Система измерения СИ - история, назначение, роль в физике

Система измерения СИ - это международная система единиц, которая используется для описания физических величин.

СИ состоит из семи основных единиц, которые определяются с помощью фундаментальных констант природы. Эти единицы - метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль и кандела. Кроме того, СИ включает в себя множество производных единиц, которые образуются путем комбинирования основных единиц с определенными коэффициентами. Например, единица скорости - метр в секунду, а единица силы - ньютон.

История человечества насчитывает несколько тысяч лет, и на разных этапах развития почти каждый народ использовал какие-то свои условные системы отсчетов. Сейчас Международная система единиц (СИ) для всех стран стала обязательной.

Система содержит семь основных единиц измерения: секунда — времени, метр — длины, килограмм — массы, ампер — силы электрического тока, кельвин — термодинамической температуры, кандела — силы света и моль — количества вещества. Предусмотрены две дополнительные единицы: радиан — для плоского угла и стерадиан — для телесного угла.

СИ происходит от французского Systeme Internationale, и означает международную систему единиц.

Как определяли метр

В 17 веке, с развитием в Европе науки, начали все чаще звучать призывы к тому, чтобы ввести универсальную меру или католический метр. Это была бы десятичная мера, основанная на естественном явлении, и не зависящая от постановлений находящегося у власти человека. Такая мера заменила бы собой множество разнообразных систем мер, существовавших тогда.

Британский философ Джон Уилкинс предлагал принять за единицу длины длину маятника, полупериод которого был бы равен одной секунде. Однако в зависимости от места измерений значение получалось неодинаковым. Французский астроном Жан Рише установил этот факт во время путешествия в Южную Америку (1671 — 1673).

В 1790 году министр Талейран предложил измерить эталонную длину расположив маятник на строго установленной широте между Бордо и Греноблем — 45° северной широты. В результате, 8 мая 1790 года, на Французском Национальном собрании постановили, что метр — это длина маятника с полупериодом колебаний на широте 45°, равным 1 с. В соответствии с сегодняшней СИ, тот метр был бы равен 0,994 м. Это определение, однако, не устроило научную общественность.

30 марта 1791 года Французская академия наук приняла предложение задать эталонный метр как часть Парижского меридиана. Новая единица должна была быть одной десятимиллионной частью расстояния от экватора до Северного полюса, то есть одной десятимилионной долей четверти окружности Земли, измеренной вдоль Парижского меридиана. Это и стало называться «Метр подлинный и окончательный».

7 апреля 1795 Национальный Конвент принял закон о введении метрической системы во Франции и поручил комиссарам, в число которых входили Ш. О. Кулон, Ж. Л. Лагранж, П.-С. Лаплас и другие учёные, экспериментально определить единицы длины и массы.

В период с 1792 по 1797 год, по решению революционного Конвента, французские учёные Деламбр (1749—1822 гг.) и Мешен (1744—1804 гг.) за 6 лет измерили таки дугу парижского меридиана длиной в 9°40' от Дюнкерка до Барселоны, проложив цепь из 115 треугольников через всю Францию и часть Испании.

Впоследствии, однако, выяснилось, что из-за неправильного учёта полюсного сжатия Земли эталон оказался короче на 0,2 мм. Таким образом, длина меридиана в 40000 км лишь приблизительна. Первый прототип эталона метра из латуни, тем не менее, был в 1795 году изготовлен. Следует отметить, что единица массы (килограмм, определение которого было основано на массе одного кубического дециметра воды), тоже была привязана к определению метра.

История становления системы СИ

22 июня 1799 года во Франции были изготовлены два эталона из платины — эталонный метр и эталонный килограмм. Эту дату можно справедливо считать днем начала развития нынешней системы СИ.

В 1832 году Карл Фридрих Гаусс создает так называемую абсолютную систему единиц, приняв за основные три единицы: единицу времени — секунду, единицу длины - миллиметр, и единицу массы — грамм, ведь с использованием именно этих единиц ученому удалось измерить абсолютное значение магнитного поля Земли (эта система получила название СГС Гаусса).

В 1860-х под влиянием Максвелла и Томсона было сформулировано требование, согласно которому базовые и производные единицы необходимо согласовть между собой. В итоге система СГС была введена в 1874 году, при этом были выделены и приставки для обозначения дольных и кратных единиц от микро до мега.

В 1875 году представителями 17 государств, среди которых Россия, США, Франция, Германия, Италия, - была подписана Метрическая конвенция, согласно которой были учреждены Международное бюро мер, Международный комитет мер и начинал действовать регулярный созыв Генеральной конференции по мерам и весам (ГКМВ). Тогда же было положено начало работам по разработке международных эталона килограмма и эталона метра.

В 1889 году на первой конференции ГКМВ была принята система МКС, основанная на метре, килограмме и секунде, сходная с СГС, однако единицы МКС виделись более приемлемыми в силу удобства из практического использования. Позже будут введены единицы для оптики и электричества.

В 1948 году, по предписанию французского правительства и Международного союза теоретической и прикладной физики, девятая Генеральная конференция по мерам и весам выступила с поручением Международному комитету по мерам и весам предложить, с целью унификации системы единиц измерения, свои идеи по созданию единой системы единиц измерения, которая смогла бы быть принятой всеми государствами участниками Метрической конвенции.

В результате, в 1954 году на десятой ГКМВ были предложены и приняты следующие шесть единиц: метр, килограмм, секунда, ампер, градус Кельвина и кандела. В 1956 году система получила название «Systeme International d’Unitйs» - международная система единиц.

В 1960 году был принят стандарт, который впервые назвали «Международная система единиц», и назначили сокращение «SI» (СИ).

Основными единицами остались те же шесть единиц: метр, килограмм, секунда, ампер, градус Кельвина и кандела, две дополнительных единиц (радиан и стерадиан) и двадцать семь важнейших производных, не предопределяя другие производные единицы, могущие быть добавленными впоследствии. (Русскоязычное сокращение «СИ» можно расшифровать как «Система интернациональная»).

Все указанные шесть основных единиц, обе дополнительные единицы и двадцать семь важнейших производных единиц полностью совпадали с соответствующими основными, дополнительными и производными единицами, принятыми на тот момент в СССР государственными стандартами на единицы измерений для систем МКС, МКСА, МКСГ и МСС.

В 1963 году в СССР, по ГОСТу 9867-61 «Международная система единиц», СИ была принята в качестве предпочтительной для областей народного хозяйства, в науке и технике, а также для преподавания в учебных заведениях.

В 1968 году на тринадцатой ГКМВ единица «градус Кельвина» была заменена на «кельвин», также было принято обозначение «К». Кроме того было принято новое определение секунды: секунда — это интервал времени, равный 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного квантового состояния атома цезия-133. В 1997 году будет принято уточнение, согласно которому этот интервал времени относится к атому цезия-133 в покое при 0 К.

В 1971 году на 14 ГКМВ добавили еще одну основную единицу «моль» - единицу количества вещества. Моль есть количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0,012 кг. При применении моля структурные элементы должны быть специфицированы и могут быть атомами, молекулами, ионами, электронами и другими частицами или специфицированными группами частиц.

В 1979 году на 16 ГКМВ приняли новое определение для канделы. Кандела - сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540·1012 Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср (ватт на стерадиан).

В 1983 году на 17 ГКМВ было дано новое определение метра. Метр — это длина пути, проходимого светом в вакууме за (1 / 299 792 458) секунды.

В 2009 году Правительством РФ было утверждено «Положение о единицах величин, допускаемых к применению в Российской Федерации», а в 2015 году в него были внесены изменения, призванные исключить «срок действия» некоторых внесистемных единиц.

Основные достоинства системы СИ заключаются в следующем:

1. Унификация единиц физических величин для различных видов измерения.

Система СИ позволяет иметь для каждой физической величины, встречающейся в различных областях техники, одну общую для них единицу, например, джоуль для всех видов работы и количества теплоты вместо применяемых в настоящее время разных единиц для этой величины (килограмм — сила — метр, эрг, калория, ватт-час и др.).

2. Универсальность системы.

Единицы системы СИ охватывают все отрасли науки, техники и народного хозяйства, исключая необходимость применения каких-либо других единиц, и в целом представляют собой единую систему, общую для всех областей измерений.

3. Связность (когерентность) системы.

Во всех физических уравнениях, определяющих производные единицы измерения, коэффициент пропорциональности — всегда безразмерная величина, равная единице.

Система СИ позволяет значительно упростить операции по решению уравнений, проведению расчетов и составлению графиков и номограмм, так как отпадает необходимость применения значительного количества переводных коэффициентов.

4. Стройность и связность системы СИ значительно облегчает изучение физических закономерностей и педагогический процесс при изучении общенаучных и специальных дисциплин, а также вывод различных формул.

5. Принципы построения системы СИ обеспечивают возможность образования по мере надобности новых производных единиц и, следовательно, перечень единиц этой системы открыт для дальнейшего расширения.

Назначение системы СИ и ее роль в физике

На сегодняшний день международная система физических величин СИ принята по всему миру, и используется больше чем другие системы как в науке и технике, так и в обыденной жизни людей, - она является современным вариантом метрической системы.

Большинство стран используют в технике именно единицы системы СИ, даже если в повседневной жизни пользуются традиционными для этих территорий единицами. В США, например, привычные единицы определяются через единицы системы СИ при помощи фиксированных коэффициентов.

Исчерпывающее подробное описание системы СИ в официальном виде изложено в издаваемой с 1970 года «Брошюре СИ» и в дополнении к ней; эти документы опубликованы на официальном сайте Международного бюро мер и весов. Начиная с 1985 года данные документы выпускаются на английском и французском языках, и всегда переводятся на ряд языков мира, хотя официальный язык документа — французский.

Точное официальное определение системы СИ формулируется следующим образом: «Международная система единиц (СИ) — система единиц, основанная на Международной системе величин, вместе с наименованиями и обозначениями, а также набором приставок и их наименованиями и обозначениями вместе с правилами их применения, принятая Генеральной конференцией по мерам и весам (CGPM)».

Система СИ определяют семь основных единиц физических величин и их производные, а также приставки к ним. Регламентированы стандартные сокращения обозначений единиц и правила записи производных. Основных единиц, как и прежде, семь: килограмм, метр, секунда, ампер, кельвин, моль, кандела. Основные единицы отличаются независимыми размерностями, и не могут быть получены из других единиц.

Что касается производных единиц, то они могут быть получены на базе основных, путем проведения математических действий, таких как деление или умножение. Часть производных единиц, такие как «радиан», «люмен», «кулон», - имеют собственные названия.

Перед названием единицы можно использовать приставку, как например миллиметр — тысячная доля метра, а километр — тысяча метров. Приставка означает, что единицу необходимо разделить или умножить на целое число, являющееся конкретной степенью числа десять.