SI-Messsystem – Geschichte, Zweck, Rolle in der Physik
Die Menschheitsgeschichte ist mehrere tausend Jahre alt und in den verschiedenen Phasen ihrer Entwicklung hat fast jede Nation einige ihrer konventionellen Referenzsysteme verwendet. Mittlerweile ist das Internationale Einheitensystem (SI) für alle Länder verbindlich geworden.
Das System enthält sieben grundlegende Maßeinheiten: Sekunde – Zeit, Meter – Länge, Kilogramm – Masse, Ampere – Stärke des elektrischen Stroms, Kelvin – thermodynamische Temperatur, Candela – Lichtintensität und Mol – Stoffmenge. Es gibt zwei zusätzliche Einheiten: das Bogenmaß für einen flachen Winkel und das Steradiant für einen Raumwinkel.
SI kommt vom französischen System Internationale und steht für das Internationale Einheitensystem.
Wie der Zähler ermittelt wird
Im 17. Jahrhundert, mit der Entwicklung der Wissenschaft in Europa, wurden immer häufiger Forderungen nach der Einführung eines Universalmaßes oder eines katholischen Versmaßes laut. Es wäre ein dezimales Maß, das auf dem Naturereignis basiert und unabhängig von der Entscheidung der Autoritätsperson ist. Eine solche Maßnahme würde die vielen verschiedenen damals existierenden Maßnahmensysteme ersetzen.
Der britische Philosoph John Wilkins schlug vor, die Länge des Pendels als Längeneinheit anzunehmen, deren Halbperiode einer Sekunde entspräche. Allerdings war der Wert je nach Messort unterschiedlich. Der französische Astronom Jean Richet stellte diese Tatsache während einer Reise nach Südamerika (1671–1673) fest.
Im Jahr 1790 schlug Minister Talleyrand vor, den Referenzlängengrad zu messen, indem er das Pendel auf einem streng festgelegten Breitengrad zwischen Bordeaux und Grenoble platzierte – 45° nördlicher Breite. Infolgedessen beschloss die französische Nationalversammlung am 8. Mai 1790, dass der Meter die Länge eines Pendels mit einer Halbperiode bei 45° Breite gleich 1 s ist. Nach dem heutigen SI entspräche dieser Meter 0,994 m. Allerdings kommt diese Definition bei der wissenschaftlichen Gemeinschaft nicht gut an.
Am 30. März 1791 nahm die Französische Akademie der Wissenschaften den Vorschlag an, einen Maßstandard als Teil des Pariser Meridians festzulegen. Die neue Einheit sollte ein Zehnmillionstel der Entfernung vom Äquator zum Nordpol sein, also ein Zehnmillionstel eines Viertels des Erdumfangs, gemessen entlang des Pariser Meridians. Dies wurde als „Meter True and Definitive“ bekannt.
Am 7. April 1795 verabschiedete der Nationalkonvent ein Gesetz zur Einführung des metrischen Systems in Frankreich und wies die Kommissare, darunter Ch., an. O. Coulomb, J.L. Lagrange, P.-S. Laplace und andere Wissenschaftler bestimmten experimentell die Einheiten von Länge und Masse.
In der Zeit von 1792 bis 1797 maßen die französischen Wissenschaftler Delambre (1749-1822) und Mechen (1744-1804) auf Beschluss des Revolutionskonvents den gleichen Bogen des Pariser Meridians mit einer Länge von 9 ° 40 'von Dünkirchen bis Barcelona in 6 Jahren. Jahre, eine Kette von 115 Dreiecken quer durch Frankreich und einen Teil Spaniens legend.
Später stellte sich jedoch heraus, dass aufgrund einer falschen Berechnung der Polarkompression der Erde der Standard um 0,2 mm kürzer ausfiel. Somit ist die Meridianlänge von 40.000 km nur ungefähr. Der erste Prototyp des Standard-Messingzählers wurde jedoch 1795 hergestellt. Es ist zu beachten, dass die Masseneinheit (das Kilogramm, dessen Definition auf der Masse eines Kubikdezimeters Wasser basiert) auch an die Definition der Masse gebunden ist Meter.
Die Geschichte der Entstehung des SI-Systems
Am 22. Juni 1799 wurden in Frankreich zwei Platinstandards hergestellt – der Standardmeter und der Standardkilogramm. Dieses Datum kann zu Recht als Tag des Beginns der Entwicklung des aktuellen SI-Systems angesehen werden.
Im Jahr 1832 schuf Gauß das sogenannte Absolutes Einheitensystem, das als Basis drei Einheiten verwendet: die Zeiteinheit ist die Sekunde, die Längeneinheit ist der Millimeter und die Masseneinheit ist das Gramm, denn mit diesen besonderen Einheiten konnte der Wissenschaftler die messen absoluter Wert des Erdmagnetfeldes (dieses System erhielt den Namen SGS Gauss).
In den 1860er Jahren wurde unter dem Einfluss von Maxwell und Thomson die Forderung formuliert, dass Basis- und abgeleitete Einheiten miteinander kompatibel sein müssen. Infolgedessen wurde 1874 das CGS-System eingeführt, bei dem auch Präfixe verteilt wurden, um Teilmengen und Vielfache von Einheiten von Mikro bis Mega zu bezeichnen.
Im Jahr 1875 unterzeichneten Vertreter von 17 Ländern, darunter Russland, die Vereinigten Staaten, Frankreich, Deutschland und Italien, das Metrische Übereinkommen, nach dem das Internationale Büro für Maße, das Internationale Komitee für Maße, gegründet wurde und ein reguläres Übereinkommen in Kraft trat. Generalkonferenz für Maß und Gewicht (GCMW)… Gleichzeitig wurde mit der Entwicklung eines internationalen Standards für das Kilogramm und eines Standards für das Messgerät begonnen.
1889 auf der ersten Tagung des GKMV ISS-SystemBasierend auf Meter, Kilogramm und Sekunde, wie beim CGS, schienen die ISS-Einheiten aufgrund der praktischen Anwendbarkeit jedoch akzeptabler zu sein. Optik und elektrische Einheiten werden später eingeführt.
Im Jahr 1948 erließ die Neunte Generalkonferenz für Maß und Gewicht auf Anordnung der französischen Regierung und der Internationalen Union für Theoretische und Angewandte Physik eine Anweisung an das Internationale Komitee für Maß und Gewicht, eine Vereinheitlichung des Einheitensystems vorzuschlagen Messung, seine Ideen zur Schaffung eines einzigen Systems von Maßeinheiten, das von allen Ländern – Vertragsparteien des Metrischen Übereinkommens – akzeptiert werden kann.
Infolgedessen wurden beim zehnten GCMW im Jahr 1954 die folgenden sechs Einheiten vorgeschlagen und übernommen: Meter, Kilogramm, Sekunde, Ampere, Kelvin und Candela. 1956 erhielt das System den Namen „Systeme International d'Unities“ – das internationale Einheitensystem.
Im Jahr 1960 wurde ein Standard verabschiedet, der erstmals den Namen „Internationales Einheitensystem“ erhielt und die Abkürzung erhielt «SI» (SI).
Die Grundeinheiten blieben dieselben: Meter, Kilogramm, Sekunde, Ampere, Kelvin und Candela, zwei zusätzliche Einheiten (Radiant und Steradiant) und die siebenundzwanzig wichtigsten Ableitungen, ohne im Voraus andere abgeleitete Einheiten anzugeben, die hinzugefügt werden könnten - spät. (Die russische Abkürzung „SI“ kann als „Internationales System“ entziffert werden.)
Alle diese sechs Grundeinheiten, sowohl Zusatzeinheiten als auch die siebenundzwanzig wichtigsten abgeleiteten Einheiten, stimmten vollständig mit den entsprechenden Grund-, Zusatz- und abgeleiteten Einheiten überein, die damals in den staatlichen Standards der UdSSR für Maßeinheiten für die ISS, MKSA, МКСГ und angenommen wurden MSS-Systeme.
Im Jahr 1963 in der UdSSR, laut GOST 9867-61 „Internationales Einheitensystem“, SI wird als bevorzugter Abschluss für die Bereiche Volkswirtschaft, Naturwissenschaften und Technik sowie für die Lehre an Bildungseinrichtungen akzeptiert.
1968 wurde bei der 13. GKMV die Einheit „Grad Kelvin“ durch „Kelvin“ ersetzt und auch die Bezeichnung „K“ übernommen. Darüber hinaus wurde eine neue Definition einer Sekunde übernommen: Eine Sekunde ist ein Zeitintervall von 9.192.631.770 Strahlungsperioden, das dem Übergang zwischen zwei Hyperfeinniveaus des Grundquantenzustands des Cäsium-133-Atoms entspricht. Im Jahr 1997 wurde klargestellt, dass sich dieses Zeitintervall auf das bei 0 K ruhende Cäsium-133-Atom bezieht.
1971 kam zu 14 GKMV – einer Einheit für die Stoffmenge – eine weitere Grundeinheit „mol“ hinzu. Ein Mol ist die Menge an Materie in einem System, die so viele Strukturelemente enthält wie Atome im Kohlenstoff-12 mit einem Gewicht von 0,012 kg. Wenn ein Maulwurf verwendet wird, müssen die Strukturelemente spezifiziert werden und können Atome, Moleküle, Ionen, Elektronen und andere Partikel oder bestimmte Partikelgruppen sein.
1979 verabschiedete das 16. CGPM eine neue Definition der Candela. Die Candela ist die Lichtstärke in einer bestimmten Richtung einer Quelle, die monochromatische Strahlung mit einer Frequenz von 540 × 1012 Hz aussendet, deren Lichtstärke in dieser Richtung 1/683 W/sr (Watt pro Steradiant) beträgt.
Im Jahr 1983 wurde der Zähler 17 GKMV neu definiert.Ein Meter ist die Länge des Weges, den Licht im Vakuum in (1/299.792.458) Sekunden zurücklegt.
Im Jahr 2009 genehmigte die Regierung der Russischen Föderation die „Verordnung über Maßeinheiten, die zur Verwendung in der Russischen Föderation zugelassen sind“, und im Jahr 2015 wurden Änderungen daran vorgenommen, um die „Gültigkeitsdauer“ einiger Nicht-Systemeinheiten auszuschließen.
Die Hauptvorteile des SI-Systems sind folgende:
1. Vereinheitlichung der Einheiten physikalischer Größen für verschiedene Messarten.
Das SI-System ermöglicht es, dass jede in verschiedenen Bereichen der Technik vorkommende physikalische Größe eine gemeinsame Einheit hat, zum Beispiel das Joule für alle Arten von Arbeit und die Wärmemenge anstelle der derzeit verwendeten unterschiedlichen Einheiten für diese Größe (Kilogramm – Kraft). - Meter, Erg, Kalorien, Wattstunde usw.).
2. Die Universalität des Systems.
SI-Einheiten decken alle Bereiche der Wissenschaft, Technologie und der Volkswirtschaft ab, ohne dass die Verwendung anderer Einheiten erforderlich ist, und stellen im Allgemeinen ein einziges System dar, das allen Messbereichen gemeinsam ist.
3. Konnektivität (Kohärenz) des Systems.
In allen physikalischen Gleichungen, die die resultierenden Maßeinheiten definieren, ist der Proportionalitätsfaktor immer eine dimensionslose Größe gleich Eins.
Das SI-System ermöglicht eine erhebliche Vereinfachung der Gleichungslösung, der Durchführung von Berechnungen und der Erstellung von Grafiken und Nomogrammen, da keine nennenswerte Anzahl von Umrechnungsfaktoren verwendet werden muss.
4. Die Harmonie und Kohärenz des SI-Systems erleichtert das Studium physikalischer Gesetze und den pädagogischen Prozess beim Studium allgemeiner wissenschaftlicher und spezieller Disziplinen sowie die Ableitung verschiedener Formeln erheblich.
5.Die Konstruktionsprinzipien des SI-Systems bieten die Möglichkeit, bei Bedarf neue abgeleitete Einheiten zu bilden, und daher ist die Liste der Einheiten dieses Systems offen für eine weitere Erweiterung.
Der Zweck des SI-Systems und seine Rolle in der Physik
Bis heute ist das internationale System physikalischer Größen SI weltweit anerkannt und wird sowohl in Wissenschaft und Technik als auch im täglichen Leben der Menschen mehr als andere Systeme verwendet – es ist eine moderne Version des metrischen Systems.
Die meisten Länder verwenden SI-Einheiten in der Technik, auch wenn sie im Alltag traditionelle Einheiten für diese Gebiete verwenden. In den Vereinigten Staaten beispielsweise werden übliche Einheiten als SI-Einheiten mit festen Koeffizienten definiert.
Die Menge Bezeichnung Russischer Name Russischer International Flachwinkel Bogenmaß Glad Rad Raumwinkel Steradiant Mi Mi Temperatur in Celsius Grad in Celsius OS OS Frequenz Hertz Hz Hz Kraft Newton Z n Energie Joule J J Leistung Watt W W Druck Pascal Pa Pa Lichtstrom Lumen lm lm Beleuchtung Lux OK lx Elektrische Ladung Anhänger CL ° C Potentialdifferenz Volt V V Widerstand Ohm Ohm R Elektrische Kapazität Farad F F Magnetischer Fluss Weber Wb Wb Magnetische Induktion Tesla T T Induktivität Henry Mr. H Elektrische Leitfähigkeit Siemens Cm C Aktivität einer radioaktiven Quelle Becquerel Bq Bq Absorbierte Dosis ionisierender Strahlung grau Gr Gy Effektive Dosis ionisierender Strahlung Sievert Sv Sv Aktivität des Katalysators gerollte Katze Kat
Eine ausführliche Beschreibung des SI-Systems in offizieller Form findet sich im seit 1970 erschienenen SI-Booklet und dessen Ergänzung; Diese Dokumente werden auf der offiziellen Website des Internationalen Büros für Maß und Gewicht veröffentlicht. Seit 1985Diese Dokumente werden auf Englisch und Französisch ausgestellt und immer in mehrere Sprachen auf der ganzen Welt übersetzt, obwohl die offizielle Sprache des Dokuments Französisch ist.
Die genaue offizielle Definition des SI-Systems lautet wie folgt: „Das Internationale Einheitensystem (SI) ist ein Einheitensystem, das auf dem Internationalen Einheitensystem basiert, zusammen mit Namen und Symbolen sowie einer Reihe von Präfixen und ihren Namen und Symbolen.“ zusammen mit Regeln für ihre Verwendung, die von der Generalkonferenz für Maß und Gewicht (CGPM) angenommen wurden «.
Das SI-System wird durch sieben Grundeinheiten physikalischer Größen und deren Ableitungen sowie deren Präfixe definiert. Die Standardabkürzungen der Einheitenbezeichnungen und die Regeln für die Schreibweise von Ableitungen sind geregelt. Nach wie vor gibt es sieben Grundeinheiten: Kilogramm, Meter, Sekunde, Ampere, Kelvin, Mol, Candela. Basiseinheiten sind größenunabhängig und können nicht von anderen Einheiten abgeleitet werden.
Abgeleitete Einheiten können auf Basis der Grundeinheiten durch die Durchführung mathematischer Operationen wie Division oder Multiplikation ermittelt werden. Einige der resultierenden Einheiten, wie zum Beispiel „Radiant“, „Lumen“, „Anhänger“, haben eigene Namen.
Sie können dem Namen der Einheit ein Präfix voranstellen, z. B. Millimeter – ein Tausendstel Meter und Kilometer – eintausend Meter. Das Präfix bedeutet, dass eins durch eine ganze Zahl dividiert oder multipliziert werden soll, die einer bestimmten Zehnerpotenz entspricht.