Systém merania SI — história, účel, úloha vo fyzike
Ľudská história je stará niekoľko tisíc rokov a v rôznych fázach svojho vývoja takmer každý národ používal niektoré zo svojich konvenčných referenčných systémov. Teraz sa medzinárodný systém jednotiek (SI) stal povinným pre všetky krajiny.
Systém obsahuje sedem základných meracích jednotiek: sekunda — čas, meter — dĺžka, kilogram — hmotnosť, ampér — sila elektrického prúdu, kelvin — termodynamická teplota, kandela — intenzita svetla a mol — množstvo látky. Existujú dve ďalšie jednotky: radián pre plochý uhol a steradián pre priestorový uhol.
SI pochádza z francúzskeho Systeme Internationale a znamená Medzinárodný systém jednotiek.
Ako sa určuje počítadlo
V 17. storočí s rozvojom vedy v Európe sa čoraz častejšie začali ozývať výzvy na zavedenie univerzálnej miery alebo katolíckeho metra. Išlo by o desatinnú mieru založenú na prirodzenej udalosti a nezávislú od rozhodnutia zodpovednej osoby. Takéto opatrenie by nahradilo množstvo rôznych systémov opatrení, ktoré v tom čase existujú.
Britský filozof John Wilkins navrhol brať dĺžku kyvadla ako jednotku dĺžky, ktorej polovica periódy by sa rovnala jednej sekunde. V závislosti od miesta merania však hodnota nebola rovnaká. Túto skutočnosť zistil francúzsky astronóm Jean Richet počas cesty do Južnej Ameriky (1671 — 1673).
V roku 1790 minister Talleyrand navrhol zmerať referenčnú dĺžku umiestnením kyvadla na presne stanovenú zemepisnú šírku medzi Bordeaux a Grenoble – 45 ° severnej zemepisnej šírky. V dôsledku toho 8. mája 1790 Francúzske národné zhromaždenie rozhodlo, že meter je dĺžka kyvadla s polovičnou periódou pri 45° zemepisnej šírky rovnajúcou sa 1 s. Podľa dnešného SI by sa tento meter rovnal 0,994 m. Táto definícia však vedeckej komunite nesedí.
Francúzska akadémia vied prijala 30. marca 1791 návrh definovať štandard merania ako súčasť parížskeho poludníka. Nová jednotka mala byť jedna desaťmilióntina vzdialenosti od rovníka k severnému pólu, teda jedna desaťmilióntina štvrtiny obvodu zeme, meranej pozdĺž parížskeho poludníka. Toto sa stalo známym ako „Meter True and Definitive“.
Národný konvent prijal 7. apríla 1795 zákon, ktorým sa vo Francúzsku zaviedol metrický systém a poveril komisárov, medzi nimi aj Ch. O. Coulomb, J.L. Lagrange, P.-S. Laplace a ďalší vedci experimentálne určili jednotky dĺžky a hmotnosti.
V období rokov 1792 až 1797 na základe rozhodnutia revolučného konventu francúzski vedci Delambre (1749-1822) a Mechen (1744-1804) namerali rovnaký oblúk parížskeho poludníka s dĺžkou 9°40' od Dunkerque po Barcelona za 6 rokov položí reťaz 115 trojuholníkov naprieč Francúzskom a časťou Španielska.
Neskôr sa však ukázalo, že v dôsledku nesprávneho výpočtu polárnej kompresie Zeme sa norma ukázala byť o 0,2 mm kratšia. Dĺžka poludníka 40 000 km je teda len približná. Prvý prototyp štandardného mosadzného merača bol však vyrobený v roku 1795. Treba poznamenať, že jednotka hmotnosti (kilogram, ktorého definícia je založená na hmotnosti jedného kubického decimetra vody) je tiež viazaná na definíciu meter.
História vzniku sústavy SI
22. júna 1799 boli vo Francúzsku vyrobené dva platinové štandardy – štandardný meter a štandardný kilogram. Tento dátum možno právom považovať za deň začiatku vývoja súčasnej sústavy SI.
V roku 1832 vytvoril Gauss tzv Absolútny systém jednotiek, pričom za základné tri jednotky sa považujú: jednotka času je sekunda, jednotka dĺžky je milimeter a jednotka hmotnosti je gram, pretože pomocou týchto konkrétnych jednotiek bol vedec schopný zmerať absolútna hodnota magnetického poľa Zeme (tento systém dostal názov SGS Gauss).
V 60. rokoch 19. storočia bola pod vplyvom Maxwella a Thomsona sformulovaná požiadavka, že základné a odvodené jednotky musia byť navzájom kompatibilné. V dôsledku toho bol v roku 1874 zavedený systém CGS s distribuovanými predponami na označenie podmnožín a násobkov jednotiek od mikro po mega.
V roku 1875 zástupcovia 17 krajín vrátane Ruska, USA, Francúzska, Nemecka, Talianska podpísali Metrickú konvenciu, podľa ktorej bol zriadený Medzinárodný úrad pre opatrenia, Medzinárodný výbor pre opatrenia a začala fungovať riadna konvencia. Všeobecná konferencia pre váhy a miery (GCMW)… Zároveň sa začali práce na vývoji medzinárodného štandardu pre kilogram a štandardu pre merací prístroj.
V roku 1889 na prvej konferencii GKMV, systém ISSna meter, kilogram a sekundu, podobne ako CGS, sa však jednotky ISS zdali prijateľnejšie z dôvodu pohodlia praktického použitia. Optika a elektrické jednotky budú predstavené neskôr.
V roku 1948 na základe nariadenia francúzskej vlády a Medzinárodnej únie pre teoretickú a aplikovanú fyziku vydala 9. generálna konferencia pre váhy a miery pokyn Medzinárodnému výboru pre miery a váhy navrhnúť, aby sa zjednotil systém jednotiek meranie, jeho myšlienky vytvoriť jednotný systém meracích jednotiek, ktorý môžu akceptovať všetky krajiny – zmluvné strany Metrickej konvencie.
V dôsledku toho bolo na desiatom GCMW v roku 1954 navrhnutých a prijatých nasledujúcich šesť jednotiek: meter, kilogram, sekunda, ampér, kelvin a kandela. V roku 1956 bol systém pomenovaný «Systeme International d'Unities» - medzinárodný systém jednotiek.
V roku 1960 bola prijatá norma, ktorá sa po prvýkrát nazývala «Medzinárodný systém jednotiek» a bola mu pridelená skratka "SI" (SI).
Základných jednotiek zostalo rovnakých šesť jednotiek: meter, kilogram, sekunda, ampér, kelvin a kandela, dve ďalšie jednotky (radián a steradián) a dvadsaťsedem najdôležitejších derivátov bez toho, aby sa vopred špecifikovali ďalšie odvodené jednotky, ktoré by sa mohli pridať - neskoro. (Skratka v ruštine „SI“ sa dá dešifrovať ako „medzinárodný systém“).
Všetkých týchto šesť základných jednotiek, ako doplnkové jednotky, tak aj dvadsaťsedem najdôležitejších odvodených jednotiek, sa úplne zhodovalo s príslušnými základnými, doplnkovými a odvodenými jednotkami prijatými v tom čase v štátnych normách ZSSR pre jednotky merania pre ISS, MKSA, МКСГ a MSS systémy.
V roku 1963 v ZSSR podľa GOST 9867-61 "Medzinárodný systém jednotiek"SI je akceptovaný ako preferovaný pre oblasti národného hospodárstva, vedy a techniky a pre výučbu vo vzdelávacích inštitúciách.
V roku 1968 na trinástom GKMV bola jednotka „stupeň Kelvin“ nahradená „kelvinom“ a prijalo sa aj označenie „K“. Okrem toho bola prijatá nová definícia sekundy: sekunda je časový interval rovnajúci sa 9 192 631 770 periódam žiarenia, ktoré zodpovedajú prechodu medzi dvoma hyperjemnými úrovňami základného kvantového stavu atómu cézia-133. V roku 1997 by sa prijalo vysvetlenie, že tento časový interval sa vzťahuje na atóm cézia-133 v pokoji pri 0 K.
V roku 1971 bola k 14 GKMV pridaná ďalšia základná jednotka «mol» - jednotka pre množstvo látky. Mol je množstvo hmoty v systéme obsahujúcom toľko štruktúrnych prvkov, koľko je atómov v uhlíku-12 s hmotnosťou 0,012 kg. Keď sa použije mol, štruktúrne prvky musia byť špecifikované a môžu to byť atómy, molekuly, ióny, elektróny a iné častice alebo špecifikované skupiny častíc.
V roku 1979 prijala 16. CGPM novú definíciu kandely. Kandela je svietivosť zdroja vyžarujúceho monochromatické žiarenie s frekvenciou 540 × 1012 Hz v danom smere, ktorého svietivosť v tomto smere je 1/683 W/sr (wattov na steradián).
V roku 1983 bola daná nová definícia počítadla 17 GKMV.Meter je dĺžka dráhy, ktorú prejde svetlo vo vákuu za (1/299 792 458) sekundy.
V roku 2009 vláda Ruskej federácie schválila „Nariadenie o meracích jednotkách povolených na použitie v Ruskej federácii“ a v roku 2015 boli v ňom vykonané úpravy, ktoré vylučujú „dobu platnosti“ niektorých nesystémových jednotiek.
Hlavné výhody systému SI sú nasledovné:
1. Zjednotenie jednotiek fyzikálnych veličín pre rôzne druhy merania.
Systém SI umožňuje, aby každá fyzikálna veličina nachádzajúca sa v rôznych oblastiach techniky mala jednu spoločnú jednotku, napríklad joule pre všetky druhy práce a množstvo tepla namiesto v súčasnosti používaných rôznych jednotiek pre túto veličinu (kilogram - sila - meter, erg, kalória, watthodina atď.).
2. Univerzálnosť systému.
Jednotky SI pokrývajú všetky odvetvia vedy, techniky a národného hospodárstva s výnimkou potreby použitia iných jednotiek a vo všeobecnosti predstavujú jednotný systém spoločný pre všetky oblasti merania.
3. Konektivita (koherentnosť) systému.
Vo všetkých fyzikálnych rovniciach, ktoré definujú výsledné jednotky merania, je faktorom úmernosti vždy bezrozmerná veličina rovnajúca sa jednotke.
Systém SI umožňuje výrazne zjednodušiť operácie riešenia rovníc, vykonávanie výpočtov a zostavovanie grafov a nomogramov, pretože nie je potrebné používať veľké množstvo konverzných faktorov.
4. Harmónia a súdržnosť sústavy SI značne uľahčuje štúdium fyzikálnych zákonitostí a pedagogický proces pri štúdiu všeobecných vedných a špeciálnych odborov, ako aj odvodzovanie rôznych vzorcov.
5.Princípy konštrukcie sústavy SI poskytujú možnosť vytvárať nové odvodené jednotky podľa potreby, a preto je zoznam jednotiek tejto sústavy otvorený ďalšiemu rozširovaniu.
Účel sústavy SI a jej úloha vo fyzike
Dodnes je medzinárodný systém fyzikálnych veličín SI akceptovaný na celom svete a používa sa viac ako iné systémy tak vo vede a technike, ako aj v každodennom živote ľudí - ide o modernú verziu metrického systému.
Väčšina krajín používa jednotky SI v technológii, aj keď v každodennom živote používajú pre tieto územia tradičné jednotky. Napríklad v Spojených štátoch sú obvyklé jednotky definované ako jednotky SI pomocou pevných koeficientov.
Množstvo Označenie Ruský názov Ruský medzinárodný Plochý uhol radián rád rad Pevný uhol steradián St St Teplota v stupňoch Celzia v stupňoch Celzia OS OS Frekvencia hertz Hz Hz Sila Newton Z n Energia joule J J Výkon watt W W Tlak pascal Pa Pa Svetelný tok lumen lm lm Osvetlenie lux OK lx Prívesok elektrického náboja CL ° C Rozdiel potenciálov volt V V Odpor ohm Ohm R Elektrická kapacita farad F F Magnetický tok Weber Wb Wb Magnetická indukcia Tesla T T Indukčnosť Henry Mr. H Elektrická vodivosť Siemens Cm C Aktivita rádioaktívneho zdroja becquerel Bq Bq Absorbovaná dávka ionizujúceho žiarenia šedá Gr Gy Efektívna dávka ionizujúceho žiarenia sievert Sv Sv Aktivita katalyzátora valcovaná mačka kat.
Vyčerpávajúci podrobný popis sústavy SI v oficiálnej forme je uvedený v Brožúre SI, vydávanej od roku 1970, a jej dodatku; tieto dokumenty sú zverejnené na oficiálnej webovej stránke Medzinárodného úradu pre váhy a miery. Od roku 1985tieto dokumenty sa vydávajú v angličtine a francúzštine a sú vždy preložené do niekoľkých jazykov po celom svete, hoci úradným jazykom dokumentu je francúzština.
Presná oficiálna definícia sústavy SI je nasledovná: „Medzinárodná sústava jednotiek (SI) je sústava jednotiek založená na Medzinárodnej sústave jednotiek spolu s názvami a symbolmi a súborom predpôn a ich názvov a symbolov. spolu s pravidlami ich používania prijatými Generálnou konferenciou pre váhy a miery (CGPM) «.
Sústavu SI definuje sedem základných jednotiek fyzikálnych veličín a ich derivátov, ako aj predpony k nim.Upravujú sa štandardné skratky označení jednotiek a pravidlá písania derivátov. Existuje sedem základných jednotiek ako predtým: kilogram, meter, sekunda, ampér, kelvin, mol, kandela. Základné jednotky sú nezávislé od veľkosti a nemožno ich odvodiť od iných jednotiek.
Čo sa týka odvodených jednotiek, tie sa dajú získať na základe tých základných, vykonaním matematických operácií, ako je delenie alebo násobenie. Niektoré z výsledných jednotiek, ako napríklad "radián", "lúmen", "pendant", majú svoje vlastné názvy.
Pred názvom jednotky môžete použiť predponu, napríklad milimeter – tisícina metra a kilometer – tisíc metrov. Predpona znamená, že jedna sa má vydeliť alebo vynásobiť celým číslom, ktoré je špecifickou mocninou desiatky.