Метрология




Международная система единиц физических величин - СИ



Когерентная, или согласованная Международная система единиц физических величин СИ (SI - от французского - Le Système International d’Unités) принята в 1960 г. XI Генеральной конференцией по мерам и весам.
По этой системе предусмотрено семь основных единиц (метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, кандела и моль) и две дополнительные (для плоского угла радиан и для телесного угла - стерадиан).
Все остальные физические величины могут быть получены как производные основных.

***

История появления системы единиц СИ

Появление Международной системы единиц СИ связано с интенсивным развитием науки и техники, которое тормозилось путаницей, обусловленной применяемыми в разных странах разномастными единицами измерения физических величин, в первую очередь - длины, массы и времени. Ученый мир все чаще задумывался над тем, чтобы привести имеющийся беспорядок в системах мер к единой международной системе.
В результате отбора наиболее оптимальных вариантов из многочисленных идей, предложенных учеными многих стран для систематизации измерений, 22 июня 1799 года во Франции впервые были изготовлены два эталона из платины для измерения длины и массы - эталонный метр и эталонный килограмм. Эту дату можно считать днем рождения Международной системы измерений - СИ.
В последующие годы в эту систему были введены основные единицы для физических величин в других областях естественных наук - времени, электричества, светооптики, температуры, количества вещества, а также единицы измерения плоских и телесных (объемных) углов.
В настоящее время в различных уголках планеты в быту и практической деятельности нередко используются старые, местечковые единицы измерения длины и массы, а также производных от этих величин (объема, площади, веса и т. п.). Но в научных расчетах и трудах используются только единицы измерения, предусмотренные Международной системой СИ.

***

Основные и дополнительные единицы системы SI приведены в табл. 1.

Наименование
физической величины
Размерность
Единица измерения
Наименование
Обозначение междунар.
Обозначение российское
Основные
  Длина
L
  Метр
m
м
  Масса
M
  Килограмм
kg
кг
  Время
T
  Секунда
s
с
  Сила электрического тока
I
  Ампер
A
А
  Термодинамическая температура
q
  Кельвин
K
К
  Количество вещества
N
  Моль
mol
моль
  Сила света
J
  Кандела
cd
кд
Дополнительные
  Плоский угол     Радиан
rad
рад
  Телесный угол     Стерадиан
cr
ср

***



В качестве эталона единицы длины утверждён метр, который равен длине пути, проходимого светом в вакууме за 1/299.792.458 долю секунды.

Международная система единиц СИ

Эталон единицы массы - килограмм - представляет собой цилиндр из сплава платины (90%) и иридия (10%), у которого диаметр и высота примерно одинаковы (около 30 мм).

За единицу времени принята секунда, равная 9.192.631.770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.

Эталоном единицы силы тока принят ампер (названа в честь французского физика Андре Ампера) - сила неизменяющегося во времени электрического тока, который, протекая в вакууме по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади круглого поперечного сечения, расположенным один от другого на расстоянии 1 м, создаёт на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия 2×10-7 Н.

Единицей термодинамической темᴨературы является кельвин, составляющий 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды (температура, при которой все три агрегата воды - твердый, жидкий и газообразный находятся в равновесии).
Единица названа в честь английского физика Уильяма Томсона, которому было пожаловано звание лорд Кельвин Ларгский из Айршира. В свою очередь, это звание пошло от реки Кельвин (River Kelvin), протекающей через территорию университета в Глазго.
До 1968 года кельвин официально именовался градусом Кельвина.

За эталон количества вещества принят моль - количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов частиц, сколько атомов содержится в 12 г углерода-12 (1 моль углерода имеет массу 12 г, 1 моль кислорода - 32 г, а 1 моль воды - 18 г).

Эталон единицы света – кандела (от лат. candela - свеча) - представляет собой силу света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540×1012 Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср (Ватт/ Стерадиан).

Единица измерения плоского угла - Радиан равен углу между двумя радиусами окружности, дуга между которыми по длине равна радиусу.

Единица измерения телесного угла - Стерадиан равен телесному углу с вершиной в центре сферы, вырезающему на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной, по длине равной радиусу сферы.

***

На XXIV Генеральной конференции по мерам и весам 17-21 октября 2011 года была единогласно принята резолюция, в которой, в частности, предложено в будущей ревизии Международной системы единиц переопределить четыре основные единицы СИ: килограмм, ампер, кельвин и моль.
Предполагается, что новые определения будут базироваться на фиксированных численных значениях постоянной Планка, элементарного электрического заряда, постоянной Больцмана и постоянной Авогадро, соответственно.
Всем этим величинам будут приписаны точные значения, основанные на наиболее достоверных результатах измерений, рекомендованных Комитетом по данным для науки и техники (CODATA).

В резолюции сформулированы следующие положения, касающихся этих единиц:

  • Килограмм останется единицей массы; но его величина будет устанавливаться фиксацией численного значения постоянной Планка равным в точности 6,62606×10−34, когда она выражена единицей СИ м2×кг×с−1, что эквивалентно Дж×с.
  • Ампер останется единицей силы электрического тока; но его величина будет устанавливаться фиксацией численного значения элементарного электрического заряда равным в точности 1,60217×10−19, когда он выражен единицей СИ с×А, что эквивалентно Кл.
  • Кельвин останется единицей термодинамической температуры; но его величина будет устанавливаться фиксацией численного значения постоянной Больцмана равным в точности 1,3806×10−23, когда она выражена единицей СИ м−2×кг×с−2×К−1, что эквивалентно Дж×К−1.
  • Моль останется единицей количества вещества; но его величина будет устанавливаться фиксацией численного значения постоянной Авогадро равным в точности 6,02214×1023, когда она выражена единицей СИ моль−1.

***

Методы и средства измерений

Что такое масса тела?