Физические величины и системы единиц

⇐ ПредыдущаяСтр 5 из 23Следующая ⇒

В соответствии с РМГ 29-99 [10] используются следующие определения физи- ческих величин и систем единиц физических величин:

– физическая величина – одно из свойств физического объекта (физической системы, явления или процесса), общее в качественном отношении для многих фи- зических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них;

– измеряемая физическая величина – физическая величина, подлежащая из- мерению, измеряемая или измеренная в соответствии с основной целью измери- тельной задачи;

– размер физической величины – количественная определенность физиче- ской величины, присущая конкретному материальному объекту, системе, явлению или процессу;

– значение физической величины – выражение размера физической величи- ны в виде некоторого числа принятых для нее единиц;

– система физических величин – совокупность физических величин, образо- ванная в соответствии с принятыми принципами, когда одни величины принимают за независимые, а другие определяют как функции независимых величин;

– система единиц физических величин – совокупность основных и произ- водных единиц физических величин, образованная в соответствии с принципами для заданной системы физических величин.

В принципе, можно представить себе какое угодно большое число разных сис- тем единиц, но широкое распространение получили лишь несколько. Во всем мире

для научных и технических измерений и в большинстве стран в промышленности и быту пользуются метрической системой.

В системе единиц для каждой измеряемой физической величины должна быть предусмотрена соответствующая единица измерения. Таким образом, отдельная единица измерения нужна для длины, площади, объема, скорости и т.д. Каждую та- кую единицу можно определить, выбрав тот или иной эталон. Но система единиц оказывается значительно более удобной, если в ней всего лишь несколько единиц выбраны в качестве основных, а остальные определяются через основные. Так, если единицей длины является метр, эталон которого хранится в Государственной мет- рологической службе, то единицей площади можно считать квадратный метр, еди- ницей объема – кубический метр, единицей скорости – метр в секунду и т.д.

Удобство такой системы единиц (особенно для ученых и инженеров, которые гораздо чаще встречаются с измерениями, чем остальные люди) в том, что матема- тические соотношения между основными и производными единицами системы ока- зываются более простыми. При этом единица скорости есть единица расстояния (длины) в единицу времени, единица ускорения – единица изменения скорости в единицу времени, единица силы – единица ускорения единицы массы и т.д. В мате- матической записи это выглядит так: v = l/t, a = v/t, F = ma = ml/t2. Представленные формулы показывают «размерность» рассматриваемых величин, устанавливая соот- ношения между единицами. Аналогичные формулы позволяют определить единицы для таких величин, как давление или сила электрического тока. Такие соотношения носят общий характер и выполняются независимо от того, в каких единицах (метр, фут или аршин) измеряется длина и какие единицы выбраны для других величин.

В технике за основную единицу измерения механических величин обычно принимают не единицу массы, а единицу силы. Таким образом, если в системе, наи- более употребительной в физических исследованиях, металлический цилиндр при- нимается за эталон массы, то в технической системе он рассматривается как эталон силы, уравновешивающей действующую на него силу тяжести. Но поскольку сила тяжести неодинакова в разных точках на поверхности Земли, для точной реализации эталона необходимо указание местоположения. Исторически было принято место- положение на уровне моря на географической широте 45. В настоящее же время такой эталон определяется как сила, необходимая для того, чтобы придать указан- ному цилиндру определенное ускорение. Правда, в технике измерения проводятся, как правило, не со столь высокой точностью, чтобы нужно было заботиться о ва- риациях силы тяжести (если речь не идет о градуировке измерительных приборов).

Немало путаницы связано с понятиями массы, силы и веса. Дело в том, что существуют единицы всех этих трех величин, носящие одинаковые названия. Масса

– это инерционная характеристика тела, показывающая, насколько трудно выводит- ся оно внешней силой из состояния покоя или равномерного и прямолинейного движения. Единица силы есть сила, которая, воздействуя на единицу массы, изме- няет ее скорость на единицу скорости в единицу времени.

Все тела притягиваются друг к другу. Таким образом, всякое тело вблизи Зем- ли притягивается к ней. Иначе говоря, Земля создает действующую на тело силу тяжести. Эта сила называется его весом. Сила веса, как указывалось выше, неоди- накова в разных точках на поверхности Земли и на разной высоте над уровнем моря из-за различий в гравитационном притяжении и в проявлении вращения Земли. Од-

нако полная масса данного количества вещества неизменна; она одинакова и в меж- звездном пространстве, и в любой точке на Земле.

Точные эксперименты показали, что сила тяжести, действующая на разные те- ла (т.е. их вес), пропорциональна их массе. Следовательно, массы можно сравнивать на весах, и массы, оказавшиеся одинаковыми в одном месте, будут одинаковы и в любом другом месте (если сравнение проводить в вакууме, чтобы исключить влия- ние вытесняемого воздуха). Если же некое тело взвешивать на пружинных весах, уравновешивая силу тяжести силой растянутой пружины, то результаты измерения веса будут зависеть от места, где проводятся измерения. Поэтому пружинные весы нужно корректировать на каждом новом месте, чтобы они правильно показывали массу. Простота же самой процедуры взвешивания явилась причиной того, что сила тяжести, действующая на эталонную массу, была принята за независимую единицу измерения в технике.

Метрическая система единиц

Метрическая система – это общее название международной десятичной сис- темы единиц, основными единицами которой являются метр и килограмм. При не- которых различиях в деталях элементы системы одинаковы во всем мире.

История. Метрическая система выросла из постановлений, принятых Нацио- нальным собранием Франции в 1791 и 1795 по определению метра как одной деся- тимиллионной доли участка земного меридиана от Северного полюса до экватора.

Декретом, изданным 4 июля 1837, метрическая система была объявлена обяза- тельной к применению во всех коммерческих сделках во Франции. Она постепенно вытеснила местные и национальные системы в других странах Европы и была зако- нодательно признана как допустимая в Великобритании и США. Соглашением, подписанным 20 мая 1875 семнадцатью странами, была создана международная ор- ганизация, призванная сохранять и совершенствовать метрическую систему.

Ясно, что, определяя метр как десятимиллионную долю четверти земного ме- ридиана, создатели метрической системы стремились добиться инвариантности и точной воспроизводимости системы. За единицу массы они взяли грамм, определив его как массу одной миллионной кубического метра воды при ее максимальной плотности. Поскольку было бы не очень удобно проводить геодезические измерения четверти земного меридиана при каждой продаже метра ткани или уравновешивать корзинку картофеля на рынке соответствующим количеством воды, были созданы металлические эталоны, с предельной точностью воспроизводящие указанные иде- альные определения.

Вскоре выяснилось, что металлические эталоны длины можно сравнивать друг с другом, внося гораздо меньшую погрешность, чем при сравнении любого такого эталона с четвертью земного меридиана. Кроме того, стало ясно, что и точность сравнения металлических эталонов массы друг с другом гораздо выше точности сравнения любого подобного эталона с массой соответствующего объема воды.

В связи с этим Международная комиссия по метру в 1872 постановила принять за эталон длины «архивный» метр, хранящийся в Париже, «такой, каков он есть». Точно так же члены Комиссии приняли за эталон массы архивный платино- иридиевый килограмм, «учитывая, что простое соотношение, установленное созда- телями метрической системы, между единицей веса и единицей объема представля- ется существующим килограммом с точностью, достаточной для обычных примене-

ний в промышленности и торговле, а точные науки нуждаются не в простом чис- ленном соотношении подобного рода, а в предельно совершенном определении это- го соотношения».

В 1875 г. многие страны мира подписали соглашение о метре, и этим соглаше- нием была установлена процедура координации метрологических эталонов для ми- рового научного сообщества через Международное бюро мер и весов и Генераль- ную конференцию по мерам и весам.

Новая международная организация незамедлительно занялась разработкой ме- ждународных эталонов длины и массы и передачей их копий всем странам- участницам.

Эталоны длины и массы, международные прототипы. Международные прототипы эталонов длины и массы – метра и килограмма – были переданы на хра- нение Международному бюро мер и весов, расположенному в Севре – пригороде Парижа.

Эталон метра представлял собой линейку из сплава платины с 10% иридия, поперечному сечению которой для повышения изгибной жесткости при минималь- ном объеме металла была придана особая X-образная форма. В канавке такой ли- нейки была продольная плоская поверхность, и метр определялся как расстояние между центрами двух штрихов, нанесенных поперек линейки на ее концах, при тем- пературе эталона, равной 0 С.

За международный прототип килограмма была принята масса цилиндра, сде- ланного из того же платино-иридиевого сплава, что и эталон метра, высотой и диа- метром около 3, 9 см. Вес этой эталонной массы, равной 1 кг на уровне моря на гео- графической широте 45, иногда называют килограмм-силой. Таким образом, ее можно использовать либо как эталон массы для абсолютной системы единиц, либо как эталон силы для технической системы единиц, в которой одной из основных единиц является единица силы.

Международные прототипы были выбраны из значительной партии одинако- вых эталонов, изготовленных одновременно. Другие эталоны этой партии были пе- реданы всем странам-участницам в качестве национальных прототипов (государст- венных первичных эталонов), которые периодически возвращаются в Международ- ное бюро для сравнения с международными эталонами. Сравнения, проводившиеся в разное время с тех пор, показывают, что они не обнаруживают отклонений (от международных эталонов), выходящих за пределы точности измерений.

⇐ Предыдущая 1 2 3 456 7 8 9 10 Следующая ⇒