Unitățile de bază ale si. Sistem de măsurare Si - istorie, scop, rol în fizică Unități de bază de măsură si
În 1875, Biroul Internațional de Greutăți și Măsuri a fost înființat de Conferința Metrica; scopul său a fost de a crea un sistem de măsurare unificat care să fie utilizat în întreaga lume. S-a decis să se ia ca bază sistemul metric, apărut în timpul Revoluției Franceze și a fost bazat pe metru și kilogram. Ulterior au fost aprobate standardele metrului și kilogramului. De-a lungul timpului, sistemul de unități de măsură a evoluat și are în prezent șapte unități de măsură de bază. În 1960, acest sistem de unități a primit denumirea modernă de Sistem Internațional de Unități (SI System) (System Internatinal d „Unites (SI)). Sistemul SI nu este static; se dezvoltă în conformitate cu cerințele care sunt impuse în prezent. măsurători în știință și tehnologie.
Unități de măsură de bază ale Sistemului Internațional de Unități
Definiția tuturor unităților auxiliare din sistemul SI se bazează pe șapte unități de măsură de bază. Principalele marimi fizice din Sistemul International de unitati (SI) sunt: lungimea ($l$); masa ($m$); timp ($t$); curent electric ($I$); Temperatura Kelvin (temperatura termodinamică) ($T$); cantitatea de substanță ($\nu$); intensitatea luminoasă ($I_v$).
Unitățile de bază din sistemul SI sunt unitățile mărimilor menționate mai sus:
\[\left=m;;\ \left=kg;;\ \left=s;\ \left=A;;\ \left=K;;\ \ \left[\nu \right]=mol;;\ \left=cd\ (candela).\]
Standarde ale unităților de măsură de bază în SI
Să prezentăm definițiile standardelor unităților de măsură de bază, așa cum se face în sistemul SI.
metru (m) este lungimea drumului pe care lumina o parcurge în vid într-un timp egal cu $\frac(1)(299792458)$ s.
Masa standard pentru SI este o greutate în formă de cilindru drept, al cărei înălțime și diametru este de 39 mm, constând dintr-un aliaj de platină și iridiu cu o greutate de 1 kg.
O secundă (e) numit interval de timp care este egal cu 9192631779 perioade de radiație, care corespunde tranziției între două niveluri hiperfine ale stării fundamentale a atomului de cesiu (133).
Un amper (A)- aceasta este puterea curentului care trece in doi conductori drepti infinit subtiri si lungi situati la o distanta de 1 metru, situati in vid, generand forta Ampere (forța de interactiune a conductorilor) egala cu $2\cdot (10)^( -7)N$ pentru fiecare metru de conductor.
Un kelvin (K)- aceasta este temperatura termodinamică egală cu $\frac(1)(273.16)$ din temperatura punctului triplu a apei.
o aluniță (aluniță)- aceasta este cantitatea unei substanțe care are același număr de atomi ca și în 0,012 kg de carbon (12).
O candela (cd) egală cu intensitatea luminii emise de o sursă monocromatică cu o frecvență de $540\cdot (10)^(12)$Hz cu o forță energetică în direcția radiației $\frac(1)(683)\frac(W) (medie).$
Știința se dezvoltă, tehnologia de măsurare este îmbunătățită și definițiile unităților de măsură sunt revizuite. Cu cât este mai mare precizia măsurării, cu atât sunt mai mari cerințele pentru determinarea unităților de măsură.
Mărimi derivate SI
Toate celelalte mărimi sunt considerate în sistemul SI drept derivate ale celor de bază. Unitățile de măsură ale mărimilor derivate sunt definite ca rezultat al produsului (ținând cont de gradul) celor de bază. Să dăm exemple de mărimi derivate și unitățile lor în sistemul SI.
Sistemul SI are, de asemenea, mărimi adimensionale, de exemplu, coeficient de reflexie sau constantă dielectrică relativă. Aceste cantități au dimensiunea unu.
Sistemul SI include unități derivate cu nume speciale. Aceste nume sunt forme compacte de reprezentare a combinațiilor de cantități de bază. Să dăm exemple de unități SI care au propriile nume (Tabelul 2).
Fiecare mărime SI are o singură unitate, dar aceeași unitate poate fi folosită pentru cantități diferite. Joule este o unitate de măsură pentru cantitatea de căldură și de lucru.
Sistem SI, unități de măsură multipli și submultipli
Sistemul internațional de unități are un set de prefixe pentru unitățile de măsură care sunt utilizate dacă valorile numerice ale cantităților în cauză sunt semnificativ mai mari sau mai mici decât unitatea sistemului care este utilizată fără prefix. Aceste prefixe sunt folosite cu orice unități de măsură; în sistemul SI sunt zecimale.
Să dăm exemple de astfel de prefixe (Tabelul 3).
La scriere, prefixul și numele unității sunt scrise împreună, astfel încât prefixul și unitatea de măsură să formeze un singur simbol.
Rețineți că unitatea de masă din sistemul SI (kilogramul) a avut deja un prefix. Multiplii și submultiplii zecimali ai kilogramului se obțin prin conectarea prefixului la gram.
Unități non-sistem
Sistemul SI este universal și convenabil în comunicarea internațională. Aproape toate unitățile care nu sunt incluse în sistemul SI pot fi definite folosind termeni SI. Utilizarea sistemului SI este preferată în învățământul științific. Cu toate acestea, există unele cantități care nu sunt incluse în SI, dar sunt utilizate pe scară largă. Astfel, unitățile de timp precum minut, oră, zi fac parte din cultură. Unele unități sunt folosite din motive istorice. Când se utilizează unități care nu aparțin sistemului SI, este necesar să se indice modul în care acestea sunt convertite în unități SI. Un exemplu de unități este dat în tabelul 4.
Dimensiunea fizică este o proprietate fizică a unui obiect material, proces, fenomen fizic, caracterizată cantitativ.
Valoarea cantității fizice exprimat prin unul sau mai multe numere care caracterizează această mărime fizică, indicând unitatea de măsură.
Mărimea unei mărimi fizice sunt valorile numerelor care apar în valoarea unei mărimi fizice.
Unităţi de măsură ale mărimilor fizice.
Unitatea de măsură a mărimii fizice este o cantitate de mărime fixă căreia i se atribuie o valoare numerică egală cu unu. Este folosit pentru exprimarea cantitativă a mărimilor fizice omogene cu acesta. Un sistem de unități de mărimi fizice este un set de unități de bază și derivate bazate pe un anumit sistem de mărimi.
Doar câteva sisteme de unități s-au răspândit. În majoritatea cazurilor, multe țări folosesc sistemul metric.
Unități de bază.
Măsurați o mărime fizică -înseamnă a-l compara cu o altă mărime fizică similară luată ca unitate.
Lungimea unui obiect este comparată cu o unitate de lungime, masa unui corp cu o unitate de greutate etc. Dar dacă un cercetător măsoară lungimea în brațe și altul în picioare, le va fi dificil să compare cele două valori. Prin urmare, toate mărimile fizice din întreaga lume sunt de obicei măsurate în aceleași unități. În 1963, a fost adoptat Sistemul Internațional de Unități SI (System international - SI).
Pentru fiecare mărime fizică din sistemul de unități trebuie să existe o unitate de măsură corespunzătoare. Standard unitati este implementarea sa fizică.
Standardul de lungime este metru- distanta dintre doua curse aplicata pe o tija de forma speciala dintr-un aliaj de platina si iridiu.
Standard timp servește ca durată a oricărui proces care se repetă regulat, pentru care se alege mișcarea Pământului în jurul Soarelui: Pământul face o revoluție pe an. Dar unitatea de timp este considerată a nu fi un an, ci da-mi o secunda.
Pentru o unitate viteză luați viteza unei astfel de mișcări rectilinie uniforme la care corpul se mișcă 1 m în 1 s.
O unitate de măsură separată este utilizată pentru suprafață, volum, lungime etc. Fiecare unitate este determinată la alegerea unui anumit standard. Dar sistemul de unități este mult mai convenabil dacă doar câteva unități sunt selectate ca principale, iar restul sunt determinate prin cele principale. De exemplu, dacă unitatea de lungime este un metru, atunci unitatea de suprafață va fi un metru pătrat, volumul va fi un metru cub, viteza va fi un metru pe secundă etc.
Unități de bază Mărimile fizice din Sistemul Internațional de Unități (SI) sunt: metru (m), kilogram (kg), secundă (s), amper (A), kelvin (K), candela (cd) și mol (mol).
|
Unități SI de bază |
|||
|
Magnitudinea |
Unitate |
Desemnare |
|
|
Nume |
Rusă |
internaţional |
|
|
Puterea curentului electric |
|||
|
Temperatura termodinamica |
|||
|
Puterea luminii |
|||
|
Cantitatea de substanță |
|||
Există, de asemenea, unități SI derivate care au propriile nume:
|
Unități SI derivate cu nume proprii |
||||
|
Unitate |
Expresia unitară derivată |
|||
|
Magnitudinea |
Nume |
Desemnare |
Prin alte unități SI |
Prin unitățile SI majore și suplimentare |
|
Presiune |
m -1 ChkgChs -2 |
|||
|
Energie, muncă, cantitate de căldură |
m 2 ChkgChs -2 |
|||
|
Putere, flux de energie |
m 2 ChkgChs -3 |
|||
|
Cantitatea de energie electrică, sarcină electrică |
||||
|
Tensiune electrică, potențial electric |
m2 ChkgChs -3 ChA -1 |
|||
|
Capacitate electrică |
m -2 Chkg -1 Ch 4 Ch 2 |
|||
|
Rezistență electrică |
m2 ChkgChs -3 ChA -2 |
|||
|
Conductivitate electrică |
m -2 Chkg -1 Ch 3 Ch 2 |
|||
|
Flux de inducție magnetică |
m2 ChkgChs -2 ChA -1 |
|||
|
Inductie magnetica |
kgHs -2 HA -1 |
|||
|
Inductanţă |
m2 ChkgChs -2 ChA -2 |
|||
|
Flux de lumină |
||||
|
Iluminare |
m 2 ChkdChsr |
|||
|
Activitatea surselor radioactive |
becquerel |
|||
|
Doza de radiație absorbită |
||||
ȘImăsurători. Pentru a obține o descriere precisă, obiectivă și ușor reproductibilă a unei mărimi fizice, se folosesc măsurători. Fără măsurători, o mărime fizică nu poate fi caracterizată cantitativ. Definiții precum presiunea „scăzută” sau „înaltă”, temperatură „scăzută” sau „înaltă” reflectă doar opinii subiective și nu conțin comparații cu valorile de referință. La măsurarea unei mărimi fizice, i se atribuie o anumită valoare numerică.
Măsurătorile se efectuează folosind instrumente de masura. Există un număr destul de mare de instrumente și dispozitive de măsură, de la cele mai simple la cele mai complexe. De exemplu, lungimea se măsoară cu o riglă sau o bandă de măsurare, temperatura cu un termometru, lățimea cu șublere.
Instrumentele de măsurare se clasifică: după metoda de prezentare a informațiilor (afișare sau înregistrare), după metoda de măsurare (acțiune directă și comparare), după forma de prezentare a citirilor (analogică și digitală) etc.
Următorii parametri sunt tipici pentru instrumentele de măsură:
Interval de măsurare- intervalul de valori ale mărimii măsurate pentru care este proiectat dispozitivul în timpul funcționării sale normale (cu o anumită precizie de măsurare).
Pragul de sensibilitate- valoarea minimă (prag) a valorii măsurate, distinsă de dispozitiv.
Sensibilitate- conectează valoarea parametrului măsurat și modificarea corespunzătoare a citirilor instrumentului.
Precizie- capacitatea dispozitivului de a indica valoarea reală a indicatorului măsurat.
Stabilitate- capacitatea dispozitivului de a menține o anumită precizie de măsurare pentru un anumit timp după calibrare.
Cum a fost determinat contorul?În secolul al XVII-lea, odată cu dezvoltarea științei în Europa, au început să se audă din ce în ce mai mult apelurile pentru introducerea unei măsuri universale sau metru catolic. Ar fi o măsură zecimală bazată pe un fenomen natural, și independentă de decretele celui de la putere. O astfel de măsură ar înlocui numeroasele sisteme diferite de măsuri care existau la acea vreme.
Filosoful britanic John Wilkins a propus să se ia lungimea unui pendul ca unitate de lungime, a cărei jumătate de perioadă ar fi egală cu o secundă. Cu toate acestea, în funcție de locația măsurătorilor, valoarea a fost diferită. Astronomul francez Jean Richet a stabilit acest fapt în timpul călătoriei sale în America de Sud (1671 - 1673).
În 1790, ministrul Talleyrand a propus măsurarea lungimii standard prin plasarea unui pendul la o latitudine strict stabilită între Bordeaux și Grenoble - 45° latitudine nordică. Drept urmare, la 8 mai 1790, Adunarea Națională Franceză a decis că metrul este lungimea unui pendul cu o jumătate de perioadă de oscilație la o latitudine de 45° egală cu 1 s. Conform SI de astăzi, acel metru ar fi egal cu 0,994 m. Această definiție, însă, nu se potrivea comunității științifice.
La 30 martie 1791, Academia Franceză de Științe a acceptat o propunere de a stabili un contor standard ca parte a meridianului Paris. Noua unitate trebuia să fie o zece milioane din distanța de la ecuator la Polul Nord, adică o zece milione dintr-un sfert din circumferința Pământului, măsurată de-a lungul meridianului Paris. Acesta a devenit cunoscut sub numele de „Contorul autentic și definitiv”.
La 7 aprilie 1795, Convenția Națională a adoptat o lege care introduce sistemul metric în Franța și a instruit comisari, printre care S. O. Coulon, J. L. Lagrange, P.-S. Laplace și alți oameni de știință au determinat experimental unități de lungime și masă.
În perioada 1792-1797, prin decizia Convenției revoluționare, oamenii de știință francezi Delambre (1749-1822) și Mechain (1744-1804) au măsurat arcul meridianului Parisului cu o lungime de 9°40" de la Dunkerque la Barcelona. în 6 ani, așezarea unui lanț de 115 triunghiuri în toată Franța și o parte a Spaniei.
Ulterior, însă, s-a dovedit că, din cauza luării incorecte a compresiei polare a Pământului, standardul s-a dovedit a fi cu 0,2 mm mai scurt. Astfel, lungimea meridianului de 40.000 km este doar aproximativă. Cu toate acestea, primul prototip al unui contor standard de alamă a fost realizat în 1795. Trebuie remarcat faptul că unitatea de masă (kilogramul, a cărei definiție se baza pe masa unui decimetru cub de apă), a fost, de asemenea, legată de definiția metrului.
Istoria formării sistemului SI
La 22 iunie 1799, în Franța au fost fabricate două etaloane de platină - un metru standard și un kilogram standard. Această dată poate fi considerată pe bună dreptate începutul dezvoltării actualului sistem SI.
În 1832, Gauss a creat așa-numitul sistem absolut de unități, luând ca principale trei unități: unitatea de timp - a doua, unitatea de lungime - milimetrul și unitatea de masă - gramul, deoarece folosind aceste unități pe care omul de știință a putut măsura valoarea absolută a câmpului magnetic al Pământului (acest sistem a primit numele GHS Gauss).
În anii 1860, sub influența lui Maxwell și Thomson, a fost formulată cerința ca unitățile de bază și derivate să fie consecvente între ele. Ca urmare, sistemul GHS a fost introdus în 1874, în timp ce prefixele au fost, de asemenea, alocate pentru a desemna submultipli și multipli de unități de la micro la mega.
În 1875, reprezentanții a 17 state, printre care Rusia, SUA, Franța, Germania, Italia, au semnat Convenția Metrica, conform căreia a fost înființat Biroul Internațional de Măsuri, Comitetul Internațional de Măsuri și convocarea periodică a Conferinței Generale privind Greutățile și Măsurile (GCPM) au început să funcționeze. În același timp, au început lucrările la dezvoltarea unui standard internațional al kilogramului și a unui standard al contorului.
În 1889, la prima conferință CGPM, a fost adoptat sistemul MKS, bazat pe metru, kilogram și secundă, similar cu GHS, dar unitățile MKS au fost văzute ca fiind mai acceptabile datorită confortului utilizării practice. Unitățile pentru optică și electricitate vor fi introduse ulterior.
În 1948, prin ordin al guvernului francez și al Uniunii Internaționale de Fizică Teoretică și Aplicată, a IX-a Conferință Generală pentru Greutăți și Măsuri a însărcinat Comitetului Internațional pentru Greutăți și Măsuri să propună, în vederea unificării sistemului de unități de măsură, idei pentru crearea unui sistem unificat de unități de măsură, care ar putea fi acceptat de toate statele membre ale Convenției Metroului.
Drept urmare, în 1954, la a zecea CGPM, au fost propuse și adoptate următoarele șase unități: metru, kilogram, secundă, amper, Kelvin și candela. În 1956, sistemul a primit numele „Système International d’Unités” - sistemul internațional de unități. În 1960, a fost adoptat un standard, care pentru prima dată a fost numit „Sistemul internațional de unități”, și a fost atribuită abrevierea „SI”. Unitățile de bază rămân aceleași șase unități: metru, kilogram, secundă, amperi, Kelvin și candela. (Abrevierea rusă „SI” poate fi descifrată ca „sistem internațional”).
În 1963, în URSS, conform GOST 9867-61 „Sistemul internațional de unități”, SI a fost adoptat ca fiind preferabil pentru domeniile economiei naționale, în știință și tehnologie, precum și pentru predarea în instituțiile de învățământ.
În 1968, la al treisprezecelea CGPM, unitatea „gradul Kelvin” a fost înlocuită cu „kelvin”, iar denumirea „K” a fost adoptată și ea. În plus, a fost adoptată o nouă definiție a secundei: o secundă este un interval de timp egal cu 9.192.631.770 de perioade de radiație corespunzătoare tranziției între două niveluri hiperfine ale stării cuantice fundamentale a atomului de cesiu-133. În 1997 se va adopta o precizare, conform căreia acest interval de timp se referă la atomul de cesiu-133 în repaus la 0 K.
În 1971, la a 14-a CGPM, a fost adăugată o altă unitate de bază „mol” - o unitate de cantitate a unei substanțe. Un mol este cantitatea de substanță dintr-un sistem care conține același număr de elemente structurale ca și atomii din carbonul-12 cu o greutate de 0,012 kg. Când se folosește o mol, elementele structurale trebuie specificate și pot fi atomi, molecule, ioni, electroni și alte particule sau grupuri specificate de particule.
În 1979, a 16-a CGPM a adoptat o nouă definiție pentru candela. Candela este intensitatea luminoasă într-o direcție dată a unei surse care emite radiații monocromatice cu o frecvență de 540·1012 Hz, a cărei intensitate a energiei luminoase în această direcție este de 1/683 W/sr (watt pe steradian).
În 1983, la a 17-a CGPM a fost dată o nouă definiție a contorului. Un metru este distanța parcursă de lumină în vid în (1/299.792.458) secunde.
În 2009, Guvernul Federației Ruse a aprobat „Regulamentele privind unitățile de cantități permise pentru utilizare în Federația Rusă”, iar în 2015, au fost aduse modificări pentru a elimina „perioada de valabilitate” a unor unități non-sistem.
Scopul sistemului SI și rolul său în fizică
Astăzi, sistemul internațional de mărimi fizice SI este acceptat în întreaga lume și este folosit mai mult decât alte sisteme atât în știință și tehnologie, cât și în viața de zi cu zi a oamenilor - este o versiune modernă a sistemului metric.
Majoritatea țărilor folosesc unități SI în tehnologie, chiar dacă în viața de zi cu zi folosesc unități tradiționale pentru aceste teritorii. În SUA, de exemplu, unitățile obișnuite sunt definite în termeni de unități SI folosind coeficienți fiși.
| Magnitudinea | Desemnare | ||
| nume rusesc | Rusă | internaţional | |
| Unghi plat | radian | bucuros | rad |
| Unghi solid | steradian | mier | sr |
| temperatura Celsius | grade Celsius | o C | o C |
| Frecvență | hertz | Hz | Hz |
| Forta | newton | N | N |
| Energie | joule | J | J |
| Putere | watt | W | W |
| Presiune | pascal | Pa | Pa |
| Flux de lumină | lumen | lm | lm |
| Iluminare | luxos | Bine | lx |
| Incarcare electrica | pandantiv | Cl | C |
| Diferenta potentiala | volt | ÎN | V |
| Rezistenţă | ohm | Ohm | Ω |
| Capacitate electrică | farad | F | F |
| Flux magnetic | weber | Wb | Wb |
| Inductie magnetica | tesla | Tl | T |
| Inductanţă | Henry | Gn | H |
| Conductivitate electrică | Siemens | Cm | S |
| Activitatea surselor radioactive | becquerel | Bk | Bq |
| Doza absorbită de radiații ionizante | gri | Gr | Gy |
| Doza eficientă de radiații ionizante | sievert | Sv | Sv |
| Activitatea catalizatorului | rulat | pisică | kat |
O descriere cuprinzătoare detaliată a sistemului SI în formă oficială este prezentată în „Broșura SI” publicată din 1970 și în suplimentul acesteia; aceste documente sunt publicate pe site-ul oficial al Biroului Internațional de Greutăți și Măsuri. Din 1985, aceste documente au fost emise în engleză și franceză și sunt întotdeauna traduse într-o serie de limbi, deși limba oficială a documentului este franceza.
Definiția oficială precisă a sistemului SI este formulată astfel: „Sistemul internațional de unități (SI) este un sistem de unități bazat pe Sistemul internațional de unități, împreună cu denumirile și simbolurile, precum și un set de prefixe și denumirile și simbolurile acestora, împreună cu regulile de aplicare a acestora, adoptate de Conferința Generală în funcție de greutăți și măsuri (CGPM)”.
Sistemul SI definește șapte unități de bază ale mărimilor fizice și derivatele acestora, precum și prefixele acestora. Sunt reglementate abrevierile standard pentru denumirile unităților și regulile de scriere a derivatelor. Există, ca și până acum, șapte unități de bază: kilogram, metru, secundă, amper, kelvin, mol, candela. Unitățile de bază au dimensiuni independente și nu pot fi derivate din alte unități.
În ceea ce privește unitățile derivate, acestea pot fi obținute pe baza celor de bază prin efectuarea de operații matematice precum împărțirea sau înmulțirea. Unele dintre unitățile derivate, cum ar fi „radian”, „lumen”, „coulomb”, au propriile nume.
Înainte de numele unității, puteți utiliza un prefix, cum ar fi un milimetru - o miime de metru și un kilometru - o mie de metri. Prefixul înseamnă că unul trebuie împărțit sau înmulțit cu un număr întreg care este o putere specifică a zece.
