Системы единиц физических величин


Единицы физических величин, образующие какую-нибудь систему, называются системными единицами, а единицы, не входящие ни в одну из систем, - внесистемными например, тонна, литр, час, сутки и т.д. Впервые понятие о системе единиц физических величин ввел немецкий ученый К.Гаусс. Первоначально были созданы системы единиц, основанные на трех основных единицах, принятых в той или иной стране, например, для метрических единиц распространение получила система МКС (метр, килограмм, секунда). В научных трудах по физике до настоящего времени используется система СГС (сантиметр, грамм, секунда). В технике используется система единиц МКГСС (метр, килограмм- силы, секунда), но из-за сходности наименования единицы силы -  килограмм-сила и метрической единицы массы- килограмма, а также своей несогласованностью с практическими электрическими единицами  она не получила широкое применение.

Использование этих систем не охватывало всех физических величин, поэтому для отдельных отраслей науки и техники системы единиц были расширены путем добавления еще одной основной единицы. Так появилась система тепловых единиц МКСГ (метр, килограмм, секунда, градус), система единиц для электрических и магнитных измерений МКСА (метр, килограмм, секунда, ампер). Быстрый рост науки, техники, экономики, международных связей  неудобства использования существующих систем и большого числа внесистемных единиц – все это вызывало необходимость создания единой универсальной системы единиц. Генеральная конференция по мерам и весам в 1954 г. определила шесть основных единиц физических величин, рекомендуемых для их использования в международных отношениях: метр, килограмм, секунда, ампер, градус Кельвина и свеча.

В 1960 г. одиннадцатой Генеральной конференцией по мерам и весам была утверждена Международная система единиц SI (CИ) как наиболее прогрессивная система, унифицирующая единицы измерений в международном масштабе.  Система СИ была введена в действие в России с 1963 года. Эта система, согласно Стандарту, должна применяться как предпочтительная во всех областях науки и техники. В последующие годы Генеральная конференция приняла ряд дополнений и изменений, в результате чего в системе вместо шести стало семь основных единиц, дополнительные и производные единицы физических величин.

Учитывая, что в ряде областей измерения широко распространены другие системы единиц и некоторые внесистемные единицы, Государственные стандарты допускают к применению для механических измерений системы СГС - (сантиметр, граммы, секунды) и МКГСС (метр,  килограмм - сила, секунда), а также внесистемные единицы - микрон, ангстрем, тонна,  центнер, бар, литр, миллиметр ртутного столба и др.

В России допущены к применению следующие единицы измерений, указанные Государственными Стандартами:

ГОСТ 7664-61 - механические единицы;

ГОСТ 7932-56 - световые единицы;

ГОСТ 8033-56 - электрические и магнитные единицы;

ГОСТ 8550-61 - тепловые единицы;

ГОСТ 8848-58 - единицы рентгеновского и гамма-излучений и радиоактивности;

ГОСТ 8849-58 - акустические единицы.

Международная система СИ имеет семь основных единиц и две дополнительные. Основные:

Единица длины

- метр – длина пути,  которую проходит свет в вакууме за 1/299792458 долю секунды; (м).

Единица массы - килограмм - представлен массой международного прототипа килограмма  (цилиндр  из  платино-иридия размерами 39 на 39 мм); (кг).

В 1899 году было изготовлено 43 образца, Россия получила 2 из них N12 и N26.  Первый - Государственный эталон. Второй - эталон копия.

Напоминаем, что килограмм силы – это сила, сообщающая массе, равной массе международного прототипа  килограмма, ускорение, равное 9,80665 м/с2; (Н).

Единица времени - секунда – продолжительность, равная 9 192 631 770 периодам излучения, которая соответствует переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133 при отсутствии возмущения со стороны внешних полей; (с).

Единица силы электрического тока - ампер - сила не изменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным  прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого поперечного сечения, расположенным на расстоянии 1м  руг от друга в вакууме, вызвал бы на каждом участке проводника длиной 1м силу взаимодействия, равную 2·10-7 Н; (А).

Единица термодинамической температуры - кельвин – 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды; допускается также применение  шкалы Цельсия; (К).

Единица количества вещества – моль – количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов (атомов, молекул, электронов и др.), сколько атомов содержится в углероде-12 массой 0,012 кг; (моль).

Единица силы света – кандела – сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540·1012 Гц, энергетическая сила которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср; (К).

Дополнительные:

Единица плоского угла - радиан - угол между двумя радиусами окружности, длина дуги между которыми равна радиусу; (рад). В градусном исчислении радиан равен 57º17'48

Единица телесного угла - стерадиан - угол,  вершина которого расположена в  центре сферы и который вырезает на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной, равной радиусу сферы; (ср).

Радиан и стерадиан применяют в основном для теоретических построений и расчетов (например, в светотехнике – стерадиан), для практических прямых измерений их не используют, а плоские углы чаще всего измеряют в угловых градусах, минутах и секундах. Эти внесистемные единицы допущены к применению наравне с единицами Международной системы и в них градуировано большинство угломерных приборов.

В практике измерений часто применяют разрешенные внесистемные единицы например, для массы -  тонна; для времени - минута, час, сутки, неделя, месяц, год, и т.д.

2. Модели измерительного процесса

Всякая реальная система, материальный объект характеризуется бесконечным числом переменных. Когда мы описываем, характеризуем систему, мы, исходя из  своих предположений, делаем бесконечное число различных выборов из конечного числа переменных. Таким образом фактически исследуется не подлинная система, не подлинное физическое явление, а его модель, в определенном смысле подобная истинной системе.

Модель - система, не отличимая от моделируемого объекта в  отношении  некоторых  его свойств, именуемых существенными, и отличная от него в  отношении  других свойств, называемых несущественными.

В теории моделирования различают три принципиальных способа.

Полное моделирование - обеспечивается подобие  движения материи во времени и пространстве. Различие между объектом исследования и моделью количественное, масштабное.

Неполное моделирование - здесь протекание основных процессов, характеризующих изучаемое  явление  или  процесс, подобно только частично.

Приближенное моделирование  -  способ,  применяемый наиболее часто,  при котором некоторые факторы, влияющие на процесс,  но  не  оказывающие   на   него   решающего действия, либо  вовсе не моделируются либо моделируются  приближенно, грубо.

При современных исследованиях под моделью стали понимать и круг научных гипотез, позволяющих описывать известные и предсказывать новые явления.

Любое понятие,  определенное через способ измерения или через другие сопоставимые и измеримые понятия,  отделяется от своего прообраза и становится моделью.

Для получения оценок качества измерения и выработки требования к  измерительной аппаратуре прибегают к моделям измерительного процесса,  выделяя главные явления  и факторы.

Каноническая модель измерительного процесса, понимаемого как эксперимент, условия которого строго определены и соблюдаются, строилась в метрологии при следующих ограничениях:

- измеряемая физическая величина сохраняет неизменным на протяжении  всего  цикла измерения свое истинное значение, которое можно охарактеризовать ее одним, так называемым действительным значением, лежащем внутри интервала остаточной неопределенности  (доверительный  интервал);

- время измерения не ограничено и сравнение с мерой может выполняться  принципиально как угодно долго и тщательно;

- внешние  условия  и влияющие на результат факторы точно определены.

Но так как практические задачи измерительной техники отличаются от   идеализированного метрологического эксперимента сравнения  с мерой, то и изменяется модель измерительного процесса,  т.е.  производится оценка  качества измерения  на  основе теоретически-вероятностного подхода.

Вероятностная модель измерительного процесса (информационная) - измеряемая физическая величина  рассматривается как случайный процесс,  содержащий интересующую нас информацию о состоянии исследуемого объекта и описывается случайной последовательностью действительных значений или же обобщенными характеристиками такой последовательности , истинное (мгновенное) значение измеряемой величины может  оставаться  неопределенным на данном интервале процесса измерения;

            - измерение,  в общем случае,  рассматривается  как последовательность операций,  время  выполнения  которых ограничено и конечно; непосредственное сравнение с мерой неосуществимо;

            - характеристики  измерительного  устройства  могут изменяться во  времени и под влиянием внешних факторов, переменных по своей природе /эти изменения  рассматриваются как случайные процессы,  влияющие на конечную неопределенность результата измерений/.

            Указанные раньше основные группы классической модели являются частным случаем вероятностной модели. Необходимость введения  вероятностной  модели измерительного процесса вызвана прежде всего  задачей  оценки  качества измерения меняющихся  во времени величин (проблема динамической точности), которая не нашла удовлетворительного решения в рамках классической метрологии.


Предыдущие материалы: Следующие материалы: