Системы физических величин и их единиц
В науке, технике и повседневной жизни человек имеет дело с разнообразными свойствами окружающих нас физических объектов. Эти свойства отражают процессы взаимодействия объектов между собой. Их описание производится посредством физических величин. Для того чтобы можно было установить для каждого объекта различия в количественном содержании свойства, отображаемого физической величиной, в метрологии введены понятия ее размера и значения.
Размер физической величины — это количественное содержание в данном объекте свойства, соответствующего понятию "физическая величина". Например, каждое тело обладает определенной массой, вследствие чего тела можно различать по их массе, т.е. по размеру интересующей нас ФВ.
Значение физической величины — это оценка ее размера в виде некоторого числа принятых для нее единиц. Его получают в результате ее измерения или вычисления в соответствии с основным уравнением измерения Q = q[Q], связывающим между собой значение ФВ Q, числовое значение q и выбранную для измерения единицу [Q]. В зависимости от размера единицы будет меняться числовое значение ФВ, тогда как размер ее будет одним и тем же.
Единица физической величины — это ФВ фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение, равное единице, и которая применяется для количественного выражения однородных ФВ. Размер единиц ФВ устанавливается путем их законодательно закрепленного определения метрологическими органами государства.
Важной характеристикой ФВ является ее размерность dim Q — выражение в форме степенного многочлена, отражающее связь данной величины с основными ФВ; коэффициент пропорциональности в нем принят равным единице:
где L, М, Т, I — условные обозначения основных величин данной системы; a, b, g, h — целые или дробные, положительные или отрицательные вещественные числа. Показатель степени, в которую возведена размерность основной величины, называют показателем размерности. Если все показатели размерности равны нулю, то такую величину называют безразмерной.
Размерность ФВ является более общей характеристикой, чем определяющее ее уравнение связи, поскольку одна и та же размерность может быть присуща величинам, имеющим разную качественную природу и различающимся по форме определяющего уравнения. Например, работа силы F на расстоянии L описывается уравнением A1= FL. Кинетическая энергия тела массой m, движущегося со скоростью v, равна А2 = mv2 / 2. Размерности этих качественно различных величин одинаковы.
Над размерностями можно производить действия умножения, деления, возведения в степень и извлечение корня. Понятие размерности широко используется:
• для перевода единиц из одной системы в другую;
• для проверки правильности сложных расчетных формул, полученных в результате теоретического вывода;
• при выяснении зависимости между величинами;
• в теории физического подобия.
Описание свойства, характеризуемого данной ФВ, осуществляется на языке других, ранее определенных величин. Эта возможность обуславливается наличием объективно существующих взаимосвязей между свойствами объектов, которые, будучи переведенными на язык величин, становятся моделями, образующими в своей совокупности систему уравнений, описывающих данный раздел физики. Различают два типа таких уравнений:
1. Уравнения связи между величинами — уравнения, отражающие законы природы, в которых под буквенными символами понимаются ФВ. Они могут быть записаны в виде, не зависящем от выбора единиц измерений входящих в них ФВ:
Коэффициент К не зависит от выбора единиц измерений, он определяет связь между величинами. Например, площадь треугольника S равна половине произведения основания L на высоту h : S = = 0,5Lh. Коэффициент К = 0,5 появился в связи с выбором не единиц измерений, а формы самих фигур.
2. Уравнения связи между числовыми значениями физических величин — уравнения, в которых под буквенными символами понимают числовые значения величин, соответствующие выбранным единицам. Вид этих уравнений зависит от выбранных единиц измерения. Они могут быть записаны в виде:
где Ке — числовой коэффициент, зависящий от выбранной системы единиц. Например, уравнение связи между числовыми значениями площади треугольника и его геометрическими размерами имеет вид при условии, что площадь измеряется в квадратных метрах, а основание и высота соответственно в метрах и миллиметрах:
C помощью уравнений связи между числовыми значениями ФВ формулируются определения одних величин на языке других и указываются способы их нахождения. Совокупность ФВ, образованная в соответствии с принятыми принципами, когда одни величины принимаются за независимые, а другие являются их функциями, называется системой физических величин.
Обосновано, но в общем произвольным образом выбираются несколько ФВ, называемых основными. Остальные величины, называемые производными, выражаются через основные на основе известных уравнений связи между ними. Примерами производных величин могут служить: плотность вещества, определяемая как масса вещества, заключенного в единице объема; ускорение — изменение скорости за единицу времени и др.
В названии системы ФВ применяют символы величин, принятых за основные. Например, система величин механики, в которой в качестве основных используются длина (L), масса (М) и время (Т), называется системой LMT. Действующая в настоящее время международная система СИ должна обозначаться символами LMTIQNJ, соответствующими символам основных величин: длине (L), массе (М), времени (Т), силе электрического тока (I), температуре (Q), количеству вещества (N) и силе света (J).
Совокупность основных и производных единиц ФВ, образованная в соответствии с принятыми принципами, называется системой единиц физических величин. Единица основной ФВ является основной единицей данной системы. В Российской Федерации используется система единиц СИ, введенная ГОСТ 8.417-81 "ГСИ. Единицы физических величин". В качестве основных единиц приняты метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль и канделла (табл. 3.1).
Таблица 3.1
Основные и дополнительные единицы физических величин
системы СИ
| Величина | Единица | ||||
| Обозначение | |||||
| Наименование | Размерность | Рекомендуемое обозначение | Наименование | русское | международное |
| Длина | Основные | ||||
| L | метр | м | m | ||
| Масса | М | m | килограмм | кг | kg |
| Время | Т | t | секунда | с | s |
| Сила электрического тока | I | I | ампер | А | А |
| Термодинамическая температура | е | Т | кельвин | К | К |
| Количество вещества | N | n, v | моль | моль | mol |
| Сила света | j | J | канделла | кд | cd |
| Плоский угол | Дополнительные | ||||
| — | — | радиан | рад | red | |
| Телесный угол | — | — | стерадиан | ср | sr |
Производная единица — это единица производной ФВ системы единиц, образованная в соответствии с уравнениями, связывающими ее с основными единицами или же с основными и уже определенными производными. Производные единицы системы СИ, имеющие собственное название, приведены в табл. 3.2.
Таблица 3.2
Производные единицы системы СИ, имеющие специальное название
Для установления производной единицы следует:
• выбрать ФВ, единицы которых принимаются в качестве основных;
• установить размер этих единиц;
• выбрать определяющее уравнение, связывающее величины, измеряемые основными единицами, с величиной, для которой устанавливается производная единица. При этом символы всех величин, входящих в определяющее уравнение, должны рассматриваться не как сами величины, а как их именованные числовые значения; 68
• приравнять единице (или другому постоянному числу) коэффициент пропорциональности Ке, входящий в определяющее уравнение. Это уравнение следует записывать в виде явной функциональной зависимости производной величины от основных.
Установленные таким способом производные единицы могут быть использованы для введения новых производных величин. Поэтому в определяющие уравнения наряду с основными единицами могут входить и производные, единицы которых определены ранее.
Производные единицы бывают когерентными и некогеренты-ми. Когерентной называется производная единица ФВ, связанная с другими единицами системы уравнением, в котором числовой множитель принят равным единице. Например, единицу скорости образуют с помощью уравнения, определяющего скорость прямолинейного и равномерного движения точки: v = L/t, где L — длина пройденного пути, t — время движения. Подстановка вместо L и t их единиц в системе СИ дает v = 1м/c. Следовательно, единица скорости является когерентной.
Если уравнение связи содержит числовой коэффициент, отличный от единицы, то для образования когерентной единицы системы СИ в правую часть уравнения подставляют величины со значениями в единицах СИ, дающие после умножения на коэффициент общее числовое значение, равное единице. Например, если для образования когерентной единицы энергии применяют уравнение Е = 0,5mv2, где m — масса тела, v — его скорость, то когерентную единицу энергии можно образовать двумя путями:
Следовательно, когерентной единицей СИ является джоуль, равный ньютону, умноженному на метр. В рассмотренных случаях он равен кинетической энергии тела массой 2 кг, движущегося со скоростью 1 м/с, или же тела массой 1 кг, движущегося со скоростью Ö2̅ м/с.
Единицы ФВ делятся на системные и внесистемные. Системная единица — единица ФВ, входящая в одну из принятых систем. Все основные, производные, кратные и дольные единицы являются системными. Внесистемная единица — это единица ФВ, не входящая ни в одну из принятых систем единиц. Внесистемные единицы по отношению к единицам СИ разделяют на четыре вида:
• допускаемые наравне с единицами СИ, например: единицы массы — тонна; плоского угла — градус, минута, секунда; объема — литр и др. Внесистемные единицы, допускаемые к применению наравне с единицами СИ, приведены в табл. 3.3;
Таблица 3.3
Внесистемные единицы, допускаемые к применению наравне
с единицами СИ
| Наименование величины | Единица | ||
| Наименование | Обозна- чение | Соотношение с единицей СИ | |
| Масса | тонна | т | 103 кг |
| атомная единиц массы | а. е. м. | 1, 66057×10-27 кг (приблизительно) | |
| Время | минута | мин | 60 с |
| час | ч | 3600 с | |
| сутки | сут | 86400 с | |
| Плоский угол | градус | …° | (p/180) рад = 1, 745329. ..×10-2 рад |
| минута | ...′ | (p/10800) рад = 2,908882... ×10-4 рад | |
| секунда | ... ″ | (p/648000) рад = 4,848137...×10-4 рад | |
| град | град | (p/200) рад | |
| Объем | литр | л | 10-3 м 3 |
| Длина | астрономическая единица | а. е. | 1, 45598×1011 м (приблизительно) |
| световой год | св. год | 9,4605-Ю15 м (приблизительно) | |
| парсек | ПК | 3,0857×1016м (приблизительно) | |
| Оптическая сила | диоптрия | Дптр | 1 м-1 |
| Площадь | гектар | га | 104 м2 |
| Энергия | электрон-вольт | эВ | 1,60219×10-19Дж (приблизительно) |
| Полная мощность | вольт-ампер | ВА | — |
| Реактивная мощность | вар | вар | — |
• допускаемые к применению в специальных областях, например: астрономическая единица, парсек, световой год — единицы длины в астрономии; диоптрия — единица оптической силы в оптике; электрон-вольт — единица энергии в физике и т.д.;
• временно допускаемые к применению наравне с единицами СИ, например: морская миля — в морской навигации; карат — единица массы в ювелирном деле и др. Эти единицы должны изыматься из употребления в соответствии с международными соглашениями;
• изъятые из употребления, например: миллиметр ртутного столба — единица давления; лошадиная сила — единица мощности и некоторые другие.
Различают кратные и дольные единицы ФВ. Кратная единица — это единица ФВ, в целое число раз превышающая системную или внесистемную единицу. Например, единица длины километр равна 103 м, т.е. кратна метру. Дольная единица — единица ФВ, значение которой в целое число раз меньше системной или внесистемной единицы. Например, единица длины миллиметр равна 10~3 м, т.е. является дольной. Приставки для образования кратных и дольных единиц СИ приведены в табл. 3.4.
Таблица 3.4
Множители и приставки для образования десятичных кратных
и дольных единиц и их наименований
| Множитель | Приставка | Обозначение приставки | Множитель | Приставка | Обозначение приставки | ||
| международное | русское | международное | русское | ||||
| 1018 | экса | Е | Э | 10-1 | деци | d | д |
| 1016 | пета | Р | П | 10-2 | санти | с | с |
| 1012 | тера | Т | Т | 10-3 | МИЛЛИ | m | м |
| 109 | гига | G | Г | 10-6 | микро | m | мк |
| 106 | мега | М | М | 10-9 | нано | n | н |
| 103 | кило | k | к | 10-12 | пико | p | п |
| 102 | гекто | h | г | 10-15 | фемто | f | ф |
| 101 | дека | da | да | 10-18 | атто | а | а |
В системе СИ впервые введено понятие дополнительных единиц, к которым отнесены единицы плоского и телесного углов — радиан и стерадиан. Однако определения того, что же следует считать дополнительными единицами, не дано.