Problema alegerii unui sistem de unități mărimi fizice Recent, nu m-am putut raporta pe deplin la arbitrariul nostru. Din punctul de vedere al filozofiei materialiste, nu ne-a fost ușor să convingem pe cineva că o mare parte a științelor naturii legate de asigurarea unității măsurătorilor se bazează în mod fundamental pe dependența punctelor principale de conștiința noastră. Este posibil să discutăm dacă sistemul de unități este bine sau prost proiectat unități fizice, dar faptul că practic orice sistem de cantități și unități are un arbitrar asociat conștiinței umane rămâne incontestabil.
În această secțiune, folosind diverse exemple, vom lua în considerare posibilitățile de construire a sistemelor de unități de mărimi fizice, astfel încât în viitor, atunci când descriem sistemul de unități SI sau orice alte sisteme, să putem evalua aspectele pozitive și negative ale fiecăruia. dintre ei.
În primul rând, să începem cu definiții.
Unitățile de mărime fizică sunt împărțite în de bază și derivate. Până în 1995 mai existau unități suplimentare - unități de unghiuri plane și solide, radiani și steradiani - dar pentru simplificarea sistemului, aceste unități au fost transferate în categoria unităților derivate adimensionale.
Principalele marimi fizice sunt marimi alese arbitrar si independent unele de altele.
Unitățile de bază sunt alese astfel încât, folosind relația naturală dintre mărimi, să se poată forma unități de alte mărimi. În consecință, cantitățile și unitățile formate în acest fel se numesc derivate.
Cea mai importantă întrebare atunci când construim sisteme de unități este câte unități de bază ar trebui să existe sau, mai precis, ce principii ar trebui urmate la construirea unui anumit sistem? Parțial în literatura metrologică se poate găsi afirmația că principiul principal al sistemului ar trebui să fie un număr minim de unități de bază. De fapt, această abordare este incorectă, deoarece urmând acest principiu nu poate exista decât o astfel de cantitate și unitate. De exemplu, aproape orice mărime fizică poate fi exprimată prin energie, deoarece în mecanică energia este egală cu:
energie cinetică
(1.3)
unde m este masa, -o este viteza de deplasare a corpului;
energie potenţială
(1.4)
unde m este masa, d este accelerația, H este înălțimea (lungimea).
În măsurătorile electrice, încărcați energia
(1.5)
unde q este sarcina, U este diferența de potențial.
În optică și mecanică cuantică, energia fotonului
unde P este constanta lui Planck, v este frecvența radiației.
În termofizică, energia mișcării termice a particulelor
(1.7)
unde k este constanta lui Boltzmann, T este temperatura.
Folosind aceste legi și bazându-se pe legea conservării energiei, este posibil să se determine orice mărime fizică, indiferent de fenomenele la care se referă - mecanică, electrică, optică sau termică.
Pentru a face ceea ce s-a spus mai convingător, să luăm în considerare unitățile mecanice de bază adoptate în majoritatea sistemelor - unități de lungime, timp și masă. Aceste cantități sunt de bază, adică alese în mod arbitrar și independent una de cealaltă. Să luăm acum în considerare care este gradul acestei independențe și dacă este posibil să se reducă numărul de unități mecanice de bază alese în mod arbitrar.
Cei mai mulți dintre noi suntem obișnuiți cu faptul că a doua lege a lui Newton este scrisă ca
(1.8)
unde F este forța de interacțiune, m este masa corpului și este accelerația mișcării, iar această expresie este definiția masei inerțiale. Pe de altă parte, masa gravitațională conform legii gravitației universale este determinată din relație
(1.9)
unde r este distanța dintre corpuri și γ este constanta gravitațională, egală cu
Având în vedere, de exemplu, mișcare uniformă un corp în jurul altuia într-un cerc, când forța de inerție Fi este egală cu forța gravitațională F g și ținând cont de faptul că masa m în ambele legi este aceeași mărime, obținem:
(1.11)
(1.12)
unde T este perioada de revoluție, obținem
(1.13)
Aceasta este o expresie pentru cea de-a treia lege a lui Keppler, cunoscută de multă vreme pentru mișcarea corpurilor cerești, adică am obținut relația dintre timpul T, lungimea r și masa m sub forma
(1.14)
Aceasta înseamnă că este suficient să stabilim coeficientul K egal cu unitatea, iar unitatea de masă va fi determinată prin lungime și timp. Valoarea acestui coeficient
(1.15)
este o consecință numai a faptului că am ales în mod arbitrar o unitate de masă și, pentru a aduce situația în conformitate cu legile fizice, suntem obligați să introducem un factor K suplimentar în legea lui Keppler Exemplul de mai sus arată clar că numărul de unități de bază pot fi schimbate fie latura mai mică, fie mai mare, adică depinde complet de alegerea noastră, determinată de comoditatea utilizării practice a sistemului.
Desigur, după ce am ales în mod arbitrar orice unitate ca principală, alegem în mod arbitrar dimensiunea acestei unități. În măsurătorile mecanice, avem posibilitatea de a compara lungimea, timpul și masa cu orice cantități cu același nume alese ca inițiale. Pe măsură ce metrologia s-a dezvoltat, definițiile mărimii cantităților unităților de bază s-au schimbat în mod repetat, însă acest lucru nu a afectat nici legile fizice, nici unitatea de măsură.
Să arătăm că arbitraritatea alegerii mărimii unității apare nu numai pentru cantități de bază, alese arbitrar, ci și pentru cantități derivate, adică cele asociate cu o lege fizică de bază. Ca exemplu, să revenim la definițiile forței prin proprietățile inerțiale ale corpurilor sau prin proprietățile gravitaționale. Presupunem că marimile principale sunt lungimea, timpul și masa. Nimic nu ne împiedică să considerăm coeficientul de proporționalitate din legea gravitației universale ca fiind egal cu unitatea, adică să considerăm că
(1.16)
Apoi, în cea de-a doua lege a lui Newton ni se va cere să introducem un coeficient de proporționalitate numit constantă inerțială, i.e.
(1.17)
Valoarea constantei inerțiale trebuie să fie egală cu
(1.18)
O imagine similară poate fi urmărită prin exprimarea și luarea unității de suprafață. Suntem obișnuiți cu faptul că unitatea de suprafață este aria unui pătrat cu o latură de o unitate de lungime - metru pătrat, centimetru pătrat etc. Cu toate acestea, nimeni nu interzice alegerea ariei unui cerc cu diametrul de 1 metru ca unitate de suprafață, adică, având în vedere că
În acest caz, aria pătratului va fi exprimată
(1.20)
Această unitate de suprafață, numită „metru rotund”, este foarte convenabilă în măsurarea ariilor cercurilor. Evident, un „metru rotund” va fi de 4/t ori mai mic decât un „metru pătrat”.
Următoarea întrebare în problema alegerii unităților de sistem este de a determina oportunitatea introducerii de noi unități de bază atunci când se analizează o nouă clasă de fenomene fizice. Să începem cu fenomenele electromagnetice. Este bine cunoscut faptul că fenomenele electrice se bazează pe legea lui Coulomb, care leagă mărimile mecanice - forța de interacțiune și distanța dintre sarcini - cu o mărime electrică - sarcină:
(1.21)
În legea lui Coulomb, ca și în alte legi în care sunt menționate mărimile vectoriale, omitem vectorul unitar în scopul simplificării. În legea lui Coulomb, coeficientul de proporționalitate este egal cu 1. Dacă luăm ca bază aceasta, ceea ce se face în unele sisteme de unități, atunci unitatea electrică de bază nu este necesară, deoarece unitatea de curent poate fi obținută din relația
(1.22)
unde q este sarcina determinată de legea lui Coulomb; t - timp. Toate celelalte unități de mărimi electrice sunt determinate din legile electrostaticii și electrodinamicii. Cu toate acestea, în majoritatea sistemelor de unități, inclusiv sistemul SI, o unitate de bază electrică este introdusă în mod arbitrar pentru fenomenele electrice. În sistemul SI, acesta este Ampere. După ce am ales în mod arbitrar Ampere, taxa va fi exprimată din relație ca
(1.23)
Ca urmare, s-a repetat situația discutată mai sus, când aceeași mărime fizică este determinată de două ori. O dată prin mărimi mecanice - formula (1.21) și alta dată prin formula Ampere (1.23). Această ambiguitate ne obligă să introducem un coeficient suplimentar în legea lui Coulomb, numit „constanta dielectrică a vidului”. Legea lui Coulomb ia forma:
(1.24)
Se pun adesea întrebări despre semnificația fizică a constantei dielectrice a vidului atunci când doresc să afle gradul de înțelegere a esenței legii lui Coulomb. Din punct de vedere metrologic, totul este simplu și clar: introducând în mod arbitrar unitatea de bază a electricității - amperul - trebuie să luăm măsuri pentru a ne asigura că există o corespondență între unitățile mecanice introduse anterior și noua lor expresie posibilă folosind amperul. .
Exact aceeași situație poate fi urmărită în măsurătorile de temperatură cu introducerea unei unități de bază arbitrare - Kelvin, precum și în măsurătorile optice cu introducerea candela.
Aici luăm în considerare în detaliu situația cu alegerea unităților de mărimi fizice de bază și alegerea mărimii acestora pentru a demonstra esența principiului principal de construire a sistemelor de unități de unități fizice.
Acest principiu este ușurința în utilizare practică. Numai aceste considerente determină numărul de unități de bază, alegerea dimensiunii lor și toate principiile secundare suplimentare se bazează pe aceasta ca fiind cea principală. Acesta, de exemplu, este binecunoscutul principiu care afirmă că ca mărime de bază trebuie să alegeți una a cărei unitate poate fi reprodusă cu cea mai mare acuratețe posibilă. Cu toate acestea, acest lucru este de dorit, dar în unele cazuri nu este practic. În special, în măsurătorile mecanice, unitatea de frecvență - herțul - este reprodusă cu cea mai mare acuratețe, cu toate acestea, frecvența nu este inclusă în categoria unităților de bază.
În măsurătorile electrice, mai precis, Amperul poate fi reprodus de Volt - o unitate a diferenței de potențial. În optică, s-a obținut o precizie extremă în măsurătorile de energie prin numărarea cuantelor. Din aceste motive, expresia general acceptată a cantităților și unităților devine dominantă asupra dorinței de a alege ca unitate de bază cea care este reprodusă cel mai fidel.
Confirmarea finală a alegerii unui sistem unitar bazat pe principiul utilizabilității este de două puncte.
Primul este faptul prezenței în sistemul internațional SI a două unități de bază de cantitate a unei substanțe - kilogramul și molul. Nimic altceva decât ușurința de utilizare în procesele chimice nu poate explica introducerea unei alte unități de bază - alunița - acest fapt.
Al doilea este faptul că într-un număr de cazuri sunt utilizate sisteme de unități altele decât sistemul SI. De mulți ani și decenii, metrologii au încercat să mențină un singur sistem de unități. Cu toate acestea, sistemul SI este incomod pentru calcularea structurilor atomice și moleculare, iar oamenii continuă să folosească sistemul atomic de unități, în care cantitățile de bază sunt determinate de mărimea atomului și de procesele care au loc în atom. Când luăm în considerare diverse sisteme de unități, ne vom opri în detaliu asupra construcției acestui sistem. În același mod, sistemul SI se dovedește a fi incomod atunci când se măsoară distanțe față de obiectele spațiale. Această zonă și-a dezvoltat propriul sistem specific de unități și cantități.
Pentru a rezuma, alegerea în metrologie a unui sistem de unități de mărimi fizice este legată în principal de comoditatea utilizării lor și se bazează în mare măsură pe tradiții în rezolvarea problemei asigurării uniformității măsurătorilor.
3.2. principii de construire a sistemelor de unități de mărimi fizice
Să existe n ecuații de legătură între valorile numerice ale N mărimi fizice. Fiecare ecuație are propriul coeficient de proporționalitate, căruia i se poate da orice valoare și, în special, egal cu unitatea. În consecință, în ecuațiile de cuplare, coeficienții sunt numere cunoscute, iar PV-urile sunt necunoscute. În realitate există întotdeauna un număr N de mărimi fizice mai mult număr n ecuații de cuplare. Dacă alegeți unitățile independente pentru N n PV, atunci acestea devin numere cunoscute și n ecuații sunt rezolvate în raport cu restul n PV. Un astfel de sistem este considerat optim din punct de vedere teoretic. Aceste N n PV se numesc, după cum se știe, bazice, iar restul n se numesc derivate.
În practică, poate fi convenabil să alegeți ca principal
N n PV, iar numărul lor mai mare este egal cu N n + p. În acest caz, nu mai este posibilă atribuirea unor valori numerice tuturor coeficienților, deoarece coeficienții p devin la fel de necunoscuți ca cei care rămân în acest caz
n p de derivate VF.
Numărul de unități de bază este strâns legat de numărul de coeficienți din expresiile pentru legile și definițiile fizice. Coeficienții de proporționalitate care depind de alegerea unităților de bază și a ecuațiilor de guvernare se numesc fundamentale sau constante mondiale. În sistemul SI, acestea includ constanta gravitațională, constanta lui Planck, constanta lui Boltzmann și eficiența luminoasă. Ele ar trebui să fie distinse de așa-numitele constante specifice, care caracterizează diferite proprietăți ale substanțelor individuale, de exemplu, masa unui electron, sarcina acestuia etc.
Trebuie amintit că constantele fundamentale sunt prezente în expresiile pentru toate legile fizice, dar prin alegerea adecvată a unităților, un anumit număr dintre ele este echivalat cu unele numere constante, cel mai adesea cu unitatea. Se va arăta în continuare că cu cât sunt utilizate mai multe unități de bază la construirea sistemului, cu atât mai multe constante fundamentale vor apărea în formule. O reducere a numărului de unități fundamentale este în mod necesar însoțită de o reducere a numărului de constante fundamentale.
În cazul extrem, puteți alege propria unitate pentru fiecare dintre PV. Dar apoi, în loc de un sistem de unități, veți obține un set de unități, toți n coeficienți vor deveni constante ale lumii determinate experimental, cantitățile derivate vor dispărea, iar conexiunile obișnuite vor fi de puțin folos pentru practică. Prin urmare, oamenii de știință se străduiesc să creeze un sistem de unități teoretic optim sau cât mai aproape de acesta.
Regulile prin care unul sau altul set de unități este ales ca principală nu pot fi justificate teoretic. Singurele argumente în favoarea alegerii pot fi doar eficacitatea și oportunitatea utilizării acestui sistem. În scopuri practice de măsurare, mărimile și unitățile de bază ar trebui să fie cele care pot fi reproduse cu cea mai mare acuratețe. Formarea unui sistem de unități se bazează pe conexiuni obiective, naturale, între mărimile fizice și pe voința arbitrară, dar rezonabilă a oamenilor și pe acordurile acestora, finalul cărora este cel adoptat la Conferința Generală a Greutăților și Măsurilor.
La construirea sau introducerea sistem nou unităților, oamenii de știință sunt ghidați de un singur principiu - oportunitatea practică, de exemplu. ușurința de utilizare a unităților în activitățile umane. Acest principiu se bazează pe următoarele criterii de bază:
Ușurința formării derivatelor fotovoltaice și a unităților acestora, de ex. echivalarea coeficienților de proporționalitate din ecuațiile de comunicare cu unitatea;
Precizie ridicată a materializării unităților de bază și derivate și transferul dimensiunii acestora la standarde inferioare;
Indestructibilitatea standardelor unităților de bază, de ex. posibilitatea reconstrucției lor în caz de pierdere;
Continuitatea unităților, păstrarea dimensiunilor și denumirii acestora la introducerea unui nou sistem de unități, care este asociat cu eliminarea costurilor materiale și psihologice;
Apropierea dimensiunilor unităților de bază și derivate de dimensiunile PV-urilor cel mai des întâlnite în practică;
Stocarea pe termen lung a unităților de bază și derivate conform standardelor lor;
Selectând ca principal număr minim de PV care reflectă cel mai mult proprietăți generale materie.
Criteriile de mai sus sunt în conflict, astfel încât opțiunea cea mai benefică pentru practică este selectată prin acord.
unităţi de bază ale mărimilor fizice) şi în alegerea mărimii acestora. Din acest motiv, prin definirea mărimilor de bază și a unităților acestora se pot construi sisteme de unități de mărimi fizice foarte diferite. Ar trebui adăugat la aceasta că unitățile derivate ale mărimilor fizice pot fi, de asemenea, definite diferit. Aceasta înseamnă că pot fi construite o mulțime de sisteme de unități. Să ne oprim asupra caracteristicilor generale ale tuturor sistemelor.
Principal caracteristică comună- o definire clară a esenței și semnificației fizice a unităților și cantităților fizice de bază ale sistemului. Este de dorit, dar așa cum sa menționat în secțiunea anterioară, nu este necesar, ca mărimea fizică subiacentă să poată fi reprodusă cu o precizie ridicată și să poată fi transmisă de instrumentul de măsurare cu pierderi minime de precizie.
Următorul pas important în construirea unui sistem este stabilirea dimensiunii unităților principale, adică a conveni și legifera procedura de reproducere a unității principale.
Întrucât toate fenomenele fizice sunt interconectate prin legi scrise sub formă de ecuații care exprimă relația dintre mărimile fizice, atunci când se stabilesc unități derivate, este necesar să se selecteze o relație constitutivă pentru mărimea derivată. Apoi, într-o astfel de expresie, coeficientul de proporționalitate inclus în relația definitorie ar trebui să fie egalat cu unul sau altul număr constant. Astfel, se formează o unitate derivată, căreia i se poate da următoarea definiție: „ Unitate derivată a mărimii fizice- o unitate, a cărei mărime este asociată cu mărimile unităților de bază prin relații care exprimă legi fizice sau definiții ale mărimilor corespunzătoare.”
Când construiți un sistem de unități constând din unități de bază și derivate, trebuie subliniate două puncte cele mai importante:
În primul rând, împărțirea unităților de mărimi fizice în bază și derivate nu înseamnă că primele au vreun avantaj sau sunt mai importante decât cele din urmă. ÎN sisteme diferite unitățile de bază pot fi diferite, iar numărul de unități de bază din sistem poate fi, de asemenea, diferit.
În al doilea rând, ar trebui să se facă distincția între ecuațiile de conexiune dintre cantități și ecuațiile de legătură între numerice și valorile lor. Ecuațiile de cuplare sunt relații în vedere generală, independent de unități. Ecuațiile de relație între valorile numerice pot avea fel diferitîn funcţie de unităţile alese pentru fiecare dintre cantităţi. De exemplu, dacă alegeți metrul, kilogramul de masă și secunda ca unități de bază, atunci relațiile dintre unitățile derivate mecanice, cum ar fi forța, lucrul, energia, viteza etc., vor diferi de cele în cazul în care sunt alese unitățile de bază. centimetru, gram, secundă sau metru, tonă, secundă.
Caracterizarea diferitelor sisteme de unități de mărimi fizice, amintiți-vă că primul pas în sistemele de construcție a fost asociată cu o încercare de a lega unitățile de bază cu cantitățile găsite în natură. Deci, în epoca Marelui revolutia francezaîn 1790-1791 S-a propus ca unitatea de lungime să fie considerată o patruzeci de milione din meridianul pământului. În 1799, această unitate a fost legalizată sub forma unui contor prototip - o riglă specială de platină-iridiu cu diviziuni. În același timp, kilogramul a fost definit ca greutatea unui decimetru cub de apă la 4°C. Pentru a stoca kilogramul, a fost realizat un model de greutate - un prototip al kilogramului. Ca unitate de timp, 1/86400 din ziua solară medie a fost legalizată.
Ulterior, reproducerea naturală a acestor valori a trebuit să fie abandonată, deoarece procesul de reproducere este asociat cu erori mari. Aceste unități au fost înființate prin lege în funcție de caracteristicile prototipurilor lor și anume:
Această bază a tuturor sistemelor moderne de unități de mărimi fizice a fost păstrată până astăzi. Unităților termice (Kelvin), electrice (Amperi), optice (candela), chimice (mol) au fost adăugate unităților de bază mecanice, dar elementele de bază sunt încă păstrate. Trebuie adăugat că dezvoltarea tehnologiei de măsurare și în special descoperirea și implementarea laserelor în măsurători au făcut posibilă găsirea și legitimarea unor modalități noi, foarte precise, de reproducere a unităților de bază ale mărimilor fizice. Ne vom opri asupra acestor puncte în următoarele secțiuni dedicate tipurilor individuale de măsurători.
Aici vom enumera pe scurt cele mai utilizate sisteme de unități în științele naturii secolului XX, dintre care unele încă există sub formă de unități nesistemice sau argou.
În Europa, în ultimele decenii, au fost utilizate pe scară largă trei sisteme de unități: CGS (centimetru, gram, secundă), ICGSS (metru, kilogram-forță, secundă) și sistemul SI, care este principalul sistem internațional și preferat în teritoriul fosta URSS„în toate domeniile științei, tehnologiei și economie nationala, precum și atunci când predați”.
Ultimul citat, luat între ghilimele, este din standardul de stat URSS GOST 9867-61 „Sistemul internațional de unități”, care a intrat în vigoare la 1 ianuarie 1963. Vom discuta mai detaliat despre acest sistem în paragraful următor. Aici doar subliniem că principalele unități mecanice din sistemul SI sunt metrul, kilogramul-masă și secunda.
Sistemul GHS există de peste o sută de ani și este foarte util în unele domenii științifice și inginerești. Principalul avantaj al sistemului GHS este logica și consistența construcției acestuia. Când descriem fenomene electromagnetice, există o singură constantă - viteza luminii. Acest sistem a fost dezvoltat între 1861 și 1870. Comitetul britanic de standarde electrice. Sistemul GHS s-a bazat pe sistemul de unități al matematicianului german Gauss, care a propus o metodă de construire a unui sistem bazat pe trei unități de bază - lungime, masă și timp. Sistemul lui Gauss a folosit milimetrul, miligramul și secunda.
Pentru mărimi electrice și magnetice, au fost propuse două diverse opțiuni Sisteme SGS - sistem electrostatic absolut SGSE și sistem electromagnetic absolut SGSM. În total, în dezvoltarea sistemului GHS au fost șapte diverse sisteme, care includea unitățile de bază centimetru, gram și secundă.
La sfârșitul secolului trecut, a apărut sistemul MKGSS, ale cărui unități principale erau metrul, kilogramul-forță și secunda. Acest sistem a devenit larg răspândit în mecanica aplicată, ingineria termică și în domeniile conexe. Acest sistem are multe neajunsuri, începând cu confuzia în denumirile unității de bază, kilogramul, care însemna kilogram-forță spre deosebire de kilogramul-masă folosit pe scară largă. Nu a existat nici măcar un nume pentru unitatea de masă în sistemul MKGSS și a fost desemnat ca i.e. m (unitate tehnică de masă). Cu toate acestea, sistemul MKGSS este încă parțial utilizat, cel puțin pentru a determina puterea motorului în cai putere.
- putere egală cu 75 kgf m/s - este încă folosită în tehnologie ca unitate de argo.
În 1919, sistemul MTS a fost adoptat în Franța - metru, tonă, secundă. Acest sistem a fost și primul standard sovietic pentru unitățile mecanice, adoptat în 1929. În 1901, fizicianul italian P. Giorgi a propus un sistem de unități mecanice construite pe trei unități mecanice de bază - contorul, kilogram de masă iar al doilea. Avantajul acestui sistem a fost că era ușor de raportat la sistemul practic absolut al unităților electrice și magnetice, deoarece unitățile de lucru (joule) și puterea (watt) din aceste sisteme erau aceleași. Astfel, s-a găsit oportunitatea de a profita de sistemul GHS cuprinzător și convenabil cu dorința de a „cusă” sistemele electrice și unități magnetice
Acest lucru a fost realizat prin introducerea a două constante - permeabilitatea electrică (ε 0) a vidului și permeabilitatea magnetică a vidului (μ 0). Există unele inconveniente în scrierea formulelor care descriu forțele de interacțiune dintre lucrurile în repaus și în mișcare. sarcini electriceși, în consecință, în determinarea sensului fizic al acestor constante. Cu toate acestea, aceste neajunsuri sunt compensate în mare măsură de astfel de utilități precum unitatea de expresie a energiei atunci când se descriu atât fenomene mecanice, cât și electromagnetice, deoarece
1 joule = 1 newton, metru = 1 volt, coulomb = 1 amper, Weber.
Ca urmare a căutării versiunii optime a sistemului internațional de unități în 1948 a IX-a Conferinţă Generală pe Greutăți și Măsuri, pe baza unui sondaj efectuat în țările membre ale Convenției Metrice, a adoptat o opțiune în care se propunea să se ia ca unități de bază metrul, kilogramul de masă și secunda. S-a propus excluderea kilogramelor-forță și a unităților derivate aferente din considerare. Decizia finală, bazată pe rezultatele unui sondaj din 21 de țări, a fost formulată la a zecea Conferință Generală privind Greutățile și Măsurile din 1954.
Rezoluția spunea:
„Ca unități de bază sistem practic pentru relatiile internationale acceptati:
Mai târziu, la insistențele chimiștilor, sistemul internațional a fost completat de a șaptea unitate de bază de cantitate a unei substanțe - alunita.
În viitor, sistemul internațional SI sau în Transcriere în limba engleză Sl (System International) a fost oarecum clarificat, de exemplu, unitatea de temperatură a fost numită Kelvin în loc de „grad Kelvin”, sistemul de standarde al unităților electrice a fost reorientat de la Amperi la Volt, deoarece a fost creat un standard de diferență de potențial pe baza cuanticii. efect - efectul Josephson, care a făcut posibilă reducerea erorii de reproducere Unitățile de diferență de potențial - Volt - sunt mai mult decât un ordin de mărime. În 1983, la Conferința Generală a XVIII-a asupra Greutăților și Măsurilor, a fost adoptată o nouă definiție a contorului. Conform noii definiții, un metru este distanța parcursă de lumină în 1/2997925 dintr-o secundă. O astfel de definiție, sau mai degrabă o redefinire, era necesară în legătură cu introducerea laserelor în tehnologia de referință. Trebuie remarcat imediat că dimensiunea unității, în acest caz contorul, nu se modifică. Se schimbă doar metodele și mijloacele de reproducere a acestuia, caracterizate printr-o eroare mai mică (precizie mai mare).
5. Principii de construire a sistemelor de unități fv.
Formarea unui sistem de unități se bazează pe conexiuni obiective, naturale, între mărimile fizice și pe voința arbitrară, dar rezonabilă a oamenilor și pe acordurile acestora, finalul cărora este cel adoptat la Conferința Generală a Greutăților și Măsurilor.
Atunci când construiesc sau introduc un nou sistem de unități, oamenii de știință sunt ghidați de un singur principiu - oportunitatea practică, de exemplu. ușurința de utilizare a unităților în activitățile umane. Acest principiu se bazează pe următoarele criterii de bază:
Ușurința formării derivatelor fotovoltaice și a unităților acestora, de ex. echivalarea coeficienților de proporționalitate din ecuațiile de comunicare cu unitatea;
Precizie ridicată a materializării unităților de bază și derivate și transferul dimensiunii acestora la standarde inferioare;
Indestructibilitatea standardelor unităților de bază, de ex. posibilitatea reconstrucției lor în caz de pierdere;
Continuitatea unităților, păstrarea dimensiunilor și denumirii acestora la introducerea unui nou sistem de unități, care este asociat cu eliminarea costurilor materiale și psihologice;
Apropierea dimensiunilor unităților de bază și derivate de dimensiunile PV-urilor cel mai des întâlnite în practică;
Stocarea pe termen lung a unităților de bază și derivate conform standardelor lor;
Selectarea numărului minim de PV ca principale, reflectând cele mai generale proprietăți ale materiei.
Criteriile de mai sus sunt în conflict, astfel încât opțiunea cea mai benefică pentru practică este selectată prin acord .
6. Sistemul internațional de unități (SI). Unități de bază și suplimentare ale sistemului C.
Sistemul internațional unificat de unități (sistemul SI) a fost adoptat de Conferința generală a XI-a privind greutățile și măsurile în 1960. În țara noastră, sistemul SI de unități este în vigoare de la 1 ianuarie 1982 în conformitate cu GOST 8.417-81 " GSI. Unităţi de mărimi fizice” .
Sistemul SI este singurul sistem de unități fotovoltaice care este acceptat și utilizat în majoritatea țărilor lumii. Acest lucru se datorează avantajelor și avantajelor sale față de alte sisteme de unități, care includ:
Versatilitate, de ex. acoperirea tuturor domeniilor științei și tehnologiei;
Unificarea tuturor zonelor și tipurilor de măsurători;
Coerența cantităților;
Capacitatea de a reproduce unități cu mare acuratețe în conformitate cu definiția lor;
Simplificarea scrierii formulelor în fizică, chimie, precum și în stiinte tehnice din cauza lipsei factorilor de conversie;
Reducerea numărului de unități permise;
Un sistem unificat pentru formarea de unități multiple și submultiple cu nume proprii;
Facilitarea procesului pedagogic în școlile gimnaziale și superioare, deoarece nu este necesară studierea mai multor sisteme de unități și unități nesistemice;
O mai bună înțelegere reciprocă în dezvoltarea legăturilor științifice, tehnice și economice între diferite țări.
Unități SI de bază:
Metru- unitate de măsură a lungimii
Doilea- unități de timp
Kilogram– unități de masă
Kelvin– modificarea temperaturii unității
Amper- puterea curentului unitar
Candella- unitate de intensitate luminoasă
Mol- modificarea cantității de unitate în cantitate
Unități suplimentare:
Radian- aceasta este unitatea de măsură a unghiului plan
Steradian- aceasta este unitatea unghiului solid
La construirea sistemelor de unități de mărimi fizice se disting două etape: Etapa 1 - selecția unităților de bază; Etapa 2 - formarea unităților derivate.
Secvența de aranjare a unităților derivate trebuie să îndeplinească următoarele condiții:
prima trebuie să fie o mărime care se exprimă numai prin mărimi de bază;
fiecare ulterioară trebuie să fie o mărime care se exprimă numai prin derivatele de bază și astfel de derivate care o preced. De exemplu, următoarea secvență de unități: suprafață, volum, densitate.
Principiul principal atunci când se construiește un sistem de unități este ușurința de utilizare a unităților în știință, industrie și comerț. În acest caz, ei sunt ghidați de o serie de reguli: simplitatea formării unităților derivate, acuratețea ridicată a reproducerii unităților de bază și derivate și apropierea dimensiunilor lor de mărimile cantităților fizice cel mai des întâlnite în activitățile practice. . În plus, ei încearcă întotdeauna să mențină numărul de unități de bază la minimum.
Exemple de sisteme de unități de mărimi fizice
Sistemul Gauss. Milimetrul, miligramul și secunda au fost alese ca unități de bază și a fost construit un sistem de mărimi magnetice. Sistemul a fost numit absolut. În 1851, Weber l-a extins în domeniul mărimilor electrice. În prezent are doar interes istoric, deoarece... unitățile sunt prea mici. Cu toate acestea, principiul descoperit de Gauss stă la baza construcției sistemelor moderne de unități - aceasta este împărțirea în unități de bază și derivate.
Sistemul GHS a fost adoptat în 1881 cu unitățile de bază centimetru, gram, secundă. Acest sistem este convenabil pentru cercetare fizică. Pe baza ei au apărut șapte sisteme de mărimi electrice și magnetice. În prezent, sistemul GHS este utilizat în secțiunile teoretice de fizică și astronomie.
Sistemul natural de unități se bazează pe constante fizice. Primul astfel de sistem a fost propus în 1906 de Planck. Unitățile principale alese au fost: viteza luminii în vid, constanta gravitațională, constantele Boltzmann și Planck. Avantajul acestor sisteme este că atunci când construiesc teorii fizice ele dau legilor fizice o formă mai simplă și unele formule sunt eliberate de coeficienți numerici. Cu toate acestea, unitățile de mărimi fizice au o dimensiune care este incomodă pentru practică. De exemplu, unitatea de lungime în acest sistem este egală cu 4,03 10-35 m. În plus, o astfel de precizie în măsurarea constantelor universale selectate nu a fost încă atinsă, astfel încât să poată fi stabilite toate unitățile derivate.
Mărimi și unități relative și logaritmice
Mărimile relative și logaritmice sunt utilizate pe scară largă în știință și tehnologie, deoarece ele caracterizează compoziția și proprietățile materialelor, relația dintre cantitățile de energie, de exemplu, densitatea relativă, constanta dielectrică relativă, amplificarea și atenuarea puterii.
O mărime relativă este un raport adimensional între o mărime fizică și o mărime fizică cu același nume, luată ca fiind cea originală. De exemplu, atomic și greutăți moleculare elemente chimice relativ la 1/12 din masa unui atom de carbon-12. Valorile relative pot fi exprimate în unități adimensionale, în procente, ppm (raportul este de 10-3), în ppm.
O mărime logaritmică este logaritmul raportului adimensional a două mărimi fizice cu același nume. Ele sunt folosite, de exemplu, pentru a exprima nivelul de presiune sonoră, câștig, atenuare etc.
Unitatea de măsură a valorii logaritmice este bel (B): 1 B = log (P2 / P1) cu P2 = 10P1, unde P2 și P1 sunt aceleași valori ale puterii, energiei etc. Pentru raportul a două cantități cu același nume asociate cu forța (tensiune, presiune etc.), bel este determinat de formula:
1B = 2 log (F2/F1) cu F2 = 100,5 F1.
Unitatea de submultiplu a lui bel este decibelul, egal cu 0,1 B.
Sistemul internațional de unități (SI)
Dezvoltarea științei și tehnologiei a cerut din ce în ce mai mult unificarea unităților de măsură. Necesar sistem unificat unități, convenabile pentru utilizare practică și acoperire diverse zone măsurători. În plus, trebuia să fie coerent. Deoarece sistem metric măsura a fost utilizată pe scară largă în Europa încă de la începutul secolului al XIX-lea, a fost luată ca bază în timpul tranziției la un sistem internațional unificat de unități.
În 1960, Conferința a XI-a Generală pentru Greutăți și Măsuri a aprobat Sistemul Internațional de Unități de Mărimi Fizice (desemnarea rusă SI, SI internațional) bazat pe șase unități de bază. S-a decis:
- - atribuiți denumirea „Sistem internațional de unități” sistemului bazat pe șase unități de bază;
- - stabilirea unei abrevieri internaționale pentru denumirea sistemului SI;
- - introduceți un tabel de prefixe pentru formarea multiplilor și submultiplilor;
- - creați 27 de unități derivate, indicând că se pot adăuga și alte unități derivate.
În 1971, la SI a fost adăugată o a șaptea unitate de bază a cantității de materie (alunița).
La construirea SI, am pornit de la următoarele principii de bază:
- - sistemul se bazează pe unități de bază care sunt independente unele de altele;
- - unitățile derivate se formează folosind cele mai simple ecuații de comunicare și se stabilește o singură unitate SI pentru fiecare tip de mărime;
- - sistemul este coerent;
- - alături de unitățile SI sunt permise și unitățile non-sistem utilizate pe scară largă în practică;
- - sistemul include multipli și submultipli zecimali.
Avantajele SI:
- - versatilitate, deoarece acoperă toate zonele de măsurare;
- - unificarea unităților pentru toate tipurile de măsurători - utilizarea unei unități pentru o anumită mărime fizică, de exemplu, pentru presiune, muncă, energie;
- - Unitățile SI au dimensiuni convenabile pentru utilizare practică;
- - trecerea la acesta crește nivelul de precizie a măsurării, deoarece unitățile de bază ale acestui sistem pot fi reproduse mai precis decât cele ale altor sisteme;
- - Acesta este un sistem internațional unificat și unitățile sale sunt larg răspândite.
În URSS, sistemul internațional (SI) a fost introdus de GOST 8.417-81. Ca dezvoltare ulterioară Clasa SI de unități suplimentare a fost exclusă din aceasta, a fost introdusă o nouă definiție a contorului și au fost introduse o serie de alte modificări. În prezent, Federația Rusă are un standard interstatal GOST 8.417-2002, care stabilește unitățile de cantități fizice utilizate în țară. Standardul prevede că unitățile SI, precum și multiplii și submultiplii zecimali ai acestor unități sunt supuse utilizării obligatorii.
Unitățile SI derivate sunt formate conform regulilor de formare a unităților derivate coerente (vezi exemplul de mai sus). Sunt date exemple de astfel de unități și unități derivate care au nume și denumiri speciale. 21 de unități derivate au primit nume și denumiri după numele oamenilor de știință, de exemplu, hertz, newton, pascal, becquerel.
O secțiune separată a standardului listează unitățile care nu sunt incluse în SI. Acestea includ:
- 1. Unități non-sistem permise pentru utilizare împreună cu SI datorită importanței lor practice. Ele sunt împărțite în domenii de aplicare. De exemplu, în toate zonele unitățile folosite sunt tonă, oră, minut, zi, litru; în optică dioptrie, în fizică electron-volt etc.
- 2. Câteva mărimi relative și logaritmice și unitățile lor. De exemplu, procente, ppm, alb.
- 3. Unități care nu sunt de sistem permise temporar pentru utilizare. De exemplu, milă marine, carate (0,2 g), nod, bară.
O secțiune separată oferă reguli pentru scrierea simbolurilor unităților, utilizarea simbolurilor unității în titlurile graficelor din tabel etc.
Anexele la standard conțin reguli pentru formarea unităților SI derivate coerente, un tabel al relațiilor dintre unele unități nesistemice și unități SI și recomandări pentru selectarea multiplilor și submultiplilor zecimali.
Unități ale căror nume includ numele unităților principale. Exemple: unitate de suprafață - metru pătrat, dimensiune L2, denumire unitate m2; unitate de flux de particule ionizante - a doua după minus prima putere, dimensiunea T-1, denumirea unității s-1.
Unități cu nume speciale. Exemple:
forța, greutatea - newton, dimensiunea LMT-2, denumirea unității N (N internațional); energie, lucru, cantitate de căldură - joule, dimensiune L2MT-2, denumire J (J).
Unități ale căror nume sunt formate folosind nume speciale. Exemple:
momentul forței - denumire newtonmetru, dimensiune L2MT-2, denumire Nm (Nm); energie specifică - denumire joule pe kilogram, dimensiune L2T-2, denumire J/kg (J/kg).
Multiplii și submultiplii zecimali se formează folosind factori și prefixe, de la 1024 (yotta) la 10-24 (yocto).
Atașarea a două sau mai multe prefixe la un rând nu este permisă, de exemplu, nu un kilogram, ci o tonă, care este o unitate nesistemică permisă împreună cu SI.
Datorită faptului că denumirea unității de bază de masă conține prefixul kilogram, pentru a forma submultiple și mai multe unități de masă, se folosește unitatea submultiple de gram și prefixele sunt atașate cuvântului „gram” - miligram, microgram.
Alegerea unei unități multiple sau submultiple a unității SI este dictată în primul rând de comoditatea utilizării acesteia, iar valorile numerice ale cantităților obținute trebuie să fie acceptabile în practică. Se crede că valorile numerice ale cantităților sunt cel mai ușor percepute în intervalul de la 0,1 la 1000.
În unele domenii de activitate, aceeași unitate submultiple sau multiplă este întotdeauna utilizată, de exemplu, în desenele de inginerie mecanică, dimensiunile sunt întotdeauna exprimate în milimetri.
Pentru a reduce probabilitatea erorilor în calcule, se recomandă înlocuirea unităților zecimale și multiple submultiple numai în rezultatul final, iar în timpul procesului de calcul, exprimați toate cantitățile în unități SI, înlocuind prefixele cu puteri de 10.
GOST 8.417-2002 prevede reguli pentru scrierea denumirilor de unități, principalele fiind următoarele.
Unitățile ar trebui să fie desemnate prin litere sau simboluri și sunt stabilite două tipuri de desemnări de litere: internaționale și ruse. Denumirile internaționale sunt scrise în relații cu ţări străine(contracte, furnizare de produse și documentație). Când sunt utilizate pe teritoriul Federației Ruse, sunt utilizate denumiri rusești. În același timp, pe plăcile, cântarele și scuturile instrumentelor de măsură sunt folosite doar denumiri internaționale.
Numele unităților sunt scrise cu o literă mică, cu excepția cazului în care apar la începutul unei propoziții. Excepția sunt grade Celsius.
În denumirile de unități, un punct nu este folosit ca semn de abreviere, acestea sunt tipărite cu caractere romane. Excepție fac abrevierile cuvintelor care sunt incluse în numele unei unități, dar nu sunt ele însele nume ale unităților. De exemplu, mm Hg. Artă.
Denumirile unităților sunt folosite după valorile numerice și plasate pe linia cu acestea (fără a trece la următoarea linie). Ar trebui să existe un spațiu între ultima cifră și desemnare, cu excepția semnului ridicat deasupra liniei.
Când se indică valorile cantităților cu abateri maxime, valorile numerice trebuie incluse între paranteze, iar denumirile unităților trebuie plasate după paranteze sau plasate atât după valoarea numerică a cantității, cât și după abaterea maximă a acesteia.
Desemnările literelor unităților incluse în produs trebuie separate prin puncte pe linia din mijloc, ca semnele de înmulțire. Este permisă separarea denumirilor de litere cu spații dacă acest lucru nu duce la neînțelegeri. Dimensiunile geometrice sunt indicate prin semnul „x”.
În simbolurile cu litere pentru raportul de unități, trebuie utilizată doar o singură linie ca semn de divizare: oblic sau orizontal. Este permisă utilizarea denumirilor de unități sub forma unui produs de desemnări de unități ridicate la puteri.
Când se folosește o bară oblică, simbolurile unității din numărător și numitor trebuie plasate pe aceeași linie, iar produsul simbolurilor unității din numitor ar trebui să fie cuprins între paranteze.
Atunci când se indică o unitate derivată constând din două sau mai multe unități, nu este permisă combinarea denumirilor de litere și denumirile unităților, de ex. pentru unii sunt denumiri, pentru alții sunt nume.
Denumirile unităților ale căror nume sunt formate din numele oamenilor de știință sunt scrise cu majuscule.
Este permisă utilizarea denumirilor de unități în explicațiile denumirilor de cantități pentru formule. Nu este permisă plasarea denumirilor de unități pe aceeași linie cu formule care exprimă relațiile dintre cantități și valorile lor numerice prezentate sub formă de litere.
Standardul identifică unitățile pe domenii de cunoștințe în fizică și indică multiplii și submultiplii recomandați. Există 9 domenii de utilizare a unităților:
- 1. spațiu și timp;
- 2. fenomene periodice și conexe;
- 3. mecanică;
- 4. căldură;
- 5. electricitate și magnetism;
- 6. lumina și radiațiile electromagnetice aferente;
- 7. acustica;
- 8. chimie fizică și fizică moleculară;
- 9. radiatii ionizante.
