Номер 8, страница 211 - гдз по физике 10 класс учебник Мякишев, Синяков

Вопросы. Параграф 2.14. Примеры решения задач. Глава 2. Законы механики Ньютона. Динамика - номер 8, страница 211.

Условие.

8. Подготовьте доклад «Системы единиц: возникновение, структура и содержание».

Решение.

Возникновение

Потребность в измерении величин возникла в глубокой древности. Первые единицы измерения были основаны на частях человеческого тела (антропометрические) или на предметах быта. Например, в качестве единиц длины использовались локоть, пядь, фут, дюйм; в качестве единиц массы — зерно (гран). Главным недостатком таких систем была их нестабильность и разнообразие: размеры «эталонов» менялись от человека к человеку и от одной местности к другой. Это создавало значительные трудности в торговле, строительстве и управлении.

Первые попытки стандартизации были предприняты в крупных государствах древности, таких как Египет, Вавилон и Римская империя, где вводились единые государственные стандарты. Однако глобальная унификация отсутствовала.

Революционный прорыв произошел во Франции в конце XVIII века. В эпоху Просвещения и Великой французской революции была поставлена задача создать рациональную, универсальную и основанную на природных явлениях систему единиц, доступную «всем людям на все времена». Так появилась метрическая система. За основу единицы длины — метра — была взята одна десятимиллионная часть четверти парижского меридиана. За единицу массы — килограмм — была принята масса одного кубического дециметра чистой воды. Важнейшей особенностью системы стал десятичный принцип образования кратных и дольных единиц.

В 1875 году была подписана Метрическая конвенция, учреждавшая Международное бюро мер и весов (BIPM) и обеспечивавшая международное признание метрической системы. В науке, особенно в физике XIX века, широкое распространение получила система СГС (сантиметр-грамм-секунда). Дальнейшее развитие науки и техники потребовало более полной и согласованной системы, что привело к созданию в 1960 году Международной системы единиц (СИ, Système International d’Unités), которая сегодня является общепринятым стандартом в большинстве стран мира.

Ответ: Системы единиц возникли из-за необходимости в стандартизации измерений для торговли, строительства и науки. Они эволюционировали от разрозненных, основанных на частях тела мер (локоть, фут) к национальным стандартам, а затем к международной метрической системе, созданной во время Французской революции. Кульминацией этого процесса стало принятие в 1960 году Международной системы единиц (СИ), являющейся сегодня мировым стандартом.

Структура

Любая система физических единиц имеет четкую иерархическую структуру, которая базируется на разделении всех единиц на основные и производные.

1. Основные единицы. Это фундаментальные единицы, которые выбираются в качестве независимых для построения всей системы. Выбор основных величин и их единиц до некоторой степени произволен, но он диктуется соображениями удобства и точности воспроизведения. В системе СИ, например, в качестве основных выбраны единицы длины, массы, времени, силы электрического тока, термодинамической температуры, количества вещества и силы света.

2. Производные единицы. Эти единицы получаются из основных с помощью математических выражений (уравнений связи), следующих из физических законов. Например, единица скорости (метр в секунду, м/с) является производной от единиц длины (метр) и времени (секунда). Единица силы — ньютон ($Н$) — выражается через основные единицы как $кг \cdot м/с^2$. Системы, в которых все производные единицы образуются из основных без введения числовых коэффициентов, отличных от единицы, называются когерентными (согласованными). Система СИ является когерентной.

3. Кратные и дольные единицы. Для удобства измерения величин, значительно больших или меньших по сравнению с основной или производной единицей, используются кратные и дольные единицы. В метрических системах, включая СИ, они образуются с помощью стандартного набора десятичных приставок (например, кило-, мега-, гига- для кратных и милли-, микро-, нано- для дольных).

Ответ: Структура современной системы единиц, такой как СИ, иерархична. Она состоит из набора основных единиц, которые считаются независимыми (например, метр, килограмм, секунда), и производных единиц, которые образуются из основных путем математических операций умножения и деления без каких-либо числовых коэффициентов. Для удобства представления очень больших или очень малых величин используются стандартные десятичные приставки (кило-, милли- и т.д.).

Содержание

Содержание системы единиц определяется конкретным перечнем ее основных и производных единиц, а также их определениями.

Международная система единиц (СИ) является наиболее распространенной и полной. Она включает в себя семь основных единиц:

• Метр (м) — единица длины.
• Килограмм (кг) — единица массы.
• Секунда (с) — единица времени.
• Ампер (А) — единица силы электрического тока.
• Кельвин (К) — единица термодинамической температуры.
• Моль (моль) — единица количества вещества.
• Кандела (кд) — единица силы света.

С 20 мая 2019 года вступила в силу историческая реформа СИ: определения всех основных единиц были пересмотрены и теперь базируются не на физических артефактах (как ранее килограмм), а на фундаментальных физических постоянных, значения которых зафиксированы. Например, килограмм определяется через постоянную Планка ($h$), метр — через скорость света в вакууме ($c$), секунда — через частоту излучения атома цезия-133.

На основе этих семи единиц строятся все производные единицы СИ, многие из которых имеют собственные названия: ньютон (сила), джоуль (энергия), ватт (мощность), паскаль (давление), вольт (напряжение), ом (сопротивление) и другие.

Помимо СИ, существуют и другие системы:

• Система СГС (сантиметр-грамм-секунда): исторически важна, до сих пор используется в некоторых разделах теоретической физики. Имеет несколько разновидностей для описания электромагнитных явлений (СГСЭ, СГСМ, Гауссова).
• Имперская (британская) и американская традиционная системы: используются в основном в США и некоторых других странах. Основные единицы — фут (длина), фунт (масса/вес), секунда (время). Характеризуются сложными, не десятичными соотношениями между единицами (например, 1 фут = 12 дюймов, 1 миля = 1760 ярдов).

Ответ: Содержание системы единиц определяется набором ее основных и производных единиц. В Международной системе единиц (СИ) выделяют семь основных единиц: метр (длина), килограмм (масса), секунда (время), ампер (сила тока), кельвин (температура), моль (количество вещества) и кандела (сила света). С 2019 года все основные единицы СИ определяются через фундаментальные физические константы, что обеспечивает их точность и неизменность. Помимо СИ, существуют и другие системы, например, СГС и имперская система, но их использование ограничено.