Единицы измерения по физике таблица. Система СИ (единицы измерения)

Рассмотрим физическую запись m=4кг . В этой формуле "m" - обозначение физической величины (массы), "4" - численное значение или величина, "кг" - единица измерения данной физической величины .

Величины бывают разного рода. Приведем два примера:
1) Расстояние между точками, длины отрезков, ломаных - это величины одного и того же рода. Их выражают в сантиметрах, метрах, километрах и т.д.
2) Длительности промежутков времени тоже величины одного и того же рода. Их выражают в секундах, минутах, часах и т.д.

Величины одного и того же рода можно сравнивать и складывать:

НО! Бессмысленно спрашивать, что больше: 1 метр или 1 час, и нельзя сложить 1 метр с 30 секундами. Длительность промежутков времени и расстояние - величины разного рода. Их сравнивать и складывать нельзя.

Величины можно умножать на положительные числа и ноль.

Приняв какую-либо величину e за единицу измерения, можно с ее помощью измерять любую другую величину а того же рода . В результате измерения получим, что а =xe , где x - число. Это число x называется числовым значением величины а при единице измерения e .

Бывают безразмерные физические величины. Они не имеют единиц измерения, то есть ни в чем не измеряются. Например, коэффициент трения .

Что такое СИ?

Согласно данным профессора Питера Кампсона и доктора Наоко Сано из университета Ньюкасла, опубликованным в журнале Metrology (Метрология), эталон килограмма прибавляет в среднем около 50 микрограмм за сто лет, что в итоге может существенно отразиться на очень многих физических величинах.

Килограмм – единственная единица СИ, которая до сих пор определяется с помощью эталона. Все остальные меры (метр, секунда, градус, ампер и др.) могут быть определены с необходимой точностью в физической лаборатории. Килограмм входит в определение других величин, например, единица измерения силы – ньютон, которая определяется как сила, изменяющая за 1 секунду скорость тела массой 1 кг на 1 м/с в направлении действия силы. От величины ньютона зависят другие физические величины, так что в итоге цепочка может привести к изменению значения многих физических единиц.

Самый главный килограмм представляет собой цилиндр диаметром и высотой 39 мм, состоящий из сплава платины и иридия (90% платины и 10% иридия). Он был отлит в 1889 году и хранится в сейфе в Международном бюро мер и весов в городе Севр вблизи Парижа. Первоначально килограмм определялся как масса одного кубического дециметра (литра) чистой воды при температуре 4 °C и стандартном атмосферном давлении на уровне моря.

С эталона килограмма первоначально было сделано 40 точных копий, которые разошлись по всему миру. Две из них находятся в России, в ВНИИ метрологии им. Менделеева. Позднее была отлита еще одна серия реплик. Платина в качестве основного материала для эталона была выбрана потому, что отличается высокой устойчивостью к окислению, высокой плотностью и низкой магнитной восприимчивостью. Эталон и его реплики используются для стандартизации массы в самых разных отраслях. В том числе и там, где микрограммы имеют существенное значение.

Физики считают, что колебания веса стали результатом атмосферных загрязнений и изменения химического состава в поверхности цилиндров. Несмотря на то, что эталон и его реплики хранятся в специальных условиях, это не спасает металл от взаимодействия с окружающей средой. Точный вес килограмма установили с помощью рентгеновской фотоэлектронной спектроскопии. Оказалось, что килограмм «поправился» на почти что 100 мкг.

Вместе с тем, копии эталона с самого начала отличались от оригинала и их вес изменяется также по-разному. Так, главный американский килограмм изначально весил на 39 микрограмм меньше эталона, а проверка в 1948 году показала, что он увеличился на 20 мкг. Другая американская копия напротив, теряет в весе. В 1889 году килограмм под номером 4 (К4) весил на 75 мкг меньше эталона, а в 1989 уже на 106.

В 1875 г. Метрической Конференцией было основано Международное Бюро Мер и Весов его целью стало создание единой системы измерений, которая нашла бы применение во всем мире. Было решено, за основу принять метрическую систему, которая появилась еще во времена Французской революции и основывалась на метре и килограмме. Позднее были утверждены эталоны метра и килограмма. С течением времени система единиц измерения развивалась, в настоящее время в ней принять семь основных единиц измерения. В 1960 г. эта система единиц получила современное название Международная система единиц (система СИ) (Systeme Internatinal d"Unites (SI)). Система СИ не обладает статичностью, она развивается в соответствии с требованиями, которые в настоящее время предъявляются к измерениям в науке и технике.

Основные единицы измерения Международной системы единиц

В основу определения всех вспомогательных единиц в системе СИ положены семь основных единиц измерения. Основными физическими величинами в Международной системе единиц (СИ) являются: длина ($l$); масса ($m$); время ($t$); сила электрического тока ($I$); температура по шкале Кельвина (термодинамическая температура) ($T$); количество вещества ($\nu $); сила света ($I_v$).

Основными единицами в системе СИ стали единицы выше названных величин:

\[\left=м;;\ \left=кг;;\ \left=с;\ \left=A;;\ \left=K;;\ \ \left[\nu \right]=моль;;\ \left=кд\ (кандела).\]

Эталоны основных единиц измерения в СИ

Приведем определения эталонов основных единиц измерения как это сделано в системе СИ.

Метром (м) называют длину пути, который проходит свет в вакууме за время равное $\frac{1}{299792458}$ с.

Эталоном массы для СИ является гиря, имеющая форму прямого цилиндра, высота и диаметр которого 39 мм, состоящего из сплава платины и иридия массой в 1 кг.

Одной секундой (с) называют интервал времени, который равен 9192631779 периодам излучения, который соответствует переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия (133).

Один ампер (А) - это сила тока, проходящего в двух прямых бесконечно тонких и длинных проводниках, расположенных на расстоянии 1 метр, находящихся в вакууме порождающая силу Ампера (сила взаимодействия проводников) равную $2\cdot {10}^{-7}Н$ на каждый метр проводника.

Один кельвин (К) - это термодинамическая температура равная $\frac{1}{273,16}$ части от температуры тройной точки воды.

Один мол (моль) - это количество вещества, в котором имеется столько же атомов, сколько их содержится в 0,012 кг углерода (12).

Одна кандела (кд) равна силе света, который испускает монохроматический источник частотой $540\cdot {10}^{12}$Гц с энергетической силой в направлении излучения $\frac{1}{683}\frac{Вт}{ср}.$

Наука развивается, совершенствуется измерительная техника, определения единиц измерения пересматривают. Чем выше точность измерений, тем больше требований к определению единиц измерения.

Производные величины системы СИ

Все остальные величины рассматриваются в системе СИ как производные от основных. Единицы измерения производных величин определены как результат произведения (с учетом степени) основных. Приведем примеры производных величин и их единиц в системе СИ.

В системе СИ имеются и безразмерные величины, например, коэффициент отражения или относительная диэлектрическая проницаемость. Эти величины имеют размерность единицы.

Система СИ включает производные единицы, обладающие специальными названиями. Эти названия - компактные формы представления комбинации основных величин. Приведем примеры единиц системы СИ, имеющих собственные наименования (табл. 2).

Каждая величина в системе СИ имеет только одну единицу измерения, но одна и та же единица измерения может использоваться для разных величин. Джоуль - единица измерения количества теплоты и работы.

Система СИ, единицы измерения кратные и дольные

В Международной системе единиц имеется набор приставок к единицам измерения, которые применяют, если численные значения рассматриваемых величин существенно больше или меньше, чем единица системы, которая применяется без приставки. Эти приставки используются с любыми единицами измерения, в системе СИ они являются десятичными.

Приведем примеры таких приставок (табл.3).

При написании приставку и наименование единицы пишут слитно, так, что приставка и единица измерения образуют единый символ.

Отметим, что единица массы в системе СИ (килограмм) исторически уже имеет приставку. Десятичные кратные и дольные единицы килограмма получают соединением приставки к грамму.

Внесистемные единицы

Система СИ универсальна и является удобной в международном общении. Практически все единицы, единицы не входящие в систему СИ можно определить, используя термины системы СИ. Применение системы СИ является предпочтительным в научном образовании. Однако имеются некоторые величины, которые не входят в СИ, но широко используются. Так, единицы времени такие как минута, час, сутки являются частью культуры. Не которые единицы используют по исторически сложившимся причинам. При использовании единиц, которые не принадлежат системе СИ необходимо указывать способы их перевода в единицы СИ. Пример единиц указан в табл.4.

Физика как наука, изучающая явления природы, использует стандартную методику исследования. Основными этапами можно назвать: наблюдение, выдвижение гипотезы, проведение эксперимента, обоснование теории. В ходе наблюдения устанавливаются отличительные черты явления, ход его течения, возможные причины и последствия. Гипотеза позволяет пояснить ход явления, установить его закономерности. Эксперимент подтверждает (или не подтверждает) справедливость гипотезы. Позволяет установить количественное соотношение величин в ходе опыта, что приводит к точному установлению зависимостей. Подтвержденная в ходе опыта гипотеза ложится в основу научной теории.

Ни одна теория не может претендовать на достоверность, если не получила полного и безоговорочного подтверждения в ходе эксперимента. Проведение последнего сопряжено с измерениями физических величин, характеризующих процесс. - это основа измерений.

Что это такое

Измерение касается тех величин, которые подтверждают справедливость гипотезы о закономерностях. Физическая величина - это научная характеристика физического тела, качественное отношение которой является общим для множества аналогичных тел. Для каждого тела такая количественная характеристика сугубо индивидуальна.

Если обратиться к специальной литературе, то в справочнике М. Юдина и др. (1989 года издания) читаем, что физическая величина это: “характеристика одного из свойств физического объекта (физической системы, явления или процесса), общая в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальная для каждого объекта”.

Словарь Ожегова (1990 года издания) утверждает, что физическая величина это - "размер, объем, протяженность предмета".

К примеру, длина - физическая величина. Механика длину трактует как пройденное расстояние, электродинамика использует длину провода, в термодинамике аналогичная величина определяет толщину стенок сосудов. Суть понятия не меняется: единицы величин могут быть одинаковыми, а значение - различным.

Отличительной чертой физической величины, скажем, от математической, является наличие единицы измерения. Метр, фут, аршин - примеры единиц измерения длины.

Единицы измерения

Чтобы измерить физическую величину, ее следует сравнить с величиной, принятой за единицу. Вспомните замечательный мультфильм «Сорок восемь попугаев». Чтобы установить длину удава, герои измеряли его длину то в попугаях, то в слонятах, то в мартышках. В этом случае длину удава сравнивали с ростом других героев мультфильма. Результат количественно зависел от эталона.

Величины - мера ее измерения в определенной системе единиц. Путаница в этих мерах возникает не только вследствие несовершенства, разнородности мер, но иногда и из-за относительности единиц.

Русская мера длины - аршин - расстояние между указательным и большим пальцами руки. Однако руки у всех людей разные, и аршин, измеренный рукой взрослого мужчины, отличается от аршина на руке ребенка или женщины. Такое же несоответствие мер длины касается сажени (расстояние между кончиками пальцев расставленных в стороны рук) и локтя (расстояние от среднего пальца до локтя руки).

Интересно, что в лавки приказчиками брали мужчин небольшого роста. Хитрые купцы экономили ткань при помощи несколько меньших мерил: аршин, локоть, сажень.

Системы мер

Такое разнообразие мер существовало не только в России, но и в других странах. Введение единиц измерения зачастую было произвольным, иногда эти единицы вводились только вследствие удобства их измерения. Например, для измерения атмосферного давления ввели мм ртутного столба. Известный в котором использовалась трубка, заполоненная ртутью, позволил ввести такую необычную величину.

Мощность двигателей сравнивали с (что практикуется и в наше время).

Различные физические величины измерение физических величин делали не только сложными и недостоверными, но и усложняющими развитие науки.

Единая система мер

Единая система физических величин, удобная и оптимизированная в каждой промышленно развитой стране, стала насущной необходимостью. За основу была принята идея выбора как можно меньшего количества единиц, с помощью которых в математических соотношениях можно было бы выразить и другие величины. Такие основные величины не должны быть связаны друг с другом, их значение определяется однозначно и понятно в любой экономической системе.

Эту проблему решить пытались в различных странах. Создание единой СГС, МКС и другие) предпринималось неоднократно, но эти системы были неудобны либо с научной точки зрения, либо в бытовом, промышленном применении.

Задачу, поставленную в конце 19 века, решить получилось только в 1958 году. На заседании Международного комитета законодательной метрологии была представлена унифицированная система.

Унифицированная система мер

1960 год ознаменовался историческим заседанием Генеральной конференции по мерам и весам. Уникальная система, названная «Systeme internationale d"unites» (сокращенно SI) была принята решением этого почетного собрания. В российской версии эта система названа Система интернациональная (аббревиатура СИ).

За основу приняты 7 основных единиц и 2 дополнительных. Их численное значение определяется в виде эталона

Таблица физических величин СИ

Сама система не может состоять только из семи единиц, поскольку разнообразие физических процессов в природе требует введения все новых и новых величин. В самой структуре предусмотрено не только внедрение новых единиц, но и их взаимосвязь в виде математических соотношений (их чаще называют формулами размерностей).

Единица физической величины получается с применением умножения, и деления основных единиц в формуле размерностей. Отсутствие числовых коэффициентов в таких уравнениях делает систему не только удобной во всех отношениях, но и когерентной (согласованной).

Производные единицы

Единицы измерения, которые формируются из семи основных, получили название производных. Кроме основных и производных единиц, возникла необходимость введения дополнительных (радиан и стерадиан). Их размерность принято считать нулевой. Отсутствие измерительных приборов для их определения делает невозможным их измерение. Их введение обусловлено применением в теоретических исследованиях. Например, физическая величина «сила» в этой системе измеряется в ньютонах. Поскольку сила - мера взаимного действия тел друг на друга, являющаяся причиной варьирования скорости тела определенной массы, то определить ее можно как произведение единицы массы на единицу скорости, деленную на единицу времени:

F = k٠M٠v/T, где k - коэффициент пропорциональности, M - единица массы, v - единица скорости, T - единица времени.

СИ дает следующую формулу размерностей: Н = кг٠м/с 2 , где использованы три единицы. И килограмм, и метр, и секунда отнесены к основным. Коэффициент пропорциональности равен 1.

Возможно введение безразмерных величин, которые определяются в виде соотношения однородных величин. К таковым можно отнести как известно, равный отношению силы трения к силе нормального давления.

Таблица физических величин, производных от основных

Внесистемные единицы

Использование исторически сложившихся величин, не входящих в СИ или отличающихся только числовым коэффициентом, допускается при измерении величин. Это внесистемные единицы. Например, мм ртутного столба, рентген и другие.

Числовые коэффициенты используются для введения дольных и кратных величин. Приставки соответствуют определенному числу. Примером могут служить санти-, кило-, дека-, мега- и многие другие.

1 километр = 1000 метров,

1 сантиметр = 0,01 метра.

Типология величин

Попытаемся указать несколько основных признаков, которые позволяют установить тип величины.

1. Направление. Если действие физической величины напрямую связано с направлением, ее называют векторной, иные - скалярные.

2. Наличие размерности. Существование формулы физических величин дает возможность называть их размерными. Если в формуле все единицы имеют нулевую степень, то их называют безразмерными. Правильнее было бы назвать их величинами с размерностью, равной 1. Ведь понятие безразмерной величины нелогично. Основное свойство - размерность - никто не отменял!

3. По возможности сложения. Аддитивная величина, значение которой можно складывать, вычитать, умножать на коэффициент и т. д. (например, масса) - физическая величина, являющаяся суммируемой.

4. По соотношению с физической системой. Экстенсивная - если ее значение можно составить из значений подсистемы. Примером может служить площадь, измеряемая в метрах квадратных. Интенсивная - величина, значение которой не зависит от системы. К таковым можно отнести температуру.

Во времени живя, мы времени не знаем
Тем самым мы себя не понимаем
В такое время мы, однако, родились?
Какое время нам прикажет: «Удались»!
И как нам распознать, что наше время значит?
И что за будущее наше время прячет?
Но время – это мы! Никто иной!
Мы с вами!

П.Флеминг

Среди многочисленных физических величин существуют основные базовые, через которые выражаются все остальные с помощью определенных количественных соотношений. Это – длина, время и масса. Рассмотрим подробнее эти величины и их единицы измерения.

1. ДЛИНА. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЙ

Длина – мера для измерения расстояния . Она характеризует протяженность в пространстве. Попытки субъективных измерений длины отмечались более 4000 лет назад: в III веке в Китае изобрели прибор для измерения расстояний: легкая тележка имела систему зубчатых передач, соединенную с колесом и барабаном. Каждое ли (576 м) отмечалось ударом барабана. С помощью этого изобретения министр Пей Сю создал «Региональный атлас» на 18 листах и большую карту Китая на шелке, которая была так велика, что одному человеку было трудно ее развернуть.
Существуют интересные факты измерения длины. Так, например, моряки измеряли свой путь трубками , т. е. расстоянием, которое проходит судно за время, за которое моряк выкуривает трубку. В Испании похожей единицей была сигара , а в Японии – лошадиный башмак (соломенная подошва, заменявшая подкову). Были и шаги (у древних римлян), и аршины (?71 см), и пяди (?18 см). Поэтому неоднозначность результатов измерений показала необходимость введения согласованной единицы. Действительно, дюйм (2,54 см, введенный как длина большого пальца, от глагола «дюйм») и фут (30 см, как длина ступни от английского «фут» – ступня) было трудно сравнивать.

Рис.1. Метр как эталон длины с 1889 по 1960г

С 1889 по 1960 г в качестве единицы длины использовалась одна десятимиллионная часть расстояния, измеренного вдоль Парижского меридиана от Северного полюса до экватора, – метр (от греч. metron – мера) (рис.1).
В качестве эталона длины использовался стержень из платиново-ириадиевого сплава, хранился он в Севре, около Парижа. До 1983 г метр считался равным 1650763,73 длины волны оранжевой спектральной линии, излучаемой криптоновой лампой.
Открытие лазера (в 1960 году в США) позволило измерить скорость света с большей степенью точности (?с=299 792 458 м/с) по сравнению с криптоновой лампой.
Метр – единица длины, равная расстоянию, которое проходит свет в вакууме за время? 99 792 458 с.

Диапазон измерения размера объектов в природе приведен на рисунке 2.

Рис.2. Диапазон измерения размера объектов в природе

Методы измерения расстояний. Для измерения сравнительно небольших расстояний и размеров тел применяют рулетку, линейку, метр. Если измеряемые объемы малы и требуется большая точность, то измерения проводят микрометром, штангельциркулем. При измерении больших расстояний используют разные методы: триангуляцию, радиолокацию. Например, расстояние до любой звезды или Луны измеряют методом триангуляции (рис.3).

Рис.3. Метод триангуляции

Зная базу – расстояние l между двумя телескопами, расположенными в точках А и В на Земле, и углы а1 и а2 , под которыми они направлены на Луну, – можно найти расстояния АС и ВС:

При определении расстояния до звезды в качестве базы можно использовать диаметр орбиты Земли, вращающейся вокруг Солнца (рис. 4).

Рис.4. Определение расстояния до звезды

В настоящее время расстояние ближайших к Земле планет измеряется методом лазерной локации . Луч лазера, посланный, например, в сторону Луны, отражается и, возвращаясь на Землю, принимается фотоэлементом (Рис. 5).

Рис. 5. Измерение расстояний методом лазерной локации

Измеряя промежуток времени t0, через который возвращается отраженный луч, и зная скорость света «с», можно найти расстояние до планеты: .

Для измерения малых расстояний с помощью обычного микроскопа можно разделить метр на миллион частей и получить микрометр , или микрон . Однако продолжать таким образом деление невозможно, так как предметы, размеры которых меньше 0,5 микрона, нельзя увидеть в обычный микроскоп.

Рис.6. Фотография атомов углерода в графите, сделанная с помощью ионного микроскопа

Ионный микроскоп (рис. 6) позволяет проводить измерения диаметра атомов и молекул порядка 10~10м. Расстояние между атомами - 1,5?10~10м. Внутриатомное пространство практически пустое, с крошечным ядром в центре атома. Наблюдение рассеяния частиц высокой энергии при прохождении сквозь слой вещества позволяет зондировать вещество вплоть до размера атомных ядер (10–15м).

2. ВРЕМЯ. ИЗМЕРЕНИЕ РАЗНЫХ ПРОМЕЖУТКОВ ВРЕМЕНИ

Время – мера измерение разных промежутков времени . Это мера скорости, с которой происходят какие-либо изменения, т.е. мера скорости развития событий. В основу измерения временем положены периодические, повторяющиеся циклические процессы.
Считают, что первыми часами был гномон , изобретенный в Китае в конце XVI века. Время измеряли по длине и направлению тени от вертикального шеста (гномона), освещенного солнцем. Этот указатель тени и служил первыми часами.
Давно замечено было: максимальной устойчивостью и повторяемостью обладают астрономические явления; день сменяется ночью регулярно чередуются времена года. Эти все явления связаны с движением Солнца на небесной сфере. На их основе и создан календарь.
Измерения небольших промежутков времени (порядка 1 час) долго оставалось трудной задачей, с которой блестяще справился голландский ученый Христиан Гюйгенс (рис.7).

Рис.7. Христиан Гюйгенс

Он в 1656 г сконструировал маятниковые часы, колебания в которых поддерживала гиря и погрешность которых составляла 10 с в сутки. Но, несмотря на постоянное совершенствование часов и увеличение точности измерения времени, секунду (определенную как 1/86400 суток) нельзя было использовать в качестве постоянного эталона времени. Это объясняется незначительным замедлением скорости вращения Земли вокруг своей оси и соответственно увеличением периода обращения, т.е. длительности суток.
Получение стабильного эталона времени оказалось возможным в результате исследований спектров излучения разных атомов и молекул, что позволило измерить время с уникальной точностью. Период электромагнитных колебаний, излучаемых атомами, измеряется с относительной погрешностью порядка 10–10 с (рис.8).

Рис.8. Диапазон измерения времени объектов Вселенной

В 1967 г был введен новый эталон секунды. Секунда – эта единица времени, равная 9 192 631 770 периодам излучения изотопа атома цезия – 133.

Излучение цезия – 133 легко воспроизводится и измеряется в лабораторных условиях. Погрешность таких «атомных часов» за год составляет 3*10-7 с.
Для измерения большего промежутка времени используется периодичность иного рода. Многочисленные исследования радиоактивных (распадающихся со временем) изотопов показали, что время, за которое их число уменьшается в 2 раза (период полураспада), является постоянной величиной. Это означает, что период полураспада позволяет выбирать масштаб времени.
Выбор изотопа для измерения времени зависит от того, какой ориентировочно интервал времени измеряется. Период полураспада должен быть соизмерим с предполагаемым интервалом времени (табл. 1).

Таблица 1

Период полураспада некоторых изотопов

При археологических исследованиях наиболее часто измеряют содержание изотопа углерода 14С, период полураспада которого составляет 5730 лет. Возраст древней рукописи оценивается в 5730 лет, если содержание 14С в ней в 2 раза меньше первоначального (которое известно). При уменьшении содержания 14С в 4 раза по сравнению с первоначальным, возраст объекта кратен двум периодам полураспада, т. е. равен 11 460 годам. Для измерения еще большего интервала времени используются другие радиоактивные изотопы, имеющие больший период полураспада. Изотоп урана 238U (период полураспада 4,5 млрд. лет) в результате распада превращается в свинец. Сравнение содержания урана и свинца в горных породах и воде океанов позволило установить примерный возраст Земли, который составляет около 5,5 млрд. лет.

3. МАССА

Если длина и время – фундаментальные характеристики времени и пространства, то масса является фундаментальной характеристикой вещества. Массой обладают все тела: твердые, жидкие, газообразные; разные по размерам (от 10–30 до 1050 кг), указанные на рис 9.

Рис.9. Диапазон измерения массы объектов Вселенной

Масса характеризует равные свойства материи.

О массе тел человек вспоминает в самых разных ситуациях: при покупке продуктов, в спортивных играх, строительстве… – во всех видах деятельности найдется повод поинтересоваться массой того или иного тела. Масса не менее загадочная величина, чем время. Эталоном массы 1 кг, начиная с 1884 г., является платиново-иридиевый цилиндр, хранящийся в Международной палате мер и весов близ Парижа. Национальные палаты мер и весов имеют копии такого эталона.
Килограмм – единица массы, равная массе международного эталона килограмма.
Килограмм (от французских слов kilo – тысяча и gramme – мелкая мера). Килограмм приблизительно равен массе 1 л чистой воды при 15 0 С.
Работа с реальным эталоном массы требует особой тщательности, так как прикосновение щипцов и даже воздействие атмосферного воздуха может привести к изменению массы эталона. Определение массы объектов, имеющих объем, соизмеримый с объемом эталона массы, можно проводить с относительной погрешностью порядка 10–9кг.

4. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

Для проведения разного рода исследований и экспериментов применяют физические приборы. По мере развития физики они совершенствовались и усложнялись (см. Приложение ).
Некоторые физические приборы очень просты, например линейка (рис.10), отвес (груз, подвешенный на нити), позволяющий проверять вертикальность конструкций, уровень, термометр, секундомер, источник тока; электрический двигатель, реле и др.

Рис.10. Линейка

В научных экспериментах часто используют сложные приборы и установки, которые совершенствовались и усложнялись по мере развития науки и техники. Так, для изучения свойств элементарных частиц, входящих в состав какого-либо вещества, используют ускорители - огромные, сложнейшие установки, снабженные множеством различных измерительных и регистрирующих приборов. В ускорителях частицы разгоняются до огромных скоростей, близких к скорости света, и становятся «снарядами», бомбардирующими вещество, помещенное в специальных камерах. Происходящие при этом явления позволяют сделать выводы о строении атомных ядер и элементарных частиц. Созданный в 1957 г. большой ускоритель в г. Дубне под Москвой имеет диаметр 72 м, а ускоритель в г. Серпухове имеет диаметр 6 км (рис 11).

Рис.11. Ускоритель

При выполнении астрономически наблюдений используют различные приборы. Основным астрономическим прибором является телескоп. Он позволяет получить изображение солнца, Луны, планет.

5. МЕТРИЧЕСКАЯ МЕЖДУНАРОДНАЯ СИСТЕМА ЕДИНИЦ «СИ»

Измеряют все: медики определяют температуру тела, объем легких, рост, пульс пациентов; продавцы взвешивают продукты, отмеряют метры тканей; портные снимают мерку с модниц; музыканты строго выдерживают ритм и темп, считая такты; фармацевты взвешивают порошки и отмеряют в склянки необходимое количество микстуры; учителя физкультуры не расстаются с рулеткой и секундомером, определяя выдающиеся спортивные достижения школьников... Все жители планеты измеряют, прикидывают, оценивают, сверяют, отсчитывают, различают, отмеряют, измеряют и считают, считают, считают...
Каждый из нас, без сомнения, знает, что, прежде чем измерять, нужно установить «единицу, с которой вы будете сравнивать измеряемый отрезок пути или промежуток времени, или массу».
Ясно и другое: о единицах нужно договариваться всем миром, иначе возникнет невообразимая путаница. В играх и то возможны недоразумения: у одного шаг намного короче, у другого – длиннее (Пример: «Будем бить пенальти с семи шагов»). Ученые всего мира предпочитают работать с согласованной и логически последовательной системой единиц измерения. На Генеральной конференции мер и весов в 1960 г. было достигнуто соглашение о международной системе единиц –.Systems International d"Unite"s (сокращенно – «единицы измерения СИ»). Эта система включает семь основных единиц измерения, а все остальные единицы измерения производные выводятся из основных умножением или делением одной единицы на другую без числовых пересчетов (Табл. 2).

Таблица 2

Основные единицы измерения «Си»

Международная система единиц является метрической . Это значит, что кратные и дольные единицы образуются из основных всегда одним и тем же способом: умножением или делением на 10. Это удобно, в особенности при записи очень больших и очень малых чисел. Например, расстояние от Земли до Солнца, приблизительно равное 150.000.000 км, можно записать так: 1,5 *100.000.000 км. Теперь заменим число 100.000.000 на 108. Таким образом, расстояние до Солнца записывается в виде:

1,5 * 10 8 км = l,5 * 10 8 * 10 3 M = l,5 * 10 8 + 3 м = l,5 * 10 11 м.

Другой пример.
Диаметр молекулы водорода равен 0,00000002 см.
Число 0,00000002 = 2/100.000.000 = 2/10 8 . Для кратности число 1/10 8 пишут в виде 10 –8 . Итак, диаметр молекулы водорода равен 2*10 –8 см.
Но в зависимости от диапазона измерений, удобно использовать единицы, большие или меньше по величине. Эти кратные и дольные единицы отличаются от основных на порядки величин. Название основной величины является корнем слова, а приставка характеризует соответствующее отличие в порядке.

Например, приставка «кило-» означает введение единицы в тысячу раз (на 3 порядка) большей, чем основная: 1 км = 10 3 м.

В таблице 3 приведены приставки для образования кратных и дольных единиц.

Таблица 3

Приставки для образования десятичных кратных и дольных единиц

Введенные таким образом кратные и дольные единицы часто по порядку величины характеризуют физические объекты.
Многие физические величины являются постоянными - константами (от латинского слова constans - постоянный, неизменный) (табл.4). Например, постоянны в данных условиях температура таяния льда и температура кипения воды, скорость распространения света, плотности различных веществ. Константы тщательно измеряют в научных лабораториях и заносят в таблицы справочников и энциклопедий. Справочными таблицами пользуются ученые и инженеры.

Таблица 4

Фундаментальные константы

6. НЕМЕТРИЧЕСКИЕ РУССКИЕ ЕДИНИЦЫ

Они приведены в таблице 5.

Таблица 5

Неметрические русские единицы

* Наименование русских единиц силы и веса совпадали с наименованиями русских единиц массы.

7. ИЗМЕРЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Практически, любой опыт, любое наблюдение в физике сопровождается измерением физических величин. Физические величины измеряют с помощью специальных приборов. Многие из этих приборов вам уже известны. Например, линейкой (рис. 7). Можно измерить линейные размеры тел: длину, высоту и ширину; часами или секундомером – время; с помощью рычажных весов определяют массу тела, сравнивая ее с массой гири, принятой за единицу массы. Мензурка позволяет измерять объемы жидких или сыпучих тел (веществ).

Обычно прибор имеет шкалу со штрихами. Расстояния между двумя штрихами, около которых написаны значения физической величины, могут быть дополнительно разделены на несколько делений, не обозначенных числами. Деления (промежутки между штрихами) и числа – это и есть шкала прибора. На шкале прибора, как правило, проставлена единица величины (наименование), в которой выражается измеряемая физическая величина. В случае, когда числа стоят не против каждого штриха, возникает вопрос: как узнать числовое значение измеряемой величины, если его нельзя прочитать по шкале? Для этого нужно знать цену деления шкалы прибора – значение наименьшего деления шкалы измерительного прибора.

Отбирая приборы для проведения измерений, важно учитывать пределы измерений. Чаще всего встречаются приборы только с одним – верхним пределом измерений. Иногда встречаются двухпредельные приборы. У таких приборов нулевое деление находится внутри шкалы.

Представим себе, что едем в автомобиле, и стрелка его спидометра остановилась против деления «70». Можно ли быть уверенными в том, что скорость автомобиля равна точно 70 км/ч? Нет, так как спидометр имеет погрешность. Можно, конечно, сказать, что скорость автомобиля равна приблизительно 70 км/ч, но этого бывает недостаточно. Напимер, тормозной путь автомобиля зависит от скорости, и ее «приблизительность» может привеси к аварии. Поэтому на заводе-изготовителе определяют наибольшую погрешность спидометра и указывает ее в паспорте этого прибора. Значение погрешности спидометра позволяет определить, в каких пределах находится истинное значение скорости автомобиля.

Пусть погрешность спидометра, указанная в паспорте, равна 5 км/ч. Найдем в нашем примере разность и сумму показания спидометра и его погрешности:

70 км/ч – 5 км/ч = 65км/ч.
70 км/ч + 5 км/ч = 75 км/ч.

Не зная истинного значения скорости, мы может быть уверены, что скорость автомобиля не меньше 65 км/ч и не более 75 км/ч. Этот результат можно записать с использованием знаков «< » (меньше или равно) и «> » (больше или равно): 65 км/ч < скорости автомобиля < 75 км/ч.

То, что при показании спидометра 70 км/ч истинная скорость может оказаться равной 75 км/ч, надо обязательно учитывать. Например, исследования показали, что если легковой автомобиль движется по мокрому асфальту со скоростью 70 км/ч, его тормозной путь не превосходит 46 м, а при скорости 75 км/ч тормозной путь возрастает до 53 м.
Приведенный пример позволяет сделать следующий вывод: все приборы имеют погрешность, в результате измерения нельзя получить истинное значение измеряемой величины. Можно лишь указать интервал в виде неравенства, которому принадлежит неизвестное значение физической величины.
Для прохождения границ этого неравенства необходимо знать погрешность прибора.

Х – пр < х < Х + пр.

Погрешность измерения х никогда не бывает меньше погрешности прибора пр.
Часто указатель прибора не совпадает со штрихом шкалы. Тогда определить расстояние от штриха до указателя очень трудно. Вот другая причина возникновения погрешности, называемой погрешностью отсчета . Эта погрешность отсчета, например, для спидометра, не превосходит половины цены деления.