Единицы величин и размерности 1 Принципы построения

Единицы величин и размерности 1

Принципы построения системы единиц величин ØСистема физических величин – Совокупность физических величин, образованная в соответствии с принятыми принципами, когда одни величины принимают за независимые (основные величины), а другие (производные величины) определяют как функции независимых величин. ØСистемы физических величин, существовавшие в разные времена и в разных государствах, имели много отличий: Ø они использовали разные меры, Ø они имели разные кратности используемых единиц, Ø они имели разное количество основных и производных единиц. 2

Системы единиц, которые применялись до введения международной системы Система Гаусса (LMT – миллиметр, миллиграмм, секунда); 2. Система СГС (LMT+QJ – сантиметр, грамм, секунда + кельвин, кандела) распространяется на область тепловых и оптических величин; 3. Система МКС (LMT+QJ – метр, килограмм, секунда + кельвин, кандела) распространяется на область тепловых и световых величин; 4. Система МТС (LMT – метр, тонна, секунда); 5. Система МКГСС (LFT – метр, килограмм-сила, секунда). Область распространения – механика, теплотехника. Килограмм-сила– сила, равная весу тела массой 1 кг при нормальном ускорении свободного падения g 0 = 9, 80665 м/с2 1 кгс = 9, 80655 Н 1. 3

Системы единиц электромагнитных величин Электростатическая система единиц (система СГСЭ) При построении этой системы первой производной электрической единицей вводится единица электрического заряда с использованием закона Кулона в качестве определяющего уравнения. При этом абсолютная диэлектрическая проницаемость рассматривается безразмерной электрической величиной. Как следствие этого, в некоторых уравнениях, связывающих электромагнитные величины, появляется в явном виде корень квадратный из скорости света в вакууме. n Электромагнитная система единиц (система СГСМ). При построении этой системы первой производной электрической единицей вводится единица силы тока с использованием закона Ампера в качестве определяющего уравнения. При этом абсолютная магнитная проницаемость рассматривается безразмерной электрической величиной. В связи с этим, в некоторых уравнениях, связывающих электромагнитные величины, появляется в явном виде корень квадратный из скорости света в вакууме. n 4

Симметричная система единиц (система СГС). Эта система является совокупностью систем СГСЭ и СГСМ. В системе СГС в качестве единиц электрических величин используются единицы системы СГСЭ, а в качестве единиц магнитных величин– единицы системы СГСМ. В результате комбинации двух систем в некоторых уравнениях, связывающих электрические и магнитные величины, появляется в явном виде корень квадратный из скорости света в вакууме. n 5

Принципы построения системы единиц величин ØПри всех этих различиях, существовавшие системы физических величин имели общие черты: Ø наличие общепризнанных (узаконенных для данного государства) мер для воспроизведения единиц физических величин, Ø наличие связей между отдельными мерами для образования производных единиц, Ø наличие системы передачи размеров единиц физических величин. ØПередача размера единицы – приведение размера единицы физической величины, хранимой средством измерений, к размеру единицы, воспроизводимой или хранимой эталоном 6

Принципы построения системы единиц величин Взаимосвязи физических величин в системе отражаются с помощью такого важного понятия как размерность – (от dimension). Размерность величины представляет собой выражение в форме степенного многочлена, раскрывающее связь физической величины Q с основными физическими величинами. Например, в системе LMT, принятой в механике, в которой в качестве основных единиц используются длина L, масса M, время T, размерность имеет вид: Показатели a, b, g называются показателями размерности. В частности, размерность скорости а размерность силы , 7

Принципы построения системы единиц величин Над размерностями можно производить действия: умножения, деления, возведения в степень и извлечение корня. Понятие размерности широко используется: Ø для перевода единиц из одной системы в другую; Ø для проверки правильности расчётных формул, полученных в результате теоретического вывода; Ø при выяснении зависимости между ними; Ø в теории физического подобия. 8

Принципы построения системы единиц величин Размерность производной величины – простейшее уравнение связи, определяющее величину, с коэффициентом пропорциональности равным единице. Однако при этом размерность не отражает физическую природу величины. В частности, у ряда различных по природе величин размерности оказываются одинаковыми. Например, работа и момент силы имеют одну и ту же размерность: Кроме того, размерность не раскрывает способ измерения величины, за исключением простейших случаев, когда уравнение связи совпадает с выражением размерности, что к примеру характерно для площади квадрата. 9

Принципы построения системы единиц величин 1. Уравнения связи между величинами, в которых под буквенными символами понимаются физические величины: X=f (X 1, X 2, …Xm) (1) X 1, X 2, …Xm – величины, связанные с измеряемой величиной Х некоторым уравнением связи. 2. Уравнения связи между числовыми значениями величин, в которых под буквенными символами понимаются числовые значения физических величин: n X = q [X]; X 1 = q 1 [X 1]; X 2 = q 2 [X 2]; X m = q m [ X m] Где q, q 1, …qm – числовые значения; [X], [X 1], …, [Xm] – единицы величин Уравнение связи между числовыми значениями можно привести к уравнению размерности. 10

Принципы построения системы единиц величин Зависимости между единицами измерений, проявляющиеся в физических законах, позволяют получать производные единицы системы, понятие которых впервые было введено К. Гауссом. Наименования и обозначения производных величин могут быть получены: Ø из наименований и обозначений основных единиц; Ø с использованием специальных наименований и обозначений; Ø из наименований и обозначений основных и специальных наименований и обозначений производных единиц; Ø с использованием кратных и дольных приставок и множителей. 11

Принципы построения системы единиц величин Производные единицы бывают: когерентными и некогерентными. Когерентной называется производная единица, связанная с другими единицами системы уравнением, в котором числовой множитель принят равным единице. Например, единицу скорости образуют с помощью уравнения, определяющего скорость прямолинейного равномерного движения точки: v = L/ t , где L – длина пройденного пути; t – время движения. Подстановка вместо L и t их единиц дает v = 1 м/с. Следовательно, единица скорости является когерентной. 12

Принципы построения системы единиц величин n n n n При построении системы физических величин подбирается такая последовательность определяющих уравнений, в которой каждое последующее уравнение содержит только одну новую производную величину, что позволяет выразить эту величину через совокупность ранее определенных величин, а, в конечном счете, через основные величины системы величин. Чтобы найти размерность производной физической величины в некоторой системе величин, надо в правую часть определяющего уравнения этой величины вместо обозначений величин подставить их размерности. Так, например, поставив в определяющее уравнение скорости равномерного движения v = ds/dt вместо ds размерность длины L и вместо dt размерность времени T, получим dim v = L / T =LT-1 Подставив в определяющее уравнение ускорения a = dv/dt вместо dt размерность времени T и вместо dv найденную выше размерность скорости LT-1 , получим dim a = LT-2 Зная размерность ускорения по определяющему уравнению силы F = ma, получим: dim F = M∙LT-2 = LMT-2 Зная размерность силы, можно найти размерность работы, затем 13 размерность мощности и т. д.

Принципы построения системы единиц величин Примечание: Если уравнение связи содержит числовой коэффициент, отличный от единицы, то для образования когерентной единицы SI в правую часть уравнения подставляют величины со значениями в единицах SI, дающие после умножения на коэффициент общее числовое значение, равное единице. 14

Принципы построения системы единиц величин Например, если для образования когерентной единицы энергии применяют уравнение где m – масса тела; v – его скорость, то когерентную единицу энергии можно образовать двумя путями: Следовательно, когерентной единицей SI 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 тела массой 1 кг, движущегося со скоростью м/с. 15

Международная система единиц (SI) На территории РФ система единиц (СИ) действует с 01. 1982 г. В соответствии с ГОСТ 8. 417 -81 (Сейчас ГОСТ 8. 417 -2002) В настоящее время включает 7 основных единиц 16

Определение и содержание основных единиц СИ n n n Определение и содержание основных единиц СИ. В соответствии с решениями Генеральной конференции по мерам и весам (ГКМВ), принятыми в разные голы, в настоящее время действуют следующие определения основных единиц СИ. Единица длины — метр— длина пути, проходимого светом в вакууме за 1/299792458 доли секунды (решение XVII ГКМВ в 1983 г. ). Единица массы — килограмм — масса, равная массе международного прототипа килограмма (решение I ГКМВ в 1889 г. ). Единица времени — секунда — продолжительность 9192631770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133, не возмущенного внешними полями (решение XIII ГКМВ в 1967 г. ). Единица силы электрического тока — ампер —сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого кругового сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, создал бы между этими проводниками силу, равную 2 • 10 -7 Н на каждый метр длины (одобрено IX ГКМВ в 1948 г. ). 17

Определение и содержание основных единиц СИ n n n Единица термодинамической температуры — кельвин (до 1967 г. имел наименование градус Кельвина) — 1/273, 16 часть термодинамической температуры тройной точки воды. Допускается выражение термодинамической температуры в градусах Цельсия (резолюция XIII ГКМВ в 1967 г. ). Единица силы света — кандела — сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540∙ 1012 Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср (резолюция XVI ГКМВ в 1979 г. ). Единица количества вещества — моль — количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько атомов содержится в нуклиде углерода-12 массой 0, 012 кг (резолюция XIV ГКМВ в 1971 г. ) 18

Определение и содержание основных единиц СИ n n Моль не является в чистом виде основной единицей, поскольку имеет связь с другой основной единицей — килограммом. Вообще говоря, широкого применения, как другие основные единицы СИ, единица количества вещества не получила. Эталоны моля до сих пор не созданы. Одной из причин здесь является то, что масса одного моля для различных веществ (структурных элементов) различна. В последние годы метрологи на научных конференциях предлагают исключить моль из числа основных единиц СИ, переведя ее в разряд специальной единицы массы или производной величины. Однако в последние годы произошел «поворот» в деятельности по оценке количества вещества, связанный с применением метрологии в медицине, химии, фармацевтике, пищевой промышленности, охране окружающей среды: Международный комитет мер и весов создал новый Консультативный комитет по количеству вещества, ведется международный «проект Авогадро» в целях создания нового эталона массы на базе чистого изотопа кремния, с 1999 г. Официально введена новая производная единицы SI — катал (моль в секунду) для измерения каталитической активности ферментов. Единица была принята по ходатайству Консультативного комитета по единицам (ККЕ), Международной федерации клинической химии и лабораторной медицины, Международного союза биохимиков. 19

ГОСТ 8. 417 -2002 ГСИ. Единицы величин Образование производных единиц величин: 1. из наименований и обозначений основных единиц: Обозначение Единица измерений международно е русско е Размерность Выражение через основные единицы Площадь квадратный метр m 2 м 2 L 2 m 2 Объём кубический метр m 3 м 3 L 3 m 3 Скорость метр в секунду m/s м/с LT-1 m-1∙kg∙s-2 Плотность кубический метр на килограмм m 3/kg м 3/кг L 3 M-1 m 3∙kg-1 Наименование величины 20

ГОСТ 8. 417 -2002 ГСИ. Единицы величин Образование производных единиц величин: 2. с использованием специальных наименований и обозначений: Обозначение Наименование величины Единица измерени международно й е русско е Размерность Выражение через основные единицы Частота герц Hz Гц T-1 s-1 Сила ньютон N Н LMT-2 m∙kg∙s-2 Давление паскаль Pa Па L-1 MT-2 m-1∙kg∙s-2 Энергия, работа, джоуль количество теплоты J Дж L 2 MT-2 m 2∙kg∙s-2 Мощность ватт W Вт L 2 MT-3 m 2∙kg∙s-3 Электрический заряд кулон C Кл TI s∙A 21

ГОСТ 8. 417 -2002 ГСИ. Единицы величин Образование производных единиц величин: 3. из наименований и обозначений основных и специальных наименований и обозначений производных единиц: Обозначение Единица измерений международно е русско е Размерность Выраже-ние через основные единицы Момент силы ньютон-метр N∙m Н∙м L 2 M-2 T m 2∙kg-2∙s Теплоемкость джоуль на кельвин J/ К Дж/К L 2 MT-2 -1 m∙kg∙s-2 Напряжённость электрического поля вольт на метр V/m В/м LMT-3 I-1 m∙kg∙s-3∙A-1 Яркость кандела на квадратный метр kd/m 2 кд/м 2 L-2 J m-2∙kd Наименование величины 22

ГОСТ 8. 417 -2002 ГСИ. Единицы величин Образование производных единиц величин: 4. с использованием кратных и дольных приставок и множителей: Десятичный множитель Приставка Обозначение Десямежду- русское тичный множинародтель ное Приставка Обозначение между- русское народное 1015 пета Р П 10 -1 деци d д 1012 тера Т Т 10 -2 санти c с 109 гига G Г 10 -3 милли m м 106 мега М М 10 -6 микро μ мк 103 кило k к 10 -9 нано n н 102 гекто h г 10 -12 пико p п 101 дека da да 10 -15 фемто f ф 23

ГОСТ 8. 417 -2002 ГСИ. Единицы величин Из правил написания единиц величин: Правило Правильно Неправильно 100 к. Вт 20 °С 80 % 100 к. Вт 20°С 80% 30° 30 ° При наличии десятичной дроби в числовом значении обозначение помещают за всеми цифрами 423, 06 м 423 м, 06 Числовые значения с предельными отклонениями заключают в скобки, а обозначения единиц помещают за скобками (100, 0 ± 0, 1) кг 100, 0 ± 0, 1 кг Между последней цифрой числа и обозначением единицы оставляют пробел Исключения составляют обозначения в виде знака, поднятого над строкой, перед которым пробел не оставляют 24