Из уравнения измерения (1.1) видно, что числовые значения измеряемых величин зависят от того, какие используются единицы измерения.
Если допустить произвол в выборе единиц измерения, то это приведет к нарушению единства измерений. Поэтому стандартизации единиц измерений и их совокупности, называемой системой единиц, в метрологии придается первостепенное значение.
В вопросе выбора единиц ФВ все крупные области измерений в процессе своего развития проходили несколько этапов.
1-й этап. Единицы ФВ появляются по мере их практической необходимости. Они плохо определены и еще хуже взаимосвязаны, часто находятся во взаимном противоречии.
2-й этап. Появление абсолютных систем единиц, содержащих ограниченное число основных единиц и производные единицы, определяемые через основные.
 |
Свойства объекта
Физический объект
Физическая
величина
 |
Измерение Q – размер физической величины
Средство измерительной
техники
 |
значение
меры (единица
измерения ФВ)
 |
Мера
 | |||
 |
Рисунок 1.1 – Сущность измерений
3-й этап. Трансформация систем единиц таким образом, чтобы была возможность воспроизведения единиц с максимальной точностью с помощью эталонов и эталонных методов. В результате появляется современная метрическая система мер, определяемая через международные прототипы метра и килограмма. Аналогично определялись международные электрические единицы (через эталон - для ома и эталонный метод - для ампера), а также международная шкала температур, определяемая посредством реперных точек, т.е. точек кипения и затвердевания ряда веществ (кислород, сера, серебро, золото и др.).
4-й этап. Создание универсальной системы естественных мер, базирующейся на макроскопических квантовых эффектах (сверхпроводимости, сверхтекучести, и квантовом эффекте Холла и т.д.).
Принципы формирования рациональной системы единиц сформулировал Гаусс в 1832 г.:
а) составление системы уравнений, выражающих зависимость между всеми величинами, для которых необходимо установить единицы измерения;
б) выбор основных единиц на основании анализа системы уравнений;
в) образование производных единиц;
г) образование кратных и дольных единиц (кратные единицы равны целому числу основных или производных единиц, дольные - составляют определенную долю основной или производной единицы).
По мере развития науки возникло огромное множество систем единиц, что тормозило научно-технический прогресс. Поэтому в 1960 г. XI-я Генеральная конференция по мерам и весам приняла Международную систему единиц ФВ, известную у нас как система СИ. Эта система введена в 1982 г. и законодательно закреплена в Украине в ДСТУ 3651. 0-2 - 97 “Метрология. Единицы физических величин”.
В системе семь основных единиц (табл.1.1): единица длины - метр, единица массы - килограмм, единица времени - секунда, единица силы тока - ампер, единица термодинамической температуры - кельвин, единица силы света - кандела, единица количества вещества - моль.
В ДСТУ даны обозначения, наименования и определения перечисленных единиц (табл. 1.1), а также правила образования кратных и дольных единиц, их наименований и обозначений (табл. 1.2), производные и внесистемные единицы, физические постоянные и характеристические числа, их понятия, наименования и обозначения. Приведенные в ДСТУ физические величины их единицы, наименования, обозначение и правила применения соответствуют аналогичным требованиям международных стандартов ISO 31:1992 и ISO 1000:1992.
В системе СИ используются десятичные кратные и дольные единицы, которые образуются с помощью множителей, а их названия и обозначения – из названий и обозначений исходных единиц с помощью соответствующих приставок.
Таблица 1.1- Основные единицы международной системы СИ
| Физическая величина | Единицы физических величин | |||
| Наименование | Размерность | Наименование | Обозначение | |
| Международ. | Русское | |||
| Длина | L | метр | m | м |
| Масса | M | килограмм | kg | кг |
| Время | T | секунда | s | c |
| Сила тока | I | ампер | A | А |
| Сила света | J | кандела | cd | кд |
| Термодина- мическая температура | Q | кельвин | K | К |
| Количество вещества | N | моль | mol | моль |
Таблица 1.2 - Множители и приставки для образования десятичных кратных и дольных единиц и их наименование
| Мно-житель | Приставка | Обозначение приставки | Множи-тель | Приставка | Обозначение приставки | ||
| Меж-дуна-родное | Русское | Меж-дуна- родное | Русское | ||||
| 1024 | Йотта | Y | Й | 10-1 | Деци | d | д |
| 1021 | Зетта | Z | ЗТ | 10-2 | Санти | c | с |
| 1018 | Экса | E | Э | 10-3 | Милли | m | м |
| 1015 | Пета | P | П | 10-6 | Микро | m | мк |
| 1012 | Тера | T | Т | 10-9 | Нано | n | н |
| 109 | Гига | G | Г | 10-12 | Пико | p | п |
| 106 | Мега | M | М | 10-15 | Фемто | f | ф |
| 103 | Кило | k | к | 10-18 | Атто | a | а |
| 102 | Гекто | h | г | 10-21 | Зепто | z | зп |
| 101 | Дека | da | да | 10-24 | Йокто | y | й |
При образовании кратных и дольных единиц необходимо придерживаться следующих правил:
1) присоединение к наименованию единицы двух и более приставок подряд не допускается, например, вместо микромикрофарад следует писать пикофарад;
2) приставка пишется слитно с наименованием единицы, к которой она присоединяется;
3) если единица образована как произведение или отношение единиц, приставку следует присоединять к наименованию первой единицы, входящей в произведение или в отношение, например, килоампер/метр, а не ампер/ миллиметр;
4) наименования кратных и дольных единиц от единицы возведенной в степень, следует образовывать путем присоединения приставки к наименованию исходной единицы, например, квадратный километр;
5) обозначения кратных и дольных единиц от единицы возведенной в степень, следует образовывать добавлением соответствующего показателя степени к обозначению кратной или дольной от этой единицы, причем показатель означает возведение в степень кратной или дольной единицы (вместе с приставкой), например, 5 км2= 5 (103м)2=5 ·106м2.
Производные единицы СИ следует образовывать из основных и дополнительных единиц СИ по правилу образования когерентных производных единиц, которое осуществляется следующим образом.
В общем случае производная величина Q может быть выражена через основные величины А, В, С,... как
Q=KA a B b C g ..., (1.2)
где a, b, g- показатели размерности, К - некоторый безразмерный коэффициент.
Выражая размеры производной и основных величин через их значения, можно записать
q [ Q ] =Ka a[ A ]a b b[ B ]b c g[ C ]g ..., (1.3)
Поскольку справедливо выражение
q=K aa bb cg..., (1.4)
то с его учетом (1.3) можно переписать в следующем виде:
[ Q ] = [ A ]a [ B ]b [ C ]g .... (1.5)
Таким образом, когерентные производные единицы образуют при помощи простейших уравнений связи между величинами, в которых коэффициенты равны 1.
Пример. Если для образования единицы энергии используют уравнение
,
где Е - кинетическая энергия;
m - масса материальной точки;
V - скорость движения точки,
то когерентную единицу энергии в системе СИ образуют следующим образом
.
Следовательно, единицей энергии в системе СИ является джоуль. В приведенном примере он равен кинетической энергии тела массой 2 кг, движущегося со скоростью 1 м/с.
