1 січня 1963 р. було введено Міжнародну систему одиниць, скорочено позначену СІ. Система СІ містить 7 основних одиниць (метр, кілограм, секунда, Ампер, Кельвін, моль, кандела) та 2 допоміжні одиниці (радіан та стерадіан).

1. Метр. Вперше 1 метр був визначений в 1891 р. як 1/40 000 000 частина паризького меридіану на основі вимірювання частини дуги меридіану.

В 1799 р. було виготовлено еталон метра у вигляді платинової кінцевої міри з точністю 0,1 мікрон. Ніяке удосконалення такого еталона не давало змогу підвищити його точність.

На сьогодні 1 м – довжина шляху, яку проходить світло у вакуумі за 1/299 792 458 с.

2. Кілограм. При введенні метричної системи в якості одиниці маси (1 кг) була прийнято масу 1 дм³ чистої води при температурі її найбільшої густини 4 ^оС.

На основі точного зважування був виготовлений прототип кілограму – платиноіридієвий циліндр з висотою, що дорівнює його діаметру. При повторних більш ретельних вимірюваннях було встановлено, що маса виготовленого еталона на 0,000028 кг є більшою за масу 1 дм³ води.

Для того, щоб надалі при більш точних зважуваннях не змінювати значення одиниці маси, було прийнято рішення вважати за одиницю маси масу даного платиноіридієвого прототипу кілограма, який зберігається в Міжнародному бюро мір та вагів в Севрі, поблизу Парижу.

3. Секунда. До останнього часу секунду пов’язували з обертанням Землі навколо осі та визначали як 1/86 400 частину середньої сонячної доби. Спостереження показали, що швидкість обертання Землі зменшується, а тривалість доби за кожних 100 років зростає на 0,002 с. Тому похибка визначення секунди досягає величини 10^-7 с, що є непридатним для сучасної техніки.

Нині 1 с – час, який дорівнює 9 192 631 770 періодам випромінювання, яке відповідає переходу між двома надтонкими рівнями основного стану атома цезію-133.

4. Ампер. 1 А – сила постійного струму, який при проходженні по двом паралельним прямолінійним провідникам нескінченної довжини та дуже малого поперечного перерізу, розташованих у вакуумі на відстані 1 м один від одного, створює між цими провідниками силу взаємодії, яка дорівнює 2·10^-7 Н на кожний метр довжини провідника.

5 . Кельвін. В 1742 р. Цельсій¹ запропонував термодинамічну шкалу, в якій відстань по шкалі термометра між точками плавлення льоду та кипіння води при нормальному атмосферному тиску ділиться на 100 частин (градусів Цельсія ^оС).

Недоліком цієї шкали є залежність показів термометра від природи термометричної речовини (ртуть, спирт, вода тощо) внаслідок відмінності їх коефіцієнтів об’ємного розширення.

Кельвін² на основі другого начала термодинаміки побудував термодинамічну шкалу, яка не залежить від роду термометричної речовини. Нижньою границею цієї шкали є температура абсолютного нуля, експериментальною точкою – потрійна точка води (температура рівноваги між льодом, водою та водяним паром), яка лежить вище температури плавлення льоду на 0,01 К.

1 К – температура за термодинамічною шкалою, що дорівнює 1/273,15 частині термодинамічної температури потрійної точки води.

Між температурою за шкалою Кельвіна та шкалою Цельсія існує така залежність:

.

6. Моль. У жовтні 1971 р. Генеральна конференція з мір та вагів винесла рішення про введення ще однієї одиниці вимірювання в систему СІ – одиницї вимірювання кількості речовини.

1 моль – кількість речовини системи, яка містить стільки ж структурних елементів (молекул, атомів, іонів тощо), скільки атомів вуглецю міститься в 0,012 кг нукліда вуглецю .

Кількість атомів, які містяться в нукліді масою 12 г, називається числом Авогадро¹ ( ).

Число Авогадро дорівнює:

=(6,02252 0,00028)·10²³ моль^-1.

7. Кандела. Ранніми еталонами одиниці сили світла були свічки та лампи розжарювання різних конструкцій.

В 1948 р. було створено так званий повний випромінювач (модель абсолютно чорного тіла), в якому практично повністю було виключено відбивання світла, а джерелом світла було тільки випромінювання розплавленої платини при температурі її тверднення. Посудина з платиною розміщувалась у великій посудині, зробленій із кварцу, та засипалась для теплоізоляції подрібненим оксидом торію. В посудину з платиною вставлялась трубка з оксиду торію. Світло випромінювалось внутрішньою поверхнею цієї трубки, стінки якої розжарювались та приймали температуру оточуючої її розжареної платини. Нагрівання здійснювалось струмом високої частоти =500 кГц, який пропускався по спіралі з мідної трубки (8 – 20 витків).

ХІІІ Генеральна конференція з мір та вагів постановила одиницю світла називати кандела (від лат. Candela – свічка).

Кандела – сила світла, яке випромінюється з поверхні площею 1/600 000 м² повного випромінювача в перпендикулярному напрямі при температурі випромінювача, яка дорівнює температурі тверднення платини при тиску 101 325 Па.

Нині визначення одиниці сили світла є таким:

1 кд – сила світла в заданому напрямку джерела, яке випромінює монохроматичні промені з частотою 540·10¹² Гц, енергетична сила світла якого в заданому напрямку складає 1/683 Вт/ср.

Допоміжні одиниці:

8. Радіан – (1 рад) плоский кут, утворений двома радіусами, довжина дуги між якими дорівнює радіусу:

9. Стерадіан – (1 ср) тілесний кут з вершиною в центрі сфери, який вирізає на поверхні сфери площу, що дорівнює квадрату радіуса сфери.