Что понимается под применением единиц физических величин

Что представляет собой система единиц физических величин?

Система единиц физических величин:совокупность основных и производных единиц физических величин, образованная в соответствии с принципами для заданной системы физических величин. Например, Международная система единиц (СИ), принятая в 1960 г.

Основная единица системы единиц физических величин:единица основной физической величины в данной системе единиц. Например, основные единицы Международной системы единиц: метр (м), килограмм (кг), секунда (с), ампер (А), кельвин (К), моль (моль) и кандела (кд).

Определение понятия «дополнительная единица» в междуна­родных документах отсутствует. До введения Международной системы единиц СИ это понятие в физике не применялось. В СИ единицы плоского (радиан) и телесного (стерадиан) углов выделены в отдельную группу дополнительных еди­ниц, хотя определение, что понимается под дополнительными вели­чинами и, соответственно, единицами не дано.

Производная единица системы единиц физических величин:единица производной физической величины системы единиц, образованная в соответствии с уравнением, связывающим ее с ос­новными единицами или же с основными и уже определенными производными.

Что такое производные единицы СИ?

Производные единицы СИ образуются из основных, дополнительных и ранее образованных производных единиц СИ при помощи уравнений связи между физическими величинами, в которых числовые коэффициенты равны единице. Для этого величины в правой и левой частях уравнения связи принимают равными единицам СИ. Например, для производной единицы скорости СИ, определяемой из уравнения v = L/T записывают уравнение единиц [v] = [L] /[T], а вместо символов Lи T подставляют их единицы (1 м и 1 с) и получают [V]=1 м/1 с = 1 м/с. Это означает, что единицей скорости СИ является метр в секунду.

Производным единицам могут присваиваться наименования в честь известных ученых.

Источник

Понятие физической величины и ее единицы измерения

Бедарев Эдвард Александрович, преподаватель кафедры ЭиТФ

Лекции по дисциплине «Информационно-измерительная техника»

ЛЕКЦИЯ 1 – ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

1.1 Понятие физической величины и ее единицы измерения

Физическая величина – количественная оценка качества (свойства) объекта.

Классификация физических величин:

2) По принадлежности к различным группам физических процессов: пространственно-временные, механические, тепловые, электрические и магнитные, акустические, световые, физико-химические и др.

3) По степени условной независимости от других величин: основные и производные. В настоящее время в Международной системе единиц используют семь величин, выбранных в качестве основных (независимых одна от другой): длина, время, масса, температура, сила электрического тока, количество вещества и сила света. Остальные величины, такие как плотность, сила, энергия, мощность и др. являются производными (т. е. зависимыми от других величин).

4) По наличию размерности: размерные, т. е. имеющие размерность и безразмерные (диэлектрическая проницаемость, относительная плотность, КПД). Размер характеризует количественное содержание свойства в каждом объекте. Например, 0,001 км; 1 м; 100 см; 1000 мм – четыре варианта представления одного и того же размера длины. Числовое значение – это количество данных единиц измерения в объекте.

1.2 Шкалы измерений

Либо А = В, либо А ≠ В; Если А = В, то В = А; Если А = В и В = С, то А = С.

Примеры – шкалы классификации животных и растений. С величинами этой шкалы можно выполнять только одну операцию — проверку их совпадения или несовпадения. По количеству совпадений можно проводить статистическую обработку.

2. Шкала порядка (рангов) – позволяет установить отношение порядка (например, это тело твёрже другого или мягче), но нельзя судить во сколько раз или на сколько. В ней может быть нуль (нулевая отметка), но нет единицы измерения, т. к. ее размер невозможно установить. В таких шкалах над величинами нельзя проводить математические операции (умножение, сложение).

3. Шкала интервалов (разностей) – позволяет установить не только отношения порядка, но и разность между значениями ЕИ. (например, на сколько одна величина больше или меньше другой, но нельзя сказать во сколько раз). В ней есть нули и единицы измерений, установленные по согласованию. По шкалам интервалов измеряют время, расстояние (если не известно начало пути), температуру по Цельсию и т. д.

В таких шкалах над величинами можно проводить математические операции сложение и вычитание, но нельзя – умножение и деление.

5. Шкала абсолютных величин – используются для измерений относительных величин (коэффициенты усиления, ослабления, полезного действия, отражения, поглощения и т. д.). Границы таких шкал заключены между нулем и единицей.

Первые две шкалы – неметрические или качественные (нет единицы измере-ния), остальные — метрические или количественные (она есть).

1.3 Система единиц физических величин

С целью сделать физические величины независимыми от времени и разного рода случайностей во Франции была разработана метрическая система мер – первая в истории система единиц физических величин (1791 г.). В 1832 г. немецкий ученый К. Гаусс предложил поделить единицы измерения на основные и производные, совокупность которых он назвал абсолютной системой единиц физических величин. В ней основными были 3: длины – миллиметр, массы – миллиграмм и времени – секунда. Все остальные единицы (производные) можно было определить с помощью этих трех.

С течением времени росло количество систем единиц и внесистемных единиц. Это вызвало неудобства (пересчет при переходе от одной системы единиц к другой).

В 1960 г. XI Генеральная конференция по мерам и весам утвердила Международную систему единиц СИ.

Основные достоинства СИ:

1. универсальность – охват ею всех областей науки и техники;

2. единые единицы измерения для всех областей и видов измерений (например, паскаль вместо ряда единиц давления (атмосфера, миллиметр ртутного столба, бар и другие);

4. высокая точность воспроизведения единиц;

5. упрощение записи уравнений и формул (отсутствием переводных коэффициентов);

6. уменьшение числа допускаемых единиц;

7. облегчение процесса обучения;

8. лучшее взаимопонимание между странами в технических и экономических связях.

Источник

Виды физических величин и их единицы измерения

Физические величины — что под этим понимается

Физические величины — это понятие в физике описывает характеристики тел или процессов, которые могут быть измерены на опыте с использованием измерительных методов и приборов.

Физическая величина — это одно из свойств материальных объектов (физической системы, явления или процесса), общее в качественном отношении для многих физических объектов, но по количественной характеристике индивидуальное для каждого из них.

Значение физической величины выражается одним или несколькими числами, характеризующими необходимую физическую величину, у которой обязательно должна быть указана размерность.

Размер физической величины — это значения чисел, указанные в значении физической величины.

Описание основных физических величин в системе СИ, единицы их измерения, обозначения и формулы

Основными физическими величинами в Международной системе единиц (СИ) являются: длина, масса, время, сила электрического тока, термодинамическая температура, количество вещества, сила света.

Единицы измерения основных физических величин в системе СИ

Время в системе СИ измеряется в секундах (с).

Расчет величины секунды основан на фиксировании численного значения частоты сверхтонкого расщепления основного состояния атома цезия-133 при температуре 0 °К, равной в точности 9 192 631 770 Гц.

Солнечные сутки разбираются на 24 часа, каждый час разбирается на 60 минут, а каждая минута состоит из 60 секунд. Таким образом, секунда — это 1 / ( 24 * 60 * 60 ) = 1 / 86400 от солнечных суток.

Единица длины по системе СИ — это метр (м). Величина метра определяется фиксацией численного значения скорости света в вакууме, равной 299 792 458 м/с.

Единицей измерения термодинамической температуры является Кельвин (K). В 1967-2019 годах Кельвин определялся как 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды. Шкала Кельвина использует тот же шаг, что и шкала Цельсия. 0 °K — это температура абсолютного нуля, а не температура плавления льда. Согласно современному определению что такое Кельвин, 0 °C установлены таким образом, что температура тройной точки воды на фазовой диаграмме равна 0,01 °C. В итоге шкалы Цельсия и Кельвина сдвинуты на 273,15 °.

Табл.1. Основные физические величины, их обозначения и единицы измерения.

Производные единицы СИ, имеющие собственные наименования

Производные единицы СИ — это единицы измерения, которые исходят от семи основных единиц, определенных Международной системой единиц (СИ).

Такие единицы либо безразмерные, либо могут быть выражены с помощью различных математических операций из основных единиц СИ.

Пространство и время

Единиц измерения, входящих в систему СИ и имеющих собственные названия, которые относятся к пространству и времени — нет.

Периодические явления, колебания и волны, акустика

Частота — это число колебаний совершаемых за одну секунду. Единица измерения названа в честь физика Генриха Герца и обозначается Гц.

Тепловые явления

Энергия — это физическая величина, показывающая какую работу может совершить тело. Измеряется в джоулях (Дж).

Механика

Плоский угол — это часть плоскости, ограниченная двумя лучами, выходящими из одной точки. В системе СИ измеряется в радианах (рад).

Телесный угол — часть пространства, ограниченная некоторой конической поверхностью. Измеряется в системе СИ в стерадианах (ср).

Молекулярная физика

Давление — это скалярная физическая величина равная отношению силы давления, приложенной к данной поверхности, к площади этой поверхности. Единицей измерения в системе СИ является паскаль (Па).

Активность катализатора — характеристика, показывающая насколько катализатор активен в процессе своей работы.

Электричество и магнетизм

Сила — физическая величина, которая характеризует действие на тело других тел, в результате чего у тела изменяется скорость или оно деформируется. Измеряется в ньютонах (Н).

Мощность — это физическая величина, равная отношению работы к промежутку времени, за который совершенна эта работа. В Международной системе (СИ) единицей измерения мощности является ватт (Вт).

Электрический заряд — это физическая величина, характеризующая свойство тел или частиц входить в электромагнитные взаимодействия и определяющая значение сил и энергий этих взаимодействий. Единица измерения в системе СИ — это кулон (Кл).

Разность потенциалов (напряжение) между двумя точками равна отношению работы поля при перемещении положительного заряда из начальной точки в конечную к величине этого заряда. Измеряется в вольтах (В).

Сопротивление — физическая величина, характеризующая способность проводника препятствовать прохождению тока. Единица измерения — Ом. Источник электрической энергии является проводником и всегда имеет некоторое сопротивление, поэтому ток выделяет в нем тепло. Такое сопротивление называется внутренним. Если оно очень мало, то ток короткого замыкания будет большим, что может вывести источник тока из строя.

Емкость — это физическая величина, которая характеризует способность накапливать электрический заряд на одной из металлических обкладок конденсатора, равная отношению заряда к напряжению и измеряется в фарадах (Ф).

Конденсатор — это совокупность двух проводников, находящихся на малом расстоянии друг от друга и разделенных слоем диэлектрика. На значение емкости влияют геометрические размеры и среда. Материал, из которого сделаны обкладки конденсатора, может быть разным.

Электрическая проводимость (электропроводность) — это способность веществ пропускать электрический ток под действием электрического напряжения. Электрическая проводимость — величина, обратная сопротивлению. Измеряется в сименсах (См).

Характер электропроводности может быть разный, поэтому вещества делятся на электролиты (вещества, растворы и расплавы, проводящие электрический ток) и неэлектролиты (вещества, растворы и расплавы, которые не проводят электрический ток).

Оптика, электромагнитное излучение

Световой поток — величина, измеряемая количеством энергии, которую излучает источник света за единицу времени. В системе СИ единицей измерения светового потока является люмен (лм).

Освещенность — это величина светового потока, приходящаяся на единицу площади освещаемой поверхности. Освещенность измеряется в люксах.

Магнитный поток — физическая величина, численно равная произведению модуля магнитной индукции на площадь контура и на косинус угла между нормалью к контуру и вектором магнитной индукции. Единицей измерения магнитного потока в системе СИ является вебер (Вб).

Магнитная индукция — это векторная физическая величина, модуль которой численно равен максимальной силе, действующей со стороны магнитного поля на единичный элемент тока. Единичный элемент тока — это проводник длиной 1 м и силой тока в нем 1 А. Единицей измерения магнитной индукции в системе СИ является тесла (Тл).

Индуктивность — это физическая величина, характеризующая способность проводника с током создавать магнитное поле. Единица измерения — генри (Гн).

Радиоактивность — это способность некоторых атомных ядер самопроизвольно превращаться в другие ядра с испусканием различных видов радиоактивных излучений и элементарных частиц. Различают радиоактивность естественную – для существующих в природе неустойчивых изотопов, а также искусственную — для изотопов, полученных с использованием ядерных реакций. Единицей измерения радиоактивности является беккерель (Бк).

Поглощенная доза ионизирующего излучения — величина энергии ионизирующего излучения, переданная веществу. В единицах СИ поглощенная доза измеряется в джоулях, деленных на килограмм, и имеет специальное название — грей (Гр).

Эффективная доза ионизирующего излучения — величина, используемая как мера риска возникновения отдаленных последствий облучения всего человека и отдельных его органов и тканей с учетом их радиочувствительности. Единицей эквивалентной дозы является зиверт (Зв).

Собственные наименования имеют 22 производные единицы измерения, которые представлены в таблице 2.

Таблица 2. Таблица с произвольными единицами измерения в системе СИ, которые имеют собственные названия.

Преобразование единиц измерения

Рассмотрим в этом пункте только способы преобразования основных единиц измерения в системе СИ, а именно длины (м), массы (кг), времени (с), силы электрического тока (А), термодинамической температуры (К), количества вещества (моль).
Длина:

1 м = 0,001 км = 10 дм =100 см = 1000 мм

1 кг = 0,001 т = 0,01 ц = 1000 г = 1000000 мг

Источник

Международная система единиц физических величин: понятие физической величины, способы определения

2018 год можно назвать судьбоносным в метрологии, потому что это время настоящей технологической революции в международной системе единиц физических величин СИ. Речь о пересмотре определений главных физических величин. Будет ли теперь килограмм картошки в супермаркете весить по-новому? C картошкой будет по-прежнему. Изменится другое.

Что было до системы СИ

Общие стандарты в мерах и весах понадобились еще в древние времена. Но особенно нужными общие правила измерений стали с вместе с появлением научно-технического прогресса. Ученым нужно было разговаривать на общем языке: один фут – это сколько сантиметров? И что такое сантиметр во Франции, когда он не совпадает с итальянским?

Вам будет интересно: «Препоны» – это что такое? Значение и синонимы

Францию вполне можно назвать почетным ветераном и победителем исторических метрологических баталий. Именно во Франции в 1791 году была официально утверждена система измерений и их единиц, а определения главных физических величин были описаны и завизированы в качестве государственных документов.

Французы первыми поняли, что физические величины должны быть привязаны к природным объектам. Например, один метр был описан как 1/40000000 часть длины меридиана с севера на юг к экватору. Он был привязан, таким образом, к размерам Земли.

Один грамм также привязали к природным явлениям: его определили как массу воды в кубическом сантиметре при уровне температуры, близкой к нулевому (плавления льда).

Но, как оказалось, Земля вовсе не является идеальным шаром, а вода в кубике может иметь самые разные свойства, если в ней есть примеси. Поэтому размеры этих величин в разных точках планеты немного отличались друг от друга.

В начале 19 века в дело вступили немцы во главе с математиком Карлом Гауссом. Он предложил обновить систему мер «сантиметр-грамм-секунда», и с тех пор метрические единицы пошли в мир, науку и были признаны международным сообществом, образовалась международная система единиц физических величин.

Длину меридиана и массу кубика воды решили заменить эталонами, которые хранились в Бюро мер и весов в Париже, с раздачей копий по странам – участницам метрической конвенции.

Килограмм, например, выглядел цилиндром из сплава платины и иридия, что в итоге тоже не стало идеальным решением.

Международная система единиц физических величин SI была образована в 1960 году. Сначала в нее входили шесть основных величин: метры и длина, килограммы и масса, время в секундах, сила тока в амперах, термодинамическая температура в кельвинах и сила света в канделах. Через десять лет к ним добавилась еще одна – количество вещества, измеряемое в молях.

Важно знать, что все остальные единицы измерения физических величин международной системы считаются производными от основных, то есть могут быть вычислены математически с помощью основных величин системы СИ.

Прочь от эталонов

Физические эталоны оказались не самой надежной системой измерений. Сам эталон килограмма и его копии по странам периодически сверяют друг с другом. Сверки показывают изменения масс этих эталонов, что происходит по разным причинам: пыль при поверке, взаимодействие с подставкой или что-то другое. Ученые заметили эти неприятные нюансы давно. Наступило время пересмотра параметров единиц физических величин международной системы в метрологии.

Поэтому некоторые определения величин постепенно менялись: ученые старались уйти от физических эталонов, которые так или иначе со временем меняли свои параметры. Лучшим способом является выведение величин через неизменные свойства, как, например, скорость света или изменения в структуре атомов.

Накануне революции в системе СИ

Принципиальные технологические изменения в международной системе единиц физических величин проводятся через голосование членов Международного бюро мер и весов на годовой конференции. При положительном решении изменения вступают в силу через несколько месяцев.

Все это чрезвычайно важно для ученых, в чьих исследованиях и экспериментах нужна предельная точность измерений и формулировок.

Новые эталоны образца 2018 года помогут достичь высочайшего уровня точности в любых измерениях в любом месте, времени и масштабе. И все это без каких-либо потерь в точности.

Переопределение величин в системе СИ

Оно касается четырех из семи действующих основных физических величин. Было решено переопределить следующие величины с единицами измерений:

В отношении остальных трех величин будет изменена формулировка определений, но их суть останется неизменной:

Изменения с ампером

То, что представляет собой ампер как единица физических величин в международной системе СИ сегодня, было предложено еще в 1946 году. Определение было привязано к силе тока между двумя проводниками в вакууме на расстоянии одного метра с уточнением всех нюансов этого сооружения. Неточность и громоздкость измерения – вот две главных характеристики этого определения с сегодняшней точки зрения.

В новом определении ампер – это электрический ток, равный потоку фиксированного числа электрических зарядов в секунду. Единица выражается в зарядах электрона.

Для определения обновленного ампера нужен всего один инструмент – так называемый одноэлектронный насос, который способен перемещать электроны.

Новый моль и чистота кремния 99,9998 %

Старое определение моля связано с количеством вещества, равным числу атомов в изотопе углерода с массой 0,012 кг.

В новой версии это количество вещества, которое содержится в точно определенном количестве специфицированных структурных единиц. Эти единицы выражаются с помощью постоянной Авогадро.

С числом Авогадро тоже немало забот. Для его вычисления было решено создать сферу из кремния-28. Данный изотоп кремния отличается своей точной до идеальности кристаллической решеткой. Поэтому в нем можно точно подсчитать число атомов с помощью лазерной системы, измеряющей диаметр сферы.

Можно, конечно, возразить в том, что нет принципиальной разница между сферой из кремния-28 и нынешним сплавом из платины и иридия. И то, и другое вещество теряет атомы во времени. Теряет, верно. Но кремний-28 теряет их с предсказуемой скоростью, поэтому в эталон будут постоянно вноситься коррективы.

Самый чистый кремний-28 для сферы получили совсем недавно в США. Его чистота составляет 99,9998 %.

А теперь кельвин

Кельвин является одной из единиц физических величин в международной системе и служит для измерения уровня термодинамической температуры. «По-старому» он равен 1/273,16 части температуры тройной точки воды. Тройная точка воды – чрезвычайно интересная составляющая. Это уровень температуры и давления, при котором вода находится сразу в трех состояниях – «пар, лед и вода».

Определение «хромало на обе ноги» по следующей причине: величина кельвина зависит в первую очередь от состава воды с теоретически известным соотношением изотопов. Но на практике получить воду с такими характеристиками было невозможно.

Новый кельвин будет определяться так: один кельвин равен изменению тепловой энергии на 1,4 × 10−23дж. Единицы выражаются с помощью постоянной Больцмана. Теперь уровень температуры можно будет измерять с помощью фиксации скорости звука в газовой сфере.

Килограмм без эталона

Мы уже знаем, что в Париже находится эталон из платины с иридием, который так или иначе изменил свой вес за время использования в метрологии и системе единиц физических величин.

Новое определение килограмма звучит так: один килограмм выражается в величине постоянной Планка, разделенной на 6,63 × 10−34 м2·с−1.

Измерение массы теперь можно производить на «ваттовых» весах. Пусть это название не вводит вас в заблуждение, это не привычные весы, а электроэнергия, которой хватит, чтобы приподнять предмет, лежащий на другой чаше весов.

Изменения в принципах построения единиц физических величин и их системе в целом нужны, прежде всего, в теоретических областях науки. Главными факторами в обновленной системе теперь являются естественные постоянные величины.

Это закономерное завершение многолетней деятельности международной группы серьезных ученых, чьи усилия в течение долгого времени были направлены на поиск идеальных измерений и определений единиц на основе законов фундаментальной физики.

Источник