Метрическая система -Metric system

Килограммовая масса и три метрических измерительных прибора: рулетка в сантиметрах , термометр в градусах Цельсия и мультиметр , измеряющий потенциал в вольтах , ток в амперах и сопротивление в омах .

Метрическая система — это система измерения , пришедшая на смену десятичной системе, основанной на метре , введенном во Франции в 1790-х годах . Историческое развитие этих систем завершилось определением Международной системы единиц (СИ) в середине 20-го века под контролем международного органа по стандартизации. Принятие метрической системы известно как метрика .

Историческая эволюция метрических систем привела к признанию нескольких принципов. Каждое из основных измерений природы выражается одной базовой единицей измерения. Определение основных единиц все чаще осуществляется на основе естественных принципов, а не копий физических артефактов. Для величин, полученных из основных основных единиц системы, используются единицы, полученные из основных единиц, например, квадратный метр является производной единицей площади, а величина - производной от длины. Эти производные единицы когерентны , что означает, что они включают только произведения степеней основных единиц без эмпирических факторов. Для любой заданной величины, единица которой имеет специальное имя и символ, определяется расширенный набор меньших и больших единиц, которые связаны коэффициентами степени десяти. Единицей времени должна быть секунда ; единицей длины должен быть либо метр, либо кратное ему десятичное число; а единицей массы должен быть грамм или кратное ему десятичное число.

Метрические системы развивались с 1790-х годов по мере развития науки и техники, создавая единую универсальную измерительную систему. До и в дополнение к СИ некоторыми другими примерами метрических систем являются следующие: система единиц МКС и системы МКСА , которые являются прямыми предшественниками СИ; система сантиметр-грамм-секунда (CGS) и ее подтипы, электростатическая система CGS (cgs-esu), электромагнитная система CGS (cgs-emu) и их все еще популярная смесь, система Гаусса ; система метр-тонна-секунда (МТС) ; и гравитационные метрические системы , которые могут быть основаны либо на метре, либо на сантиметре, либо на грамме (силе), либо на килограмме (силе).

СИ была принята в качестве официальной системы мер и весов всеми странами мира, кроме Мьянмы , Либерии и США .

Фон

Павильон де Бретей , Сен-Клу, Франция, дом метрической системы с 1875 года.

Французская революция (1789–1799 гг.) предоставила французам возможность реформировать свою громоздкую и архаичную систему многих местных мер и весов. Шарль Морис де Талейран отстаивал новую систему, основанную на натуральных единицах, предложив Национальному собранию Франции в 1790 году разработать такую ​​систему. У Талейрана были амбиции, что новая естественная и стандартизированная система будет принята во всем мире, и он стремился вовлечь другие страны в ее разработку. Великобритания проигнорировала приглашения к сотрудничеству, поэтому в 1791 году Французская академия наук решила действовать в одиночку и создала для этой цели комиссию. Комиссия решила, что эталон длины должен основываться на размере Земли . Они определили эту длину как «метр», а ее длину как одну десятимиллионную длины земного квадранта , длины дуги меридиана на поверхности Земли от экватора до северного полюса. В 1799 году, после того, как были освоены измерения дуги , новая система была запущена во Франции.

Единицы метрической системы, первоначально взятые из наблюдаемых особенностей природы, теперь определяются семью физическими константами , которым присваиваются точные числовые значения в терминах единиц. В современной форме Международной системы единиц (СИ) семь основных единиц : метр для длины, килограмм для массы, секунда для времени, ампер для электрического тока, кельвин для температуры, кандела для силы света и моль для количества вещество. Они вместе с их производными единицами могут измерять любую физическую величину. Производные единицы могут иметь собственное название, например, ватт (Дж/с) и люкс (кд/м 2 ), или могут быть просто выражены в виде комбинации основных единиц, таких как скорость (м/с) и ускорение (м). /с 2 ).

Метрическая система была разработана так, чтобы иметь свойства, делающие ее простой в использовании и широко применимой, включая единицы, основанные на естественном мире, десятичные отношения, префиксы для кратных и дольных, а также структуру основных и производных единиц. Это также согласованная система , что означает, что ее единицы не вводят коэффициенты преобразования, которые еще не присутствуют в уравнениях, касающихся величин. У него есть свойство, называемое рационализацией , которое устраняет определенные константы пропорциональности в уравнениях физики.

Метрическая система является расширяемой, и новые производные единицы определяются по мере необходимости в таких областях, как радиология и химия. Например, в 1999 году была добавлена ​​катал , производная единица каталитической активности, эквивалентная одному молю в секунду (1 моль/с).

Принципы

Хотя метрическая система менялась и развивалась с момента ее возникновения, ее основные понятия практически не изменились. Разработанный для транснационального использования, он состоял из базового набора единиц измерения , теперь известных как базовые единицы . Производные единицы были построены из основных единиц с использованием логических, а не эмпирических отношений, в то время как кратные и дольные части как основных, так и производных единиц были основаны на десятичной системе и идентифицировались стандартным набором префиксов .

Реализация

Первоначально метр был определен как одна десятимиллионная часть расстояния между Северным полюсом и экватором через Париж .

Базовые единицы, используемые в системе измерения, должны быть реализованы . Каждое из определений основных единиц в SI сопровождается определенным mise en pratique [практической реализацией], подробно описывающим по крайней мере один способ измерения основной единицы. Там, где это было возможно, были разработаны определения основных единиц, чтобы любая лаборатория, оснащенная соответствующими приборами, могла реализовать стандарт, не полагаясь на артефакт, находящийся в другой стране. На практике такая реализация осуществляется под эгидой соглашения о взаимном признании .

В системе СИ стандартный метр определяется как ровно 1/299 792 458 расстояния, которое свет проходит за секунду . Реализация метра, в свою очередь, зависит от точной реализации секунды. Существуют как методы астрономических наблюдений, так и методы лабораторных измерений, которые используются для реализации единиц стандартного метра. Поскольку скорость света теперь точно определяется в метрах, более точное измерение скорости света приводит не к более точному значению его скорости в стандартных единицах, а к более точному определению метра. Точность измеряемой скорости света считается в пределах 1 м/с, а реализация метра в пределах примерно 3 частей на 1 000 000 000, или доли 0,3x10 -8 :1.

Первоначально килограмм определялся как масса рукотворного артефакта из платины и иридия, хранившегося в лаборатории во Франции, пока в мае 2019 года не было введено новое определение . Реплики, сделанные в 1879 году во время изготовления артефакта и розданные подписавшим Метрическую конвенцию , де-факто служат стандартами массы в этих странах. Дополнительные копии были изготовлены с тех пор, как к конвенции присоединились новые страны. Реплики подвергались периодической проверке по сравнению с оригиналом, называемой IPK . Стало очевидно, что то ли ИПК, то ли реплики, то ли и то, и другое ухудшается, и уже несопоставимы: с момента изготовления они разошлись на 50 мкг, так что, образно говоря, точность килограмма была не лучше 5 частей на сто миллионов или полмиллиона. пропорция 5x10 −8 :1. Принятое новое определение базовых единиц СИ заменило IPK точным определением постоянной Планка , которая определяет килограмм через секунду и метр.

Базовая и производная структура единиц

Базовые единицы метрической системы были первоначально приняты, потому что они представляли фундаментальные ортогональные измерения, соответствующие тому, как мы воспринимаем природу: пространственное измерение, временное измерение, одно измерение инерции, а позже более тонкое измерение «невидимой субстанции». "известный как электричество или, в более общем смысле, электромагнетизм . В каждом из этих измерений была определена одна и только одна единица измерения, в отличие от более старых систем, где преобладали множественные перцептивные величины с одним и тем же измерением, такие как дюймы, футы и ярды или унции, фунты и тонны. Единицы для других величин, таких как площадь и объем, которые также являются пространственными размерными величинами, были получены из фундаментальных величин посредством логических соотношений, так что, например, единицей квадратной площади была единица длины в квадрате.

Многие производные единицы уже использовались до и во время развития метрической системы, потому что они представляли собой удобные абстракции любых основных единиц, определенных для системы, особенно в науках. Таким образом, аналогичные единицы были масштабированы с точки зрения единиц вновь установленной метрической системы, и их названия были приняты в систему. Многие из них были связаны с электромагнетизмом. Другие единицы восприятия, такие как объем, которые не были определены в базовых единицах, были включены в систему с определениями в метрических базовых единицах, так что система оставалась простой. Количество единиц увеличилось, но система сохранила однородную структуру.

Десятичные отношения

Некоторые обычные системы мер и весов имели двенадцатеричные отношения, что означало, что количества удобно делиться на 2 , 3, 4 и 6. Но было трудно производить арифметические действия с такими вещами, как 1/4 фунта или 1/3 фута . Не существовало системы записи последовательных дробей: например, 1/3 от 1/3 фута не была дюймом или какой-либо другой единицей . Но система счета в десятичных дробях имела обозначения, и система обладала алгебраическим свойством мультипликативного замыкания: дробь дроби или кратное дроби было величиной в системе, например 110 от 110 . что составляет 1100 . Таким образом, десятичная система счисления стала отношением между размерами единиц метрической системы.

Префиксы для кратных и дольных

В метрической системе кратные и дольные единицы следуют десятичному образцу.

Префикс Условное обозначение Фактор Власть
тера Т 1 000 000 000 000 10 12
гига грамм 1 000 000 000 10 9
мега М 1 000 000 10 6
килограмм к 1 000 10 3
гекто час 100 10 2
дека да 10 10 1
(никто) (никто) 1 10 0
деци г 0,1 10 −1
центи с 0,01 10 −2
Милли м 0,001 10 −3
микро мю 0,000 001 10 −6
нано н 0,000 000 001 10 −9
пико п 0,000 000 000 001 10−12 _

К единицам, которые сами по себе слишком велики или слишком малы для практического использования, может быть применен общий набор десятичных префиксов, которые имеют эффект умножения или деления на целую степень числа десять. Концепция использования согласованных классических ( латинских или греческих ) названий для префиксов была впервые предложена в отчете Французской революционной комиссии по мерам и весам в мае 1793 года. Префикс килограмм , например, используется для умножения единицы измерения на 1000, а приставка милли предназначена для обозначения одной тысячной части единицы измерения. Таким образом, килограмм и километр составляют тысячу граммов и метров соответственно, а миллиграмм и миллиметр составляют соответственно одну тысячную грамма и метра. Эти отношения можно записать символически как:

1 мг = 0,001 г
1 км = 1000 м

В первые дни множителям, которые были положительными степенями десяти, давали префиксы греческого происхождения, такие как кило- и мега- , а множителям, которые были отрицательными степенями десяти, давали префиксы латинского происхождения, такие как санти- и милли- . Однако расширения системы префиксов 1935 года не соответствовали этому соглашению: например, префиксы нано- и микро- имеют греческие корни. В 19 веке приставка myria- , происходящая от греческого слова μύριοι ( mýrioi ), использовалась как множитель для10 000 .

При применении префиксов к производным единицам площади и объема, выраженным в единицах длины в квадрате или кубе, операторы квадрата и куба применяются к единице длины, включая префикс, как показано ниже.

1 мм 2 (квадратный миллиметр) = (1 мм) 2  = (0,001 м) 2  знак равно0,000 001  м 2
1 км 2 ( квадратный километр = (1 км) 2 = (1000 м) 2 знак равно1 000 000  м 2
1 мм 3 (кубический миллиметр) = (1 мм) 3 = (0,001 м) 3 знак равно0,000 000 001  м 3
1 км 3 (кубический километр) = (1 км) 3 = (1000 м) 3 знак равно1 000 000 000  м 3

Префиксы обычно не используются для обозначения кратности секунды больше 1; вместо них используются несистемные единицы минут , часов и дней . С другой стороны, префиксы используются для кратных единиц объема, отличных от системы СИ, литр (л, л), например, миллилитры (мл).

Согласованность

Джеймс Клерк Максвелл сыграл важную роль в разработке концепции согласованной системы СГС и в расширении метрической системы для включения электрических единиц.

Каждый вариант метрической системы имеет определенную степень согласованности - производные единицы напрямую связаны с базовыми единицами без необходимости использования промежуточных коэффициентов преобразования. Например, в когерентной системе единицы силы , энергии и мощности выбраны так, что уравнения

сила знак равно масса × ускорение
энергия знак равно сила × расстояние
энергия знак равно власть × время

проводить без введения коэффициентов пересчета единиц. Как только набор когерентных единиц определен, другие отношения в физике, использующие эти единицы, автоматически становятся истинными. Таким образом, уравнение массы-энергии Эйнштейна , E = mc 2 , не требует дополнительных констант при выражении в когерентных единицах.

В системе СГС было две единицы энергии: эрг , связанный с механикой , и калория , связанная с тепловой энергией ; так что только один из них (эрг) мог иметь когерентное отношение к основным единицам. Когерентность была целью разработки СИ, в результате чего была определена только одна единица энергии — джоуль .

Рационализация

Уравнения электромагнетизма Максвелла содержали фактор, относящийся к стерадианам, представляющий тот факт, что можно считать, что электрические заряды и магнитные поля исходят из точки и распространяются одинаково во всех направлениях, т. е. сферически. Этот фактор неуклюже появился во многих уравнениях физики, связанных с размерностью электромагнетизма, а иногда и с другими вещами.

Общие метрические системы

Было разработано несколько различных метрических систем, все из которых используют Mètre des Archives и Kilogram des Archives (или их потомки) в качестве базовых единиц, но различаются определениями различных производных единиц.

Варианты метрической системы
Количество СИ / МКС СГС МТС
расстояние, перемещение,
длина, высота и т.
( д , х , л , ч и т. д .)
метр (м) сантиметр (см) метр
масса ( м ) килограмм (кг) грамм (г) тонна (т)
время ( т ) секунда (с) второй второй
скорость, скорость ( v , v ) РС см/с РС
ускорение ( а ) м/с 2 гал (гал) м/с 2
сила ( Ф ​​) ньютон (Н) дин (дин) стена (сн)
давление ( P или p ) паскаль (Па) барье (Ба) пьеза (пз)
энергия ( Е , Q , Вт ) джоуль (Дж) эрг (эрг) килоджоуль (кДж)
мощность ( П ) ватт (Вт) эрг/с киловатт (кВт)
вязкость ( мк ) Па⋅с уравновешенность (П) пз⋅с

Гауссова вторая и первая механическая системы единиц

В 1832 году Гаусс использовал астрономическую секунду в качестве базовой единицы для определения гравитации Земли и вместе с граммом и миллиметром стал первой системой механических единиц.

Системы сантиметр–грамм–секунда

Система единиц сантиметр-грамм-секунда (СГС) была первой последовательной метрической системой, разработанной в 1860-х годах и продвигаемой Максвеллом и Томсоном. В 1874 году эта система была официально продвинута Британской ассоциацией содействия развитию науки (BAAS). Характеристики системы таковы, что плотность выражается в г/см 3 , сила - в динах , а механическая энергия - в эргах . Тепловая энергия измерялась в калориях , одна калория — это энергия, необходимая для повышения температуры одного грамма воды с 15,5°C до 16,5°C. Совещание также признало два набора единиц измерения электрических и магнитных свойств – электростатический набор единиц и электромагнитный набор единиц.

ЭМУ, ЭСУ и гауссовы системы электрических единиц

Несколько систем электрических единиц были определены после открытия закона Ома в 1824 году.

Международная система электрических и магнитных единиц

Единицы электроэнергии CGS были громоздкими в работе. Это было исправлено на Международном электрическом конгрессе 1893 года, состоявшемся в Чикаго, путем определения «международных» ампер и ом с использованием определений, основанных на метре , килограмме и секунде .

Другие ранние электромагнитные системы агрегатов

В тот же период, когда система СГС была расширена за счет включения электромагнетизма, были разработаны другие системы, отличающиеся выбором когерентной базовой единицы, в том числе Практическая система электрических единиц или система QES (счетчик-одиннадцатый грамм-секунда). быть использованным. Здесь основными единицами являются четверки, равные10 7  м (примерно квадрант земной окружности), одиннадцатый грамм, равный10 -11  г , а второе. Они были выбраны таким образом, чтобы соответствующие электрические единицы разности потенциалов, тока и сопротивления имели удобную величину.

Системы МКС и МКСА

В 1901 году Джованни Джорджи показал, что, добавив электрический блок в качестве четвертого базового блока, можно устранить различные аномалии в электромагнитных системах. Примерами таких систем являются системы метр-килограмм-секунда - кулон (MKSC) и метр-килограмм- секунда- ампер (MKSA).

Международная система единиц ( Système international d'unités или SI ) является текущей международной стандартной метрической системой, а также системой, наиболее широко используемой во всем мире. Это расширение системы MKSA Джорджи, ее основными единицами являются метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин , кандела и моль . Система MKS (метр-килограмм-секунда) возникла в 1889 году, когда в соответствии с Метрической конвенцией были изготовлены артефакты для метра и килограмма. В начале 20 века был добавлен неуказанный электрический блок, и система получила название MKSX. Когда стало очевидно, что единицей измерения будет ампер, эту систему стали называть системой MKSA, и она была прямым предшественником SI.

Системы метр-тонна-секунда

Система единиц метр-тонна-секунда (MTS) была основана на метре, тонне и секунде - единицей силы был стен, а единицей давления - пьез . Он был изобретен во Франции для промышленного применения и с 1933 по 1955 год использовался как во Франции, так и в Советском Союзе .

Гравитационные системы

Гравитационные метрические системы используют килограмм-силу (килопонд) в качестве базовой единицы силы, а масса измеряется в единицах, известных как гил , Technische Masseneinheit (TME), кружка или метрическая порция . Хотя в 1901 году CGPM приняла резолюцию, определяющую стандартное значение ускорения свободного падения на уровне 980,665 см/с 2 , гравитационные единицы не входят в Международную систему единиц (СИ).

Международная система единиц

Международная система единиц — современная метрическая система. Он основан на системе единиц метр-килограмм-секунда-ампер (MKSA) начала 20 века. Он также включает в себя многочисленные когерентные производные единицы для общих величин, таких как мощность (ватт) и освещенность (люмен). Электрические единицы были взяты из действовавшей тогда Международной системы. Другие единицы, такие как единицы энергии (джоуль), были смоделированы на основе более старой системы CGS, но масштабированы для согласования с единицами MKSA. Были введены две дополнительные базовые единицы: кельвин , эквивалентный градусу Цельсия для изменения термодинамической температуры, но установленный так, чтобы 0 К был абсолютным нулем , и кандела , примерно эквивалентная международной свечной единице освещенности. Позже была добавлена ​​еще одна основная единица, моль , единица массы, эквивалентная количеству определенных молекул Авогадро, наряду с несколькими другими производными единицами.

Система была обнародована Генеральной конференцией по мерам и весам (французский язык: Conférence générale des poids et mesures - CGPM) в 1960 году. В то время метр был переопределен с точки зрения длины волны спектральной линии атома криптона-86 . , а артефакт стандартного метра 1889 года был изъят из употребления.

Сегодня международная система единиц состоит из 7 основных единиц и бесчисленного множества взаимосвязанных производных единиц, в том числе 22 единиц со специальными названиями. Последняя новая производная единица, каталитическая активность, была добавлена ​​в 1999 г. Все основные единицы, кроме второй, теперь реализованы в терминах точных и инвариантных констант физики или математики по модулю тех частей их определений, которые зависят от вторая сама. Как следствие, скорость света теперь стала точно определенной константой и определяет метр как 1 / 299 792 458 расстояния, которое свет проходит за секунду. До 2019 года килограмм определялся искусственным артефактом из разрушающейся платины и иридия. Диапазон десятичных префиксов был расширен до 10 24 ( йотта– ) и 10–24 ( йокто– ).

Международная система единиц была принята в качестве официальной системы мер и весов всеми странами мира, кроме Мьянмы, Либерии и США. В Соединенных Штатах Закон о преобразовании метрических единиц 1975 года провозгласил метрическую систему «предпочтительной системой мер и весов», но не приостановил использование обычных единиц, и Соединенные Штаты являются единственной промышленно развитой страной, где коммерческая деятельность и деятельность по стандартизации запрещены. преимущественно не используют метрическую систему.

Смотрите также

Примечания

Рекомендации

Внешние ссылки

  • CBC Radio Archives For Good Measure: Канада переходит на метрическую систему