מערכת מדידת SI - היסטוריה, מטרה, תפקיד בפיזיקה
ההיסטוריה האנושית היא בת כמה אלפי שנים, ובשלבים שונים של התפתחותה כמעט כל אומה השתמשה בכמה ממערכות ההתייחסות הקונבנציונליות שלה. כעת הפכה מערכת היחידות הבינלאומית (SI) לחובה עבור כל המדינות.
המערכת מכילה שבע יחידות מדידה בסיסיות: שנייה - זמן, מטר - אורך, קילוגרם - מסה, אמפר - חוזק זרם חשמלי, קלווין - טמפרטורה תרמודינמית, קנדלה - עוצמת האור ושומה - כמות החומר. ישנן שתי יחידות נוספות: הרדיאן לזווית שטוחה והסטרדיאן לזווית מוצקה.
SI מגיע מ-Systeme Internationale הצרפתית ומייצג את ה-International System of Units.
כיצד נקבע המונה
במאה ה-17, עם התפתחות המדע באירופה, החלו להישמע לעתים קרובות יותר ויותר קריאות להכנסת מידה אוניברסלי או מטר קתולי. זה יהיה מדד עשרוני המבוסס על האירוע הטבעי ובלתי תלוי בהחלטת בעל הסמכות. אמצעי כזה יחליף את מערכות המידות הרבות והשונות שהיו אז.
הפילוסוף הבריטי ג'ון וילקינס הציע לקחת את אורך המטוטלת כיחידת אורך, שחצי התקופה שלה תהיה שווה לשנייה אחת. עם זאת, בהתאם למיקום המדידה, הערך לא היה זהה. האסטרונום הצרפתי ז'אן ריצ'ט קבע עובדה זו במהלך טיול בדרום אמריקה (1671 - 1673).
בשנת 1790 הציע השר טאלייראנד למדוד את קו האורך על ידי הצבת המטוטלת בקו רוחב קבוע בין בורדו וגרנובל - קו רוחב 45 מעלות צפון. כתוצאה מכך, ב-8 במאי 1790 החליטה האסיפה הלאומית הצרפתית שהמטר הוא אורך של מטוטלת עם חצי תקופה בקו רוחב 45° השווה ל-1 ש'. לפי ה-SI של היום, מטר זה יהיה שווה ל-0.994 מ'. עם זאת, הגדרה זו אינה מתיישבת עם הקהילה המדעית.
ב-30 במרץ 1791, האקדמיה הצרפתית למדעים קיבלה את ההצעה להגדיר תקן מדידה כחלק ממרידיאן פריז. היחידה החדשה הייתה אמורה להיות עשר מיליון מהמרחק מקו המשווה לקוטב הצפוני, כלומר, עשרת מיליון מרבע מהיקף כדור הארץ, הנמדד לאורך קו האורך של פריז. זה נודע כ"מטר נכון וסופי".
ב-7 באפריל 1795 העבירה האמנה הלאומית חוק המכניס את השיטה המטרית בצרפת והורתה לנציבים, כולל צ'. O. Colomb, J.L. Lagrange, P.-S. לפלס ומדענים אחרים קבעו בניסוי את יחידות האורך והמסה.
בתקופה שבין 1792 ל-1797, על פי החלטת האמנה המהפכנית, מדדו המדענים הצרפתים דלאמברה (1749-1822) ומכן (1744-1804) את אותה קשת של קו האורך של פריז באורך של 9°40' מדנקרק ועד ברצלונה בעוד 6 שנים, מניחה שרשרת של 115 משולשים ברחבי צרפת וחלק מספרד.
אולם מאוחר יותר התברר שבשל חישוב שגוי של הדחיסה הקוטבית של כדור הארץ התברר שהתקן קצר ב-0.2 מ"מ. לפיכך, אורך המרידיאן של 40,000 ק"מ הוא משוער בלבד. עם זאת, אב הטיפוס הראשון של מד הפליז הסטנדרטי נוצר בשנת 1795. יש לציין כי יחידת המסה (הקילוגרם, שהגדרתו מבוססת על מסה של דצימטר מעוקב אחד של מים) קשורה גם היא להגדרת ה- מטר.
ההיסטוריה של היווצרות מערכת SI
ב-22 ביוני 1799 יוצרו בצרפת שני תקני פלטינה - המטר הסטנדרטי והקילוגרם הסטנדרטי. תאריך זה יכול להיחשב בצדק ליום תחילת הפיתוח של מערכת ה-SI הנוכחית.
בשנת 1832, גאוס יצר את מה שנקרא מערכת אבסולוטית של יחידות, המתייחסת לשלוש היחידות הבסיסיות: יחידת הזמן היא השנייה, יחידת האורך היא המילימטר, ויחידת המסה היא הגרם, מכיוון שבאמצעות היחידות המסוימות הללו, המדען הצליח למדוד את הערך המוחלט של השדה המגנטי של כדור הארץ (מערכת זו קיבלה את השם SGS גאוס).
בשנות ה-60, בהשפעת מקסוול ותומסון, נוסחה הדרישה שיחידות בסיס ויחידות נגזרות חייבות להיות תואמות זו לזו. כתוצאה מכך, מערכת CGS הוצגה בשנת 1874, עם קידומות שהופצו גם לציון תת-קבוצות וכפולות של יחידות ממיקרו עד מגה.
בשנת 1875 חתמו נציגי 17 מדינות, ביניהן רוסיה, ארצות הברית, צרפת, גרמניה, איטליה, על האמנה המטרית, שלפיה הוקמה הלשכה הבינלאומית למידות, ועדת האמצעים הבינלאומית והחלה לפעול ועידה רגילה. ועידה כללית על משקלים ומידות (GCMW)... במקביל החלה העבודה לפיתוח תקן בינלאומי לקילוגרם ותקן למכשיר המדידה.
בשנת 1889 בוועידה הראשונה של ה-GKMV, מערכת ISSעם זאת, בהתבסס על מטר, קילוגרם ושני, כמו ה-CGS, יחידות ה-ISS נראו מקובלות יותר בשל נוחות השימוש המעשית. אופטיקה ויחידות חשמל יוצגו בהמשך.
בשנת 1948, בפקודת ממשלת צרפת והאיגוד הבינלאומי לפיזיקה תיאורטית ויישומית, הועידה הכללית התשיעית למשקלים ומידות הוציאה הוראה לוועדה הבינלאומית למשקלים ולמידות להציע, על מנת לאחד את מערכת היחידות של מדידה, רעיונותיו ליצור מערכת אחת של יחידות מדידה שיכולות להתקבל על ידי כל המדינות - צדדים לאמנה המטרית.
כתוצאה מכך, שש היחידות הבאות הוצעו ואומצו ב-GCMW העשירי ב-1954: מטר, קילוגרם, שני, אמפר, קלווין וקנדלה. בשנת 1956 קיבלה המערכת את השם «Systeme International d'Unities» - מערכת היחידות הבינלאומית.
בשנת 1960, אומץ תקן, אשר נקרא לראשונה "מערכת היחידות הבינלאומית" וקיבל את הקיצור. «SI» (SI).
היחידות הבסיסיות נותרו אותן שש יחידות: מטר, קילוגרם, שניה, אמפר, קלווין וקנדלה, שתי יחידות נוספות (רדיאן וסטרדיאן) ועשרים ושבע הנגזרות החשובות ביותר, מבלי לציין מראש יחידות נגזרות אחרות שניתן להוסיף על ידי - מאוחר. (ניתן לפענח את הקיצור ברוסית "SI" כ"מערכת בינלאומית").
כל שש היחידות הבסיסיות הללו, הן יחידות נוספות והן עשרים ושבע היחידות הנגזרות החשובות ביותר, תאמו לחלוטין את היחידות הבסיסיות, הנוספות והנגזרות המקבילות שאומצו באותה תקופה בתקני מדינת ברית המועצות ליחידות מדידה עבור ISS, MKSA, МКСГ ו מערכות MSS.
בשנת 1963 בברית המועצות, לפי GOST 9867-61 «מערכת בינלאומית של יחידות», SI מקובל כמועדף לתחומי הכלכלה הלאומית, במדע וטכנולוגיה ולהוראה במוסדות חינוך.
בשנת 1968, ב-GKMV השלוש עשרה, הוחלפה היחידה "תואר קלווין" ב"קלווין", וכן אומץ הכינוי "K". בנוסף, אומצה הגדרה חדשה של שנייה: שנייה היא מרווח זמן השווה ל-9,192,631,770 תקופות קרינה המקבילות למעבר בין שתי רמות היפר-דקות של המצב הקוונטי הקרקעי של אטום צזיום-133. בשנת 1997, יאומץ הבהרה כי מרווח זמן זה מתייחס לאטום צסיום-133 במנוחה ב-0 K.
בשנת 1971 נוספה יחידה בסיסית נוספת «מול» ל-14 GKMV - יחידה לכמות החומר. שומה היא כמות החומר במערכת המכילה אלמנטים מבניים רבים כמו שיש אטומים בפחמן-12 במשקל 0.012 ק"ג. כאשר משתמשים בשומה, יש לציין את היסודות המבניים ויכולים להיות אטומים, מולקולות, יונים, אלקטרונים וחלקיקים אחרים או קבוצות מסוימות של חלקיקים.
בשנת 1979, ה-CGPM ה-16 אימץ הגדרה חדשה של הקנדלה. הקנדלה היא עוצמת האור בכיוון נתון של מקור הפולט קרינה מונוכרומטית בתדר של 540 × 1012 הרץ, שעוצמת האור שלו בכיוון זה היא 1/683 W/sr (ואט לסטרדיאן).
ב-1983 ניתנה הגדרה חדשה לדלפק של 17 GKMV.מטר הוא אורך הנתיב שעבר האור בוואקום (1/299,792,458) שניות.
בשנת 2009 אישרה ממשלת הפדרציה הרוסית את "תקנה על יחידות מדידה המותרות לשימוש בפדרציה הרוסית", ובשנת 2015 בוצעו בה תיקונים כדי לא לכלול את "תקופת התוקף" של חלק מהיחידות שאינן מערכתיות.
היתרונות העיקריים של מערכת SI הם הבאים:
1. איחוד יחידות של כמויות פיזיקליות לסוגי מדידה שונים.
מערכת ה-SI מאפשרת לכל כמות פיזיקלית שנמצאת בתחומי טכנולוגיה שונים להיות יחידה אחת משותפת עבורם, למשל, הג'ול לכל סוגי העבודה וכמות החום במקום היחידות השונות המשמשות כיום עבור כמות זו (קילוגרם - כוח - מטר, ארג, קלוריה, וואט שעה וכו').
2. האוניברסליות של המערכת.
יחידות SI מכסות את כל ענפי המדע, הטכנולוגיה והכלכלה הלאומית, למעט הצורך בשימוש ביחידות אחרות ובדרך כלל מייצגות מערכת אחת המשותפת לכל תחומי המדידה.
3. קישוריות (קוהרנטיות) של המערכת.
בכל המשוואות הפיזיקליות שמגדירות את יחידות המדידה המתקבלות, גורם המידתיות הוא תמיד כמות חסרת ממד השווה לאחדות.
מערכת SI מאפשרת לפשט משמעותית את פעולות פתרון משוואות, ביצוע חישובים ושרטוט גרפים ונומוגרמות, שכן אין צורך להשתמש במספר לא מבוטל של מקדמי המרה.
4. ההרמוניה והקוהרנטיות של מערכת ה-SI מקלה מאוד על חקר החוקים הפיזיקליים ועל התהליך הפדגוגי בחקר דיסציפלינות מדעיות ומיוחדות כלליות, כמו גם גזירת נוסחאות שונות.
5.עקרונות הבנייה של מערכת SI מספקים הזדמנות ליצור יחידות נגזרות חדשות לפי הצורך, ולכן רשימת היחידות של מערכת זו פתוחה להרחבה נוספת.
מטרת מערכת ה-SI ותפקידה בפיזיקה
עד כה, המערכת הבינלאומית של הכמויות הפיזיקליות SI התקבלה בכל העולם ונמצאת בשימוש יותר ממערכות אחרות הן במדע והן בטכנולוגיה והן בחיי היומיום של אנשים - זוהי גרסה מודרנית של המערכת המטרית.
רוב המדינות משתמשות ביחידות SI בטכנולוגיה, גם אם הן משתמשות ביחידות מסורתיות עבור אותם טריטוריות בחיי היומיום. בארצות הברית, למשל, יחידות מקובלות מוגדרות כיחידות SI תוך שימוש במקדמים קבועים.
הכמות כינוי שם רוסי רוסי בינלאומי זווית שטוחה radian glad rad זווית מוצקה סטרדיאן רביעי רביעי טמפרטורת בצלזיוס מעלות בצלזיוס OS OS תדר הרץ הרץ הרץ כוח ניוטון Z n אנרגיה ג'ול J J הספק וואט W W לחץ פסקל Pa Pa שטף אור לומן lm lm תאורה לוקס OK lx תליון מטען חשמלי CL ° C הפרש פוטנציאלי וולט V V התנגדות ohm Ohm R קיבולת חשמלית farad F F שטף מגנטי Weber Wb Wb אינדוקציה מגנטית Tesla T T השראות Henry Mr. H מוליכות חשמלית Siemens Cm C פעילות של מקור רדיואקטיבי becquerel Bq Bq מינון ספוג של קרינה מייננת אפור Gr Gy מינון יעיל של קרינה מייננת sievert Sv Sv פעילות הזרז מגולגל חתול חתול
תיאור מפורט ממצה של מערכת SI בצורה רשמית ניתן בחוברת SI, שיצאה משנת 1970, ובתוספת שלה; מסמכים אלה מתפרסמים באתר הרשמי של הלשכה הבינלאומית למשקלים ומידות. מאז 1985מסמכים אלו מונפקים באנגלית ובצרפתית ומתורגמים תמיד למספר שפות ברחבי העולם, אם כי השפה הרשמית של המסמך היא צרפתית.
ההגדרה הרשמית המדויקת של מערכת ה-SI היא כדלקמן: "מערכת היחידות הבינלאומית (SI) היא מערכת של יחידות המבוססת על מערכת היחידות הבינלאומית, יחד עם שמות וסמלים, ומערכת קידומות ושמותיהם וסמליהם. יחד עם כללים לשימוש בהם שאומצו על ידי הועידה הכללית למשקלים ומידות (CGPM) «.
מערכת ה-SI מוגדרת ע"י שבע יחידות בסיסיות של כמויות פיזיקליות ונגזרותיהן וכן קידומות להן. מוסדרים הקיצורים הסטנדרטיים של ייעודי היחידות וכללי כתיבת הנגזרות. ישנן שבע יחידות בסיסיות כמו קודם: קילוגרם, מטר, שניה, אמפר, קלווין, שומה, קנדלה. יחידות הבסיס אינן תלויות בגודל ולא ניתן להפיק אותן מיחידות אחרות.
באשר ליחידות נגזרות, ניתן לקבל אותן על סמך היחידות הבסיסיות, על ידי ביצוע פעולות מתמטיות כמו חילוק או כפל. לחלק מהיחידות המתקבלות, כגון "רדיאן", "לומן", "תליון", יש שמות משלהן.
אתה יכול להשתמש בקידומת לפני שם היחידה, כגון מילימטר - אלפית המטר וקילומטר - אלף מטר. משמעות הקידומת היא שיש לחלק או להכפיל את האחד במספר שלם שהוא חזקת ספציפית של עשר.