Системы физических величин и единиц. Построение систем единиц физических величин

Для количественного оценивания и описания различных свойств и процессов вводятся физические величины.

Физическая величина (ФВ) – свойство общее в качественном отношении для многих физических объектов, но индивидуальное в количественном отношении для каждого из них.

Единица физической величины — физическая величина фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение, равное 1, и применяемая для количественного выражения однородных с ней физических величин.

Чтобы упорядочить всю совокупность используемых единиц физических величин, необходимо систематизировать применяемые физические величины, т.е. создать систему физических величин. Затем на базе системы физических величин строится система единиц физических величин.

Система физических величин - совокупность физических величин, образованная в соответствии с принятыми принципами, когда одни величины принимают за независимые, а другие определяют как функции независимых величин.

Основная ФВ - ФВ. входящая в систему величин и условно принятая в качестве независимой от других величин этой системы.

Производная ФВ – ФВ, входящая в систему величин и определяемая через основные величины этой системы.

Связь между различными физическими величинами выражается уравнениями связи. Различают два вида таких уравнений: уравнения связи между величинами и уравнения связи между числовыми значениями. Уравнение, связи между величинами - уравнение, отражающее связь между величинами, обусловленную законами природы, в котором под буквенными символами понимают соответствующие физические величины. Такие уравнения представляют собой соотношения в общем виде, который не зависит от единиц измерения. Уравнение связи между числовыми значениями - уравнение, отражающее связь между величинами, обусловленную законами природы, в котором под буквенными символами понимают значения соответствующих физических величин.

Система единиц физических величин - совокупность основных и производных единиц физических величин, образованная в соответствии с принципами для заданной системы физических величин.

Основная единица системы единиц физических величин - единица основной ФВ в данной системе единиц.

Производная единица системы единиц физических величин – единица производной ФВ системы единиц, образованная в соответствии с уравнением, связывающим ее с основными единицами или с основными и уже определенными производными.

Построение систем единиц физических величин

Для построения системы единиц следует выбрать несколько основных единиц и установить с помощью определяющих уравнений (уравнений связи между числовыми значениями) производные единицы всех остальных интересующих нас величин.

Основное требование, которое предъявляется к системе единиц заключается в том, что система должна быть как можно более удобной для практических целей. В этом отношении число основных единиц не может быть произвольным. Здесь нужно иметь в виду следующее. Целесообразно строить системы единиц, пригодные для различных областей науки и техники, в которых число основных единиц составляет пять-семь. К таким системам единиц относятся Международная система единиц SI и с некоторыми дополнениями СГС.

В универсальной системе единиц, которая пригодна для различных измерений в науке и технике, величины, единицы которых принимаются за основные, должны отражать наиболее общие свойства материи. Число основных единиц такой системы достигло в настоящее время семи - это единицы длины, массы, времени, температуры, силы тока, силы света и количества вещества.

Выбрав основные единицы, нужно определиться с их размерами.

Размер единицы ФВ - количественная определенность единицы ФВ, воспроизводимой или хранимой средством измерений.

Основные единицы устанавливаются двумя способами: по прототипам и по измерению естественных величин. Первый способ основан на установлении единицы с помощью некоторого тела (гиря, линейка). Второй способ предполагает проведение некоторой процедуры измерения.

На протяжении развития человечество пользовались разными системами.

1. 1791 г. Национальное собрание Франции приняли матричную систему мер. Она включала в себя ед.длины, площади, объема, веса, в основу которых были положены две единицы: м, кг.

2. Понятие системы единиц как совокупности основных и производных величин впервые предложено немецким ученым Гауссом в 1832г. В качестве основных в этой системе были приняты: единица длины – мм, единица массы – мг, единица времени – с. Эту систему единиц назвали абсолютной.

3. В 1881г. была принята система единиц физических величин СГС. Это система механических единиц. Она была построена с использованием системы уравнений классической механики. Основными единицами которой были: см – единица длины, г – единица массы, с– единица времени. Производными единицами считались единица силы – дина и единица работы – эрг. В состав СГС также включались 2 дополнительные единицы: для плоского угла – радиан; для телесного угла - стерадиан. В системе есть одна константа – скорость света.

Итальянский ученый Джорджи предложил еще одну систему единиц, получившую название МКСА и довольно широко распространившуюся в мире. Это система единиц электрических и магнитных величин. Основные единицы: м, кг, с, А, а производные: единица силы – Н, единица энергии – Дж, единица мощности – Вт. МКСА входит как составная часть в международную систему единиц СИ.

4. МКГСС – система единиц измерения, в которой основными единицами являются м, кгс и с. Система МКГСС частично используется до сих пор хотя бы в определении мощности двигателей в лошадиных силах (Лошадиная сила – мощность = 75 кгс м/с)

5. Система МТС – система механических единиц. В качестве основных единиц выбраны: метр (единица длины), тонна (единица массы), секунда (единица времени). Единица массы – тонна - оказалась наиболее удобной в ряде отраслей, имеющих дело с большими массами. Однако размер производных единиц большинства ФВ оказался неудобным для практики и систему отменили.

Наиболее широко распространена во всем мире Международная система единиц СИ. Международная система единиц СИ принята генеральной конференцией по мерам и весам в 1960 г. Её достоинствами являются:

- Универсальность

- Возможность воспроизведения единиц с высокой точностью соответствия с их определение и наименьшей погрешностью

- Унификация всех областей и видов измерений

- Упрощение записи формул и уменьшение числа допускаемых единиц

- Единая система образования кратных и дольных единиц, имеющих собственное наименование. В основе системы СИ выбрано 7 основных и 2 дополнительных физических единиц (метр, кг, секунда, ампер, кельвин, моль, кандела) дополнительные (радиан, стерадиан)