Hệ đo lường SI — lịch sử, mục đích, vai trò trong vật lý

Lịch sử nhân loại đã trải qua vài nghìn năm và ở các giai đoạn phát triển khác nhau, hầu hết mọi quốc gia đều sử dụng một số hệ quy chiếu thông thường của mình. Giờ đây, Hệ thống đơn vị quốc tế (SI) đã trở thành bắt buộc đối với tất cả các quốc gia.

Hệ thống chứa bảy đơn vị đo lường cơ bản: giây — thời gian, mét — chiều dài, kilôgam — khối lượng, ampe — cường độ dòng điện, kelvin — nhiệt độ nhiệt động lực học, candela — cường độ ánh sáng và nốt ruồi — lượng chất. Có hai đơn vị bổ sung: radian cho góc phẳng và steradian cho góc đặc.

SI xuất phát từ Systeme Internationale của Pháp và là viết tắt của Hệ thống đơn vị quốc tế.

Bộ đếm được xác định như thế nào

Vào thế kỷ 17, với sự phát triển của khoa học ở châu Âu, những lời kêu gọi giới thiệu thước đo phổ quát hay thước đo Công giáo bắt đầu được lắng nghe ngày càng thường xuyên hơn. Nó sẽ là thước đo thập phân dựa trên sự kiện tự nhiên và không phụ thuộc vào quyết định của người có thẩm quyền. Một biện pháp như vậy sẽ thay thế nhiều hệ thống đo lường khác nhau đang tồn tại sau đó.

Nhà triết học người Anh John Wilkins đề xuất lấy chiều dài của con lắc làm đơn vị đo chiều dài, nửa chu kỳ của nó sẽ bằng một giây. Tuy nhiên, tùy theo vị trí đo mà giá trị không giống nhau. Nhà thiên văn học người Pháp Jean Richet đã thiết lập sự thật này trong chuyến đi đến Nam Mỹ (1671-1673).

Năm 1790, Bộ trưởng Talleyrand đề xuất đo kinh độ tham chiếu bằng cách đặt con lắc ở vĩ độ cố định nghiêm ngặt giữa Bordeaux và Grenoble—45° vĩ độ bắc. Kết quả là vào ngày 8 tháng 5 năm 1790, Quốc hội Pháp đã quyết định rằng mét là chiều dài của một con lắc có chu kỳ bán rã ở 45° vĩ độ bằng 1 s. Theo SI ngày nay, mét này sẽ bằng 0,994 m, tuy nhiên, định nghĩa này không phù hợp với cộng đồng khoa học.

Vào ngày 30 tháng 3 năm 1791, Viện Hàn lâm Khoa học Pháp đã chấp nhận đề xuất xác định một tiêu chuẩn đo lường là một phần của kinh tuyến Paris. Đơn vị mới là một phần mười triệu của khoảng cách từ xích đạo đến Bắc Cực, tức là một phần mười triệu của một phần tư chu vi trái đất, được đo dọc theo kinh tuyến Paris. Điều này được gọi là "Đồng hồ đo chính xác và dứt khoát".

Vào ngày 7 tháng 4 năm 1795, Hội nghị Quốc gia đã thông qua luật giới thiệu hệ thống số liệu ở Pháp và chỉ thị cho các ủy viên, bao gồm Ch. O. Coulomb, J.L. Lagrange, P.-S. Laplace và các nhà khoa học khác đã xác định bằng thực nghiệm các đơn vị đo chiều dài và khối lượng.

Trong giai đoạn từ 1792 đến 1797, theo quyết định của hội nghị cách mạng, các nhà khoa học Pháp Delambre (1749-1822) và Mechen (1744-1804) đã đo cùng một cung của kinh tuyến Paris có độ dài 9°40' từ Dunkirk đến Barcelona sau 6 năm, đặt một chuỗi 115 hình tam giác trên khắp nước Pháp và một phần của Tây Ban Nha.

Tuy nhiên, sau đó hóa ra là do tính toán sai về độ nén cực của Trái đất, tiêu chuẩn hóa ra ngắn hơn 0,2 mm. Như vậy độ dài kinh tuyến 40.000 km chỉ là gần đúng. Tuy nhiên, nguyên mẫu đầu tiên của đồng hồ đo tiêu chuẩn bằng đồng thau được chế tạo vào năm 1795. Cần lưu ý rằng đơn vị khối lượng (kilôgam, có định nghĩa dựa trên khối lượng của một mét khối nước) cũng được gắn với định nghĩa của mét.

Lịch sử hình thành hệ SI

Vào ngày 22 tháng 6 năm 1799, hai tiêu chuẩn bạch kim—mét tiêu chuẩn và kilôgam tiêu chuẩn—được sản xuất tại Pháp. Ngày này có thể được coi là ngày bắt đầu phát triển hệ thống SI hiện tại.

Năm 1832, Gauss đã tạo ra cái gọi là Hệ đơn vị tuyệt đối, lấy ba đơn vị cơ bản làm đơn vị: đơn vị thời gian là giây, đơn vị đo chiều dài là milimét và đơn vị khối lượng là gam, nhờ sử dụng những đơn vị đặc biệt này, nhà khoa học đã có thể đo được giá trị tuyệt đối của từ trường Trái đất (hệ thống này có tên SGS Gauss).

Vào những năm 1860, dưới ảnh hưởng của Maxwell và Thomson, yêu cầu rằng các đơn vị cơ sở và dẫn xuất phải tương thích với nhau đã được hình thành. Kết quả là, hệ thống CGS đã được giới thiệu vào năm 1874, với các tiền tố cũng được phân phối để biểu thị các tập hợp con và bội số của các đơn vị từ micro đến mega.

Năm 1875, đại diện của 17 quốc gia, bao gồm Nga, Hoa Kỳ, Pháp, Đức, Ý, đã ký Công ước về số liệu, theo đó Văn phòng đo lường quốc tế, Ủy ban đo lường quốc tế được thành lập và một công ước thường xuyên bắt đầu hoạt động. Đại hội về Cân đo (GCMW)… Đồng thời, công việc bắt đầu phát triển tiêu chuẩn quốc tế cho kilôgam và tiêu chuẩn cho dụng cụ đo lường.

Năm 1889 tại hội nghị đầu tiên của GKMV, hệ thống ISSdựa trên mét, kilôgam và giây, giống như CGS, tuy nhiên, các đơn vị ISS dường như được chấp nhận hơn do sự tiện lợi trong sử dụng thực tế. Các đơn vị quang và điện sẽ được giới thiệu sau.

Năm 1948, theo lệnh của chính phủ Pháp và Liên minh Vật lý Lý thuyết và Ứng dụng Quốc tế, Đại hội lần thứ 9 về Trọng lượng và Đo lường đã ban hành một chỉ thị cho Ủy ban Trọng lượng và Đo lường Quốc tế đề xuất, nhằm thống nhất hệ thống các đơn vị đo lường. đo lường, ý tưởng của anh ấy để tạo ra một hệ thống đơn vị đo lường duy nhất có thể được chấp nhận bởi tất cả các quốc gia — các bên tham gia Công ước về số liệu.

Kết quả là, sáu đơn vị sau đã được đề xuất và thông qua tại GCMW lần thứ mười vào năm 1954: mét, kilôgam, giây, ampere, kelvin và candela. Năm 1956, hệ thống này được đặt tên là « Systeme International d'Unities » - hệ thống đơn vị quốc tế.

Năm 1960, một tiêu chuẩn đã được thông qua, lần đầu tiên được gọi là «Hệ thống đơn vị quốc tế» và được gán tên viết tắt «SI» (SI).

Các đơn vị cơ bản vẫn giữ nguyên sáu đơn vị: mét, kilôgam, giây, ampere, kelvin và candela, hai đơn vị bổ sung (radian và steradian) và hai mươi bảy đạo hàm quan trọng nhất, mà không chỉ định trước các đơn vị đạo hàm khác có thể được thêm vào bởi - muộn. (Từ viết tắt "SI" trong tiếng Nga có thể được giải mã là "Hệ thống quốc tế").

Tất cả sáu đơn vị cơ bản này, cả đơn vị bổ sung và 27 đơn vị dẫn xuất quan trọng nhất, hoàn toàn trùng khớp với các đơn vị cơ bản, bổ sung và dẫn xuất tương ứng được thông qua vào thời điểm đó trong tiêu chuẩn nhà nước của Liên Xô về các đơn vị đo lường cho ISS, MKSA, МКСГ và các hệ thống MSSS.

Năm 1963 tại Liên Xô, theo GOST 9867-61 «Hệ đơn vị quốc tế», SI được chấp nhận ưu tiên cho các lĩnh vực kinh tế quốc dân, khoa học công nghệ và giảng dạy trong các cơ sở giáo dục.

Năm 1968, tại GKMV lần thứ mười ba, đơn vị "độ Kelvin" được thay thế bằng "kelvin" và ký hiệu "K" cũng được thông qua. Ngoài ra, một định nghĩa mới về giây đã được thông qua: giây là khoảng thời gian bằng 9.192.631.770 chu kỳ bức xạ tương ứng với sự chuyển đổi giữa hai mức siêu mịn của trạng thái lượng tử cơ bản của nguyên tử cesium-133. Năm 1997, người ta đã làm rõ rằng khoảng thời gian này đề cập đến nguyên tử xesi-133 ở trạng thái nghỉ ở 0 K.

Năm 1971, một đơn vị cơ bản khác «mol» đã được thêm vào 14 GKMV - một đơn vị cho lượng chất. Một nốt ruồi là lượng vật chất trong một hệ thống chứa nhiều nguyên tố cấu trúc bằng số nguyên tử carbon-12 có trọng lượng 0,012 kg. Khi một nốt ruồi được sử dụng, các yếu tố cấu trúc phải được chỉ định và có thể là nguyên tử, phân tử, ion, điện tử và các hạt khác hoặc các nhóm hạt được chỉ định.

Năm 1979, CGPM lần thứ 16 đã thông qua một định nghĩa mới về candela. Candela là cường độ sáng theo một phương nhất định của một nguồn phát bức xạ đơn sắc có tần số 540 × 1012 Hz, có cường độ sáng theo phương đó là 1/683 W/sr (oát trên mỗi steradian).

Năm 1983, một định nghĩa mới đã được đưa ra cho bộ đếm 17 GKMV.Mét là độ dài quãng đường ánh sáng đi được trong chân không tính bằng (1/299.792.458) giây.

Năm 2009, Chính phủ Liên bang Nga đã phê duyệt "Quy định về các đơn vị đo lường được phép sử dụng ở Liên bang Nga" và vào năm 2015, các sửa đổi đã được thực hiện để loại trừ "thời hạn hiệu lực" của một số đơn vị không thuộc hệ thống.

Những ưu điểm chính của hệ thống SI như sau:

1. Thống nhất đơn vị của các đại lượng vật lý cho các loại phép đo.

Hệ SI cho phép bất kỳ đại lượng vật lý nào được tìm thấy trong các lĩnh vực công nghệ khác nhau có một đơn vị chung cho chúng, ví dụ: joule cho tất cả các loại công và lượng nhiệt thay vì các đơn vị khác nhau hiện được sử dụng cho đại lượng này (kilôgam - lực - mét, erg, calo, watt-giờ, v.v.).

2. Tính phổ quát của hệ thống.

Các đơn vị SI bao gồm tất cả các ngành khoa học, công nghệ và nền kinh tế quốc dân, không bao gồm nhu cầu sử dụng các đơn vị khác và thường đại diện cho một hệ thống duy nhất chung cho tất cả các lĩnh vực đo lường.

3. Tính kết nối (mạch lạc) của hệ thống.

Trong tất cả các phương trình vật lý xác định đơn vị đo kết quả, hệ số tỷ lệ luôn là một đại lượng không thứ nguyên bằng đơn vị.

Hệ thống SI giúp đơn giản hóa đáng kể các hoạt động giải phương trình, thực hiện các phép tính và vẽ biểu đồ và biểu đồ, vì không cần sử dụng một số lượng đáng kể các hệ số chuyển đổi.

4. Sự hài hòa và nhất quán của hệ SI tạo điều kiện thuận lợi đáng kể cho việc nghiên cứu các định luật vật lý và quá trình sư phạm trong nghiên cứu các ngành khoa học nói chung và đặc biệt, cũng như tạo ra các công thức khác nhau.

5.Các nguyên tắc xây dựng hệ thống SI tạo cơ hội hình thành các đơn vị dẫn xuất mới khi cần thiết, và do đó, danh sách các đơn vị của hệ thống này có thể được mở rộng hơn nữa.

Mục đích của hệ SI và vai trò của nó trong vật lý

Cho đến nay, hệ thống đại lượng vật lý quốc tế SI đã được chấp nhận trên toàn thế giới và được sử dụng nhiều hơn các hệ thống khác cả trong khoa học và công nghệ cũng như trong cuộc sống hàng ngày của con người - đó là phiên bản hiện đại của hệ mét.

Hầu hết các quốc gia sử dụng đơn vị SI trong công nghệ, ngay cả khi họ sử dụng các đơn vị truyền thống cho các lãnh thổ đó trong cuộc sống hàng ngày. Ví dụ, ở Hoa Kỳ, các đơn vị thông thường được định nghĩa là đơn vị SI sử dụng các hệ số cố định.

Số lượng Ký hiệu Tên tiếng Nga Quốc tế Nga Góc phẳng radian vui rad Góc rắn steradian Thứ tư Thứ tư Nhiệt độ tính bằng độ C tính bằng độ C Hệ điều hành Hệ điều hành Tần số hertz Hz Hz Lực Newton Z n Năng lượng joule J J Công suất oát W W Áp suất pascal Pa Pa Quang thông lumen lm lm Độ rọi lux OK lx Mặt dây chuyền điện tích CL°C Hiệu điện thế vôn V V Điện trở ohm Ohm R Công suất điện farad F F Từ thông Weber Wb Wb Cảm ứng từ Tesla T T Điện cảm Henry Mr. H Độ dẫn điện Siemens Cm C Hoạt độ của nguồn phóng xạ becquerel Bq Bq Liều hấp thụ của bức xạ ion hóa xám Gr Gy Liều hiệu dụng của bức xạ ion hóa siert Sv Sv Hoạt độ của chất xúc tác cuộn cat cat

Một mô tả chi tiết đầy đủ về hệ thống SI ở dạng chính thức được đưa ra trong SI Booklet, xuất bản từ năm 1970, và phần bổ sung của nó; các tài liệu này được công bố trên trang web chính thức của Văn phòng Cân đo Quốc tế. Từ năm 1985các tài liệu này được phát hành bằng tiếng Anh và tiếng Pháp và luôn được dịch sang một số ngôn ngữ trên thế giới, mặc dù ngôn ngữ chính thức của tài liệu là tiếng Pháp.

Định nghĩa chính thức chính xác của hệ thống SI như sau: "Hệ thống đơn vị quốc tế (SI) là một hệ thống các đơn vị dựa trên Hệ thống đơn vị quốc tế, cùng với tên và ký hiệu, và một tập hợp các tiền tố cũng như tên và ký hiệu của chúng. cùng với các quy tắc sử dụng chúng được thông qua bởi Đại hội đồng về Cân đo (CGPM) «.

Hệ thống SI được xác định bởi bảy đơn vị cơ bản của các đại lượng vật lý và các đạo hàm của chúng, cũng như các tiền tố của chúng. Các chữ viết tắt tiêu chuẩn của ký hiệu đơn vị và các quy tắc viết đạo hàm được quy định. Có bảy đơn vị cơ bản như trước đây: kilôgam, mét, giây, ampe, kelvin, mol, candela. Các đơn vị cơ sở không phụ thuộc vào kích thước và không thể bắt nguồn từ các đơn vị khác.

Đối với các đơn vị dẫn xuất, chúng có thể thu được dựa trên các đơn vị cơ bản, bằng cách thực hiện các phép toán như chia hoặc nhân. Một số đơn vị kết quả, chẳng hạn như "radian", "lumen", "mặt dây chuyền", có tên riêng.

Bạn có thể sử dụng tiền tố trước tên của đơn vị, chẳng hạn như milimét — một phần nghìn của mét và kilômét — một nghìn mét. Tiền tố có nghĩa là một sẽ được chia hoặc nhân với một số nguyên là lũy thừa cụ thể của mười.