В 1875 г. Метрической Конференцией было основано Международное Бюро Мер и Весов его целью стало создание единой системы измерений, которая нашла бы применение во всем мире. Было решено, за основу принять метрическую систему, которая появилась еще во времена Французской революции и основывалась на метре и килограмме. Позднее были утверждены эталоны метра и килограмма. С течением времени система единиц измерения развивалась, в настоящее время в ней принять семь основных единиц измерения. В 1960 г. эта система единиц получила современное название Международная система единиц (система СИ) (Systeme Internatinal d"Unites (SI)). Система СИ не обладает статичностью, она развивается в соответствии с требованиями, которые в настоящее время предъявляются к измерениям в науке и технике.

Основные единицы измерения Международной системы единиц

В основу определения всех вспомогательных единиц в системе СИ положены семь основных единиц измерения. Основными физическими величинами в Международной системе единиц (СИ) являются: длина ($l$); масса ($m$); время ($t$); сила электрического тока ($I$); температура по шкале Кельвина (термодинамическая температура) ($T$); количество вещества ($\nu $); сила света ($I_v$).

Основными единицами в системе СИ стали единицы выше названных величин:

\[\left=м;;\ \left=кг;;\ \left=с;\ \left=A;;\ \left=K;;\ \ \left[\nu \right]=моль;;\ \left=кд\ (кандела).\]

Эталоны основных единиц измерения в СИ

Приведем определения эталонов основных единиц измерения как это сделано в системе СИ.

Метром (м) называют длину пути, который проходит свет в вакууме за время равное $\frac{1}{299792458}$ с.

Эталоном массы для СИ является гиря, имеющая форму прямого цилиндра, высота и диаметр которого 39 мм, состоящего из сплава платины и иридия массой в 1 кг.

Одной секундой (с) называют интервал времени, который равен 9192631779 периодам излучения, который соответствует переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия (133).

Один ампер (А) - это сила тока, проходящего в двух прямых бесконечно тонких и длинных проводниках, расположенных на расстоянии 1 метр, находящихся в вакууме порождающая силу Ампера (сила взаимодействия проводников) равную $2\cdot {10}^{-7}Н$ на каждый метр проводника.

Один кельвин (К) - это термодинамическая температура равная $\frac{1}{273,16}$ части от температуры тройной точки воды.

Один мол (моль) - это количество вещества, в котором имеется столько же атомов, сколько их содержится в 0,012 кг углерода (12).

Одна кандела (кд) равна силе света, который испускает монохроматический источник частотой $540\cdot {10}^{12}$Гц с энергетической силой в направлении излучения $\frac{1}{683}\frac{Вт}{ср}.$

Наука развивается, совершенствуется измерительная техника, определения единиц измерения пересматривают. Чем выше точность измерений, тем больше требований к определению единиц измерения.

Производные величины системы СИ

Все остальные величины рассматриваются в системе СИ как производные от основных. Единицы измерения производных величин определены как результат произведения (с учетом степени) основных. Приведем примеры производных величин и их единиц в системе СИ.

В системе СИ имеются и безразмерные величины, например, коэффициент отражения или относительная диэлектрическая проницаемость. Эти величины имеют размерность единицы.

Система СИ включает производные единицы, обладающие специальными названиями. Эти названия - компактные формы представления комбинации основных величин. Приведем примеры единиц системы СИ, имеющих собственные наименования (табл. 2).

Каждая величина в системе СИ имеет только одну единицу измерения, но одна и та же единица измерения может использоваться для разных величин. Джоуль - единица измерения количества теплоты и работы.

Система СИ, единицы измерения кратные и дольные

В Международной системе единиц имеется набор приставок к единицам измерения, которые применяют, если численные значения рассматриваемых величин существенно больше или меньше, чем единица системы, которая применяется без приставки. Эти приставки используются с любыми единицами измерения, в системе СИ они являются десятичными.

Приведем примеры таких приставок (табл.3).

При написании приставку и наименование единицы пишут слитно, так, что приставка и единица измерения образуют единый символ.

Отметим, что единица массы в системе СИ (килограмм) исторически уже имеет приставку. Десятичные кратные и дольные единицы килограмма получают соединением приставки к грамму.

Внесистемные единицы

Система СИ универсальна и является удобной в международном общении. Практически все единицы, единицы не входящие в систему СИ можно определить, используя термины системы СИ. Применение системы СИ является предпочтительным в научном образовании. Однако имеются некоторые величины, которые не входят в СИ, но широко используются. Так, единицы времени такие как минута, час, сутки являются частью культуры. Не которые единицы используют по исторически сложившимся причинам. При использовании единиц, которые не принадлежат системе СИ необходимо указывать способы их перевода в единицы СИ. Пример единиц указан в табл.4.

Физические величины

Физическая величина – это характеристика физических объектов или явлений материального мира, общая для множества объектов или явлений в качественном отношении, но индивидуальная в количественном отношении для каждого из них . Например, масса, длина, площадь, температура и т.д.

Каждая физическая величина имеет свои качественную и количественную характеристики .

Качественная характеристика определяется тем, какое свойство материального объекта или какую особенность материального мира эта величина характеризует. Так, свойство "прочность" в количественном отношении характеризует такие материалы, как сталь, дерево, ткань, стекло и многие другие, в то время как количественное значение прочности для каждого из них совершенно разное

Для выявления количественного различия содержания свойства в каком-либо объекте, отображаемого физической величиной, вводится понятие размера физической величины . Этот размер устанавливается в процессе измерения - совокупность операций, выполняемых для определения количественного значения величины (ФЗ «Об обеспечении единства измерений»

Целью измерений является определение значения физической величины - некоторого числа принятых для нее единиц (например, результат измерения массы изделия составляет 2 кг, высоты здания -12 м и др.). Между размерами каждой физической величины существуют отношения в виде числовых форм (типа «больше», «меньше», «равенства», «суммы» и т.п.), которые могут служить моделью этой величины.

В зависимости от степени приближения к объективности различают истинное, действительное и измеренное значения физической величины .

Истинное значение физической величины - это значение, идеально отражающее в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство объекта. Из-за несовершенства средств и методов измерений истинные значения величин практически получить нельзя. Их можно представить только теоретически. А значения величины, полученные при измерении, лишь в большей или меньшей степени приближаются к истинному значению.

Действительное значение физической величины - это значение величины, найденное экспериментальным путем и настолько приближающееся к истинному значению, что для данной цели может быть использовано вместо него.

Измеренное значение физической величины - это значение, полученное при измерении с применением конкретных методов и средств измерений.

При планировании измерений следует стремиться к тому, чтобы номенклатура измеряемых величин соответствовала требованиям измерительной задачи (например, при контроле измеряемые величины должны отражать соответствующие показатели качества продукции).

Для каждого параметра продукции должны соблюдаться требования:

Корректность формулировки измеряемой величины, исключающая возможность различного толкования (например, необходимо четко определять, в каких случаях определяется "масса" или "вес" изделия, "объем" или "вместимость" сосуда и т.д.);

Определенность подлежащих измерению свойств объекта (например, "температура в помещении не более...°С " допускает возможность различного толкования. Необходимо так изменить формулировку требования, чтобы было ясно, установлено ли это требование к максимальной или к средней температуре помещения, что будет в дальнейшем учтено при выполнении измерений);

Использование стандартизованных терминов.

Физические единицы

Физическая величина, которой по определению присвоено числовое значение, равное единице, называетсяединицей физической величины.

Многие единицы физических величин воспроизводятся мерами, применяемыми для измерений (например, метр, килограмм). На ранних стадиях развития материальной культуры (в рабовладельческих и феодальных обществах) существовали единицы для небольшого круга физических величин - длины, массы, времени, площади, объёма. Единицы физических величин выбирались вне связи друг с другом, и притом различные в разных странах и географических районах. Так возникло большое количество часто одинаковых по названию, но различных по размеру единиц - локтей, футов, фунтов.

По мере расширения торговых связей между народами и развития науки и техники количество единиц физических величин увеличивалось и всё более ощущалась потребность в унификации единиц и в создании систем единиц. О единицах физических величин и их системах стали заключать специальные международные соглашения. В 18 в. во Франции была предложена метрическая система мер, получившая в дальнейшем международное признание. На её основе был построен целый ряд метрических систем единиц. В настоящее время происходит дальнейшее упорядочение единиц физических величин на базе Международной системы единиц (СИ).

Единицы физических величин делятся на системные, т. е. входящие в какую-либо систему единиц, и внесистемные единицы (например, мм рт. ст., лошадиная сила, электрон-вольт).

Системные единицы физических величин подразделяются на основные , выбираемые произвольно (метр, килограмм, секунда и др.), и производные , образуемые по уравнениям связи между величинами (метр в секунду, килограмм на кубический метр, ньютон, джоуль, ватт и т. п.).

Для удобства выражения величин, во много раз больших или меньших единиц физических величин, применяются кратные единицы (например, километр - 10 3 м, киловатт - 10 3 Вт) и дольные единицы (например, миллиметр - 10 -3 м, миллисекунда - 10-3 с)..

В метрических системах единиц кратные и дельные единицы физических величин (за исключением единиц времени и угла) образуются умножением системной единицы на 10 n , где n - целое положительное или отрицательное число. Каждому из этих чисел соответствует одна из десятичных приставок, принятых для образования кратных и дельных единиц.

В 1960 г. на XI Генеральной конференции по мерам и весам Международной организации мер и весов (МОМВ) была принята Международная системаединиц (SI).

Основными единицами в международной системе единиц являются: метр (м) – длина, килограмм (кг) – масса, секунда (с) – время, ампер (А) – сила электрического тока, кельвин (К) – термодинамическая температура, кандела (кд) – сила света, моль – количество вещества.

Наряду с системами физических величин в практике измерений по-прежнему используются так называемые внесистемные единицы. К их числу относятся, например: единицы давления – атмосфера, миллиметр ртутного столба, единица длины – ангстрем, единица количество теплоты – калория, единицы акустических величин – децибел, фон, октава, единицы времени – минута и час и т. п. Однако в настоящее время наметилась тенденция к их сокращению до минимума.

Международная система единиц имеет целый ряд достоинств: универсальность, унификация единиц для всех видов измерений, когерентность (согласованность) системы (коэффициенты пропорциональности в физических уравнениях безразмерны), лучшее взаимопонимание между различными специалистами в процессе научно-технических и экономических связей между странами.

В настоящее время применение единиц физических величин в России узаконено Конституцией РФ (ст. 71) (стандарты, эталоны, метрическая система и исчисление времени находятся в ведении Российской Федерации) и федеральным законом "Об обеспечении единства измерений". Статья 6 Закона определяет применение в Российской Федерации единиц величин Международной системы единиц, принятых Генеральной конференцией по мерам и весам и рекомендованные к применению Международной организацией законодательной метрологии. В то же время в Российской Федерации могут быть допущены к применению наравне с единицами величин СИ внесистемные единицы величин, наименование, обозначения, правила написания и применения которых устанавливаются Правительством Российской Федерации.

В практической деятельности следует руководствоваться единицами физических величин, регламентированных ГОСТ 8.417-2002 «Государственная система обеспечения единства измерений. Единицы величин».

Стандартом наряду с обязательным применением основных и производных единиц Международной системы единиц, а также десятичных кратных и дольных этих единиц допускается применять некоторые единицы, не входящие в СИ, их сочетания с единицами СИ, а также некоторые нашедшие широкое применение на практике десятичные кратные и дольные перечисленных единиц.

Стандарт определяет правила образования наименований и обозначений десятичных кратных и дольных единиц СИ с помощью множителей (от 10 –24 до 10 24) и приставок, правила написания обозначений единиц, правили образования когерентных производных единиц СИ

Множители и приставки, используемые для образования наименований и обозначений десятичных кратных и дольных единиц СИ приведены в табл.

Множители и приставки, используемые для образования наименований и обозначений десятичных кратных и дольных единиц СИ

Десятичный множитель	Приставка	Обозначение приставки	Десятичный множитель	Приставка	Обозначение приставки
межд.	рус	межд.	русс
10 24	иотта	Y	И	10 –1	деци	d	д
10 21	зетта	Z	З	10 –2	санти	c	с
10 18	экса	E	Э	10 –3	милли	m	м
10 15	пета	P	П	10 –6	микро	µ	мк
10 12	тера	T	Т	10 –9	нано	n	н
10 9	гига	G	Г	10 –12	пико	p	п
10 6	мега	M	М	10 –15	фемто	f	ф
10 3	кило	k	к	10 –18	атто	a	а
10 2	гекто	h	г	10 –21	зепто	z	з
10 1	дека	da	да	10 –24	иокто	y	и

Когерентные производные единицы Международной системы единиц, как правило, образуют с помощью простейших уравнений связи между величинами (определяющих уравнений), в которых числовые коэффициенты равны 1. Для образования производных единиц обозначения величин в уравнениях связи заменяют обозначениями единиц СИ.

Если уравнение связи содержит числовой коэффициент, отличный от 1, то для образования когерентной производной единицы СИ в правую часть подставляют обозначения величин со значениями в единицах СИ, дающими после умножения на коэффициент общее числовое значение, равное 1.

Справочник содержит данные по механическим, термодинамическим и молекулярно-кинетическим свойствам веществ, электрическим свойствам металлов, диэлектриков и полупроводников, магнитным свойствам диа-, пара- и ферромагнетиков, оптическим свойствам веществ, в том числе и лазерных, оптическим, рентгеновским и мёссбауэровским спектрам, нейтронной физике, термоядерным реакциям, а также геофизике и астрономии.

Материал представлен в виде таблиц и графиков, сопровождаемых краткими объяснениями и определениями соответствующих величин. Для удобства пользования приведены единицы измерения физических величин в различных системах и переводные множители.

Развитие физических наук в последние десятилетия характеризуется неудержимым увеличением потока информации. Эта информация нуждается в систематическом обобщении и концентрации Таблицы физических величин естественным образом концентрируют ту часть потока информации, которая допускает числовое выражение.

По отдельным узким разделам физики изданы и продолжают издаваться специализированные справочники и таблицы. К таким изданиям обычно обращаются специалисты.

Предлагаемые таблицы предназначены для широкого круга читателей, которым нужно получить информацию из областей физики, лежащих вне их более или менее узкой специальности. Поэтому в предлагаемых таблицах читатель не найдет, например, подробных данных ни о спектрах элементов, ни о свойствах растворов и т. п. «Таблицы физических величин» не претендуют на конкуренцию с такими многотомными изданиями, как знаменитый справочник Landolt-Bornstein либо Technical Tables и др. Для повседневного пользования обычно требуется широко доступный справочник умеренного объема. Удовлетворению этой потребности и призваны служить предлагаемые читателю таблицы.

Составители понимают, что таблицы далеки от совершенства, и надеются, что читатели своими критическими замечаниями будут способствовать улучшению этой книги в последующих изданиях.

ОГЛАВЛЕНИЕ
От редактора
I. ОБЩИЙ РАЗДЕЛ
Глава 1. Единицы измерения физических величин
Глава 2. Фундаментальные физические постоянные
Глава 3. Периодическая система элементов
II. МЕХАНИКА И ТЕРМОДИНАМИКА
Глава 4. Механические свойства материалов
Глава 5. Плотность веществ
Глава 6. Сжимаемость веществ
Глава 7. Акустика
Глава 8. Термометрия
Глава 9. Температурные коэффициенты расширения и эффект Джоуля - Томсона
Глава 10. Теплоемкость
Глава 11. Фазовые переходы, плавление и кипение
Глава 12. Давление пара различных веществ
Глава 13. Критические параметры веществ и вириальные коэффициенты
Глава 14. Коэффициент поверхностного натяжения
III. КИНЕТИЧЕСКИЕ ЯВЛЕНИЯ
Глава 15. Теплопроводность
Глава 16. Вязкость
Глава 17. Диффузии атомов и молекул
Глава 18. Эффективные размеры атомов и ионов
IV. ЭЛЕКТРИЧЕСТВО И МАГНЕТИЗМ
Глава 19. Электрические свойства металлов и сплавов
Гланд 20. Электрические свойства диэлектриков
Глава 21. Электрические свойства полупроводников
Глава 22. Потенциалы ионизации и энергии диссоциации
Глава 23. Газовый разряд
Глава 24. Электронная эмиссия
Глава 25. Термоэлектрические явления
Глава 27. Магнитные свойства диа- и парамагнетиков
Глава 28. Магнитные свойства ферромагнетиков
Глава 29. Ферриты
Глава 30. Антиферромагнетики
V. ОПТИКА И РЕНТГЕНОВСКОЕ ИЗЛУЧЕНИЕ
Глава 31. Оптические свойства вещества
Глава 32. Спектры элементов и некоторые параметры молекул
Глава 33. Лазеры
Глава 34. Электро-, магнито- и пьезооптические эффекты
Глава 35. Рентгеновское излучение
VI. ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА
Глава 36. Элементарные частицы
Глава 37. Ядерные свойства нуклидов
Глава 38. Мёссбауэровские ядра
Глава 39. Реакции под действием нейтронов
Глава 40. Реакции, приводящие к образованию нейтронов
Глава 41. Прохождение нейтронов через вещество
Глава 42. Деление ядер
Глава 43. Термоядерные реакции
Глава 44. Прохождение ионизирующего излучения через вещество
Глава 45. Космическое излучение
VII. АСТРОНОМИЯ И ГЕОФИЗИКА
Глава 46. Астрономия и астрофизика
Глава 47. Геофизика

Бесплатно скачать электронную книгу в удобном формате, смотреть и читать:
Скачать книгу Таблицы физических величин, Справочник, Кикоин И.К., 1976 - fileskachat.com, быстрое и бесплатное скачивание.

Скачать файл № 1 - zip
Скачать файл № 2 - djvu
Ниже можно купить эту книгу по лучшей цене со скидкой с доставкой по всей России.

Каждое измерение - это сравнение измеряемой величины с другой, однородной с ней величиной, которую считают единичной. Теоретически единицы для всех величин в физике можно выбрать независимыми друг от друга. Но это крайне неудобно, так как для каждой величины следовало бы ввести свой эталон. Кроме этого во всех физических уравнениях, которые отображают связь между разными величинами, возникли бы числовые коэффициенты.

Основная особенность используемых в настоящее время систем единиц состоит в том, что между единицами разных величин имеются определенные соотношения. Эти соотношения установлены теми физическими законами (определениями), которыми связываются между собой измеряемые величины. Так, единица скорости выбрана таким образом, что она выражается через единицы расстояния и времени. При выборе единиц скорости используется определение скорости. Единицу силы, например, устанавливают при помощи второго закона Ньютона.

При построении определенной системы единиц, выбирают несколько физических величин, единицы которых устанавливают независимо друг от друга. Единицы таких величин называют основными. Единицы остальных величин выражают через основные, их называют производными.

Количество основных единиц и принцип их выбора может быть разным для разных систем единиц. Основными физическими величинами в Международной системе единиц (СИ) являются: длина ($l$); масса ($m$); время ($t$); сила электрического тока ($I$); температура по шкале Кельвина (термодинамическая температура) ($T$); количество вещества ($\nu $); сила света ($I_v$).

Таблицы единиц измерения

Основными единицами в системе СИ стали единицы выше названных величин:

\[\left=м;;\ \left=кг;;\ \left=с;;\ \left=A;;\ \left=K;;\ \ \left[\nu \right]=моль;;\ \left=кд\ (кандела).\]

Для основных и производных единиц измерения в системе СИ используют дольные и кратные приставки в таблице 1 приведены некоторые из них

В таблице 2 сведена главная информация об основных единицах системы СИ.

В таблице 3 приведем некоторые производные единицы измерения системы СИ.

и многие другие.

В системе СИ существуют производные единицы измерения, которые имеют собственные названия, которые на самом деле являются компактными формами комбинаций основных величин. В таблице 4 приведены примеры подобных единиц системы СИ.

Для каждой физической величины имеется только одна единица СИ, но одна и та же единица может применяться для нескольких величин. Например, в джоулях измеряют работу и энергию. Существуют безразмерные величины.

Имеются некоторые величины, которые не входят в СИ, но широко используются. Так, единицы времени такие как минута, час, сутки являются частью культуры. Не которые единицы используют по исторически сложившимся причинам. При использовании единиц, которые не принадлежат системе СИ необходимо указывать способы их перевода в единицы СИ. Пример единиц указан в табл.5.

Примеры задач с решением

Пример 1.

Задание. За единицу силы в системе СГС (сантиметр, грамм, секунда) принимают дину. Дина - это сила, которая сообщает телу массой 1 г ускорение в 1 $\frac{см}{с^2}$. Выразите дину в ньютонах.

Решение. Единицу измерения силы устанавливают при помощи второго закона Ньютона:

\[\overline{F}=m\overline{a}\left(1.1\right).\]

Это означает, что единицы измерения силы получают, используя единицы измерения массы и ускорения:

\[\left=\left\left\ \left(1.2\right).\]

В системе СИ ньютон получается равным:

\[Н=кг\cdot \frac{м}{с^2}\ \left(1.3\right).\]

В системе СГС единица измерения силы (дина) равна:

\[дин=г\cdot \frac{см}{с^2}\ \left(1.4\right).\]

Переведем метры в сантиметры, а килограммы в граммы в выражении (1.3):

Ответ. $1Н={10}^5дин.$

Пример 2.

Задание. Автомобиль двигался со скоростью $v_0=72\ \frac{км}{ч}$. При аварийном торможении он смог остановиться через $t=5\ c.$ Каков тормозной путь автомобиля ($s$)?

Решение.

Для решения задачи запишем кинематические уравнения движения, считая ускорение с которым автомобиль уменьшал скорость постоянным:

уравнение для скорости:

\[\overline{v}={\overline{v}}_0+\overline{a}t\ \left(2.1\right)\]

уравнение для перемещения:

\[\overline{s}={\overline{s}}_0+{\overline{v}}_0t+\frac{\overline{a}t^2}{2}\ \left(2.2\right).\]

В проекции на ось X и с учетом того, что конечная скорость автомобиля равна нулю, а торможение считаем автомобиль начал из начала координат выражения (2.1) и (2.2) запишем как:

\ \

Из формулы (2.3) выразим ускорение и подставим его в (2.4), получим:

Прежде чем проводить вычисления нам следует скорость $v_0=72\ \frac{км}{ч}$ перевести в единицы измерения скорости в системе СИ:

\[\left=\frac{м}{с}.\]

Для этого воспользуемся таблицей 1, где видим, что приставка кило означает умножение 1 метра на 1000, а так как в 1ч=3600 с (табл. 4), то в системе СИ начальную скорость будет равна:

Вычислим тормозной путь:

Во времени живя, мы времени не знаем
Тем самым мы себя не понимаем
В такое время мы, однако, родились?
Какое время нам прикажет: «Удались»!
И как нам распознать, что наше время значит?
И что за будущее наше время прячет?
Но время – это мы! Никто иной!
Мы с вами!

П.Флеминг

Среди многочисленных физических величин существуют основные базовые, через которые выражаются все остальные с помощью определенных количественных соотношений. Это – длина, время и масса. Рассмотрим подробнее эти величины и их единицы измерения.

1. ДЛИНА. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЙ

Длина – мера для измерения расстояния . Она характеризует протяженность в пространстве. Попытки субъективных измерений длины отмечались более 4000 лет назад: в III веке в Китае изобрели прибор для измерения расстояний: легкая тележка имела систему зубчатых передач, соединенную с колесом и барабаном. Каждое ли (576 м) отмечалось ударом барабана. С помощью этого изобретения министр Пей Сю создал «Региональный атлас» на 18 листах и большую карту Китая на шелке, которая была так велика, что одному человеку было трудно ее развернуть.
Существуют интересные факты измерения длины. Так, например, моряки измеряли свой путь трубками , т. е. расстоянием, которое проходит судно за время, за которое моряк выкуривает трубку. В Испании похожей единицей была сигара , а в Японии – лошадиный башмак (соломенная подошва, заменявшая подкову). Были и шаги (у древних римлян), и аршины (?71 см), и пяди (?18 см). Поэтому неоднозначность результатов измерений показала необходимость введения согласованной единицы. Действительно, дюйм (2,54 см, введенный как длина большого пальца, от глагола «дюйм») и фут (30 см, как длина ступни от английского «фут» – ступня) было трудно сравнивать.

Рис.1. Метр как эталон длины с 1889 по 1960г

С 1889 по 1960 г в качестве единицы длины использовалась одна десятимиллионная часть расстояния, измеренного вдоль Парижского меридиана от Северного полюса до экватора, – метр (от греч. metron – мера) (рис.1).
В качестве эталона длины использовался стержень из платиново-ириадиевого сплава, хранился он в Севре, около Парижа. До 1983 г метр считался равным 1650763,73 длины волны оранжевой спектральной линии, излучаемой криптоновой лампой.
Открытие лазера (в 1960 году в США) позволило измерить скорость света с большей степенью точности (?с=299 792 458 м/с) по сравнению с криптоновой лампой.
Метр – единица длины, равная расстоянию, которое проходит свет в вакууме за время? 99 792 458 с.

Диапазон измерения размера объектов в природе приведен на рисунке 2.

Рис.2. Диапазон измерения размера объектов в природе

Методы измерения расстояний. Для измерения сравнительно небольших расстояний и размеров тел применяют рулетку, линейку, метр. Если измеряемые объемы малы и требуется большая точность, то измерения проводят микрометром, штангельциркулем. При измерении больших расстояний используют разные методы: триангуляцию, радиолокацию. Например, расстояние до любой звезды или Луны измеряют методом триангуляции (рис.3).

Рис.3. Метод триангуляции

Зная базу – расстояние l между двумя телескопами, расположенными в точках А и В на Земле, и углы а1 и а2 , под которыми они направлены на Луну, – можно найти расстояния АС и ВС:

При определении расстояния до звезды в качестве базы можно использовать диаметр орбиты Земли, вращающейся вокруг Солнца (рис. 4).

Рис.4. Определение расстояния до звезды

В настоящее время расстояние ближайших к Земле планет измеряется методом лазерной локации . Луч лазера, посланный, например, в сторону Луны, отражается и, возвращаясь на Землю, принимается фотоэлементом (Рис. 5).

Рис. 5. Измерение расстояний методом лазерной локации

Измеряя промежуток времени t0, через который возвращается отраженный луч, и зная скорость света «с», можно найти расстояние до планеты: .

Для измерения малых расстояний с помощью обычного микроскопа можно разделить метр на миллион частей и получить микрометр , или микрон . Однако продолжать таким образом деление невозможно, так как предметы, размеры которых меньше 0,5 микрона, нельзя увидеть в обычный микроскоп.

Рис.6. Фотография атомов углерода в графите, сделанная с помощью ионного микроскопа

Ионный микроскоп (рис. 6) позволяет проводить измерения диаметра атомов и молекул порядка 10~10м. Расстояние между атомами - 1,5?10~10м. Внутриатомное пространство практически пустое, с крошечным ядром в центре атома. Наблюдение рассеяния частиц высокой энергии при прохождении сквозь слой вещества позволяет зондировать вещество вплоть до размера атомных ядер (10–15м).

2. ВРЕМЯ. ИЗМЕРЕНИЕ РАЗНЫХ ПРОМЕЖУТКОВ ВРЕМЕНИ

Время – мера измерение разных промежутков времени . Это мера скорости, с которой происходят какие-либо изменения, т.е. мера скорости развития событий. В основу измерения временем положены периодические, повторяющиеся циклические процессы.
Считают, что первыми часами был гномон , изобретенный в Китае в конце XVI века. Время измеряли по длине и направлению тени от вертикального шеста (гномона), освещенного солнцем. Этот указатель тени и служил первыми часами.
Давно замечено было: максимальной устойчивостью и повторяемостью обладают астрономические явления; день сменяется ночью регулярно чередуются времена года. Эти все явления связаны с движением Солнца на небесной сфере. На их основе и создан календарь.
Измерения небольших промежутков времени (порядка 1 час) долго оставалось трудной задачей, с которой блестяще справился голландский ученый Христиан Гюйгенс (рис.7).

Рис.7. Христиан Гюйгенс

Он в 1656 г сконструировал маятниковые часы, колебания в которых поддерживала гиря и погрешность которых составляла 10 с в сутки. Но, несмотря на постоянное совершенствование часов и увеличение точности измерения времени, секунду (определенную как 1/86400 суток) нельзя было использовать в качестве постоянного эталона времени. Это объясняется незначительным замедлением скорости вращения Земли вокруг своей оси и соответственно увеличением периода обращения, т.е. длительности суток.
Получение стабильного эталона времени оказалось возможным в результате исследований спектров излучения разных атомов и молекул, что позволило измерить время с уникальной точностью. Период электромагнитных колебаний, излучаемых атомами, измеряется с относительной погрешностью порядка 10–10 с (рис.8).

Рис.8. Диапазон измерения времени объектов Вселенной

В 1967 г был введен новый эталон секунды. Секунда – эта единица времени, равная 9 192 631 770 периодам излучения изотопа атома цезия – 133.

Излучение цезия – 133 легко воспроизводится и измеряется в лабораторных условиях. Погрешность таких «атомных часов» за год составляет 3*10-7 с.
Для измерения большего промежутка времени используется периодичность иного рода. Многочисленные исследования радиоактивных (распадающихся со временем) изотопов показали, что время, за которое их число уменьшается в 2 раза (период полураспада), является постоянной величиной. Это означает, что период полураспада позволяет выбирать масштаб времени.
Выбор изотопа для измерения времени зависит от того, какой ориентировочно интервал времени измеряется. Период полураспада должен быть соизмерим с предполагаемым интервалом времени (табл. 1).

Таблица 1

Период полураспада некоторых изотопов

При археологических исследованиях наиболее часто измеряют содержание изотопа углерода 14С, период полураспада которого составляет 5730 лет. Возраст древней рукописи оценивается в 5730 лет, если содержание 14С в ней в 2 раза меньше первоначального (которое известно). При уменьшении содержания 14С в 4 раза по сравнению с первоначальным, возраст объекта кратен двум периодам полураспада, т. е. равен 11 460 годам. Для измерения еще большего интервала времени используются другие радиоактивные изотопы, имеющие больший период полураспада. Изотоп урана 238U (период полураспада 4,5 млрд. лет) в результате распада превращается в свинец. Сравнение содержания урана и свинца в горных породах и воде океанов позволило установить примерный возраст Земли, который составляет около 5,5 млрд. лет.

3. МАССА

Если длина и время – фундаментальные характеристики времени и пространства, то масса является фундаментальной характеристикой вещества. Массой обладают все тела: твердые, жидкие, газообразные; разные по размерам (от 10–30 до 1050 кг), указанные на рис 9.

Рис.9. Диапазон измерения массы объектов Вселенной

Масса характеризует равные свойства материи.

О массе тел человек вспоминает в самых разных ситуациях: при покупке продуктов, в спортивных играх, строительстве… – во всех видах деятельности найдется повод поинтересоваться массой того или иного тела. Масса не менее загадочная величина, чем время. Эталоном массы 1 кг, начиная с 1884 г., является платиново-иридиевый цилиндр, хранящийся в Международной палате мер и весов близ Парижа. Национальные палаты мер и весов имеют копии такого эталона.
Килограмм – единица массы, равная массе международного эталона килограмма.
Килограмм (от французских слов kilo – тысяча и gramme – мелкая мера). Килограмм приблизительно равен массе 1 л чистой воды при 15 0 С.
Работа с реальным эталоном массы требует особой тщательности, так как прикосновение щипцов и даже воздействие атмосферного воздуха может привести к изменению массы эталона. Определение массы объектов, имеющих объем, соизмеримый с объемом эталона массы, можно проводить с относительной погрешностью порядка 10–9кг.

4. ФИЗИЧЕСКИЕ ПРИБОРЫ

Для проведения разного рода исследований и экспериментов применяют физические приборы. По мере развития физики они совершенствовались и усложнялись (см. Приложение ).
Некоторые физические приборы очень просты, например линейка (рис.10), отвес (груз, подвешенный на нити), позволяющий проверять вертикальность конструкций, уровень, термометр, секундомер, источник тока; электрический двигатель, реле и др.

Рис.10. Линейка

В научных экспериментах часто используют сложные приборы и установки, которые совершенствовались и усложнялись по мере развития науки и техники. Так, для изучения свойств элементарных частиц, входящих в состав какого-либо вещества, используют ускорители - огромные, сложнейшие установки, снабженные множеством различных измерительных и регистрирующих приборов. В ускорителях частицы разгоняются до огромных скоростей, близких к скорости света, и становятся «снарядами», бомбардирующими вещество, помещенное в специальных камерах. Происходящие при этом явления позволяют сделать выводы о строении атомных ядер и элементарных частиц. Созданный в 1957 г. большой ускоритель в г. Дубне под Москвой имеет диаметр 72 м, а ускоритель в г. Серпухове имеет диаметр 6 км (рис 11).

Рис.11. Ускоритель

При выполнении астрономически наблюдений используют различные приборы. Основным астрономическим прибором является телескоп. Он позволяет получить изображение солнца, Луны, планет.

5. МЕТРИЧЕСКАЯ МЕЖДУНАРОДНАЯ СИСТЕМА ЕДИНИЦ «СИ»

Измеряют все: медики определяют температуру тела, объем легких, рост, пульс пациентов; продавцы взвешивают продукты, отмеряют метры тканей; портные снимают мерку с модниц; музыканты строго выдерживают ритм и темп, считая такты; фармацевты взвешивают порошки и отмеряют в склянки необходимое количество микстуры; учителя физкультуры не расстаются с рулеткой и секундомером, определяя выдающиеся спортивные достижения школьников... Все жители планеты измеряют, прикидывают, оценивают, сверяют, отсчитывают, различают, отмеряют, измеряют и считают, считают, считают...
Каждый из нас, без сомнения, знает, что, прежде чем измерять, нужно установить «единицу, с которой вы будете сравнивать измеряемый отрезок пути или промежуток времени, или массу».
Ясно и другое: о единицах нужно договариваться всем миром, иначе возникнет невообразимая путаница. В играх и то возможны недоразумения: у одного шаг намного короче, у другого – длиннее (Пример: «Будем бить пенальти с семи шагов»). Ученые всего мира предпочитают работать с согласованной и логически последовательной системой единиц измерения. На Генеральной конференции мер и весов в 1960 г. было достигнуто соглашение о международной системе единиц –.Systems International d"Unite"s (сокращенно – «единицы измерения СИ»). Эта система включает семь основных единиц измерения, а все остальные единицы измерения производные выводятся из основных умножением или делением одной единицы на другую без числовых пересчетов (Табл. 2).

Таблица 2

Основные единицы измерения «Си»

Международная система единиц является метрической . Это значит, что кратные и дольные единицы образуются из основных всегда одним и тем же способом: умножением или делением на 10. Это удобно, в особенности при записи очень больших и очень малых чисел. Например, расстояние от Земли до Солнца, приблизительно равное 150.000.000 км, можно записать так: 1,5 *100.000.000 км. Теперь заменим число 100.000.000 на 108. Таким образом, расстояние до Солнца записывается в виде:

1,5 * 10 8 км = l,5 * 10 8 * 10 3 M = l,5 * 10 8 + 3 м = l,5 * 10 11 м.

Другой пример.
Диаметр молекулы водорода равен 0,00000002 см.
Число 0,00000002 = 2/100.000.000 = 2/10 8 . Для кратности число 1/10 8 пишут в виде 10 –8 . Итак, диаметр молекулы водорода равен 2*10 –8 см.
Но в зависимости от диапазона измерений, удобно использовать единицы, большие или меньше по величине. Эти кратные и дольные единицы отличаются от основных на порядки величин. Название основной величины является корнем слова, а приставка характеризует соответствующее отличие в порядке.

Например, приставка «кило-» означает введение единицы в тысячу раз (на 3 порядка) большей, чем основная: 1 км = 10 3 м.

В таблице 3 приведены приставки для образования кратных и дольных единиц.

Таблица 3

Приставки для образования десятичных кратных и дольных единиц

Степень	Приставка	Символ	Примеры	Степень	Приставка	Символ	Примеры
			эксаджоуль, ЭДж				децибел, дБ
			петасекунда, Пс				сантиметр, см
			терагерц, ТГц				миллиметр, мм
			гигавольт, ГВ				микрограмм, мкг
			мегаватт, МВт				нанометр, нм
			килограмм, кг	10 –12			пикофарад, пФ
			гектопаскаль, гПа	10 –15			фемтометр, фм
			декатесла, даТл	10 –18			аттокулон, аКл

Введенные таким образом кратные и дольные единицы часто по порядку величины характеризуют физические объекты.
Многие физические величины являются постоянными - константами (от латинского слова constans - постоянный, неизменный) (табл.4). Например, постоянны в данных условиях температура таяния льда и температура кипения воды, скорость распространения света, плотности различных веществ. Константы тщательно измеряют в научных лабораториях и заносят в таблицы справочников и энциклопедий. Справочными таблицами пользуются ученые и инженеры.

Таблица 4

Фундаментальные константы

Константа	Обозначение	Значение
Скорость света в вакууме		2,998 * 10 8 м/с
Постоянная Планка		6,626 * 10 –34 Дж*с
Заряд электрона		1,602 * 10 –19 Кл
Электрическая постоянная		8,854 * 10 –12 Кл 2 /(Н * м2)
Постоянная Фарадея		9,648 * 10 4 Кл/моль
Магнитная проницаемость вакуума		4 * 10 –7 Вб/(А*м)
Атомная единица массы		1,661 * 10 –27 кг
Постоянная Больцмана		1,38 * 10 –23 Дж/К
Постоянная Авогадро		6,02 * 10 23 моль–1
Молярная газовая постоянная		8,314 Дж/(моль*К)
Гравитационная постоянная		6,672 * 10 –11 Н * м2/кг2
Масса электрона		9,109 * 10 –31 кг
Масса протона		1,673 * 10 –27 кг
Масса нейтрона		1,675 * 10 –27 кг

6. НЕМЕТРИЧЕСКИЕ РУССКИЕ ЕДИНИЦЫ

Они приведены в таблице 5.

Таблица 5

Неметрические русские единицы

Величины	Единицы	Значение в единицах СИ, кратных и дольных от них
	миля (7 верст)
	верста (500 саженей)
	сажень (3 аршина; 7 фунтов; 100 соток)
	сотка
	аршин (4 четверти; 16 вершков; 28 дюймов)
	четверть (4 вершка)
	вершок
	фут (12 дюймов)	304,8 мм (точно)
	дюйм (10 линий)	25,4 мм (точно)
	линия (10 точек)	2,54 мм (точно)
	точка	254 мкм (точно)
	квадратная верстка
	десятина
	квадратная сажень
	кубическая сажень
	кубический аршин
	кубический вершок
Вместимость	ведро
	четверть (для сыпучих тел)
	четверик (8 гарнцев; 1/8 четверти)
	гарнец
	берковец (10 пудов)
	пуд (40 фунтов)
	фунт (32 лота; 96 золотников)
	лот (3 золотника)
	золотник (96 долей)
	доля
Сила, вес	берковец (163,805 кгс)
	пуд (16,3805 кгс)
	фунт (0,409512 кгс)
	лот (12,7973 гс)
	золотник (4,26575 гс)
	доля (44,4349 мгс)

* Наименование русских единиц силы и веса совпадали с наименованиями русских единиц массы.

7. ИЗМЕРЕНИЕ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Практически, любой опыт, любое наблюдение в физике сопровождается измерением физических величин. Физические величины измеряют с помощью специальных приборов. Многие из этих приборов вам уже известны. Например, линейкой (рис. 7). Можно измерить линейные размеры тел: длину, высоту и ширину; часами или секундомером – время; с помощью рычажных весов определяют массу тела, сравнивая ее с массой гири, принятой за единицу массы. Мензурка позволяет измерять объемы жидких или сыпучих тел (веществ).

Обычно прибор имеет шкалу со штрихами. Расстояния между двумя штрихами, около которых написаны значения физической величины, могут быть дополнительно разделены на несколько делений, не обозначенных числами. Деления (промежутки между штрихами) и числа – это и есть шкала прибора. На шкале прибора, как правило, проставлена единица величины (наименование), в которой выражается измеряемая физическая величина. В случае, когда числа стоят не против каждого штриха, возникает вопрос: как узнать числовое значение измеряемой величины, если его нельзя прочитать по шкале? Для этого нужно знать цену деления шкалы прибора – значение наименьшего деления шкалы измерительного прибора.

Отбирая приборы для проведения измерений, важно учитывать пределы измерений. Чаще всего встречаются приборы только с одним – верхним пределом измерений. Иногда встречаются двухпредельные приборы. У таких приборов нулевое деление находится внутри шкалы.

Представим себе, что едем в автомобиле, и стрелка его спидометра остановилась против деления «70». Можно ли быть уверенными в том, что скорость автомобиля равна точно 70 км/ч? Нет, так как спидометр имеет погрешность. Можно, конечно, сказать, что скорость автомобиля равна приблизительно 70 км/ч, но этого бывает недостаточно. Напимер, тормозной путь автомобиля зависит от скорости, и ее «приблизительность» может привеси к аварии. Поэтому на заводе-изготовителе определяют наибольшую погрешность спидометра и указывает ее в паспорте этого прибора. Значение погрешности спидометра позволяет определить, в каких пределах находится истинное значение скорости автомобиля.

Пусть погрешность спидометра, указанная в паспорте, равна 5 км/ч. Найдем в нашем примере разность и сумму показания спидометра и его погрешности:

70 км/ч – 5 км/ч = 65км/ч.
70 км/ч + 5 км/ч = 75 км/ч.

Не зная истинного значения скорости, мы может быть уверены, что скорость автомобиля не меньше 65 км/ч и не более 75 км/ч. Этот результат можно записать с использованием знаков «< » (меньше или равно) и «> » (больше или равно): 65 км/ч < скорости автомобиля < 75 км/ч.

То, что при показании спидометра 70 км/ч истинная скорость может оказаться равной 75 км/ч, надо обязательно учитывать. Например, исследования показали, что если легковой автомобиль движется по мокрому асфальту со скоростью 70 км/ч, его тормозной путь не превосходит 46 м, а при скорости 75 км/ч тормозной путь возрастает до 53 м.
Приведенный пример позволяет сделать следующий вывод: все приборы имеют погрешность, в результате измерения нельзя получить истинное значение измеряемой величины. Можно лишь указать интервал в виде неравенства, которому принадлежит неизвестное значение физической величины.
Для прохождения границ этого неравенства необходимо знать погрешность прибора.

Х – пр < х < Х + пр.

Погрешность измерения х никогда не бывает меньше погрешности прибора пр.
Часто указатель прибора не совпадает со штрихом шкалы. Тогда определить расстояние от штриха до указателя очень трудно. Вот другая причина возникновения погрешности, называемой погрешностью отсчета . Эта погрешность отсчета, например, для спидометра, не превосходит половины цены деления.

← Вернуться