5. Принципы построения систем единиц фв.

Образование системы единиц базируется на объективных закономерных связях между физическими величинами и на произвольной, 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 руководствуются только одним единственным принципом - практической целесообразностью, т.е. удобством применения единиц в деятельности человека. В основу этого принципа положены следующие базовые критерии:

Простота образования производных ФВ и их единиц, т.е. приравнивание к единице коэффициентов пропорциональности в уравнениях связи;

Высокая точность материализации основных и производных единиц и передачи их размера нижестоящим эталонам;

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

Преемственность единиц, сохранение их размеров и наименований 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, отражающих наиболее общие свойства материи.

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

6. Международная система единиц (си). Основные и дополнительные единицы системы си.

Единая м/ународная система единиц (система СИ) была принята XI Генеральной конференцией по мерам и весам в 1960 г. На территории нашей страны система единиц СИ действует с 1 января 1982 г. в соответствии ГОСТ 8.417-81 "ГСИ. Единицы физических величин".

Система СИ - единственная система единиц ФВ, к-ая принята и исп в большинстве стран мира. Это обусловлено ее достоинствами и преимуществами перед другими системами единиц, к которым относятся:

Универсальность, т.е. охват всех областей науки и техники;

Унификация всех областей и видов измерений;

Когерентность величин;

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 научно-технических и экономических связей между различными странами.

Основные единицы системы СИ:

Метр -ед изм длины

Секунда -ед изм времени

Килограмм –ед изм массы

Кельвин –ед изм темп-ры

Ампер -ед изм силы тока

Канделла -ед изм силы света

Моль - ед изм кол-ва в-ва

Дополнительные единицы:

Радиан - это ед изм плоского угла

Стерадиан - это ед изм телесного угла

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 системой.

С развитием физики и техники появились другие системы единиц физических величин, базирующиеся на метрической основе. Все они были построены по принципу, разработанному Гауссом. Эти системы нашли применение в разных отраслях науки и техники. Разработанные в то время измерительные средства градуированы в соответствующих единицах, находят применение и в настоящее время.

Многообразие единиц измерения физических величин и систем единиц осложняло их применение. Одни и те же уравнения между величинами имели различные коэффициенты пропорциональности. Свойства материалов, процессов выражались различными числовыми значениями. Международный комитет по мерам и весам выделил из своего состава комиссию по разработке единой Международной системы единиц. Комиссия разработала проект Международной системы единиц, который был утвержден XI Генеральной конференцией по мерам и весам в I960 г. Принятая система была названа Международной системой единиц, сокращенно СИ (SI - начальные буквы наименования System International).

Учитывая необходимость охвата Международной системой единиц всех областей науки и техники, в ней в качестве основных выбраны семь единиц. В механике такими являются единицы длины, массы и времени, в электричестве добавляется единица силы электрического тока, в теплоте - единица термодинамической температуры, в оптике - единица силы света, в молекулярной физике, термодинамике и химии - единица количества вещества. Эти семь единиц соответственно: метр, килограмм, секунда, ампер, Кельвин, кандела и моль - и выбраны в качестве основных единиц СИ (табл. 2.1).

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 I м один от другого в вакууме, вызывает между проводниками силу взаимодействия, равную 2- Ю~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 1012 Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср.

Единица количества вещества (моль) - количество веществ системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько атомов содержится вуглероде-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 I рад = 57° 1744,8".

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 £} измеряют косвенно - путем измерения плоского угла а при вершине конуса с последующим вычислением по формуле

Телесному углу в I ср соответствует плоский угол, равный 65°32", углу л-ср - плоский угол 120°, углу 2яср - плоский угол 180°. Дополнительные единицы используются только для теоретических расчетов и образования производных единиц, например угловой скорости, углового ускорения. Для измерения углов применяют угловые градусы, минуты и секунды. Приборов для измерения углов в радианах нет.

Угловые единицы не могут быть введены в число основных, гак как это вызвало бы затруднение в трактовке размерностей величин, связанных с вращением (дуги окружности, площади круга, работы пары сил и т. д.). Вместе с тем угловые единицы нельзя считать и производными, так как они не зависят от выбора основных единиц. Действительно, при любых единицах длины размеры радиана и стерадиана остаются неизменными.

Из семи основных единиц и двух дополнительных в качестве производных выводят единицы для измерений физических величин во всех областях науки и техники.

В решениях XI и XII Генеральных конференций по мерам и весам даны 33 производные единицы СИ. Примеры производных единиц, имеющих собственные наименования, приведены в табл. 2.2.

Важным принципом, который соблюден в Международной системе единиц, является ее когерентность (согласованность). Так, выбор основных единиц системы обеспечил полную согласованность механических и электрических единиц. Например, ватт - единица механической мощности (равный джоулю в секунду) равняется мощности, выделяемой электрическим током силой I ампер при напряжении I вольт.

В СИ, подобно другим когерентным системам единиц, коэффициенты пропорциональности в физических уравнениях, определяющих производные единицы, равны безразмерной единице.

Когерентные производные единицы Международной системы образуются с помощью простейших уравнений связи между величинами (определяющих уравнений), в которых величины приняты равными единицам СИ.

Например, единица скорости образуется с помощью уравнения, определяющего скорость прямолинейно и равномерно движущейся точки V=у, где V- скорость;/ - длина пройденного пути;/ - время. Подстановка вместо /, / и К их единиц СИ дает [ V = [/]/М = I м/с.

Следовательно, единицей скорости СИ является метр в секунду. Он равен скорости прямолинейно и равномерно движущейся точки, при которой эта точка за время / I с перемешается на расстояние 1 м.

Например, для образования единицы энергии используется уравнение Т = тУ где Т - кинетическая энергия; т - масса тела; V - скорость движения точки, то когерентная единица энергии СИ образуется следующим образом:

То есть единицей энергии в СИ является джоуль (равный ньютон-метру). Он равен кинетической энергии тела массой 2 кг, движущегося со скоростью I м/с.

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.

Например, если какая-либо физическая величина выражается через длину L, массу М и время Г(являющихся основными величинами в системе единиц типа LMT) формулой X = f(L, М, 7), то можно показать, что результаты измерений будут независимы от выбора единиц в том случае, если функция/будет однородной функцией длины, массы и времени. Пусть X = LpM"Tr. Размерность величины А выражается формулой 6тХ= 11МЯТ где dim - сокращение от слова dimension - размерность.

Данная формула показывает, как производная величина связана с основными величинами, и называется формулой размерности.

Так как всякая величина может быть представлена как произведение ее числового значения {Л} на единицу Х X = {ЩХ, ее можно представить в виде {ХХ = ЩР{М)Я{Т)Г1ЛРМЯТГ.

Равенство величин в этой формуле распадается на два равенства: равенство числовых значений

Размерность служит качественной характеристикой величины и выражается произведением степеней основных величин, через которые может быть определена.

Размерность не полностью отражает все качественные особенности величин. Встречаются различные величины, имеющие одинаковую размерность. Например, работа и момент силы, сила тока и магнитодвижущая сила и др.

Размерность играет важную роль при проверке правильности сложных расчетных формул в теории подобия и теории размерностей.

Преимущества Международной системы единиц

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 (табл. 2.3);
• - 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.

Билет №2

Государственный стандарт ""Метрология. Термины и определения"". ГОСТ 16263-70. Основные метрологические понятия.

Измерение – процесс нахождения значения искомой физической величины с помощью специальных технических средств.

Средства измерения – специальное техническое средство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические свойства.

Эталон – средство измерения, предназначенное для воспроизведения и хранения единицы физической величины с целью передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерения и официально утвержденное в установленном порядке в качестве эталона.

Государственный эталон – первичный или специальный эталон, принятый и утвержденный в качестве исходного для страны.

Поверка – определение погрешности средств измерения органами государственной метрологической службы с целью определения пригодности его к дальнейшему использованию.

Калибровка – совокупность операций, выполняемых с целью определения и подтверждения метрологических характеристик с.и. Эти с.и. не подлежат государственному метрологическому контролю и надзору.

Метрологическая служба. Цели и задачи. Структура службы.

Важнейшие задачи ГМС : надзор за состоянием и применением средств измерения (с.и.), аттестованными методами выполнения измерений, эталонами единиц, соблюдением метрологических правил и норм, нормативными документами (НД) по обеспечению единства измерений.

Госстандарт России: ВНИИ, НПО(научно-производственное объединение), ТОГостРФ – центры стандартизации и метрологии, МС всех организаций и предприятий.

Билет №3

Определение понятия ""Единица физической величины"". Классификация единиц ф.в.: основные и производные, системная и внесистемная, кратные и дольные, когерентные и некогерентные.

Единица физической величины – ф.в., которой по определению присвоено числовое значение, равное единице.

Физическая величина – свойство, в качественном отношении присущее многим физическим объектам, но количественно индивидуально для каждого.

Основная единица ф.в. – единица основной ф.в., выбранная произвольно при построении системы единиц.

Основная ф.в. – ф.в., входящая в систему и условно принятая в качестве независимой от других величин системы.

Система ф.в. – совокупность ф.в., связанных между собой зависимостями.

Производная единица ф.в. – единица производной ф.в., образуемая по определяющему эту единицу уравнению из других единиц системы.

Производная ф.в. - ф.в., входящая в систему и определяемая через основные величины этой системы.

Системная единица ф.в. – основная или производная единица системы единиц.

Внесистемная единица ф.в. – единица, которая не входит ни в одну систему единиц.

Система единиц ф.в. – совокупность основных и производных единиц, относящаяся к некоторой системе величин и образованная в соответствии с принятыми принципами.

Кратная единица ф.в. – единица, в целое число раз большая системной или внесистемной единицы.

Дольная единица ф.в . – единица, в целое число раз меньшая системной или внесистемной единицы.

Когерентная производная единица ф.в. – производная единица, связанная с другими единицами системы уравнения, в котором коэффициент пропорциональности принят равным единице.

Структура органов и служб стандартизации.

Госстандарт: ВНИИ, НПО, Территориальные органы – центры стандартизации и метрологии, метрологические службы службы организаций и предприятий.

Билет №4

Система единиц физических величин. Принципы построения.

1) Метод построения системы не связан с когерентными размерами основных единиц. Устанавливаются или выбираются величины, единицы которых должны стать основой системы. Размеры производных зависят от размеров основных.

2) В принципе построение системы единиц возможно для любых величин, между которыми имеется связь, выраженная математической формулой в виде уравнения.

3) Выбор величин, единица которых должны стать основными ограничивается соображением рациональности (выбор минимального числа основных единиц, который позволил бы образовать максимально большее число производных единиц).

4) Система должна быть когерентна, т.е. во всех формулах, определяющих производные единицы в зависимости от основных, коэффициент пропорциональности всегда равен единице.

Закон РФ "О сертификации". Основные положения.

Регламент - документ, содержащий обязательные правовые нормы, принятые органом власти.

Метод испытаний - установленный порядок проведения испытаний.

Технический контроль - проверка соответствия объекта установленным техническим требованиям.

Испытание - экспериментальное установление количественных и качественных характеристик, свойств объекта в условиях эксплуатации, хранения, транспортировки при его функционировании или при моделировании воздействий или объекта.

Сертификация соответствия - действие третьей стороны, доказывающее, что обеспечивается необходимая уверенность в том, что должным образом идентифицированная продукция соответствует конкретному стандарту или н.д.

Соответствие - соблюдение всех установленных требований к продукции, процессу или услуге.

Третья сторона - лицо или орган, признаваемый независимым от участвующих сторон в рассматриваемом вопросе.

Орган по сертификации - орган, проводящий сертификацию соответствия.

Сертификат соответствия - документ, выданный по правилам системы сертификации для подтверждения соответствия сертифицированных ПРУ установленным требованиям.

Знак соответствия - зарегистрированный в установленном порядке знак, которым по правилам, установленным в данной системе сертификации, подтверждается соответствие маркированной продукции установленным требованиям.

Аккредитация - официальное признание правомочий осуществлять какую-либо деятельность (в области сертификации).

Система качества - совокупность организационной структуры, методик, процессов и ресурсов, необходимых для осуществления общего руководства качества.

Схема сертификации - состав и последовательность действий третьей стороны по проведению сертификации.

Билет №5

Международная система единиц СИ: построение и содержание. Преимущества системы СИ перед другими системами единиц.

Семь основных единиц: метр(L), килограмм(M), секунда(T), ампер(I), канделла (J), моль(N), кельвин(q).

Упрощенное вычисление и вывод многих величин, применяемых во многих науках. Является международной. 1954 – 6 основных единиц, 1971 – введен моль.

Проблема выбора системы единиц физических величин совсем недавно не могла полностью относиться к нашему произволу. С точки зрения материалистической философии нам непросто было убедить кого-либо в том, что большой раздел естественных наук, относящийся к обеспечению единства измерений, в основе своей опирается на зависимость основных моментов от нашего сознания. Можно обсуждать, хорошо или плохо составлена система единиц физических единиц, но факт, что в основе своей любая система величин и единиц имеет произвол, связанный с человеческим сознанием, остается бесспорным.

Единицы физических величин подразделяются на основные и производные. До 1995 г. имели место еще дополнительные единицы - единицы плоского и телесного угла, радиан и стерадиан,- но с целью упрощения системы эти единицы были переведены в категорию безразмерных производных единиц.

Основными физическими величинами являются величины, выбранные произвольно и независимо друг от друга.

Основные единицы выбираются так, чтобы пользуясь закономерной связью между величинами можно было бы образовать единицы других величин. Соответственно, образованные таким образом величины и единицы называются производными.

Самый главный вопрос при построении систем единиц состоит в том, сколько должно быть основных единиц или, более точно, какими принципами нужно руководствоваться при построении той или иной системы? Частично в метрологической литературе можно найти утверждение, что главный принцип системы должен состоять в минимальном количестве основных единиц. На самом деле такой подход является неверным, так как следуя этому принципу такая величина и единица может быть одна. Например, через энергию можно выразить практически любую физическую величину, т. к. в механике энергия равна:

• кинетическая энергия

где m - масса, -v - скорость движения тела;

• потенциальная энергия

(1.4)

где m - масса, g - ускорение, Н - высота (длина).

В электрических измерениях энергия заряда

(1.5)

где q - заряд, U - разность потенциалов.

В оптике и квантовой механике энергия фотона

где h - постоянная Планка, v - частота излучения.

В теплофизике энергия теплового движения частиц

(1.7)

где k - постоянная Больцмана, Т - температура.

Используя указанные законы и опираясь на закон сохранения энергии, можно определить любую физическую величину, независимо оттого, к каким явлениям она относится - к механическим, электрическим, оптическим или тепловым.

Для того чтобы сказанное выглядело более убедительно, рассмотрим основные механические единицы, принятые в большинстве систем - единицы длины, времени и массы. Эти величины являются основными, т. е. выбраны произвольно и независимо друг от друга. Рассмотрим теперь, какова степень этой независимости и нельзя ли сократить число произвольно выбранных основных механических единиц.

Большинство из нас привыкло к тому, что второй закон Ньютона записывается как

(1.8)

где F - сила взаимодействия, m - масса тела, а - ускорение движения, и это выражение является определением инерционной массы. С другой стороны, масса гравитационная согласно закону всемирного тяготения определяется из соотношения

(1.9)

где r - расстояние между телами и γ- гравитационная постоянная, равная

(1.10)

Рассматривая, например, равномерное движение одного тела вокруг другого по окружности, когда сила инерции Fi равна силе гравитации Fg , и учитывая, что масса m в обоих законах есть одна и та же величина, получим:

(1.11)

(1.12)

где Т - период обращения, получим

(1.13)

Это есть выражение для третьего закона Кепплера, давно известного для движения небесных тел, т. е. мы получили связь между временем Т, длиной r и массой m в виде

(1.14)

Это означает, что достаточно положить коэффициент К равным единице, и единица массы будет определена через длину и время. Значение этого коэффициента

(1.15)

является следствием только того факта, что мы произвольно выбрали единицу массы и для приведения ситуации в соответствие с физическими законами обязаны в законе Кепплера ввести дополнительный множитель К. Приведенный пример наглядно показывает, что число основных единиц может быть изменено как в меньшую, так и в большую сторону, т. е. полностью зависит от нашего выбора, определяемого удобством практического использования системы.

Естественно, что выбрав произвольно какую-либо единицу в качестве основной, мы произвольно выбираем размер этой единицы. В механических измерениях длину, время и массу мы имеем возможность сравнивать с любыми выбранными в качестве исходных одноименными величинами. По мере развития метрологии определения размера величин основных единиц неоднократно изменялись, тем не менее ни на физических законах, ни на единстве измерений это не отразилось.

Покажем, что произвол выбора размера единицы имеет место не только для основных, произвольно выбранных величин, но и для величин производных, т. е. связанных с основным каким-либо физическим законом. В качестве примера вернемся к определениям силы через инерционные свойства тел или через гравитационные свойства. Мы предполагаем, что основными величинами являются длина, время и масса. Ничто не мешает считать равным единице коэффициент пропорциональности в законе всемирного тяготения, т. е. считать, что

(1.16)

Тогда во втором законе Ньютона мы обязаны будем ввести коэффициент пропорциональности, называемый инерционной постоянной, т. е.

(1.17)

Значение инерционной постоянной должно равняться

(1.18)

Аналогичную картину можно проследить, выражая и принимая единицу площади. Мы привыкли к тому, что единицей площади считается площадь квадрата со стороной в единицу длины - квадратный метр, квадратный сантиметр и т. д. Однако никто не запрещает в качестве единицы площади выбрать площадь круга с диаметром в 1 метр, т. е. считать, что

(1.19)

В этом случае площадь квадрата выразится

(1.20)

Такая единица площади, называемая «круглый метр», очень удобна в измерении площадей кругов. Очевидно, что «круглый метр» будет в 4/π раз меньше «квадратного метра».

Следующий вопрос в проблеме выбора единиц системы состоит в определении целесообразности введения новых основных единиц при рассмотрении нового класса физических явлений. Начнем с электромагнитных явлений. Хорошо известно, что электрические явления опираются на закон Кулона, связывающий механические величины - силу взаимодействия и расстояния между зарядами - с электрической величиной - зарядом:

(1.21)

В законе Кулона, как и в других законах, где упоминаются векторные величины, мы опускаем единичный вектор с целью упрощения. В законе Кулона коэффициент пропорциональности равен 1. Если принять это за основу, что и сделано в некоторых системах единиц, то электрическая основная единица не нужна, т. к. единицу силы тока можно получить из соотношения

(1.22)

где q - заряд, определенный законом Кулона; t - время. Все остальные единицы электрических величин определяются из законов электростатики и электродинамики. Тем не менее в большинстве систем единиц, в том числе и в системе СИ, для электрических явлений вводится произвольно своя электрическая основная единица. В системе СИ это Ампер. Выбрав Ампер произвольно, заряд выразится из соотношения как

(1.23)

В результате повторилась ситуация, рассмотренная выше, когда одна и та же физическая величина определяется дважды. Один раз через величины механические - формула (1.21) .другой раз через Ампер-формула (1.23). Такая неоднозначность заставляет ввести в закон Кулона дополнительный коэффициент, получивший название «диэлектрическая проницаемость вакуума». Закон Кулона приобретает вид:

О физическом смысле диэлектрической постоянной вакуума часто задают вопросы, когда хотят выяснить степень понимания сущности закона Кулона. С метрологической точки зрения все просто и понятно: вводя произвольно основную единицу электричества - ампер - мы должны принять меры к тому, чтобы имелось соответствие механических единиц, введенных ранее, их новому возможному выражению с использованием ампера.

Точно такая же ситуация может быть прослежена в температурных измерениях с введением произвольно основной единицы - Кельвина, а также в оптических измерениях с введением канделы.

Здесь подробно рассмотрена ситуация с выбором единиц основных физических величин и с выбором их размера для того, чтобы доказать суть главного принципа построения систем единиц физических единиц.

Этот принцип - удобство практического использования. Только этими соображениями определяется число основных единиц, выбор их размера, и все дополнительные, вторичные принципы отталкиваются от этого как от основного. Таковым, например, является известный принцип, гласящий, что в качестве основной величины нужно выбрать такую, единица которой может быть воспроизведена с наивысшей возможной точностью. Однако это желательно, но в ряде случаев нецелесообразно. В частности в механических измерениях единица частоты - герц - воспроизводится с наивысшей точностью, тем не менее в разряд основных единиц частота не попала.

В электрических измерениях точнее Ампера может быть воспроизведен Вольт - единица разности потенциалов. В оптике достигнута предельная точность в измерениях энергии путем счета квантов. По указанным причинам общепризнанность выражения величин и единиц становится преобладающей над стремлением выбрать за основную единицу ту, которая точнее всего воспроизводится.

Окончательным подтверждением выбора системы единиц на основе принципа удобства использования являются два момента.

Первый - это факт присутствия в международной системе СИ двух основных единиц количества вещества - килограмма и моля. Ничем, кроме удобства использования в химических процессах введение еще одной основной единицы - моля, - этот факт не объяснишь.

Второй - факт использования в целом ряде случаев систем единиц, отличных от системы СИ. Многие годы и десятилетия метрологи пытаются оставить одну единственную систему единиц. Тем не менее, в расчетах атомных и молекулярных структур система СИ неудобна, и люди продолжают использовать атомную систему единиц, в которой основными являются величины, определяемые размерами атома и процессами, происходящими в атоме. При рассмотрении различных систем единиц мы подробно остановимся на построении этой системы. Точно также система СИ оказывается неудобной при измерениях расстояний до космических объектов. В этой области сложилась своя специфическая система единиц и величин.

выбор в метрологии системы единиц физических величин в основном связан с удобством их использования и в большой степени опирается на традиции в решении проблемы обеспечения единства измерений.

Для количественного оценивания и описания различных свойств и процессов вводятся физические величины.

Физическая величина (ФВ) – свойство общее в качественном отношении для многих физических объектов, но индивидуальное в количественном отношении для каждого из них.

Единица физической величины - физическая величина фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение, равное 1, и применяемая для количественного выражения однородных с ней физических величин.

Чтобы упорядочить всю совокупность используемых единиц физических величин, необходимо систематизировать применяемые физические величины, т.е. создать систему физических величин. Затем на базе системы физических величин строится система единиц физических величин.

Система физических величин - совокупность физических величин, образованная в соответствии с принятыми принципами, когда одни величины принимают за независимые, а другие определяют как функции независимых величин.

Основная ФВ - ФВ. входящая в систему величин и условно принятая в качестве независимой от других величин этой системы.

Производная ФВ – ФВ, входящая в систему величин и определяемая через основные величины этой системы.

Связь между различными физическими величинами выражается уравнениями связи. Различают два вида таких уравнений: уравнения связи между величинами и уравнения связи между числовыми значениями. Уравнение, связи между величинами - уравнение, отражающее связь между величинами, обусловленную законами природы, в котором под буквенными символами понимают соответствующие физические величины. Такие уравнения представляют собой соотношения в общем виде, который не зависит от единиц измерения. Уравнение связи между числовыми значениями - уравнение, отражающее связь между величинами, обусловленную законами природы, в котором под буквенными символами понимают значения соответствующих физических величин.

Система единиц физических величин - совокупность основных и производных единиц физических величин, образованная в соответствии с принципами для заданной системы физических величин.

Основная единица системы единиц физических величин - единица основной ФВ в данной системе единиц.

Производная единица системы единиц физических величин – единица производной ФВ системы единиц, образованная в соответствии с уравнением, связывающим ее с основными единицами или с основными и уже определенными производными.

Построение систем единиц физических величин

Для построения системы единиц следует выбрать несколько основных единиц и установить с помощью определяющих уравнений (уравнений связи между числовыми значениями) производные единицы всех остальных интересующих нас величин.

Основное требование, которое предъявляется к системе единиц заключается в том, что система должна быть как можно более удобной для практических целей. В этом отношении число основных единиц не может быть произвольным. Здесь нужно иметь в виду следующее. Целесообразно строить системы единиц, пригодные для различных областей науки и техники, в которых число основных единиц составляет пять-семь. К таким системам единиц относятся Международная система единиц SI и с некоторыми дополнениями СГС.

В универсальной системе единиц, которая пригодна для различных измерений в науке и технике, величины, единицы которых принимаются за основные, должны отражать наиболее общие свойства материи. Число основных единиц такой системы достигло в настоящее время семи - это единицы длины, массы, времени, температуры, силы тока, силы света и количества вещества.

Выбрав основные единицы, нужно определиться с их размерами.

Размер единицы ФВ - количественная определенность единицы ФВ, воспроизводимой или хранимой средством измерений.

Основные единицы устанавливаются двумя способами: по прототипам и по измерению естественных величин. Первый способ основан на установлении единицы с помощью некоторого тела (гиря, линейка). Второй способ предполагает проведение некоторой процедуры измерения.

На протяжении развития человечество пользовались разными системами.

1. 1791 г. Национальное собрание Франции приняли матричную систему мер . Она включала в себя ед.длины, площади, объема, веса, в основу которых были положены две единицы: м, кг.

2. Понятие системы единиц как совокупности основных и производных величин впервые предложено немецким ученым Гауссом в 1832г . В качестве основных в этой системе были приняты: единица длины – мм, единица массы – мг, единица времени – с. Эту систему единиц назвали абсолютной.

3. В 1881г. была принята система единиц физических величин СГС . Это система механических единиц. Она была построена с использованием системы уравнений классической механики. Основными единицами которой были: см – единица длины, г – единица массы, с– единица времени. Производными единицами считались единица силы – дина и единица работы – эрг. В состав СГС также включались 2 дополнительные единицы: для плоского угла – радиан; для телесного угла - стерадиан. В системе есть одна константа – скорость света.

Итальянский ученый Джорджи предложил еще одну систему единиц, получившую название МКСА и довольно широко распространившуюся в мире. Это система единиц электрических и магнитных величин. Основные единицы: м, кг, с, А, а производные: единица силы – Н, единица энергии – Дж, единица мощности – Вт. МКСА входит как составная часть в международную систему единиц СИ.

4. МКГСС – система единиц измерения, в которой основными единицами являются м, кгс и с. Система МКГСС частично используется до сих пор хотя бы в определении мощности двигателей в лошадиных силах (Лошадиная сила – мощность = 75 кгс м/с)

5. Система МТС – система механических единиц. В качестве основных единиц выбраны: метр (единица длины), тонна (единица массы), секунда (единица времени). Единица массы – тонна - оказалась наиболее удобной в ряде отраслей, имеющих дело с большими массами. Однако размер производных единиц большинства ФВ оказался неудобным для практики и систему отменили.

Наиболее широко распространена во всем мире Международная система единиц СИ. Международная система единиц СИ принята генеральной конференцией по мерам и весам в 1960 г. Её достоинствами являются:

Универсальность

Возможность воспроизведения единиц с высокой точностью соответствия с их определение и наименьшей погрешностью

Унификация всех областей и видов измерений

Упрощение записи формул и уменьшение числа допускаемых единиц

Единая система образования кратных и дольных единиц, имеющих собственное наименование. В основе системы СИ выбрано 7 основных и 2 дополнительных физических единиц (метр, кг, секунда, ампер, кельвин, моль, кандела) дополнительные (радиан, стерадиан)