Основные физические единицы системы СИ. Определение и эталоны воспроизведения

Размещено на http://www.allbest.ru/

Реферат на тему:

«Основные физические единицы системы СИ.

Определение и эталоны воспроизведения»

Выполнил:

Марченко П.В.

Гр.3-ТД-45

Проверил:

Примаченко Б.М.

Санкт-Петербург 2016

Содержание

Введение

1. Единицы величин

1.1 Основные единицы СИ

1.2 Производные единицы СИ

2. Эталоны единиц физических величин

Заключение

Введение

Международная система единиц, система единиц физических величин, принятая 11-й Генеральной конференцией по мерам и весам (1960). Сокращённое обозначение системы SI (в русской транскрипции СИ). Международная система единиц разработана с целью замены сложной совокупности систем единиц и отдельных внесистемных единиц, сложившейся на основе метрической системы мер, и упрощения пользования единицами. Достоинствами Международной системы единиц являются её универсальность и когерентность, то есть согласованность производных единиц, которые образуются по уравнениям, не содержащим коэффициент пропорциональности. Благодаря этому при расчётах, если выражать значения всех величин в единицах Международной системе единиц, в формулы не требуется вводить коэффициенты, зависящие от выбора единиц.

Метрическая система была разработана во Франции в 18-ом веке. Новая система была призвана заменить хаотический набор различных единиц измерения, которые тогда использовались, единым общим стандартом с простыми десятичными коэффициентами. В 1799 г. были утверждены два эталона для единицы длины (метр) и для единицы веса (килограмм).

В 1874 г. была введена система СГС, основанная на трех единицах сантиметр, грамм и секунда. Были также введены десятичные приставки от микро до мега.

1881 г. - На первом Международном конгрессе электриков были приняты Система единиц механических (измерений) СГС. Система единиц электрических (измерений) СГСЭ (была неудобна в практическом использовании), (охватывает только раздел электростатики). Система единиц магнитных (измерений) СГСМ (была неудобна в практическом использовании).

1882 г. - На втором Международном конгрессе электриков был дополнен список практических единиц: Джоулем, Ваттом, Генри

В 1889 г. 1-ая Генеральная конференция по мерам и весам приняла систему мер, сходную с СГС, но основанную на метре, килограмме и секунде, т. к. эти единицы были признаны более удобными для практического использования. В последующем были введены базовые единицы для физических величин в области электричества и оптики.

В 1960 XI Генеральная конференция по мерам и весам приняла стандарт, который впервые получил название "Международная система единиц (СИ)". В 1971 IV Генеральная конференция по мерам и весам внесла изменения в СИ, добавив, в частности, единицу количества вещества (моль). В настоящее время СИ принята в качестве законной системы единиц большинством стран мира и почти всегда используется в области науки (даже в тех странах, которые не приняли СИ).

1901 г. - Инженер итальянский Д. Джорджи предложил систему единиц механических измерений МКС. Данная система, в отличие от системы СГС, связывала механические единицы из системы МКС и электрические единицы из практической абсолютной системы электрических единиц без особых усилий, ввиду того, что единица работы (джоуль) и мощности (ватт) в этих системах совпадали. 1913 г. - Генеральная конференция по мерам и весам поручила Международному комитету мер и весов создать Международную систему единиц на основе МКС. 1954 г. - Х Генеральная конференция по мерам и весам приняла в качестве основных единиц Международной системы единиц: метр, килограмм, секунду, ампер (единица силы тока), градус Кельвина (единица термодинамической температуры), свеча (единица силы света)

1958 г. Международный комитет законодательной метрологии присоединился к решениям Международного комитета мер и весов об установлении Международной системы единиц. Международная организация по стандартизации (ИСО) (см. ISO) и Международная электротехническая комиссии признали Международную систему единиц.

1960 г. - ХI Генеральная конференция по мерам и весам завершила подготовительную работу по введению Международной системы единиц присвоила системе единиц сокращенное название SI (СИ)

1. Единицы величин

В Российской Федерации в установленном порядке допускаются к применению единицы величин Международной системы единиц, принятой Генеральной конференцией по мерам и весам, рекомендованные Международной организацией законодательной метрологии.

Наименования, обозначения и правила написания единиц величин, а также правила их применения на территории Российской Федерации устанавливает Правительство Российской Федерации, за исключением случаев, предусмотренных актами законодательства Российской Федерации.

Правительством Российской Федерации могут быть допущены к применению наравне с единицами величин Международной системы единиц внесистемные единицы величин. Характеристики и параметры продукции, поставляемой на экспорт, в том числе средств измерений, могут быть выражены в единицах величин, установленных заказчиком.

1.1 Основные единицы СИ

1.2 Производные единицы СИ

Примеры производных единиц СИ, наименования и обозначения которых образованы с использованием наименований и обозначений основных единиц СИ

система международный величина физический

Производные единицы СИ, имеющие специальные наименования и обозначения

2. Эталоны единиц физических величин Основные понятия об эталонах

Классификация и назначение эталонов, а так же общие требования к их хранению и применению определены в ГОСТ 8.057-80 «ГСИ. Эталоны физических величин. Основные положения».

Перечень эталонов не повторяет перечня физических величин. По своему назначению и предъявляемым требованиям различают следующие виды эталонов:

Первичный эталон - обеспечивает воспроизведение и хранение единицы физической величины с наивысшей в стране (по сравнению с другими эталонами той же величины) точностью.

Специальный эталон - обеспечивает воспроизведение единицы физической величины в особых условиях, в которых прямая передача размера единицы от первичного эталона с требуемой точностью не осуществима, и служит для этих условий первичным эталоном.

Первичный или специальный эталон, официально утвержденный в качестве исходного для страны, называется государственным.

Вторичный эталон - хранит размеры единицы физической величины, полученной путем сличения с первичным эталоном соответствующей физической величины.

По своему метрологическому назначению вторичные эталоны подразделяются на эталоны-копии, эталоны сравнения, эталоны-свидетели и рабочие эталоны.

Эталон-копия - предназначен для передачи размера единицы физической величины рабочим эталоном при большом объеме поверочных работ. Он является копией государственного первичного эталона только по метрологическому назначению, но не всегда является физической копией.

Эталон сравнения - применяется для сличения эталонов, которые по тем или иным причинам не могут непосредственно сличаться друг с другом.

Эталон-свидетель - предназначен для проверки сохранности и неизменности государственного эталона и замены его в случае порчи или утраты.

Рабочий эталон - применяется для передачи размера единицы физической величины рабочим средством измерения. Это самый распространенный вид эталонов, которые используются для проведения поверочных работ территориальными и ведомственными метрологическими службами.

Эталоны основных единиц СИ.

Эталон единицы массы. 

При установлении метрической системы мер в качестве единицы времени приняли массу одного кубического дециметра чистой воды при температуре ее наибольшей плотности (4⁰ С).

В этот период были проведены точные определения массы известного объема воды путем последовательного взвешивания в воздухе и воде пустого бронзового цилиндра, размеры которого были тщательно определены.

Изготовленный на основе этих взвешиваний первый прототип килограмма представлял собой платиновую цилиндрическую гирю высотой 39 мм, равной ее диаметру. Как и прототип метра, он был передан на хранение в Национальный архив Франции. В 19 веке повторно осуществили несколько тщательных измерений массы одного кубического дециметра чистой воды при температуре 4⁰ С. При этом было установлено, что эта масса немного (приблизительно на 0, 028г) меньше прототипа килограмма Архива. Для того, чтобы при дальнейших, более точных, взвешиваниях не менять значение исходной единицы массы, Международной комиссией по прототипам метрической системы в 1872г. было решено за единицу массы принять массу прототипа килограмма Архива.

При изготовлении платино-иридиевых эталонов килограмма за международной прототип был принят тот, масса которого меньше всего отличалась от массы прототипа килограмма Архива.

В связи с принятием условного прототипа единицы массы литр оказался не равным кубическому дециметру. Значение этого отклонения (1л=1, 000028 дм³ ) соответствует разности между массой международного прототипа килограмма и массой кубического дециметра воды. В 1964 году 12-я Генеральная конференция по мерам и весам приняла решение о приравнивании объема 1 л к 1дм³ .

Следует отметить, что в момент установления метрической системы мер не было четкого разграничения понятий массы и веса, поэтому международный прототип килограмма считался эталоном единицы веса. Однако уже при утверждении международного прототипа килограмма на 1-й Генеральной конференции по мерам и весам в 1889 году килограмм был утвержден в качестве прототипа массы.

Четкое разграничение килограмма как единицы массы и килограмма как единицы силы было дано в решениях 3-й Генеральной конференции по мерам и весам (1901г).

Государственный первичный эталон и поверочная схема для средств изменения массы определяется ГОСТ 8.021 - 84. Государственный эталон состоит из комплекса мер и измерительных средств:

1) национального прототипа килограмма - копии № 12 международного прототипа килограмма, представляющего собой гирю из платино-иридиевого сплава и предназначенного для передачи размера единицы массы гире R1;

2) национального прототипа килограмма - копия № 26 международного прототипа килограмма, представляющего собой гирю из платино-иридиевого сплава и предназначенного для проверки неизменности размера единицы массы, воспроизводимый национальным прототипом килограмма - копии № 12, и замены последнего в период его сличений в Международном бюро мер и весов;

3) гири R1 и набора гирь, изготовленных из платино-иридиевого сплава и предназначенных для передачи размера единицы массы эталонам - копиям;

4) эталонных весов.

Номинальное значение массы, воспроизводимое эталоном, составляет 1кг. Государственный первичный эталон обеспечивает воспроизведение единицы массы со средним квадратическим отклонением результата измерений при сличении с международным прототипом килограмма, не превышающим 2*10^-3 мг.

Эталонные весы, с помощью которых производится сличение эталона массы, с диапазоном взвешивания 2*10^-3 … 1кг имеют среднее квадратическое отклонение результата наблюдения на весах 5*10^-4 … 3*10^-2 мг.

Эталон единицы длины. 

В 1889 году метр был принят равным расстоянию между двумя штрихами, нанесенными на металлическом стержне Х-образного поперечного сечения. Хотя международный и национальные эталоны метра были изготовлены из сплава платины и иридия, отличающегося значительной твердостью и большим сопротивлением окислению, однако не было полной уверенности в том, что длина эталона с течением времени не изменится. Кроме того, погрешность сличения между собой платино-иридиевых штриховых метров составляет + 1,1*10^-7 м (+0,11 мкм), а так как штрихи имеют значительную ширину, существенно повысить точность этого сличения нельзя.

После изучения спектральных линий ряда элементов было найдено, что наибольшую точность воспроизведения единицы длины обеспечивает оранжевая линия изотопа криптона-86. В 1960 году 11-я Генеральная конференция по мерам и весам приняла выражение размера метра в длинах этих волн как наиболее точное его значение.

Криптоновый метр позволил на порядок повысить точность воспроизведения единицы длины. Однако дальнейшее исследование позволило получить более точный эталон метра, основанный на длине волны в вакууме монохроматического излучения, генерируемого стабилизированным лазером. Разработка новых эталонных комплексов по воспроизведению метра привела к определению метра как расстояния, которое проходит свет в вакууме за 1/299792458 долю секунды. Данное определение метра закреплено законодательно в 1985 году.

Эталон единицы времени.

Единицу времени - секунду - долгое время определяли как 1/86400 часть средних солнечных суток. Позднее обнаружили, что вращение Земли вокруг соей оси происходит неравномерно. Тогда в основу определения единицы времени положили период вращения Земли вокруг Солнца - тропический год, т.е. интервал времени между двумя весенними равноденствиями, следующими одно за другим. Размер секунды был определен как 1/31556925,9747 часть тропического года. Это позволило почти в 1000 раз повысить точность определения единицы времени. Однако в 1967 году 13-я Генеральная конференция по мерам и весам приняла новое определение секунды как интервала времени, в течении которого совершается 9192631770 колебаний, соответствующих резонансной частоте энергетического перехода между уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия-133 при отсутствии возмущения внешними полями. Данное определение реализуется с помощью цезиевых реперов частоты.

В 1972 году осуществлен переход на систему всемирного координированного времени. Начиная с 1997 года, государственный первичный контроль и государственная поверочная схема для средств измерения времени и частоты определяются правилами межгосударственной стандартизации ПМГ18-96 «Межгосударственная поверочная схема для средств измерения времени и частоты».

Государственный первичный эталон единицы времени, состоящий из комплекса измерительных средств, обеспечивает воспроизведение единиц времени со средним квадратическим отклонением результата измерений, не превышающим 1*10^-14 за три месяца.

Эталоны единицы температуры. 

Измерение температуры с момента изобретения термометра Галилеем в 1598 году основывалось на применении того или иного термометрического вещества, изменяющего свой объем или давление при изменении температуры.

В 1715 году Фаренгейт создал ртутный термометр и предложил для построения термометрической шкалы две точки: температура смеси льда с солью и нашатырем, которую он обозначил 0, и температуру тела человека, которую он обозначил числом 96.

В 1736 году Реомюр предложил для термометрической шкалы другие две постоянные точки, более удобные для воспроизведения: точку таяния льда 0 и точку кипения воды 80.

В 1742 году Цельсий предложил термометрическую шкалу, в которой расстояние по шкале между точкой таяния льда и точкой кипения воды делилась на 100 частей. Показания термометров такого типа зависели от рода применяемого термометрического вещества, особенностей и условий его теплового расширения.

В 1848 году Кельвин и независимо от него Д.И.Менделеев предложили построить термодинамическую шкалу температур по одной реперной точке, приняв за нее тройную точку воды (точка равновесия воды, находящейся в специальном герметичном сосуде, в твердой, жидкой и газообразной фазах), которую можно воспроизвести с наименьшей погрешностью (0, 0001 К).

Нижней границей температурного интервала в этом случае служит точка абсолютного нуля. Данное предложение полностью было реализовано только в 18954 году, когда после тщательного анализа результатов, полученных в разных лабораториях, признали значение тройной точки воды, равное 273,16К, и точки таяния льда - 273,15К. Таким образом, термодинамическая температура является основной и обозначается символом Т. ее единицей служит кельвин (К), определенный как 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды. Температура (t) в градусах Цельсия (⁰ С) определяется по формуле:

t=T-T₀ ,

где Т₀ =273,15К.

Один градус Цельсия равен одному кельвину.

В качестве эталонных приборов при воспроизведении шкалы используют платиновый термометр сопротивления (-259,34…+630,74⁰ С) и термопару платинородий-платина (630,74…1064,43⁰ С).

В 1989 году вместо МПТШ-68 была принята новая международная практическая температурная шкала МПТШ-90, позволившая повысить точность воспроизведения кельвина в некоторых интервалах шкалы за счет введения дополнительных реперных точек плавления (точка галлия) и затвердевания (точки индия, алюминия, меди).

Во ВНИИМ им. Д,И.Менделеева созданы два государственных первичных и один специальный эталоны, обеспечивающие единство измерений температуры в диапазоне измерений 273,15…6300К. государственная поверочная схема для средств измерения температуры установлена ГОСТ 8.558-93.

Эталон единицы силы света. 

С начала ХХ века в качестве эталонов силы света использовали электрические лампы накаливания, позволяющие сохранять световые единицы с погрешностью не более 0,1%. К концу 1930-х гг. были созданы новые световые эталоны, основанные на полном излучателе (абсолютно черном теле). Начиная с 1980 г. кандела воспроизводится путем косвенных измерений.

Государственный первичный эталон канделы и поверочная схема для средств измерений световых величин непрерывного и импульсного излучений регламентированы ГОСТ 8.023-90.

Последняя основная единица системы СИ - моль - не имеет эталона, поскольку является расчетной. Однако в области физико-химических измерений зарегистрированы три государственных эталона, воспроизводящих единицы молярной доли компонентов в газовых средах, объемного влагосодержания нефти и нефтепродуктов, относительной влажности газов.

Эталон единицы электрического тока. 

Долгое время за один ампер принимали неизменяющийся ток, который, проходя через водный раствор азотно-кислого серебра, при соблюдении приложенной спецификации выделяет 0,001118г серебра в одну секунду.

С 1948 года в качестве эталона ампера были приняты токовые весы, с помощью которых определяли силу взаимодействия между двумя проводниками (в соответствии с определением единицы ампера). Переход к этому эталону был связан с тем, что силу, с которой один проводник действует на другой, можно измерить более точно, чем количество выделенного вещества на электродах.

Новый государственный первичный эталон ампера состоит из двух комплексов. В первом из них размер ампера воспроизводится через ом и вольт, а во втором - через фарад, вольт и секунду с использованием методов электрометрии.

Заключение

Преимущества международной системы единиц СИ:

1) Данная система охватывает все области измерений и поэтому является универсальной, в отличие от других систем измерений, например СГСЭ (охватывает только раздел электростатики) или МКГСС (охватывает только область механики).

2) Позволяет отказаться от большого количества внесистемных единиц измерения.

3) Система СИ является когерентной - в которой производные единицы всех величин могут быть получены с помощью определяющих уравнений с числовыми коэффициентами равными единице. Например, система СГС, конкурировавшая с СИ в теоретической физике, не обладает этим преимуществом.

4) Как основные, так и производные единицы измерения системы СИ удобны для практического применения.

5) Значительное число единиц системы СИ (метр, секунда, килограмм, ватт, ампер, ом, вольт, люкс и др.) использовалось задолго до введения системы СИ и поэтому не вызвало затруднений и больших финансовых затрат.

6) Существенно повысился уровень точности измерений, так как основные единицы (эталоны) могут быть воспроизведены точнее, чем единицы других систем.

Размещено на Allbest.ru