История развития систем единиц физических величин Построение систем единиц



В истории единиц измерений можно выделить три основных периода.

Первый, самый древний период, характеризуется применением наборов самостоятельных единиц, второй - применением наборов сопряженных единиц и третий - применением систем единиц.

Набор самостоятельных единиц включал в себя субъективные и объективные единицы.

Субъективные единицы в основном реализовали принцип «человек есть мера всех вещей». Со временем субъективные единицы были заменены объективными единицами, например, до сих пор применяется единица массы драгоценных камей «карат» (0,2 г) – это масса семени одного из видов бобов.

Набор сопряженных единиц можно разделить на две части: дометрические единицы и метрические единицы. Дометрические единицы стали первыми из единиц, способных к сопряжению, т.е. единицы, размеры единиц разнородных величин которых находились бы в закономерной связи друг с другом. В первую очередь это выразилось в установлении связи между единицами длины и времени (например, мера длины «стадия», равная 185…195 м, вошедшая в обиход у греков, египтян и римлян).

Многообразие и путаница мер достигло своего максимума в феодальную эпоху. В числе многочисленных прав феодала было его право иметь в пределах своих владений собственные меры и веса, а также самому поверять их.

Основой почти всех существующих систем является метрическая система мер, принятая во Франции в конце XVIII века (1791 г.) в период Великой Французской революции. Это была первая система единиц физических величин и включала в себя единицы длины (метр), площади (ар), объема (стер), емкости (литр) и массы (грамм). Одновременно были введены десятичные приставки к этим единицам: кило, дека, санти и милли. Началом введения Метрической системы мер следует считать декабрь 1795 г., когда французское правительство разрешило употребление этой системы мер во Франции. Интересным является и тот факт, что французские реформаторы внедрили «метрическое время» и «метрическое деление окружности». Так, год делился на 12 равных месяцев по 30 дней в каждом, а в конце года добавлялось 5 или 6 дополнительных дней. Каждый месяц делился на 3 декады, сутки – на 10 часов, час – на 100 минут, минута – на 100 секунд. Естественно, выпускались и «метрические часы». Новое деление суток просуществовало всего два года. В те же времена Лагранжем было предложено деление прямого угла на 100 градов, града – на 100 минут, минуты – на 100 секунд. Следует отметить, что такое деление угла просуществовало и до наших дней для определенных целей. Окончательно метрическая система введена во Франции в 1837 г.

Систему единиц, как совокупности выбранных основных и образованных с их помощью производных единиц, впервые предложил немецкий математик К.Гаусс в 1832 г. В работе «Напряжение земной магнитной силы в абсолютной мере» Гаусс впервые высказал мысль о том, что если выбрать произвольно и независимо друг от друга единицы трех величин – длины, массы и времени, то единицы измерения всех остальных величин могут быть определены с помощью этих трех единиц. Выбрав в качестве основных единиц миллиметр, миллиграмм, секунду, Гаусс построил абсолютную систему единиц. Слово «абсолютная» подчеркивало отказ от местных единиц и переход к единицам, не зависящим от географического положения наблюдателя.

Множество физических величин представляют собой некоторую систему, в которой отдельные величины связаны между собой системой уравнений. Для каждой физической величины должна быть установлена единица измерения. Анализ взаимосвязей физических величин показывает, что независимо друг от друга можно установить единицы измерения только для некоторых физических величин, а остальные выразить через них.

Размерность физической величины – выражение в форме степенного одночлена, составленного из произведений символов основных физических величин в различных степенях и отражающие связь данной величины с физическими величинами, принятыми в данной системе величин за основные и с коэффициентом пропорциональности, равным единице.

Степени символов основных величин, входящих в одночлен, могут быть целыми, дробными, положительными и отрицательными. Размерность величин обозначается знаком dim. В системе LMT размерность величины X будет

 

dim X = LlMmTt,

 

где L, M, T - символы величин, принятые за основные (соответственно длины, массы и времени)

l, m, t - целые или дробные, положительные или отрицательные вещественные числа, которые являются показателями размерности.

Размерность физической величины более общая характеристика, чем определяющее величину уравнение, т.к. одна и та же размерность может быть присуща величинам, имеющим различную качественную сторону. Над размерностями можно производить действия умножения, деления, возведения в степень и извлечение корня. Размерности широко используют при образовании производных единиц и проверки однородности уравнений. Если все показатели степени размерности равны нулю, то такая физическая величина называется безразмерной (например, относительные величины).

Таким образом, система единиц физических величин – совокупность основных и производных единиц, образованная в соответствии с принятыми принципами для заданной системы физических величин.

Английские ученые под руководством В.Томсона (Кельвина), разработали систему единиц, утвержденную в 1881 г. Эта система получила название СГС, в качестве основных единиц которой приняты сантиметр, грамм и секунда. На основе системы СГС был разработан ряд систем: СГСЭ (абсолютная электростатическая), СГСМ (абсолютная электромагнитная) и СГСС (абсолютная симметричная).

Для измерения механических величин до образования системы СИ существовала система МКС с основными единицами метр-килограмм-секунда. Система МКСА получена путем распространения системы МКС на область электрических и магнитных величин с добавлением одной новой основной единицы силы тока – ампера. Система МКСГ (метр, килограмм, секунда, градус Кельвина) – для измерения величин молекулярной физики.

Техническая система единиц МКГСС, имеющая основные единицы метр, килограмм-силу и секунду, предназначалась исключительно для механических измерений и до внедрения системы СИ широко применялась во многих странах мира.

Система единиц измерений механических величин МТС, в основу которой положены метр, тонна и секунда, принята в законодательном порядке во Франции в 1919 г., не получила широкого распространения.

Естественная система единиц была предложена в 1906 г. М. Планком. В основу ее он предлагал положить скорость распространения света в вакууме, гравитационную постоянную, константы Планка и Больцмана, и определять единицы длины, массы, времени и температуры. Несмотря на интересную идею, эта система оказалась непригодной для практики.

Метрические системы мер получили распространение в большинстве стран мира. Однако в Англии и США, а также странах, входивших в Британскую империю, до сих пользуются старой англосаксонской системой мер и весов.

 


Дата добавления: 2018-02-28; просмотров: 871;