Sistema di misurazione SI: storia, scopo, ruolo in fisica
La storia umana ha diverse migliaia di anni, e nelle varie fasi del suo sviluppo quasi ogni nazione ha utilizzato alcuni dei suoi sistemi di riferimento convenzionali. Ora il Sistema internazionale di unità (SI) è diventato obbligatorio per tutti i paesi.
Il sistema contiene sette unità di misura di base: secondo - tempo, metro - lunghezza, chilogrammo - massa, ampere - intensità della corrente elettrica, kelvin - temperatura termodinamica, candela - intensità della luce e mole - quantità di sostanza. Ci sono due unità aggiuntive: il radiante per un angolo piatto e lo steradiante per un angolo solido.
SI deriva dal francese Systeme Internationale e sta per International System of Units.
Come viene determinato il contatore
Nel XVII secolo, con lo sviluppo della scienza in Europa, si cominciarono a sentire sempre più spesso appelli per l'introduzione di una misura universale o metro cattolico. Sarebbe una misura decimale basata sull'evento naturale e indipendente dalla decisione dell'autorità. Una tale misura sostituirebbe i molti diversi sistemi di misure allora esistenti.
Il filosofo britannico John Wilkins propose di prendere la lunghezza del pendolo come unità di lunghezza, il cui semiperiodo sarebbe uguale a un secondo. Tuttavia, a seconda della posizione di misurazione, il valore non era lo stesso. L'astronomo francese Jean Richet ha stabilito questo fatto durante un viaggio in Sud America (1671-1673).
Nel 1790, il ministro Talleyrand propose di misurare la longitudine di riferimento ponendo il pendolo a una latitudine rigorosamente fissa tra Bordeaux e Grenoble — 45° di latitudine nord. Di conseguenza, l'8 maggio 1790, l'Assemblea nazionale francese decise che il metro è la lunghezza di un pendolo con semiperiodo a 45° di latitudine pari a 1 s. Secondo l'odierno SI, questo metro sarebbe pari a 0,994 m.Tuttavia, questa definizione non si adatta bene alla comunità scientifica.
Il 30 marzo 1791, l'Accademia francese delle scienze accettò la proposta di definire uno standard di misurazione come parte del meridiano di Parigi. La nuova unità doveva essere un decimilionesimo della distanza dall'equatore al Polo Nord, cioè un decimilionesimo di un quarto della circonferenza della terra, misurata lungo il meridiano di Parigi. Questo divenne noto come il "metro vero e definitivo".
Il 7 aprile 1795, la Convenzione nazionale approvò una legge che introduceva il sistema metrico in Francia e incaricò i commissari, compreso il cap. O.Coulomb, J.L. Lagrange, P.-S. Laplace e altri scienziati determinarono sperimentalmente le unità di lunghezza e massa.
Nel periodo dal 1792 al 1797, per decisione della convenzione rivoluzionaria, gli scienziati francesi Delambre (1749-1822) e Mechen (1744-1804) misurarono lo stesso arco del meridiano di Parigi con una lunghezza di 9 ° 40 'da Dunkerque a Barcellona in 6 anni, posando una catena di 115 triangoli in tutta la Francia e parte della Spagna.
Tuttavia, in seguito si è scoperto che a causa di un calcolo errato della compressione polare terrestre, lo standard si è rivelato più corto di 0,2 mm. Pertanto, la lunghezza del meridiano di 40.000 km è solo approssimativa. Tuttavia, il primo prototipo del metro standard in ottone fu realizzato nel 1795. Va notato che l'unità di massa (il chilogrammo, la cui definizione si basa sulla massa di un decimetro cubo d'acqua) è legata anche alla definizione del metro.
La storia della formazione del sistema SI
Il 22 giugno 1799 in Francia furono realizzati due standard di platino, il metro standard e il chilogrammo standard. Questa data può essere giustamente considerata il giorno dell'inizio dello sviluppo dell'attuale sistema SI.
Nel 1832 Gauss creò il cosiddetto Sistema assoluto di unità, prendendo come base tre unità: l'unità di tempo è il secondo, l'unità di lunghezza è il millimetro e l'unità di massa è il grammo, perché usando queste particolari unità lo scienziato è stato in grado di misurare il valore assoluto del campo magnetico terrestre (questo sistema ha preso il nome SGS Gauss).
Negli anni '60 dell'Ottocento, sotto l'influenza di Maxwell e Thomson, fu formulato il requisito che le unità base e derivate dovessero essere compatibili tra loro. Di conseguenza, nel 1874 fu introdotto il sistema CGS, con prefissi distribuiti anche per denotare sottoinsiemi e multipli di unità da micro a mega.
Nel 1875, rappresentanti di 17 paesi, tra cui Russia, Stati Uniti, Francia, Germania, Italia, firmarono la Convenzione metrica, secondo la quale fu istituito l'Ufficio internazionale delle misure, il Comitato internazionale delle misure e iniziò a funzionare una convenzione regolare. Conferenza Generale su Pesi e Misure (GCMW)… Allo stesso tempo, sono iniziati i lavori per lo sviluppo di uno standard internazionale per il chilogrammo e uno standard per lo strumento di misura.
Nel 1889 alla prima conferenza del GKMV, Sistema ISSbasate su metro, chilogrammo e secondo, come il CGS, tuttavia, le unità della ISS sembravano più accettabili per la comodità dell'uso pratico. L'ottica e le unità elettriche saranno introdotte successivamente.
Nel 1948, per ordine del governo francese e dell'Unione Internazionale di Fisica Teorica e Applicata, la Nona Conferenza Generale dei Pesi e delle Misure impartì al Comitato Internazionale dei Pesi e delle Misure un'istruzione di proporre, al fine di unificare il sistema di unità di misurazione, le sue idee per creare un unico sistema di unità di misura che possa essere accettato da tutti i paesi - parti della Convenzione metrica.
Di conseguenza, le seguenti sei unità furono proposte e adottate al decimo GCMW nel 1954: metro, chilogrammo, secondo, ampere, kelvin e candela. Nel 1956, il sistema è stato denominato «Systeme International d'Unities» - il sistema internazionale di unità.
Nel 1960 fu adottato uno standard, che per la prima volta fu chiamato «Sistema Internazionale di Unità» e fu assegnato l'abbreviazione «SI» (SI).
Le unità di base sono rimaste le stesse sei unità: metro, chilogrammo, secondo, ampere, kelvin e candela, due unità aggiuntive (radiante e steradiante) e ventisette derivate più importanti, senza specificare a priori altre unità derivate che potrebbero essere aggiunte da - tardi. (L'abbreviazione in russo "SI" può essere decifrata come "Sistema internazionale").
Tutte queste sei unità di base, sia unità aggiuntive che ventisette unità derivate più importanti, coincidevano completamente con le corrispondenti unità di base, aggiuntive e derivate adottate a quel tempo negli standard statali dell'URSS per le unità di misura per ISS, MKSA, МКСГ e Sistemi MSS.
Nel 1963 in URSS, secondo GOST 9867-61 «Sistema internazionale di unità», SI è accettato come preferito per i settori dell'economia nazionale, della scienza e della tecnologia e per l'insegnamento nelle istituzioni educative.
Nel 1968, al tredicesimo GKMV, l'unità "grado Kelvin" fu sostituita da "kelvin" e fu adottata anche la designazione "K". Inoltre, è stata adottata una nuova definizione di secondo: un secondo è un intervallo di tempo pari a 9.192.631.770 periodi di radiazione corrispondente alla transizione tra due livelli iperfini dello stato quantico fondamentale dell'atomo di cesio-133. Nel 1997 sarebbe stato adottato un chiarimento che questo intervallo di tempo si riferisce all'atomo di cesio-133 a riposo a 0 K.
Nel 1971, un'altra unità di base «mol» è stata aggiunta a 14 GKMV - un'unità per la quantità di sostanza. Una mole è la quantità di materia in un sistema contenente tanti elementi strutturali quanti sono gli atomi di carbonio-12 del peso di 0,012 kg. Quando si utilizza una mole, gli elementi strutturali devono essere specificati e possono essere atomi, molecole, ioni, elettroni e altre particelle o gruppi di particelle specificati.
Nel 1979, la 16a CGPM ha adottato una nuova definizione della candela. La candela è l'intensità luminosa in una data direzione di una sorgente che emette radiazione monocromatica con una frequenza di 540 × 1012 Hz, la cui intensità luminosa in quella direzione è 1/683 W/sr (watt per steradiante).
Nel 1983 è stata data una nuova definizione al contatore di 17 GKMV.Un metro è la distanza percorsa dalla luce nel vuoto in (1/299.792.458) secondi.
Nel 2009 il governo della Federazione Russa ha approvato il "Regolamento sulle unità di misura consentite per l'uso nella Federazione Russa" e nel 2015 sono state apportate modifiche per escludere il "periodo di validità" di alcune unità non di sistema.
I principali vantaggi del sistema SI sono i seguenti:
1. Unificazione di unità di grandezze fisiche per diversi tipi di misurazione.
Il sistema SI consente a qualsiasi quantità fisica trovata in diversi campi della tecnologia di avere un'unità comune per loro, ad esempio, il joule per tutti i tipi di lavoro e la quantità di calore invece delle diverse unità attualmente utilizzate per questa quantità (chilogrammo - forza - metro, erg, calorie, wattora, ecc.).
2. L'universalità del sistema.
Le unità SI coprono tutti i rami della scienza, della tecnologia e dell'economia nazionale, escludendo la necessità dell'uso di altre unità e rappresentano generalmente un unico sistema comune a tutte le aree di misura.
3. Connettività (coerenza) del sistema.
In tutte le equazioni fisiche che definiscono le unità di misura risultanti, il fattore di proporzionalità è sempre una quantità adimensionale uguale all'unità.
Il sistema SI consente di semplificare notevolmente le operazioni di risoluzione di equazioni, esecuzione di calcoli e stesura di grafici e nomogrammi, poiché non è necessario utilizzare un numero significativo di fattori di conversione.
4. L'armonia e la coerenza del sistema SI facilita notevolmente lo studio delle leggi fisiche e il processo pedagogico nello studio delle discipline scientifiche generali e speciali, nonché la derivazione di varie formule.
5.I principi di costruzione del sistema SI offrono l'opportunità di formare nuove unità derivate secondo necessità, e quindi l'elenco delle unità di questo sistema è aperto a ulteriori espansioni.
Lo scopo del sistema SI e il suo ruolo in fisica
Ad oggi, il sistema internazionale delle grandezze fisiche SI è stato accettato in tutto il mondo ed è utilizzato più di altri sistemi sia nella scienza e nella tecnologia che nella vita quotidiana delle persone: è una versione moderna del sistema metrico.
La maggior parte dei paesi utilizza le unità SI nella tecnologia, anche se utilizza le unità tradizionali per quei territori nella vita di tutti i giorni. Negli Stati Uniti, ad esempio, le unità abituali sono definite come unità SI utilizzando coefficienti fissi.
La quantità Designazione Nome russo Russo internazionale Angolo piatto radiante felice rad Angolo solido steradiante Mer Mer Temperatura in gradi Celsius in Celsius OS OS Frequenza hertz Hz Hz Forza Newton Z n Energia joule J J Potenza watt W W Pressione pascal Pa Pa Flusso luminoso lumen lm lm Illuminazione lux OK lx Carica elettrica pendente CL ° C Differenza di potenziale volt V V Resistenza ohm Ohm R Capacità elettrica farad F F Flusso magnetico Weber Wb Wb Induzione magnetica Tesla T T Induttanza Henry Mr. H Conducibilità elettrica Siemens Cm C Attività di una sorgente radioattiva becquerel Bq Bq Dose di radiazione ionizzante assorbita gray Gr Gy Dose efficace di radiazione ionizzante sievert Sv Sv Attività del catalizzatore rotolato cat cat
Una descrizione esaustivamente dettagliata del sistema SI in forma ufficiale è data nel SI Booklet, pubblicato dal 1970, e nel suo supplemento; questi documenti sono pubblicati sul sito ufficiale dell'Ufficio internazionale dei pesi e delle misure. Dal 1985questi documenti sono emessi in inglese e francese e sono sempre tradotti in diverse lingue nel mondo, anche se la lingua ufficiale del documento è il francese.
La precisa definizione ufficiale del sistema SI è la seguente: "Il Sistema Internazionale di Unità (SI) è un sistema di unità basato sul Sistema Internazionale di Unità, insieme a nomi e simboli, e un insieme di prefissi e loro nomi e simboli unitamente alle norme per il loro utilizzo adottate dalla Conferenza generale dei pesi e delle misure (CGPM) «.
Il sistema SI è definito da sette unità di base di grandezze fisiche e loro derivate, nonché prefissi ad esse, regolate dalle abbreviazioni standard delle designazioni di unità e dalle regole per scrivere le derivate. Ci sono sette unità di base come prima: chilogrammo, metro, secondo, ampere, kelvin, mole, candela. Le unità di base sono indipendenti dalle dimensioni e non possono essere derivate da altre unità.
Per quanto riguarda le unità derivate, si possono ottenere sulla base di quelle di base, eseguendo operazioni matematiche come la divisione o la moltiplicazione. Alcune delle unità risultanti, come "radiante", "lumen", "pendente", hanno i propri nomi.
È possibile utilizzare un prefisso prima del nome dell'unità, ad esempio millimetro — millesimo di metro e chilometro — mille metri. Il prefisso significa che uno deve essere diviso o moltiplicato per un numero intero che è una specifica potenza di dieci.