Системи одиниць фізичних величин: поняття

У світі існувало і існує досі безліч різних систем вимірювання величин. Вони служать для того, щоб люди могли обмінюватися різною інформацією, наприклад, при здійсненні операцій, призначенні препаратів або розробці керівників до використання техніки. Для того щоб не виникало плутанини, була розроблена Інтернаціональна система вимірювання фізичних величин.

Що таке система вимірювання фізичних величин?

Таке поняття, як система одиниць фізичних величин, або просто система СІ, часто може зустрітися не тільки на шкільних уроках фізики і хімії, але і в повсякденному житті. У сучасному світі люди як ніколи потребують того, щоб певна інформація — наприклад, час, вага, обсяг — була виражена найбільш об’єктивно і структуровано. Саме для цього і була створена єдина система вимірювань — сукупність офіційно прийнятих одиниць вимірювань, рекомендованих для використання в побуті і науці.

Які системи вимірювання існували до появи системи СІ

Звичайно, потреба в заходах існувала у людини завжди, проте, як правило, ці заходи не були офіційними, визначалися через підручні матеріали. А значить, не мали еталону і могли відрізнятися від випадку до випадку.

Яскравим прикладом може служити прийнята на Русі система заходів довжини. П’ядь, лікоть, аршин, саджань — всі ці одиниці спочатку були прив’язані до частин тіла — долоні, передпліччю, відстані між розкинутими руками. Звичайно, в результаті кінцеві вимірювання були неточними. Згодом держава докладала зусиль, щоб стандартизувати цю систему вимірювання величин, але вона все одно залишалася неідеальною.

В інших країнах існували свої системи вимірювання фізичних величин. Наприклад, в Європі була поширена англійська система заходів — фути, дюйми, милі та ін.

Навіщо потрібна система СІ?

У XVIII-XIX століттях процес глобалізації став активним. Все більше країн почали встановлювати міжнародні контакти. Крім того, свого апогею досягла науково-технічна революція. Вчені по всьому світу не могли ефективно обмінюватися результатами своїх наукових досліджень через те, що вони користувалися різними системами вимірювання фізичних величин. Багато в чому через такі порушення зв’язків всередині світової наукової спільноти багато фізичних і хімічних законів «відкривалися» кілька разів різними вченими, що сильно гальмувало розвиток науки і техніки.

Таким чином, сформувалася потреба в єдиній системі вимірювання фізичних одиниць, яка б не тільки дозволила вченим по всьому світу звіряти результати своїх праць, але й оптимізувала процес світової торгівлі.

Історія виникнення Міжнародної системи вимірювання

Для того щоб структурувати фізичні величини і вимірювання фізичних величин, система одиниць, єдина для всієї світової спільноти, стала необхідна. Однак створити таку систему, яка б відповідала всім вимогам і була найбільш об’єктивною, — це дійсно важке завдання. Основою майбутньої системи СІ стала метрична система, яка набула свого поширення у XVIII столітті після Великої французької революції.

Точкою відліку, з якої почався розвиток і вдосконалення Інтернаціональної системи вимірювання фізичних величин, можна вважати 22 червня 1799 року. Саме в цей день були затверджені перші еталони — метр і кілограм. Вони були виконані з платини.

Незважаючи на це, офіційно Міжнародна система одиниць була прийнята тільки в 1960 році на 1-й генеральній конференції за заходами і вагами. У неї були включені 6 основних одиниць вимірювання фізичних величин: секунда (час), метр (довжина), кілограм (маса), кельвін (термодинамічна температура), ампер (сила струму), кандела (сила світла).

У 1964 році до них була додана сьома величина — моль, якою вимірюється кількість речовини в хімії.

Крім того, існують також похідні одиниці, які можуть бути виражені через основні за допомогою найпростіших алгебраїчних дій.

Основні одиниці вимірювання в системі СІ

Оскільки основні одиниці системи фізичних величин повинні були бути максимально об’єктивними і не залежати від зовнішніх умов, таких як тиск, температура, відстань від екватора та інші, то до формулювання їх визначень і еталонів потрібно було поставитися фундаментально.

Розгляньмо кожну з основних одиниць системи вимірювання фізичних величин детальніше.

• Секунда. Одиниця вимірювання часу. Це відносно легка для вираження величина, оскільки вона безпосередньо пов’язана з періодом обігу Землі навколо Сонця. Секунда — це 1/31536000 роки. Існують, однак, і більш складні способи заміряти еталон секунди, пов’язані з періодами випромінювання атома цезію. Цей спосіб зводить похибку до мінімуму, чого потребує сучасний рівень розвитку науки і технологій.
• Метр. Одиниця вимірювання довжини та відстаней. У різний час метр намагалися висловити як частину екватора або за допомогою математичного маятника, але всі ці способи були недостатньо точними, так що кінцеве значення могло варіюватися в межах міліметрів. Така похибка є критичною, тому довгий час вчені шукали більш точні способи визначення еталону метра. На даний момент за один метр прийнята довжина шляху, що проходить світлом за (1/299 792 458) секунди.
• Кілограм. Одиниця вимірювання маси. На сьогоднішній день кілограм є єдиною величиною, що визначається через речовий еталон, який зберігається в штаб-квартирі Міжнародного бюро заходів і терезів. З часом еталон трохи змінює свою масу через процеси корозії, а також скупчення пилу та інших дрібних частинок на його поверхні. Саме тому планується і його величину незабаром висловити через фундаментальні фізичні властивості.
• Кельвін. Одиниця вимірювання термодинамічної температури. Кельвін дорівнює 1/273,16 частині термодинамічної температури потрійної точки води. Це така температура, при якій вода знаходиться відразу в трьох станах — рідкому, твердому і газоподібному. Градуси Цельсія переводяться в Кельвіни за формулою: t К = t C° + 273
• Ампере. Одиниця вимірювання сили струму. Незмінний струм, при проходженні якого по двох паралельних прямих провідниках з мінімальною площею перерізу і нескінченною довжиною, що знаходиться на відстані 1 метра один від одного (на кожній ділянці цих провідників виникає сила, що дорівнює 2· 10^-7Н), дорівнює 1 амперу.
• Кандела. Одиниця вимірювання сили світла — світності джерела в певному напрямку. Специфічна величина, яка вкрай рідко використовується на практиці. Значення одиниці виводиться через частоту випромінювання та енергетичну силу світла.
• Моль! Одиниця кількості речовини. На даний момент моль — це одиниця, що є різною для різних хімічних елементів. Вона чисельно дорівнює масі найдрібнішої частинки цієї речовини. У майбутньому планується точно виразити один моль, використовуючи число Авогадро. Для цього, однак, потрібно уточнити значення самої кількості Авогадро.

Приставки, прийняті в системі СІ і що вони означають

Для зручності використання основних одиниць фізичних величин у системі СІ на практиці було прийнято перелік універсальних приставок, за допомогою яких утворюються дробові та кратні одиниці.

Похідні одиниці

Очевидно, що існує набагато більше семи фізичних величин, а значить, потрібні і одиниці, в яких ці величини повинні вимірюватися. Для кожної нової величини виводиться нова одиниця, яка може бути виражена через основні за допомогою найпростіших алгебраїчних дій, наприклад ділення або множення.

Цікаво, що, як правило, похідні одиниці називаються на честь великих вчених або історичних осіб. Наприклад, одиниця вимірювання роботи — Джоуль або одиниця вимірювання індуктивності — Генрі. Існує безліч похідних одиниць — всього більше двадцяти.

Позасистемні одиниці

Незважаючи на широке поширення і повсюдне застосування одиниць системи фізичних величин СІ, в багатьох галузях все ще застосовуються на практиці позасистемні одиниці виміру. Наприклад, у судноплавстві — морська миля, у ювелірній справі — карат. У повсякденному житті нам відомі такі позасистемні одиниці, як доба, відсоток, діоптрія, літр та багато інших.

Потрібно пам’ятати, що, незважаючи на їх звичність, при вирішенні фізичних або хімічних завдань позасистемні одиниці потрібно обов’язково переводити в одиниці вимірювання фізичних величин в системі СІ.