Материал: Эталоны основных физических величин

Эталоны основных физических величин

Реферат

Эталоны основных физических величин

Размеры физических величин, взятых за основу, определяют величины всех последующих производных единиц системы, получаемых с использованием функциональной зависимости этих величин от основных. Поэтому особое внимание уделяется точности измерений основных величин. Для этого на каждом этапе развития науки и техники создается эталон, т.е. такая мера, которая служит образом для сравнения с другими. Для этого существует специальный и довольно сложный раздел метрология, который определяет весь набор физических констант с учетом всех параметров для их определения. Поэтому в 1875 году было создано Международное бюро мер и весов, которое раз в шесть лет собирает Генеральные конференции, где тщательнейшим образом оговариваются все технические условия, в которых происходят физические измерения, а именно учитываются: давление, температура, место, приборы.

Перечислим эталоны основных физических величин системы СИ в исторической последовательности, приведенной в таблице для основных единиц системы СИ.

) метр (от французского metre, от греческого metron - мера) - основная единица длины в Международной системе единиц (СИ). Обозначения: русское - м, международное - m. Символ - L.

Первоначально метр был определен во Франции в 1791 году как одна десятимиллионная (1,0*10-7) часть четверти длины Парижского географического меридиана, т. е. как «естественная» единица длины и связана с каким- либо практически неизменным объектом природы. Размер 1 метра впервые был определен Ж. Д’ Аламбером и П. Мешеном, используя геодезические и астрономические измерения, а первый эталон метра в 1799 году изготовил французский мастер Ленуар под руководством Ж. Берда в виде концевой меры длины - линейки шириной около 25мм и толщиной 4 мм, с расстоянием между концами, равным принятой единицы длины 1м. Материалом была платина. Этот эталон метра был передан на хранение в Национальный Архив Франции в честь чего и получил название «архивного метра». В других странах создавали свои национальные эталоны. Но эталон метра Ленуара оказался неудобен для поверок, т. к. длина 1м на нем определялась только концами, а доли невозможно было определить без штрихов.

Поэтому появилась потребность найти такой эталон метра, чтобы, отказавшись от эталонов национального и «естественного» характера, он оказался принятым во всех странах. По решению Международного метрического комитета (1872) был изготовлен 31 эталон в виде штриховой меры брус из сплава платины и иридия в соотношениях: Рt (90%) - Ir (10%).

Однако повышающиеся с каждым годом научные требования к точностям измерений расстояний привели к мысли о создании эталона метра, связав его с «естественной» мерой. С 1960 года 11 Генеральной конференцией по мерам и весам установлен эталон метра определять, используя соотношение , где с - скорость электромагнитных волн в вакууме, n - частота излучения.

Определение метра, положенное в основу Международной системы единиц в качестве эталона в 1960 году, гласило: «метр - длина, равная 1 650 763,73 длины в вакууме излучения, соответствующего переходу между уровнями 2P10 и 5d5 атома криптона - 86 ».

В этом определении используются 2 преимущества: 1. длина волны этой линии имеет стабильную ширину; 2. эта ширина наиболее узкая. Воспроизведение метра осуществляется криптоновым эталоном единицы длины.

С появлением лазеров - источников излучения более высокой степени когерентности - создан единый эталон частоты - времени - длины, где используется соотношение . Здесь  - длина электромагнитной волны видимого измерения, а = 299 792 458 - скорость света в вакууме. Поэтому определением метра согласно решению 17 Генеральной конференции по мерам и весам с 1983 года считается: «метр - длина пути, проходимого в вакууме светом за  доли секунды».

Кратные и дольные единицы измерения длины, установленные СИ рекомендованы: 1км=103м; 1см=10-2м; 1мм=10-3м; 1мкм=10-6м.

) килограмм (кило… - от французского kilo, от греческого chiliоi - тысяча). Дословно килограмм означает тысяча мелких мер весов. Это вторая основная единица в СИ - единица измерения массы вещества - является мерой его инертности и гравитации. Обозначения: кг - русское, kg - международное, символ - М. 1 кг равен массе международного эталона, который хранится в Международном бюро мер и весов.

При появлении в 18 веке метрической системы мер килограмм определяли как вес (в то время не делалось различия между весом и массой) кубического дециметра воды при температуре +40С, температуре наибольшей плотности воды. На базе этого понятия в 1799 году был создан платиновый эталон килограмма, который хранится в Национальном Архиве Франции, и получивший наименование «архивный килограмм». В 1889 году на 1 Генеральной конференции по мерам и весам в качестве прототипа эталона массы была утверждена гиря, имеющая форму цилиндра высотой и диаметром 39мм, и изготовленная из сплава платины и иридия (Рt-90%, Ir-10%). Эта масса приблизительно равна массе одного литра дистиллированной воды при температуре 40С. Такой эталон существует и в настоящее время.

Как сказано выше, между массой и весом длительное время не существовало различия, поэтому «килограмм» считали эталоном веса и массы. И только в 1901 году на 3 Генеральной конференции по мерам и весам был положен конец существовавшей путанице. Ее резюме: «килограмм - единица массы - представлен массой международного прототипа килограмма». Это определение сохранилось до настоящего времени. Относительная погрешность сличения килограмма с прототипом не более 2*10-9, т.е. килограмм является невоспроизводимым, т.к. он не относится к таким единицам, которые можно определить через неизменные константы, взятые из законов природы. Поэтому он при такой погрешности еще удовлетворяет современным требованиям физики и техники.

) секунда (от латинского secunda (divisio) - второе деление) - третья основная единица - единица времени в Международной системе единиц (СИ). Обозначение: по-русски - с, s - международное, символ - Т. Определяется по частотной характеристике спектральной линии атома цезия. «Секунда - интервал времени, равный 9 192 631 770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома цезия - 133 ». Такое определение секунды принято 13 Генеральной конференцией по мерам и весам в 1967 году. Чтобы определить единицы времени необходимо было использовать какой-нибудь циклический процесс. Примером может служить циклическое время Земли вокруг Солнца.

Ранее интервал времени определялся из астрономических соображений, одной секундой считалось отношение  часть средних солнечных суток. По солнечным часам можно определить время только в светлое время суток, а не в пасмурную погоду. Тогда возникла мысль, «а нельзя ли использовать какой-либо другой периодический процесс для повышения точности при определении времени». Так начали появляться песочные, водяные, механические часы.

В 1583 году Галилей стал время периодических колебаний люстры в Пизанском соборе сравнивать с числом ударов своего пульса. На основании этого он предложил Генеральным Штатам Нидерландов свое изобретение на основе колебания люстры - маятниковые часы, точность хода которых могли быть выше. Очередным шагом в повышении точности измерения времени стало создание в 1910 году английским конструктором Шортом точных астрономических часов, которые с течением времени усовершенствовались.

Кварцевые часы, построенные с использованием колебательного процесса в квантовых генераторах давали погрешность 1,0*10-5 с.

В 1955 году 9 Ассамблея Международного астрономического союза предложила секунду связать с тропическим годом, который считается, как промежуток времени между двумя последовательными прохождениями Солнца через точку весеннего равноденствия. Однако продолжительность тропического года в действительности, хотя медленно (на 0,5 с в столетие), но меняется из-за прецессии земной оси и других возмущений.

Исходя из этой рекомендации, 11 Генеральная конференция по мерам и весам в 1960 году приняла следующее определение секунды: «Секунда -  тропического года для 1900 года января 0 в 12 часов эфемероидного времени. Размер секунды равен средней продолжительности секунды за последние 300 лет. Это определение было связано с естественным эталоном времени. Относительная погрешность определения, таким образом, времени составила 10-7.

С течением времени ученые убедились, что единицу времени, так же, как единицу длины, лучше всего определять на основе спектроскопического излучения.

Для повышения точности исследования ученых привели к созданию атомных часов. На основании всестороннего изучения атомных часов 13 Генеральная конференция по мерам и весам в октябре 1967 года решила заменить эталон времени, основанный на астрономических наблюдениях, атомным эталоном времени, формулировка которого приведены выше. Воспроизвести размер секунды можно с точностью до 10-11 в цезиевом эталоне частоты.

Переход к атомным стандартам длины и времени оказалось неизбежным, как правило, потому, что, во-первых, спектроскопия оказалось самым точным разделом физики, во-вторых, атомные стандарты являются необычайно стабильными, так как они практически не зависят от давления, температуры и времени, ни даже от космических катастроф. Этим недостатком страдают предыдущие эталоны «стандартного» метра, который хранят под стеклянным колпаком при постоянной температуре в железном шкафу в глубоком подвале, три ключа от которого находятся у трех совершенно разных должностных лиц, и другими предосторожностями.

Не лучше обстоит дело с эталоном секунды, связанного с естественными физическими процессами обращения Земли вокруг Солнца. При изменении орбиты Земли в связи со столкновениями с каким-нибудь космическим телом неизбежно меняется продолжительность секунды. Чего нельзя сказать об атомном стандарте секунды, который не меняется в силу особой устойчивости и неизменности атомных законов, на основании которых установлены эти эталоны.

С появлением лазеров и создания на их основе эталона времени - частоты - длины, нам дается возможность определить секунду с относительной погрешностью не более 10-12.

Разрешается использовать кратные и дольные единицы секунды: 1кс= 103с; 1мс=10-3с; 1мкс= 10-6с.

Сохраняются ли эти величины эталонов, если перейти в область макро- и микро- расстояний, т.е. при переходе к довольно большим и малым расстояниям, и малым промежуткам времени. Общепризнанного ответа на подобные вопросы не существует. Так размеры длины волны де Бройля для Земли, считающейся волновым процессом, порядка 10-63м невозможно себе представить с точки зрения наших представлений. К понятию размера электрона тоже трудно подойти, оно неопределенно, нигде в справочниках вы не встретите размеров электрона. Еще в теориях размеров атомов можно применять понятия «длина», «масса», «время». Они еще сохраняют свои значения, и расстояния порядка 10-10м, атомную массу 10-27кг и промежуток времени 10-17с еще как-то воспринимаются разумом. Нечто подобное воспринимается и при использовании астрономических размеров между Галактиками. Здесь также как и в микрообластях, невозможно воспринимать словосочетания «расстояния в несколько миллиардов световых лет», которые можно посчитать довольно легко. Это расстояние, которое проходит луч света со скоростью  за время его движения

лет=

т.е. .

Действительно, невозможно представить себе, как понимать эти микро и макроскопические расстояния, массы и времени.

Трех основных единиц измерения расстояния, массы и времени оказывается достаточно для описания всех физических величин в разделе «механика».

) ампер (по имени французского физика А.М. Ампера (Ampere)) - сила электрического тока, четвертая основная единица в системе СИ, применяемая для измерения электрических и магнитных физических величин. Обозначения: русское - А, международное - А. Символ - I.

Впервые в связи с развитием электричества, электрической энергии, производимой электродвигателями, возник вопрос о расширении введения основных единиц для разделов физики «электричества» и «магнетизма». По решению первого конгресса электриков в 1881 году единица силы тока получила название ампер: «1 ампер - ток, производимый напряжением в 1 вольт, в цепи, имеющий сопротивление 1Ом». Трудности воспроизведения ампера привели в 1883 году на Всемирном конгрессе в Чикаго к введению международных электрических единиц, основанных на вещественных эталонах. В качестве эталона решили брать ампер, исходя из прохождения тока через электролит (явление электролиза). Международный ампер был определен «как сила такого неизменяющегося тока, который, проходя через водный раствор азотнокислого серебра, выделяет 0,00111800 г серебра в секунду», т. е. 1 грамм - эквивалент серебра - 1,1180мг (закон Фарадея для электролиза: ).

Успехи в области измерений электрических величин и дальнейший технический и научный прогресс привели к необходимости отказа от такого эталона, связанного с не очень точной воспроизводимостью. Осенью 1935 года члены Консультативного Комитета по электричеству по предложению Сирса приняли эталон, исходя из закона Ампера о взаимодействии параллельно расположенных двух проводников с током

F=,

где =410-7 - магнитная постоянная; I1 и I2 - силы тока в проводниках;  - длина проводника;  - расстояние между двумя параллельными проводниками.

«Ампер - равен силе неизменяющегося тока, который при прохождении по двум прямолинейным параллельным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенными в вакууме на расстоянии один метр один от другого, вызвал бы на каждом участке проводника длиной один метр силу взаимодействия, равную 2*10-7 ньютон».

Эталоном ампера являются токовые весы, которые воспроизводят значение силы тока с довольно высокой точностью. Относительная погрешность воспроизведения единицы силы тока государственным первичным эталоном не превышает 10-5 .

) кельвин - термодинамическая температура является пятой физической величиной, относящейся к основным. Обозначение: русское и международное - К. Символ: .

Название «кельвин» введено в честь Уильяма Томсона (за научные заслуги получившего титул лорда Кельвина). Температура (от латинского слова temperatura - соразмерность, нормальное состояние) - это скалярная величина, которая характеризует состояние термодинамического равновесия и теплообмен между телами.