Системи фізичних одиниць. Міжнародна система СІ
СІ є розвитком метричної системи мір, яка була створена французькими вченими й уперше широко впроваджена після Великої французької революції. До введення метричної системи одиниці вимірювання вибиралися випадково й незалежно одна від одної, тому перерахування з однієї одиниці в іншу було складним. Крім того, у різних місцях застосовувалися різні одиниці, іноді з однаковими назвами. Метрична система повинна була стати зручною і єдиною системою мір і ваг.
У 1799 р. були затверджені два еталони – для одиниці довжини (метр) і для одиниці маси (кілограм).
У 1874 р. була введена система СГС, що базувалася на трьох одиницях – сантиметр, грам і секунда. Були також введені десяткові префікси від мікро до мега.
У 1889 р. 1-а Генеральна конференція з мір і ваг прийняла систему мір, подібну до СГС, яка базувалася на метрі, кілограмі й секунді, тому що ці одиниці були визнані більш зручними для практичного використання.
Надалі були введені базові одиниці для фізичних величин у галузі електрики й оптики.
У 1960 р. XI Генеральна конференція з мір і ваг прийняла стандарт, що вперше одержав назву „Міжнародна система одиниць СІ”.
У 1971 р. на XIV Генеральній конференції з мір і ваг було внесено зміни в СІ, зокрема, додано одиницю кількості речовини (моль).
Рис. 2.1. Міжнародний еталон метра, що використовувався з 1889 до 1960 року.
Основними одиницями СІ є метр, кілограм, секунда, ампер, кельвін, кандела, моль, а додатковими – радіан та стерадіан.
Розмірність основних величин системи – це їх позначення, наприклад L, M, Т, а розмірність похідної величини X має, наприклад, вигляд:
dim X=LαMβTγ, (2.1)
де α, β, γ – показники розмірності.
Метр (позначення: м, m; від давньогрецьк. мέτρον – міра, вимірювач) – одиниця вимірювання довжини та відстані в СІ. Метр дорівнює відстані, яку проходить світло у вакуумі за проміжок часу, що дорівнює 1/299 792 45 секунди.
Кілограм (позначення: кг, kg) – одиниця вимірювання маси, одна з основних одиниць СІ.
Кілограм визначається як маса еталона кілограма, що зберігається в Міжнародному бюро мір і ваг (розташовано в м. Севр біля Парижа). Це циліндр діаметром і висотою 39 мм із платино-іридієвого сплаву (90 % платини, 10 % іридію) (рис. 2.2). Спочатку кілограм визначався як маса одного кубічного дециметра (літра) чистої води при температурі 4°C і стандартному атмосферному тиску.
Секунда (позначення: s, с) – одиниця вимірювання часу, одна з основних одиниць СІ та СГС.
Одна секунда – це інтервал часу, що дорівнює 9 192 631 770 періодам випромінювання й відповідає переходу між двома надтонкими рівнями основного стану атома цезію-133 за відсутності збурення зовнішніми полями.
Таблиця 2.2
Основні та додаткові одиниці СІ
Величина | Одиниця | |||
назва | розмірність | назва | позначення | |
міжнародне | українське | |||
Довжина | L | Метр | m | м |
Маса | M | Кілограм | kg | кг |
Час | T | Секунда | s | с |
Сила електричного струму | I | Ампер | A | А |
Термодинамічна температура | Q | Кельвін | K | К |
Кількість речовини | N | Моль | mol | моль |
Сила світла | J | Кандела | cd | кд |
Плоский кут | - | Радіан | rad | рад |
Тілесний кут | - | Стерадіан | sr | ср |
Рис. 2.2. Еталон кілограма
Ампер (позначення: А) – одиниця вимірювання сили електричного струму в системі СІ.
Ампер дорівнює силі такого постійного струму, який, проходячи по двох прямих паралельних провідниках нескінченної довжини з незначним поперечним перерізом, розташованих на відстані в 1 метр один від одного у вакуумі, створював би між цими провідниками силу, що дорівнювала б 2·10−7 ньютонам на метр довжини.
Ампер названий на честь французького фізика Андре Ампера.
Ке́львін (позначення: K) – одиниця вимірювання температури в СІ, запропонована в 1848 році.
Один кельвін дорівнює 1/273,16 термодинамічної температури потрійної точки води. Початок шкали (0 К) збігається з абсолютним нулем. Кельвін за розміром збігається із градусом Цельсія.
Одиниця названа на честь англійського фізика Вільяма Томсона, який за королівським указом одержав титул барона Кельвіна Ларгського з Айршира. У свою чергу, це звання пішло від річки Кельвін, що протікає через територію університету в Глазго.
Кандела (позначення: кд, cd) – одиниця вимірювання сили світла. Це одна з семи основних одиниць вимірювання системи СІ. Вона дорівнює силі світла монохроматичного випромінювання частотою 540·1012 Гц, що випускається в заданому напрямку джерелом, енергетична сила світла якого в цьому напрямку становить 1/683 Вт/ср.
Вибрана частота відповідає зеленому кольору. Людське око має найбільшу чутливість у цій зоні спектра. Якщо випромінювання має іншу частоту, то для досягнення тієї ж сили світла потрібна більша енергетична інтенсивність.
Раніше кандела визначалася як сила світла, випромінюваного чорним тілом перпендикулярно поверхні площею 1/60 см² при температурі плавлення платини (2042,5 К). У сучасному визначенні коефіцієнт 1/683 обраний таким чином, щоб нове визначення відповідало старому.
Моль (позначення: моль, mol) – одиниця вимірювання кількості речовини в СІ. Відповідає кількості речовини, що містить стільки специфікованих структурних одиниць (атомів, молекул, іонів, електронів або будь-яких інших часток), скільки міститься атомів у 0,012 кг ізотопу вуглецю 12C.
Кількість часток в одному молі будь-якої речовини постійна й зветься числом Авогадро (NA).
NA = 6,02214179(30)∙1023 моль−1. (2.2)
Радіан (позначення: рад, rad) дорівнює куту між двома радіусами кола, дуга між якими дорівнює радіусу.
Стерадіан (позначення: ср,cr) дорівнює тілесному куту з вершиною в центрі сфери, який вирізає на поверхні сфери площу, що дорівнює площі квадрата зі стороною, яка дорівнює радіусу сфери.