Osnovne jedinice si. Si mjerni sistem - istorijat, svrha, uloga u fizici Osnovne jedinice mjerenja si
1875. godine Metrička konferencija je osnovala Međunarodni biro za utege i mjere, čiji je cilj bio stvaranje jedinstvenog mjernog sistema koji će se koristiti u cijelom svijetu. Odlučeno je da se za osnovu uzme metrički sistem, koji se pojavio za vrijeme Francuske revolucije i baziran na metru i kilogramu. Kasnije su odobreni standardi metra i kilograma. Vremenom se sistem mjernih jedinica razvijao i trenutno ima sedam osnovnih mjernih jedinica. Ovaj sistem jedinica je 1960. godine dobio moderni naziv Međunarodni sistem jedinica (SI System) (Systeme Internatinal d "Unites (SI)). SI sistem nije statičan, on se razvija u skladu sa zahtjevima koji se trenutno postavljaju. mjerenja u nauci i tehnologiji.
Osnovne mjerne jedinice Međunarodnog sistema jedinica
Definicija svih pomoćnih jedinica u SI sistemu zasniva se na sedam osnovnih mjernih jedinica. Glavne fizičke veličine u Međunarodnom sistemu jedinica (SI) su: dužina ($l$); masa ($m$); vrijeme ($t$); električna struja ($I$); Kelvinova temperatura (termodinamička temperatura) ($T$); količina supstance ($\nu$); intenzitet svjetlosti ($I_v$).
Osnovne jedinice u SI sistemu su jedinice gore navedenih veličina:
\[\left=m;;\ \left=kg;;\ \left=s;\ \left=A;;\ \left=K;;\ \ \left[\nu \right]=mol;;\ \left=cd\ (kandela).\]
Standardi osnovnih mjernih jedinica u SI
Predstavimo definicije etalona osnovnih mjernih jedinica kako je to urađeno u SI sistemu.
metar (m) je dužina putanje koju svjetlost pređe u vakuumu za vrijeme jednako $\frac(1)(299792458)$ s.
Standardna masa za SI je uteg u obliku pravog cilindra, čija visina i prečnik iznosi 39 mm, koji se sastoji od legure platine i iridija težine 1 kg.
Jedna sekunda (s) naziva se vremenski interval koji je jednak 9192631779 perioda zračenja, što odgovara prelazu između dva hiperfina nivoa osnovnog stanja atoma cezijuma (133).
Jedan amper (A)- ovo je jačina struje koja prolazi kroz dva ravna beskonačno tanka i duga provodnika smještena na udaljenosti od 1 metar, smještena u vakuumu, stvarajući amperovu silu (sila interakcije provodnika) jednaku $2\cdot (10)^( -7)N$ za svaki metar provodnika.
jedan kelvin (K)- ovo je termodinamička temperatura jednaka $\frac(1)(273.16)$ dijelu temperature trostruke tačke vode.
jedan madež (krtica)- ovo je količina tvari koja ima isti broj atoma koliko ih ima u 0,012 kg ugljika (12).
Jedna kandela (cd) jednak intenzitetu svjetlosti koju emituje monokromatski izvor sa frekvencijom od $540\cdot (10)^(12)$Hz sa energetskom silom u smjeru zračenja $\frac(1)(683)\frac(W) (prosjek).$
Nauka se razvija, mjerna tehnologija se poboljšava, a definicije mjernih jedinica se revidiraju. Što je tačnost mjerenja veća, to su veći zahtjevi za određivanje mjernih jedinica.
SI izvedene veličine
Sve ostale veličine se u SI sistemu smatraju derivatima osnovnih. Jedinice mjerenja izvedenih veličina definiraju se kao rezultat proizvoda (uzimajući u obzir stepen) osnovnih. Navedimo primjere izvedenih veličina i njihovih jedinica u SI sistemu.
SI sistem također ima bezdimenzionalne veličine, na primjer, koeficijent refleksije ili relativnu dielektričnu konstantu. Ove količine imaju dimenziju jedan.
SI sistem uključuje izvedene jedinice sa posebnim imenima. Ovi nazivi su kompaktni oblici predstavljanja kombinacija osnovnih veličina. Navedimo primjere SI jedinica koje imaju vlastita imena (tablica 2).
Svaka SI veličina ima samo jednu jedinicu, ali ista jedinica se može koristiti za različite veličine. Joule je mjerna jedinica za količinu toplote i rada.
SI sistem, mjerne jedinice višekratnici i podmnošci
Međunarodni sistem jedinica ima skup prefiksa za mjerne jedinice koje se koriste ako su numeričke vrijednosti dotičnih veličina znatno veće ili manje od jedinice sistema koja se koristi bez prefiksa. Ovi prefiksi se koriste sa bilo kojim mjernim jedinicama; u SI sistemu su decimalni.
Navedimo primjere takvih prefiksa (Tablica 3).
Prilikom pisanja prefiks i naziv jedinice ispisuju se zajedno, tako da prefiks i mjerna jedinica čine jedan simbol.
Imajte na umu da je jedinica mase u SI sistemu (kilogram) istorijski već imala prefiks. Decimalni umnošci i podmnošci kilograma dobijaju se povezivanjem prefiksa sa gramom.
Nesistemske jedinice
SI sistem je univerzalan i pogodan u međunarodnoj komunikaciji. Gotovo sve jedinice koje nisu uključene u SI sistem mogu se definirati korištenjem SI termina. Upotreba SI sistema se preferira u prirodnom obrazovanju. Međutim, postoje neke količine koje nisu uključene u SI, ali se široko koriste. Dakle, jedinice vremena kao što su minuta, sat, dan su dio kulture. Neke jedinice se koriste iz istorijskih razloga. Kada se koriste jedinice koje ne pripadaju SI sistemu, potrebno je naznačiti kako se one pretvaraju u SI jedinice. Primjer jedinica dat je u tabeli 4.
Fizička veličina je fizičko svojstvo materijalnog objekta, procesa, fizičke pojave, okarakterisano kvantitativno.
Vrijednost fizičke količine izraženo jednim ili više brojeva koji karakterišu ovu fizičku veličinu, koji označavaju mjernu jedinicu.
Veličina fizičke veličine su vrijednosti brojeva koji se pojavljuju u vrijednosti fizičke veličine.
Jedinice mjerenja fizičkih veličina.
Jedinica mjerenja fizičke veličine je količina fiksne veličine kojoj je dodijeljena numerička vrijednost jednaka jedan. Koristi se za kvantitativno izražavanje fizičkih veličina koje su s njim homogene. Sistem jedinica fizičkih veličina je skup osnovnih i izvedenih jedinica zasnovanih na određenom sistemu veličina.
Samo nekoliko sistema jedinica je postalo široko rasprostranjeno. U većini slučajeva, mnoge zemlje koriste metrički sistem.
Osnovne jedinice.
Izmjerite fizičku veličinu - znači uporediti je sa drugom sličnom fizičkom veličinom uzetom kao jedinica.
Dužina predmeta se poredi sa jedinicom dužine, masa tela sa jedinicom težine itd. Ali ako jedan istraživač mjeri dužinu u stopama, a drugi u stopama, biće im teško da uporede te dvije vrijednosti. Stoga se sve fizičke veličine širom svijeta obično mjere u istim jedinicama. Godine 1963. usvojen je Međunarodni sistem jedinica SI (System international - SI).
Za svaku fizičku veličinu u sistemu jedinica mora postojati odgovarajuća mjerna jedinica. Standard jedinice je njegova fizička implementacija.
Standard dužine je metar- razmak između dva poteza nanesena na posebno oblikovanu šipku od legure platine i iridija.
Standard vrijeme služi kao trajanje svakog procesa koji se redovno ponavlja, za koji je odabrano kretanje Zemlje oko Sunca: Zemlja napravi jednu revoluciju godišnje. Ali za jedinicu vremena se uzima ne godina, već daj mi sekund.
Za jedinicu brzina uzeti brzinu takvog ravnomjernog pravolinijskog kretanja pri kojoj se tijelo kreće 1 m u 1 s.
Za površinu, zapreminu, dužinu itd. koristi se posebna mjerna jedinica. Svaka jedinica se određuje prilikom odabira određenog standarda. Ali sistem jedinica je mnogo prikladniji ako je samo nekoliko jedinica odabrano kao glavne, a ostale se određuju kroz glavne. Na primjer, ako je jedinica dužine metar, tada će jedinica površine biti kvadratni metar, zapremina će biti kubni metar, brzina će biti metar u sekundi, itd.
Osnovne jedinice Fizičke veličine u Međunarodnom sistemu jedinica (SI) su: metar (m), kilogram (kg), sekunda (s), amper (A), kelvin (K), kandela (cd) i mol (mol).
|
Osnovne SI jedinice |
|||
|
Magnituda |
Jedinica |
Oznaka |
|
|
Ime |
ruski |
međunarodni |
|
|
Jačina električne struje |
|||
|
Termodinamička temperatura |
|||
|
Moć svetlosti |
|||
|
Količina supstance |
|||
Postoje i izvedene SI jedinice koje imaju svoja imena:
|
Izvedene SI jedinice s vlastitim imenima |
||||
|
Jedinica |
Izvedeni jedinični izraz |
|||
|
Magnituda |
Ime |
Oznaka |
Preko drugih SI jedinica |
Kroz SI glavne i dopunske jedinice |
|
Pritisak |
m -1 ChkgChs -2 |
|||
|
Energija, rad, količina toplote |
m 2 ChkgChs -2 |
|||
|
Snaga, protok energije |
m 2 ChkgChs -3 |
|||
|
Količina struje, električni naboj |
||||
|
Električni napon, električni potencijal |
m 2 ChkgChs -3 ChA -1 |
|||
|
Električni kapacitet |
m -2 Chkg -1 Ch 4 Ch 2 |
|||
|
Električni otpor |
m 2 ChkgChs -3 ChA -2 |
|||
|
Električna provodljivost |
m -2 Chkg -1 Ch 3 Ch 2 |
|||
|
Tok magnetne indukcije |
m 2 ChkgChs -2 ChA -1 |
|||
|
Magnetna indukcija |
kgHs -2 HA -1 |
|||
|
Induktivnost |
m 2 ChkgChs -2 ChA -2 |
|||
|
Svjetlosni tok |
||||
|
Iluminacija |
m 2 ChkdChsr |
|||
|
Aktivnost radioaktivnog izvora |
becquerel |
|||
|
Apsorbovana doza zračenja |
||||
Imjerenja. Da bi se dobio tačan, objektivan i lako ponovljiv opis fizičke veličine, koriste se mjerenja. Bez mjerenja, fizička veličina se ne može kvantitativno okarakterizirati. Definicije kao što su „nizak” ili „visok” pritisak, „niska” ili „visoka” temperatura odražavaju samo subjektivna mišljenja i ne sadrže poređenja sa referentnim vrednostima. Prilikom mjerenja fizičke veličine, pripisuje joj se određena brojčana vrijednost.
Mjerenja se vrše pomoću merni instrumenti. Postoji prilično veliki broj mjernih instrumenata i uređaja, od najjednostavnijih do najsloženijih. Na primjer, dužina se mjeri ravnalom ili trakom, temperatura termometrom, širina čeljustima.
Merni instrumenti se klasifikuju: po načinu prikazivanja informacija (prikaz ili snimanje), po načinu merenja (direktno dejstvo i poređenje), po obliku prikaza očitavanja (analogni i digitalni) itd.
Sljedeći parametri su tipični za mjerne instrumente:
Mjerni opseg- raspon vrijednosti mjerene veličine za koju je uređaj dizajniran tokom svog normalnog rada (sa datom preciznošću mjerenja).
Prag osjetljivosti- minimalna (granična) vrijednost izmjerene vrijednosti koju razlikuje uređaj.
Osjetljivost- povezuje vrijednost izmjerenog parametra i odgovarajuću promjenu očitavanja instrumenta.
Preciznost- sposobnost uređaja da pokaže pravu vrijednost izmjerenog indikatora.
Stabilnost- sposobnost uređaja da održi zadatu tačnost mjerenja određeno vrijeme nakon kalibracije.
Kako je određen mjerač?U 17. vijeku, s razvojem nauke u Evropi, počeli su se sve više čuti pozivi da se uvede univerzalna mjera ili katolički metar. To bi bila decimalna mjera zasnovana na prirodnom fenomenu i neovisna o dekretima osobe na vlasti. Takva mjera bi zamijenila mnoge različite sisteme mjera koji su postojali u to vrijeme.
Britanski filozof John Wilkins je predložio da se dužina klatna uzme za jedinicu dužine, čija bi poluperioda bila jednaka jednoj sekundi. Međutim, ovisno o lokaciji mjerenja, vrijednost je bila drugačija. Francuski astronom Jean Richet utvrdio je ovu činjenicu tokom svog putovanja u Južnu Ameriku (1671 - 1673).
Godine 1790, ministar Talleyrand je predložio mjerenje standardne dužine postavljanjem klatna na strogo utvrđenu geografsku širinu između Bordoa i Grenobla - 45° sjeverne geografske širine. Kao rezultat toga, 8. maja 1790. godine, francuska nacionalna skupština odlučila je da je metar dužina klatna sa poluperiodom oscilovanja na geografskoj širini od 45° jednakim 1 s. Prema današnjem SI, taj metar bi bio jednak 0,994 m. Ova definicija, međutim, nije odgovarala naučnoj zajednici.
Francuska akademija nauka je 30. marta 1791. prihvatila prijedlog da se uspostavi etalon mjerač kao dio pariškog meridijana. Nova jedinica trebala je biti jedna desetmilioni dio udaljenosti od ekvatora do sjevernog pola, odnosno desetmilioniti dio četvrtine obima Zemlje, mjereno duž pariškog meridijana. Ovo je postalo poznato kao "Pravi i konačni mjerač".
Dana 7. aprila 1795. godine, Nacionalna konvencija usvojila je zakon o uvođenju metričkog sistema u Francuskoj i dala instrukcije povjerenicima, među kojima su bili S. O. Coulon, J. L. Lagrange, P.-S. Laplace i drugi naučnici eksperimentalno su odredili jedinice dužine i mase.
U periodu od 1792. do 1797. godine, odlukom revolucionarne konvencije, francuski naučnici Delambre (1749-1822) i Mechain (1744-1804) izmjerili su luk pariškog meridijana dužine 9°40" od Dunkerka do Barcelone. za 6 godina, postavljajući lanac od 115 trouglova širom Francuske i dela Španije.
Kasnije se, međutim, pokazalo da je zbog pogrešnog razmatranja Zemljine polarne kompresije standard ispao 0,2 mm kraći. Dakle, dužina meridijana od 40.000 km je samo približna. Međutim, prvi prototip mesinganog etalona napravljen je 1795. godine. Treba napomenuti da je jedinica mase (kilogram, čija se definicija bazira na masi jednog kubnog decimetra vode) također bila vezana za definiciju metra.
Istorija formiranja SI sistema
U Francuskoj su 22. juna 1799. godine napravljena dva platinasta etalona - metar i standardni kilogram. Ovaj datum se s pravom može smatrati početkom razvoja sadašnjeg SI sistema.
Godine 1832. Gauss je stvorio takozvani apsolutni sistem jedinica, uzimajući kao glavne tri jedinice: jedinicu vremena - sekundu, jedinicu dužine - milimetar i jedinicu mase - gram, jer koristeći upravo ove jedinica naučnik je mogao da izmeri apsolutnu vrednost Zemljinog magnetnog polja (ovaj sistem je dobio naziv GHS Gauss).
1860-ih, pod utjecajem Maxwella i Thomsona, formuliran je zahtjev da osnovne i izvedene jedinice moraju biti konzistentne jedna s drugom. Kao rezultat toga, GHS sistem je uveden 1874. godine, dok su prefiksi također dodijeljeni za označavanje submultiple i višestruke jedinice od mikro do mega.
1875. godine predstavnici 17 država, uključujući Rusiju, SAD, Francusku, Njemačku, Italiju, potpisali su Metričku konvenciju prema kojoj je osnovan Međunarodni biro za mjere, Međunarodni komitet mjera i redovno sazivanje Generalne konferencije o Počele su sa radom utezi i mjere (GCPM). Istovremeno je počeo rad na razvoju međunarodnog etalona kilograma i etalona metra.
1889. godine, na prvoj konferenciji CGPM, usvojen je sistem MKS, zasnovan na metru, kilogramu i drugom, sličan GHS, ali su jedinice MKS viđene kao prihvatljivije zbog pogodnosti praktične upotrebe. Jedinice za optiku i struju će biti uvedene kasnije.
Godine 1948., po nalogu francuske vlade i Međunarodne unije teorijske i primijenjene fizike, Deveta generalna konferencija za utege i mjere naložila je Međunarodnom komitetu za utege i mjere da predloži, kako bi se unificirao sistem mjernih jedinica, svoj ideje za stvaranje jedinstvenog sistema mjernih jedinica, koje bi mogle prihvatiti sve države članice Metarske konvencije.
Kao rezultat toga, 1954. godine, na desetom CGPM-u, predloženo je i usvojeno sljedećih šest jedinica: metar, kilogram, sekunda, amper, Kelvin i kandela. Godine 1956. sistem je dobio naziv "Système International d'Unités" - međunarodni sistem jedinica. Godine 1960. usvojen je standard koji je po prvi put nazvan "Međunarodni sistem jedinica", a dodijeljena mu je skraćenica "SI". Osnovne jedinice ostaju istih šest jedinica: metar, kilogram, sekunda, amper, Kelvin i kandela. (Ruska skraćenica „SI“ može se dešifrovati kao „Međunarodni sistem“).
Godine 1963., u SSSR-u, prema GOST 9867-61 „Međunarodni sistem jedinica“, SI je usvojen kao poželjan za oblasti nacionalne ekonomije, nauke i tehnologije, kao i za nastavu u obrazovnim institucijama.
1968. godine, na trinaestom CGPM-u, jedinica "stepen Kelvin" zamijenjena je "kelvin", a usvojena je i oznaka "K". Osim toga, usvojena je nova definicija sekunde: sekunda je vremenski interval jednak 9.192.631.770 perioda zračenja koji odgovara prijelazu između dva hiperfina nivoa osnovnog kvantnog stanja atoma cezijuma-133. 1997. će biti usvojeno pojašnjenje prema kojem se ovaj vremenski interval odnosi na atom cezijuma-133 u mirovanju na 0 K.
1971. godine, na 14. CGPM, dodata je još jedna osnovna jedinica “mol” – jedinica količine supstance. Mol je količina supstance u sistemu koji sadrži isti broj strukturnih elemenata koliko ima atoma u ugljeniku-12 težine 0,012 kg. Kada se koristi mol, strukturni elementi moraju biti specificirani i to mogu biti atomi, molekuli, ioni, elektroni i druge čestice ili određene grupe čestica.
Godine 1979. 16. CGPM je usvojio novu definiciju kandele. Candela je intenzitet svjetlosti u datom smjeru izvora koji emituje monohromatsko zračenje frekvencije 540·1012 Hz, čiji je intenzitet energije svjetlosti u ovom pravcu 1/683 W/sr (vat po steradijanu).
Godine 1983. na 17. CGPM-u data je nova definicija brojila. Metar je udaljenost koju svjetlost prijeđe u vakuumu u (1/299,792,458) sekundi.
Vlada Ruske Federacije je 2009. godine usvojila „Pravilnik o jedinicama količina koje su dozvoljene za upotrebu u Ruskoj Federaciji“, a 2015. godine su u njega unesene izmjene kako bi se uklonio „period važenja“ nekih nesistemskih jedinica.
Svrha SI sistema i njegova uloga u fizici
Danas je međunarodni sistem fizičkih veličina SI prihvaćen u cijelom svijetu, i koristi se više od drugih sistema kako u nauci i tehnologiji, tako iu svakodnevnom životu ljudi - to je moderna verzija metričkog sistema.
Većina zemalja koristi SI jedinice u tehnologiji, čak i ako u svakodnevnom životu koriste jedinice tradicionalne za ove teritorije. U SAD-u, na primjer, uobičajene jedinice su definirane u smislu SI jedinica korištenjem fiksnih koeficijenata.
| Magnituda | Oznaka | ||
| Rusko ime | ruski | međunarodni | |
| Ravni ugao | radian | drago | rad |
| Puni ugao | steradian | sri | sr |
| Celzijusova temperatura | stepen celzijus | o C | o C |
| Frekvencija | herca | Hz | Hz |
| Force | newton | N | N |
| Energija | joule | J | J |
| Snaga | watt | W | W |
| Pritisak | pascal | Pa | Pa |
| Svjetlosni tok | lumen | lm | lm |
| Iluminacija | luksuz | uredu | lx |
| Električno punjenje | privjesak | Cl | C |
| Razlika potencijala | volt | IN | V |
| Otpor | ohm | Ohm | Ω |
| Električni kapacitet | farad | F | F |
| Magnetski fluks | weber | Wb | Wb |
| Magnetna indukcija | tesla | Tl | T |
| Induktivnost | Henry | Gn | H |
| Električna provodljivost | Siemens | Cm | S |
| Aktivnost radioaktivnog izvora | becquerel | Bk | Bq |
| Apsorbovana doza jonizujućeg zračenja | siva | Gr | Gy |
| Efektivna doza jonizujućeg zračenja | sivert | Sv | Sv |
| Aktivnost katalizatora | rolled | mačka | kat |
Sveobuhvatan detaljan opis SI sistema u službenoj formi predstavljen je u “SI Brošuri” objavljenoj od 1970. godine iu njenom dodatku; ovi dokumenti su objavljeni na službenoj web stranici Međunarodnog biroa za utege i mjere. Od 1985. ovi dokumenti se izdaju na engleskom i francuskom jeziku i uvijek se prevode na više jezika, iako je službeni jezik dokumenta francuski.
Precizna zvanična definicija SI sistema formulisana je na sledeći način: „Međunarodni sistem jedinica (SI) je sistem jedinica zasnovan na međunarodnom sistemu jedinica, zajedno sa nazivima i simbolima, kao i skupom prefiksa i njihova imena i simbole, zajedno sa pravilima za njihovu primjenu, usvojena od strane Generalne konferencije prema težinama i mjerama (CGPM)".
SI sistem definiše sedam osnovnih jedinica fizičkih veličina i njihove derivate, kao i njihove prefikse. Regulirane su standardne skraćenice za oznake jedinica i pravila za pisanje izvedenica. Postoji, kao i ranije, sedam osnovnih jedinica: kilogram, metar, sekunda, amper, kelvin, mol, kandela. Osnovne jedinice imaju nezavisne dimenzije i ne mogu se izvesti iz drugih jedinica.
Što se tiče izvedenih jedinica, one se mogu dobiti na osnovu osnovnih izvođenjem matematičkih operacija kao što su dijeljenje ili množenje. Neke od izvedenih jedinica, kao što su "radijan", "lumen", "kulon", imaju svoja imena.
Prije naziva jedinice možete koristiti prefiks, kao što je milimetar - hiljaditi dio metra i kilometar - hiljadu metara. Prefiks znači da se jedan mora podijeliti ili pomnožiti cijelim brojem koji je specifičan stepen desetice.
