Единица физической величины

Единица длины. До 1960 года за международный эталон длины 1 м принималось расстояние между серединами двух штрихов на бруске C-образного сечения, сделанном из сплава платины с иридием. У этого эталона расстояние между серединами штрихов было невозможно измерить точнее  ±0,1 мкм, что не отвечало требованиям современного состояния науки и техники. Недостатком эталона являлось и то, что он представлял собой металлический брусок, который при стихийном бедствии (например, землетрясении или наводнении) мог пропасть или потерять со временем точное значение метра.

В 1960 году 1 м был выражен в длинах световых волн атома криптона (газа), т.е. связан с естественной (природной) величиной. Метр – это длина, равная 1 650 763,73 длины волны в вакууме излучения, соответствующего переходу между уровнями 2р10 и 5d5 атома криптона 86. При новом эталоне  длина 1 м воспроизводится с погрешностью 0,002 мкм, которая меньше погрешности старого искусственного эталона метра в 50 раз.

Для воспроизведения метра в длинах световых волн была создана специальная установка, эталонный интерферометр, основной частью которого является лампа в виде разрядной трубки, наполненная газом – криптоном. Однако в космический век и эта точность оказалась недостаточной, а новейшие достижения науки позволили в 1983 году на CVII Генеральной конференции мер и весов  принять новое определение метра: метр — это длина пути, проходимого светом в вакууме за 1/299 792 458 долю секунды.

Это стало возможным после того, как скорость света в вакууме   (299 792 458 м/с) метрологи приняли в качестве физической константы. Интересно отметить, что теперь, с точки зрения метрологических правил, метр зависит от секунды.

Единица массы. Не менее интересна история эталона единицы массы. Килограмм – масса, равная массе международного прототипа килограмма. «Килограмм Архива», который был принят за эталон массы в 1872 году, представляет собой платиновую цилиндрическую гирю, высота и диаметр которой равны по 39 мм. Прототипы (вторичные эталоны) для практического применения были сделаны из платино–иридиевого сплава. За международный прототип килограмма была принята платино-иридиевая гиря, по точности в наибольшей степени соответствующая массе «килограмма Архива».

По решению I Генеральной конференции по мерам и весам России из 42 экземпляров прототипов килограмма были переданы № 12 и № 26, причем № 12 утвержден в качестве государственного эталона массы. Прототип № 26 используется как вторичный эталон.

Национальный (государственный) эталон массы хранится в НПО «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева» (г. Санкт-Петербург) на кварцевой подставке под двумя стеклянными колпаками в стальном сейфе, температура воздуха поддерживается в пределах 20 ± 3 °С, относительная влажность  — 65 %. Один раз в 10 лет с ним сличаются два вторичных эталона. При сличении с международным эталоном наш национальный эталон массы получил значение 1,000 000 0877 кг. Для передачи размера единицы массы от прототипа № 12 вторичным эталонам используются специальные весы № 1 и № 2 с дистанционным управлением на 1 кг. Весы № 1 изготовлены фирмой «Рупрехт», а № 2 – НПО «ВНИИМ им. Д.И. Менделеева». Погрешность воспроизведения килограмма составляет 2×10 -9.

За 100 с лишним лет существования описанного прототипа килограмма, конечно, были попытки создать более современный эталон на основе фундаментальных физических констант масс различных атомных частиц (протона, электрона и т.д.). Однако на современном уровне научно-технического прогресса пока не удалось воспроизвести этим новейшим методом массу килограмма с меньшей погрешностью, чем существующая.

Единица времени. Секунда равна  9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния цезия-133. Секунда связана с частотой колебаний атомов цезия и воспроизводится на атомных часах с относительной погрешностью  5 ×10 -11. По старой эталонной секунде, воспроизводившейся с помощью кварцевых часов, погрешность составляла 1×10 -7 .

Единица термодинамической температуры. Кельвин – единица по термодинамической температурной шкале. Эта температурная шкала впервые была предложена английским физиком У. Томсоном (лорд Кельвин) еще в 1848 году. По этой шкале нулевым значением температуры является абсолютный нуль   (-273,15 °С), а температура тройной точки воды составляет 273,16 К, или по Цельсию  +0,01 °С. Под тройной точкой воды понимают точку равновесия воды в твердой, жидкой и газообразной фазе. Такая точка получается, если нагреть лед до  +0,01 °С в специальной установке с точностью ±0,0001 °С. Таким образом, кельвин – 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды.

Существующая с 1742 года и широко распространенная шкала Цельсия, в которой точка таяния льда принимается равной 0 С°, а точка кипения воды  100 °С, не обеспечивает необходимой точности измерений. Практически установлено, что погрешность при определении точки начала кипения воды колеблется от 0,01 до 0,002 °С.

С принятием в качестве основной шкалы  Кельвина, точность которой зависит только от погрешности определения одной – тройной точки воды (±0,0001 °С), погрешность эталонных измерений уменьшается не менее чем в 50 раз.

Шкала в кельвинах является эталонной и предпочтительной при расчетах, так как в ней нет минусовых температур, а только положительные, т. е. со знаком «+». До 1967 года единица именовалась градус Кельвина.

Для быта и производства сохранена температурная шкала в градусах Цельсия, которая названа Международной практической шкалой и основана не на двух точках (таяния льда и кипения воды), а на шести точках. Первой точкой шкалы является температура кипения гелия (- 268,93 °С), а последней точкой – температура затвердевания золота (+1064,43 °С). При новом построении шкалы в градусах Цельсия градусы обеих

шкал строго совпадают, и переход от одной температурной шкалы к другой очень прост: если известна температура по Цельсию t, то температура по Кельвину Т будет составлять Т = t + 273,15 °; если известна температура по Кельвину, то по Цельсию температура будет  t = Т - 273,15 °.

Единица силы электрического тока.



Ампер равен силе  неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, вызвал бы на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2
×10 -7 Н. Единица силы электрического тока – ампер – воспроизводится на специальной установке по принципу амперо–токовых весов с погрешностью 10 -5 .

Единица силы света. Кандела (свеча) равна силе света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540×1012 Гц, энергетическая сила которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср2.  (Ватт на стерадиан – производная единица энергетической силы света; стерадиан–ср–единица измерения телесного, пространственного угла).

Кандела воспроизводится с погрешностью 2×10 -3.

Единица количества вещества. Моль определяется как количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в нуклиде углерода-12 массой 0,012 кг.

Приведенные определения довольно сложны и требуют достаточного уровня знаний, прежде всего в физике. Но они дают представление о природном, естественном происхождении принятых единиц, а толкование их усложнялось по мере развития науки и благодаря новым высоким достижениям теоретической и практической физики, механики, математики и других фундаментальных областей знаний. Это дало возможность, с одной стороны, представить основные единицы как достоверные и точные, а с другой – как объяснимые и как бы понятные для всех стран мира, что является главным условием для того, чтобы система единиц стала международной. Международная система СИ считается наиболее совершенной и универсальной по сравнению с предшествовавшими ей. Кроме основных единиц, в системе СИ есть большое количество производных единиц пространства и времени, механических величин, электрических и магнитных величин, тепловых, световых и акустических величин, а также ионизирующих излучений (см. табл. 4.1).

Производная единица – это единица производной физической величины системы единиц, образованная в соответствии с уравнением, связывающим ее с основными единицами или с основными и уже определенными производными. Например, 1 м/с – единица скорости, образованная из основных единиц  СИ – метра и секунды; 1 Н – единица силы, образованная из основных единиц СИ – килограмма, метра и секунды.

Вместе с тем применяются и внесистемные единицы, например, тонна, сутки, литр, гектар и другие.

Задания к разделу 3: Ответить на вопросы по своему варианту (номер варианта соответствует последней цифре номера зачетной книжки).

Номер варианта

Вопрос

1

2

1

Назовите принцип построения системы СИ.

2

Перечислите основные единицы физических величин.

3

Дать определение единицы длины.

4

Дать определение единицы массы.

1

2

6

Дать определение единицы термодинамической температуры.

7

Дать определение единицы силы электрического тока.

8

Дать определение единицы силы света.

9

Дать определение единицы количества вещества.

10

Что такое производная единица? Привести пример.