Układ pomiarowy SI — historia, cel, rola w fizyce

Historia ludzkości liczy kilka tysięcy lat, a na różnych etapach jej rozwoju prawie każdy naród korzystał z niektórych swoich konwencjonalnych systemów odniesienia. Teraz Międzynarodowy Układ Jednostek Miar (SI) stał się obowiązkowy dla wszystkich krajów.

System zawiera siedem podstawowych jednostek miary: sekunda — czas, metr — długość, kilogram — masa, amper — natężenie prądu elektrycznego, kelwin — temperatura termodynamiczna, kandela — natężenie światła i mol — ilość substancji. Istnieją dwie dodatkowe jednostki: radian dla kąta płaskiego i steradian dla kąta bryłowego.

SI pochodzi od francuskiego Systeme Internationale i oznacza Międzynarodowy Układ Jednostek.

Jak określany jest licznik

W XVII wieku, wraz z rozwojem nauki w Europie, coraz częściej zaczęto słyszeć wezwania do wprowadzenia uniwersalnej miary, czyli metrum katolickiego. Byłaby to miara dziesiętna oparta na zdarzeniu naturalnym i niezależna od decyzji osoby sprawującej władzę. Taki środek zastąpiłby wiele różnych istniejących wówczas systemów środków.

Brytyjski filozof John Wilkins zaproponował przyjęcie długości wahadła jako jednostki długości, której półokres byłby równy jednej sekundzie. Jednak w zależności od miejsca pomiaru wartość nie była taka sama. Fakt ten ustalił francuski astronom Jean Richet podczas podróży do Ameryki Południowej (1671 — 1673).

W 1790 r. Minister Talleyrand zaproponował pomiar długości geograficznej odniesienia poprzez umieszczenie wahadła na ściśle określonej szerokości geograficznej między Bordeaux a Grenoble — 45° szerokości geograficznej północnej. W rezultacie 8 maja 1790 r. francuskie Zgromadzenie Narodowe zdecydowało, że metr jest długością wahadła o półokresie na 45° szerokości geograficznej równym 1 s. Według dzisiejszego SI metr ten byłby równy 0,994 m. Jednak ta definicja nie pasuje do społeczności naukowej.

30 marca 1791 r. Francuska Akademia Nauk przyjęła propozycję zdefiniowania standardu miary jako części południka paryskiego. Nowa jednostka miała stanowić jedną dziesięciomilionową odległości od równika do bieguna północnego, czyli jedną dziesięciomilionową ćwierć obwodu Ziemi, mierzoną wzdłuż południka paryskiego. Stało się to znane jako „Miernik prawdziwy i ostateczny”.

7 kwietnia 1795 r. Zjazd Narodowy uchwalił ustawę wprowadzającą we Francji system metryczny i polecił komisarzom, w tym Ch. O. Coulomb, J.L. Lagrange, P.-S. Laplace i inni naukowcy eksperymentalnie określili jednostki długości i masy.

W okresie od 1792 do 1797, decyzją konwencji rewolucyjnej, francuscy uczeni Delambre (1749-1822) i Mechen (1744-1804) zmierzyli ten sam łuk południka paryskiego o długości 9°40' od Dunkierki do Barcelona w 6 lat, układając łańcuch 115 trójkątów przez Francję i część Hiszpanii.

Jednak później okazało się, że z powodu błędnego obliczenia kompresji biegunowej Ziemi, standard okazał się o 0,2 mm krótszy. Zatem długość południka 40 000 km jest tylko przybliżona. Jednak pierwszy prototyp standardowego miernika mosiężnego powstał w 1795 roku. Należy zauważyć, że jednostka masy (kilogram, którego definicja opiera się na masie jednego decymetra sześciennego wody) jest również związana z definicją metr.

Historia powstania układu SI

22 czerwca 1799 r. we Francji wykonano dwa platynowe wzorce — metr standardowy i standardowy kilogram. Datę tę można słusznie uznać za dzień początku rozwoju obecnego układu SI.

W 1832 roku Gauss stworzył tzw Bezwzględny system jednostek, przyjmujący za podstawowe trzy jednostki: jednostką czasu jest sekunda, jednostką długości jest milimetr, a jednostką masy jest gram, gdyż za pomocą tych właśnie jednostek naukowiec mógł zmierzyć bezwzględna wartość ziemskiego pola magnetycznego (układ ten otrzymał nazwę SGS Gaussa).

W latach 60. XIX wieku, pod wpływem Maxwella i Thomsona, sformułowano wymaganie, aby jednostki podstawowe i pochodne były ze sobą kompatybilne. W rezultacie system CGS został wprowadzony w 1874 r., Z przedrostkami również dystrybuowanymi w celu oznaczenia podzbiorów i wielokrotności jednostek od mikro do mega.

W 1875 r. przedstawiciele 17 krajów, w tym Rosji, Stanów Zjednoczonych, Francji, Niemiec, Włoch, podpisali Konwencję Metryczną, na mocy której powołano Międzynarodowe Biuro Miar, Międzynarodowy Komitet Miar i zaczęła funkcjonować stała konwencja. Konferencja Generalna ds. Wag i Miar (GCMW)… Równocześnie rozpoczęto prace nad opracowaniem międzynarodowego wzorca kilograma i wzorca przyrządu pomiarowego.

W 1889 roku na pierwszej konferencji GKMV, systemu ISSoparte na metrze, kilogramie i sekundzie, podobnie jak CGS, jednostki ISS wydawały się jednak bardziej akceptowalne ze względu na wygodę praktycznego użycia. Optyka i jednostki elektryczne zostaną wprowadzone później.

W 1948 roku, na polecenie rządu francuskiego i Międzynarodowej Unii Fizyki Teoretycznej i Stosowanej, Dziewiąta Generalna Konferencja Miar wydała Międzynarodowemu Komitetowi Miar i Wag polecenie zaproponowania, w celu ujednolicenia systemu jednostek miary, jego pomysły na stworzenie jednolitego systemu jednostek miar, który byłby akceptowany przez wszystkie kraje – strony Konwencji Metrycznej.

W rezultacie na dziesiątej GCMW w 1954 r. Zaproponowano i przyjęto następujące sześć jednostek: metr, kilogram, sekunda, amper, kelwin i kandela. W 1956 roku system został nazwany «Systeme International d'Unities» - międzynarodowy system jednostek.

W 1960 roku przyjęto standard, który po raz pierwszy nazwano „Międzynarodowym Układem Jednostek Miar” i nadano mu skrót «SI» (SI).

Podstawowymi jednostkami pozostały te same sześć jednostek: metr, kilogram, sekunda, amper, kelwin i kandela, dwie dodatkowe jednostki (radian i steradian) oraz dwadzieścia siedem najważniejszych pochodnych, bez wcześniejszego określenia innych jednostek pochodnych, które można było dodać przez - późno. (Skrót w języku rosyjskim „SI” można odczytać jako „System międzynarodowy”).

Wszystkie te sześć jednostek podstawowych, zarówno jednostki dodatkowe, jak i dwadzieścia siedem najważniejszych jednostek pochodnych, całkowicie pokrywały się z odpowiednimi jednostkami podstawowymi, dodatkowymi i pochodnymi przyjętymi wówczas w państwowych standardach ZSRR dla jednostek miar dla ISS, MKSA, МКСГ i systemy MSS.

W 1963 w ZSRR wg GOST 9867-61 «Międzynarodowy układ jednostek», SI jest akceptowany jako preferowany dla dziedzin gospodarki narodowej, nauki i techniki oraz nauczania w placówkach oświatowych.

W 1968 roku na trzynastym GKMV jednostkę „stopień Kelvina” zastąpiono „kelwinem”, przyjęto również oznaczenie „K”. Ponadto przyjęto nową definicję sekundy: sekunda to przedział czasu równy 9 192 631 770 okresom promieniowania odpowiadającym przejściu między dwoma nadsubtelnymi poziomami podstawowego stanu kwantowego atomu cezu-133. W 1997 r. przyjęto wyjaśnienie, że ten przedział czasu odnosi się do atomu cezu-133 w stanie spoczynku w temperaturze 0 K.

W 1971 r. do 14 GKMV dodano kolejną podstawową jednostkę «mol» - jednostkę ilości substancji. Mol to ilość materii w układzie zawierającym tyle elementów strukturalnych, ile atomów węgla-12 waży 0,012 kg. Gdy używany jest mol, elementy strukturalne muszą być określone i mogą to być atomy, cząsteczki, jony, elektrony i inne cząstki lub określone grupy cząstek.

W 1979 r. 16. CGPM przyjęła nową definicję kandeli. Kandela to światłość w danym kierunku źródła emitującego promieniowanie monochromatyczne o częstotliwości 540 × 1012 Hz, którego światłość w tym kierunku wynosi 1/683 W/sr (watów na steradian).

W 1983 r. Nadano nową definicję licznikowi 17 GKMV.Metr to długość drogi przebytej przez światło w próżni w czasie (1/299 792 458) sekund.

W 2009 r. Rząd Federacji Rosyjskiej zatwierdził „Rozporządzenie w sprawie jednostek miar dopuszczonych do użytku w Federacji Rosyjskiej”, aw 2015 r. Wprowadzono do niego zmiany w celu wyłączenia „okresu ważności” niektórych jednostek niesystemowych.

Główne zalety systemu SI to:

1. Ujednolicenie jednostek wielkości fizycznych dla różnych typów miar.

Układ SI pozwala dowolnej wielkości fizycznej występującej w różnych dziedzinach techniki mieć dla nich jedną wspólną jednostkę, na przykład dżul dla wszystkich rodzajów pracy i ilość ciepła zamiast obecnie stosowanych różnych jednostek dla tej wielkości (kilogram - siła - metr, erg, kalorie, watogodziny itp.).

2. Uniwersalność systemu.

Jednostki SI obejmują wszystkie gałęzie nauki, techniki i gospodarki narodowej, z wyłączeniem konieczności stosowania innych jednostek i generalnie reprezentują jeden system wspólny dla wszystkich dziedzin miar.

3. Łączność (spójność) systemu.

We wszystkich równaniach fizycznych, które definiują wynikowe jednostki miary, współczynnik proporcjonalności jest zawsze wielkością bezwymiarową równą jedności.

Układ SI umożliwia znaczne uproszczenie operacji rozwiązywania równań, wykonywania obliczeń oraz sporządzania wykresów i nomogramów, ponieważ nie ma potrzeby stosowania znacznej liczby przeliczników.

4. Harmonia i spójność układu SI znacznie ułatwia badanie praw fizycznych i procesu pedagogicznego w badaniu dyscyplin ogólnonaukowych i specjalistycznych, a także wyprowadzanie różnych formuł.

5.Zasady budowy układu SI dają możliwość tworzenia w razie potrzeby nowych jednostek pochodnych, dlatego lista jednostek tego układu jest otwarta na dalsze rozszerzanie.

Przeznaczenie układu SI i jego rola w fizyce

Do tej pory międzynarodowy system wielkości fizycznych SI został zaakceptowany na całym świecie i jest używany częściej niż inne systemy zarówno w nauce i technice, jak iw życiu codziennym ludzi - jest to nowoczesna wersja systemu metrycznego.

Większość krajów używa jednostek SI w technologii, nawet jeśli w życiu codziennym używają tradycyjnych jednostek dla tych terytoriów. Na przykład w Stanach Zjednoczonych zwyczajowe jednostki są definiowane jako jednostki SI przy użyciu stałych współczynników.

Ilość Oznaczenie Rosyjska nazwa Międzynarodowa rosyjska Kąt płaski radian rad rad Kąt bryłowy steradian Śr Śr Temperatura w stopniach Celsjusza w stopniach Celsjusza OS OS Częstotliwość herc Hz Hz Siła Newton Z n Energia dżul J J Moc W W W Ciśnienie Pascal Pa Pa Strumień świetlny lumen lm lm Oświetlenie luks OK lx Wisiorek ładunku elektrycznego CL ° C Różnica potencjałów wolt V V Rezystancja om Ohm R Pojemność elektryczna Farad F F Strumień magnetyczny Weber Wb Wb Indukcja magnetyczna Tesla T T Indukcyjność Henry Mr. H Przewodnictwo elektryczne Siemens Cm C Aktywność źródła promieniotwórczego bekerel Bq Bq Dawka pochłonięta promieniowania jonizującego grey Gr Gy Dawka efektywna promieniowania jonizującego siwert Sv Sv Aktywność katalizatora walcowany kot kot

Wyczerpująco szczegółowy opis układu SI w oficjalnej formie znajduje się w wydanej od 1970 roku książeczce SI oraz w jej dodatku; dokumenty te są publikowane na oficjalnej stronie internetowej Międzynarodowego Biura Miar i Wag. od 1985 rdokumenty te są wydawane w języku angielskim i francuskim i zawsze są tłumaczone na kilka języków na całym świecie, chociaż oficjalnym językiem dokumentu jest język francuski.

Dokładna oficjalna definicja układu SI jest następująca: „Międzynarodowy Układ Jednostek Miar (SI) jest systemem jednostek opartym na Międzynarodowym Układzie Jednostek, wraz z nazwami i symbolami oraz zbiorem przedrostków i ich nazw oraz symboli wraz z zasadami ich stosowania przyjętymi przez Generalną Konferencję Miar (CGPM) «.

Układ SI definiuje siedem podstawowych jednostek wielkości fizycznych i ich pochodnych oraz przedrostków do nich, uregulowano standardowe skróty oznaczeń jednostek i zasady zapisu pochodnych. Istnieje siedem podstawowych jednostek, jak poprzednio: kilogram, metr, sekunda, amper, kelwin, mol, kandela. Jednostki podstawowe są niezależne od rozmiaru i nie mogą pochodzić od innych jednostek.

Jeśli chodzi o jednostki pochodne, to można je otrzymać na podstawie podstawowych, wykonując działania matematyczne, takie jak dzielenie czy mnożenie. Niektóre z powstałych jednostek, takie jak „radian”, „lumen”, „wisiorek”, mają swoje własne nazwy.

Możesz użyć przedrostka przed nazwą jednostki, na przykład milimetr — jedna tysięczna metra i kilometr — tysiąc metrów. Przedrostek oznacza, że ​​jedynkę należy podzielić lub pomnożyć przez liczbę całkowitą będącą określoną potęgą dziesięciu.