6. Понятие о физической величине. Значение систем физических единиц

Физическая величина является понятием как минимум двух наук: физики и метрологии. По определению физиче­ская величина представляет собой некое свойство объекта, процесса, общее для целого ряда объектов по качественным параметрам, отличающееся, однако, в количественном отно­шении (индивидуальная для каждого объекта). Классиче­ским примером иллюстрации этого определения служит тот факт, что, обладая собственной массой и температурой, все тела имеют индивидуальные числовые значения этих парамет­ров. Соответственно размер физической величины считается ее количественным наполнением, содержанием, а в свою оче­редь значение физической величины представляет собой чис­ловую оценку ее размеров. В связи с этим существует поня­тие однородной физической величины, когда она является носителем аналогичного свойства в качественном смысле. Таким образом, получение информации о значениях физиче­ской величины как некоего числа принятых для нее единиц и есть главная задача измерений. И, соответственно, физиче­ская величина, которой по определению присвоено условное значение, равное единице, есть единица физической величи­ны. Вообще же все значения физических величин тради­ционно делят на: истинные и действительные. Первые пред­ставляет собой значения, идеальным образом отражающие в качественном и количественном отношении соответствую­щие свойства объекта, а вторые — значения, найденные экс­периментальным путем и настолько приближенные к истине, что могут быть приняты вместо нее. Однако этим классифи­кация физических величин не исчерпывается. Есть целый ряд классификаций, созданных по различным признакам. Основными из них является деления на:

1) активные и пассивные физические величины — при делении по отношению к сигналам измерительной ин­формации. Причем первые (активные) в данном случае представляют собой величины, которые без использова­ния вспомогательных источников энергии имеют вероят­ность быть преобразованными в сигнал измерительной информации. А вторые (пассивные) представляют собой такие величины, для измерения которых нужно использо­вать вспомогательные источники энергии, создающие сигнал измерительной информации;

2) аддитивные (или экстенсивные) и неаддитивные (или интенсивные) физические величины — при делении по признаку аддитивности. Считается, что первые (аддитив­ные) величины измеряются по частям, кроме того, их можно точно воспроизводить с помощью многозначной меры, основанной на суммировании размеров отдельных мер. А вторые (неаддитивные) величины прямо не изме­ряются, так как они преобразуются в непосредственное измерение величины или измерение путем косвенных из­мерений.

В 1791 г. Национальным собранием Франции была при­нята первая в истории система единиц физических величин. Она представляла собой метрическую систему мер. В нее входили: единицы длин, площадей, объемов, вместимостей и веса. А в их основу были положены две общеизвестные ны­не единицы: метр и килограмм. Ряд исследователей считают, что, строго говоря, эта первая система не является системой единиц в современном понимании. И лишь в 1832 г. немец­ким математиком К. Гауссом была разработана и опублико­вана новейшая методика построения системы единиц, пред­ставляющая собой в данном контексте некую совокупность основных и производных единиц.

В основу своей методики ученый заложил три основные независимые друг от друга величины: массу, длину, время. А в качестве основных единиц измерения данных величин ма­тематик взял миллиграмм, миллиметр и секунду, поскольку все остальные единицы измерения можно с легкостью вычис­лить с помощью минимальных. К. Гаусс считал свою систе­му единиц абсолютной системой. С развитием цивилизации и научно-технического прогресса возникли еще ряд систем единиц физических величин, основанием для которых слу­жит принцип системы Гаусса. Все эти системы построены как метрические, однако их отличием служат различные ос­новные единицы. Так, на современном этапе развития выделяют следующие основные системы единиц физических ве­личин:

1. система СГС (1881 г.) или Система единиц физических величин СГС, основными единицами которых являются следующие: сантиметр (см) — представленный в виде еди­ницы длины, грамм (г) — в виде единицы массы, а также секунда (с) — в виде единицы времени;

2. система МКГСС (конец XIX в.), использующая перво­начально килограмм как единицу веса, а впоследствии как единицу силы, что вызвало создание системы единиц физических величин, основными единицами которой ста­ли три физических единицы: метр как единица длины, килограмм-сила как единица силы и секунда как единица времени;

3. система МКСА (1901 г.), основы которой были созданы итальянским ученым Дж. Джорджи, который предложил в качестве единиц системы МКСА метр, килограмм, се­кунду и ампер.

На сегодняшний день в мировой науке существует неис­числимое количество всевозможных систем единиц физиче­ских величин, а также немало так называемых внесистемных единиц. Это, конечно, приводит к определенным неудоб­ствам при вычислениях, вынуждая прибегать к пересчету при переводе физических величин из одной системы единиц в другую. Сложилась ситуация, при которой возникла серьез­ная необходимость унификации единиц измерения. Требова­лось создать такую систему единиц физических величин, ко­торая подходила бы для большинства различных отраслей области измерений. Причем в роли главного акцента должен был звучать принцип когерентности, подразумевающий под собой, что единица коэффициента пропорциональности рав­на в уравнениях связи между физическими величинами. По­добный проект был создан в 1954 г. комиссией по разработке единой Международной системы единиц. Он носил название «проект Международной системы единиц» и был в конце концов утвержден Генеральной конференцией по мерам и ве­сам. Таким образом, система, основанная на семи основных единицах, стала называться Международной системой еди­ниц, или сокращенно СИ, что происходит от аббревиату­ры французского наименования «Systeme International» (SI). Международная система единиц, или сокращенно СИ, содержит семь основных, две дополнительных, а также несколько внесистемных, логарифмических единиц измерения, что мож­но видеть в таблице 1.

Таблица 1

Международная система единиц или СИ

Физические вели­чины, обладающие официально утвержденным эталоном	Единица измерения	Сокращения, принятые для обозначения единиц измерения физической величины
		Русские	Международные
Длина	Метр	м	m
Масса	Килограмм	кг	Kg
Время	Секунда	с	s
Сила электрического тока	Ампер	А	A
Температура	Кельвин	К	K
Единица освещенности	Кандела	канд.	cd
Количество вещества	Моль	моль	mol

Решениями Генеральной конференции по мерам и весам приняты такие определения основных единиц измерения физических величин:

1. метр считается длинной пути, который проходит свет в вакууме за 1/299 792 458 долю секунды;

2. килограмм считается приравненным к существующему международному прототипу килограмма;

3. секунда равна 919 2631 770 периодам излучения, соот­ветствующего тому переходу, который происходит между двумя так называемыми сверхтонкими уровнями основ­ного состояния атома Сз133;

4) ампер считается мерой той силы неизменяющегося то­ка, вызывающего на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия при условии прохождения по двум прямолинейным параллельным проводникам, обладаю­щим такими показателями, как ничтожно малая площадь кругового сечения и бесконечная длина, а также расположение на расстоянии в 1 м друг от друга в условиях в: куума;

5. кельвин равен 1/273,16 части термодинамической температуры, так называемой тройной точки воды;

6. моль равен количеству вещества системы, в которую; входит такое же количество структурных элементов, 41 и в атомы в С,₂ массой 0,012 кг.

Кроме того, Международная система единиц содержи две достаточно важные дополнительные единицы, необходимые для измерения плоского и телесного углов. Так, единим плоского угла — это радиан, или сокращенно рад, представляющий собой угол между двух радиусов окружности, дайн дуги между которыми равняется радиусу окружности. Ее ли речь идет о градусах, то радиан равен 57°17'48". А стерадиан, или ср, принимаемый за единицу телесного угла, представляет собой, соответственно, телесный угол, расположены вершины которого фиксируется в центре сферы, а площад.1 вырезаемая данным углом на поверхности сферы, равна площади квадрата, сторона которого равна длине радиуса сферы Другие дополнительные единицы СИ используются для формирования единиц угловой скорости, а также углового ускорения и т. д. Радиан и стерадиан используются для теоретических построений и расчетов, поскольку большая част значимых для практики значений углов в радианах выражаются трансцендентными числами. К внесистемным единицам относятся следующие:

1. за логарифмическую единицу принята десятая часть бела, децибел (дБ);

2. диоптрия — сила света для оптических приборов;

3. реактивная мощность — Вар (ВА);

4. астрономическая единица (а. е.) — 149,6 млн км;

5. световой год, под которым понимается такое расстояние, которое луч света проходит за 1 год;

6. вместимость — литр;

7. площадь — гектар (га).

Кроме того, логарифмические единицы традиционно делят на абсолютные и относительные. Первые абсолютные ло­гарифмические единицы — это десятичный логарифм соотно­шения физической величины и нормированного значения Относительная логарифмическая единица образуется как де­сятичный логарифм отношения любых двух однородных величин. Существуют также единицы, вообще не входящие СИ. Это в первую очередь такие единицы, как градус и минута. Все остальные единицы считаются производными, которые согласно Международной системе единиц образуются с мощью самых простейших уравнений с использованием величин, числовые коэффициенты которых приравнены к единице. Если в уравнении числовой коэффициент равен единице. производная единица называется когерентной.