2.3 Принципы образования системы единиц физических величин

Впервые понятие о системе единиц физических величин ввел немецкий уче­ный К.Гаусс. По его методу при образовании системы единиц сначала устанав­ливают или выбирают произвольно несколько величин, независимых друг от друга. Единицы этих величин называются основными, так как они являются основой построения системы. Основные единицы устанавливают таким обра­зом, чтобы, пользуясь математической зависимостью между величинами, мож­но было бы образовать единицы других величин. Единицы, выраженные через основные единицы, называются производными. Полная совокупность основ­ных и производных единиц, установленных таким путем, и является системой единиц физических величин.

Можно выделить следующие особенности описанного метода построения системы единиц физических величин.

Во-первых, метод построения системы не связан с конкретными размерами основных единиц. Например, в качестве одной из основных единиц мы можем

выбрать единицу длины, но какую именно, безразлично. Это может быть или метр, или дюйм, или фут. Но производная единица будет зависеть от выбора основной единицы. Например, производной единицей измерения площади бу­дет квадратный метр, или квадратный дюйм, или квадратный фут.

Во-вторых, в принципе построение системы единиц возможно для любых величин, между которыми имеется связь, выражаемая в математической форме в виде уравнения.

В-третьих, выбор величин, единицы которых должны стать основными, ог­раничивается соображениями рациональности, и в первую очередь тем, что оп­тимальным является выбор минимального числа основных единиц, которое по­зволило бы образовать максимальное число производных единиц.

В-четвертых, стремятся, чтобы система единиц была когерентна. Производную единицу [z] можно выразить через основные [L], [M], [T], … с помощью уравнения

, (2.4)

где K – коэффициент пропорциональности.

Когерентность (согласованность) системы единиц заключается в том, что во всех формулах, определяющих производные единицы в зависимости от ос­новных, коэффициент пропорциональности равен единице. Это предоставляет ряд существенных преимуществ, упрощает образование единиц различных ве­личин, а также проведение вычислений с ними.

2.4 Системы единиц физических величин. Международная система единиц СИ

Первоначально были созданы системы единиц, основанные на трех единицах. Эти системы охватывали большой круг величин, условно называемых механическими. Они строились на основе тех единиц физических величин, которые были приняты в той или другой стране. Изо всех этих систем предпочтение можно отдать 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 физике удобно было применять систему сантиметр - грамм - секунда (СГС). Системы МКС и СГС в части единиц механических величин когерентны. Серьезные трудности встретились при применении этих систем для измерения электрических и магнитных величин.

В течение некоторого времени применяли так называемую техническую систему единиц, построенную по схеме длина - сила - время. При применении метрических единиц основными единицами этой системы являлись метр - килограмм-сила - секунда (МКГСС). Удобство этой системы заключалось в том, что применение единицы силы в качестве одной из основных упрощало вычисления и выводы зависимостей для многих величин, применяемых в технике. Недостатком же ее являлось то, что единица массы в ней получалась численно равной 9,81 кг, а это нарушает метрический принцип десятичности мер. Второй недостаток - сходность наименования единицы силы - килограмм-силы и метрической единицы массы - килограмма, что часто приводит к путанице. Третьим недостатком системы МКГСС является ее несогласованность с практическими электрическими единицами.

Поскольку системы механических единиц охватывали не все физические величины, для отдельных отраслей науки и техники системы единиц расширялись путем добавления еще 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 (МКСА). Система световых единиц содержит в качестве четвертой основной единицы единицу силы света – канделу.

Наличие ряда систем единиц измерения физических величин и большое число внесистемных единиц, неудобства, возникающие на практике в связи с пересчетами при переходе от одной системы к другой, вызвали необходимость создания единой универсальной системы единиц, которая охватывала бы все отрасли науки и техники и была бы принята в международном масштабе.

В 1948 г. на IX Генеральной конференции по мерам и весам поступили предложения принять единую практическую систему единиц. Международным комитетом мер и весов был произведен официальный опрос мнений научных, технических и педагогических кругов всех стран и на основе полученных ответов составлены рекомендации по установлению единой практической системы единиц. X Генеральная конференция (1954 г.) приняла в качестве основных единиц новой системы следующие: длина - метр; масса - килограмм; время -секунда; сила тока - ампер; температура термодинамическая - кельвин; сила света - кандела. В дальнейшем была принята седьмая основная единица - количества вещества - моль. После конференции был подготовлен список производных единиц новой системы. В 1960 г. XI Генеральная конференция по мерам и весам окончательно приняла новую систему, присвоив ей наименование Международная система единиц (System International) с сокращенным обозначением "SI", в русской транскрипции "СИ".

Принятие Международной системы единиц послужило стимулом для перехода на метрические единицы ряда стран, сохранявших национальные единицы (Англия, США, Канада и др.). В 1963 г. в СССР был введен ГОСТ 98567-61 "Международная система единиц", согласно которому СИ была признана предпочтительной. Наряду с этим в СССР действовало восемь государственных стандартов на единицы. В 1981 г. был введен в действие ГОСТ 8.417-81 "ГСИ. Единицы физических величин", охватывающий все отрасли науки и техники и основанный на Международной системе единиц.

СИ является наиболее совершенной и универсальной из всех существовавших до настоящего времени. Потребность в единой Международной системе единиц настолько велика, а преимущества ее настолько убедительны, что эта система за короткое время получила широкое международное признание и распространение. Международная организация по стандартизации (ИСО) приняла в своих рекомендациях по единицам Международную систему единиц. Организация объединенных наций по образованию, науке и культуре (ЮНЕСКО) призвала все страны - члены организации принять Международную систему единиц. Международная организация законодательной метрологии (МОЗМ) рекомендовала государствам - членам организации ввести Международную систему единиц в законодательном порядке и градуировать в единицах СИ средства измерений. СИ вошла в рекомендации по единицам Международного союза чистой и прикладной физики, Международной электротехнической комиссии и других международных организаций.