2Физические величины, их единицы и эталоны

2.1Физические величины и их единицы

Следуя понятию «физическая величина», данному в п.1.2, единицей физической величины можно назвать такую физическую величину, которой просвоено количественное значение, равное единице.

На первом этапе развития измерений, единицы той или иной величины были непосредственно связаны с мерами. Размер единицы измеряемой величины равнялся размеру величины, воспроизводимой мерой. В качестве мер, а следовательно и единиц, использовались природные объекты и явления, например: мерами длины являлись части человеческого тела; мерой времени являлись сутки - смена дня и ночи.

Второй этап развития единиц связан с развитием естествознания и техники. В результате наблюдений и экспериментов было обнаружено, что свойства природных объектов и явлений, положенные в основу мер, вопроизводящих единицы физических величин, не обладают той степенью постоянства и воспроизводимости, которые требуются в науке и технике. Второй этап характеризуется созданием искусственных, предметных эталонов единицы длины и массы – метра и килограмма.

Третий этап связан с развитием атомной и ядерной физики и открытием новых физических явлений. Выяснилось, что изготовленные человеком предметные эталоны физических величин не могут обеспечить передачу этих единиц с необходимой точностью. Отличие третьего этапа – отрыв единиц ряда физических величин от меры, от количественных характеристик свойств физических объектов, служащих для их воспроизведения. При этом единицы измерения физических величин в подавляющим большинстве остались такими, какими были установлены на втором этапе. Например, открытие возможности точного вопроизведения длины с помощью длины волны монохроматического света не изменило единицу длины, но использование длины световой волны позволило повысить точность воспроизведения метра на один десятичный знак.

Переходы от одного этапа к другому по отдельным группам физических величин совершались и совершаются в различное время. Например, единица массы в своем развитии остановилась на втором этапе: до сих пор наиболее точно она воспроизводится вещественным эталоном килограмма – платино-иридиевой гирей.

Единицы физических величин формируют так называемые системы единиц. Впервые понятие о системе единиц физических величин ввел немецкий ученый К.Гаусс. Согласно Гауссу, системой является полная совокупность основных и производных единиц. При этом основными называются единицы, выбираемые из условия независимости между собой и с учетом возможности образовывать единицы других величин, пользуясь закономерной связью между основными единицами. Под закономерной связью между величинами понимается возможность математически выразить зависимость одной величины от других. Единицы, выраженные через основные, называются производными.

Если - производная величина, а - основные физические величины, то для можно записать:

, (2.1)

где - некоторая функция от основных физических величин. В традициях теоретической физики, чтобы эта некоторая функция всегда отвечала следующему общему виду:

, (2.2)

где - коэффициент; - показатели степени при основных физических величинах. Например, , где - скорость, - длина, - время. Другой пример, , где - мощность, - масса.

Выбор величин, единицы которых должны стать основными, ограничивается тем, что оптимальным является выбор минимального числа основных единиц, которое бы позволило образовать максимально большее число производных единиц. Кроме того, во всех формулах, определяющих производные единицы в зависимости от основных, коэффициент должен быть равен единице (система с единичными коэффициентами называется когерентной, то есть согласованной), что упрощает проведение вычислений в такой системе.

Наибольшее распространение получили системы, для построения которых, в качестве основных физических величин были взяты время, длина и масса. Обозначение размерности длины, массы и времени в международных стандартах даются через прописные буквы L,M и T. С учетом этого формула размерности производных величин в таких системах принимает вид (2.3). Для обозначения того, что выражение отражает размерность, перед символом величины ставят приставку dim, от слова dimension – размерность.

, (2.3)

где показатели степени kL, kM и kT называют размерностью производной величины X относительно основных.

В научных трудах по физике до настоящего времени применяется система сантиметр-грамм-секунда (СГС), разработанная в 1861-1870 гг. Серьезные трудности встретились при применении СГС для измерения электрических и магнитных величин. Всего было разрабтано семь видов систем СГС для электрических и магнитных величин.

В течение некоторого времени применяли так называемую техническую систему единиц, построенную по схеме длина-сила-время: метр – килограмм-сила – секунда (МКГСС). Недостатком ее являлось то, что единица массы в ней получалась производной и численно равной 9,81 кг. Второй недостаток – сходность наименования единицы силы (килограмм-сила) и метрической единицы массы – килограмма. Третьим крупным недостатком системы МКГСС является ее несогласованность с практическими электрическими единицами.

Система единиц для электрических и магнитных измерений была получена добавлением единицы силы тока – ампера (МКСА). Для теплофизики была разработана система тепловых единиц метр-килограмм-секунда-градус.

Неудобства, возникающие в связи с пересчетами при переходе от одной системы единиц к другой, вызвали необходимость создания единой универсальной системы единиц, которая охватывала бы все отрасли науки и техники и была бы принята в международном масштабе.

В 1948 г. на IX Генеральной конференции по мерам и весам поступили предложения принять для международного обмена единую практическую систему. В качестве основных единиц рекомендовались: метр, килограмм, секунда и одна из электрических единиц.

В 1954 г. X Генеральная конференция по мерам и весам приняла в качестве основных единиц новой системы следующие:

• единица длины – метр;

• единица массы – килограмм;

• единица времени – секунда;

• единица силы электрического тока – ампер;

• единица термодинамической температуры – кельвин;

• единица силы света – кандела;

После X Генеральной конференции Международный комитет мер и весов подготовил список производных единиц новой системы и предложил ее назвать Международной системой единиц.

В 1960 г. XI Генеральная конференция по мерам и весам окончательно приняла новую систему, присвоив ей наименование Международная система (SI – System International) с сокращением «SI», в русской транскрипции «СИ».

В 1971 г. XIV Генеральная конференция приняла седьмую основную единицу СИ – единицу количества вещества – моль.

Первые три единицы (метр, килограмм, секунда) СИ позволяют образовывать производные единицы для измерения механических и акустических величин. При добавлении к ним четвертой (кельвина) можно образовывать производные единицы для измерений теплового состояния.

Метр, килограмм, секунда, ампер служат основой для образования производных единиц в области электрических и магнитных измерений, а также измерений ионизирующих излучений.

Моль используется для образования единиц в области физико-химических измерений.

Дополнительными в Международной системе СИ являются единица плоского угла (радиан) и единица телесного угла (стерадиан). Они используются для образования производных единиц угловых величин.

В Приложении 5 приведено достаточно подробное изложение Международной системы СИ. Такое внимание к этой системе единиц объясняется тем, что в Российской Федерации узаконенными единицами являются единицы СИ [9].