Международная система единиц SI

Развитие науки и техники все настойчивее требовало унификации единиц измерений. Требовалась единая система единиц, удобная для практического применения и охватывающая различные области измерений. Так как метрическая система мер широко использовалась в Европе с начала 19 века, то она была взята за основу при переходе к единой международной системе единиц.

В 1960 г. ХI Генеральная конференция по мерам и весам утвердила Международную систему единиц физических величин (русское обозначение СИ, международное SI) на основе шести основных единиц. Было принято решение:

- присвоить системе, основанной на шести основных единицах, наименование «Международная система единиц»;

- установить международное сокращение для наименования системы  SI;

- ввести таблицу приставок для образования кратных и дольных единиц;

- образовать 27 производных единиц, указав, что могут быть добавлены и другие производные единицы.

В 1971 к SI была добавлена седьмая основная единица количества вещества (моль).

При построении SI исходили из следующих основных принципов:

- система базируется на основных единицах, которые являются независимыми друг от друга;

- производные единицы образуются по простейшим уравнениям связи и для величины каждого вида устанавливается только одна единица SI;

- система является когерентной;

- допускаются наряду с единицами SI широко используемые на практике внесистемные единицы;

- в систему входят десятичные кратные и дольные единицы.

Преимущества SI:

- универсальность, т.к. она охватывает все области измерений;

- унификация единиц для всех видов измерений – применение одной единицы для данной физической величины, например, для давления, работы, энергии;

- единицы SI по своему размеру удобны для практического применения;

- переход на нее повышает уровень точности измерений, т.к. основные единицы этой системы могут быть воспроизведены более точно, чем единицы других систем;

- это единая международная система и ее единицы распространены.

В СССР Международная система (SI) была введена в действие ГОСТ 8.417-81. По мере дальнейшего развития SI из нее был исключен класс дополнительных единиц, введено новое определение метра и введен ряд других изменений. В настоящее время в РФ действует межгосударственный стандарт ГОСТ 8.417-2002, который устанавливает единицы физических величин, применяемых в стране. В стандарте указано, что подлежат обязательному применению единицы SI, а также десятичные кратные и дольные этих единиц.

Кроме того, допускается применять некоторые единицы, не входящие в SI, и их дольные и кратные единицы. В стандарте указаны также внесистемные единицы и единицы относительных величин.

Основные единицы SI представлены в таблице. 1.1.

Таблица 1.1 - Основные единицы SI

Величина	Единица
Наименование	Размерность	Наименование	Обозначение
русское	международное.
Длина	L	метр	м	m
Масса	M	килограмм	кг	kg
Время	t	секунда	с	s
Электрический ток	I	ампер	А	A
Термодинамическая температура	T	кельвин	К	K
Количество вещества	N	моль	моль	mol
Сила света	J	кандела	кд	cd

Метр. Один метр – расстояние, пробегаемое светом в вакууме за время 1/299792458 секунды. Это определение международного эталона метра принято в 1983 году. До этого метр определялся как 1650763.73 длины волны в вакууме излучения, возникающего при переходе между уровнями 2p10 и 5d5 атома криптона 86 Kr. Причина, по которой был изменен эталон метра, связана с погрешностями воспроизведения эталонов длины и времени. Более подробно она обсуждается в следующем разделе.

Килограмм. Один килограмм равен массе международного прототипа, хранящегося в Международном бюро мер и весов (г. Севр, Франция). Прототип килограмма сделан из платиноиридиевого сплава (90% Pt, 10% Ir) в виде цилиндрической гири диаметром и высотой 39 мм.

Секунда. Одна секунда равна 9192631770 периодам колебаний напряженности поля электромагнитной волны, излученной при переходе между двумя энергетическими уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия 133 Cs. Государственный эталон времени России представляет собой атомно–лучевую трубку с пучком атомов Cs и радиоустройство, дающее набор электрических колебаний фиксированных частот.

Ампер. Один ампер равен силе не изменяющегося тока, который, проходя по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии один метр один от другого, вызвал бы на участке проводника длиной один метр силу взаимодействия, равную 2*107 ньютона.

Кельвин. Один кельвин равен 1/273.16 термодинамической температуры тройной точки воды. Тройной точкой в термодинамике называется равновесное состояние, в котором сосуществуют три фазы вещества (например, твердая, жидкая и газообразная). Такому состоянию соответствуют единственные значения давления и температуры.

Моль. Один моль – количество вещества, в котором содержится столько же структурных элементов (молекул, атомов, ионов), сколько атомов содержится в 0.012 кг углерода С₁₂.

Кандела. Одна кандела – сила света, испускаемого с площади 1/600000 м² поверхности абсолютно черного тела в перпендикулярном к этой поверхности направлении при нормальном давлении (101325 Па) и температуре тела, равной температуре затвердения платины (2042 К). Абсолютно черным называется тело, поглощающее всю энергию падающего на него излучения.

Производные единицы SI образуются по правилам образования когерентных производных единиц. Приведены примеры таких единиц и производных единиц, имеющих специальные наименования и обозначения. 21 производной единице дали наименования и обозначения по именам ученых, например, герц, ньютон, паскаль, беккерель.

Кроме основных и производных единиц в системе SI существуют дополнительные единицы: радиан – единица измерения плоского угла и стерадиан – единица измерения телесного угла.

В отдельном разделе стандарта приведены единицы, не входящие в SI. К ним относятся:

1. Внесистемные единицы, допускаемые к применению наравне с SI из-за их практической важности. Они разделены на области применения. Например, во всех областях применяются единицы тонна, час, минута, сутки, литр; в оптике  диоптрия, в физике  электрон-вольт и т.п.

2. Некоторые относительные и логарифмические величины и их единицы. Например, процент, промилле, бел.

3. Внесистемные единицы, временно допускаемые к применению. Например, морская миля, карат (0,2 г), узел, бар.

Единицы, в наименования которых входят наименования основных единиц. Примеры: единица площади - квадратный метр, размерность L², обозначение единицы м²; единица потока ионизирующих частиц - секунда в минус первой степени, размерность T^-1, обозначение единицы с^-1.

Единицы, имеющие специальные названия. Примеры:

сила, вес – ньютон, размерностьLMT^-2, обозначение единицы Н (международное N);энергия, работа, количество теплоты – джоуль, размерность L²MT^-2, обозначение Дж (J).

Единицы, наименования которых образованы с использованием специальных наименований. Примеры:

момент силы – наименование ньютон-метр, размерность L²MT^-2, обозначение Н*м (N*m); удельная энергия – наименование джоуль на килограмм, размерность L²T^-2, обозначение Дж/кг (J/kg).

Десятичные кратные и дольные единицы образуются с помощью множителей и приставок, от 10²⁴ (йотта) до 10^-24 (йокто).

Присоединение к наименованию двух и более приставок подряд не допускается, например, не килокилограмм, а тонна, являющаяся внесистемной единицей, допускаемой наряду с SI. В связи с тем, что наименование основной единицы массы содержит приставку кило, для образования дольных и кратных единиц массы используют дольную единицу  грамм и приставки присоединяются к слову «грамм» — миллиграмм, микрограмм.

Выбор кратной или дольной единицы от единицы SI диктуется, прежде всего, удобством ее применения, причем, числовые значения полученных величин должны быть приемлемы на практике. Считается, что числовые значения величин легче всего воспринимаются в диапазоне от 0,1 до 1000.

В некоторых областях деятельности всегда используют одну и ту же дольную или кратную единицу, например, в чертежах в машиностроении размеры всегда выражаются в миллиметрах.

Для снижения вероятности ошибок при расчетах десятичные и кратные дольные единицы рекомендуется подставлять только в конечный результат, а в процессе вычислений все величины выражать в единицах SI, заменяя приставки степенями числа 10.

В ГОСТ 8.417-2002 приведены правила написания обозначения единиц, основные из которых следующие.

Следует применять обозначения единиц буквами или знаками, причем устанавливается два вида буквенных обозначений: международные и русские. Международные обозначения пишутся при отношениях с зарубежными странами (договора, поставки продукции и документации). При использовании на территории РФ используются русские обозначения. При этом на табличках, шкалах и щитках средств измерений применяются только международные обозначения.

Названия единиц пишутся с маленькой буквы, если они не стоят в начале предложения. Исключение составляет градус Цельсия.

В обозначениях единиц точку как знак сокращения не ставят, печатаются они прямым шрифтом. Исключения составляют сокращения слов, которые входят в наименование единицы, но сами не являются наименованиями единиц. Например, мм.рт.ст.

Обозначения единиц применяют после числовых значений и помещают в строку с ними (без переноса на следующую строку). Между последней цифрой и обозначением следует оставлять пробел, кроме знака, поднятого над строкой.

При указании значений величин с предельными отклонениями следует заключать числовые значения в скобки и обозначения единиц помещать после скобок или проставлять их и после числового значения величины и после ее предельного отклонения.

Буквенные обозначения единиц, входящих в произведение, следует отделять точками на средней линии, как знаками умножения. Допускается отделять буквенные обозначения пробелами, если это не приводит к недоразумению. Геометрические размеры обозначаются знаком «х».

В буквенных обозначениях отношения единиц в качестве знака деления должна применяться только одна черта: косая или горизонтальная. Допускается применять обозначения единиц в виде произведения обозначений единиц, возведенных в степени.

При применении косой черты обозначения единиц в числителе и знаменателе следует помещать в одну строку, произведение обозначений в знаменателе следует заключать в скобки.

При указании производной единицы, состоящей из двух и более единиц, не допускается комбинировать буквенные обозначения и наименования единиц, т.е. для одних обозначения, для других – наименования.

Обозначения единиц, наименования которых образованы по фамилиям ученых, пишутся с прописной (заглавной) буквы.

Допускается применять обозначения единиц в пояснениях обозначений величин к формулам. Помещение обозначений единиц в одной строке с формулами, выражающими зависимости между величинами и их числовыми значениями, представленными в буквенной форме, не допускается.

В стандарте выделены единицы по областям знаний в физике и указаны рекомендованные кратные и дольные единицы. Выделено 9 областей использования единиц:

1.пространство и время;

2.периодические и связанные с ними явления;

3.механика;

4.теплота;

5.электричество и магнетизм;

6.свет и связанные с ним электромагнитные излучения;

7.акустика;

8.физическая химия и молекулярная физика;

9.ионизирующие излучения.

Для того чтобы можно было провести измерение и достичь поставленную перед ним цель, необходимо сформулировать измерительную задачу, в которую должны войти следующие составляющие элементы измерений:

объект измерения, т.е. измеряемая величина;

единица измерения, с которой сравнивается эта величина;

средство измерений, выбор которого должен быть оптимальным для достижения требуемого результата измерений;

точность результата измерений - одна из характеристик качества измерения, отражающая близость к нулю погрешности результата измерения.

Примечание: считают, что чем меньше погрешность измерения, тем больше его точность.

Абсолютная погрешность результата измерения - отклонение результата измерения от истинного (действительного) значения измеряемой величины.

Примечания

1 Истинное значение величины неизвестно, его применяют только в теоретических исследованиях.

2 На практике используют действительное значение величины х д, в результате чего абсолютную погрешность измерения Δ хизм определяют по формуле

Δ х = хизм - х д, (2.1)

где хизм - измеренное значение величины.

Относительная погрешность измерения δ;:

δ= Δ х/ х д, (2.2)

δ^%= (Δ х/ х д)100%. (2.3)