Это хорошая статья. Для получения дополнительной информации нажмите здесь.
Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Четыре метрических измерительных прибора: рулетка в сантиметрах , термометр в градусах Цельсия , килограмм массы и мультиметр , измеряющий потенциал в вольтах , ток в амперах и сопротивление в омах.

Метрическая система представляет собой систему измерения , которая пришла на смену decimalised системы , основанной на метре , введенном во Франции в 1790 - х годах. Историческое развитие этих систем завершилось определением Международной системы единиц (СИ) под надзором международного органа по стандартизации.

Историческая эволюция метрических систем привела к признанию нескольких принципов. Каждое из фундаментальных измерений природы выражается единой базовой единицей измерения. Определение базовых блоков все чаще реализуется из природных принципов, а не копии физических артефактов. Для величин, производных от основных основных единиц системы, используются единицы, производные от основных единиц, например квадратный метр является производной единицей площади, величиной, производной от длины. Эти производные единицы согласованы, что означает, что они включают только произведения мощностей базовых единиц без учета эмпирических факторов. Для любой данной величины, единица которой имеет специальное имя и символ, определяется расширенный набор меньших и больших единиц, которые связаны множителями степеней десяти. Единицей времени должна быть секунда ; единицей длины должен быть метр или его десятичное число; а единицей массы должен быть грамм или его десятичное число.

Метрические системы эволюционировали с 1790-х годов по мере развития науки и техники, создав единую универсальную измерительную систему. До и в дополнение к SI, некоторые другие примеры метрических систем являются следующие: система единиц МКС и MKSA систем, которые являются прямыми предшественниками СИ; система сантиметр – грамм – секунда (CGS) и ее подтипы, электростатическая система CGS (cgs-esu), электромагнитная система CGS (cgs-emu) и их все еще популярная смесь, гауссова система ; система метр – тонна – секунда (МТС) ; и гравитационные метрические системы, который может быть основан на метре или сантиметре, а также на грамме (-сила) или килограмме (-сила).

Фон [ править ]

Павильон де Бретей , Сен-Клу, Франция, дом метрической системы с 1875 года.

Французская революция (1789-99) дала возможность французов реформировать свою громоздкую и архаичную систему многих местных мер и весов. Шарль Морис де Талейран отстаивал новую систему, основанную на натуральных единицах, и в 1790 году предложил Национальному собранию Франции разработать такую ​​систему. Талейран хотел, чтобы новая естественная и стандартизированная система была принята во всем мире, и стремился привлечь к ее развитию другие страны. Великобритания проигнорировала приглашения к сотрудничеству, поэтому Французская академия наукв 1791 году решили действовать в одиночку, и для этого создали комиссию. Комиссия решила, что эталон длины должен основываться на размерах Земли. Они определили эту длину как «метр», а ее длину как одну десятимиллионную часть длины квадранта на поверхности Земли от экватора до северного полюса. В 1799 году, после исследования длины этого квадранта, новая система была запущена во Франции. [1] : 145–149

Единицы метрической системы, первоначально взятые из наблюдаемых особенностей природы, теперь определяются семью физическими константами, которым даны точные числовые значения в единицах. В современной форме Международной системы единиц (СИ) семь основных единиц : метр для длины, килограмм для массы, секунда для времени, ампер для электрического тока, кельвин для температуры, кандела для силы света и моль для количества света. субстанция. Они вместе со своими производными единицами могут измерять любую физическую величину. Производные единицы могут иметь собственное имя единицы, например, ватт.(Дж / с) и люкс (кд / м 2 ), или могут быть просто выражены как комбинация основных единиц, таких как скорость (м / с) и ускорение (м / с 2 ). [2]

Метрическая система была разработана, чтобы иметь свойства, которые делают ее простой в использовании и широко применимой, включая единицы, основанные на естественном мире, десятичные отношения, префиксы для кратных и под-кратных, а также структуру основных и производных единиц. Это также связная система , что означает, что ее единицы не вводят коэффициенты пересчета, которые еще не присутствуют в уравнениях, связывающих величины. У него есть свойство, называемое рационализацией, которое устраняет определенные константы пропорциональности в уравнениях физики.

Метрическая система является расширяемой, и при необходимости определяются новые производные единицы в таких областях, как радиология и химия. Например, катал , производная единица каталитической активности, эквивалентная одному моль в секунду (1 моль / с), была добавлена ​​в 1999 году.

Принципы [ править ]

Хотя метрическая система менялась и развивалась с момента ее создания, ее основные концепции практически не изменились. Разработанный для транснационального использования, он состоял из базового набора единиц измерения , ныне известных как базовые единицы . Производные единицы были построены из базовых единиц с использованием логических, а не эмпирических соотношений, в то время как кратные и подкратные как основных, так и производных единиц были основаны на десятичной системе и определялись стандартным набором префиксов .

Реализация [ править ]

Изначально метр был определен как одна десятимиллионная расстояния между Северным полюсом и экватором через Париж. [3]

Базовые единицы, используемые в системе измерения, должны быть реализованы . Каждое из определений базовых единиц в СИ сопровождается определенным mise en pratique [практической реализацией], в которой подробно описывается, по крайней мере, один способ измерения базовой единицы. [4] По возможности, определения базовых единиц были разработаны таким образом, чтобы любая лаборатория, оснащенная надлежащими приборами, могла реализовать стандарт, не полагаясь на артефакт, принадлежащий другой стране. На практике такая реализация осуществляется в рамках договоренности о взаимном признании . [5]

В СИ стандартный метр определяется как ровно 1/299 792 458 расстояния, которое свет проходит за секунду . Реализация измерителя, в свою очередь, зависит от точной реализации секунды. Существуют как методы астрономических наблюдений, так и методы лабораторных измерений, которые используются для реализации единиц стандартного метра. Поскольку скорость света теперь точно определяется в единицах измерения, более точное измерение скорости света приводит не к более точному значению его скорости в стандартных единицах, а к более точному определению метра. Считается, что точность измеренной скорости света находится в пределах 1 м / с, а реализация измерителя находится в пределах примерно 3 частей на 1000000000, или пропорции 0,3х10.−8 : 1.

Первоначально килограмм определялся как масса искусственного артефакта из платины-иридия, хранящегося в лаборатории во Франции, пока новое определение не было введено в мае 2019 года . Реплики, сделанные в 1879 году во время изготовления артефакта и распространенные среди подписавших Метрическую конвенцию, служат фактическими эталонами массы в этих странах. Дополнительные копии были изготовлены с тех пор, как к конвенции присоединились другие страны. Реплики подвергались периодической проверке по сравнению с оригиналом, называемой IPK.. Стало очевидно, что либо IPK, либо реплики, либо оба ухудшались и больше не сопоставимы: они разошлись на 50 мкг с момента изготовления, поэтому, образно говоря, точность измерения килограмма была не лучше, чем 5 частей на сто миллионов или доля 5x10 -8 : 1. Принятое переопределение основных единиц СИ заменило IPK точным определением постоянной Планка , которая определяет килограмм через секунду и метр.

Структура базовых и производных единиц [ править ]

Базовые единицы метрической системы были первоначально приняты потому, что они представляли фундаментальные ортогональные измерения, соответствующие тому, как мы воспринимаем природу: пространственное измерение, измерение времени, одно для инерции, а позднее, более тонкое для измерения «невидимой субстанции». «известный как электричество или, в более общем смысле, электромагнетизм. В каждом из этих измерений была определена одна и только одна единица измерения, в отличие от старых систем, в которых преобладали несколько перцептивных величин с одним и тем же измерением, например дюймы, футы и ярды или унции, фунты и тонны. Единицы для других величин, таких как площадь и объем, которые также являются величинами пространственного измерения, были выведены из фундаментальных с помощью логических соотношений, так что, например, единица квадратной площади была единицей квадрата длины.

Многие производные единицы уже использовались до и во время развития метрической системы, потому что они представляли удобные абстракции любых базовых единиц, определенных для системы, особенно в естественных науках. Таким образом, аналогичные единицы были масштабированы в единицах вновь установленной метрической системы, и их названия были приняты в систему. Многие из них были связаны с электромагнетизмом. Другие единицы восприятия, такие как объем, которые не были определены в терминах базовых единиц, были включены в систему с определениями в метрических базовых единицах, так что система оставалась простой. Количество единиц выросло, но система сохранила единую структуру.

Десятичные отношения [ править ]

Некоторые обычные системы мер и весов имели отношения двенадцатеричную, что означало величины были легко делится на 2, 3, 4 и 6. Но это было трудно сделать арифметический с вещами , как 1 / 4 фунта или 1 / 3 ноги. Там не было никакой системы обозначений для последовательных фракций: например, 1 / 3 из 1 / 3 стопы не дюйм или какой - либо другой блок. Но система подсчета коэффициентов в десятичных имела обозначение, и система имела алгебраическое свойство мультипликативного закрытия: фракция фракции, или кратное фракции была количество в системе, например , 1 / 10 из1 / 10 , который является 1 / 100 . Таким образом, десятичная система счисления стала соотношением размеров единиц в метрической системе.

Префиксы для кратных и дольных [ править ]

В метрической системе кратные и частные единицы единиц следуют десятичному образцу. [Примечание 1]

Обычный набор десятичных префиксов, которые имеют эффект умножения или деления на целую степень десяти, может применяться к единицам, которые сами по себе слишком велики или слишком малы для практического использования. Концепция использования последовательных классических ( латинских или греческих ) названий для префиксов была впервые предложена в отчете Французской революционной комиссии по мерам и весам в мае 1793 года. [3] : 89–96 Используется , например, префикс kilo. чтобы умножить единицу на 1000, а префикс милли означает одну тысячную часть единицы. Таким образом, килограмм и километр - это тысяча граммов.и метры соответственно, а миллиграмм и миллиметр составляют одну тысячную грамма и метра соответственно. Эти отношения можно символически записать как: [6]

1 мг = 0,001 г
1 км = 1000 м

В первые дни, мультипликаторы , которые были положительными степенями десяти получили греческие производные префиксы , такие как кило- и мега- , и те , которые были отрицательные степени десяти получили Latin-производные префиксы , такие как санти- и милли- . Однако расширения системы префиксов 1935 года не следовали этому соглашению: например, префиксы нано- и микро- имеют греческие корни. [1] : 222–223 В 19 веке приставка myria- , производная от греческого слова μύριοι ( mýrioi ), использовалась как множитель для10 000 . [7]

При применении префиксов к производным единицам площади и объема, выраженным в единицах длины в квадрате или кубе, операторы квадрата и куба применяются к единице длины, включая префикс, как показано ниже. [6]

Префиксы обычно не используются для обозначения кратных секунд больше 1; Вместо них используются единицы, не относящиеся к системе СИ - минуты , час и день . С другой стороны, префиксы используются для кратных единиц объема, не входящих в систему СИ, литра (л, л), например миллилитров (мл). [6]

Согласованность [ править ]

Джеймс Клерк Максвелл сыграл важную роль в разработке концепции согласованной системы CGS и в расширении метрической системы за счет включения электрических единиц.

Каждый вариант метрической системы имеет определенную степень согласованности - производные единицы напрямую связаны с базовыми единицами без необходимости использования промежуточных коэффициентов пересчета. [8] Например, в когерентной системе единицы силы , энергии и мощности выбраны так, чтобы уравнения

провести без введения коэффициентов пересчета единиц. После того, как набор согласованных единиц будет определен, другие отношения в физике, которые используют эти единицы, автоматически станут истинными. Поэтому, Эйнштейн «сек массы-энергия уравнение , Е = тс 2 , не требует лишних констант при экспрессии в когерентных единицах. [9]

В системе CGS было две единицы энергии: эрг , связанный с механикой, и калория , связанная с тепловой энергией ; так что только один из них (эрг) мог иметь связную связь с базовыми единицами. Когерентность была целью разработки СИ, в результате чего была определена только одна единица энергии - джоуль . [10]

Рационализация [ править ]

Уравнения электромагнетизма Максвелла содержат фактор, относящийся к стерадианам, представляющий тот факт, что электрические заряды и магнитные поля могут считаться исходящими из точки и распространяющимися одинаково во всех направлениях, то есть сферически. Этот фактор неуклюже фигурирует во многих уравнениях физики, касающихся размерности электромагнетизма, а иногда и других вещей.

Общие метрические системы [ править ]

Был разработан ряд различных метрических систем, каждая из которых использует Mètre des Archives и Kilogram des Archives (или их потомков) в качестве базовых единиц, но различаются определениями различных производных единиц.

Вторая гауссова и первая механическая система единиц [ править ]

В 1832 году Гаусс использовал астрономическую секунду в качестве базовой единицы при определении силы тяжести Земли и вместе с граммом и миллиметром стал первой системой механических единиц.

Системы сантиметр – грамм – секунда [ править ]

Система единиц сантиметр – грамм – секунда (CGS) была первой согласованной метрической системой, разработанной в 1860-х годах и продвигаемой Максвеллом и Томсоном. В 1874 году эта система была официально продвинута Британской ассоциацией развития науки (BAAS). [11] Характеристики системы заключаются в том, что плотность выражается в г / см 3 , сила выражается в динах, а механическая энергия - в эрг . Тепловая энергия определялась в калориях , одна калория - это энергия, необходимая для повышения температуры одного грамма воды с 15,5 ° C до 16,5 ° C. На встрече также были признаны два набора единиц измерения электрических и магнитных свойств.- электростатический комплект агрегатов и электромагнитный агрегатный комплект. [12]

EMU, ESU и гауссовские системы электрических блоков [ править ]

После открытия закона Ома в 1824 году было определено несколько систем электрических единиц.

Международная система электрических и магнитных единиц [ править ]

Электроустановки CGS были громоздкими в работе. Это было исправлено на Международном электрическом конгрессе 1893 года, состоявшемся в Чикаго, путем определения «международных» ампер и ом с использованием определений, основанных на метре , килограмме и секунде . [13]

Другие ранние электромагнитные системы единиц [ править ]

В тот же период, когда система CGS была расширена за счет включения электромагнетизма, были разработаны другие системы, отличающиеся выбором когерентной базовой единицы, в том числе Практическая система электрических единиц, или система QES (квадро-одиннадцатый грамм-секунда). быть использованным. [14] : 268 [15] : 17 Здесь базовые единицы - это четырехугольник, равный10 7  м (примерно квадрант окружности Земли) одиннадцатый грамм, равный10 −11  г , а второй. Они были выбраны так, чтобы соответствующие электрические единицы разности потенциалов, тока и сопротивления имели удобную величину.

Системы МКС и МКСА [ править ]

В 1901 году Джованни Джорджи показал, что, добавив электрический блок в качестве четвертого базового блока, можно устранить различные аномалии в электромагнитных системах. Примерами таких систем являются системы метр – килограмм – секунда – кулон (MKSC) и метр – килограмм – секунда – ампер (MKSA). [16]

Международная система единиц ( Systeme международного d'Объединяет или SI) является текущей международным стандартом метрической системы , а также система наиболее широко используется во всем мире. Это расширение системы MKSA компании Giorgi - ее базовыми единицами измерения являются метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин , кандела и моль . [10]Система MKS (метр – килограмм – секунда) появилась в 1889 году, когда изделия для метра и килограмма были изготовлены в соответствии с Метрической конвенцией. В начале 20 века был добавлен неуказанный электрический блок, и система получила название MKSX. Когда стало очевидно, что единицей измерения будет ампер, система стала называться системой MKSA и являлась прямым предшественником СИ.

Системы метр – тонна – секунда [ править ]

Система единиц метр – тонна – секунда (MTS) была основана на метре, тонне и секунде - единицей силы была стена, а единицей давления - пьез . Он был изобретен во Франции для промышленного использования, а с 1933 по 1955 год использовался как во Франции, так и в Советском Союзе . [17] [18]

Гравитационные системы [ править ]

В гравитационных метрических системах в качестве базовой единицы силы используется килограмм-сила (килопонд), а масса измеряется в единицах, известных как hyl , Technische Masseneinheit (TME), кружка или метрическая пуля . [19] Хотя в 1901 году CGPM приняла резолюцию, определяющую стандартное значение ускорения свободного падения 980,665 см / с 2 , гравитационные единицы не являются частью Международной системы единиц (СИ). [20]

Международная система единиц [ править ]

Международная система единиц - это современная метрическая система. Он основан на системе единиц метр – килограмм – секунда – ампер (MKSA) начала 20 века. Он также включает в себя многочисленные когерентные производные единицы для общих величин, таких как мощность (ватт) и освещенность (люмен). Электрические блоки были взяты из использовавшейся тогда Международной системы. Другие единицы, такие как единицы энергии (джоуль), были смоделированы на базе более старой системы CGS, но масштабированы для согласования с единицами измерения MKSA. Две дополнительные базовые единицы - кельвин , который эквивалентен градусу Цельсия для изменения термодинамической температуры, но установлен так, чтобы 0 K был абсолютным нулем , и кандела , которая примерно эквивалентна международной свече.блок освещения - были внедрены. Позже была добавлена еще одна базовая единица, моль , единица массы, эквивалентная количеству указанных молекул Авогадро, вместе с несколькими другими производными единицами.

Система была обнародована Генеральной конференцией по мерам и весам (французский язык: Conférence générale des poids et mesures - CGPM) в 1960 году. В то время измеритель был переопределен с точки зрения длины волны спектральной линии криптона-86 [ Примечание 2] атом, а артефакт стандартного измерителя 1889 года был снят с производства.

Сегодня Международная система единиц состоит из 7 базовых единиц и бесчисленных связанных производных единиц, включая 22 со специальными названиями. Последняя новая производная единица, катал для каталитической активности, была добавлена ​​в 1999 году. Все базовые единицы, кроме второй, теперь реализованы в терминах точных и неизменных физических или математических констант, по модулю тех частей их определений, которые зависят от вторая сама. Как следствие, скорость света теперь стала точно определена константой и определяет метр , как 1 / 299,792,458 дистанционного свет проходит в секунде. До 2019 г., килограмм был определен искусственным артефактом ухудшения состояния платино-иридия. Диапазон десятичных префиксов был расширен до 10 24 ( yotta– ) и 10 −24 ( yocto– ).

Международная система единиц была принята в качестве официальной системы мер и весов всеми странами мира, кроме Мьянмы, Либерии и Соединенных Штатов, в то время как Соединенные Штаты являются единственной промышленно развитой страной, где метрическая система не является преобладающей. система единиц. [21]

См. Также [ править ]

  • Двоичный префикс , используемый в информатике
  • Электростатические агрегаты
  • История измерений
  • ISO / IEC 80000 , международный стандарт величин и их единиц, заменяющий ISO 31
  • Метрические единицы
  • Метрология
  • Единый код единиц измерения

Заметки [ править ]

  1. ^ Единицы, не относящиеся к системе СИ, для измерения времени и плоского угла, унаследованные от существующих систем, являются исключением из правила десятичного множителя.
  2. ^ Стабильный изотоп инертного газа, который встречается в неопределяемых или следовых количествах в естественных условиях.

Ссылки [ править ]

  1. ^ a b МакГриви, Томас (1997). Каннингем, Питер (ред.). Основа измерения: Том 2 - Метрика и текущая практика . Чиппенхэм: Пиктон Паблишинг. ISBN 978-0-948251-84-9.
  2. ^ "Международная система единиц (СИ), 9-е издание" (PDF) . Bureau International des Poids et Mesures. 2019.
  3. ^ a b Олдер, Кен (2002). Мера всего - семилетняя одиссея, изменившая мир . Лондон: Abacus. ISBN 978-0-349-11507-8.
  4. ^ "Что такое mise en pratique ?" . BIPM . 2011 . Проверено 11 марта 2011 года .
  5. ^ «Соглашение о взаимном признании МОЗМ (MAA)» . Международная организация законодательной метрологии . Архивировано из оригинального 21 мая 2013 года . Проверено 23 апреля 2013 года .
  6. ^ a b c Международное бюро мер и весов (2006), Международная система единиц (СИ) (PDF) (8-е изд.), стр. 121, 122, ISBN  92-822-2213-6, архивировано (PDF) из оригинала 14 августа 2017 г.
  7. ^ Брюстер, D (1830). Эдинбургская энциклопедия . п. 494 .
  8. ^ Рабочая группа 2 Объединенного комитета руководств по метрологии (JCGM / WG 2). (2008), Международный словарь метрологии - Основные и общие концепции и связанные с ними термины (VIM) (PDF) (3-е изд.), Международное бюро мер и весов (BIPM) от имени Объединенного комитета руководств по метрологии, 1.12 , получено 12 апреля 2012 г.
  9. ^ Хорошо, Майкл. «Некоторые выводы из E = mc 2 » (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 7 ноября 2011 года . Проверено 18 марта 2011 года .
  10. ^ a b Международное бюро мер и весов (2006), Международная система единиц (СИ) (PDF) (8-е изд.), стр. 111–120, ISBN  92-822-2213-6, архивировано (PDF) из оригинала 14 августа 2017 г.
  11. ^ Международное бюро мер и весов (2006), Международная система единиц (СИ) (PDF) (8-е изд.), Стр. 109, ISBN  92-822-2213-6, архивировано (PDF) из оригинала 14 августа 2017 г.
  12. ^ Томсон, Уильям; Джоуль, Джеймс Прескотт; Максвелл, Джеймс Клерк; Дженкин, Флемминг (1873). «Первый отчет - Кембридж, 3 октября 1862 г.» . В Дженкин, Флемминг (ред.). Отчеты о Комитете по стандартам электрического сопротивления - назначен Британской ассоциацией развития науки . Лондон. С. 1–3 . Проверено 12 мая 2011 года .
  13. ^ «Исторический контекст СИ - Единица электрического тока (ампер)» . Справочник NIST по константам, единицам и неопределенности . Проверено 10 апреля 2011 года .
  14. ^ Джеймс Кларк Максвелл (1954) [1891], Трактат об электричестве и магнетизме , 2 (3-е изд.), Dover Publications
  15. ^ Каррон, Нил (2015). "Вавилон единиц. Эволюция систем единиц в классическом электромагнетизме". arXiv : 1506.01951 [ Physics.hist -ph ].
  16. ^ "В начале ... Джованни Джорджи" . Международная электротехническая комиссия . 2011 . Проверено 5 апреля 2011 года .
  17. ^ «Система единиц измерения» . Сеть глобальной истории IEEE . Институт инженеров по электротехнике и радиоэлектронике (IEEE) . Проверено 21 марта 2011 года .
  18. ^ "Notions de Physique - Systèmes d'unités" [Символы, используемые в физике - единицы измерения] (на французском языке). Hydrelect.info . Проверено 21 марта 2011 года .
  19. Мишон, Жерар П. (9 сентября 2000 г.). «Окончательные ответы» . Numericana.com . Проверено 11 октября 2012 года .
  20. ^ «Резолюция 3-го собрания CGPM (1901)» . Генеральная конференция по мерам и весам . Проверено 11 октября 2012 года .
  21. ^ "The World Factbook, Приложение G: Веса и Меры" . Центральное Разведывательное Управление. 2010 . Проверено 26 февраля 2020 года .

Внешние ссылки [ править ]

  • Радиоархив CBC для хорошей меры: Канада переходит на метрическую систему