Единицы физических величин

Единицы физических величин 

— конкретные физические величины, условно принятые за единицы физических величин

.   

 Под физической величиной  понимают характеристику физического  объекта, общую для множества  объектов в качественном отношении  (например, длина, масса, мощность) и индивидуальную для каждого  объекта в количественном отношении  (например, длина нервного волокна,  масса тела человека, мощность  поглощенной дозы ионизирующего  излучения). Между физическими величинами, характеризующими какой-либо объект, существует закономерная связь.  Установление этой связи благодаря  измерению физических величин  имело важное научное и практическое  значение. Под измерением физической  величины подразумевается совокупность  экспериментальных (с помощью  мер и эталонов) и в некоторых  случаях вычислительных операций  для определения количества данной  величины. При этом важное значение  имеет обоснованный рациональный  выбор ее единицы.   

 История развития метрологии  свидетельствует о том, что  большинство старых единиц длины,  площади, объема, массы, времени  и других величин выбиралось  произвольно, без учета какой  бы то ни было внутренней  связи между ними. Это привело  к появлению в разных странах  мира множества различных единиц  для измерения одних и тех  же физических величин. Так,  длину измеряли в аршинах, локтях, футах, дюймах, массу — в унциях, фунтах, золотниках и т. д. В ряде случаев единицы выбирали исходя из удобств техники измерения или практического применения. Так появились, например миллиметр ртутного столба, лошадиная сила. Интенсивное и поначалу независимое развитие отдельных областей науки и техники в различных странах в начале 19 в., формирование новых отраслей знаний способствовали возникновению новых физических величин и, соответственно, множества новых единиц. Множественность единиц измерения являлась серьезным препятствием для дальнейшего развития науки и роста материального производства; отсутствие единства в понимании, определении и обозначении физических величин усложняло международные торговые связи, тормозило научно-технический прогресс в целом. Все это вызвало необходимость строгой унификации единиц и разработки удобной для широкого использования систем единиц физических величин. В основу построения такой системы был положен принцип выбора небольшого количества основных, не зависящих друг от друга единиц, на базе которых с помощью математических соотношений, выражающих закономерные связи между физическими величинами, устанавливались остальные единицы системы.   

 Попытки создания унифицированной  системы единиц предпринимались  неоднократно. Были созданы Метрическая  система мер, системы МКС, МКСА, МКГСС, СГС и др. Однако каждая  из этих систем в отдельности  не обеспечивала возможности  использования ее во всех областях  научной и практической деятельности  человека, а параллельное применение  различных систем создавало помимо  прочих неудобств определенные  трудности во взаимных пересчетах. Различные международные научно-технические  организации, работавшие в области  метрологии, в течение второй  половины 19 в. и в первой половине 20 в. готовили почву для создания единой международной системы единиц, и 7 октября 1958 г. Международный комитет законодательной метрологии объявил об установлении этой системы.   

 Решением Генеральной  конференции по мерам и весам  в 1960 г. была принята универсальная система единиц физических величин. получившая название «Systeme internationale d'unites» (Международная система единиц) или сокращенно SI (в русской транскрипции СИ). Постоянная комиссия СЭВ по стандартизации утвердила основополагающий стандарт «Метрология. Единицы физических величин. СТ СЭВ 1052—78», автором-разработчиком которого является СССР. Стандартом устанавливалось обязательное применение начиная с 1979—1980 гг. в странах-членах СЭВ Международной системы единиц. Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 19 марта 1981 г. стандарт СЭВ был заменен Государственным стандартом ГОСТ 8.417—81 (СТ СЭВ 1052—78) «Единицы физических величин», введенным в действие с 1 января 1982 г. ГОСТ установлены перечень Е. ф. в. для применения в СССР, их наименование и обозначение, а также порядок использования внесистемных единиц и исключения ряда внесистемных единиц, подлежащих изъятию. Применение СИ стало обязательным во всех областях науки и техники, а также в народном хозяйстве.

2. Система единиц физических  величин 

Основные понятия

Многообразие единиц физических величин на определенной ступени  развития общества стало тормозить  экономические, торговые и научные  связи. Даже отдельные государства  и их административные области для  одних и тех же величин вводили  свои единицы. В разных областях науки  и техники появлялись свои, специфические  единицы, удобные только именно для  этой отрасли. В связи с этим возникла тенденция к унификации единиц физических величин, необходимость в системах единиц, которые охватывали бы единицы  величин как можно больших  разделов науки и техники. Ниже приводятся основные понятия, связанные с единицами  физических величин и их системами.

Система единиц физических величин — совокупность основных и производных единиц физических величин, образованная в соответствии с принципами для заданной системы  физических величин. Например, международная  система единиц (СИ).

Основная единица системы  — единица основной физической величины в данной системе единиц. Основные единицы могут выбираться произвольно, поэтому для одной и той  же системы величин может быть образовано несколько систем единиц.

Производная единица системы  — единица производной физической величины системы единиц, образованная в соответствии уравнением, связывающим  ее с основными единицами или  с основными и уже определенными  производными.

Системная и внесистемная единицы – единицы, входящие и  не входящие в принятые системы единиц. Например, единицы, не входящие в СИ, разделяют на следующие группы:

• допускаемые к применению наравне с единицами СИ без ограничения срока;

• допускаемые к применению единицы относительных и логарифмических величин;

• единицы, временно допускаемые к применению до принятия по ним соответствующих международных решений;

• внесистемные единицы, применение которых в новых разработках не допускается.

Когерентная производная  единица – единица физической величины, связанная с другими  единицами системы единиц уравнением, в котором числовой коэффициент  принят равным 1.

Когерентная система единиц физических величин – система  единиц, состоящая из основных единиц и когерентных производных единиц.

Когерентные производные  единицы образуются с помощью  простейших уравнений между величинами, где числовые коэффициенты равны 1. Преимущества когерентной системы  единиц - простота выполнения расчетов и использования системы.

Например, единица скорости [v] в СИ находится из уравнения:

 

v = s / t

 

где v - скорость; s - длина пройденного пути; t - время движения.

 

Если подставить вместо длины  пути и времени обозначения их единиц СИ то единица скорости будет:

 

[v] = [s] / [t] = 1 m/s.

 

Для образования единицы  энергии может, например, использоваться уравнение с коэффициентом, отличным от единицы, например:

 

E = 1/ 2 mv2

 

В этом случае для образования  когерентной единицы в правую часть подставляются величины со значениями, дающие после умножения  на коэффициент числовое значение, равное единице. Когерентная единица  энергии в СИ образуется из выражения:

 

[E] = Ѕ (2 [m]Ч [v]2) = Ѕ (2 kg)Ч(1 m/s)2 = 1 kg Ч m/s2 Ч m = 1 NЧ m = 1J.

 

Единицей энергии СИ является джоуль, равный ньютон-метру. В данном примере он равен кинетической энергии  тела массой 2 kg, движущегося со скоростью 1m/s.

Кратная и дольная единица  величины - это единица, в целое  число раз большая или меньшая  системной единицы. Например, кратная - 1 километр, дольная - 1 см.

Метрическая система мер

1795 г во Франции был  принят Закон о новых мерах  и весах, который установил  основную единицу длины – метр, равный десятимиллионной части  четверти дуги меридиана, проходящего  через Париж. Отсюда идет и  название системы - метрическая.  Были установлены и производные  единицы: литр как мера вместимости  жидких и сыпучих тел, грамм  как единица веса (вес чистой  воды при температуре 4 градуса  Цельсия в объеме куба с  ребром 0,01 м), ар как единица площади  (площадь квадрата со стороной 10 м), стер как единица объема (куб  с ребром 0,1 м) и секунда как  единица времени (1/86400 часть средних  солнечных суток). Позднее, в 1799 г. основной единицей массы  стал килограмм и был изготовлен  его платиновый прототип. В 1875 г. была подписана Метрическая  конвенция с целью обеспечения  международного единства мер.  В ее основу положены единицы  длины и массы, а для образования  кратных и дольных единиц использовалась  десятичная система. Таким образом,  была установлена метрическая  система мер. В настоящее время  метрическая система мер принята  в большинстве стран мира. Но существуют и другие системы. Например, английская система мер, в которой за основные единицы приняты фут, фунт и секунда.

Построение систем единиц физических величин

При построении систем единиц физических величин выделяют два  этапа: 1 этап – выбор основных единиц; 2 этап – образование производных  единиц. Последовательность расположения производных единиц должна удовлетворять  при этом следующим условиям:

• первой должна быть величина, которая выражается только через основные величины;

• каждая последующая должна быть величиной, которая выражается только через основные и такие производные, которые ей предшествуют. Например, такая последовательность единиц: площадь, объем, плотность.

Основным принципом при  построении системы единиц является удобство использования единиц в  науке, промышленности, торговли. При  этом руководствуются рядом правил: простотой образования производных  единиц, высокой точностью воспроизведения  основных и производных единиц и  близостью их размеров к размерам физических величин, чаще всего встречающихся  в практической деятельности. Кроме  того, число основных единиц всегда стараются сделать минимальным.

Примеры систем единиц физических величин

Система Гаусса. В качестве основных единиц в ней выбраны  миллиметр, миллиграмм, секунда и  построена система магнитных  величин. Система получила название абсолютной. В 1851 г. Вебер распространил  ее на область электрических величин. В настоящее время представляет лишь исторический интерес, т.к. единицы  имеют слишком малый размер. Однако открытый Гауссом принцип лежит  в основе построения современных  систем единиц — это деление на основные и производные единицы.

Система СГС была принята  в 1881 г. с основными единицами  сантиметр, грамм, секунда. Эта система  удобна для физических исследований. На основе ее возникло семь систем электрических  и магнитных величин. В настоящее  время система СГС используется в теоретических разделах физики и астрономии. Естественная система единиц основана на физических константах. Первая такая система была предложена в 1906 г. Планком. В качестве основных единиц были выбраны: скорость света в вакууме, гравитационная постоянная, постоянные Больцмана и Планка. Преимущество этих систем – при построении физических теорий они придают физическим законам более простой вид и некоторые формулы освобождаются от числовых коэффициентов. Однако единицы физических величин имеют в них размер, неудобный для практики. Например, единица длины равна в этой системе 4,03 Ч 10-35 м. Кроме того, еще не достигнута такая точность измерения выбранных универсальных констант, чтобы можно было установить все производные единицы.

Относительные и логарифмические  величины и единицы

Относительные и логарифмические  величины широко распространены в науке  и технике, т.к. они характеризуют  состав и свойства материалов, отношение  энергетических величин, например, относительную  плотность, относительную диэлектрическую  проницаемость, усиление и ослабление мощности.

Относительная величина –  это безразмерное отношение физической величины к одноименной физической величине, принимаемой за исходную. Например, атомные и молекулярные массы химических элементов по отношению  к 1/12 массы атома углерода-12. Относительные  величины могут выражаться в безразмерных единицах, в процентах, промилле (отношение  равно 10-3), в миллионных долях. Логарифмическая  величина представляет собой логарифм безразмерного отношения двух одноименных  физических величин. Они применяются, например, для выражения уровня звукового  давления, усиления, ослабления и т.п.

Единицей логарифмической  величины является бел (Б): 1 Б = lg (P2 / P1) при Р2 = 10Р1, где Р2 и Р1 – одноименные величины мощности, энергии и т.п. Для отношения двух одноименных величин, связанных с силой (напряжения, давления и т.п.) бел определяется по формуле: