Физические величины

Определение термина “единица измерения“.

Унификацией единицы измерения занимается наука, которая называется метрология. В точном переводе – это наука об измерениях. 

Заглянув в Международный словарь по метрологии мы выясняем, что единица измерения – это действительная скалярная величина, которая определена и принята по соглашению, с которой легко сравнить всякую другую величину одного рода и выразить их отношение при помощи числа.

Единица измерения может рассматриваться и как физическая величина. Однако, между физической величиной и единицей измерения есть очень важная разница: у единицы измерения есть фиксированное принятое по соглашению численное значение. Значит, единицы измерения для одной и той же физической величины возможны разные.

Например, вес может иметь следующие единицы: килограмм, грамм, фунт, пуд, центнер. Разница между ними понятна каждому. 

Числовое значение физической величины представляют при помощи отношения измеренного значения к стандартному значению, которое и есть единицей измерения. Число, у которого указана  единица измерения есть именованное число.

Международная температурная шкала.

В соответствии с изложенным выше определением температуру можно с весьма высокой точностью (примерно до 0,003 К вблизи тройной точки) измерять методом газовой термометрии. В теплоизолированную камеру помещают платиновый термометр сопротивления и резервуар с газом. При нагревании камеры увеличивается электросопротивление термометра и повышается давление газа в резервуаре (в соответствии с уравнением состояния), а при охлаждении наблюдается обратная картина. Измеряя одновременно сопротивление и давление, можно проградуировать термометр по давлению газа, которое пропорционально температуре. Затем термометр помещают в термостат, в котором жидкая вода может поддерживаться в равновесии со своими твердой и паровой фазами. Измерив его электросопротивление при этой температуре, получают термодинамическую шкалу, поскольку температуре тройной точки приписывается значение, равное 273,16 К.

Существуют две международные температурные шкалы – Кельвина (К) и Цельсия (С). Температура по шкале Цельсия получается из температуры по шкале Кельвина вычитанием из последней 273,15 К.

Точные измерения температуры методом газовой термометрии требуют много труда и времени. Поэтому в 1968 была введена Международная практическая температурная шкала (МПТШ). Пользуясь этой шкалой, термометры разных типов можно градуировать в лаборатории. Данная шкала была установлена при помощи платинового термометра сопротивления, термопары и радиационного пирометра, используемых в температурных интервалах между некоторыми парами постоянных опорных точек (температурных реперов). МПТШ должна была с наибольшей возможной точностью соответствовать термодинамической шкале, но, как выяснилось позднее, ее отклонения весьма существенны.

Практические эталоны.

На практике величина ампера воспроизводится путем фактического измерения силы взаимодействия витков провода, несущих ток. Поскольку электрический ток есть процесс, протекающий во времени, эталон тока невозможно сохранять. Точно так же величину вольта невозможно фиксировать в прямом соответствии с его определением, так как трудно воспроизвести с необходимой точностью механическими средствами ватт (единицу мощности). Поэтому вольт на практике воспроизводится с помощью группы нормальных элементов. В США с 1 июля 1972 законодательством принято определение вольта, основанное на эффекте Джозефсона на переменном токе (частота переменного тока между двумя сверхпроводящими пластинами пропорциональна внешнему напряжению).См. также СВЕРХПРОВОДИМОСТЬ; ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ.

Правила написания обозначений единиц

См. также:

  • Обозначения единиц печатают прямым шрифтом, точку как знак сокращения после обозначения не ставят.
  • Обозначения помещают за числовыми значениями величин через пробел, перенос на другую строку не допускается. Примеры: 10 м/с, 15 °С. Исключения составляют обозначения в виде знака над строкой, перед ними пробел не ставится, например 15°.
  • Если числовое значение представляет собой дробь с косой чертой, его заключают в скобки, например (1/60) с−1.
  • При указании значений величин с предельными отклонениями их заключают в скобки или проставляют обозначение единицы за числовым значением величины и за её предельным отклонением: (100,0 ± 0,1) кг, 50 г ± 1 г.
  • Обозначения единиц, входящие в произведение, отделяют точками на средней линии (Н·м, Па·с), не допускается использовать для этой цели символ «×». В машинописных текстах допускается точку не поднимать или разделять обозначения пробелами, если это не может вызвать недоразумения.
  • В качестве знака деления в обозначениях можно использовать горизонтальную черту или косую черту (только одну). При применении косой черты, если в знаменателе стоит произведение единиц, его заключают в скобки. Правильно: Вт/(м·К), неправильно: Вт/м/К, Вт/м·К.
  • Допускается применять обозначения единиц в виде произведения обозначений единиц, возведённых в степени (положительные и отрицательные): Вт·м−2·К−1, А·м2. При использовании отрицательных степеней не разрешается использовать горизонтальную или косую черту (знак деления).
  • Допускается применять сочетания специальных знаков с буквенными обозначениями, например °/с (градус в секунду).
  • Не допускается комбинировать обозначения и полные наименования единиц. Неправильно: км/час, правильно: км/ч.
  • Обозначения единиц, произошедшие от фамилий, пишутся с заглавной буквы, в том числе с приставками СИ, например: ампер — А, мегапаскаль — МПа, килоньютон — кН, гигагерц — ГГц.

Размерности производных величин

Для указания размерностей производных величин используют символ dim (от англ. dimension — размер, размерность).

Например, для скорости при равномерном движении выполняется

v=st,{\displaystyle v={\frac {s}{t}},}

где s{\displaystyle s} — длина пути, пройденного телом за время t{\displaystyle t}. Для того, чтобы определить размерность скорости, в данную формулу следует вместо длины пути и времени подставить их размерности:

dim v=LT−1.{\displaystyle \mathrm {dim} ~v=\mathrm {LT^{-1}} .}

Аналогично для размерности ускорения получается

dim a=LT−2.{\displaystyle \mathrm {dim} ~a=\mathrm {LT^{-2}} .}

Из уравнения второго закона Ньютона с учётом размерности ускорения для размерности силы в Международной системе величин и в любой другой системе, где в качестве основных величин используются длина, масса и время, следует:

dim F=LMT−2.{\displaystyle \mathrm {dim} ~F=\mathrm {LMT^{-2}} .}

В общем случае размерность физической величины представляет собой произведение размерностей основных величин, возведённых в различные рациональные степени. Показатели степеней в этом выражении называют показателями размерности физической величины. Если в размерности величины хотя бы один из показателей размерности не равен нулю, то такую величину называют размерной, если все показатели размерности равны нулю — безразмерной.

Как следует из сказанного выше, размерность физической величины зависит от используемой системы величин. Так, например, размерность силы в системе LMT, как указано выше, выражается равенством dim F=LMT-2, а в системе LFT выполняется dim F=F . Кроме того, безразмерная величина в одной системе величин может стать размерной в другой. Например, в системе LMT электрическая ёмкость имеет размерность L и отношение ёмкости сферического тела к его радиусу — безразмерная величина, тогда как в Международной системе величин (ISQ) это отношение не является безразмерным. Однако многие используемые на практике безразмерные числа (например, критерии подобия, постоянная тонкой структуры в квантовой физике или числа Маха, Рейнольдса, Струхаля и др. в механике сплошных сред) характеризуют относительное влияние тех или иных физических факторов и являются отношением величин с одинаковыми размерностями, поэтому, несмотря на то, что входящие в них величины в разных системах могут иметь разную размерность, сами они всегда будут безразмерными.

Анализ размерности

Основная статья: Анализ размерности

Анализ размерности — метод, используемый физиками для построения обоснованных гипотез о взаимосвязи различных размерных параметров сложной физической системы. Иногда анализ размерности можно использовать для получения готовых формул (с точностью до безразмерной константы). Суть метода заключается в том, что из параметров, характеризующих систему, составляется выражение, имеющее нужную размерность.

При анализе размерностей формул размерность левой части уравнения должна быть равна размерности правой части уравнения. Отсутствие такого равенства говорит о неверности формулы. Однако наличие такого равенства не даёт стопроцентной гарантии верности формулы.

Рентгеновское и гамма-излучение, радиоактивность.

Рентген (Р) – это устаревшая единица экспозиционной дозы рентгеновского, гамма- и фотонного излучений, равная количеству излучения, которое с учетом вторичноэлектронного излучения образует в 0,001 293 г воздуха ионы, несущие заряд, равный одной единице заряда СГС каждого знака. В системе СИ единицей поглощенной дозы излучения является грэй, равный 1 Дж/кг. Эталоном поглощенной дозы излучения служит установка с ионизационными камерами, которые измеряют ионизацию, производимую излучением.

Кюри (Ки) – устаревшая единица активности нуклида в радиоактивном источнике. Кюри равен активности радиоактивного вещества (препарата), в котором за 1 с происходит 3,700Ч1010 актов распада. В системе СИ единицей активности изотопа является беккерель, равный активности нуклида в радиоактивном источнике, в котором за время 1 с происходит один акт распада. Эталоны радиоактивности получают, измеряя периоды полураспада малых количеств радиоактивных материалов. Затем по таким эталонам градуируют и поверяют ионизационные камеры, счетчики Гейгера, сцинтилляционные счетчики и другие приборы для регистрации проникающих излучений.См. также ИЗМЕРЕНИЯ И ВЗВЕШИВАНИЕ; ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ИНСТРУМЕНТЫ; ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ.

Общие свойства величин

Качественная определённость величины называется родом. Например, однородными величинами являются длина и ширина. Количественная определённость величины, присущая конкретному объекту или явлению, называется размером. Индивидуальность размеров совпадающих(однородных) величин объектов или явлений позволяет сравнивать и различать их.

Одна из реализаций единицы длины — метра

При измерении размер определяемой величины сравнивается с размером условной единицы. Результатом такого сравнения является измеренное значение величины, показывающее во сколько раз размер величины больше или меньше размера единицы. Следовательно, значение является целью и результатом измерения.

X=ax{\displaystyle X=a}, где X — измеряемая величина объекта или явления, a — значение, — единица величины.

Значение самой единицы всегда тождественно равно 1. Размер величины не зависит от выбранной единицы, а значение изменяется при выборе другой единицы. Например, гиря массой в 1 килограмм, также имеет массу 2,2 фунта или 0,001 тонны. Значения однородных величин применяются для сравнения объектов измерения.

Различают три вида значений величин, объединённые общим термином «опорное значение».

  • Истинное значение — идеальное, единственное значение величины. Термин используется тогда, когда можно пренебречь неопределённостью значения на микроуровне.
  • Действительное значение — получается экспериментальным путем, достаточно близко к истинному значению.
  • Принятое значение — значение, приписанное величине.

Разнообразие физических величин упорядочивается при помощи систем физических величин. В системе ограниченный перечень величин принимается за основные, а другие, производные, величины выводятся из них при помощи уравнений связи. В (англ. International System of Quantities, ISQ) в качестве основных выбрано семь величин:

  • L — длина;
  • M — масса;
  • T — время;
  • I — сила тока;
  • Θ — температура;
  • N — количество вещества;
  • J — сила света.

При анализе связей между величинами применяется понятие размерности физической величины. Так называют степенной одночлен, состоящий из произведений символов основных величин в различных степенях. При определении размерности, применяются стандартные математические операции — умножение, деление и сокращение степеней.Если после всех операций сокращений в размерности величины не осталось сомножителей с ненулевыми степенями, то величина называется безразмерной.

Определение размерности давления
Величина Уравнение связи Размерность в СИ Название единицы
Ускорение a=Vt=lt2{\displaystyle a={\frac {V}{t}}={\frac {l}{t^{2}}}} L+1T−2{\displaystyle L^{+1}T^{-2}} Нет
Сила F=ma{\displaystyle F={m}{a}} M+1L+1T−2{\displaystyle M^{+1}L^{+1}T^{-2}} Ньютон
Площадь S=l2{\displaystyle S=l^{2}} L+2{\displaystyle L^{+2}} Квадратный метр
Давление P=FS{\displaystyle P={\frac {F}{S}}} M+1L+1T−2L+2=M+1L−1T−2{\displaystyle M^{+1}L^{+1}T^{-2}L^{+2}=M^{+1}L^{-1}T^{-2}} Паскаль

Физические величины, которые характеризуют объекты и явления в твёрдой Земле, а также в её жидких и газовых оболочках называются геофизическими величинами. Измерение геофизических величин в лаборатории или в полевых условиях позволяет лучше понять внутреннюю структуру планеты, а также искать и разведывать месторождения полезных ископаемых. Наука, основанная на измерениях физических величин горных пород в лабораторных условиях, называется петрофизикой.

История

Международный эталон метра, использовавшийся с 1889 по 1960 год

СИ является развитием метрической системы мер, которая была создана французскими учёными и впервые широко внедрена после Великой французской революции. До введения метрической системы единицы выбирались независимо друг от друга, поэтому пересчёт из одной единицы в другую был сложным. К тому же в разных местах применялись разные единицы, иногда с одинаковыми названиями. Метрическая система должна была стать удобной и единой системой мер и весов.

В начале 1790-х годов во Франции были изготовлены временные эталоны метра и килограмма. Копии эталонов были отправлены, в частности, в США, но корабль с копиями был захвачен британскими каперами, так что они не дошли до Америки; возможно, это сыграло роль в том обстоятельстве, что СИ плохо приживается в США тогда и до сих пор.

В 1799 году во Франции были изготовлены два эталона — для единицы длины (метр) и для единицы массы (килограмм).

В 1832 году немецкий математик Карл Гаусс разработал научные основы построения систем единиц и создал новую систему. В качестве основных физических величин он принял длину, массу и время, а в качестве основных единиц — миллиметр, миллиграмм и секунду. Впоследствии эта система послужила базой для разработки системы СГС.

В 1874 году британскими физиками Джеймсом Максвеллом и Уильямом Томпсоном была представлена система СГС, основанная на трёх единицах — сантиметр, грамм и секунда — и десятичных приставках от микро до мега.

В 1875 году представителями семнадцати государств (Россия, Германия, США, Франция, Италия и др.) была подписана Метрическая конвенция, в соответствии с которой были созданы Международный комитет мер и весов (фр. Comité International des Poids et Mesures, CIPM) и Международное бюро мер и весов (фр. Bureau International des Poids et Mesures, BIPM), а также предусмотрен регулярный созыв Генеральных конференций по мерам и весам (ГКМВ) (фр.  Conférence Générale des Poids et Mesures, CGPM). Были начаты работы по разработке международных эталонов метра и килограмма.

В 1889 году ГКМВ приняла систему единиц МКС, сходную с СГС, но основанную на метре, килограмме и секунде, так как эти единицы были признаны более удобными для практического использования.

В последующем были введены основные единицы для физических величин в области электричества и оптики.

В 1948 году Международный союз теоретической и прикладной физики и французское правительство обратились к IX ГКМВ со своими предложениями о международной унификации единиц

Приняв во внимание эти обращения, ГКМВ поручила Международному комитету мер и весов выработать рекомендации по созданию единой практической системы единиц измерения, пригодной для принятия всеми государствами участниками Метрической конвенции. В развитие данного решения X ГКМВ в 1954 году приняла в качестве основных единиц вновь разрабатываемой системы следующие шесть единиц: метр, килограмм, секунда, ампер, градус Кельвина, кандела.

В 1956 году Международный комитет мер и весов рекомендовал, чтобы системе единиц, базирующейся на основных единицах, принятых X ГКМВ, было присвоено наименование «Système International d’Unités».

В 1960 году XI ГКМВ приняла стандарт, который впервые получил название «Международная система единиц», и установила международное сокращённое наименование этой системы «SI». Основными единицами в ней стали метр, килограмм, секунда, ампер, градус Кельвина и кандела.

С 1 января 1963 года ГОСТом 9867-61 «Международная система единиц» СИ была введена в СССР в качестве предпочтительной во всех областях науки, техники и народного хозяйства, а также при преподавании.

XIII ГКМВ (1967—1968) приняла новое определение единицы термодинамической температуры, присвоила ей имя «кельвин» и обозначение «К» (ранее единица называлась «градус Кельвина», а её обозначением был «°K»).

XIII ГКМВ (1967—1968) приняла новое определение секунды.

В 1971 году XIV ГКМВ внесла изменения в СИ, добавив, в частности, в число основных единиц единицу количества вещества (моль).

В 1979 году XVI ГКМВ приняла новое определение канделы.

В 1983 году XVII ГКМВ дала новое определение метра.

В мае 2019 года вступили в действие новые определения основных единиц СИ, окончательно удаляющие материальные предметы из определений.

Механика.

Исходя из единиц длины, массы и времени, можно вывести все единицы, применяемые в механике, как было показано выше. Если основными единицами являются метр, килограмм и секунда, то система называется системой единиц МКС; если – сантиметр, грамм и секунда, то – системой единиц СГС. Единица силы в системе СГС называется диной, а единица работы – эргом. Некоторые единицы получают особые названия, когда они используются в особых разделах науки. Например, при измерении напряженности гравитационного поля единица ускорения в системе СГС называется галом. Имеется ряд единиц с особыми названиями, не входящих ни в одну из указанных систем единиц. Бар, единица давления, применявшаяся ранее в метеорологии, равен 1 000 000 дин/см2. Лошадиная сила, устаревшая единица мощности, все еще применяемая в британской технической системе единиц, а также в России, равна приблизительно 746 Вт.См. также МЕХАНИКА.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Adblock
detector