Физические величины. Международная система единиц физических величин Si. Международная система единиц (СИ) Международная система величин включает в себя

С 1963 г. в СССР (ГОСТ 9867-61 «Международная система единиц») с целью унификации единиц измерения во всех областях науки и техники рекомендована для практического использования международная (интернациональная) система единиц (СИ, SI) - это система единиц измерения физических величин, принятая XI Генеральной конференцией по мерам и весам в 1960 г. В основу ее положены 6 основных единиц (длина, масса, время, сила электрического тока, термодинамическая температура и сила света), а также 2 дополнительные единицы (плоский угол, телесный угол); все остальные единицы, приводимые в таблице, являются их производными. Принятие единой для всех стран международной системы единиц призвано устранить трудности, связанные с переводами численных значений физических величин, а также различных констант из какой-либо одной, действующей в настоящее время системы (СГС, МКГСС, МКС А и т. д.), в другую.

Наименование величины	Единицы измерения; значения в системе СИ	Обозначения
		русское	международное
I. Длина, масса, объем, давление, температура
	Метр - мера длины, численно равная длине международного эталона метра; 1 м=100 см (1·10 2 см)=1000 мм (1·10 3 мм)	м	m
	Сантиметр = 0,01 м (1·10 -2 м)=10 мм	см	cm
	Миллиметр = 0,001 м(1·10 -3 м) = 0,1 см=1000 мк (1·10 3 мк)	мм	mm
	Микрон (микрометр) = 0,001 мм (1·10 -3 мм) = 0, 0001 см (1·10 -4 см)= 10 000	мк	μ
	Ангстрем=одной десятимиллиардной метра (1·10 -10 м) или одной стомиллионной сантиметра (1·10 -8 см)	Å	Å
Масса	Килограмм - основная единица массы в метрической системе мер и системе СИ, численно равная массе международного эталона килограмма; 1 кг=1000 г	кг	kg
	Грамм=0,001 кг (1·10 -3 кг)	г	g
	Тонна= 1000 кг (1·10 3 кг)	т	t
	Центнер=100 кг (1·10 2 кг)	ц
	Карат - внесистемная единица массы, численно равная 0,2 г		ct
	Гамма=одной миллионной грамма (1·10 -6 г)		γ
Объем	Литр=1,000028 дм 3 = 1,000028·10 -3 м 3	л	l
Давление	Физическая, или нормальная, атмосфера - давление, уравновешиваемое ртутным столбом высотой 760 мм при температуре 0°= 1,033 ат= = 1,01·10 -5 н/м 2 =1,01325 бар= 760 тор= 1, 033 кгс/см 2	атм	atm
	Техническая атмосфера - давление, равное 1 кгс/смг = 9,81·10 4 н/м 2 =0,980655 бар =0,980655·10 6 дин/см 2 = 0, 968 атм= 735 тор	ат	at
	Миллиметр ртутного столба= 133,32 н/м 2	мм рт. ст.	mm Hg
	Тор - наименование внесистемной единицы измерения давления, равное 1 мм рт. ст.; дано в честь итальянского ученого Э. Торричелли	тор
	Бар - единица атмосферного давления = 1·10 5 н/м 2 = 1·10 6 дин/см 2	бар	bar
Давление (звука)	Бар-единица звукового давления (в акустике): бар - 1 дин/см 2 ; в настоящее время в качестве единицы звукового давления рекомендована единица со значением 1 н/м 2 = 10 дин/см 2	бар	bar
	Децибел - логарифмическая единица измерения уровня избыточного звукового давления, равная 1/10 единицы измерения избыточного давления- бела	дБ	db
Температура	Градус Цельсия; температура в °К (шкала Кельвина), равна температуре в °С (шкала Цельсия) + 273,15 °С	°С	°С
II. Сила, мощность, энергия, работа, количество теплоты, вязкость
Сила	Дина - единица силы в системе СГС(см-г-cек.), при которой телу с массой в 1 г сообщается ускорение, равное 1 см/сек 2 ; 1 дин- 1·10 -5 н	дин	dyn
	Килограмм-сила- сила, сообщающая телу с массой 1 кг ускорение, равное 9,81 м/сек 2 ; 1кг=9,81 н=9,81·10 5 дин	кГ, кгс
Мощность	Лошадиная сила =735,5 Вт	л. с.	HP
Энергия	Электрон-вольт - энергия, которую приобретает электрон при перемещении в электрическом поле в вакууме между точками с разностью потенциалов в 1 в; 1 эв= 1,6·10 -19 дж. Допускается применение кратных единиц: килоэлектрон-вольт (Кзв)=10 3 эв и мегаэлектрон-вольт (Мэв)= 10 6 эв. В современных энергию частиц измеряют в Бэв - миллиардах (биллионах) эв; 1 Бзв=10 9 эв	эв	eV
	Эрг=1·10 -7 дж; эрг также используется как единица измерения работы, численно равная работе, совершаемой силой в 1 дин на пути в 1 см	эрг	erg
Работа	Килограмм-сила-метр (килограммометр) - единица работы, численно равная работе, совершаемой постоянной силой в 1 кГ при перемещении точки приложения этой силы на расстояние в 1 м по ее направлению; 1кГм=9,81 дж (одновременно кГм является мерой энергии)	кГм, кгс·м	kGm
Количество теплоты	Калория - внесистемная единица измерения количества теплоты, равного количеству теплоты, необходимого для нагревания 1 г воды от 19,5 °С до 20,5 ° С. 1 кал=4,187 дж; распространена кратная единица килокалория (ккал, kcal), равная 1000 кал	кал	cal
Вязкость (динамическая)	Пуаз - единица вязкости в системе единиц СГС; вязкость, при которой в слоистом потоке с градиентом скорости, равным 1 сек -1 на 1 см 2 поверхности слоя, действует сила вязкости в 1 дин; 1 пз = 0,1 н·сек/м 2	пз	P
Вязкость (кинематическая)	Стокс - единица кинематической вязкости в системе СГС; равна величине вязкости жидкости, имеющей плотность 1 г/см 3 , оказывающей сопротивление силой в 1 дин взаимному перемещению двух слоев жидкости площадью 1 см 2 , находящихся на расстоянии 1 см друг от друга и перемещающихся друг относительно друга со скоростью 1 см в сек	ст	St
III. Магнитный поток, магнитная индукция, напряженность магнитного поля, индуктивность, электрическая емкость
Магнитный поток	Максвелл - единица измерения магнитного потока в системе СГС; 1 мкс равен магнитному потоку, проходящему через площадку в 1 см 2 , расположенную перпендикулярно к линиям индукции магнитного поля, при индукции, равной 1 гс; 1 мкс= 10 -8 вб (вебера) - единицы магнитного тока в системе СИ	мкс	Mx
Магнитная индукция	Гаусс - единица измерения в системе СГС; 1 гс есть индукция такого поля, в котором прямолинейный проводник длиной 1 см, расположенный перпендикулярно вектору поля, испытывает силу в 1 дин, если по этому проводнику протекает ток в 3·10 10 единиц СГС; 1 гс=1·10 -4 тл (тесла)	гс	Gs
Напряженность магнитного поля	Эрстед - единица напряженности магнитного поля в системе CГC; за один эрстед (1 э) принята напряженность в такой точке поля, в которой на 1 электромагнитную единицу количества магнетизма действует сила в 1 дину (дин); 1 э=1/4π·10 3 а/м	э	Oe
Индуктивность	Сантиметр - единица индуктивности в системе СГС; 1 см= 1·10 -9 гн (генри)	см	cm
Электрическая емкость	Сантиметр - единица емкости в системе СГС = 1·10 -12 ф (фарады)	см	cm
IV. Сила света, световой поток, яркость, освещенность
Сила света	Свеча - единица силы света, Значение которой принимается таким, чтобы яркость полного излучателя при температуре затвердевания платины была равна 60 св на 1 см 2	св	cd
Световой поток	Люмен - единица светового потока; 1 люмен (лм) излучается в пределах телесного угла в 1 стер точечным источником света, обладающим во всех направлениях силой света в 1 св	лм	lm
	Люмен-секунда - соответствует световой энергии, образуемой световым потоком в 1 лм, излучаемым или воспринимаемым за 1 сек	лм·сек	lm·sec
	Люмен-час равен 3600 люмен-секундам	лм·ч	lm·h
Яркость	Стильб- единица яркости в системе СГС; соответствует яркости плоской поверхности, 1 см 2 которой дает в направлении, перпендикулярном к этой поверхности, силу света, равную 1 се; 1 сб=1·10 4 нт (нит) (единица яркости в системе СИ)	сб	sb
	Ламберт - внесистемная единица яркости, производная от стильба; 1 ламберт=1/π ст= 3193 нт
	Апостильб= 1/π св/м 2
Освещенность	Фот - единица освещенности в системе СГСЛ (см-г-сек-лм); 1 фот соответствует освещенности поверхности в 1 см 2 равномерно распределенным световым потоком в 1 лм; 1 ф=1·10 4 лк (люкс)	ф	ph
V. Интенсивность радиоактивного излучения и дозы
Интенсивность	Кюри - основная единица измерения интенсивности радиоактивного излучения, кюри соответствующая 3,7·10 10 распадам в 1 сек. любого радиоактивного изотопа	кюри	C или Cu
	милликюри= 10 -3 кюри, или 3,7·10 7 актов радиоактивного распада в 1 сек.	мкюри	mc или mCu
	микрокюри= 10 -6 кюри	мккюри	μ C или μ Cu
Доза	Рентген - количество (доза) рентгеновых или γ -лучей, которое в 0,001293 г воздуха (т. е. в 1 см 3 сухого воздуха при t° 0° и 760 мм рт. ст.) вызывает образование ионов, несущих одну электростатическую единицу количества электричества каждого знака; 1 р вызывает образование 2,08·10 9 пар ионов в 1 см 3 воздуха	р	r
	миллирентген = 10 -3 p	мр	mr
	микрорентген = 10 -6 p	мкр	μr
	Рад - единица поглощенной дозы любого ионизирующего излучения равна рад 100 эрг на 1 г облучаемой среды; при ионизации воздуха рентгеновыми или γ-лучами 1 р равен 0,88 рад, а при ионизации тканей практически 1 р равен 1 рад	рад	rad
	Бэр (биологический эквивалент рентгена) - количество (доза) любого вида ионизирующих излучений, вызывающее такой же биологический эффект, как и 1 р (или 1 рад) жестких рентгеновых лучей. Неодинаковый биологический эффект при равной ионизации разными видами излучений привел к необходимости введения еще одного понятия: относительной биологической эффективности излучений -ОБЭ; зависимость между дозами (Д) и безразмерным коэффициентом (ОБЭ) выражается как Д бэр =Д рад ·ОБЭ, где ОБЭ=1 для рентгеновых, γ-лучей и β -лучей и ОБЭ=10 для протонов до 10 Мэв, быстрых нейтронов и α-ча стиц естественных (по рекомендации Международного конгресса радиологов в Копенгагене, 1953)	бэр, рэб	rem

Примечание. Кратные и дольные единицы измерения, за исключением единиц времени и угла, образуются путем их умножения на соответствующую степень числа 10, а их названия присоединяются к наименованиям единиц измерения. Не допускается применение двух приставок к наименованию единицы. Например, нельзя писать миллимикроватт (ммквт) или микромикрофарада (ммф), а необходимо писать нановатт (нвт) или пикофарада (пф). Не следует применять приставок к наименованиям таких единиц, которые обозначают кратную или дольную единицу измерения (например, микрон). Для выражения продолжительности процессов и обозначения календарных дат событий допускается применение кратных единиц времени.

Важнейшие единицы международной системы единиц (СИ)

Основные единицы
(длина, масса, температура, время, сила электрического тока, сила света)

Наименование величины		Обозначения
		русское	международное
Длина	Метр - длина, равная 1650763,73 длин волн излучения в вакууме, соответствующая переходу между уровнями 2р 10 и 5d 5 криптона 86 *	м	m
Масса	Килограмм - масса, соответствующая массе международного эталона килограмма	кг	kg
Время	Секунда - 1/31556925,9747 часть тропического года (1900) **	сек	S, s
Сила электрического тока	Ампер - сила неизменяющегося тока, который, проходя по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого кругового сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, вызвал бы между этими проводниками силу, равную 2·10 -7 н на каждый метр длины	а	A
Сила света	Свеча - единица силы света, значение которой принимается таким, чтобы яркость полного (абсолютно черного) излучателя при температуре затвердевания платины была равна 60 се на 1 см 2 ***	св	cd
Температура (термодинамическая)	Градус Кельвина (шкала Кельвина) - единица измерения температуры по термодинамической температурной шкале, в которой для температуры тройной точки воды**** установлено значение 273,16° К	°К	°K

* Т. е. метр равен указанному числу волн излучения с длиной волны 0,6057 мк, полученного от специальной лампы и соответствующего оранжевой линии спектра нейтрального газа криптона. Такое определение единицы длины позволяет воспроизводить метр с наибольшей точностью, а главное, в любой лаборатории, имеющей соответствующее оборудование. При этом отпадает необходимость в периодической проверке стандартного метра с его международным эталоном, хранящимся в Париже.
** Т. е. секунда равна указанной части интервала времени между двумя последовательными прохождениями Землей на орбите вокруг Солнца точки, соответствующей весеннему равноденствию. Это дает большую точность в определении секунды, чем определение ее как части суток, поскольку длительность суток меняется.
*** Т. е. за единицу принята сила света определенного эталонного источника, испускающего свет при температуре плавления платины. Прежний международный эталон свечи составляет 1,005 нового эталона свечи. Таким образом, в пределах обычной практической точности их значения можно считать совпадающими.
**** Тройная точка - температура таяния льда при наличии над ним насыщенного водяного пара.

Дополнительные и производные единицы

Наименование величины	Единицы измерения; их определение	Обозначения
		русское	международное
I. Плоский угол, телесный угол, сила, работа, энергия, количество теплоты, мощность
Плоский угол	Радиан - угол между двумя радиусами круга, вырезающий на окружности рад дугу, длина которой равна радиусу	рад	rad
Телесный угол	Стерадиан - телесный угол, вершина которого расположена в центре сферы стер и который вырезает на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной, равной радиусу сферы	стер	sr
Сила	Ньютон- сила, под действием которой тело с массой в 1 кг приобретает ускорение, равное 1 м/сек 2	н	N
Работа, энергия, количество теплоты	Джоуль - работа, которую совершает действующая на тело постоянная сила в 1 н на пути в 1 м, пройденном телом в направлении действия силы	дж	J
Мощность	Ватт - мощность, при которой за 1 сек. совершается работа в 1 дж	Вт	W
II. Количество электричества, электрическое напряжение, электрическое сопротивление, электрическая емкость
Количество электричества, электрический заряд	Кулон - количество электричества, протекающее через поперечное сечение проводника в течение 1 сек. при силе постоянного тока в 1 а	к	C
Электрическое напряжение, разность электрических потенциалов, электродвижущая сила (ЭДС)	Вольт - напряжение на участке электрической цепи, при прохождении через который количества электричества в 1 к совершается работа в 1 дж	в	V
Электрическое сопротивление	Ом - сопротивление проводника, по которому при постоянном напряжении на концах в 1 в проходит постоянный ток в 1 а	ом	Ω
Электрическая емкость	Фарада- емкость конденсатора, напряжение между обкладками которого меняется на 1 в при зарядке его количеством электричества в 1 к	ф	F
III. Магнитная индукция, поток магнитной индукции, индуктивность, частота
Магнитная индукция	Тесла- индукция однородного магнитного поля, которое на участок прямолинейного проводника длиной в 1 м, помещенного перпендикулярно направлению поля, действует с силой в 1 н при прохождении по проводнику постоянного тока в 1 а	тл	T
Поток магнитной индукции	Вебер - магнитный поток, создаваемый однородным полем с магнитной индукцией в 1 тл через площадку в 1 м 2 , перпендикулярную направлению вектора магнитной индукции	вб	Wb
Индуктивность	Генри - индуктивность проводника (катушки), в котором индуктируется ЭДС в 1 в при изменении тока в нем на 1 а за 1 сек.	гн	H
Частота	Герц - частота периодического процесса, у которого за 1 сек. совершается одно колебание (цикл, период)	Гц	Hz
IV. Световой поток, световая энергия, яркость, освещенность
Световой поток	Люмен - световой поток, который дает внутри телесного угла в 1 стер точечный источник света в 1 св, излучающий одинаково во всех направлениях	лм	lm
Световая энергия	Люмен-секунда	лм·сек	lm·s
Яркость	Нит - ярность светящейся плоскости, каждый квадратный метр которой дает в направлении, перпендикулярном плоскости, силу света в 1 св	нт	nt
Освещенность	Люкс - освещенность, создаваемая световым потоком в 1 лм при равномерном его распределении на площади в 1 м 2	лк	lx
Количество освещения	Люкс-секунда	лк·сек	lx·s

Система единиц физических величин, современный вариант метрической системы. СИ является наиболее широко используемой системой единиц в мире, как в повседневной жизни, так и в науке и технике. В настоящее время СИ принята в качестве основной системы единиц большинством стран мира и почти всегда используется в области техники, даже в тех странах, в которых в повседневной жизни используются традиционные единицы. В этих немногих странах (например, в США) определения традиционных единиц были изменены таким образом, чтобы связать их фиксированными коэффициентами с соответствующими единицами СИ.

СИ была принята XI Генеральной конференцией по мерам и весам в 1960 году, некоторые последующие конференции внесли в СИ ряд изменений.

В 1971 году XIV Генеральная конференция по мерам и весам внесла изменения в СИ, добавив, в частности, единицу количества вещества (моль).

В 1979 году XVI Генеральная конференция по мерам и весам приняла новое, действующее поныне, определение канделы.

В 1983 году XVII Генеральная конференция по мерам и весам приняла новое, действующее поныне, определение метра.

СИ определяет семь основных и производные единицы физических величин (далее - единицы), а также набор приставок. Установлены стандартные сокращённые обозначения для единиц и правила записи производных единиц.

Основные единицы: килограмм, метр, секунда, ампер, кельвин, моль и кандела. В рамках СИ считается, что эти единицы имеют независимую размерность, то есть ни одна из основных единиц не может быть получена из других.

Производные единицы получаются из основных с помощью алгебраических действий, таких как умножение и деление. Некоторым из производных единиц в СИ присвоены собственные названия, например, радиану.

Приставки можно использовать перед названиями единиц; они означают, что единицу нужно умножить или разделить на определённое целое число, степень числа 10. Например, приставка «кило» означает умножение на 1000 (километр = 1000 метров). Приставки СИ называют также десятичными приставками.

Многие внесистемные единицы, такие как, например, тонна, час, литр и электронвольт не входят в СИ, но они «допускаются к применению наравне с единицами СИ».

Семь основных единиц и зависимость их определений

Основные единицы СИ

Единица	Обозначение	Величина	Определение	Исторические происхождения / Обоснование
			Метр есть длина пути, проходимого светом в вакууме за интервал времени 1/299 792 458 секунды. XVII Генеральная конференция по мерам и весам (ГКМВ) (1983 г, Резолюция 1)	1⁄10000000 расстояния от экватора Земли до северного полюса на меридиане Парижа.
Килограмм			Килограмм есть единица массы, равная массе международного прототипа килограмма. I ГКМВ (1899 г.) и III ГКМВ (1901 г.)	Масса одного кубического дециметра (литра) чистой воды при температуре 4 C и стандартном атмосферном давлении на уровне моря.
			Секунда есть время, равное 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133. XIII ГКМВ (1967 г., Резолюция 1) «В покое при 0 К при отсутствии возмущения внешними полями» (Добавлено в 1997 году)	День делится на 24 часа, каждый час делится на 60 минут, каждая минута делится на 60 секунд. Секунда это - 1⁄(24 × 60 × 60) часть дня
		Сила электрического тока	Ампер есть сила не изменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, вызвал бы на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2·10 −7 ньютонов. Международный комитет мер и весов (1946 г., Резолюция 2, одобренная IX ГКМВ в 1948 г.)
		Термодинамическая Температура	Кельвин есть единица термодинамической температуры, равная 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды. XIII ГКМВ (1967 г., Резолюция 4) В 2005 г. Международный комитет мер и весов установил требования к изотопному составу воды при реализации температуры тройной точки воды: 0,00015576 моля 2H на один моль 1Н, 0,0003799 моля 17 О на один моль 16 О и 0,0020052 моля 18 О на один моль 16 О.	Шкала Кельвина использует тот же шаг, что и шкала Цельсия, но 0 кельвинов это температура абсолютного нуля, а не температура плавления льда. Согласно современному определению ноль шкалы Цельсия установлен таким образом, что температура тройной точки воды равна 0,01 C. В итоге, шкалы Цельсия и Кельвина сдвинуты на 273,15°C =K - 273,15.
		Количество вещества	Моль есть количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0,012 кг. При применении моля структурные элементы должны быть специфицированы и могут быть атомами, молекулами, ионами, электронами и другими частицами или специфицированными группами частиц. XIV ГКМВ (1971 г., Резолюция 3)
		Сила света	Кандела есть сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540·10 12 герц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет (1/683) Вт/ср. XVI ГКМВ (1979 г., Резолюция 3)

Величина		Единица
Наименование	Размерность	Наименование		Обозначение
		русское	французское/английское	русское	международное
		килограмм	kilogramme/kilogram
Сила электрического тока
Термодинамическая температура
Количество вещества				моль
Сила света

Производные единицы с собственными названиями

Величина	Единица		Обозначение		Выражение
	русское название	французское/английское название	русское	международное
Плоский угол
Телесный угол	стерадиан				м 2 ·м −2 = 1
Температура по шкале Цельсия	градус Цельсия	degré Celsius/degree Celsius
					кг·м·c −2
					Н·м = кг·м 2 ·c −2
Мощность					Дж/с = кг·м 2 ·c −3
Давление					Н/м 2 = кг·м −1 ·с −2
Световой поток
Освещённость					лм/м² = кд·ср/м²
Электрический заряд
Разность потенциалов					Дж/Кл = кг·м 2 ·с −3 ·А −1
Сопротивление					В/А = кг·м 2 ·с −3 ·А −2
Электроёмкость					Кл/В = с 4 ·А 2 ·кг −1 ·м −2
Магнитный поток					кг·м 2 ·с −2 ·А −1
Магнитная индукция					Вб/м 2 = кг·с −2 ·А −1
Индуктивность					кг·м 2 ·с −2 ·А −2
Электрическая проводимость					Ом −1 = с 3 ·А 2 ·кг −1 ·м −2
Активность радиоактивного источника	беккерель
Поглощённая доза ионизирующего излучения					Дж/кг = м²/c²
Эффективная доза ионизирующего излучения					Дж/кг = м²/c²
Активность катализатора

Единицы, не входящие в СИ, но по решению Генеральной конференции по мерам и весам «допускаются для использования совместно с СИ».

Единица	Французское/английское название	Обозначение		Величина в единицах СИ
		русское	международное
				60 мин = 3600 с
				24 ч = 86 400 с
угловая минута				(1/60)° = (π/10 800)
угловая секунда				(1/60)′ = (π/648 000)
				безразмерна
				безразмерна
электронвольт				≈1,602 177 33·10 −19 Дж
атомная единица массы, дальтон	unité de masse atomique unifiée, dalton/unified atomic mass unit, dalton			≈1,660 540 2·10 −27 кг
астрономическая единица	unité astronomique/astronomical unit			149 597 870 700 м (точно)
морская миля	mille marin/nautical mile			1852 м (точно)
				1 морская миля в час = (1852/3600) м/с
ангстрем

Правила написания обозначений единиц

Обозначения единиц печатают прямым шрифтом, точку как знак сокращения после обозначения не ставят.

Обозначения помещают за числовыми значениями величин через пробел, перенос на другую строку не допускается. Исключения составляют обозначения в виде знака над строкой, перед ними пробел не ставится. Примеры: 10 м/с, 15°.

Если числовое значение представляет собой дробь с косой чертой, его заключают в скобки, например: (1/60) с −1 .

При указании значений величин с предельными отклонениями их заключают в скобки или проставляют обозначение единицы за числовым значением величины и за её предельным отклонением: (100,0 ± 0,1) кг, 50 г ± 1 г.

Обозначения единиц, входящие в произведение, отделяют точками на средней линии (Н·м, Па·с), не допускается использовать для этой цели символ «×». В машинописных текстах допускается точку не поднимать или разделять обозначения пробелами, если это не может вызвать недоразумения.

В качестве знака деления в обозначениях можно использовать горизонтальную черту или косую черту (только одну). При применении косой черты, если в знаменателе стоит произведение единиц, его заключают в скобки. Правильно: Вт/(м·К), неправильно: Вт/м/К, Вт/м·К.

Допускается применять обозначения единиц в виде произведения обозначений единиц, возведённых в степени (положительные и отрицательные): Вт·м −2 ·К −1 , А·м². При использовании отрицательных степеней не разрешается использовать горизонтальную или косую черту (знак деления).

Допускается применять сочетания специальных знаков с буквенными обозначениями, например: °/с (градус в секунду).

Не допускается комбинировать обозначения и полные наименования единиц. Неправильно: км/час, правильно: км/ч.

Обозначения единиц, произошедшие от фамилий, пишутся с заглавной буквы, в том числе с приставками СИ, например: ампер - А, мегапаскаль - МПа, килоньютон - кН, гигагерц - ГГц.

Глава 1

ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Краткая история метрологии

В процессе истории человечества вырабатывались определенные представления о размерах, формах, свойствах предметов и процессов, а в связи с этим возникали и развивались всевозможные методы и средства измерений.

Любой объект (предмет, процесс, явление) можно охарактеризо-вать его свойствами или качествами, которые проявляются в большей или меньшей степени и, следовательно, подвергаются количествен-ной оценке. В настоящее время хорошо известно высказывание Ф. Энгельса «Всякое качество имеет бесконечно много количествен-ных градаций». Как же производится количественная оценка этих свойств или качеств объекта? Конечно, путем измерений.

В России в древности единицами измерения длины были пядь, локоть. Локоть как единица измерения применялся во многих государствах (Вавилон, Египет). Естественно размер локтя был различным.

Одной из основных мер длины в России долгое время была сажень (упоминается в летописях начала Х в.). Размер ее не был постоянным: были известны простая сажень, косая, казенная сажень и др. По указу Петра I русские меры длины были согласованы с английскими (~ 1725 г.).

В 1835 г. Николай I в «Указе правительствующему Сенату» утвердил сажень в качестве основной меры длины в России, а за основную единицу массы был принят образцовый фунт – кубический дюйм воды при температуре 13,3 градуса по Реомюру в безвоздушном пространстве (фунт равнялся 409,51241 г). Также в России использовались также аршин (0,7112 м) и верста (в разные времена ее размер был различным, 500 саженей – 1,0668 км).

Для поддержания единства установленных мер существовали эталонные (образцовые) меры, которые находились в храмах и церквях.

В 1841 г. в соответствии с указом «О системе Российских мер и весов», узаконившим ряд мер длины, объема и веса, при Петербургском монетном дворе было организовано Депо образцовых мер и весов – первое государственное поверочное учреждение. Основными задачами Депо являлись хранение эталонов, составление таблиц русских и иностранных мер, изготовление образцовых мер и рассылка последних в регионы страны. Поверка мер и весов была вменена в обязанность городских дум, управ и казенных палат. В 1892 г. ученым хранителем Депо образцовых мер и весов был назначен великий русский ученый Д.И. Менделеев. По его предложению Депо было преобразовано в 1893 г. в Главную палату мер и весов, быстро ставшую выдающимся научно-методическим центром. Для сравнения можно сказать, что в Германии метрологический центр был основан в 1887, в Англии – в 1900, в США – в 1901 г.

«Наука начинается … с тех пор, как начинают измерять», – в этом научном кредо Д.И. Менделеева выражен, по существу, важнейший принцип развития науки, который не утратил актуальности в современных условиях.

Д.И. Менделеев внес большой практический и научный вклад в развитие науки об измерениях. В 1860 г. он разработал прибор для определения плотности жидкости, названный пикнометром Менделеева. В 1865 г. создал оригинальный метод взвешивания при постоянной нагрузке, исключающий температурную погрешность и применяемый и поныне. В 1875 г. уточнил формулу Эйлера для расчета прецизионных лабораторных весов с максимальной чувствительностью. В 1873-1874 гг. предложил, независимо от Кельвина новую шкалу температур с «одной экспериментально реализуемой точкой». В 1889 г. было утверждено «Положение о мерах и весах», в котором узаконились русские эталоны аршина и фунта и были введены точные соотношения их с метрическими мерами. В этом Положении допускалось факультативно применение в России прогрессивной метрологической системы мер, внедрению которой Менделеев отдал много сил.

Менделеев первым выступил с трибуны съезда русских естество-испытателей с призывом содействовать подготовке метрической ре-формы путем употребления метрической системы в научных исследо-ваниях, на лекциях и уроках. Менделеев сказал тогда; «Облегчим же и на нашем скромном поприще возможность всеобщего распространения метрической системы и через то содействуем общей пользе и будущему желанному сближению народов. Не скоро, понемногу, но оно придет. Пойдем ему навстречу».

Работы Менделеева заложили прочный фундамент как для факультативного, так и для последующего обязательного внедрения метрической системы мер в нашей стране. Официально Россия перешла на метрическую систему в сентябре 1918 г.

В 1849 г. была издана первая научно-учебная книга Ф.И. Петрушевского «Общая метрология» (в двух частях), по которой учились первые поколения русских метрологов.

Важным этапом в развитии русской метрологии явилось подписание Россией метрической конвенции 20 мая 1875 г. В этом же году была создана Международная организация мер и весов (МОМВ), которая расположилась в г. Севре (близ Парижа, Франция). Ученые России активно принимали участие в работе этой организации.

Объекты измерений

Обычным объектом измерений являются физические величины, то есть какие-либо свойства физического объекта (предмета, процесса), например длина, масса, время, температура и др. Однако в последнее десятилетие кроме физических величин в прикладной метрологии начали использоваться так называемые нефизические дисциплины. Это связано с применением термина «измерение» в экономике, информатике, управлении качеством.

Бесконечное множество физических величин, окружающих нас, обладает бесконечным множеством различных качеств и свойств. Из этого огромного количества человек выделяет некоторое ограниченное число свойств, общих в качественном отношении для ряда однородных объектов и достаточных для их описания. В каждом таком качестве, в свою очередь, может быть выделено множество градаций. Если мы в состоянии установить размер градации, то есть величину данного свойства, и физически реализовать ее в виде меры или шкалы, то, сопоставив размер интересующего нас свойства объекта с такой мерой или со шкалой, мы получим его количественную оценку. Свойства, для которых могут быть установлены и воспроизведены градации определенного размера, называются физическими величинами.

Иначе говоря, физическая величина (physical quantity) – одно из свойств физического объекта (физической системы, явления или процесса) общее в качественном отношении для многих физических объектов, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них.

Качественная сторона понятия «физическая величина» определяет род величины (длина как характеристика протяженности вообще, электрическое сопротивление как общее свойство проводников электричества и т.п.), а количественная – ее размер (длина конкретного предмета, сопротивление конкретного проводника). Размер физической величины существует объективно, независимо от того, знаем мы его или не знаем.

Анализ существующих величин показывает, что они могут быть разделены на два вида: реальные и идеальные (рис. 2).

Рис. 2. Классификация величин

К нефизическим величинам относят те, которыми оперируют нефизические науки (философия, социология, экономика управления качеством и т.д.).

Нефизическая величина – величина нематериального размера, оцениваемая не инструментальными методами, а также величина размера нематериального объекта. Нефизическими величинами оценивают ум, знания, безопасность, привлекательность и т.п.

Для того, чтобы для каждого объекта можно было установить различия в количественном содержании свойства, отображаемого физической величиной, в метрологии введены понятия ее размераи значения.

Размер физической величины – количественная определенность физической величины, присущая конкретному материальному объекту, системе, явлению или процессу.

Значение физической величины (value of a quantity) – выражение размера физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц.

Единица измерения физической величины (unit of measurement) – физическая величина фиксированного размера, которой условно присвоено числовое значение, равное единице, и применяемое для количественного выражения однородных с ней физических величин.

В общем случае согласно классификации (рис. 2) все физические величины разделяют на измеряемые и оцениваемые. Измеряемые физические величины могут быть выражены количественно в виде определенного числа установленных единиц измерения физической величины, а оцениваемые – являются результатом выполнения операции оценивания. Оценивание проводят, когда невозможно сделать измерение: не выделена величина как физическая и не определена единица измерений этой величины, например интенсивность цвета.

Выявляя общие метрологические особенности отдельных групп физических величин, можно предложить их классификацию по следующим признакам (рис. 3):

1) по видам явлений (I группа): на вещественные, энергетические и характеризующие протекание процессов во времени;

2) по принадлежности к различным группам физических процессов (II группа): на пространственно-временные, механические, тепловые, электрические, акустические, световые, физико-химические, ионизирующих излучений, атомной и ядерной физики;

3) по степени условной независимости от других величин (III группа): на основные (условно независимые), производные (условно зависимые) и дополнительные;

4) по наличию (размерности) физических величин (IV группа): на имеющие размерность (размерные) и безразмерные.

Целью измерения и его конечным результатом является нахождение значения физической величины. Для достижения этой цели в метрологии используют понятия истинного и действительного значения физической величины.

Нахождение истинного значения измеряемой величиныявляется центральной проблемой метрологии.

ФИЗИЧЕСКИЕ ВЕЛИЧИНЫ

По видам явлений		По принадлеж-ности к различным группам физических процессов		По степени условий независмости от других величин		По наличию размерности физических величин
1. Вещественные (пассивные)		1. Пространствен-но-временные		1. Основные		1. Размерные
2. Энергетические (активные)		2. Механические		2. Производные		2. Безразмерные
3. Характе-ризующие процессы		3. Тепловые		3. Дополни-тельные
		4. Электрические и магнитные
		5. Акустические
		6. Световые
		7. Ионизирующих излучений
		8. Физико-хими-ческие
		9. Атомной и ядерной физики

Рис. 3. Классификация физических величин

Истинное значение физической величины (true value of a quantity) – это значение физической величины, которое идеальным образом характеризует в качественном и количественном отношении соответствующую физическую величину. Такое значение физической величины считается неизвестным и применяется в теоретических исследованиях. Значение физической величины, полученное экспериментальным путем и настолько близкое к истинному значению, что в поставленной измерительной задаче может быть использовано вместо него, называется действительным значением (conventional true value).

Как известно, существуют основные и производные физические величины. В качестве основных выбирают величины, которые характеризуют фундаментальные свойства материального мира. Механика базируется на трех основных величинах, теплотехника – на четырех, вся физика – на семи: длина, масса, время, термодинамическая температура, количество вещества, сила света, сила электрического тока, с помощью которых создается все многообразие производных физических величин и обеспечивается описание любых свойств физических объектов и явлений.

Основная физическая величина (base quantity) – физическая величина, входящая в систему величин и условно принятая в качестве независимой от других величин этой системы.

Производная физическая величина (derived quantity) – физическая величина, входящая в систему величин и определяемая через основные величины этой системы.

Формализованным отражением качественного различия измеряемых величин является их размерность. Согласно международному стандарту ИСО размерность основных величин – длины, массы и времени – обозначается соответствующими буквами:

dim l = L; dim m = M; dim t = T.

Размерность физической величины (dimension of a quantity) – выражение в форме степенного одночлена, составленного из произведений символов основных физических величин в различных степенях и отражающее связь данной физической величины с физическими величинами, принятыми в данной системе единиц за основные:

где L, M, T – размерности величин: длины, массы и времени, соответственно;

a, b, g – показатели размерности физических величин (показатели степени, в которую возведены размерности основных величин).

Каждый показатель размерности может быть положительным или отрицательным, целым, дробным или равным нулю. Если все показатели размерности равны нулю, то величина называется безразмерной.

Результатом измерения является получение информации о размере измеряемой физической величины.

Над размерностями можно проводить действия умножения, деления, возведения в степень и извлечение корня, при этом следует подчеркнуть, что одна и та же размерность может быть присуща величинам, имеющим разную качественную природу и различающимся между собой по форме определяющих их уравнений. Например, путь пройденный автомобилем и длина окружности в качественном отношении являются длинами, но определяются совершенно различными уравнениями.

Международная система единиц физических величин

Применяемая в настоящий момент Международная система единиц СИ (Systeme International d`Unitas - SI) утверждена в 1960 г. ХI Генеральной конференцией по мерам и весам (ГКМВ). На территории нашей страны система единиц СИ действует с 1 января 1982 г. в соответствии с ГОСТ 8.417- 2000 ГСИ. Единицы величин. По этой системе предусмотрено семь основных единиц и две дополнительные (табл.1).

- L - длина. Единица измерения – метр - длина пути, которую проходит свет в вакууме за 1/299 792 458 секунды;

- M - масса. Единица измерения – килограмм – масса, равная массе международного прототипа килограмма;

- T – время. Единица измерения – секунда – продолжительность 9192631770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133 при отсутствии возмущений со стороны внешних полей;

- I – сила электрического тока .Единица измерения – ампер – сила, неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 m один от другого, создает на каждом участке проводника длиной 1 m силу взаимодействия равную 2×10 -7 Н;

- q – термодинамическая температура. Единица измерения – кельвин (градус Кельвина до 1967 г.) – 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды;

- N – количество вещества . Единица измерения – моль– количество вещества системы, содержащее столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде ~ 12 массой 0,012 кг (при применении понятия моля структурные элементы должны быть специфицированы и могут быть атомами, молекулами, ионами и другими частицами);

- J – сила света . Единица измерения – кандела – сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540×10 12 Hz, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 W/sr (Вт/ср 2).

Таблица 1

Основные и дополнительные единицы системы SI

Величина	Единица
Наименование	Размер-ность	Наимено-вание	Обозначение
русское	международное
Основные
Длина	L	метр	м	m
Масса	М	кило-грамм	кг	kg
Время	Т	секунда	с	s
Сила электрического тока	I	ампер	А	F
Термодинамическая температура	q	кельвин	К	R
Количество вещества	N	моль	моль	mol
Сила света	J	кандела	кд	cd
Дополнительные
Плоский угол	-	радиан	рад	rad
Телесный угол	-	стерадиан	ср	cr

Сложность приведенных формулировок отражает развитие современной науки, позволяющей представить основные единицы, с одной стороны, как достоверные и точные, а с другой, как объяснимые и понятные для всех стран мира. Именно это и делает рассматриваемую систему подлинно международной.

В системе СИ в 1960 г. введены две дополнительные единицы для измерения плоского и телесного углов – радиан и стерадиан, соответственно.

Плоский угол. Единица измерения – радиан – угол между двумя радиусами окружности, длина дуги между которыми равна радиусу.

Телесный угол .Единица измерения – стерадиан – телесный угол с вершиной в центре сферы, вырезающий на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной, равной радиусу сферы.

Все остальные физические величины могут быть получены как производные основных. Например единица измерения силы – ньютон – это производная единица, образованная основными единицами – килограммом, метром и секундой. Используя второй закон Ньютона: (), находим размерность единицы измерения силы:

.

Производные единицы системы СИ, имеющие специальные наименования, также могут быть использованы для образования других производных единиц. Например паскаль – эта производная единица образована производными единицами – ньютоном и метром квадратным.

Единицы, не входящие в принятую систему носят название внесистемных и делятся на четыре вида:

Допускаемые наравне с единицами СИ (тонна, минута, градус, секунда, литр и т.д.);

Допускаемые к применению в специальных областях (в астрономии – парсек, световой год; в оптике – диоптрия; в физике – электрон-вольт и т.д.);

Временно допускаемые к применению наравне с единицами СИ (миля, карат и т. д.), но подлежащие изъятию из обращения;

Изъятые из употребления (миллиметр ртутного столба, лошадиная сила и т.д.).

Применение первой группы внесистемных единиц допускается в силу их удобства и распространенности в конкретных жизненных ситуациях (прошедшие проверку временем), например: тонна, атомная единица массы, час, градус и д.р. Вторую и третью группы составляют специфичные, традиционные для конкретной области своего применения, единицы (табл. 2).

Таблица 2

Внесистемные единицы физических величин

Наименование величины	Единица
Наименование	Обозначение	Соотношение с единицей СИ
Масса	тонна	т	10 3 кг
атомная единица массы	а.е.м.	1,66057×10 -27 кг (приблизительно)
Время	минута	мин	60 с
час	ч	3600 с
сутки	сут	86400 с
Плоский угол	градус	… о	(π/180) рад =1,745329….10 -2 рад
минута	…¢	(π/10800)рад = 2,908882...10 -4 рад
секунда	…²	(π/648000) рад = 4,8848137….10 -6 рад
град	град	(π/200) рад
Объем	литр	л	10 -3 м 3
Длина	Астрономическая единица	а.е.	1,45598·10 -11 м (приблизительно)
световой год	св.год	9,4605·10 -15 м (приблизительно)
парсек	пк	3,0857·10 -16 м (приблизительно)
Оптическая сила	диоптрия	дптр	1 м -1
Площадь	гектар	га	10 4 м 3
Энергия	электрон-вольт	эВ	1,60219·10 -19 Дж (приблизительно)
Полная мощность	вольт-ампер	В×А	-
Реактивная мощность	вар	вар	-

Для удобства применения единиц физических величин СИ приняты приставки для образования десятичных кратных и дольных (меньших) единиц, множители и приставки которых приведены в табл. 3.

Таблица 3

Множители и приставки для образования десятичных

кратных и дольных единиц и их наименования

Кратная единица – это единица физической величины, в целое число раз превышающая, а дольная – в целое число раз уменьшающая системную или внесистемную единицу.

Шкалы

В теории измерений принято, в основном, различать четыре типа шкал: наименований, порядка, интервалов и отношений (рис. 4).

Шкала физической величины - упорядоченная совокупность значений физической величины, служащая исходной основой для измерения данной величины. Она может быть представлена в общем случае совокупностью условных знаков, выстроенных определенным образом; при этом определенные знаки означают начало и конец шкалы, а интервалы между знаками характеризуют принятую градацию шкалы (цена деления, ширина спектра) и могут иметь цветовое и цифровое оформление.

Шкала наименований - это своего рода качественная, а не количественная шкала, она, не содержит нуля и единиц измерений. Примером может служить атлас цветов (шкала цветов). Процесс измерения заключается в визуальном сравнении окрашенного предмета с образцами цветов (эталонными образцами цветов).

ОЦЕНИВАНИЕ Измерение Рис. 4. Типы шкал

Поскольку каждый цвет имеет немало вариантов, такое сравнение под силу опытному эксперту, который обладает не только практическим опытом, но и соответствующими особыми характеристиками зрительных возможностей. При оценивании по шкале наименований объекту приписывают цифру или знак только с целью их идентификации или для нумерации классов. Такое приписывание цифр выполняет на практике ту же функцию, что и наименование.

Шкала порядка характеризует упорядочение объектов относительно какого-то определенного свойства, то есть расположение объектов в порядке убывания или возрастания данного свойства. Например шкала землятресений, шкала твердости физических тел и т.п. Полученный при этом упорядоченный ряд называют ранжированным рядом, а саму процедуру ранжированием.

По шкале порядка сравниваются между собой однородные объекты, у которых значение интересующих свойств неизвестны. Поэтому ранжированный ряд может дать ответ на вопросы типа - «Что больше (меньше)?» или, «Что лучше (хуже)?». Более подробную информацию (на сколько больше или меньше, во сколько раз хуже или лучше), шкала порядка дать не может. Очевидно, что назвать процедуру оценивания свойств объекта по шкале порядка измерением можно только с большой натяжкой. Результаты, полученные по шкале порядка, не могут подвергаться никаким арифметическим действиям.

Шкала интервалов. На шкале интервалов откладывается разность значений физической величины. Примерами шкал интервалов являются шкалы температур. На температурной шкале Цельсия за начало отсчета разности температур принята температура таяния льда. С ней сравниваются все другие температуры. Для удобства пользования шкалой интервал между температурой таяния льда и температурой кипения воды разделен на 100 равных интервалов – градусов. Шкала Цельсия распространяется как в сторону положительных, так и в сторонуотрицательных интервалов. Когда говорят, что температура воздуха равна 25 °С, это означает, что она на 25 °С выше температуры, принятой за нулевую отметку шкалы (выше нуля). На температурной шкале Фаренгейта тот же интервал разбит на 180 градусов. Следовательно, градус Фаренгейта по размеру меньше, чем градус Цельсия. Кроме того, начало отсчета интервалов на шкале Фаренгейта сдвинуто на 32 градуса в сторону низких температур, температура таяния льда по шкале Фаренгейта составляет 32 °F.

Деление шкалы интервалов на равные части-градации устанавливает единицу физической величины, что позволяет не только выразить результат измерения в числовой мере, но и оценить погрешность измерения.

Результаты измерений по шкале интервалов можно складывать друг с другом и вычитать друг из друга, то есть определять, насколько одно значение физической величины больше или меньше другого. Определить по шкале интервалов, во сколько раз одно значение величины больше или меньше другого, невозможно, поскольку на шкале не определено начало отсчета физической величины. Но в тоже время это может быть сделано в отношении интервалов (разностей). Так, разность температур 25 градусов в 5 раз больше разности температур 5 градусов.

Шкала отношений представляет собой интервальную шкалу с естественным нулевым началом, например температурная шкала Кельвина, шкала длины или шкала массы. Шкала отношений является самой совершенной и наиболее информативной. Результаты измерений по шкале отношений можно складывать между собой, вычитать, перемножать и делить.

Шкалы наименований и порядка называют неметрическими (концептуальными), а шкалы интервалов и отношений метрическими (материальными).

Практически шкалы измерений реализуются через стандартизацию как самих шкал единиц измерений, так, в необходимых случаях, способов и условий их однозначного воспроизведения.

Глава 2

ИЗМЕРЕНИЯ

Постулаты теории измерений

Метрология, как и любая другая наука, строится на ряде основополагающих постулатов, описывающих ее основные аксиомы. В настоящее время можно говорить о построении теоретического фундамента метрологии на основе нескольких общих свойств для всего многообразия любых физических объектов в виде формулировки следующих постулатов:

1) постулат α . В рамках принятой модели объекта исследования существует определенная измеряемая физическая величина и ее истинное значение;

2) постулат β. Истинное значение измеряемой величины постоянно;

3) постулатγ. Существует несоответствие измеряемой величины исследуемому свойству объекта.

При проведении измерений физически определяется расстояние между двумя точками, находящимися между фиксированными элементами измерительного инструмента. Каждому варианту стыковки измеряемой детали и измерительного инструмента будет соответствовать конкретный результат измерения. Исходя из этого, можно утверждать, что измеряемая величина существует лишь в рамках принятой модели, то есть имеет смысл только до тех пор, пока модель признается адекватной объекту.

Конкретная процедура выполнения измерений рассматривается как последовательность сложных и разнородных действий, состоящих из ряда этапов, которые могут существенно различаться по числу, виду и трудоемкости выполняемых операций. В каждом конкретном случае соотношение и значимость каждого из этапов могут заметно меняться, но четкое выделение этапов и осознанное выполнение необходимого и достаточного числа выполняемых действий измерения приводит к оптимизации процесса реализации измерений и устранению соответствующих методических ошибок. К числу основных этапов относятся следующие:

¨ постановка измерительной задачи;

¨ планирование измерений;

¨ проведение измерительного эксперимента;

¨ обработка экспериментальных данных.

Таблица 4

Этап	Содержание этапа
1. Постановка измерительной задачи	1.1. Сбор данных об условиях измерений и исследуемой физической величине. 1.2. Выбор конкретных величин, посредством которых будет находится значение измеряемой величины. 1.3. Формулировка уравнения измерения
2. Планирование измерений	2.1. Выбор методов измерений и возможных типов средств измерений. 2.2. Априорная оценка погрешности измерения 2.3. Определение требований к метрологической характеристике средств измерения и условий измерения. 2.4. Подготовка средств измерений. 2.5. Обеспечение требуемых условий измерений и создание возможности их контроля.
3. Проведение измерительного эксперимента	3.1. Взаимодействие средств объектов измерений. 3.2. Регистрация результата
4. Обработка экспериментальных данных	4.1. Предварительный анализ информации, полученной на предыдущих этапах измерения. 4.2. Вычисление и внесение возможных поправок на систематические погрешности. 4.3. Формулирование и анализ математической задачи обработки данных. 4.4. Проведение вычислений, в итоге которых получают значения измеряемой величины и погрешностей измерения. 4.5. Анализ и интерпретация полученных результатов. 4.6. Запись результатов измерений и показателей погрешности в соответствии с установленной формой представления

Качество подготовки измерения всегда зависит от того, в какой степени была получена и использована необходимая априорная информация. Ошибки, допущенные при подготовке измерений, с трудом обнаруживаются и корректируются на последующих этапах.

Виды и методы измерений

Для проведения измерительного эксперимента необходимы особые технические средства – средства измерений. Результатом измерения является оценка физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц.

Измерение физической величины (measurement) – совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающая нахождение соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой величины.

Несмотря на то, что измерения непрерывно развиваются и становятся все более сложными, метрологическая сущность остается неизменный и сводится к основному уравнению измерения:

Q = X[Q]

где Q – измеряемая величина;

X – числовое значение измеряемой величины в принятой единице измерения;

[Q] – выбранная для измерения единица.

В зависимости от того, на какие интервалы разбита шкала, один и тот же размер представляется по-разному. Допустим, измеряется длина отрезка прямой в 10 см с помощью линейки, имеющей деления в сантиметрах и миллиметрах.

Для первого случая Q 1 = 10 см при X 1 = 10 и = 1 см.

Для второго случая Q 2 = 100 ммпри X 2 = 100 и = 1 мм.

При этом Q 1 = Q 2 , так как 10 см = 100 мм.

Применение различных единиц в процессе измерения приводит только к изменению численного значения результата измерения.

Цель измерения – получение определенной физической величины в форме наиболее удобной для пользования. Любое измерение заключается в сравнении данной величины с некоторым ее значение, принятым за единицу сравнения. Такой подход выработан практикой измерений, исчисляемой сотнями лет. Еще великий математик Л.Эйлер утверждал: «Невозможно определить или измерить одну величину иначе как, приняв в качестве известной другую величину этого же рода и указав соотношение в котором они находятся».

Измерения как экспериментальные процедуры весьма разнообразны и классифицируются по разным признакам (рис.5).

В 50–60-е годы XX в. все чаще проявлялось стремление многих стран к созданию единой универсальной системы единиц, которая могла бы стать международной. В числе общих требований к основным и производным единицам выдвигалось требование когерентности такой системы единиц.

В 1954г. X Генеральная конференция по мерам и весам установила шесть основных единиц для международных сношений: метр, килограмм, секунда, ампер, градус Кельвина, свеча.

В 1960г. XI Генеральная конференция по мерам и весам утвердила Международную систему единиц , обозначаемую сокращенно SI (начальные буквы французского наименования Systeme International d Unites), в русской транскрипции – СИ .

В результате некоторых видоизменений, принятых Генеральными конференциями по мерам и весам в 1967, 1971, 1979 годах, в настоящее время система включает семь основных единиц (табл. 3.3.1).

Таблица 3.3.1

Основные и дополнительные единицы физических величин системы СИ

Величина	Единица
	Обозначение
Наименование	Размерность	Рекомендуемое обозначение	Наименование	русское	международное
Длина	Основные
L		метр	м	m
Масса	М	m	килограмм	кг	kg
Время	Т	t	секунда	с	s
Сила электрического тока	I	I	ампер	А	А
Термодинамическая температура	Q	Т	кельвин	К	К
Количество вещества	N	n, v	моль	моль	mol
Сила света	J	J	канделла	кд	cd
Плоский угол	Дополнительные
-	-	радиан	рад	rad
Телесный угол	-	-	стерадиан	ср	sr

На территории нашей страны система единиц СИ действует с 1 января 1982г . в соответствии с ГОСТ 8.417–81. Система СИ является логическим развитием предшествовавших ей систем единиц СГС и МКГСС и др.

Определение и содержание основных единиц СИ.

В соответствии с решениями Генеральной конференции по мерам и весам (ГКМВ), принятыми в разные годы, в настоящее время действуют следующие определения основных единиц СИ.

Единица длины – метр – длина пути, проходимого светом в вакууме за 1/299792458 доли секунды (решение XVII ГКМВ в 1983г.).

Единица массы – килограмм – масса, равная массе международного прототипа килограмма (решение I ГКМВ в 1889 г.).

Единица времени – секунда – продолжительность 9192631770 периодов излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133, не возмущенного внешними полями (решение XIII ГКМВ в 1967 г.).

Единица силы электрического тока – ампер – сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным проводникам бесконечной длины и ничтожно малого кругового сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, создал бы между этими проводниками силу, равную 2 10 -7 Н на каждый метр длины (одобрено IX ГКМВ в 1948 г.).

Единица термодинамической температуры – кельвин (до 1967г. имел наименование градус Кельвина) – 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды. Допускается выражение термодинамической температуры в градусах Цельсия (резолюция XIII ГКМВ в 1967г.).

Единица количества вещества – моль – количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько атомов содержится в нуклиде углерода-12 массой 0,012кг (резолюция XIV ГКМВ в 1971г.).

Единица силы света – кандела – сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540 10 12 Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср (резолюция XVI ГКМВ в 1979г.).

Лекция 4.

Обеспечение единства измерений

Единство измерений

При проведении измерений необходимо обеспечить их единство. Под единством измерений понимается характеристика качества измерений, заключающаяся в том, что их результаты выражаются в узаконенных единицах, размеры которых в установленных пределах равны размерам воспроизведенных величин, а погрешности результатов измерений известны с заданной вероятностью и не выходят за установленные пределы .

Понятие "единство измерений" довольно емкое. Оно охватывает важнейшие задачи метрологии: унификацию единиц ФВ, разработку систем воспроизведения величин и передачи их размеров рабочим средствам измерений с установленной точностью и ряд других вопросов. Единство измерений должно обеспечиваться при любой точности, необходимой науке и технике. На достижение и поддержание на должном уровне единства измерений направлена деятельность государственных и ведомственных метрологических служб, проводимая в соответствии с установленными правилами, требованиями и нормами.

На государственном уровне деятельность по обеспечению единства измерений регламентируется стандартами Государственной системы обеспечения единства измерений (ГСИ) или нормативными документами органов метрологической службы.

Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ) – комплекс установленных стандартами взаимоувязанных правил, положений, требований и норм, определяющих организацию и методику приведения работ по оценке и обеспечению точности измерений.

Правовой основой обеспечения единства измерений служит законодательная метрология, которая представляет собой свод государственных законов (Закон РФ «Об обеспечении единства измерений»), актов и нормативно-технических документов различного уровня, регламентирующих метрологические правила, требования и нормы.

Технической основой ГСИ являются:

1. Система (совокупность) государственных эталонов единиц и шкал физических величин – эталонная база страны.

2. Система передачи размеров единиц и шкал физических величин от эталонов ко всем СИ с помощью эталонов и других средств поверки.

3. Система разработки, постановки на производство и выпуска в обращение рабочих СИ, обеспечивающих исследования, разработки, определение с требуемой точностью характеристик продукции, технологических процессов и других объектов.

4. Система государственных испытаний СИ (утверждение типа СИ), предназначенных для серийного или массового производства и ввоза из-за границы партиями.

5. Система государственной и ведомственной метрологической аттестации, поверки и калибровки СИ.

6. Система стандартных образцов состава и свойств веществ и материалов, Система стандартных справочных данных о физических константах и свойствах веществ и материалов.

Колчков В.И. МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ. М.:Учебное пособие

3. Метрология и технические измерения

3.3. Международная система единиц физических величин

Согласованная Международная система единиц физических величин была принята в 1960 г. XI Генеральной конференцией по мерам весам. Международная система - СИ (SI), SI - начальные буквы французского наименования Systeme International . В системе предусмотрен перечень из семи основных единиц: метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, кандела, моль и двух дополнительных: радиан, стерадиан, а также даны приставки для образования кратных и дольных единиц.

3.3.1 Основные единицы СИ

• Метр равен длине пути, проходимого светом в вакууме за 1/299.792.458 долю секунды.
• Килограмм равен массе международного прототипа килограмма.
• Секунда равна 9.192.631.770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия-133.
• Ампер равен силе не изменяющегося во времени электрического тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового сечения, расположенным на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, вызывает на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2 10 в минус 7-ой степени Н.
• Кельвин равен 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды.
• Моль равен количеству вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0.012 кг.
• Кандела равна силе света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540 10 в 12-ой степени Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср.

Таблица 3.1. Основные и дополнительные единицы СИ

Основные единицы СИ
Величина		Обозначение
Наименование	Наименование		международное
	килограмм
Сила электрического тока I
Термодинамическая температура
Сила света
Количество вещества
Производные единицы СИ
Величина		Обозначение
Наименование	Наименование		международное
Плоский угол
Телесный угол	стерадиан

3.3.2. Производные единицы СИ

Производные единицы Международной системы единиц образуются с помощью простейших уравнений между физическими величинами, в которых числовые коэффициенты равны единице. Например, для определения размерности линейной скорости воспользуемся выражением для скорости равномерного прямолинейного движения. Если длина пройденного пути - v = l/t (м), а время, за которое этот путь пройден - t (с), то скорость получается в метрах в секунду (м/с). Следовательно, единица скорости СИ - метр в секунду - это скорость прямолинейно и равномерно движущейся точки, при которой она за время 1 с перемещается на расстояние 1 м. Аналогично образуются и другие единицы, в т.ч. с коэффициентом не равным единице.

Таблица 3.2. Производные единицы СИ (см. также табл. 3.1)

Производные единицы СИ, имеющие собственные наименования
Наименование			Выражение производной единицы через единицы СИ
Величина	Наименование	Обозначение	другие ед.	осн. и доп. ед.
				с–1
				м кг с–2
Давление			Н/м2	м–1 кг с–2
Энергия, работа,				м2 кг с–2
Мощность				м2 кг с–3
Электр. заряд
Электр.потенциал				м2 кг с–3 А–1
Электр. емкость				м–2 кг–1 с4 А2
Эл..сопротивление				м2 кг с–3 А–2
Электрическая проводимость				м–2 кг–1 с3 А2
Поток магнитной индукции				м2 кг с–2 А–1