1. Цели:
- расширить знания из истории развития систем единиц;
- научиться отличать основные единицы от производных.
2. Задачи: определение отличительных особенностей единиц физических величин и их систем.
3. Контрольные задания:
1) изучить предлагаемый ниже текст об истории развития систем единиц;
2) распределить предлагаемые ниже единицы измерений (давление: миллиметр ртутного столба и ньютон на квадратный метр; темп: число движений в секунду и герц; ом; вольт; ватт и лошадиная сила; калория и джоуль; килограмм силы и ньютон; секунда и минута; ампер; килограмм массы; метр; люкс; фарад) на основные, производные и внесистемные единицы системы СИ по следующей схеме (Ю.И.Смирнов, 2000г., с.18-21).
| Мм рт.ст.; Н/м; 1/мин; Гц; Ом; В; Вт; л.с.; кал; Дж; Кг; Н; с; мин; А; кг; м; лк; Ф | ||
| Основные | Производные | Внесистемные |
МАТЕРИАЛ ДЛЯ ЧТЕНИЯ
ОДНА ЕДИНИЦА, ДВЕ, ТРИ, ЧЕТЫРЕ, СЕМЬ…Что дальше?
Л.Н.Брянский
Нетрудно догадаться, что речь пойдет об основных единицах величин прошлых и ныне действующих систем.
Небезынтересно отметить, что какие-либо теоретически обоснованные алгоритмы, позволяющие однозначно определить число необходимых для построения системы основных единиц, отсутствуют. У М. Ф. Маликова [1] мы читаем: "Для некоторых величин единицы (основные, Л.Брянский) выбираются совершенно произвольно, однако, при непременном условии, чтобы эти единицы могли быть осуществлены с возможно большей точностью в виде эталонов или при помощи эталонных методов" и далее:
«... число независимых единиц стремятся свести к минимуму". Еще более определенно выразился Г.Д. Бурдун [2 ]:"Следует иметь в виду, что... какие-либо правила, по которым тот или иной комплекс единиц выбирается в качестве основных, нельзя обосновать теоретически. Единственным критерием при выборе основных единиц могут быть лишь эффективность и целесообразность использования данной системы".
После этого маленького вступления приступим к нашему обзору.
Творцы метрической системы, стремясь обеспечить единство и правильность измерений механических величин (другие области измерений находились в то время в зачаточном состоянии), построили ее на единственной основной единице – метре. Метр оставался ею с 1799 по 1872 г., когда он стал равным не одной десятимиллионной части четверти земного меридиана, проходящего через Париж, а просто длине архивного метра, а килограмм потерял связь с ним (через массу 1 дм воды) и стал равен массе архивного килограмма.
С этого момента метрическая система стала де-факто базироваться уже на двух основных единицах - метре и килограмме.
Следующий шаг сделал в 1332 г. Гаусс, который ввел в свою "абсолютную" систему еще одну основную единицу – секунду. То, что Гаусс вместо метра и килограмма в основу своей системы положил миллиметр и миллиграмм, принципиального значения не имело. Однако, в 1875 г. Метрическая конвенция узаконила систему, все еще основанную на двух основных единицах - метре и килограмме, как международную.
Окончательно секунда вошла в число основных единиц (и увеличила их совокупность до трех) в 1681 г. с принятием системы СГС - сантиметра грамм, секунда. Своеобразными ее вариантами были принятые в 1918 г. система МТС - метр, тонна, секунда и затем МКС - метр, килограмм, секунда.
Пока в ходу были, в основном, измерения механических величин, а измерения электрических, магнитных, тепловых и световых величин существовали как бы сами по себе, вне официальной системы единиц (сейчас бы мы сказали, что все единицы этих величин были внесистемными), трех основных единиц было достаточно.
С развитием только что перечисленных видов и областей измерений положение изменилось. Потребовались и другие основные единицы.
Сначала для решения возникающих измерительных задач стали приспосабливать системы СГС и МКС. Почти все разработанные и принятые их разновидности (исключения - СГС симметричная, СГСЭ и СГСМ, о которых мы расскажем ниже) опирались на четыре основные единицы и обслуживали локальные области измерений.
Начнем с вариантов системы СГС. Поскольку три основные единицы - сантиметр, грамм и секунда одинаковы для всех вариантов, будем говорить лишь о четвертой единице и области ее применения.
Система СГСД. Четвертая единица (слово "основная" будем опускать) - диэлектрическая проницаемость вакуума. Применялась предпочтительно в области измерений электрических величин.
Система СГСМ. Четвертая единица - магнитная проницаемость вакуума. Применялась предпочтительно при измерениях магнитных величин.
Система СГСФ. Четвертая единица - Франклин -единица электрического заряда.
Система СГСБ. Четвертая единица - биоэлектромагнитная единица силы тока. СГСФ и СГСБ применялись в области измерений электромагнитных величин.
Применялись также симметричная система СГС, системы СГСЭ и СГСМ. Их единицы совпадают по размеру с единицами СГСД и СГСМ, но их размерности различаются. Формально в число основных единиц они не входили и в размерностей производных единиц не участвовали.
Перейдем к семейству систем (точнее, подсистем) МКС.
МКСК - четвертая единица - кельвин. Применялась в области измерении тепловых величин.
МКСА. Четвертая единица - ампер применялась при измерениях электрических и магнитных величии. Эта система известна также как система Джорджи, по имени известного итальянского ученого.
МКСМ. Четвертая единица - магн - магнитная проницаемость вакуума. Также применялась для измерений электрических и магнитных величин.
МКСКД. Четвертая единица - кандела. Применялась для измерений световых величин.
МКСЛМ. Четвертая единица-люмен. Применялась также для измерений световых величин.
Такое многообразие систем и их разновидностей причиняло большие неудобства. Вот что писал по этому поводу Г. Д. Бурдун в [2 ]: "Существенные неудобства на практике, а также при преподавании создавало наличие единиц разных систем и внесистемных для одной и той же величины (например, для силы существует свыше 10 разных единиц, для работы и энергии - свыше 30 и т.д.). Возникала потребность перевода единиц из одной системы в другую, введения переводных множителей, усложнялись расчеты и вычисления".
Добавлю из собственного, еще студенческого, опыта. При использовании системы МКГСС - метр, килограмм-сила, секунда (была и такая система) можно было, переходя к "нормальным" килограммам или обратно к кгс, по ошибке не разделить на 9,81, а умножив на этот коэффициент, в результате ошибиться в 97 раз. И кое-кому это "удавалось".
Выход был найден в объединении всех вариантов системы МКС в одну. В результате довольно длительного (с 1954 по 1960 г.) и сложного процесса и родилась международная (интернациональная) система единиц - СИ (SI) первоначально с шестью основными единицами: метр, килограмм, секунда, ампер, градус Кельвина, кандела. В 1968 г. место градуса Кельвина занял кельвин, а в 1971 г. появилась седьмая основная единица - моль - единица количества вещества [3]. В целесообразности этой основной единицы до сих пор высказываются сомнения [4]. В [4] также высказывалось мнение о целесообразности включения в число основных единиц единицы плоского угла – радиана.
Однако, СИ на сегодня остается незыблемой со своим ансамблем из семи основных единиц и не видно весомых причин к увеличению их числа.
Наоборот, имеются системы с меньшим числом основных единиц, применяемые в физике и базирующиеся на фундаментальных физических постоянных (константах). Приведем несколько примеров таких, как их еще называют, "естественных" систем единиц [2,5].
Система Планка. Основные единицы - гравитационная постоянная, скорость света, постоянная Планка, постоянная Больцмана.
Система Хартри Также четыре основные единицы - заряд электрона, масса электрона, радиус первой боровской орбиты атома водорода, постоянная Планка.
Система Людовичи. Три основные единицы - гравитационная постоянная, диэлектрическая проницаемость вакуума, магнитная проницаемость вакуума.
Однако, эти системы, несмотря на то, что они опираются на естественные, природные единицы, а не на условные, выбранные научной общественностью, и успешно применяются в соответствующих областях физики, мало пригодны для повседневного применения в привычном для нас макромире. Делю в том, что размеры их единиц очень малы.
Поэтому, если не считать англоязычных стран, до сих пор в области измерений механических величин использующих систему фут, фунт, секунда (имеющей три основные единицы), СИ является единственной всемирно применяемой системой с рекордно большим числом основных единиц.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ:
1. Маликов М.Ф. Основы метрологии- М. 1949.
2. Бурдун ГД Справочник по международной системе единиц Издание второе. Изд. стандартов. М. 1977.
3. Брянский Л.Н. Серия статей об основных единицах СИ. ЗиПМ, 1994. №№ 2-6.
4. Юдин М.Ф. и др. Основные термины в области метрологии. Словарь-справочник. Изд. стандартов. М. 1989.
5. Физический энциклопедический словарь. Советская энциклопедия М. 1983
4. Нормирование времени на задание (4 часа).
5. Форма отчета, контроля: выступление на семинарском (практическом) занятии.