Принципи побудови Міжнародної системи одиниць

Перша система одиниць фізичних величин, хоча вона і не була ще системою одиниць у сучасному розумінні, була прийнята Національними зборами Франції в 1791 р Вона включала в себе одиниці довжини, площі, обсягу, місткості і маси, основними з яких були дві одиниці: метр і кілограм.

Систему одиниць як сукупності основних і похідних одиниць вперше в 1832 р запропонував німецький вчений К. Гаусс. Він побудував систему одиниць, де за основу прийняв одиниці довжини (міліметр), маси (міліграмів) і часу (секунда), і назвав її абсолютною системою.

З розвитком фізики і техніки з'явилися інші системи одиниць фізичних величин, що базуються на метричної основі. Всі вони були побудовані за принципом, розробленим Гауссом. Ці системи знайшли застосування в різних галузях науки і техніки. Розроблені в той час вимірювальні засоби градуйовані у відповідних одиницях, знаходять застосування і в даний час.

Різноманіття одиниць вимірювання фізичних величин і систем одиниць ускладнювало їх застосування. Одні й ті ж рівняння між величинами мали різні коефіцієнти пропорційності. Властивості матеріалів, процесів виражалися різними числовими значеннями. Міжнародний комітет з мір та ваг виділив зі свого складу комісію з розробки єдиної Міжнародної системи одиниць. Комісія розробила проект Міжнародної системи одиниць, який був затверджений XI Генеральною конференцією з мір та ваг в I960 р Прийнята система була названа Міжнародною системою одиниць, скорочено СІ (SI - початкові букви найменування System International).

Враховуючи необхідність охоплення Міжнародною системою одиниць усіх галузей науки і техніки, в ній в якості основних обрані сім одиниць. У механіці такими є одиниці довжини, маси і часу, в електриці додається одиниця сили електричного струму, в теплоті - одиниця термодинамічної температури, в оптиці - одиниця сили світла, в молекулярній фізики, термодинаміки та хімії - одиниця кількості речовини. Ці сім одиниць відповідно: метр, кілограм, секунда, ампер, Кельвін, кандела і моль - і обрані в якості основних одиниць СІ (табл. 2.1).

Одиниця довжини (метр) - довжина шляху, прохідного світлом у вакуумі за 1/299 792 458 частку секунди.

Одиниця маси (кілограм) - маса, рівна масі міжнародного прототипу кілограма.

Одиниця часу (секунда) - тривалість 9192631770 періодів випромінювання, відповідного переходу між двома надтонкими рівнями основного стану атома цезію-133.

Одиниця сили електричного струму (ампер) - сила Незмінних струму, який, проходячи по двох нормальним прямолінійним провідникам нескінченної довжини і мізерно малої площі круглого поперечного перерізу, розташованим на відстані I м один від одного у вакуумі, викликає між провідниками силу взаємодії, рівну 2- Ю ~ 7Н на кожен метр довжини.

2.1. Основні одиниці СІ

Основні одиниці СІ

Одиниця термодинамічної температури (Кельвін) - 1 / 273,16 термодинамічної температури потрійної точки води. Допускається використовувати також шкалу Цельсія.

Одиниця сили світла (кандела) - сила світла в заданому напрямку джерела, що випускає монохроматичне випромінювання частотою 540 1012 Гц, енергетична сила світла якого в цьому напрямку становить 1/683 Вт / ср

Одиниця кількості речовини (моль) - кількість речовин системи, що містить стільки ж структурних елементів, скільки атомів міститься вуглероде-12 масою 0,012 кг.

Основні одиниці Міжнародної системи мають зручні для практичних цілей розміри і широко застосовуються у відповідних областях вимірювань.

Міжнародна система одиниць містить також дві додаткові одиниці: для плоского кута - радіан і для тілесного кута - стерадіан (табл. 2.1).

Радіан (рад) - одиниця плоского кута, рівна кутку між двома радіусами кола, довжина дуги між якими дорівнює радіусу. У градусному обчисленні I рад = 57 ° 1744,8 ".

Стерадіан (ср) - одиниця, рівна тілесному куту з вершиною в центрі сфери, вирізаних на поверхні сфери площу, рівну площі квадрата зі стороною, рівною радіусу сфери. Тілесний кут £} вимірюють побічно - шляхом вимірювання плоского кута а при вершині конуса з подальшим обчисленням за формулою

Тілесного кута в I ср відповідає плоский кут, рівний 65 ° 32 ', кутку л-ср - плоский кут 120 °, кутку 2яср - плоский кут 180 °. Додаткові одиниці використовуються тільки для теоретичних розрахунків і утворення похідних одиниць, наприклад кутової швидкості, кутового прискорення. Для вимірювання кутів застосовують кутові градуси, мінути і секунди. Приладів для вимірювання кутів в радіанах немає.

Кутові одиниці не можуть бути введені в число основних, гак як це викликало б утруднення в трактуванні розмірностей величин, пов'язаних з обертанням (дуги кола, площі круга, роботи пари сил і т. Д.). Разом з тим кутові одиниці не можна вважати і похідними, оскільки вони не залежать від вибору основних одиниць. Дійсно, при будь-яких одиницях довжини розміри радіана і Стерадіан залишаються незмінними.

Із семи основних одиниць і двох додаткових в якості похідних виводять одиниці для вимірювань фізичних величин у всіх галузях науки і техніки.

У рішеннях XI і XII Генеральних конференцій з мір та ваг дані 33 похідні одиниці СІ. Приклади похідних одиниць, що мають власні найменування, наведено в табл. 2.2.

Важливим принципом, який дотриманий в Міжнародній системі одиниць, є її когерентність (узгодженість). Так, вибір основних одиниць системи забезпечив повну узгодженість механічних і електричних одиниць. Наприклад, ват - одиниця механічної потужності (рівний джоулю в секунду) дорівнює потужності, що виділяється електричним струмом силою I ампер при напрузі I вольт.

У СІ, подібно іншим когерентним систем одиниць, коефіцієнти пропорційності у фізичних рівняннях, що визначають похідні одиниці, рівні безрозмірною одиниці.

Когерентні похідні одиниці Мiжнародної системи утворюються за допомогою найпростіших рівнянь зв'язку між величинами (визначальних рівнянь), в яких величини прийняті рівними одиницям СІ.

Наприклад, одиниця швидкості утворюється за допомогою рівняння, що визначає швидкість прямолінійно і рівномірно рухається точки V = у, де V- швидкість; / - довжина пройденого шляху; / - час. Підстановка замість /, / і К їх одиниць СІ дає [V = [/] / М = I м / с.

2.2. Похідні одиниці СІ, що мають власне найменування

Похідні одиниці СІ, що мають власне найменування

Отже, одиницею швидкості СІ є метр в секунду. Він дорівнює швидкості прямолінійно і рівномірно рухається точки, при якій ця точка за час / I з перемішається на відстань 1 м.

Наприклад, для утворення одиниці енергії використовується рівняння Т = Ту де Т - кінетична енергія; т - маса тіла; V - швидкість руху точки, то когерентна одиниця енергії СІ утворюється таким чином:

Тобто одиницею енергії в СІ є джоуль (рівний ньютон-метрів). Він дорівнює кінетичної енергії тіла масою 2 кг, що рухається зі швидкістю I м / с.

У Міжнародній системі одиниць, як і в інших системах одиниць фізичних величин, важливу роль відіграє розмірність.

Розмірністю називають символічне (буквене) позначення залежно похідних величин (або одиниць) від основних.

Наприклад, якщо яка-небудь фізична величина виражається через довжину L, масу М і час Г (що є основними величинами в системі одиниць типу LMT) формулою X = f (L, М, 7), то можна показати, що результати вимірів будуть незалежні від вибору одиниць в тому випадку, якщо функція / буде однорідною функцією довжини, маси і часу. Нехай X = LpM "Tr. Розмірність величини А виражається формулою 6тХ = 11МЯТ де dim - скорочення від слова dimension - розмірність.

Дана формула показує, як похідна величина пов'язана з основними величинами, і називається формулою розмірності.

Так як всяка величина може бути представлена як добуток її числового значення {Л} на одиницю Х X = {щх, її можна представити у вигляді {Х Х = ЩР {М) Я {Т) Г1ЛРМЯТГ.

Рівність величин в цій формулі розпадається на два рівності: рівність числових значень

Розмірність служить якісною характеристикою величини і виражається твором ступенів основних величин, через які може бути визначена.

Розмірність не повністю відображає всі якісні особливості величин. Зустрічаються різні величини, що мають однакову розмірність. Наприклад, робота і момент сили, сила струму і магнитодвижущая сила та ін.

Розмірність відіграє важливу роль при перевірці правильності складних розрахункових формул в теорії подібності та теорії розмірностей.

Переваги Міжнародної системи одиниць

Основними перевагами Міжнародної системи одиниць є:

  • - Уніфікація одиниць фізичних величин на базі СІ. Для кожної фізичної величини встановлюється одна одиниця і система освіти кратних і часткових одиниць від неї за допомогою множників (табл. 2.3);
  • - Система СІ є універсальною системою. Вона охоплює всі галузі науки, техніки та галузі економіки;
  • - Основні і більшість похідних одиниць СІ мають зручні для практичного застосування розміри. В системі розмежовані одиниці маси (кілограм) і сили (ньютон);
  • - Спрощується запис рівнянь і формул у різних галузях науки і техніки. У СІ для всіх видів енергії (механічної, теплової, електричної та ін.) Встановлена одна, спільна одиниця - джоуль.
  • 2.3. Множники і приставки для утворення десяткових кратних і часткових одиниць та їх позначення

Множники і приставки для утворення десяткових кратних і часткових одиниць та їх позначення

 
< Попер   ЗМІСТ   Наст >