1402

принимали и принимают активное участие в работе МОМВ. В 1889 г. в Депо образцовых мер и весов поступили эталоны килограмма и метра.

В1893 г. в Петербурге на базе Депо была образована Главная палата мер и весов, которую возглавлял до 1907 г. великий русский ученый Д.И.Менделеев. В это время начали проводиться серьезные метрологические исследования. Д.И.Менделеев вложил много сил в развитие и совершенствование поверочного дела; была образована сеть поверочных палаток, осуществляющих поверку, клеймение и ремонт мер и весов, контроль за их правильным применением. В 1900 г. при Московском окружном пробирном управлении состоялось открытие Поверочной палатки торговых мер и весов. Так было положено начало организации метрологического института в Москве (в настоящее время – ФГУП «Всероссийский научноCисследовательский институт метролоC гической службы» – ВНИИМС).

Вгоды советской власти метрология получила дальнейшее развиC тие. В 1918 г. был принят декрет правительства Российской Федерации «О введении международной метрической системы мер и весов».

В1930 г. произошло объединение метрологии и стандартизации. Была проведена большая работа по изучению состояния метрологиC ческой деятельности. Опыт, полученный в эти годы, оказался полезC ным во время Великой Отечественной войны, когда потребовалось быстрое восстановление измерительного хозяйства на эвакуированных предприятиях и приспособление его к задачам военного производства. После окончания войны сеть поверочных и метрологических организаC ций начала быстро восстанавливаться. Были созданы новые метролоC гические институты.

В1954 г. был образован Комитет стандартов, мер и измерительных приборов при СМ СССР (в дальнейшем Госстандарт СССР). После распада СССР управление метрологической службой России осуC ществлял Государственный комитет РФ по стандартизации и метроC логии (Госстандарт России).

Внастоящее время в России сформирована Государственная систеC ма обеспечения единства измерений (ГСИ) как система управления деятельностью по обеспечению единства измерений, возглавляемая, реализуемая и контролируемая Федеральным агентством по техничеC скому регулированию и метрологии (Ростехрегулированием). Целью ГСИ является создание общегосударственных правовых, нормативных, организационных, технических условий для решения задач по обеC спечению единства измерений (ОЕИ). Нормативная база ГСИ насчиC тывает более 2500 обязательных и рекомендательных документов, регламентирующих практически все аспекты в области метрологии.

11

Деятельность по обеспечению единства измерений (ОЕИ) регулиC руется Федеральным законом РФ «Об обеспечении единства измереC ний». Этот закон устанавливает правовые основы обеспечения единC ства измерений в РФ. Он регулирует отношения государственных органов управления РФ с физическими и юридическими лицами по вопросам изготовления, выпуска, эксплуатации, ремонта, продажи, поверки и импорта средств измерений и направлен на защиту интересов граждан и экономики страны от отрицательных последствий недостоверных результатов измерений.

Вопросы для самопроверки

1.В каком году Россия подписала метрическую конвенцию?

2.В каком году была создана Международная организация мер и весов?

3.Кто первым возглавил Главную палату мер и весов в России?

4.Каким законом Российской Федерации регулируется деятельC ность по обеспечению единства измерений?

12

2.МЕЖДУНАРОДНАЯ СИСТЕМА ЕДИНИЦ СИ

2.1.Принципы построения систем единиц физических величин

Положим, имеется n уравнений связи между числовыми значенияC ми N физических величин. В каждом уравнении имеется свой коэффиC циент пропорциональности, которому можно придать любое значение и, в частности, приравнять единице. Следовательно, в уравнениях связи коэффициенты являются известными числами, а ФВ – неизC вестными. Реально всегда число N физических величин больше числа n уравнений связи. Если для (N – n) ФВ выбрать свои независимые единицы, то они становятся известными числами и n уравнений реC шаются относительно оставшихся n ФВ. Такая система считается оптиC мальной с теоретической точки зрения. Эти (N – n) ФВ называются, как известно, основными, а остальные n – производными.

На практике может оказаться удобным выбрать в качестве основC ных не (N – n) ФВ, а большее их число, равное (N – n + p). В этом слуC чае уже нельзя придать всем коэффициентам любые численные знаC чения, так как р коэффициентов становятся такими же неизвестными, как и оставшиеся в данном случае n – р производных ФВ.

Число основных единиц тесно связано с числом коэффициентов, стоящих в выражениях для физических законов и определениях. КоэфC фициенты пропорциональности, зависящие от выбора основных едиC ниц и определяющих уравнений, называются фундаментальными или мировыми постоянными. В системе СИ к ним относятся гравитационC ная постоянная, постоянная Планка, постоянная Больцмана и световая эффективность. Их следует отличать от так называемых специфиC ческих постоянных, характеризующих различные свойства отдельных вещеcтв, например, массу электрона, его заряда и др.

Следует помнить, что фундаментальные константы присутствуют в выражениях для всех физических законов, но соответствующим выбоC ром единиц определенное их число приравнено к какимCлибо постоянC ным числам, чаще всего к единице. Чем больше основных единиц принято при построении системы, тем больше фундаментальных констант будет стоять в формулах. Сокращение числа основных едиC ниц обязательно сопровождается уменьшением числа фундаментальC ных постоянных.

В предельном случае можно для каждой из ФВ выбрать свою едиC ницу. Но тогда вместо системы единиц получится набор единиц, все п коэффициентов станут экспериментально определяемыми мировыми константами, производные величины исчезнут, а закономерные связи окажутся для практики малополезными. Поэтому ученые стремятся к

13

созданию теоретически оптимальной системы единиц или по возможC ности близкой к ней.

Правила, по которым тот или иной комплекс единиц выбирают в качестве основного, не могут быть обоснованы теоретически. ЕдинC ственными аргументами в пользу выбора могут служить лишь эффекC тивность и целесообразность использования данной системы. Для практических целей измерения в качестве основных величин и единиц следует выбирать такие, которые можно воспроизвести с наибольшей точностью. Образование системы единиц базируется на объективных закономерных связях между физическими величинами и на произвольC ной, но разумной воле людей и их соглашениях, заключительным из которых является принятое на Генеральной конференции по мерам и весам.

При построении или введении новой системы единиц ученые руководC ствуются только одним единственным принципом – практической целеC сообразностью, т.е. удобством применения единиц в деятельности челоC века. В основу этого принципа положены следующие базовые критерии:

•простота образования производных ФВ и их единиц, т.е. приC равнивание к единице коэффициентов пропорциональности в уравC нениях связи;

•высокая точность материализации основных и производных едиC ниц и передачи их размера нижестоящим эталонам;

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

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

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

•долговременность хранения основных и производных единиц их эталонами;

•выбор в качестве основных минимального числа ФВ, отражаюC щих наиболее общие свойства материи.

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

2.2. Основные положения Международной системы единиц физических величин СИ

Внастоящее время широко применяются две системы единиц: СИ

иСГС (симметричная или гауссова). Система СГС существует более 100 лет и до сих пор используется в точных науках – физике, астроC номии. Однако ее все более теснит система СИ (Система ИнтернациоC

14

нальная) – единственная система единиц физических величин, которая принята и используется в большинстве стран мира. Это обусловлено ее достоинством и преимуществами перед другими системами единиц, к которым относятся:

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

унификация всех областей и видов измерения;

когерентность величин (когерентная производная единица фи зической величины – производная единица физической величины, свяC занная с другими единицами системы единиц уравнением, в котором числовой коэффициент принят равным 1);

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

упрощение записи формул в физике, химии, а также в технических науках 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 научноCтехнических и экономических связей между различными странами.

Вообще, РМГ 29C99 ГСИ. Метрология. Основные термины и определения, трактует физическую величину (ФВ) как одно из свойств физического объекта, в качественном отношении общее для многих физических объектов, а в количественном – индивидуальное для каждого из них. Таким образом, физические величины – это измеренные свойства физических объектов или процессов, с помощью которых они могут быть изучены.

Единица физической величины – это ФВ фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение, равное единице, и которая применяется для количественного выражения однородных ФВ. Размер единиц ФВ устанавливается путем их законодательно закрепленного определения метрологическими органами государства.

Важной характеристикой ФВ является ее размерность dim Q – выражение в форме степенного многочлена, отражающее связь данной величины с основными ФВ; коэффициент пропорциональности в нем принят равным единице:

где L, M, T, I… – условные обозначения основных величин данной системы;

, , , …– целые или дробные, положительные или отрицаC тельные вещественные числа.

15

Показатель степени, в которую возведена размерность основной величины, называют показателем размерности. Если все показатели размерности равны нулю, то такую величину называют безразмерной.

Вообще системой единиц физических величин называется совокупC ность основных и производных единиц физических величин, образоC ванная в соответствии с принятыми принципами. Единица основной ФВ называется основной единицей данной системы. В Российской ФеC дерации используется система единиц СИ, введенная ГОСТ 8.417–81 ГСИ. Единицы физических величин (сегодня ГОСТ8.417–2002 ГСИ. Единицы величин). В качестве основных единиц физических величин приняты: метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль и кандела. В рамках СИ считается, что эти единицы имеют независимую размерность, т.е. ни одна из основных единиц не может быть получена из других. Производная единица – это единица производной ФВ системы единиц, образованная в соответствии с уравнениями, связыC вающими ее с основными единицами или же с основными и уже определенными производными. Производные единицы получаются из основных с помощью алгебраических действий, таких как умножение и деление.

В табл. 1 приведены основные единицы физических величин системы СИ. Названия единиц СИ пишутся со строчной буквы, после обозначений единиц СИ точка не ставится в отличие от обычных сокращений.

Т а б л и ц а 1 Основные единицы физических величин системы СИ

16

Определения основных единиц следующие:

Метр равен длине пути, проходимого светом в вакууме за 1/299792458 долю секунды.

Килограмм определяется как масса международного эталона кило грамма, хранящегося в Международном бюро мер и весов (располоC жено в г. Севр близ Парижа) и представляющего собой цилиндр диаметром и высотой 39,17 мм из платиноCиридиевого сплава (90 % платины, 10 % иридия).

Секунда равна 9192631770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезияC133.

Ампер равен силе неизменяющегося тока, который при прохожC дении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечC ной длины и ничтожно малой площади кругового сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, вызывает на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2 10C7 Н.

Кельвин равен 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды (тройная точка воды – строго определенные знаC чения температуры и давления, при которых вода может одновременно и равновесно существовать в виде трёх фаз – в твердом, жидком и газообразном состояниях).

Моль равен количеству вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углеродеC12 массой 0,012 кг. Иначе говоря, моль – это количество вещества, масса которого, выраженная в граммах, численно равняется его молекуC лярной массе.

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

Производные единицы системы СИ образуются в соответствии с уравнениями, связывающими их с основными единицами или же с основными и уже определенными производными, в которых числовые коэффициенты равны единице. Производные единицы, имеющие собственное название, приведены в табл. 2.

Единицы физических величин делятся на системные и внесистемные. Системная единица – единица физической величины, входящая в одну из принятых систем. Все основные, производные, кратные и дольные единицы являются системными. Внесистемная единица – это единица физической величины, не входящая ни в одну из принятых систем единиц.

17

* Градус Цельсия – равен одному кельвину. Шкалы Кельвина и Цельсия связаны между собой следующим образом: °C = K – 273,15.

18

Т а б л и ц а 3 Внесистемные единицы, допускаемые к применению наравне

с единицами CИ

19

Внесистемные единицы по отношению к единицам СИ разделяют на четыре вида:

допускаемые наравне с единицами СИ, например: единица массы – тонна; плоского угла – градус, минута, секунда; объема – литр и др. Внесистемные единицы, допускаемые к применению наряду с единицами СИ, приведены в табл. 3.

допускаемые к применению в специальных областях, например: астрономическая единица, парсек, световой год – единицы длины в астрономии; диоптрия – единица оптической силы в оптике; электронC вольт – единица энергии в физике и т.д.;

временно допускаемые к применению наравне с единицами СИ, например: морская миля – в морской навигации; карат – единица массы в ювелирном деле и т.д. Эти единицы должны изыматься из употребления в соответствии с международными соглашениями;

изъятые из употребления, например: миллиметр ртутного столба – единица давления; лошадиная сила – единица мощности и некоторые другие.

Кроме того, ГОСТ 8.417–2002 разрешает применять единицы относительных и логарифмических величин, таких как процент, промилле, миллионная доля, фон, октава, декада. Допускается также применять единицы времени, получившие широкое распространение, например, неделя, месяц, год, век, тысячелетие.

Вопросы для самопроверки

1.Что называют системой единиц физических величин?

2.Каков главный принцип при введении новой системы единиц?

3.Назовите преимущества Международной системы единиц СИ.

4.Напишите формулу размерности.

5.Чем определение килограмма отличается от определений других основных единиц системы СИ?

6.Назовите производные единицы системы СИ, имеющие собственное наименование.

7.Какие единицы относительных и логарифмических величин разрешает применять ГОСТ 8.417C2002?

20