Единицы физических величин

Единица измерения физической величины – физическая величина фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение равное единице, и применяемое для количественного выражения однородных физических величин.

Пример - 1 м – единица длины; 1 с – единица времени; 1 А – единица силы электрического тока.

Система единиц физических величин – совокупность основных и производных единиц физических величин, образованная в соответствии с принятыми принципами для заданной системы физических величин.

Справка. Исторически первой системой единиц физических величин была принятая в 1791 г. Национальным собранием Франции метрическая система мер. Она не являлась еще системой единиц в современном понимании, а включала в себя единицы длин, площадей, объемов, вместимостей и веса, в основу которых были положены две единицы: метр и килограмм.

В 1832 г. немецкий математик К. Гаусс предложил методику построения системы единиц как совокупности основных и производных. Он построил систему единиц, в которой за основу были приняты три произвольные, независимые друг от друга единицы - длины, массы и времени. Все остальные единицы можно было определить с помощью этих трех. Такую систему единиц, связанных определенным образом с тремя основными, Гаусс назвал абсолютной системой. За основные единицы он принял миллиметр, миллиграмм и секунду.

В дальнейшем с развитием науки и техники появился ряд систем единиц физических величин, построенных по принципу, предложенному Гауссом, базирующихся на метрической системе мер, но отличающихся друг от друга основными единицами.

Рассмотрим главнейшие системы единиц физических величин.

Система СГС. Система единиц физических величин СГС, в которой основными единицами являются сантиметр как единица длины, грамм как единица массы и секунда как единица времени, была установлена в 1881 г.

Система МКГСС. Применение килограмма как единицы веса, а в последующем как единицы силы вообще, привело в конце XIX века к формированию системы единиц физических величин с тремя основными единицами: метр - единица длины, килограмм-сила - единица силы и секунда - единица времени.

Система МКСА. Основы этой системы были предложены в 1901 г. итальянским ученым Джорджи. Основными единицами системы МКСА являются метр, килограмм, секунда и ампер.

Наличие ряда систем единиц физических величин, а также значительного числа внесистемных единиц, неудобства, связанные с пересчетом при переходе от одной системы единиц к другой, требовало унификации единиц измерений. Рост научно-технических и экономических связей между разными странами обусловливал необходимость такой унификации в международном масштабе.

Требовалась единая система единиц физических величин, практически удобная и охватывающая различные области измерений. При этом она должна была сохранить принцип когерентности (равенство единице коэффициента пропорциональности в уравнениях связи между физическими величинами).

Действующая в настоящее время «Международная система единиц» (СИ - система интернациональная) была принята ХI Генеральной конференцией по мерам и весам в 1960 г. Система величин СИ – единственная система единиц физических величин, которая принята и используется в большинстве стран мира.

На территории нашей страны система величин СИ действует с 1.01.1982 г. в соответствии с ГОСТ 8.417–81 «ГСИ. Единицы физических величин». Система СИ состоит из семи основных, двух дополнительных и ряда производных единиц (таблицы 1.1 и 1.2).

Единица производной физической величины системы единиц образована в соответствии с уравнением, связывающим ее либо с основными единицами либо с основными и уже определенными производными.

Таблица 1.1 – Основные и дополнительные единицы системы СИ

Физическая величина	Единица измерения
Наименование	Размерность	Рекомендуемое обозначение	Наименование	Обозначение
русское	международное
О С Н О В Н Ы Е
Длина	L	l	метр	м	m
Масса	М	m	килограмм	кг	kg
Время	T	t	секунда	с	s
Сила электрического тока	I	i	ампер	А	A
Термодинамическая температура	Θ	Т	кельвин	К	К
Количество вещества	N	n, υ	моль	моль	mol
Сила света	J	j	кандела	кд	cd
Д О П О Л Н И Т Е Л Ь Н Ы Е
Плоский угол	-	-	радиан	рад	rad
Телесный угол	-	-	стерадиан	ср	sr

Таблица 1.2 – Некоторые производные единицы системы СИ, имеющие специальное название

Физическая величина	Единица измерения
Наименование	Размерность	Наименование	Обозначение	Выражение через единицы СИ
Частота	T^-1	герц	Гц	s^-1
Сила, вес	LMT^-2	ньютон	Н	m kg s^-2
Давление, механическое напряжение	L^-1MT^-2	паскаль	Па	m^-1kg s^-2
Энергия, работа, количество теплоты	L²MT^-2	джоуль	Дж	m²kg s^-2
Мощность	L²MT^-3	ватт	Вт	m²kg s^-3
Количество электричества	TI	кулон	Кл	sA
Электрическое напряжение, потенциал	L²MT ^-3I ^-1	вольт	В	m² kg s^-3A^-1
Электрическая емкость	L^-2M ^-1T ⁴I ²	фарада	Ф	m^-2kg ^-1s⁴A²
Электрическое сопротивление	L²MT ^-3I ^-2	ом	Ом	m²kg s^-3A^-2

Уравнение связи между величинами отражает связь между величинами, обусловленную законом природы, в котором под буквенными символами понимают физические величины. Например, уравнение отражает существующую зависимость скорости V от пути l и времени t. Из приведенного примера видно, что для измерения скорости необходимо измерить длину пути и время, за которое этот путь пройден.

Системная единица физической величины (системная единица) - единица физической величины, входящая в принятую систему единиц.

Все основные, производные, кратные и дольные единицы СИ являются системными. Например: 1 м; 1 м/с; 1 км; 1 Нм.

Внесистемная единица физической величины (внесистемная единица) - это единица физической величины, не входящая ни в одну из принятых систем единиц.

Внесистемные единицы разделяют на четыре вида:

- допускаемые наравне с единицами СИ, например: единица массы – тонна; единицы плоского угла – градус, минута, секунда; единица объема – литр и др.;

- допускаемые к применению в специальных областях, к которым относятся: единицы длины (в астрономии) – астрономическая единица, парсек, световой год; единица оптической силы (в оптике) – диоптрия; единица энергии (в физике) – электрон-вольт;

- временно допускаемые к применению наравне с единицами СИ, например: в морской навигации – морская миля; в ювелирном деле единица массы – карат и др. Эти единицы должны изыматься из употребления в соответствии с международными соглашениями;

- изъятые из употребления, к ним относятся единицы давления – миллиметр ртутного столба; единица мощности – лошадиная сила и др.

Различают кратные и дольные единицы физической величины.

Кратная единица(кратная единица) - единица физической величины, в целое число раз большая системной или внесистемной единицы.

Примеры:

- единица длины 1 км = 10³ м, т.е. кратна метру;

- единица частоты 1 МГц (мегагерц) = 10⁶ Гц кратна герцу;

- единица активности радионуклидов 1 МБк (мегабеккерель) = 10⁶ Бк кратна беккерелю.

Дольная единица физической величины (дольная единица) - единица физической величины, в целое число раз меньшая системной или внесистемной единицы.

Пример - Единица длины 1 нм (нанометр) = 10^-9 м и единица времени 1 мкс (микросекунда) =10^-6с являются дольными соответственно от метра и секунды.

В таблице 1.3 приведены приставки для образования кратных и дольных единиц СИ.

Размер единицы физической величины(размер единицы) - количественная определенность единицы физической величины, воспроизводимой или хранимой средством измерений.

Размер единицы, хранимой подчиненными эталонами или рабочими средствами измерений, может быть установлен по отношению к национальному первичному эталону. При этом может быть несколько ступеней сравнения (через вторичные и рабочие эталоны).

Таблица 1.3 - Множители и приставки для образования десятичных кратных и дольных единиц и их наименований

Множи- тель	При-ставка	Обозначение приставки	Множитель	Приставка	Обозначение приставки
между-народное	русское	международное	русское
10¹⁸	экса	Е	Э	10-¹	деци	d	д
10¹⁵	пета	Р	П	10-²	санти	с	с
10¹²	тера	Т	Т	10-³	милли	m	м
10⁹	гига	G	Г	10-⁶	микро	μ	мк
10⁶	мега	М	М	10-⁹	нано	n	н
10³	кило	k	к	10^-12	пико	p	п
10²	гекто	h	г	10^-15	фемто	f	ф
10¹	дека	Da	да	10^-18	атто	а	а