Лекция № 4 Единицы измерения физических величин.

Физическая величина- это характеристика физического объекта (физической системы, явления или процесса), общая в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальная для каждого из них.

Единица измерения физической величины- это физическая величина фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение, равное 1.

Единицы измерения начали появляться тогда, когда возникла потребность выражать что-либо количественно, например, коли­чество сыпучих или жидких веществ, расстояние, характеристику процессов. Стали появляться меры объема, длины, массы.

Вначале единицы измерений были связаны с мерами. Размер еди­ницы измеряемой величины равнялся размеру величины, воспроиз­водимой мерой. Так как одна единица была неудобной для изме­рения больших и малых размеров измеряемой величины, применяли несколько единиц, находящихся в кратных и дольных отношениях между собой, а также коэффициенты этих отношений, которые были весьма различны.

С развитием науки и техники было установлено, что свойства физических объектов, положенных в основу создания единиц величин, по постоянству и воспроизводимости не отвечают требованиям, необходимым для науки и техники. Это привело к отказу от единиц величин, воспроизводимых природой. Перешли к созданию метрических мер (например, точное измерение «природной» единицы длины - длины части меридиана Земли), что закончилось созданием вещественных эталонов единицы длины и массы - метра и килограмма.

Далее, с бурным развитием науки и возросшими требованиями к точности измерений выяснилось, что созданные человеком этало­ны не могут обеспечить хранение и передачу единицы массы и длины с точностью, необходимой науке и технике. Началось изучение физических явлений, которые могли быть использованы для более точного и надежного воспроизведения и хранения единиц физиче­ских величин. Была открыта возможность воспроизведения длины с использованием длины волны монохроматического света, что позволило повысить точность ее измерения на один десятичный знак.

Однако в дальнейшем такая точность измерения длины была недостаточна и начались исследования для воспроизведения метра с большей точностью.

Итак, развитие единиц измерения величин можно разделить на несколько этапов.

Первый этап, когда единицу измерения величин связывали с мерой. Размер единицы измеряемой величины равнялся размеру величины, воспроизводимой мерой.

Второй этап характеризуется отказом от единиц величин, воспроизводимых природой, и переходом к вещественным, предметным эталонам (метру, килограмму).

На третьем этапе развития единиц физических величин выяснилось, что вещественные эталоны единиц величин не могут обеспечить передачу этих единиц с той точностью, которую стали требовать наука и техника. Открытие новых физических явлений позволило воспроизвести единицы физических величин, не изменяя сами единицы. Сейчас размер метра определен через секунду.

Переход от одного этапа к другому по отдельным физическим величинам совершился и продолжает совершаться.

Исключение составляет единица массы, которая осталась на втором этапе. До сих пор наиболее точно единица массы воспроизводится вещественным эталоном килограмма - платиново-иридиевой гирей, изготовленной в 1889 году. Определение килограмма не связано ни с какими другими единицами; она остается независимой единицей. Вся централизованная система эталонов массы, опираю­щаяся на международный прототип, принципиально уничтожима, так как не опирается ни на какие физические процессы и константы.

Как уже отмечалось выше, первоначально единицы физических величин выбирались произвольно, без связи друг с другом. Напри­мер, «локоть» соответствовал длине скипетра Генриха I, «фут» -единица длины, широко распространенная во многих странах, -длине ступни Карла Великого. В каждой стране и даже в каждом городе создавались свои единицы. В то время только в Германии из-за наличия на ее территории большого числа мелких государств имелось, как отмечал Ф. Энгельс, столько типов мер и весов, сколько дней в году. Перевод одних единиц в другие был очень сложен и приводил к увеличению погрешности результатов измерений. Кроме того, отрасли создавали свои единицы. Все это тормозило развитие науки и техники.

В 1872 году Международная комиссия по прототипам метрической системы приняла решение перейти к единицам массы и длины, основанным на условных материальных эталонах (прототипах).

В 1875 году была создана дипломатическая конференция, на которой 17 государств (в том числе и Россия) подписали Метриче­скую конвенцию, согласно которой:

1) устанавливались международные прототипы метра и килограмма;

2) создавалось Международное бюро мер и весов;

3) учреждался Международный комитет мер и весов;

4) устанавливался созыв один раз в шесть лет генеральных конференций по мерам и весам.

Были изготовлены образцы метра и килограмма из сплава пла­тины и иридия.

В 1889 году в Париже собралась I Генеральная конференция по мерам и весам, утвердившая международные прототипы метра и килограмма из числа изготовленных образцов и передавшая их на хранение Международному бюро мер и весов. Остальные изготов­ленные образцы метра и килограмма были распределены по жребию между государствами, подписавшими Метрическую конвенцию. Россия получила два метра (№ 11 и № 28) и два килограмма (№ 12 и № 26). Из них метр № 28 и килограмм № 12 были утверждены в качестве государственных эталонов России. Итак, в 1899 году было завершено установление метрических мер.

В то время в России вопрос о введении метрических мер еще не был решен, метрические меры были допущены лишь факультативно. Как обязательные они были введены декретом Советского прави­тельства от 14 сентября 1918 года. Полный переход на метрические меры был завершен в 1927 году.

Необходимо было построить систему единиц физических вели­чин.

Впервые понятие о системе единиц физических величин ввел в 1832 году немецкий ученый Карл Гаусс (1777-1855). Он предложил выбрать произвольно несколько независимых величин. Единицы этих величин были названы основными. А затем, пользуясь законо­мерной связью между величинами, были образованы единицы других величин, которые были названы производными. Совокуп­ность основных и производимых единиц и является системой единиц физических величин.

Первоначально была создана система единиц МКС, основанная на трех основных единицах - длине, массе и времени (метр -килограмм - секунда), затем - система СГС, основанная на основных единицах - сантиметре, грамме, секунде.

Некоторое время применялась техническая система единиц МКГСС, основанная на единицах длины, массы, силы и времени (метр - килограмм - сила - секунда).

Наличие ряда систем единиц измерения физических величин, большое число внесистемных единиц, неудобства при переходе от одной системы к другой вызывали необходимость создания единой универсальной системы единиц, которая удовлетворяла бы все отрасли науки и техники и была бы принята в международном масштабе.

В 1948 году на IX Генеральной конференции по мерам и весам была предложена единая практическая система единиц, в которой в качестве основных единиц рекомендованы метр, килограмм, секунда и одна из электрических величин. На X Генеральной конференции (1954 год) были приняты в ка­честве основных единиц новой системы: длины - метр, массы -килограмм, времени - секунда, силы тока - ампер, температуры термодинамической - кельвин, силы света - кандела.

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

В 1960 году XI Генеральная конференция по мерам и весам окон­чательно приняла новую систему, присвоив ей наименование «Меж­дународная система единиц» (Systeme International) с сокращенным обозначением «SI», «СИ».

В 1963 году в СССР был введен ГОСТ 9867-61 «Международная система единиц», согласно которому устанавливалось предпочти­тельное применение единиц СИ.

В июле 1978 года на 43-м заседании постоянной Комиссии СЭВ по стандартизации был утвержден СТ СЭВ 1052-78 «Метрология. Единицы физических величин», который постановлением Госстан­дарта от 6 апреля 1979 года № 113 введен в действие в качестве государственного стандарта СССР со сроком начала применения в договорно-правовых отношениях по сотрудничеству и в народном' хозяйстве с 1 января 1980 года. СТ СЭВ 1052-78 устанавливал единицы физических величин, применяемых в странах-членах СЭВ, в договорно-правовых отношениях между странами и используемых во всех видах деятельности органов СЭВ.

Затем был введен ГОСТ 8.417-81 «ГСИ. Единицы физических величин», охватывающий все отрасли науки, техники и экономики.

Преимуществами новой системы единиц являются ее универсаль­ность (охватывает все области измерений), согласованность (все производные единицы образованы по единому правилу) и возмож­ность создания новых производных единиц по мере развития науки и техники.