Лабораторная работа 1. Единицы измерений

Лабораторная работа 1. Единицы измерений
Цель. Знакомство с единицами измерений физических величин. Изучение основных международных систем единиц физических величин.
1.1 Теоретические сведения
Физическую величину, которой по определению присвоено числовое
значение, равное единице, называют единицей физической величины.
Первоначально единицы физических величин выбирали произвольно
без какой-либо связи друг с другом, в результате чего появилось большое количество произвольных единиц одной и той же физической величины, что
затрудняло сравнение результатов измерений, производимых различными
наблюдателями. С развитием техники, а также международных связей трудности использования результатов измерений возрастали и тормозили научнотехнический прогресс. Так, во второй половине XVIII в. в Европе насчитывались сотни футов различной длины, около полусотни разных миль, свыше
120 различных фунтов. Крупные научные открытия физики XIX в. в области
механики и электричества позволили установить ряд важных закономерностей в природе, которые носили универсальный характер и устанавливали
математические связи между физическими величинами. Это дало возможность немецкому ученому К. Гауссу предложить систему логически связанных единиц физических величин. По его методу произвольно выбирается
независимо друг от друга несколько физических величин. Число их должно
быть минимальным, а воспроизводиться они должны с наименьшей погрешностью. Единицы этих величин называют основными. Далее, пользуясь установленными закономерностями, получают единицы других величин, называемые производными.
Совокупность основных и производных единиц называют системой
единиц физических величин.
Часто для выражения больших или малых значений измеряемой величины приходится применять кратные и дольные единицы. Единицы, которые
составляют целое число основных или производных единиц (например, килограмм, мегагерц, килокалория), называют кратными, а единицы, которые в
целое число раз меньше основных или производных единиц (например, миллиметр, наносекунда), — дольными. Кроме того, наряду с системными единицами физических величин могут существовать единицы, не входящие в систему, называемые дополнительными.
Система единиц должна обладать следующими свойствами:
- универсальностью (метод построения системы не связан с конкретными физическими величинами);
- минимальным числом основных единиц (необходимым для образования логически непротиворечивых производных единиц, охватывающих все
виды измерений);
- независимостью выбора основных единиц от их количественных значений (например, в качестве единицы длины выбирают любую — метр,
дюйм, сажень, при этом производные единицы зависят от выбранной основной).
Первоначально были системы единиц, в которых основными являлись
три единицы: длины, массы и времени.
Они охватывали широкий круг задач механики. Большое распространение получили системы единиц МКС (метр — килограмм — секунда) и СГС
(сантиметр — грамм — секунда). Поскольку системы механических единиц
не охватывали теплотехнику, к ним добавили еще одну основную единицу —
градус температурной шкалы (системы МКСГ), а для электрических и магнитных измерений — единицу силы тока — ампер (система МКСА).
Существование различных систем единиц физических величин и большого количества дополнительных единиц, рост научно-технического прогресса и экономических связей между странами выдвинули требование унификации единиц измерения в международном масштабе. В 1960 г. XI Генеральная конференция по мерам и весам утвердила проект Международной
системы физических единиц СИ, который нашел отражение в рекомендациях
Международной организации по стандартизации (ИСО).
Основными единицами СИ являются: длина — метр (м); масса — килограмм (кг); время — секунда (с); термодинамическая температура — Кельвин
(К); сила электрического тока — ампер (А); количество вещества — моль;
сила света — кандела (кд).Дополнительными единицами — плоский угол —
радиан (рад) и телесный угол — стерадиан (ср).
Все остальные единицы физических величин в СИ — производные.
Они образуются с помощью простейших уравнений, которые отражают их
связь с основными единицами системы. Коэффициент пропорциональности в
этих формулах равен единице, что является преимуществом СИ перед другими системами. Это свойство системы называют когерентностью.
В СИ производную единицу находят по размерностям основных.
Например, в СИ единица силы: F  m  a ( m — масса тела; a — его ускореêã  ì
ние) имеет следующую размерность: F   ma   2 .
ñ
Понятие размерности физической величины важно, так как оно используется в физике и технике при проверке правильности сложных формул, выяснении зависимости между величинами, в теории подобия.
Некоторые производные единицы, найденные по правилу размерностей, имеют в СИ собственное наименование, например: сила — Ньютон,
êã  ì 
êã 


Í

Ïà

;
давление
—
Паскаль,
; энергия, работа, количе2


ñ 
ì  ñ2 
ì 2  êã 
ì 2  êã 


ство теплоты — Джоуль,  Äæ 
;
мощность
—
Ватт,
Âò

3
2

;

ñ
ñ




ì 2  êã 

электрическое напряжение — Вольт,  Â  3
; электрическое сопротивñ  À 

ì 2  êã 

ление — Ом, Îì  3 2  .
ñ À 

Кратные и дольные единицы в СИ образуются с помощью множителей
умножением или делением основной единицы на числа, кратные 10. Наименования кратных и дольных единиц получают добавлением специальных
приставок к названию основной единицы (см. таблица 1).
Таблица 1 - Кратные и дольные единицы системы СИ
Множитель
Приставка
Обозначение
приставки
Множитель
Приставка
Обозначение
приставки
1012
тера
Т
10-1
деци
д
109
106
103
102
10
гига
мега
кило
гекто
дека
Г
М
к
г
да
10-2
10-3
10-6
10-9
10-12
санти
милли
микро
нано
пико
с
к
мк
н
п
Международная система единиц должна заменить все прочие системы
единиц. Однако переход на новую систему осуществляется постепенно. В
настоящее время Государственными стандартами допускается ряд распространенных внесистемных единиц. Соотношения этих единиц с единицами
СИ приведены в таблице 2.
Таблица 2 - Соотношения некоторых тепловых внесистемных единиц с
единицами СИ
Величина
Время
Объем
Мощность
Работа
Количество
теплоты
Температура
Давление
Единица
наименование
час
минута
литр
лошадиная сила
киловатт·час
калория
килокалория
градус Цельсия
бар
миллиметр ртутного столба
миллиметр водяного столба
техническая атмосфера
обозначение
ч
мин
л
л. с.
кВт·ч
кал
ккал
°С
бар
мм рт. ст.
мм вод. ст.
ат, или
кг·с/см2
Значение
в единицах СИ
3600 с
60с
1,000028·10-3 м3
735,499 Вт
3,6·106 Дж
4,186 Дж
4,186·103 Дж
Т = 273,15 К
105 Па
133,322 Па
9,80665 Па
9,80665·104 Па
1.2 Контрольные вопросы
1 Какую величину называют единицей физической величины?
2 Какова история развития и выбора единиц измерения физических величин?
3 Какие единицы измерения величин называют основными, производными?
4 Что называют системой единиц физических величин?
5 какие единицы измерения относятся к кратным, дольным и дополнительным?
6 Какими свойствами должна обладать система единиц?
7 Перечислите известные международные системы единиц;
8 Перечислите основные единицы системы СИ?
9 Что такое когерентность?
10 Как в СИ находят производную единицу измерения?
11 Как образуются кратные и дольные единицы в системе СИ?
1.3 Требования по содержанию отчета
Отчет по лабораторной работе должен включать в себя следующее:
- название работы;
- цель работы;
- теоретическая часть (ответы на контрольные вопросы);
- выводы.
1.4 Список использованной литературы
1 Мухин В. С, Саков И. А. Приборы контроля и средства автоматики
тепловых процессов: Учеб. пособие для СПТУ.— М.: Высш. шк., 1988. —
256 с: ил.
2 Иванова Г.М.. Кузнецов Н.Д.. Чистяков B.C. Теплотехнические измерения и приборы: Учебник для ВУЗов. - М.: Энергоатомиздат. 1984. - 232 с.
3 Преображенский В.П. Теплотехнические измерения и приборы. - М.:
Энергия. 1978.-703 с.