Лекция 2. Системы единиц измерений стр. 1

Лекция 2 Системы единиц физических величин

1. Общие понятия о системах единиц физических величин

Впервые понятие о системе единиц физических величин ввел в 1832г. немецкий математик К. Гаусс. Он установил, что для определенной области измерений целесо­образ­но произвольно выбрать несколько величин, независимых друг от друга, а остальные образовать от них по определенному правилу. Независимо выбранные единицы называют основными, так как они являются основой построения системы единиц. Гаусс построил систему единиц, в которой за основу были приняты три произвольных, независимых друг от друга единицы - длины, массы и времени. Свою систему единиц Гаусс назвал абсолютной.

Основные единицы выбирают так, чтобы пользуясь закономерной связью между величинами, можно было бы образовать единицы других физических величин. Эти последние единицы называются производными. Таким образом, совокупность основных и производных единиц, относящихся к некоторой системе величин и образованная в соответствии с принятыми принципами, называется системой единиц физических величин.

Первоначально были созданы системы единиц, основанные на трех единицах. Эти системы единиц охватывали большой круг величин, условно называемый механическими величинами. Они строились на основе тех единиц физических величин, которые были приняты в той или иной стране. Из всех систем единиц предпочтение получили те из них, которые основаны на единицах длины, массы и времени как основных. Одной из таких систем для метрических единиц является система МКС (метр-килограмм-секунда). В научных трудах по физике до последнего времени применяли систему СГС (сантиметр-грамм-секунда), разработанную еще в 1861-1870гг. В технике получила распространение система МКГСС, построенная по схеме: длина-сила-время. Но эта система обладала существенными недостатками: она не была согласована с практическими электрическими единицами, а кроме того, сходность наименования единицы силы - килограмм силы и метрической единицы масс - килограмма часто приводила к путанице.

Поскольку системы механических единиц охватывали не все физические величи­ны, для отдельных отраслей науки и техники системы единиц были расширены путем добавления еще одной основной единицы. Так была образована система тепловых единиц МКСГ (метр-килограмм-секунда-градус). Система единиц для электрических и магнитных измерений была получена добавлением единицы силы тока - ампера (МКСА). Система световых единиц содержит в качестве основной четвертой основной единицы - канделу - единицу силы света.

Серьезные трудности встретились на пути применения системы СГС для измерения величин электрических и магнитных величин. Стремление удовлетворить все новые потребности развития науки и техники привело к необходимости создания новых видов системы СГС. Так возникли 7 видов систем единиц электрических и магнитных величин (рис. 3).

2.2 Международная система единиц измерения (СИ)

Все более быстрыми темпами развивающееся взаимодействие различных отраслей науки, техники, экономики, расширение международных связей при наличии ряда систем единиц физических величин, большое число внесистемных единиц, неудобства,

Метрическая система мер

(м-кг-с)

Механика,

акустика

Физические

науки

Техника

Система МКС

м-кг-сек

Внесистемные

единицы

Система СГС

(см-грамм-с)

Система МКГСС

(техническая)

м-кгс-сек

Электротехника

Система СГСЭ

(электростатическая)

₀=1

Система СГСМ

(электромагнитная)

₀=1

Система МТС

(м-тонна-с)

Система МКСА

(Джорджи)

(м-кг-с-А)

Система СГС

(симметричная Гаусса)

Теплотехника

Система МКСГ

(м-кг-с-град)

Все отрасли науки и техники

Светотехника

Система МСС

(м-с-свеча)

Международная система единиц СИ

(м-кг-с-Ампер- Кельвин-кандела-моль)

Рис. Развитие систем единиц измерений

возникающие на практике в связи с пересчетами при переходе от одной системы к другой - все это вызвало необходимость создания единой универсальной системы единиц, которая охватывала бы все отрасли науки и техники и были бы приняты в международном мас­шта­бе. Такой системой единиц стала Международная система единиц (System International - SI).

В числе достоинств этой системы следует назвать важнейшие:

0. универсальность, т.е. охват ею всех отраслей науки , техники, экономики;

1. реализуемость единиц системы СИ с достаточной точностью в соответствии с их определениями;

2. унификация единиц для всех видов измерений; так, вместо ряда единиц давления (атмосфера, мм.рт.ст., бар, пьеза, дин/см² и др.) в СИ применяется единая единица давления - паскаль; вместо ряда единиц работы и энергии (кгсм, эрг, калория, кВт час, электронвольт и др.) - одна единица измерения работы и энергии всех видов - джоуль;

3. размер большинства единиц системы СИ удобен для практического применения;

4. когерентность (связанность, согласованность) системы, то есть коэффициенты пропорциональности в физических уравнениях, определяющих единицы производных величин, равны безразмерной единице;

5. четкое разграничение единиц силы (Ньютон) и массы (килограмм);

6. упрощение педагогического процесса в средней и высшей школе (отпадает необходимость изучения нескольких систем единиц сразу).

Международная система СИ была утверждена XI Генеральной конференцией по мерам и весам в 1960г, а в последующем незначительно видоизменялась. На территории стран СНГ, включая Украину, система СИ подлежит обязательному применению согласно Государственному стандарту ГОСТ 8.417-81. «Единицы физических величин».

В настоящее время система СИ содержит семь основных единиц (Табл. 2.1), две дополнительных единицы (Табл. 2.2) и несколько десятков производных единиц.

Таблица 2.1