Образование
Системы единиц физических величин: понятие
Содержание статьи
- Что такое система измерения физических величин?
- Какие системы измерения существовали до появления системы СИ
- Зачем нужна система СИ?
- История возникновения Международной системы измерения
- Основные единицы измерения в системе СИ
- Приставки, принятые в системе СИ и что они означают
- Производные единицы
- Внесистемные единицы
Что такое система измерения физических величин?
Такое понятие, как система единиц физических величин, или просто система СИ, часто может встретиться не только на школьных уроках физики и химии, но и в повседневной жизни. В современном мире люди как никогда нуждаются в том, чтобы определенная информация – например, время, вес, объем – была выражена наиболее объективно и структурировано. Именно для этого и была создана единая система измерений – совокупность официально принятых единиц измерений, рекомендуемых для использования в быту и науке.
Какие системы измерения существовали до появления системы СИ
Конечно, потребность в мерах существовала у человека всегда, однако, как правило, эти меры не были официальными, определялись через подручные материалы. А значит, не имели эталона и могли различаться от случая к случаю.
Ярким примером может служить принятая на Руси система мер длины. Пядь, локоть, аршин, сажень – все эти единицы изначально были привязаны к частям тела – ладони, предплечью, расстоянию между раскинутыми руками. Конечно, в результате конечные измерения были неточными. Впоследствии государство прилагало усилия, чтобы стандартизировать эту систему измерения величин, но она все равно оставалась неидеальной.
В других странах существовали свои системы измерения физических величин. Например, в Европе была распространена английская система мер – футы, дюймы, мили и др.
Зачем нужна система СИ?
В XVIII-XIX веках процесс глобализации стал активным. Все больше стран начали устанавливать международные контакты. Кроме того, своего апогея достигла научно-техническая революция. Ученые по всему миру не могли эффективно обмениваться результатами своих научных изысканий из-за того, что они пользовались разными системами измерения физических величин. Во многом из-за таких нарушений связей внутри мирового научного сообщества многие физические и химические законы «открывались» несколько раз разными учеными, что сильно тормозило развитие науки и техники.
Таким образом, сформировалась потребность в единой системе измерения физических единиц, которая бы не только позволила ученым по всему миру сверять результаты своих трудов, но и оптимизировала процесс мировой торговли.
История возникновения Международной системы измерения
Для того чтобы структурировать физические величины и измерение физических величин, система единиц, единая для всего мирового сообщества, стала необходима. Однако создать такую систему, которая бы отвечала всем требованиям и была наиболее объективной, – это действительно трудная задача. Основой будущей системы СИ стала метрическая система, которая получила свое распространение в XVIII веке после Великой французской революции.
Точкой отсчета, с которой началось развитие и совершенствование Интернациональной системы измерения физических величин, можно считать 22 июня 1799 года. Именно в этот день были утверждены первые эталоны – метр и килограмм. Они были выполнены из платины.
Несмотря на это, официально Международная система единиц была принята только в 1960 году на 1-й генеральной конференции по мерам и весам. В нее были включены 6 основных единиц измерения физических величин: секунда (время), метр (длина), килограмм (масса), кельвин (термодинамическая температура), ампер (сила тока), кандела (сила света).
В 1964 году к ним была добавлена седьмая величина – моль, которой измеряется количество вещества в химии.
Кроме того, существуют также производные единицы, которые могут быть выражены через основные с помощью простейших алгебраических действий.
Основные единицы измерения в системе СИ
Так как основные единицы системы физических величин должны были быть максимально объективными и не зависеть от внешних условий, таких как давление, температура, расстояние от экватора и другие, то к формулированию их определений и эталонов нужно было отнестись фундаментально.
Рассмотрим каждую из основных единиц системы измерения физических величин подробнее.
- Секунда. Единица измерения времени. Это относительно легкая для выражения величина, так как она напрямую связана с периодом обращения Земли вокруг Солнца. Секунда – это 1/31536000 года. Существуют, однако, и более сложные способы замерить эталон секунды, связанные с периодами излучения атома цезия. Этот способ сводит погрешность к минимуму, чего требует современный уровень развития науки и технологий.
- Метр. Единица измерения длины и расстояний. В разное время метр пытались выразить как часть экватора или с помощью математического маятника, но все эти способы были недостаточно точными, так что конечное значение могло варьироваться в пределах миллиметров. Такая погрешность является критической, поэтому долгое время ученые искали более точные способы определения эталона метра. На данный момент за один метр принята длина пути, проходимого светом за (1/299 792 458) секунды.
- Килограмм. Единица измерения массы. На сегодняшний день килограмм является единственной величиной, определяемой через вещественный эталон, который хранится в штаб-квартире Международного бюро мер и весов. Со временем эталон немного изменяет свою массу из-за процессов коррозии, а также скопления пыли и других мелких частиц на его поверхности. Именно поэтому планируется и его величину в скором времени выразить через фундаментальные физические свойства.
- Кельвин. Единица измерения термодинамической температуры. Кельвин равен 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды. Это такая температура, при которой вода находится сразу в трех состояниях — жидком, твердом и газообразном. Градусы Цельсия переводятся в Кельвины по формуле: t К = t C° + 273
- Ампер. Единица измерения силы тока. Неизменяющийся ток, при прохождении которого по двум параллельным прямым проводникам с минимальной площадью сечения и бесконечной длиной, находящимся на расстоянии 1 метра друг от друга (на каждом участке этих проводников возникает сила, равная 2·10-7Н), равен 1 амперу.
- Кандела. Единица измерения силы света – светимости источника в определенном направлении. Специфическая величина, которая крайне редко используется на практике. Значение единицы выводится через частоту излучения и энергетическую силу света.
- Моль. Единица количества вещества. На данный момент моль – это единица, являющаяся разной для разных химических элементов. Она численно равна массе мельчайшей частицы этого вещества. В будущем планируется точно выразить один моль, используя число Авогадро. Для этого, однако, требуется уточнить значение самого числа Авогадро.
Приставки, принятые в системе СИ и что они означают
Для удобства использования основных единиц физических величин в системе СИ на практике был принят перечень универсальных приставок, с помощью которых образуются дробные и кратные единицы.
Производные единицы
Очевидно, что существует намного больше семи физических величин, а значит, нужны и единицы, в которых эти величины должны измеряться. Для каждой новой величины выводится новая единица, которая может быть выражена через основные с помощью простейших алгебраических действий, например деления или умножения.
Интересно, что, как правило, производные единицы называются в честь великих ученых или исторических лиц. К примеру, единица измерения работы – Джоуль или единица измерения индуктивности – Генри. Существует множество производных единиц – всего более двадцати.
Внесистемные единицы
Несмотря на широкое распространение и повсеместное применение единиц системы физических величин СИ, во многих отраслях все еще применяются на практике внесистемные единицы измерения. Например, в судоходстве – морская миля, в ювелирном деле – карат. В повседневной жизни нам известны такие внесистемные единицы, как сутки, процент, диоптрия, литр и многие другие.
Нужно помнить, что, несмотря на их привычность, при решении физических или химических задач внесистемные единицы нужно обязательно переводить в единицы измерения физических величин в системе СИ.
