Физични величини и мерни единици (система SI)

Физични величини и мерни единици

Физичните процеси и явления се описват чрез физични величини. Физичните закони от своя страна установяват количествени съотношения между физичните величини. За установяване на такива съотношения е необходима възможност за измерване на различните физични величини.

Измерването на физична величина (напр. скорост) означава да сравним нейната големина с величина от същия вид приета за единица мярка. За всяка физична величина, може да се установи единица за измерване независимо от  други величини. Удобно е да се ограничим с произволен избор  на мерни единици за три величини, приети за основни. Мерните единици за всички останали величини установяваме на основата на трите основни мерки чрез физичните закони, свързващи съответните величини с основните. Например:

Единицата мярка за сила F  - нютон N, се установя чрез втория закон на Нютон свързващ масата и ускорението на едно  тяло получено под действие на сила:  F = ma.  Мерките за  маса m ( kg )   и  ускорение  а (m/s ²)   са подбрани така, че  силата е точно 1 N, когато под нейно действие тяло с маса 1 kg, получава ускорение 1 m/s ² или :

1 N =  1kg . 1 m/s ²

Съвкупността от мерните единици – основни и производни от тях образуват определена система. Система, в основата на която са положени единиците за дължина , маса и време, наричаме абсолютна. Такава е общоприетата система SI – Международна система за мерни единици. Основните единици в тази система са :

единицата за дължина – метър (m),

единица за маса – килограм (kg),

единица за време – секунда (s).

Метърът се определя като дължина, равна на 1650763,73 дължини на вълната , определена във вакуум, на излъчването при преход между нивата  2р₁₀   и  5d₅    на атома на криптон-86 (Kr ). Прилагат се по-малки и по–големи мерни единици за дължина от метъра:

1 km = 1000 m, 1 cm = 0,01 m = 10 ^-2  m, 1 mm = 0,001 m = 10 ^-3 m .

Килограмът се определя от масата на международния еталон на килограма от иридиево - платинена сплав, пазен в Международното бюро по мерки и теглилки в парижкото предградие Севър, Франция. Прилага се и мярката грам - 1g = 0,001 kg = 10 ^-3 kg.

Секундата се определя, като времето равно на сумата от 9192631770 периода на лъчението, което отговаря на преход между две свръхтесни нива на основното състояние на атома  на цезий Cs-133.

Съотношението, което показва, как се изменя мерната единица на произволна величина при изменение на основните единици, наричаме размерност на тази величина. Означението на размерността: например [v].  Размерността на основните величини се означава така: за дължина [l] = L, за маса [m] = M и за време [t] = T.  В посочените размерности  чрез степенни показатели (положителни или отрицателни числа) се описват размерностите на останалите величини. Например: размерност на скорост [v] = LT^-1, означава [v] = m/s , размерност на ускорение [а] = LT^-2 означава [а] = m/s², размерност на сила [f] = MLT^-2 означава [f] = kg. m/s ² = N. Аналогично се установяват размерностите на всички останали физични величини.

При анализ и действия с посочените по-долу величини е необходимо да се има предвид, тяхната принадлежност към двете основни  групи – скалари или вектори.

Скаларните физични величини се описват само с големина (числена стойност, число, което може да бъде положително или отрицателно). Такива са: дължина , маса, време, работа , енергия, мощност, площ, обем.

Векторните физични величини се описват едновременно със своя големина и посока. Тези две техни характеристики  могат да се променят с течение на времето или да бъдат постоянни. Такива са : скорост, ускорение, преместване, сила, импулс. Промяната на големината и посоката се описва със съответните закони при различните видове движения и взаимодействия в природата. 

Множители и представки за образуване на кратни единици:

10¹⁸     Е    екса                        10^-1       d    деци

10¹⁵     Р    пета                        10^-2       c    санти

10¹²     Т    тера                        10^-3      m    мили

10⁹      G    гига                        10^-6       μ    микро

10⁶      М   мега                        10^-9        n    нано

10³      к     кило                       10^-12      p    пико

10²      h    хекто                       10^-15     f     фемто

10¹     da    дека                        10^-18    a     ато