Физические величины

Основным объектом измерения в метрологии явля­ются физические величины. Физическая величина применяется для описания материальных систем, объектов, явлений, процессов, изучаемых в любых науках. Существуют основные и производные величины. В качестве основных выбирают величины, которые характеризуют фун­даментальные свойства материального мира. ГОСТ 8. 417 устанавливает семь основных физических величин: длину, массу, время, термодинамическую температуру, количество вещества, силу света, силу тока. Измеряемые величины име­ют количественную и качественную характеристики.

Формализованным отражением качественного разли­чия измеряемых величин служит их размерность. В соответствии с документами ИСО размерность обо­значается символом dim (от лат. dimension — измерение).

Размерность основных физических величин — длины, массы, времени — обозначается соответствующими заглав­ными буквами:

dim L = L

dim m=M

dim t = Т.

Размерность физической величины записывается в виде произведения символов соответствующих основных физи­ческих величин, возведенных в определенную степень — показатель размерности:

где L, М, Т— размерности основных физических величин;

— показатели размерности (показатели степени, в кото­рую возведены размерности основных физических ве­личин).

Например: размерность ускорения — м/с²

Каждый показатель размерности может быть положи­тельным или отрицательным, целым или дробным, нулем. Если все показатели размерности равны нулю, то величина назы­вается безразмерной.

Количественной характеристикой измеряемой величины служит ее размер. Получение информации о размере физи­ческой величины является содержанием любого измерения.

Значение измеряемой величины — оценка размера фи­зической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц.

Например: L = 1 м = 100 см = 1000 мм.

Входящее в него отвлеченное число называется числовым значением. В приведенном примере это 1, 100, 1000.

Значение физической величины получают в результате ее измерения или вычисления в соответствии с основным уравнением измерения:

где Q — значение физической величины;

X — числовое значение измеряемой величины в принятой еди­нице; [Q] — выбранная для измерения единица.

Допустим, измеряется длина отрезка прямой в 10 см с помощью линейки, имеющей деления в сантиметрах и милли­метрах. Для данного случая:

В то же время применение различных единиц (1 см и 1 мм) привело к изменению числового значения результата изме­рений.

Л 3

Принципы построения Международной системы единиц. Преимущества СИ.

Единица физической величины — это физическая вели­чина, которой по определению присвоено числовое зна­чение, равное единице (1 м, 1 фунт, 1 см). Система единиц физических величин — совокупность основных и производных единиц, относящихся к некоторой системе величин и образованная в соответствии с приняты­ми принципами.

В России, как практически во всех странах мира, действу­ет Международная система единиц, основными физически­ми величинами которой являются метр, килограмм, секунда, ампер, кандела, кельвин, моль. Международная система была утверждена в 1960 г. на XI конференции мер и весов.

Единицы физических величин международной системы физических величин образуются на основе законов, устанав­ливающих связь между физическими величинами, или на ос­новании принятых в определенных НИИ физических величин.

. Для единообразия в единицах измерений в 1978 г. был утвержден Международный стандарт «Единицы физических вели­чин» (СИ), который введен с 1 января 1979 г. как обязательный во всех областях народного хозяйства, науки, техники и при препо­давании.

СИ содержит семь основных единиц, которые затрагивают из­мерения всевозможных параметров: механических, тепловых, элек­трических, магнитных, световых, акустических и ионизирующих излучений и в области химии. Основными единицами установлены: метр (м) - для измерения длины; килограмм (кг) - для измерения массы; секунда (с) - для измерения времени; ампер (А) - для изме­рения силы электрического тока; Кельвин (К) - для измерения тем­пературы; кандела (свеча) кд - для измерения силы света, моль - для измерения количества вещества.

До 1960 г. за международный эталон и национальный эталон длины 1 м принималось расстояние между серединами двух штри­хов на бруске Х-образного сечения, сделанном из сплава платины с иридием. У этого эталона расстояние между серединами штрихов было невозможно измерить точнее ±0,1 мкм, что не отвечало требо­ваниям современного состояния науки и техники. Недостатком эта­лона являлось и то, что он представлял собой металлический брусок, который при стихийном бедствии (например, землетрясении или наводнении) мог пропасть или потерять со временем точное значе­ние метра.

Принципы построения Международной системы единиц

Первая система единиц физических величин, хотя она и не яв­лялась еще системой единиц в современном понимании, была при­нята Национальным собранием Франции в 1791 г. Она включала в себя единицы длины, площади, объема, вместимости и массы, ос­новными из которых были две единицы: метр и килограмм.

Систему единиц как совокупности основных и производных единиц впервые в 1832 г. предложил немецкий ученый К. Гаусс. Он построил систему единиц, где за основу принял единицы длины (миллиметр), массы (миллиграмм) и времени (секунда), и назвал ее абсолютной систем

Единица длины (метр) — длина пути, проходимого светом в ваку­уме за 1/299 792 458 долю секунды.

Единица массы (килограмм) — масса, равная массе международ­ного прототипа килограмма.

Единица времени (секунда) — продолжительность 9192631770 пе­риодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверх­тонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.

Единица силы электрического тока (ампер) — сила неизменяю­щегося тока, который, проходя по двум нормальным прямолиней­ным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади круглого поперечного сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, вызывает между проводниками силу вза­имодействия, равную 2 • 10~⁷Н на каждый метр длины.

Единица термодинамической температуры (Кельвин) — 1/273,16 термодинамической температуры тройной точки воды. Допускается использовать также шкалу Цельсия.

Единица силы света (кандела) — сила света в заданном направле­нии источника, испускающего монохроматическое излучение час­тотой 540 • 10'² Гц, энергетическая сила света которого в этом на­правлении составляет 1/683 Вг/ср.

Единица количества вещества (моль) — количество веществ сис­темы, содержащей столько же структурных элементов, сколько ато­мов содержится в углероде-12 массой 0,012 кг.

Основные единицы Международной системы имеют удобные для практических целей размеры и широко применяются в соответству­ющих областях измерений.

Международная система единиц содержит также две дополнитель­ные единицы: для плоского угла — радиан и для телесного угла — стерадиан (табл. 2.1).

Радиан (рад) — единица плоского угла, равная углу между дву­мя радиусами окружности, длина дуги между которыми равна ра­диусу. В градусном исчислении 1 рад = 57°17'44,8".

Стерадиан (ср) — единица, равная телесному углу с вершиной в центре сферы, вырезающему на поверхности сферы площадь, рав­ную площади квадрата со стороной, равной радиусу сферы. Теле­сный угол измеряется косвенно – путем измерения плоского угла при вершине конуса с последующем измерение по формуле.

В Международной системе единиц, как и в других системах еди­ниц физических величин, важную роль играет размерность.

Размерностью называют символическое (буквенное) обозначение зависимости производных величин (или единиц) от основных. Размерность служит качественной характеристикой величины и выражается произведением степеней основных величин, через кото­рые может быть определена.

	Основные единицы СИ
Величина		Единица
	Размер­ность	Наименование	Обозначение
Наименование			Русское		Меэкдуна-родное
Длина	L	метр,	м		m
Масса	М	килограмм	кг		kg
Время	Т	секунда	с		s
Сила электрического тока	1	ампер	А		А
Термодинамическая температура	в	Кельвин	К		К
Сила света	J	кандела	кд		cd
Количество вещества		моль	моль		mol
Дополнительные единицы СИ
Плоский угол	-	радиан	рад		rad
Телесный угол	-	стерадиан	ср		sr

Основными преимуществами Международной системы единиц являются:

• унификация единиц физических величин на базе СИ. Для каждой физической величины устанавливается одна единица и сис­тема образования кратных и дольных единиц от нее с помощью множителей

• система СИ является универсальной системой. Она охватыва­ет все области науки, техники и отрасли экономики;

• основные и большинство производных единиц СИ имеют удоб­ные для практического применения размеры. В системе разграни­чены единицы массы (килограмм) и силы (ньютон);

• упрощается запись уравнений и формул в различных областях науки и техники. В СИ для всех видов энергии (механической, тепло­вой, электрической и др.) установлена одна, общая единица — джоуль

Л 4