И сертификация неразрушающих методов и средств контроля
 Скачать 0.68 Mb.
|
|
5. ФИЗИЧЕСКИЕ ЕДИНИЦЫ И ИХ ИЗМЕРЕНИЕ. ВИДЫ И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ. СИСТЕМЫ ЕДИНИЦ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН 5.1. Физические единицы и их измерение Физическая единица – это физическая величина, которой по опре- делению присвоено числовое значение, равное 1. Единицы величин начали появляться с того времени, когда у че- ловека возникла необходимость выражать что-либо количественно. В начале это выражалось количеством предметов, т. е. одной штукой. В дальнейшем появилась необходимость количественно выражать объекты, не поддающиеся штучному счету (жидкости, сыпучие тела и т. д.). Появляются меры объема, меры длины, такие как пядь, сту- пень, локоть, шаг. Время в начале измеряли сутками. По мере развития науки и техники появилась необходимость пере- хода к более воспроизводимым единицам и создания метрических мер. В 1790 г. во Франции было принято решение о создании новых мер, применяемых для всех наций. За единицу длины было предложено счи- тать десятимиллионную часть четверти меридиана Земли, прошедшего через Париж. Эту единицу назвали метром. За единицу массы принята масса 1 дм 3 чистой воды при температуре 4 ºС и была названа кило- граммом. Но и эти единицы оказались не точными. Наличие большого количества единиц и различное их трактование в различных странах создавали трудности общения. Поэтому возникла необходимость в создании определенной системы единиц. В 1832 г. немецкий математик Гаусс показал, что если выбрать не- зависимо единицы измерения трех величин: длины, массы и времени, то можно установить единицы измерения всех физических величин. Сово- купность единиц, образованных по принципу, предложенному Гауссом, получила название системы единиц. В системе единиц различают ос- новные, производные и дополнительные единицы. Кроме системных единиц, всегда существовали и существуют в обращении внесистемные единицы, такие как лошадиная сила, киловатт, техническая атмосфера и др. У Гаусса за основные единицы были выбраны: единица длины – миллиметр, единица массы – миллиграмм, единица времени – секунда. В 1881 г. по предложению английского ученного Томсона система Гаусса была модифицирована и принята Первым международным кон- грессом как система СГС, где основными единицами были выбраны: длина – сантиметр, масса – грамм, время – секунда. Эта система как система Гаусса существует и до сих пор и получила название физиче- ской системы единиц, т. к. в основном применяется в физике. 29 В 1901 г. по предложению итальянского инженера Джовани Дюо- риси была принята система МКС (практическая), т. к. все единицы этой системы взяты из практического применения. За основание единицы приняты: единица длины – метр, единица массы – килограмм, единица времени – секунда. 1 метр был определен как одна сорокамиллионная доля длины земного меридиана, проходящею через Париж, 1 кг – масса 1 дм 3 чистой воды при 4 ºС, 1 секунда – интервал времени, равный 86400 1 средних солнечных суток. Существовала еще система МКГСС, где за основные единицы вы- браны: единица длины – метр, единица силы – кГ и единица времени – секунда, которая была введена во второй половине XIX в. В 1922 г. во Франции была введена система МТС (единица длины – метр, единица массы – тонна, единица времени – секунда). В СССР эта система применялась с 1927 года. Автоматически распространить механические системы единиц, рассмотренные выше, на область электрических и магнитных явлений невозможно. Поэтому появились системы единиц СГСЭ, СГСМ, МКСА, в которых предусмотрены еще дополнительные основные единицы. В системе СГСЭ диэлектрическая проницаемость среды, в системе СГСМ – магнитная проницаемость среды, в системе МКСА – сила тока ампер. Диэлектрическая проницаемость в системе СГСЭ и магнитная проницаемость в системе СГСМ безразмерны и равны 1. Наличие многообразия систем единиц и внесистемных единиц из- мерения создавало серьезные затруднения в международных, научных и технических общениях. В целях упорядочения вопроса с системой единиц и введения единой рациональной международной системы еди- ниц созывались съезды и генеральные конференции по мерам и весам. 5.2. Международная система единиц В октябре 1960 г. XI Генеральная конференция по мерам и весам утвердила международную систему единиц (СИ). В этой системе еди- ниц было выбрано шесть основных единиц. 5.2.1. Основные единицы СИ Единица длины – метр (м) – длина, равная 1 650 763,63 длин волн в вакууме излучения, соответствующая переходу между уровнями 2Р 10 и 5d 5 атома криптона – 86 (оранжевое излучение). Единица массы – килограмм (кг) – масса, равная массе международно- го прототипа килограмма, который изготовлен из платиноиридиевого спла- ва, и принятого за эталон I Генеральной конференцией в 1889 г. 30 Единица времени – секунда (сек) – 9747 , 31556925 1 часть тропическо- го года для 1900 г., который начался для гринвичского меридиана в 12 часов 1 января 1900 г. Тропический год – это промежуток времени между двумя последовательными прохождениями солнца через точку весеннего равноденствия. Это определение единицы времени устранило неточность ее определения через время суток. На XIII Генеральной конференции в 1967 г. принято новое опреде- ление секунды как время, равное 9 192 631 770 периодом излучения, со- ответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основ- ного состояния атома цезия – 133. Единица силы электрического тока – ампер как сила не изменяюще- гося тока, который при прохождении по двум параллельным проводни- кам бесконечной длины и ничтожно малого кругового сечения, располо- женного на расстоянии 1 м один от другого в вакууме, вызывал бы меж- ду этими проводниками силу, равную 7 ⋅10 -7 Н на каждый метр длины. Единица термодинамической температуры – Кельвин (К) как 1/273,16 часть термодинамической температуры тройной точки воды. Международным комитетом мер и весов допускается применение шка- лы Цельсия t=T-273,16К. Единица силы света. В 1960 г. это была свеча и определялась как единица силы света, значение которой принимается таким, чтобы яр- кость полного излучения при температуре затвердевания платины была равна 60 св. на 1 см 2 . На XIII Генеральной конференции по мерам и ве- сам в 1967 г. изменено определение силы света на канделу (кд) и опре- делено как сила света, испускаемого с поверхности площадью 1/600000 м 2 полного излучателя в перпендикулярном направлении при температуре затвердевания платины при давлении 101325 Па. На XI Генеральной конференции в качестве дополнительных еди- ниц были приняты две единицы. Радиан – единица плоского угла (рад) – угол между двумя радиу- сами окружности, дуга между которыми по длине равна радиусу. В гра- дусном выражении радиан равен 57 0 17 I 44,8 II Стерадиан (ср) – единица телесного угла – это телесный угол с вершиной в центре сферы, вырезавший на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной, по длине равной радиусу сферы. XIV Генеральная конференция по мерам и весам в 1971 г. приняла седьмую основную единицу – моль. Моль – единица количества вещества – количество вещества сис- темы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содер- жится атомов в нуклиде 12 С массой 0,012 кг. 31 При применении моля структурные элементы должны быть специ- фицированы. Они могут быть атомами, молекулами, ионами, электро- нами и другими частицами или специфицированными группами частиц. В последнее время за единицу длины – метр принята длина пути, которую проходит свет в вакууме за 1/299792458 долю секунды. Единица света – кандела определена как сила света в заданном на- правлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540 ⋅10 12 Гц, энергетическая сила которого в этом направлении составляет 1/683 вт/ср. 5.2.2. Производные единицы СИ Производные единицы СИ образуются на основании законов, уста- навливающих связь между физическими величинами или на основании определений физических величин. При образовании производных еди- ниц СИ, полученная единица имеет наименование, состоящее из наиме- нований исходных единиц. Так, единица скорости устанавливается из уравнения t S V = , где S – длина пройденного пути за время t. Поэтому за единицу скорости принят метр в секунду (м/с), равный скорости прямолинейно и равномерно движущейся точки, при которой эта точка за время 1 с перемещается на расстояние 1 м. Другой пример, единица удельной теплоемкости вещества устанав- ливается из уравнения: m с с = , где с – теплоемкость массы m. Единицей удельной теплоемкости является джоуль на килограмм Кельвин [Дж/кг К], равный удельной теплоемкости вещества, имеющею при массе 1 кг теплоемкость 1 Дж/К. В некоторых случаях для выражения производных единиц СИ при- няты собственные наименования, которые даны в большинстве случаев по имени ученых, например Ньютон. Рассмотрим производные единицы по разделам физики. Производные единицы СИ пространства и времени Единица площади – квадратный метр, равный площади квадрата со сторонами, длины которых равны 1м. Единица объема и вместимости – это кубический метр (м 3 ), равный объему куба с ребрами, длина которых равна 1 м. Единица ускорения – это м/с 2 , равный ускорению прямолинейно равноускоренно движущейся точки, при котором за время 1 с скорость возрастает на 1 м/с. 32 Единицей частоты периодического процесса является герц (Гц), равный частоте периодического процесса, при которой за время 1 с про- исходит один цикл периодического процесса. Единицей угловой скорости является радиан в секунду (рад/с), равный угловой скорости равномерно вращающегося тела, при которой за время 1 с совершается поворот тела относительно оси вращения на угол 1 рад. Единицей углового ускорения является рад/с 2 , который равен угло- вому ускоренного равноускоренно вращающегося тела, при котором за 1 с угловая скорость тела возрастает на 1 рад/с. Производные единицы СИ механических величин Единицей плотности является кг/м 3 , равный плотности однородно- го вещества, масса которого при объема 1 м 3 равна 1 кг. Единицей удельного объема является м 3 /кг, равный удельному объ- ему однородного вещества, объем которого при массе 1 кг равен 1 м 3 Единица силы – ньютон – это сила, сообщающая телу массой 1 кг ускорение 1 м/с 2 в направлении действия силы. Единица давления, (напряжения) – паскаль, равный давлению, вы- зываемому силой 1 Н, равномерно распределенной по нормальной к ней поверхности площадью 1 м 2 Единица динамической вязкости – паскаль, секунда, равная дина- мической вязкости среды, касательное напряжение в которой при лами- нарном течении и при разности скоростей слоев, находящихся на рас- стоянии 1м по нормали к направлению скорости 1 м/с, равно 1 Па. Единица кинематической вязкости – м 2 /с, равная кинематической вязкости, при которой динамическая вязкость среды плотностью 1 кг/м 3 , равна 1 Па ⋅с. Единица работы – джоуль, равный работе, совершаемой при пере- мещении точки приложения силы 1 Н на расстоянии 1 м в направление действия силы. Единица мощности – ватт, равной мощности, при которой за время 1 с совершается работа 1 Дж. Производные единицы СИ электрических и магнитных величин Единица количества электричества (электрического заряда) – кулон, равной количеству электричества, проходящему через поперечное сечение при токе силой 1 А за время 1 с. Единица электрического напряжения – вольт, равная электрическо- му напряжению на участке электрической цепи, при котором в участке проходит постоянный ток силой 1 А и затрачивается мощность 1 Вт. Единица напряженности электрического поля – вольт на метр, рав- ная напряженности однородного электрического поля, при которой ме- жду двумя точками, находящимися на линии напряженности поля на расстоянии 1 м, создается разность потенциалов 1 В. 33 Единица электрической емкости – фарада, равная электрической емкости конденсатора, при которой заряд 1 Кл создает на конденсаторе напряжение 1 В. Единица электрического сопротивления – Ом, равная электриче- скому сопротивлению участка электрической цепи, при котором посто- янный ток силой 1 А вызывает падение напряжения 1 В. Единица потока магнитной индукции – равная магнитному потоку, при убывании которого до нуля в сцепленной с ним электрической цепи сопротивлением 1 Ом через поперечное сечение проводника проходит количество электричества 1Кл. Единица индуктивности – равная индуктивности электрической цепи, с которой при силе постоянного тока в ней 1 А сцепляется маг- нитный поток 1 Вб. Единица магнитной индукции – тесла, равная магнитной индукции, при которой магнитный поток сквозь поперечное сечение площа- дью 1 м 2 равен 1 Вб. Единица напряженности магнитного поля – ампер на метр, равная напряженности магнитного поля в центре длинного соленоида с равно- мерно распределенной обмоткой, по которой проходит ток силой 1/n. А, где n – число витков на участке соленоида длиной 1 м. Единица магнитодвижущей силы – ампер, равная магнитодвижу- щей силе вдоль замкнутого контура, сцепленного с цепью постоянного тока силой 1 А. Производные единицы световых величин Единица светового потока – равная световому потоку, испускаемо- му точечным источником в телесном угле 1 ср при силе света 1 кд. Единица яркости на квадратный метр, равная яркости равномерно святящейся плоской поверхности площадью 1 м 2 в перпендикулярном к ней направлении при силе света 1 кд. Единица освещенности – равная освещенности поверхности площа- дью 1 м 2 при световом потоке падающего на нее излучения, равном 1 лм. Все производные единицы системы единиц СИ приведены в табл. 1. Появляются и другие производные единицы, которые выражаются через представленные в ГОСТ 9867 основные, дополнительные и произ- водные единицы. В целом, в технике разделяют на следующие категории единицы физических величин: • единицы пространства и времени; • единицы механических величин; • единицы электрических и магнитных величин; • единицы тепловых величин; • единицы количества вещества; • единицы световых величин; 34 • единицы акустических величин; • единицы ионизирующих излучений. Международная система единиц является наиболее совершенной и универсальной. Поэтому неслучайно международная организация по стан- дартизации (ИСО), организация объединенных наций по образованию, нау- ке и культуре (ЮНЕСКО), международная организация законодательной метрологии (МОЗМ) и другие международные организации рекомендуют ввести в законодательном порядке ее в действие во всех странах. Допускается применение также следующих единиц: • масса – тонна, Т; • время – минута, 60 с, мин; • час, 360 с, ч; • сутки, 86 400 с, сут; • плоский угол – градус, °, П/180 рад = 1,745329 ⋅10 – 2 рад; • минута, I , П/10800 рад = 2,908882 ⋅10 – 4 рад; • секунда, II , П/648000 рад = 4,848137 ⋅10 – 6 рад; • площадь – гектар, га = 104 м 2 ; • объем вместимости – литр, л = 10 – 3 м 3 ; • температура Цельсия ºС. Таблица 1 Производные единицы по ГОСТ 9867–61 (международная система единиц) Обозначение Наименование величины Единица измерения русское междун. 1 2 3 4 площадь квадратный метр м 2 m 2 объем кубический метр м 3 m 3 частота герц Гц – Hz плотность (объемная масса) килограмм на куб. метр кг/м 3 kg/m 3 скорость метр в секунду м/с m/s угловая скорость радиан в секунду рад/с rad/s ускорение метр на секунду в квадрате м/с 2 m/s 2 угловое ускорение радиан на секунду в квадрате рад/с 2 rad/s 2 сила ньютон Н N давление (механическое напряжение) ньютон на квадратный метр Н/м 2 N/m 2 динамическая вязкость ньютон ⋅ секунда на кв. метр Нс/м 2 Ns/m 2 кинематическая вязкость квадратный метр на секунду м 2 /с m 2 /s работа, энергия, колич. теплоты джоуль Дж(Нм) ⌡ мощность ватт Вт(дж/с) W количество электричества (заряд) кулон Кл С 35 Продолжение табл. 1 Обозначение Наименование величины Единица измерения русское междун. электрическое напряжение, разность потенциалов, ЭДС вольт В V напряженность электрического поля вольт на метр В/м V/m электрическое сопротивление ом (В/А) Ом Ω поток магнитной индукции вебер (М ⋅Ом) Вб Wb электрическая емкость фарада (М/В) Ф F индуктивность генри (Вб/А) Г Н магнитная индукция тесла (Вб/м 2 ) Т Т напряженность магнитного поля ампер на метр (А/м) А/м A/m магнитодвижущая сила ампер А А световой поток люмен (кд. ср) лм lm яркость кандела на квадратный метр или нит кд/м 2 нт cd/m 2 nt освещенность люкс (лм/м 2 ) лк lx В технике много еще приводится размерностей в других системах единиц, но в последние годы все страны переходят на международную систему единиц. Разрешено также к применению следующих единиц: • длина – ангстрем = 10 –10 м (Å); • морская миля = 1 852 м (м. миля); • масса – карат = 2 ⋅10 – 4 кг, кар; • центнер = 100 кг, ц; • скорость – узел (0,514444 м/с), уз; • частота вращения – оборот в секунду (1с –1 ) об/с; • оборот в минуту (1/60 с) об/мин; • давление – мм.рт.ст. = 133,322 Па; • бар=105 Па; • мощность – лошадиная сила, л.с. = 735,499 Вт; • количества теплоты – калория = 4,1868 Дж; • доза излучения – рад = 0,01 Дж/кг; • бэр = 0,01 Дж/кг; • рентген = 2,58 ⋅10 – 4 Кл/кг, Р; • активность нуклида-кюри = 3,7 ⋅10 10– 1 с, Ки. Иногда используют и другие уже устранение единицы (сажень, ар- шин, фут, дюйм и др.). Переводные коэффициенты их в СИ имеются в справочниках. В международной практике разрешено применение кратных и дольних единиц. |