Поможем в ✍️ написании учебной работы

Имя

Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Выберите тип работыЧасть дипломаДипломная работаКурсовая работаКонтрольная работаРешение задачРефератНаучно - исследовательская работаОтчет по практикеОтветы на билетыТест/экзамен onlineМонографияЭссеДокладКомпьютерный набор текстаКомпьютерный чертежРецензияПереводРепетиторБизнес-планКонспектыПроверка качестваЭкзамен на сайтеАспирантский рефератМагистерская работаНаучная статьяНаучный трудТехническая редакция текстаЧертеж от рукиДиаграммы, таблицыПрезентация к защитеТезисный планРечь к дипломуДоработка заказа клиентаОтзыв на дипломПубликация статьи в ВАКПубликация статьи в ScopusДипломная работа MBAПовышение оригинальностиКопирайтингДругое

Нажимая кнопку "Продолжить", я принимаю политику конфиденциальности

Система СИ была принята XI Генеральной конференцией по мерам и весам в 1960 г. Система СИ является развитием предшествовавших ей систем еди­ниц СГС и МКГСС и др.

В настоящее время широко применяются две системы единиц СИ и СГС (симметричная, или гауссова). Система СГС существует более 100 лет и до сих пор используется в точных науках — физике, астрономии. Однако ее все более теснит система СИ — единствен­ная система единиц ФВ, которая принята и используется в боль­шинстве стран мира.

Преиму­ществами системы СИ:

• универсальность, т. е. охват всех областей науки и техники;

• унификация всех областей и видов измерений;

• когерентность величин;

• возможность воспроизведения единиц с высокой точностью в соответствии с их определением;

• упрощение записи формул в точных науках в связи с отсутствием переводных коэффициентов;

• уменьшение числа допускаемых единиц;

• единая система образования кратных и дольных единиц, имеющих собственные наименования;

• облегчение в изучении, так как отпадает необходимость в изучении множества систем единиц и внесистемных единиц;

• лучшее взаимопонимание при развитии научно-технических и экономических связей между различными странами.

 

В геометрии и кинематике для установления связей между еди­ницами достаточно уравнения:

 

где v — скорость; К_е — коэффициент пропорциональности; L — дли­на; t — время. Первоначально (до 1983 г.) в качестве основных вели­чин были выбраны единицы измерения длины и времени, а в каче­стве производной — скорость (п = 1).

В 1983 г. основными были названы единицы измерения времени и ско­рости.

Метр — расстояние, которое проходит свет в вакууме за 1/299 792 458 долю секунды.

Секунда — 9 192 631 770 периодов излучения, соответствую­щих переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного со­стояния атома цезия-133.

Для образования системы единиц в области геометрии и ки­нематики к уравнению (1.3) следует добавить уравнения связи для площади (например, квадрата), объема (например, куба), ус­корения и т.д. При добавлении уравнений каждый раз вводится одна новая ФВ и соответственно одно уравнение связи, при этом разность N - п = 2 сохраняется, и система единиц оптимальна.

При переходе к динамике уравнение (1.3) дополняется урав­нениями второго закона Ньютона (1.4):

F = k_lma

и закона всемирного тяготения:

 

где k₁, k₂ — коэффициенты пропорциональности; т, m ₁ , т₂ — масса тел; а — ускорение; r — расстояние между телами. Добавля­ются два уравнения связи и вводятся две новые ФВ — масса и сила, разность N - п = 2 при этом не меняется. При добавлении остальных уравнений механики для давления, работы, мощности и т.д. рассматриваемая разность также не изменяется.

Оба коэффициента в уравнениях (1.4) и (1.5) можно было бы приравнять к = 1, при этом сила и масса стали бы производными физическими величинами. Считая, что т = m₁ = т₂, из уравнений (1.4) и (1.5) получаем т = а∙ r ² , т. е. единица массы есть масса такой материальной точки, которая сообщает единичное ускоре­ние любой другой материальной точке, находящейся на единичном расстоянии. Такая производная единица массы имеет размер­ность м³/с и примерно равна 1,5∙10¹⁰ кг.

Килограмм — масса международного килограмма, представляющего собой цилиндр из сплава платины и иридия. 

Температура Т. Ее единица может быть получена как производная с использованием уже введенных ФВ геометрии и механики на основании одного из следующих уравнений.

Первое из них, называемое законом Менделеева — Клайперона:

 

,

где р — давление газа; V, т — соответственно его объем и масса; М — молярная масса; R — универсальная газовая постоянная, оп­ределяет абсолютную температуру как величину, пропорциональ­ную произведению давления на объем одного моля газа.

     Закон Стефана — Больцмана свя­зывает температуру с плотностью W_R электромагнитно­го излучения:

 

    где σ — постоянная Стефана — Больцмана.

В термодинамике показано, что приведенные четыре формулы определяют одну и ту же температуру, которая получила название термодинамической.

Температура измеряется в кельвинах. Один кельвин равен 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды.

Остальные тепловые единицы образуются на основании изве­стных уравнений связи между ними и введенными ранее физи­ческими величинами.

     Для описания акустических величин не требуется вводить но­вые основные величины, следовательно, все используемые в аку­стике ФВ являются производными.

В физике электромагнитных явлений к уравнениям механики необходимо добавить: уравнение закона Кулона (основной закон электростатики), уравнение связи между электрическим током и электрическим зарядом и уравнение закона Ампера (основной закон электродинамики). В этих уравнениях ведены четыре новые физические величины:

-электрический ток I ;

-электрический заряд q ,

- магнитная проницаемость μ₀, μ;

- диэлектрическая проницаемость ε₀, ε.

Следовательно, в данном случае N - п = 1. Под μ и ε понима­ются относительные проницаемости, а под μ₀ и ε₀ — абсолютные проницаемости вакуума.

В системе СИ за основную единицу выбрана единица абсолют­ной магнитной проницаемости μ₀ = 4π∙10^-7 Гн/м, - маг­нитной постоянной. Однако формально основной единицей счита­ется ампер.

       Ампер — сила тока, кото­рый при прохождении по двум параллельным проводникам бес­конечной длины и ничтожно малой площади кругового попереч­ного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, вызывает на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2∙10 ^-7Н.

Поскольку скорость света в вакууме в системе СИ принята равной 299 792 458 м/с, то электрическая проницаемость вакуума ε₀ называется электрической постоянной, также будет точной по­стоянной:

 

ε₀ = 1/(μ₀с²₀) = 8,854187187∙10^-12 Ф/м.

 

Между энергетическими и световыми величинами существует однозначная взаимосвязь, и для проведения измерений световых величин не требуется введения новой основной величины. Однако, учитывая исторически сложившееся к моменту возникновения системы СИ число основных единиц ФВ, а также значительное влияние на результаты световых измерений субъекта измерений — человека, было принято решение ввести единицу силы света — канделлу.

Канделла — сила света в заданном направлении источника, ис­пускающего монохроматическое излучение частотой 540 ∙ 10¹² Гц, энергетическая сила излучения которого в этом направлении со­ставляет 1/683 Вт∙ср^-1.

Последняя основная единица системы СИ — моль была до­полнительно введена в систему спустя 11 лет после введения пер­вых шести единиц.

Моль — количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится в углеро­де — 12 массой 0,0012 кг. При применении моля структурные элементы должны быть специфицированы и могут быть атомами, молекулами, ионами, электронами и другими частицами или груп­пами частиц.

В систему СИ введены две дополнительные единицы — радиан и стерадиан.

  Радиан — это единица измерения плоского угла — угла между двумя радиусами окружности, длина дуги которой равна радиусу. На практике часто используется градус (1^o = 2π/360 рад = 0,017453 рад), минута (1' = 1°/60 = 2,9088 10 ^-4 рад) и секунда (1'' = 1' /60 = 4,8481∙10^-6 рад). Соответственно 1 рад = 57°17'45" = 57,2961° = (3,4378∙10³)' = (2,0627∙10⁵)".

Стерадиан — единица измерения угла с вершиной в центре сферы, вырезающий на поверхности площадь, равную площади квадрата со стороной, равной радиусу сферы.

Во всех системах единиц плоский φ и телесный Ω углы вводятся из уравнений:

φ = I / R ; Ω = S / R²

где I - длина дуги, вырезаемой центральным плоским углом j на окружности радиуса R ; S — площадь, вырезаемая центральным телесным углом на шаре с радиусом R . В соответствии с этими определениями у обоих углов нет размерности в любой системе единиц: [φ] = L / L , [Ω] = L ² / L ²

Эталон — средство измерения, предназ­наченное для воспроизведения и хранения единицы и пе­редачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме СИ с максимально возможной точностью.

Эталон должен обладать тремя взаимосвязанными свойствами: неизменностью, воспроиз­водимостью и сличаемостью.

Неизменность — свойство эталона удерживать неизменным размер воспроизводимой им единицы в течение длительного времени.             Воспроизводимость — возможность воспроизведения единицы ФВ (на основе ее теоретического определения) с наименьшей погрешностью для существующего уровня измеритель­ной техники.

Сличаемость — возможность сличения с эталоном других СИ, нижестоящих по поверочной схеме, в первую очередь вторичных эталонов, с наивысшей точностью для существующей техники измерения. Это свойство предполагает, что эталоны по своему устройству и действию не вносят каких-либо искажений в резуль­таты сличений и сами не претерпевают изменений в результате сличений.

Различают следующие виды эталонов:

- первичный — обеспечивает хранение и воспроизведение с наивысшей в стране точно­стью. Первичные эталоны — это уникальные СИ, часто представ­ляющие собой сложнейшие измерительные комплексы, создан­ные с учетом новейших достижений науки и техники;

- международный — эталон, принятый по международному соглашению в качестве международной основы для воспроизводимых и хранимых нацио­нальными эталонами;

     - государственный или национальный — это первичный или спе­циальный эталон, официально утвержденный в качестве исходного для страны;

- вторичный — хранит размер единицы, полученной путем сли­чения с первичным эталоном соответствующей ФВ. Вторичные эталоны являются частью подчиненных средств хранения единиц и передачи их размеров, создаются и утверждаются в тех случаях, когда это необходимо для организации поверочных работ, а так­же для обеспечения сохранности и наименьшего износа государ­ственного эталона. В состав вторичных эталонов включаются СИ, с помощью которых хранят единицу ФВ, контролируют условия хранения и передают размер единицы;

- эталон сравнения — применяется для сличения эталонов, которые по тем или иным причинам не могут быть непосредственно сличаемы друг с другом;

- рабочий эталон — применяется для передачи размера едини­цы рабочим средствам измерений. Это самые распространенные эталоны. С целью повышения точности измерений ФВ их применяют в территориальных метрологических органах и лабораториях министерств и ведомств.

Поверка — это операция, проводимая уполномоченным орга­ном и заключающаяся в установлении пригодности СИ к приме­нению.

Основной метрологической характеристикой, определяемой при поверке СИ, является его погрешность.

Виды поверок: первичная, периодическая, внеочередная, инспекционная, комплексная.

Поверка выполняется метрологическими службами, которым дано на это право. Средство измерений, признанное годным к применению, оформляется выдачей свидетельства о поверке, на­несением поверительного клейма.

 Градуировка — нанесение отметок на шкалу, соответствующих показаниям об­разцового СИ или определение по его показаниям уточненных значений величины, соответствующих нанесенным отметкам на шкале рабочего СИ.

Если СИ не подлежат обязательному метрологическому конт­ролю и надзору, то они подвергаются калибровке.

Калибровка — устанавливление со­отношение между значением величины, полученным с помощью данного СИ, и соответствующим значением величины, определен­ным с помощью эталона.

По результатам калибровки определяют действительное зна­чение измеряемой величины, показываемое данными СИ, или поправки к его показаниям. Можно оценить погрешность СИ и ряд других метрологических характеристик.

Поверка измерительных приборов проводится методами:

- непосредственного сравнения измеряемых величин и вели­чин, воспроизводимых образцовыми мерами соответствующего класса точности;

- непосредственного сличения показаний поверяемого и образцового прибора при измерении одной и той же величины.

 Разность показаний этих приборов равна абсолютной погреш­ности поверяемого средства измерений.

Существуют и другие методы поверки, которые, однако, ис­пользуются гораздо реже.

Стан­дартный образец — образец вещества (материала) с установлен­ными в результате метрологической аттестации значениями од­ной или более величин, характеризующими свойство или состав этого вещества (материала).

Стандартные образцы предназначены для обеспечения единства и требуемой точности измерений посредством:

• градуировки, метрологической аттестации и поверки СИ;

• метрологической аттестации методик выполнения измерений;

• контроля показателей точности измерений;

• измерения ФВ, характеризующих состав или свойства веществ материалов, методами сравнения.

По своему назначению СО исполняют роль мер, однако в от­личие от "классических" мер они имеют ряд особенностей. На­пример, образцы состава воспроизводят значения ФВ, характе­ризующих состав или свойства именно того материала (вещества), из которого они изготовлены.

Стандартные образцы состава и свойств в отличие от мер ха­рактеризуются значительным влиянием неинформативных пара­метров (примесей, структуры материала и др.). При использова­нии СО очень часто необходимо учитывать функции влияния та­ких параметров.

 

 

Эталоны единиц системы СИ

Эталонная база России имеет в своем составе:

- 114 государствен­ных эталонов (ГЭ);

- более 250 вторичных эталонов единиц ФВ. Из них 52 находятся во ВНИИМ метрологии им. Д.И. Менделеева (ВНИИМ, Санкт-Петербург): эталоны метра, кило­грамма, ампера, кельвина и радиана;

-25 — во Всероссийском на­учно-исследовательском институте физико-технических и радио­технических измерений (ВНИИФТРИ, Москва), в том числе эта­лоны единиц времени и частоты;

-13 — во Всероссийском научно-исследовательском институте оптико-физических измере­ний: эталон канделы; соответственно 5 и 6 — в Ураль­ском и Сибирском научно-исследовательских институтах метро­логии.

В области механики в стране созданы и используются 38 ГЭ, в том числе первичные эталоны метра, килограмма и секунды, точ­ность которых имеет чрезвычайно большое значение, поскольку эти единицы участвуют в образовании производных единиц всех научных направлений.

Единица времени — секунда - пе­риод вращения Земли вокруг оси или Солнца. Секунда равнялась 1/86400 части солнечных средних суток.

Новый эталон секунды - интер­вал времени, в течение которого совершается 9 192 631 770 коле­баний, соответствующих резонансной частоте энергетического пе­рехода между уровнями основного состо­яния атома цезия-133, реализуется с помощью цезиевых реперов час­тоты.

Репер, или квантовый стандарт частоты, представляет собой устройство для точного воспроизведения частоты электромаг­нитных колебаний в сверхвысокочастотных и оптических спектрах.

Метр - одна десятимиллион­ная часть четверти длины Парижского меридиана. В 1799 г. на ос­нове ее измерения изготовили эталон метра в виде платиновой концевой линейки шириной около 25 мм, толщиной около 4 мм с расстоянием меж­ду концами 1 м.

Эталон метра расстояние, проходимое светом в вакууме за 1/299 792 458 долю секунды.

Кило­грамм - массу одного кубического дециметра чис­той воды при температуре ее наибольшей плотности (4°С).

В термодинамике действуют:

- два первичных и один специальный эталоны, воспроизводя­щие единицу температуры — кельвин в различных диапазонах;

- 11 государственных эталонов теплофизики — количества теп­лоты, удельной теплоемкости, теплопроводности и др.

Погрешность воспроизведения точки кипения воды составляет 0,002 — 0,01°С, точки таяния льда — 0,0002-0,001°С. Тройная точка воды, являющаяся точкой равновесия воды в твердой, жидкой и газообразной фазах, может быть воспроизведена в специальных со­судах с погрешностью не более 0,0002°С.

В 1954 г. перешли к определению термодинамической темпе­ратуры T по одной реперной точке — тройной точке воды, рав­ной 273,16 К. 

Единицей термодинамической тем­пературы - кельвин, определяемый как 1/273,16 части трой­ной точки воды. Температура в градусах Цельсия t определяется как t = T - 273,16 К. Единицей в этом случае является градус Цельсия, который равен Кельвину.

В 1989 г. была принята международная практическая тем­пературная шкала MT Ш-90.