Пошук по сайту


Природнi системи одиниць - Лекція Одиниці І системи одиниць фізичних величин

Лекція Одиниці І системи одиниць фізичних величин

Сторінка8/8
1   2   3   4   5   6   7   8

Природнi системи одиниць

Кiлькiсть основних одиниць, якi довiльно обирають пiд час побудови системи одиниць фiзичних величин, iстотно пов’язана  з  кiлькiстю розмiрних коефiцiєнтiв (див. гл. 1), якi є унiверсальними (свiтовими) константами. Зменшення кількості основних одиниць приводить до зменшення кількості унiверсальних констант, але при цьому система одиниць стає незручною, наприклад, через збiльшення кiлькостi однойменних одиниць фiзичних величин, що мають рiзний фiзичний змiст.

Іноді доцiльно як основнi одиницi обирати частину від загальної кількості унiверсальних констант; при цьому одиницi iнших фiзичних величин стають похiдними та утворюються з допомогою вiдповiдних систем визначальних рiвнянь.

Системи одиниць, в яких основними обрано деякi унiверсальнi константи, називають природними.

У разі вдалого вибору унiверсальних констант, що приймаються як основнi одиницi, вдається зменшити загальну кiлькiсть свiтових сталих та істотно спростити вигляд вiдповiдних рiвнянь фiзики, що дуже важливо при проведеннi теоретичних дослiджень. Проте спрощення рiвнянь вiдбувається лише в однiй вузькiй царинi фiзики, а в iнших, навпаки, – ці рівняння значно ускладнюються. Тому, звичайно, у кожнiй царинi фiзики використовують свою природну систему одиниць. У практичних цiлях цi системи одиниць застосовувати вкрай незручно, оскільки в них одиницi довжини, маси та часу виявляються дуже непрактичними.

Далі стисло розглянуто специфiчні властивості деяких природних систем одиниць.
а) Система Планка.

Першу природну систему одиниць розробив 1906 р. відомий нiмецький фiзик М.Планк. У нiй основними є чотири одиницi: гравiтацiйна стала G; швидкiсть свiтла с; стала Планка h; стала Больцмана kВ. Недолк цiєї системи полягає в тому, що в бiльшостi рiвнянь зберiгаються розмiрнi коефiцiєнти, а розмiри одиниць довжини (4,02· 10-35 м), маси (5,43· 10-8 кг) та часу (1,34· 10-43 с) виявляються дуже незручними для бiльшостi практичних галузей вимiрювань.
б) Система Хартрi.

Систему Хартрi широко застосовують у теоретичних дослiдженнях у атомнiй фiзицi. Основними одиницями цiєї системи обрано заряд електрона e, масу спокою електрона moe, сталу Дiрака () та радiус першої борової орбiти (a0).

У разі використання цiєї системи одиниць у бiльшостi рiвнянь, якi характеризують об’єкти атомної фiзики, коефiцiєнти виявляються такими, що дорiвнюють одиницi. Це, природно, спрощує їхнiй запис. Слід пам’ятати, що всi унiверсальнi константи дорiвняти числу 1 принципово неможливо, тому що мiж деякими з них iснують функцiональнi зв’язки, які виражаються безрозмiрним числом, вiдмiнним вiд одиницi. Наприклад, стала Дiрака h , швидкiсть свiтла с та заряд електрона e пов’язанi мiж собою спiввiдношенням

.

Якщо покласти, як прийнято в системi Хартрi, заряд електрона та сталу Дiрака такими, що дорiвнюють одиницi, то швидкiсть свiтла виявиться вiдмiнною вiд одиницi.

У системi Хартрi одиницi довжини (5,29· 10-11 м), маси (9,11· 10-31 кг), часу (2,42· 10-17 с), енергiї (4,36· 10-18 Дж) та iншi виявляються зручними для дослiджень у царинi атомної фiзики, але є цiлком непридатними для практичних цiлей.
в)  Система Людовічi.

У цiй природнiй системi одиниць за основу побудови взято три рiзних поля: гравiтацiйне, електричне та магнiтне. У зв’язку з цим як основнi одиницi обрано такі сталі: гравiтацiйну G, електричну (абсолютну дiелектричну проникнiсть вакууму) та магнітну (абсолютну магнiтну проникнiсть вакууму). У системi Людовичi одиницi довжини (4,88· 10-36 м) та маси (6,60· 10-9 кг) також надто незручнi для практичних вимiрювань.
г) Природна система одиниць релятивної квантової механiки.

Основними одиницями у цiй системi прийнято сталу Планка h, сталу Больцмана k, швидкiсть свiтла с та масу спокою елементарної частинки m (протона чи електрона залежно вiд специфiки процесiв, що вивчаються). У цiй системi одиниць одиницею довжини виявляється комптонова довжина хвилi електрона (3,85· 10-13 м), одиницею часу - вiдношення сталої Дiрака до енергiї спокою електрона (1,28·  10-21 с), одиницею енергiї - енергiя спокою електрона (0,82· 10-19 Дж). Для повсякденної практики вимiрювань цi одиницi також дуже незручні.

Цiлком можливо, що на ґрунтi природних систем одиниць буде створено єдину  унiфiковану систему одиниць, яка назавжди збереже свою непорушнiсть і незмiннiсть у просторi й часi.

Зараз цi системи такою основою бути не можуть з двох головних причин: 1) вони незручнi для практичних вимiрювань, хоча й мають незаперечнi переваги, коли використовуються у вузьких специфiчних царинах фiзики; 2) точнiсть вiдтворення основних одиниць цих систем не вiдповiдає сучасним метрологiчним вимогам.

Передача розмірів одиниць фізичних величин
Передача (передавання) розміру одиниці - зведення одиниці фізичної величини, що відтворюється або зберігається ЗВТ, який перевіряється, до розміру одиниці, що відтворюється або зберігається еталоном чи зразковим ЗВТ, яке здійснюється під час їх звіряння (метрологічної перевірки).

Еталон – засіб вимірювальної техніки, що забезпечує вітворення або зберігання одиниці фізичної величини, а токож передачу розміру цієї одиниці іншим засобам вимірювальної технікию

За точністю відтворення одиниці фізичної величини та за призначенням еталони поділяють на первинні, спеціальні та вторинні.

Розрізняють також державні, національні та міжнародні еталони. Еталон, що забезпечує відтворення та (або) зберігання одиниці фізичної гличини з найвищою у країні точністю, називається первинним.

Для відтворення одиниць в особливих умовах, в яких пряму передачу розміру циниці від первинного еталона з необхідною точністю технічно здійснити неможливо, априклад, при високому тиску чи температурі, високих і надвисоких частотах, крайніх ілянках діапазону вимірювання тощо, створюють і затверджують спеціальні еталони. Еталон, що забезпечує відтворення та (або) зберігання одиниць фізичної еличини з найвищою точністю в особливих умовах і замінює в цих умовах первин-.ий еталон, називається спеціальним. Фактично спеціальний еталон є різновидом іервинного. Первинні та спеціальні еталони є вихідними для країни і їх затвер-іжують як державні.

Державний еталон ~ це офіційно затверджений еталон, що забезпечує іідтворення одиниці фізичної величини та передачу її розміру іншим еталонам з іайвищою в країні точністю.

Еталон, якому передається розмір одиниці фізичної величини від первинного ібо спеціального еталона, називається вторинним.

Узагальнена ієрархічна схема передачі розмірів одиниць фізичних величин зід первинного еталона до робочих ЗВТ зображена на рис.

До вторинних еталонів належать еталони-копії, робочі еталони та еталони передавання.

Еталон-копія - вторинний еталон, призначений для передачі розміру одиниці фізичної величини робочим еталонам, які використовуються для метрологічної перевірки зразкових та найточніших робочих ЗВТ.

Робочий еталон - вторинний еталон, призначений для передачі розміру одиниці фізичної величини зразковим ЗВТ, а в окремих випадках - робочим ЗВТ. Робочі еталони використовуються для метрологічної перевірки та калібрування ЗВТ. Вторинний еталон, призначений для взаємного звіряння еталонів, які за тих чи інших обставин не можуть бути звірені безпосередньо, називається еталоном передавання.

За складом еталони можуть бути виконані у вигляді комплексу ЗВТ одиничних еталонів, групових еталонів та еталонних наборів.

Державні еталони реалізують як комплекси ЗВТ, які забезпечують відтво­рення, зберігання та передачу розмірів одиниць фізичних величин з найвищою у країні точністю.

Одиничний еталон являє собою одну міру, один вимірювальний прилад або одну вимірювальну уставу, а груповий еталон для підвищення надійності складається з однотипних мір чи інших ЗВТ і відтворює розмір одиниці фізичної величини як середнє арифметичне. Елементи групового еталона можуть бути використані як одиничні робочі еталони. Еталонним набором називають набір ЗВТ {мір, вимірювальних приладів тощо), який уможливлю?: відтворення, зберігання та передачу розміру одиниці фізичної величини, а також її вимірювання в певному діапазоні. Розрізняють групові еталони та еталонні набори сталого або змінного складу, тобто з періодичною зміною елементів.

Еталон певної країни називається національним, а еталони, що використовуються у певній групі країн - міжнародними. Згідно з ДСТУ 2681-94 міжнародним називають еталон, який за міжнародною угодою призначений для узгодження розмірів одиниць, що відтворюються і зберігаються державними (національними) еталонами.

Отже, для забезпечення єдності вимірювань у міжнародному масштабі державні еталони окремих країн періодично звіряють між собою і з міжнародними еталонами, які зберігаються в Міжнародному бюро мір і ваг у Парижі.

Первинні еталони основних одиниць системи СІ. Складність різних еталонів і точність відтворюваних ними розмірів неоднакова.

Виконання вимірювання або кількісне встановлення значення контрольованої величини передбачає прийняття за еталон одного певного значення цієї самої величини. Не передбачено таких еталонів для всіх контрольованих величин. Для того, щоб уникнути використання занадто великої кількості еталонів, головними вважають лише деякі з них, які названі основними (базисними), а решта - похідними. Кількість необхідних базисних еталонів випливає із кількості основних, азаємонезалежних величин певної галузі, та з кількості рівнянь, що описують цю галузь. Наприклад, у механіці, еталонні одиниці якої прийнято найраніше, базисними величинами вибрано довжину, масу та час. Одиницями, що їх описують, є відповідно метр (м), грам (г) та секунда (с). У електромагнетизмі, описуваному рівняннями Максвелла, необхідно користуватися чотирма базисними величинами, три з яких механічні й додано четверту -електричну. Нею в системі СІ є електричний струм з його одиницею - ампером (А).

У зв'язку з можливістю прийняття різних базисних величин раніше пропонувалось багато варіантів. Більшість з них характеризувалась певними недоліками, як, наприклад, вираження тих самих величин за допомогою різних одиниць, введення коефіцієнтів тощо. Щоб їх уникнути, розроблена і впроваджена міжнародна система одиниць, утворена на основі семи базисних одиниць: метр, грам, секунда, ампер, кандела, кельвін та моль, атакож двох допоміжних -радіан і стерадіан.

Ця система забезпечує цілісну метрологічну сдність всіх сучасних галузей науки й техніки. Вона визнана практично у всіх цивілізованих країнах.

Сьогодні з-поміж цих семи базисних одиниць системи СІ лише один — еталон маси — є технологічною конструкцією. Метр та секунда визначені безпосередньо з частотних характеристик внутрішньоатомних процесів, а ампер, моль, кельвін та кандела існують як моделі якісно відтворюваних фізичних явищ.

Порівнювання вимірюваної величини з умовно прийнятою одиницею є працемісткою справою. Створюють штучні еталони-взірці, підбирають природні явища, які відтворюють прийняті одиниці чи їх кратність. Від взірців вимагається достатня стабільність конкретної величини, її добра відтворюваність, простота використання (порівнювання) за допомогою вживаних методик та приладів. Коли застосовуються для порівняння допоміжні джерела енергії, то таке джерело не повинне впливати на метрологічну ціну чи вагу еталона.

Еталон, що повинен відтворювати конкретну величину, переважно конструюється як взірець ЇЇ похідного значення для полегшення виконання та вимірювання цієї величини. Порівняння з взірцями вважається тим складнішим та працеміст-кішим, чим вища їх точність. Тому конструюють взірці різних класів точності, причому на найвищому рівні знаходиться переважно один або невелика група взірців, що підлягають самоперевірці або ж виготовлені з найвищого точністю; внизу метрологічної "піраміди" помішують значно більшу кількість взірців нижчих класів точності, які, проте, дають змогу здійснювати швидше та простіше порівнювання з контрольованою величиною, з одного боку, та з взірцем вищого рангу з іншого боку.

Основне завдання метрологічної служби держави - пов'язування еталона й взірців усіх рангів у струнку систему, покликану забезпечувати метрологічну єдність виконання вимірювань з необхідною та заданою точністю (похибкою).
Зразковим засобом вимірювальної техніки називають ЗВТ (міру, вимірю­вальний прилад, вимірювальну уставу тощо), який служить для метрологічної перевірки інших ЗВТ і затверджений як зразковий.

ЗВТ, що має метрологічні характеристики, які відповідають найвищому ступеню ієрархічної схеми метрологічної служби підприємства чи організації; називається вихідним зразковим ЗВТ.

Метрологічною службою країни передбачена багатоступенева система передачі розміру кожної ФВ від еталона до робочого ЗВТ. Ця система зображується у вигляді ієрархічної схеми (російський термін - "поверочная схема"), яка являє собою нормативно-технічний документ, що встановлює ієрархію (підпорядкування) ЗВТ, які беруть участь у передачі розміру ФВ від еталона до робочих ЗВТ, із вказанням методів і похибок передачі.

Ієрархічна схема — нормативний документ, що регламентує метрологічну підпорядкованість ЗВТ, які беруть участь у передаванні розміру одиниці фізичної величини від еталона або вихідного зразкового ЗВТ до інших ЗВТ із встановленням методів і похибок передавання.

Розрізняють державні, відомчі та локальні ієрархічні схеми.

Державна ієрархічна схема - це ієрархічна схема, яка поширюється на всі ЗВТ певної ФВ, що є в країні, н поширюється на ЗВТ певної ФВ, які підлягають перевірці в окремому органі метрологічної служби, локальна - на окремі ЗВТ.

Узагальнену ієрархічну схему передачі розмірів одиниць ФВ зображено на рис. 3.5. У цій ієрархічній схемі наявні первинний еталон, еталон передавання, еталон-копія, зразкові засоби вимірювальної техніки (ЗЗВТ) чотирьох розрядів та робочі засоби вимірювальної техніки (РЗВТ) різної точності. Зразкові ЗВТ певного розряду передають розміри ФВ як робочим ЗВТ приблизно однакової точності, так і зразковим ЗВТ нижчих розрядів.

Найточнішим робочим ЗВТ та зразковим ЗВТ першого розряду розміри ФВ передає робочий еталон. А первинний еталон та еталон-копія безпосереднього зв'язку із ЗВТ не мають, а передають розміри ФВ тільки робочому еталону (за винятком випадків, коли передача розмірів ФВ робочим ЗВТ від первинного еталона або від еталона-копії передбачена правилами зберігання та застосування цих еталонів).

На ієрархічній схемі- вказують назву ЗВТ, діапазони значень ФВ, позначення та оцінки похибок, назву методів перевірки. Структура ієрархічної схеми складається з декількох полів, які відповідають ступеням передачі розмірів одиниці ФВ від еталона до робочих ЗВТ. Поля відділяються одне від одного пунктирними лініями. У самих полях поміщають структурні елементи ієрархічної схеми у вигляді прямокутників для еталонів, зразкових і робочих ЗВТ і кругів або овалів для методів перевірки. Підпорядкованість (ієрархія) ЗВТ вказується з'єднувальними лініями зверху вниз.

Співвідношення між похибками вищого І нижчого рівнів ієрархії, тобто між похибками зразкового і перевірюваиого ЗВТ згідно може становити 1:2; 1:2,5; 1:3; 1:4; 1:5; 1:10, відповідно до якого встановлюють той чи інший метод перевірки МП.




Ієрархічна схема, побудована на основі структури, зображеної на рис. 3.5, з вказанням назв конкретних ЗВТ, методів перевірки та числових значень характеристик похибок перевірки і діапазонів розмірів ФВ, називається Державною ієрархічною схемою метрологічної перевірки ЗВТ цієї ФВ.


1   2   3   4   5   6   7   8

Схожі:

Класифікація одиниць вимірювання та одиниць обліку

Класифікація одиниць вимірювання та одиниць обліку

Програма для 5-х класів Програма початкової школи
Ознайомлення з довідковими виданнями з природничих наук різних типів: енциклопедії, словники, довідники величин, атласи географічних...

Методичні вказівки до виконання лабораторних робіт для студентів...
Всі цитати, цифровий та фактичний матеріал, бібліографічні відомості перевірені. Написання одиниць відповідає стандартам

1. 1 Основні поняття й одиниці виміру
За 100 із зайвим років людин наробив стільки глупостей, скільки не робив за все своє існування. Давно вже пройшла Холодна війна,...

Зумовлюють спільну діяльність індивідів а їхня сутність проявляється...
Отже, головною дійовою особою соціальної системи є індивід, що виконує в рамках даної системи певну соці­альну роль. Проблеми соціальних...

1. національна економіка: загальне та особливе
Як наукова дисципліна національна економіка комплексне вчення про закономірності становлення та функціонування господарської системи...

Курсова робота з дисципліни «загальна та неорганічна хімія» на тему: «Сірка та її сполуки»
Метою роботи є вивчення фізичних та хімічних властивостей сірки, а також її сполук

Лекція з курсу "Цивільний захист"
Тема: "Надзвичайні ситуації в Україні та їх вражаючі фактори не природного характеру"

Конспект лекцій для студентів Лекція 1
В широкому як сукупність матеріальної та духовної культури, у вузькому суто духовна культура



База даних захищена авторським правом © 2017
звернутися до адміністрації

h.lekciya.com.ua
Головна сторінка