Физические величины и системы единиц

Каждая из величин, используемых при описании механических явлений (расстояние, время, скорость, ускорение, масса, сила и т.д.), а также любая физическая величина должна иметь отчет­ливое (однозначное) определение, из которого должно быть совершенно ясно, что понимается под этой величиной, каким образом следует производить ее измерение и как определяется результат измерения. Для каждой физической величины результат измерения выражается в определенных единицах.

Измерение некоторых физических величин требует исполь­зования заранее выработанных эталонов этой величины. Напри­мер, для измерения расстояний необходимо иметь эталон длины — метр; для измерения времени используются эталонные часы, со­гласованные с вращением Земли вокруг своей оси или Солнца;

для измерения массы при помощи соотношений (1) или (2) необ­ходимо заранее выбрать эталон массы

;

и т. д. Эталоны физических величин не должны изменяться с тече­нием времени или в процессе измерений. Поэтому некоторые из них хранятся в стационарных условиях в Палатах мер и весов. Для практических измерений используются копии с этих этало­нов, тщательно сверенные с оригиналами. Физические величины, для измерения которых выбраны соответствующие эталоны, на­зываются основными. Ввиду того что постоянство (неизменяе­мость) эталонов в процессе измерений невозможно контролиро­вать и обеспечить, число основных величин должно быть мини­мальным.

Кроме основных величин, в физике применяется большое количество производных величин, измерение которых сводится к измерению основных величин. Например, для измерения скорости и ускорения необходимо измерить время и путь пройденный движу­щимся телом:

;

Таким образом, для каждой производной величины указывает­ся определенная формула, показывающая, каким образом должна рассчитываться эта величина по результатам измерений основных величин.

Определения, способы измерения и единицы основных и производных физических величин составляют так называемую систему единиц. Существует несколько различных систем единиц, которые отличаются друг от друга по составу основных величин. В системах типа LTM основными величинами выбраны: длина (расстояние) – L, время – Т и масса – М. В системах типа LTF основными являются длина, время и сила – F.В настоящее время преимущественной системой единиц принята Международная система единиц (сокращенно называемая СИ, т.е. система интернациональная), относящаяся к системам типа LTM. Кроме того, в физике широко применяется другая система того же типа – СГС. Система типа LTF применяется в технических измерениях, в которых используется единица си­лы — килограмм-сила (кгс). Однако в связи с введением Между­народной системы единиц системы типа LTF будут постепенно вы­тесняться из измерительной практики.

В Международной системе единиц физических величин (СИ) даны следующие определения для основных величин.

Метр — длина, равная 1650 763,73 длин волн в вакууме излучения, соответствующего переходу между уровнями 2рю и 5с15 атома криптона=86.

Это определение позволяет воспроизводить метр с гораздо' большей точностью (Ю^-9), чем снятие копий от платино-иридиевого эталона с двумя штрихами. Указанное излучение соответствует оранжевой линии в спектре криптона с атомным весом 86, а сим­волы 2рю и 5а₅ условно обозначают два стационарных состояния этого атома, переход между которыми сопровождается указанным излучением.

Килограмм — единица массы — представлен массой Международного эталона килограмма. Масса этого эталона на 0,000028 кг больше массы одного кубического дециметра хими­чески чистой воды при температуре, соответствующей наибольшей ее плотности (3,98° С).

Секунда — 9 192 631770 периодов излучения, соответ­ствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основ­ного состояния атома цезия-133.

Пользуясь единицами измерения этих основных физических величин, можно дать определение для единиц измерения других величин. Например, ньютон — сила, сообщающая телу с массой 1 кг ускорение 1м/с² в направлении действия силы (или сила, изменяющая скорость тела с массой в 1 кг на 1 м/с за секунду) [3]:

В абсолютной системе единиц СГС (сантиметр-грамм-секунда) единицей силы является дина — сила, сообщающая массе в 1 г (10~'^! кг) [4] ускорение, равное 1 см/с²(10~² м/с²) [5], поэтому 1 дина составляет 10~ ньютон.