ระบบการวัด SI — ประวัติ วัตถุประสงค์ บทบาทในฟิสิกส์

ประวัติศาสตร์ของมนุษย์มีอายุหลายพันปี และในขั้นตอนต่าง ๆ ของการพัฒนานั้น เกือบทุกประเทศต่างใช้ระบบอ้างอิงแบบดั้งเดิมของตน ขณะนี้ระบบหน่วยสากล (SI) ได้กลายเป็นข้อบังคับสำหรับทุกประเทศ

ระบบประกอบด้วยหน่วยการวัดพื้นฐาน 7 หน่วย: วินาที — เวลา, เมตร — ความยาว, กิโลกรัม — มวล, แอมแปร์ — ความแรงของกระแสไฟฟ้า, เคลวิน — อุณหภูมิทางอุณหพลศาสตร์, แคนเดลา — ความเข้มของแสง และโมล — ปริมาณของสาร มีหน่วยเพิ่มเติมสองหน่วย: เรเดียนสำหรับมุมเรียบและสเตอเรเดียนสำหรับมุมทึบ

SI มาจากภาษาฝรั่งเศส Systeme Internationale และย่อมาจาก International System of Units

วิธีการกำหนดตัวนับ

ในศตวรรษที่ 17 ด้วยการพัฒนาของวิทยาศาสตร์ในยุโรป เสียงเรียกร้องให้มีการแนะนำการวัดสากลหรือมาตรวัดคาทอลิกเริ่มได้ยินบ่อยขึ้นเรื่อยๆ มันจะเป็นการวัดทศนิยมตามเหตุการณ์ธรรมชาติและเป็นอิสระจากการตัดสินใจของผู้มีอำนาจ มาตรการดังกล่าวจะเข้ามาแทนที่ระบบมาตรการต่าง ๆ ที่มีอยู่ในขณะนั้น

นักปรัชญาชาวอังกฤษ จอห์น วิลคินส์ เสนอให้ใช้ความยาวของลูกตุ้มเป็นหน่วยความยาว ครึ่งคาบจะเท่ากับหนึ่งวินาที อย่างไรก็ตาม ค่าที่ได้จะไม่เท่ากันขึ้นอยู่กับตำแหน่งการวัด Jean Richet นักดาราศาสตร์ชาวฝรั่งเศสได้ค้นพบข้อเท็จจริงนี้ระหว่างการเดินทางไปอเมริกาใต้ (พ.ศ. 2214 - 2216)

ในปี 1790 รัฐมนตรี Talleyrand เสนอให้วัดลองจิจูดอ้างอิงโดยวางลูกตุ้มที่ละติจูดคงที่ระหว่าง Bordeaux และ Grenoble คือละติจูด 45° เหนือ เป็นผลให้เมื่อวันที่ 8 พฤษภาคม พ.ศ. 2333 สมัชชาแห่งชาติฝรั่งเศสตัดสินใจว่าเมตรคือความยาวของลูกตุ้มที่มีครึ่งคาบที่ละติจูด 45 °เท่ากับ 1 วินาที ตาม SI ของวันนี้ เมตรนี้จะเท่ากับ 0.994 ม. อย่างไรก็ตาม คำจำกัดความนี้ไม่เหมาะกับชุมชนวิทยาศาสตร์

เมื่อวันที่ 30 มีนาคม พ.ศ. 2334 French Academy of Sciences ยอมรับข้อเสนอเพื่อกำหนดมาตรฐานการวัดเป็นส่วนหนึ่งของเส้นลมปราณปารีส หน่วยใหม่นี้จะเป็นหนึ่งในสิบล้านของระยะทางจากเส้นศูนย์สูตรถึงขั้วโลกเหนือ นั่นคือ หนึ่งในสิบล้านของหนึ่งในสี่ของเส้นรอบวงโลก โดยวัดตามเส้นเมอริเดียนของปารีส สิ่งนี้กลายเป็นที่รู้จักในชื่อ "Meter True and Definitive"

เมื่อวันที่ 7 เมษายน พ.ศ. 2338 การประชุมแห่งชาติได้ผ่านกฎหมายที่แนะนำระบบเมตริกในฝรั่งเศสและสั่งให้คณะกรรมาธิการรวมถึง Ch. โอ. คูลอมบ์, เจ. แอล. ลากรองจ์, P.-S. ลาปลาซและนักวิทยาศาสตร์คนอื่นๆ ได้ทดลองหาหน่วยของความยาวและมวล

ในช่วงปี ค.ศ. 1792 ถึงปี ค.ศ. 1797 โดยการตัดสินใจของอนุสัญญาปฏิวัตินักวิทยาศาสตร์ชาวฝรั่งเศส Delambre (1749-1822) และ Mechen (1744-1804) วัดส่วนโค้งเดียวกันของเส้นเมอริเดียนปารีสที่มีความยาว 9 ° 40 'จาก Dunkirk ถึง บาร์เซโลนาใน 6 ปี ปีวางห่วงโซ่ 115 สามเหลี่ยมทั่วฝรั่งเศสและส่วนหนึ่งของสเปน

อย่างไรก็ตาม ภายหลังกลับกลายเป็นว่าเนื่องจากการคำนวณการบีบตัวของขั้วของโลกอย่างไม่ถูกต้อง มาตรฐานจึงสั้นลง 0.2 มม. ดังนั้นความยาวเส้นเมอริเดียน 40,000 กม. จึงเป็นค่าโดยประมาณเท่านั้น อย่างไรก็ตาม ต้นแบบแรกของเครื่องวัดทองเหลืองมาตรฐานถูกสร้างขึ้นในปี พ.ศ. 2338 ควรสังเกตว่าหน่วยของมวล (กิโลกรัมซึ่งคำนิยามขึ้นอยู่กับมวลของน้ำหนึ่งลูกบาศก์เดซิเมตร) ก็เชื่อมโยงกับคำจำกัดความของ เมตร.

ประวัติความเป็นมาของระบบ SI

เมื่อวันที่ 22 มิถุนายน พ.ศ. 2342 ได้มีการผลิตมาตรฐานแพลตตินัมสองมาตรฐาน ได้แก่ เมตรมาตรฐานและกิโลกรัมมาตรฐานในฝรั่งเศส วันนี้ถือเป็นวันเริ่มต้นการพัฒนาระบบ SI ปัจจุบันอย่างถูกต้อง

ในปี 1832 เกาส์ได้สร้างสิ่งที่เรียกว่า ระบบสัมบูรณ์ของหน่วย โดยมีสามหน่วยพื้นฐานคือ หน่วยเวลาเป็นวินาที หน่วยความยาวเป็นมิลลิเมตร และหน่วยของมวลเป็นกรัม เนื่องจากการใช้หน่วยเฉพาะเหล่านี้ นักวิทยาศาสตร์จึงสามารถวัด ค่าสัมบูรณ์ของสนามแม่เหล็กโลก (ระบบนี้มีชื่อ SGS เกาส์).

ในช่วงทศวรรษที่ 1860 ภายใต้อิทธิพลของแมกซ์เวลล์และทอมสัน ข้อกำหนดที่ว่าหน่วยฐานและหน่วยที่ได้รับจะต้องเข้ากันได้นั้นถูกกำหนดขึ้น ด้วยเหตุนี้ ระบบ CGS จึงถูกนำมาใช้ในปี พ.ศ. 2417 โดยมีการแจกจ่ายคำนำหน้าเพื่อแสดงชุดย่อยและหน่วยทวีคูณของหน่วยตั้งแต่ไมโครไปจนถึงเมกะ

ในปี พ.ศ. 2418 ตัวแทนจาก 17 ประเทศ รวมทั้งรัสเซีย สหรัฐอเมริกา ฝรั่งเศส เยอรมนี อิตาลี ได้ลงนามในอนุสัญญาเมตริก ตามที่สำนักงานมาตรการระหว่างประเทศ คณะกรรมการมาตรการระหว่างประเทศได้จัดตั้งขึ้น และอนุสัญญาปกติเริ่มมีผลบังคับใช้ การประชุมใหญ่สามัญว่าด้วยมาตราชั่งตวงวัด (GCMW)… ในเวลาเดียวกัน งานเริ่มพัฒนามาตรฐานสากลสำหรับกิโลกรัมและมาตรฐานสำหรับเครื่องมือวัด

ในปี 1889 ในการประชุมครั้งแรกของ GKMV ระบบสถานีอวกาศนานาชาติขึ้นอยู่กับหน่วยเมตร กิโลกรัม และวินาที เช่นเดียวกับ CGS อย่างไรก็ตาม หน่วย ISS ดูเหมือนจะเป็นที่ยอมรับมากกว่า เนื่องจากสะดวกในการใช้งานจริง ระบบออปติกและหน่วยไฟฟ้าจะแนะนำในภายหลัง

ในปี พ.ศ. 2491 ตามคำสั่งของรัฐบาลฝรั่งเศสและสหภาพฟิสิกส์ทฤษฎีและฟิสิกส์ประยุกต์ระหว่างประเทศ การประชุมสมัชชาใหญ่ว่าด้วยน้ำหนักและการวัดครั้งที่ 9 ได้ออกคำสั่งให้คณะกรรมการระหว่างประเทศว่าด้วยน้ำหนักและมาตรการเสนอให้รวมระบบหน่วยของ การวัด ความคิดของเขาในการสร้างระบบเดียวของหน่วยการวัดที่ทุกประเทศสามารถยอมรับได้ - ภาคีของอนุสัญญาเมตริก

เป็นผลให้หกหน่วยต่อไปนี้ถูกเสนอและนำมาใช้ใน GCMW ที่สิบในปี 1954: เมตร กิโลกรัม วินาที แอมแปร์ เคลวิน และแคนเดลา ในปี 1956 ระบบนี้มีชื่อว่า «Systeme International d'Unities» - ระบบสากลของหน่วย

ในปี พ.ศ. 2503 มีการนำมาตรฐานมาใช้ ซึ่งเป็นครั้งแรกที่เรียกว่า «ระบบหน่วยสากล» และกำหนดให้ใช้ชื่อย่อว่า «เอสไอ» (เอสไอ).

หน่วยพื้นฐานยังคงเหมือนเดิม 6 หน่วย ได้แก่ เมตร กิโลกรัม วินาที แอมแปร์ เคลวิน และแคนเดลา หน่วยเพิ่มเติมอีก 2 หน่วย (เรเดียนและสเตอเรเดียน) และอนุพันธ์ที่สำคัญที่สุด 27 หน่วย โดยไม่ได้ระบุหน่วยอนุพันธ์อื่นๆ ล่วงหน้าที่สามารถบวกกันได้ - ช้า. (ตัวย่อในภาษารัสเซีย "SI" สามารถถอดรหัสเป็น "International System")

หน่วยพื้นฐานทั้งหกหน่วยนี้ ทั้งหน่วยเพิ่มเติมและหน่วยรับที่สำคัญที่สุดอีกยี่สิบเจ็ดหน่วย ใกล้เคียงกันอย่างสมบูรณ์กับหน่วยพื้นฐาน หน่วยเพิ่มเติมและหน่วยรับที่สอดคล้องกันซึ่งนำมาใช้ในเวลานั้นในมาตรฐานของรัฐสหภาพโซเวียตสำหรับหน่วยการวัดสำหรับสถานีอวกาศนานาชาติ MKSA МКСГ และ ระบบ MSS

ในปี 1963 ในสหภาพโซเวียตตาม GOST 9867-61 «ระบบหน่วยสากล», SI ได้รับการยอมรับว่าเป็นที่ต้องการสำหรับสาขาเศรษฐกิจของประเทศ, วิทยาศาสตร์และเทคโนโลยี, และสำหรับการสอนในสถาบันการศึกษา

ในปี 1968 ที่ GKMV ที่สิบสาม หน่วย "องศาเคลวิน" ถูกแทนที่ด้วย "เคลวิน" และการกำหนด "K" ก็ถูกนำมาใช้เช่นกัน นอกจากนี้ มีการใช้คำจำกัดความใหม่ของวินาที: วินาทีคือช่วงเวลาเท่ากับ 9,192,631,770 ช่วงการแผ่รังสี ซึ่งสอดคล้องกับการเปลี่ยนแปลงระหว่างระดับไฮเปอร์ไฟน์สองระดับของสถานะควอนตัมพื้นของอะตอมซีเซียม-133 ในปี 1997 จะมีการชี้แจงว่าช่วงเวลานี้หมายถึงอะตอมซีเซียม-133 ที่หยุดนิ่งที่ 0 K

ในปี พ.ศ. 2514 มีการเพิ่มหน่วยพื้นฐานอีกหน่วยหนึ่ง «โมล» ใน 14 GKMV ซึ่งเป็นหน่วยสำหรับปริมาณของสาร โมลคือปริมาณของสสารในระบบที่มีองค์ประกอบโครงสร้างมากเท่ากับจำนวนอะตอมในคาร์บอน-12 ซึ่งมีน้ำหนัก 0.012 กก. เมื่อใช้โมล จะต้องระบุองค์ประกอบโครงสร้างและสามารถเป็นอะตอม โมเลกุล ไอออน อิเล็กตรอน และอนุภาคอื่นๆ หรือกลุ่มของอนุภาคที่ระบุ

ในปี 1979 CGPM ครั้งที่ 16 ได้นำคำจำกัดความใหม่ของแคนเดลามาใช้ แคนเดลาคือความเข้มของการส่องสว่างในทิศทางที่กำหนดของแหล่งกำเนิดที่ปล่อยรังสีเอกรงค์ที่มีความถี่ 540 × 1012 Hz ซึ่งความเข้มของการส่องสว่างในทิศทางนั้นคือ 1/683 W / sr (วัตต์ต่อสเตอเรเดียน)

ในปี 1983 ได้มีการกำหนดนิยามใหม่ให้กับตัวนับ 17 GKMVเมตรคือความยาวของเส้นทางที่แสงเดินทางในสุญญากาศโดยมีหน่วยเป็น (1/299,792,458) วินาที

ในปี 2009 รัฐบาลสหพันธรัฐรัสเซียได้อนุมัติ "กฎระเบียบเกี่ยวกับหน่วยการวัดที่อนุญาตให้ใช้ในสหพันธรัฐรัสเซีย" และในปี 2015 ได้มีการแก้ไขเพิ่มเติมเพื่อไม่รวม "ระยะเวลาที่ถูกต้อง" ของหน่วยที่ไม่ใช่ระบบบางหน่วย

ข้อดีหลักของระบบ SI มีดังต่อไปนี้:

1. การรวมหน่วยของปริมาณทางกายภาพสำหรับการวัดประเภทต่างๆ

ระบบ SI อนุญาตให้ปริมาณทางกายภาพใดๆ ที่พบในสาขาเทคโนโลยีต่างๆ มีหน่วยร่วมหนึ่งหน่วยสำหรับพวกเขา ตัวอย่างเช่น จูลสำหรับงานทุกประเภทและปริมาณความร้อน แทนหน่วยต่างๆ ที่ใช้อยู่ในปัจจุบันสำหรับปริมาณนี้ (กิโลกรัม - แรง - เมตร, erg, แคลอรี่, วัตต์ชั่วโมง ฯลฯ )

2. ความเป็นสากลของระบบ

หน่วย SI ครอบคลุมทุกสาขาของวิทยาศาสตร์ เทคโนโลยี และเศรษฐกิจของประเทศ ไม่รวมความจำเป็นในการใช้หน่วยอื่น และโดยทั่วไปเป็นตัวแทนของระบบเดียวที่ใช้ร่วมกันในทุกพื้นที่ของการวัด

3. การเชื่อมต่อ (การเชื่อมโยงกัน) ของระบบ

ในสมการทางกายภาพทั้งหมดที่กำหนดหน่วยการวัดที่เป็นผลลัพธ์ ปัจจัยสัดส่วนจะเป็นปริมาณที่ไม่มีมิติเท่ากับเอกภาพเสมอ

ระบบ SI ช่วยให้การดำเนินการแก้สมการ การคำนวณ และการวาดกราฟและโนโมแกรมง่ายขึ้นอย่างมาก เนื่องจากไม่จำเป็นต้องใช้ปัจจัยการแปลงจำนวนมาก

4. ความกลมกลืนและความสอดคล้องกันของระบบ SI ช่วยอำนวยความสะดวกอย่างมากในการศึกษากฎทางกายภาพและกระบวนการสอนในการศึกษาวิทยาศาสตร์ทั่วไปและสาขาวิชาพิเศษ เช่นเดียวกับที่มาของสูตรต่างๆ

5.หลักการของการสร้างระบบ SI เปิดโอกาสให้สร้างหน่วยที่ได้มาใหม่ได้ตามต้องการ ดังนั้นรายชื่อหน่วยของระบบนี้จึงเปิดให้ขยายต่อไปได้

วัตถุประสงค์ของระบบ SI และบทบาทในระบบฟิสิกส์

จนถึงปัจจุบัน ระบบสากลของปริมาณทางกายภาพ SI ได้รับการยอมรับทั่วโลกและมีการใช้มากกว่าระบบอื่น ๆ ทั้งในด้านวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีและในชีวิตประจำวันของผู้คน ซึ่งเป็นระบบเมตริกเวอร์ชันที่ทันสมัย

ประเทศส่วนใหญ่ใช้หน่วย SI ในเทคโนโลยี แม้ว่าพวกเขาจะใช้หน่วยแบบดั้งเดิมสำหรับพื้นที่เหล่านั้นในชีวิตประจำวันก็ตาม ตัวอย่างเช่น ในสหรัฐอเมริกา หน่วยจารีตประเพณีถูกกำหนดเป็นหน่วย SI โดยใช้ค่าสัมประสิทธิ์คงที่

ปริมาณ การระบุ ชื่อภาษารัสเซีย ภาษารัสเซียสากล มุมแบนเรเดียนดีใจ rad มุมทึบสเตอเรเดียน พ. พ. อุณหภูมิในเซลเซียส องศาเซลเซียส OS ความถี่ เฮิรตซ์ Hz Hz แรง นิวตัน Z n พลังงาน จูล J J กำลังวัตต์ W W ความดัน ปาสคาล Pa Pa ฟลักซ์ส่องสว่าง ลูเมน lm lm ลักซ์ส่องสว่าง OK lx ประจุไฟฟ้าจี้ CL ° C ความต่างศักย์โวลต์ V V ความต้านทาน โอห์ม โอห์ม R ความจุไฟฟ้า ฟารัด F F ฟลักซ์แม่เหล็ก เวเบอร์ Wb Wb การเหนี่ยวนำแม่เหล็ก เทสลา T T ความเหนี่ยวนำ เฮนรี นาย H การนำไฟฟ้า ซีเมนส์ Cm C กิจกรรมของแหล่งกำเนิดกัมมันตภาพรังสี เบคเคอเรล Bq Bq ปริมาณการแผ่รังสีไอออไนซ์ที่ถูกดูดซับ สีเทา Gr Gy ปริมาณรังสีไอออไนซ์ที่มีประสิทธิภาพ Sievert Sv Sv กิจกรรมของตัวเร่งปฏิกิริยารีด cat cat

คำอธิบายอย่างละเอียดถี่ถ้วนของระบบ SI ในรูปแบบทางการมีอยู่ใน SI Booklet ซึ่งจัดพิมพ์ตั้งแต่ปี 1970 และส่วนเพิ่มเติม เอกสารเหล่านี้เผยแพร่บนเว็บไซต์ทางการของสำนักงานชั่งตวงวัดระหว่างประเทศ ตั้งแต่ปี 1985เอกสารเหล่านี้ออกเป็นภาษาอังกฤษและฝรั่งเศสและแปลเป็นหลายภาษาทั่วโลกเสมอ แม้ว่าภาษาทางการของเอกสารจะเป็นภาษาฝรั่งเศสก็ตาม

คำจำกัดความอย่างเป็นทางการที่ชัดเจนของระบบ SI มีดังนี้: "ระบบหน่วยสากล (SI) คือระบบหน่วยที่อิงตามระบบหน่วยสากล พร้อมด้วยชื่อและสัญลักษณ์ ชุดคำนำหน้า ชื่อและสัญลักษณ์ พร้อมกับกฎระเบียบสำหรับการใช้งานที่รับรองโดยการประชุมใหญ่สามัญว่าด้วยมาตราชั่งตวงวัด (CGPM) «.

ระบบ SI ถูกกำหนดโดยหน่วยพื้นฐาน 7 หน่วยของปริมาณทางกายภาพและอนุพันธ์ รวมถึงคำนำหน้า ตัวย่อมาตรฐานของการกำหนดหน่วยและกฎสำหรับการเขียนอนุพันธ์ถูกควบคุม มีเจ็ดหน่วยพื้นฐานเช่นเดิม: กิโลกรัม เมตร วินาที แอมแปร์ เคลวิน โมล แคนเดลา หน่วยฐานไม่ขึ้นกับขนาดและไม่สามารถรับมาจากหน่วยอื่น

สำหรับหน่วยที่ได้มานั้น สามารถหาได้จากหน่วยพื้นฐานโดยการดำเนินการทางคณิตศาสตร์ เช่น การหารหรือการคูณ หน่วยผลลัพธ์บางหน่วย เช่น "เรเดียน" "ลูเมน" "จี้" มีชื่อของตัวเอง

คุณสามารถใช้คำนำหน้าชื่อหน่วยได้ เช่น มิลลิเมตร — หนึ่งในพันของเมตร และ กิโลเมตร — หนึ่งพันเมตร คำนำหน้าหมายความว่าหนึ่งจะถูกหารหรือคูณด้วยจำนวนเต็มที่เป็นกำลังเฉพาะของสิบ