En 1875, la Conferencia Métrica fundó la Oficina Internacional de Pesas y Medidas; su propósito era crear sistema unificado mediciones que encontrarían aplicación en todo el mundo. Se decidió tomar como base el sistema métrico, que apareció durante la Revolución Francesa y se basaba en el metro y el kilogramo. Posteriormente se aprobaron las normas del metro y el kilogramo. Con el tiempo, el sistema de unidades de medida ha ido evolucionando y actualmente cuenta con siete unidades de medida básicas. En 1960, este sistema de unidades recibió el nombre moderno de Sistema Internacional de Unidades (Sistema SI) (Systeme Internatinal d "Unites (SI)). El Sistema SI no es estático; se desarrolla de acuerdo con los requisitos que se imponen actualmente a mediciones en ciencia y tecnología.
Unidades básicas de medida del Sistema Internacional de Unidades
La definición de todas las unidades auxiliares del sistema SI se basa en siete unidades de medida básicas. Las principales cantidades físicas del Sistema Internacional de Unidades (SI) son: longitud ($l$); masa ($m$); tiempo ($t$); fuerza corriente eléctrica($Yo$); Temperatura Kelvin (temperatura termodinámica) ($T$); cantidad de sustancia ($\nu $); intensidad luminosa ($I_v$).
Las unidades básicas del sistema SI son las unidades de las cantidades mencionadas anteriormente:
\[\left=m;;\ \left=kg;;\ \left=s;\ \left=A;;\ \left=K;;\ \ \left[\nu \right]=mol;;\ \left=cd\ (candela).\]
Estándares de unidades básicas de medida en el SI.
Presentemos las definiciones de los estándares de unidades de medida básicas como se hace en el sistema SI.
Metro (m) es la longitud del camino que recorre la luz en el vacío en un tiempo igual a $\frac(1)(299792458)$ s.
Masa estándar para SI es una pesa en forma de cilindro recto, cuya altura y diámetro es de 39 mm, compuesta por una aleación de platino e iridio que pesa 1 kg.
Un segundo (s) llamado intervalo de tiempo que es igual a 9192631779 períodos de radiación, que corresponde a la transición entre dos niveles hiperfinos del estado fundamental del átomo de cesio (133).
Un amperio (A)- esta es la intensidad de la corriente que pasa por dos conductores rectos, infinitamente delgados y largos, ubicados a una distancia de 1 metro, ubicados en el vacío, generando una fuerza en amperios (la fuerza de interacción de los conductores) igual a $2\cdot (10)^( -7)N$ por cada metro de conductor.
Un kelvin (K)- esta es la temperatura termodinámica igual a $\frac(1)(273.16)$ parte de la temperatura del punto triple del agua.
Un mol (mol)- esta es la cantidad de una sustancia que tiene el mismo número de átomos que hay en 0,012 kg de carbono (12).
Una candela (cd) igual a la intensidad de la luz emitida por una fuente monocromática con una frecuencia de $540\cdot (10)^(12)$Hz con una fuerza energética en la dirección de la radiación $\frac(1)(683)\frac(W) (promedio).$
La ciencia se desarrolla, se mejora la tecnología de medición y se revisan las definiciones de unidades de medida. Cuanto mayor sea la precisión de la medición, mayores serán los requisitos para determinar las unidades de medida.
Cantidades derivadas del SI
Todas las demás cantidades se consideran en el sistema SI como derivadas de las básicas. Las unidades de medida de cantidades derivadas se definen como el resultado del producto (teniendo en cuenta el grado) de las básicas. Demos ejemplos de cantidades derivadas y sus unidades en el sistema SI.
El sistema SI también tiene cantidades adimensionales, por ejemplo, coeficiente de reflexión o constante dieléctrica relativa. Estas cantidades tienen dimensión uno.
El sistema SI incluye unidades derivadas con nombres especiales. Estos nombres son formas compactas de representar combinaciones de cantidades básicas. Demos ejemplos de unidades SI que tienen nombres propios(Tabla 2).
Cada cantidad SI tiene solo una unidad, pero la misma unidad se puede utilizar para diferentes cantidades. Joule es una unidad de medida para la cantidad de calor y trabajo.
Sistema SI, unidades de medida múltiplos y submúltiplos
El Sistema Internacional de Unidades tiene un conjunto de prefijos para unidades de medida que se utilizan si los valores numéricos de las cantidades en cuestión son significativamente mayores o menores que la unidad del sistema que se utiliza sin el prefijo. Estos prefijos se utilizan con cualquier unidad de medida; en el sistema SI son decimales.
Demos ejemplos de tales prefijos (Tabla 3).
Al escribir, el prefijo y el nombre de la unidad se escriben juntos, de modo que el prefijo y la unidad de medida forman un solo símbolo.
Tenga en cuenta que la unidad de masa en el sistema SI (kilogramo) históricamente ya ha tenido un prefijo. Los múltiplos y submúltiplos decimales del kilogramo se obtienen conectando el prefijo al gramo.
Unidades fuera del sistema
El sistema SI es universal y conveniente en las comunicaciones internacionales. Casi todas las unidades que no están incluidas en el sistema SI se pueden definir utilizando términos SI. En la enseñanza de las ciencias se prefiere el uso del sistema SI. Sin embargo, hay algunas cantidades que no están incluidas en el SI, pero que se utilizan ampliamente. Así, unidades de tiempo como minuto, hora, día forman parte de la cultura. Algunas unidades se utilizan por razones históricas. Cuando se utilizan unidades que no pertenecen al sistema SI, es necesario indicar cómo se convierten a unidades SI. En la Tabla 4 se da un ejemplo de unidades.
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Libros
- Hidráulica. Libro de texto y taller para la licenciatura académica de V. A. Kudinov. El libro de texto describe las propiedades físicas y mecánicas básicas de los líquidos, cuestiones de hidrostática e hidrodinámica, proporciona los fundamentos de la teoría de la similitud hidrodinámica y la modelización matemática...
- Hidráulica 4ª ed., trad. y adicional Libro de texto y taller para la licenciatura académica, Eduard Mikhailovich Kartashov. El libro de texto describe las propiedades físicas y mecánicas básicas de los líquidos, cuestiones de hidrostática e hidrodinámica, proporciona los conceptos básicos de la teoría de la similitud hidrodinámica y el modelado matemático...
Tamaño físico llamado propiedad fisica Objeto material, proceso, fenómeno físico, caracterizado cuantitativamente.
Valor de cantidad física expresado por uno o más números que caracterizan esta cantidad física, indicando la unidad de medida.
El tamaño de una cantidad física. son los valores de los números que aparecen en el valor de una cantidad física.
Unidades de medida de cantidades físicas.
Unidad de medida de cantidad física. Es una cantidad de tamaño fijo a la que se le asigna un valor numérico igual a uno. Se utiliza para la expresión cuantitativa de cantidades físicas homogéneas con él. Un sistema de unidades de cantidades físicas es un conjunto de unidades básicas y derivadas basadas en un determinado sistema de cantidades.
Sólo unos pocos sistemas de unidades se han generalizado. En la mayoría de los casos, muchos países utilizan el sistema métrico.
Unidades básicas.
Medir una cantidad física - significa compararla con otra cantidad física similar tomada como unidad.
La longitud de un objeto se compara con una unidad de longitud, la masa de un cuerpo con una unidad de peso, etc. Pero si un investigador mide la longitud en brazas y otro en pies, les resultará difícil comparar los dos valores. Por lo tanto, todas las cantidades físicas en todo el mundo suelen medirse en las mismas unidades. En 1963, se adoptó el Sistema Internacional de Unidades SI (Sistema Internacional - SI).
Para cada magnitud física en el sistema de unidades debe haber una unidad de medida correspondiente. Estándar unidades es su implementación física.
El estándar de longitud es metro- la distancia entre dos golpes aplicados sobre una varilla de forma especial hecha de una aleación de platino e iridio.
Estándar tiempo Sirve como la duración de cualquier proceso que se repite regularmente, para el cual se elige el movimiento de la Tierra alrededor del Sol: la Tierra hace una revolución por año. Pero la unidad de tiempo no se considera un año, sino Dame un segundo.
por una unidad velocidad tomar la velocidad de tal uniforme movimiento rectilíneo, en el que el cuerpo se mueve 1 m en 1 s.
Se utiliza una unidad de medida separada para el área, el volumen, la longitud, etc. Cada unidad se determina al elegir un estándar particular. Pero el sistema de unidades es mucho más conveniente si solo se seleccionan unas pocas unidades como principales y el resto se determina a través de las principales. Por ejemplo, si la unidad de longitud es el metro, entonces la unidad de área sería metro cuadrado, volumen - metro cúbico, velocidad - metros por segundo, etc.
Unidades básicas Las cantidades físicas en el Sistema Internacional de Unidades (SI) son: metro (m), kilogramo (kg), segundo (s), amperio (A), kelvin (K), candela (cd) y mol (mol).
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Unidades básicas del SI |
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Magnitud |
Unidad |
Designación |
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Nombre |
ruso |
internacional |
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Fuerza de corriente eléctrica |
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Temperatura termodinámica |
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El poder de la luz |
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Cantidad de sustancia |
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También existen unidades SI derivadas que tienen sus propios nombres:
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Unidades SI derivadas con nombres propios |
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Unidad |
Expresión de unidad derivada |
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Magnitud |
Nombre |
Designación |
A través de otras unidades SI |
A través de unidades SI mayores y suplementarias |
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Presión |
m -1 ChkgChs -2 |
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Energía, trabajo, cantidad de calor. |
m 2 ChkgChs -2 |
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|
Potencia, flujo de energía. |
m 2 ChkgChs -3 |
|||
|
Cantidad de electricidad, carga eléctrica. |
||||
|
Tensión eléctrica, potencial eléctrico. |
m 2 ChkgChs -3 ChA -1 |
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|
Capacidad eléctrica |
m -2 Chkg -1 Ch 4 Ch 2 |
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|
m 2 ChkgChs -3 ChA -2 |
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|
Conductividad eléctrica |
m -2 Chkg -1 Ch 3 Ch 2 |
|||
|
Flujo de inducción magnética |
m 2 ChkgChs -2 ChA -1 |
|||
|
Inducción magnética |
kgHs -2 HA -1 |
|||
|
Inductancia |
m 2 ChkgChs -2 ChA -2 |
|||
|
Flujo de luz |
||||
|
Iluminación |
m 2 ChkdChsr |
|||
|
Actividad de fuentes radiactivas |
becquerel |
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|
Dosis de radiación absorbida |
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Ymediciones. Para obtener una descripción precisa, objetiva y fácilmente reproducible de una cantidad física, se utilizan mediciones. Sin mediciones, una cantidad física no se puede caracterizar cuantitativamente. Definiciones como presión “baja” o “alta”, temperatura “baja” o “alta” reflejan sólo opiniones subjetivas y no contienen comparaciones con valores de referencia. Al medir una cantidad física, se le asigna un determinado valor numérico.
Las mediciones se realizan utilizando instrumentos de medición. hay bastante un gran número de Instrumentos y dispositivos de medida, desde los más simples hasta los más complejos. Por ejemplo, la longitud se mide con una regla o cinta métrica, la temperatura con un termómetro y el ancho con un calibre.
Los instrumentos de medida se clasifican: por el método de presentación de la información (visualización o registro), por el método de medición (acción directa y comparación), por la forma de presentación de las lecturas (analógica y digital), etc.
Los siguientes parámetros son típicos de los instrumentos de medición:
Rango de medición- el rango de valores de la cantidad medida para el cual está diseñado el dispositivo durante su funcionamiento normal (con una precisión de medición determinada).
Umbral de sensibilidad- el valor mínimo (umbral) del valor medido, distinguido por el dispositivo.
Sensibilidad- conecta el valor del parámetro medido y el cambio correspondiente en las lecturas del instrumento.
Exactitud- la capacidad del dispositivo para indicar el valor real del indicador medido.
Estabilidad- la capacidad del dispositivo para mantener una precisión de medición determinada durante un tiempo determinado después de la calibración.
Viviendo en el tiempo, no conocemos el tiempo.
Así no nos entendemos a nosotros mismos
Sin embargo, ¿nacimos en ese momento?
¿Qué tiempo nos dirá: “Vete”!
¿Y cómo reconocemos lo que significa nuestro tiempo?
¿Y qué tipo de futuro esconde nuestro tiempo?
¡Pero el tiempo somos nosotros! ¡Nadie más!
¡Estamos contigo!P. Fleming
Entre las numerosas cantidades físicas, existen aquellas básicas a través de las cuales todas las demás se expresan mediante determinadas relaciones cuantitativas. Este - longitud, tiempo y masa. Echemos un vistazo más de cerca a estas cantidades y sus unidades de medida.
1. LONGITUD. MÉTODOS DE MEDICIÓN DE DISTANCIAS
Longitud
–
medida para medir la distancia
. Caracteriza la extensión en el espacio. Los intentos de medir subjetivamente la longitud se realizaron hace más de 4.000 años: en el siglo III, en China, se inventó un dispositivo para medir distancias: un carro ligero tenía un sistema de engranajes conectado a una rueda y un tambor. Cada li (576 m) estaba marcado por el ritmo de un tambor. Con este invento el ministro Pei Xiu creó un “Atlas Regional” en 18 hojas y mapa grande China sobre seda, que era tan grande que a una sola persona le resultaba difícil desenrollarla.
Existir Datos interesantes medidas de longitud. Así, por ejemplo, los marineros midieron su camino. tubos
, es decir, la distancia que recorre el barco durante el tiempo que tarda el marinero en fumar una pipa. En España existía una unidad similar cigarro
, y en Japón - herradura
(una suela de paja que reemplazó a una herradura). También hubo Pasos
(entre los antiguos romanos), y arshins
(?71 cm) y luz (?18 cm). Por tanto, la ambigüedad de los resultados de la medición mostró la necesidad de introducir una unidad consistente. En realidad, pulgada
(2,54 cm ingresados como longitud pulgar, del verbo "pulgada") y pie
(30 cm, como la longitud del pie del inglés "foot" - pie) era difícil de comparar.
Figura 1. El metro como patrón de longitud desde 1889 hasta 1960
De 1889 a 1960, se utilizó como unidad de longitud una diezmillonésima parte de la distancia medida a lo largo del meridiano de París desde el Polo Norte hasta el ecuador. metro
(del griego metrón - medida) (Fig. 1).
Como patrón de longitud se utilizó una varilla de aleación de platino-iriadio que se almacenó en Sèvres, cerca de París. Hasta 1983, se consideraba que un metro equivalía a 1650763,73 longitudes de onda de la línea espectral naranja emitida por una lámpara de criptón.
El descubrimiento del láser (en 1960 en EE.UU.) permitió medir la velocidad de la luz con mayor precisión (?с=299.792.458 m/s) en comparación con la lámpara de criptón.
Metro
– unidad de longitud igual a la distancia que recorre la luz en el vacío en el tiempo? 99.792.458 págs.
El rango de medición del tamaño de los objetos en la naturaleza se muestra en la Figura 2.
Figura 2. Rango de medición del tamaño de objetos en la naturaleza.
Métodos para medir distancias. Para medir distancias y tamaños de cuerpos relativamente pequeños, se utiliza una cinta métrica, una regla o un metro. Si los volúmenes medidos son pequeños y se requiere mayor precisión, las mediciones se realizan con un micrómetro o un calibre. Al medir grandes distancias se utilizan diferentes métodos: triangulación, radar. Por ejemplo, la distancia a cualquier estrella o luna se mide mediante el método triangulación (Fig. 3).
Fig. 3. Método de triangulación
Conociendo la base - distancia yo entre dos telescopios ubicados en los puntos A y B de la Tierra, y los ángulos a1 Y a2, bajo el cual se dirigen hacia la Luna, puedes encontrar las distancias AC y BC:
Para determinar la distancia a una estrella, se puede utilizar como base el diámetro de la órbita de la Tierra alrededor del Sol (Fig. 4).
Fig.4. Determinar la distancia a una estrella.
Actualmente, la distancia de los planetas más cercanos a la Tierra se mide mediante el método rango láser . Un rayo láser enviado, por ejemplo, hacia la Luna se refleja y, al regresar a la Tierra, es recibido por una fotocélula (Fig. 5).
Arroz. 5. Medición de distancias mediante alcance láser.
Midiendo el intervalo de tiempo t0 tras el cual regresa el haz reflejado y conociendo la velocidad de la luz “c”, se puede encontrar la distancia al planeta: .
Para medir distancias pequeñas usando un microscopio convencional, puedes dividir un metro en un millón de partes y obtener micrómetro, o micrón. Sin embargo, es imposible continuar con la división de esta manera, ya que los objetos cuyo tamaño sea inferior a 0,5 micrones no se pueden ver con un microscopio normal.
Fig.6. Una fotografía de microscopio iónico de átomos de carbono en grafito.
microscopio de iones (Fig. 6) permite medir el diámetro de átomos y moléculas del orden de 10~10 m. La distancia entre átomos es de 1,5?10~10m. El espacio intraatómico está prácticamente vacío, con un pequeño núcleo en el centro del átomo. La observación de la dispersión de partículas de alta energía a medida que pasan a través de una capa de materia permite sondear el material hasta el tamaño núcleos atómicos(10 a 15 m).
2. TIEMPO. MEDICIÓN DE DIFERENTES PLAZOS DE TIEMPO
El tiempo es una medida para medir diferentes períodos de tiempo.
. Es una medida de la velocidad a la que se produce cualquier cambio, es decir una medida de la velocidad de los acontecimientos. La medición del tiempo se basa en procesos cíclicos periódicos y repetitivos.
Se cree que el primer reloj fue estilo
, inventado en China a finales del siglo XVI. El tiempo se midió por la longitud y dirección de la sombra de un poste vertical (gnomon) iluminado por el sol. Este indicador en la sombra sirvió como primer reloj.
Durante mucho tiempo se ha observado que los fenómenos astronómicos tienen la mayor estabilidad y repetibilidad; El día da paso a la noche y las estaciones se alternan regularmente. Todos estos fenómenos están asociados con el movimiento del Sol en la esfera celeste. El calendario fue creado sobre su base.
Medir períodos de tiempo cortos (alrededor de 1 hora) sigue siendo durante mucho tiempo una tarea difícil que el científico holandés superó brillantemente. Christian Huygens(Figura 7).
Fig.7. Christian Huygens
En 1656 diseñó un reloj de péndulo cuyas oscilaciones estaban sostenidas por una pesa y cuyo error era de 10 s por día. Pero a pesar de la constante mejora de los relojes y la creciente precisión de la medición del tiempo, el segundo (definido como 1/86400 de un día) no podía utilizarse como estándar constante de tiempo. Esto se explica por una ligera desaceleración en la velocidad de rotación de la Tierra alrededor de su eje y el correspondiente aumento en el período de revolución, es decir. duración del día.
Fue posible obtener un estándar de tiempo estable gracias al estudio de los espectros de emisión de diferentes átomos y moléculas, lo que permitió medir el tiempo con una precisión única. El período de las oscilaciones electromagnéticas emitidas por los átomos se mide con error relativo alrededor de 10 a 10 s (Fig. 8).
Fig.8. Rango de medición del tiempo para objetos en el Universo.
En 1967, se introdujo un nuevo segundo estándar. Un segundo es una unidad de tiempo igual a 9.192.631.770 períodos de radiación del isótopo del átomo de cesio: 133.
La radiación de cesio-133 se reproduce y mide fácilmente en condiciones de laboratorio. El error de estos “relojes atómicos” por año es de 3*10-7 s.
Para medir un período de tiempo más largo, se utiliza un tipo diferente de periodicidad. Numerosos estudios de isótopos radiactivos (que se desintegran con el tiempo) han demostrado que el tiempo durante el cual su número disminuye 2 veces (media vida), es un valor constante. Esto significa que la vida media permite elegir la escala de tiempo.
La elección del isótopo para medir el tiempo depende del intervalo de tiempo aproximado que se mide. La vida media debe ser proporcional al intervalo de tiempo esperado (Tabla 1).
tabla 1
Vida media de algunos isótopos.
En la investigación arqueológica, el isótopo de carbono 14C que se mide con mayor frecuencia, tiene una vida media de 5.730 años. La edad del antiguo manuscrito se estima en 5730 años, si el contenido de 14C en él es 2 veces menor que el original (lo cual se sabe). Cuando el contenido de 14C disminuye 4 veces respecto al original, la edad del objeto es múltiplo de dos vidas medias, es decir, igual a 11.460 años. Para medir períodos de tiempo aún más largos, se utilizan otros isótopos radiactivos que tienen vidas medias más largas. El isótopo de uranio 238U (vida media de 4.500 millones de años) se convierte en plomo como resultado de su desintegración. La comparación del contenido de uranio y plomo en las rocas y el agua del océano permitió establecer la edad aproximada de la Tierra, que es de unos 5,5 mil millones de años.
3. PESO
Si la longitud y el tiempo son características fundamentales del tiempo y el espacio, entonces la masa es una característica fundamental de la materia. Todos los cuerpos tienen masa: sólido, líquido, gaseoso; de diferente tamaño (de 10 a 30 a 1050 kg), como se muestra en la Fig. 9.
Fig.9. Rango de medida de la masa de los objetos en el Universo.
La masa caracteriza las propiedades iguales de la materia.
Una persona recuerda la masa de un cuerpo en diversas situaciones: al hacer la compra, en juegos deportivos, en la construcción... - en todo tipo de actividades hay motivos para preguntar sobre la masa de un cuerpo en particular. La masa es una cantidad no menos misteriosa que el tiempo. El estándar de masa de 1 kg, desde 1884, es un cilindro de platino-iridio almacenado en la Cámara Internacional de Pesas y Medidas, cerca de París. Las cámaras nacionales de pesos y medidas tienen copias de dicha norma.
Un kilogramo es una unidad de masa igual a la masa del kilogramo estándar internacional.
Kilogramo
(de Palabras francesas kilo – mil y gramo – medida pequeña). Un kilogramo es aproximadamente igual a la masa de 1 litro. agua limpia a 15 0 C.
Trabajar con un patrón de masa real requiere especial cuidado, ya que el contacto con las pinzas e incluso el impacto aire atmosférico puede provocar un cambio en la masa del estándar. La determinación de la masa de objetos que tienen un volumen acorde con el volumen del estándar de masa se puede realizar con un error relativo del orden de 10 a 9 kg.
4. DISPOSITIVOS FÍSICOS
Los instrumentos físicos se utilizan para realizar diversos tipos de investigaciones y experimentos. A medida que la física se desarrolló, mejoró y se volvió más compleja (ver. Solicitud
).
Algunos instrumentos físicos son muy simples, por ejemplo una regla (Fig. 10), una plomada (un peso suspendido de un hilo) que permite verificar la verticalidad de las estructuras, un nivel, un termómetro, un cronómetro, una fuente de corriente. ; motor electrico, relevo, etc.
Figura 10. Gobernante
Los experimentos científicos suelen utilizar instrumentos e instalaciones complejos, que han mejorado y se han vuelto más complejos a medida que se han desarrollado la ciencia y la tecnología. Así, para estudiar las propiedades de las partículas elementales que forman una sustancia, utilizan aceleradores - instalaciones enormes y complejas equipadas con muchos instrumentos diferentes de medición y registro. En los aceleradores, las partículas se aceleran a velocidades enormes, cercanas a la de la luz, y se convierten en “proyectiles” que bombardean materia colocada en cámaras especiales. Los fenómenos que ocurren durante este proceso nos permiten sacar conclusiones sobre la estructura de los núcleos atómicos y las partículas elementales. Gran acelerador creado en 1957. V La ciudad de Dubna, cerca de Moscú, tiene un diámetro de 72 my el acelerador de la ciudad de Serpukhov tiene un diámetro de 6 km (Figura 11).
Figura 11. Acelerador
Al realizar observaciones astronómicas se utilizan diversos instrumentos. El principal instrumento astronómico es el telescopio. Le permite obtener una imagen del sol, la luna y los planetas.
5. SISTEMA MÉTRICO INTERNACIONAL DE UNIDADES "SI"
Miden todo: los médicos determinan la temperatura corporal, la capacidad pulmonar, la altura y el pulso de los pacientes; los vendedores pesan productos, miden metros de tela; los sastres toman medidas a los amantes de la moda; los músicos mantienen estrictamente el ritmo y el tempo, contando compases; los farmacéuticos pesan los polvos y miden la cantidad necesaria de medicamento en frascos; Los profesores de educación física no se separan de una cinta métrica y un cronómetro, determinando los destacados logros deportivos de los escolares... Todos los habitantes del planeta miden, estiman, evalúan, comparan, cuentan, distinguen, miden, miden y cuentan, cuentan, cuentan ...
Cada uno de nosotros, sin duda, sabe que antes de medir, debemos establecer "la unidad con la que compararemos la distancia medida, el período de tiempo o la masa".
Otra cosa está clara: todo el mundo necesita ponerse de acuerdo sobre las unidades, de lo contrario surgirá una confusión inimaginable. En los juegos también son posibles los malentendidos: el paso de uno es mucho más corto, el de otro es más largo (Ejemplo: “Cogeremos un penalti desde siete pasos”). Los científicos de todo el mundo prefieren trabajar con un sistema de unidades de medida coherente y lógicamente coherente. En la Conferencia General de Pesas y Medidas de 1960, se llegó a un acuerdo sobre el sistema internacional de unidades: Systems International d "Unite"s (abreviado como "unidades SI"). Este sistema incluye siete unidades básicas
medida y todas las demás unidades de medida derivados
se derivan de las básicas multiplicando o dividiendo una unidad por otra sin conversiones numéricas (Tabla 2).
Tabla 2
Unidades básicas de medida "SI"
El sistema internacional de unidades es métrico . Esto significa que los múltiplos y submúltiplos siempre se forman a partir de unidades básicas de la misma manera: multiplicando o dividiendo por 10. Esto es conveniente, especialmente cuando se escriben números muy grandes y muy pequeños. Por ejemplo, la distancia de la Tierra al Sol, aproximadamente igual a 150.000.000 km, se puede escribir de la siguiente manera: 1,5 * 100.000.000 km. Ahora reemplacemos el número 100.000.000 por 108. Así, la distancia al Sol se escribe como:
1,5 * 10 8 km = l.5 * 10 8 * 10 3 M = l.5 * 10 8 + 3 m = l.5 * 10 11 m.
Otro ejemplo.
El diámetro de una molécula de hidrógeno es 0,00000002 cm.
Número 0.00000002 = 2/100.000.000 = 2/10 8. Para la multiplicidad, el número 1/10 8 se escribe en la forma 10 –8. Entonces, el diámetro de una molécula de hidrógeno es 2*10 –8 cm.
Pero dependiendo del rango de medida conviene utilizar unidades de mayor o menor tamaño. Estos múltiplos
Y lobar
las unidades se diferencian de las básicas en órdenes de magnitud. El nombre de la cantidad principal es la raíz de la palabra y el prefijo caracteriza la diferencia correspondiente en el orden.
Por ejemplo, el prefijo “kilo-” significa introducir una unidad mil veces (3 órdenes de magnitud) mayor que la base: 1 km = 10 3 m.
La Tabla 3 muestra prefijos para la formación de múltiplos y submúltiplos.
Tabla 3
Prefijos para formar múltiplos y submúltiplos decimales
Grado |
Consola |
Símbolo |
Ejemplos |
Grado |
Consola |
Símbolo |
Ejemplos |
exajulio, EJ |
decibelio, dB |
||||||
petasegundo, Ps |
centímetro, cm |
||||||
terahercios, THz |
milímetro, mm |
||||||
gigavoltio, GV |
microgramo, mcg |
||||||
megavatios, MW |
nanómetro, nm |
||||||
kilogramo, kg |
10 –12 |
picofaradio, pF |
|||||
hectopascales, hPa |
10 –15 |
femtómetro, fm |
|||||
decatesla, dT |
10 –18 |
attoculombio, aCl |
Los múltiplos y submúltiplos introducidos de esta manera suelen caracterizar objetos físicos en orden de magnitud.
Muchas cantidades físicas son constantes. constantes
(de la palabra latina constantes- constante, inmutable) (Tabla 4). Por ejemplo, la temperatura de fusión del hielo y la temperatura de ebullición del agua, la velocidad de propagación de la luz y las densidades de diversas sustancias son constantes en estas condiciones. Las constantes se miden cuidadosamente en laboratorios científicos y entró en las tablas de libros de referencia y enciclopedias. Los científicos e ingenieros utilizan tablas de búsqueda.
Tabla 4
Constantes fundamentales
Constante |
Designación |
Significado |
Velocidad de la luz en el vacío |
2,998 * 10 8 m/s |
|
constante de Planck |
6,626 * 10 –34 J*s |
|
carga de electrones |
1,602 * 10 –19C |
|
Constante eléctrica |
8,854 * 10 –12 Cl 2 / (N * m2) |
|
la constante de faraday |
9,648 * 104C/mol |
|
Permeabilidad magnética del vacío. |
4 * 10 –7 Wb/(A*m) |
|
Unidad de masa atómica |
1,661 * 10-27kg |
|
constante de Boltzmann |
1,38 * 10 –23 J/K |
|
la constante de avogadro |
6,02 * 10 23 mol–1 |
|
Constante molar de los gases |
8,314 J/(mol*K) |
|
Constante gravitacional |
6,672 * 10 –11 N * m2/kg2 |
|
masa de electrones |
9.109 * 10 –31 kilogramos |
|
masa de protones |
1,673 * 10-27 kg |
|
Masa de neutrones |
1,675 * 10-27 kg |
6. UNIDADES RUSAS NO MÉTRICAS
Se muestran en la Tabla 5.
Tabla 5
Unidades rusas no métricas
Cantidades |
Unidades |
Valor en unidades SI, múltiplos y submúltiplos del mismo |
| milla (7 verstas) | ||
| versta (500 brazas) | ||
| braza (3 arshins; 7 libras; 100 acres) | ||
| Costura | ||
| arshin (4 cuartos; 16 vershok; 28 pulgadas) | ||
| cuarto (4 pulgadas) | ||
| pulgada | ||
| pies (12 pulgadas) | 304,8 mm (exacto) |
|
| pulgadas (10 líneas) | 25,4 mm (exacto) |
|
| línea (10 puntos) | 2,54 mm (exacto) |
|
| punto | 254 micras (exactamente) |
|
| diseño cuadrado | ||
| diezmo | ||
| braza cuadrada | ||
| braza cúbica | ||
| arshin cúbico | ||
| vershok cúbico | ||
Capacidad |
balde | |
| cuarto (para sólidos a granel) | ||
| cuádruple (8 granates; 1/8 de cuarto) | ||
| granates | ||
| Berkovets (10 poods) | ||
| pood (40 libras) | ||
| libra (32 lotes; 96 carretes) | ||
| lote (3 carretes) | ||
| carrete (96 acciones) | ||
| compartir | ||
fuerza, peso |
Berkovets (163,805 kgf) | |
| pood (16,3805 kgf) | ||
| libras (0,409512 kgf) | ||
| lote (12,7973 gs) | ||
| carrete (4,26575 gf) | ||
| compartir (44,4349 mg) |
* Los nombres de las unidades rusas de fuerza y peso coincidieron con los nombres de las unidades rusas de masa.
7. MEDICIÓN DE CANTIDADES FÍSICAS
Prácticamente cualquier experimento, cualquier observación en física va acompañada de la medición de cantidades físicas. Las cantidades físicas se miden utilizando instrumentos especiales. Muchos de estos dispositivos ya los conoce. Por ejemplo, una regla (Fig. 7). Puedes medir las dimensiones lineales de los cuerpos: largo, alto y ancho; reloj o cronómetro - tiempo; Con la ayuda de básculas de palanca, la masa del cuerpo se determina comparándola con la masa del peso tomado como unidad de masa. Un vaso de precipitados permite medir volúmenes de cuerpos (sustancias) líquidos o granulares.
Normalmente el dispositivo tiene una escala con líneas. Las distancias entre dos líneas, cerca de las cuales se escriben los valores de una cantidad física, se pueden dividir adicionalmente en varias divisiones, no indicadas por números. Las divisiones (espacios entre trazos) y los números son la escala del dispositivo. En la escala del instrumento, por regla general, hay una unidad de cantidad (nombre) en la que se expresa la cantidad física que se mide. En el caso de que los números no se encuentren frente a cada trazo, surge la pregunta: ¿cómo saber el valor numérico del valor medido si no se puede leer en la escala? Para hacer esto necesitas saber precio de división de escala – el valor de la división de escala más pequeña del dispositivo de medición.
Al seleccionar instrumentos para mediciones, es importante considerar los límites de medición. La mayoría de las veces hay dispositivos con un solo límite: el límite superior de medición. A veces hay dispositivos de dos límites. Para tales dispositivos, la división cero se encuentra dentro de la escala.
Imaginemos que vamos en un coche y la aguja del velocímetro se detiene frente a la marca “70”. ¿Puedes estar seguro de que la velocidad del auto es exactamente 70 km/h? No, porque el velocímetro tiene un error. Por supuesto, se puede decir que la velocidad del coche es de aproximadamente 70 km/h, pero esto no es suficiente. Por ejemplo, distancias de frenado el coche depende de la velocidad y su “proximidad” puede provocar un accidente. Por lo tanto, el fabricante determina el máximo error del velocimetro y lo indica en el pasaporte de este dispositivo. El valor de error del velocímetro le permite determinar dentro de qué límites se encuentra el valor real de la velocidad del vehículo.
Sea el error del velocímetro indicado en el pasaporte 5 km/h. En nuestro ejemplo, encontremos la diferencia y la suma de la lectura del velocímetro y su error:
70 km/h – 5 km/h = 65 km/h.
70 kilómetros por hora + 5 kilómetros por hora = 75 kilómetros por hora.
Sin conocer el valor real de la velocidad, podemos estar seguros de que la velocidad del coche no es inferior a 65 km/h ni superior a 75 km/h. Este resultado se puede escribir usando los signos " < " (menor o igual a) y " > "(mayor o igual a): 65 km/h < velocidad del auto < 75 kilómetros por hora.
Hay que tener en cuenta que cuando el velocímetro marca 70 km/h, la velocidad real puede ser de 75 km/h. Por ejemplo, los estudios han demostrado que si un automóvil de pasajeros circula por asfalto mojado a una velocidad de 70 km/h, su distancia de frenado no supera los 46 m, y a una velocidad de 75 km/h la distancia de frenado aumenta a 53 m.
El ejemplo dado nos permite sacar la siguiente conclusión: todos los instrumentos tienen un error, como resultado de la medición es imposible obtener el valor verdadero del valor medido. Solo puedes indicar el intervalo en forma de desigualdad al que pertenece el valor desconocido de una cantidad física.
Para superar los límites de esta desigualdad, es necesario conocer el error del dispositivo.
X- etc < X< X+ etc.
Error de medición X El error del dispositivo nunca es inferior a aprox.
A menudo, el puntero del instrumento no coincide con la línea de escala. Entonces es muy difícil determinar la distancia desde el trazo hasta el puntero. Aquí hay otra razón para el error llamado error de conteo
. Este error de lectura, por ejemplo, para un velocímetro, no supera la mitad del valor de la división.
El concepto de cantidad física es común en física y metrología y se utiliza para describir sistemas materiales de objetos.
Cantidad física, Como se mencionó anteriormente, esta es una característica común en un sentido cualitativo a muchos objetos, procesos, fenómenos y, en un sentido cuantitativo, individual para cada uno de ellos. Por ejemplo, todos los cuerpos tienen su propia masa y temperatura, pero los valores numéricos de estos parámetros para diferentes cuerpos son diferentes. El contenido cuantitativo de esta propiedad en un objeto es el tamaño de la cantidad física, estimación numérica de su tamaño llamado el valor de una cantidad física.
Una cantidad física que expresa la misma cualidad en un sentido cualitativo se llama homogéneo (del mismo nombre ).
Tarea principal de las mediciones. - obtener información sobre los valores de una cantidad física en forma de un determinado número de unidades aceptadas para ella.
Los valores de las cantidades físicas se dividen en verdaderos y reales.
Significado verdadero - este es un valor que idealmente refleja las propiedades correspondientes cualitativa y cuantitativamente de un objeto.
Valor real - este es un valor encontrado experimentalmente y tan cercano al verdadero que se puede tomar en su lugar.
Las cantidades físicas se clasifican según una serie de características. Se distinguen los siguientes: clasificaciones:
1) en relación con las señales de información de medición, las cantidades físicas son: activo - cantidades que pueden convertirse en una señal de información de medición sin el uso de fuentes de energía auxiliares; pasivo nuevo - cantidades que requieren el uso de fuentes de energía auxiliares, a través de las cuales se crea una señal de información de medición;
2) según la aditividad, las cantidades físicas se dividen en: aditivo , o extenso, que puede medirse en partes y también reproducirse con precisión utilizando una medida de varios valores basada en la suma de los tamaños de medidas individuales; No aditivo, o intensivas, que no se miden directamente, sino que se convierten en una medida de magnitud o en una medida mediante medidas indirectas. (La aditividad (del latín additivus - agregado) es una propiedad de las cantidades, que consiste en que el valor de una cantidad correspondiente al objeto completo es igual a la suma de los valores de las cantidades correspondientes a sus partes).
Evolución del desarrollo sistemas de unidades físicas.
Sistema métrico- el primer sistema de unidades de cantidades físicas
Fue adoptado en 1791 por la Asamblea Nacional francesa. Incluía Unidades de longitud, área, volumen, capacidad y peso. , que se basaron en dos unidades: metro y kilogramo . Era diferente del sistema de unidades utilizado ahora y todavía no era un sistema de unidades en el sentido moderno.
sistema absolutounidades de cantidades físicas.
El método para construir un sistema de unidades como un conjunto de unidades básicas y derivadas fue desarrollado y propuesto en 1832 por el matemático alemán K. Gauss, llamándolo sistema absoluto. Tomó como base tres cantidades independientes entre sí: masa, longitud, tiempo .
para el principal unidades aceptó estas cantidades miligramo, milímetro, segundo , asumiendo que las unidades restantes se pueden determinar usando ellas.
Posteriormente, aparecieron varios sistemas de unidades de cantidades físicas, construidos sobre el principio propuesto por Gauss y basados en el sistema métrico de medidas, pero que se diferenciaban en las unidades básicas.
De acuerdo con el principio de Gauss propuesto, los principales sistemas de unidades de cantidades físicas son:
sistema SGA, en el que las unidades básicas son el centímetro como unidad de longitud, el gramo como unidad de masa y el segundo como unidad de tiempo; fue instalado en 1881;
sistema MKGSS. El uso del kilogramo como unidad de peso, y más tarde como unidad de fuerza en general, se impuso a finales del siglo XIX. a la formación de un sistema de unidades de cantidades físicas con tres unidades básicas: metro - unidad de longitud, kilogramo - fuerza - unidad de fuerza, segundo - unidad de tiempo;
5. sistema MKSA- Las unidades básicas son metro, kilogramo, segundo y amperio. Los fundamentos de este sistema fueron propuestos en 1901 por el científico italiano G. Giorgi.
Las relaciones internacionales en el campo de la ciencia y la economía requirieron la unificación de unidades de medida, la creación de un sistema unificado de unidades de cantidades físicas, que cubra varias ramas del campo de la medición y preserve el principio de coherencia, es decir. Igualdad del coeficiente de proporcionalidad a la unidad en las ecuaciones de conexión entre cantidades físicas.
SistemaSI. En 1954, la comisión para desarrollar una Internacional unificada
sistema de unidades propuso un proyecto de sistema de unidades, que fue aprobado en 1960. XI Conferencia General de Pesas y Medidas. El Sistema Internacional de Unidades (abreviado SI) toma su nombre de las letras iniciales del nombre francés System International.
El Sistema Internacional de Unidades (SI) incluye siete unidades principales (Tabla 1), dos adicionales y varias unidades de medida no sistémicas.
Tabla 1 - Sistema internacional de unidades
|
Magnitudes físicas que tienen una norma aprobada oficialmente |
Unidad |
Designación de unidad abreviada cantidad física |
|
|
internacional |
|||
|
kilogramo | |||
|
Fuerza de corriente eléctrica | |||
|
Temperatura | |||
|
unidad de iluminancia | |||
|
Cantidad de sustancia | |||
Fuente: Tyurin N.I. Introducción a la metrología. M.: Editorial de Normas, 1985.
Unidades básicas mediciones Las cantidades físicas de acuerdo con las decisiones de la Conferencia General de Pesas y Medidas se definen de la siguiente manera:
metro: la longitud del camino que recorre la luz en el vacío en 1/299.792.458 de segundo;
un kilogramo es igual a la masa del prototipo internacional del kilogramo;
un segundo equivale a 9.192.631.770 períodos de radiación correspondientes a la transición entre dos niveles hiperfinos del estado fundamental del átomo de Cs 133;
Un amperio es igual a la intensidad de una corriente constante que, al pasar a través de dos conductores rectos paralelos de longitud infinita y área de sección transversal circular insignificante, ubicados a una distancia de 1 m entre sí en el vacío, provoca una interacción fuerza sobre cada sección del conductor de 1 m de largo;
candela es igual a la intensidad luminosa en una dirección dada de una fuente que emite radiación protectora de iones, cuya intensidad luminosa energética en esta dirección es 1/683 W/sr;
un kelvin es igual a 1/273,16 de la temperatura termodinámica del punto triple del agua;
un mol es igual a la cantidad de sustancia en un sistema que contiene tantos elementos estructurales como átomos en C 12 que pesan 0,012 kg 2.
Unidades adicionales Sistema internacional de unidades para medir ángulos planos y sólidos:
radianes (rad): un ángulo plano entre dos radios de un círculo, cuyo arco tiene la misma longitud que el radio. En grados, un radian es igual a 57°17"48"3;
estereorradián (sr): un ángulo sólido cuyo vértice está ubicado en el centro de la esfera y que corta en la superficie de la esfera un área igual al área de un cuadrado con una longitud de lado igual al radio de la esfera .
Se utilizan unidades SI adicionales para formar las unidades de velocidad angular, aceleración angular y algunas otras cantidades. El radian y el estereorradián se utilizan para construcciones y cálculos teóricos, ya que la mayoría de los valores prácticos de ángulos en radianes que son importantes para la práctica se expresan como números trascendentales.
Unidades fuera del sistema:
Una décima parte de blanco se toma como unidad logarítmica: decibel (dB);
Dioptría: intensidad luminosa para instrumentos ópticos;
Potencia reactiva-var (VA);
Unidad astronómica (UA): 149,6 millones de km;
Un año luz es la distancia que recorre un rayo de luz en 1 año;
Capacidad - litro (l);
Área - hectárea (ha).
Las unidades logarítmicas se dividen en absoluto, que representan el logaritmo decimal de la relación entre una cantidad física y un valor normalizado, y relativo, formado como un logaritmo decimal de la relación de dos cantidades homogéneas (iguales).
Las unidades no pertenecientes al SI incluyen grados y minutos. Las unidades restantes se derivan.
Unidades derivadas SI se forman utilizando las ecuaciones más simples que relacionan cantidades y en las que los coeficientes numéricos son iguales a la unidad. En este caso, la unidad derivada se llama coherente.
Dimensión es una visualización cualitativa de cantidades medidas. El valor de una cantidad se obtiene como resultado de su medición o cálculo de acuerdo con ecuación básica demediciones:q = q * [ q]
donde Q - valor de cantidad; q- valor numérico de la cantidad medida en unidades convencionales; [Q] - la unidad elegida para la medida.
Si la ecuación definitoria incluye un coeficiente numérico, entonces para formar una unidad derivada, dichos valores numéricos de las cantidades iniciales deben sustituirse en el lado derecho de la ecuación de modo que el valor numérico de la unidad derivada que se determina sea igual a uno. .
(Por ejemplo, se toma 1 ml como unidad de medida para la masa de un líquido, por lo que en el empaque se indica: 250 ml, 750, etc., pero si se toma 1 litro como unidad de medida, entonces el misma cantidad de líquido se indicará 0,25 litros., 075l. respectivamente).
Como una de las formas de formar múltiplos y submúltiplos, se utiliza la multiplicidad decimal entre unidades mayores y menores, adoptada en el sistema métrico de medidas. En mesa 1.2 proporciona factores y prefijos para la formación de múltiplos y submúltiplos decimales y sus nombres.
Tabla 2 - Factores y prefijos para la formación de múltiplos y submúltiplos decimales y sus nombres
|
Factor |
Consola |
Designación de prefijo |
|
|
internacional |
|||
(Exabyte es una unidad de medida de la cantidad de información, igual a 1018 o 260 bytes. 1 EeV (exaelectronvoltio) = 1018 electronvoltio = 0,1602 julios)
Hay que tener en cuenta que al formar unidades múltiples y submúltiples de área y volumen utilizando prefijos, puede surgir una doble lectura dependiendo de dónde se agregue el prefijo. Por ejemplo, 1 m2 se puede utilizar como 1 metro cuadrado y como 100 centímetros cuadrados, que no es lo mismo, porque 1 metro cuadrado son 10.000 centímetros cuadrados.
Según las normas internacionales, los múltiplos y submúltiplos de área y volumen deben formarse añadiendo prefijos a las unidades originales. Los grados se refieren a aquellas unidades que se obtienen añadiendo prefijos. Por ejemplo, 1 km 2 = 1 (km) 2 = (10 3 m) 2 == 10 6 m 2.
Para garantizar la uniformidad de las mediciones, es necesario disponer de unidades idénticas en las que se calibren todos los instrumentos de medida de la misma magnitud física. La unidad de medidas se logra almacenando, reproduciendo con precisión unidades establecidas de cantidades físicas y transfiriendo sus tamaños a todos los instrumentos de medición en funcionamiento utilizando estándares e instrumentos de medición de referencia.
Referencia - un instrumento de medida que asegura el almacenamiento y reproducción de una unidad legal de cantidad física, así como la transferencia de su tamaño a otros instrumentos de medida.
La creación, almacenamiento y uso de estándares, controlando su estado, están sujetos a reglas uniformes establecidas por GOST “GSI. Estándares de unidades de cantidades físicas. Procedimiento de desarrollo, aprobación, registro, almacenamiento y aplicación.”
Por subordinación los estándares están divididos en primaria y secundaria y tienen la siguiente clasificación.
Estándar primario asegura el almacenamiento, reproducción de unidades y transmisión de dimensiones con la mayor precisión del país posible en este campo de medición:
- estándares primarios especiales- están destinados a reproducir la unidad en condiciones en las que la transmisión directa del tamaño de la unidad desde el patrón primario con la precisión requerida es técnicamente inviable, por ejemplo, para voltajes altos y bajos, microondas y HF. Están aprobados como estándares estatales. En vista de la especial importancia de las normas estatales y para darles fuerza de ley, GOST está aprobado para cada norma estatal. El Comité Estatal de Normas crea, aprueba, almacena y aplica normas estatales.
Estándar secundario reproduce la unidad en condiciones especiales y reemplaza el estándar primario bajo estas condiciones. Está creado y aprobado para garantizar el menor desgaste según el estándar estatal. Los estándares secundarios a su vez dividido según el propósito:
Copiar estándares: diseñado para transferir tamaños de unidades a estándares de trabajo;
Estándares de comparación: diseñados para verificar la seguridad del estándar estatal y reemplazarlo en caso de daño o pérdida;
Estándares de testigos: se utilizan para comparar estándares que, por una razón u otra, no pueden compararse directamente entre sí;
Estándares de trabajo: reproducen una unidad a partir de estándares secundarios y sirven para transferir el tamaño a un estándar de rango inferior. Los ministerios y departamentos crean, aprueban, almacenan y utilizan normas secundarias.
Estándar de unidad - un medio o conjunto de instrumentos de medición que proporcionan almacenamiento y reproducción de una unidad con el fin de transmitir su tamaño a los instrumentos de medición subordinados en el esquema de verificación, fabricados de acuerdo con una especificación especial y aprobados oficialmente en la forma prescrita como estándar.
La reproducción de unidades, dependiendo de las exigencias técnicas y económicas, se realiza por dos maneras:
- centralizado- utilizar una norma estatal única para todo el país o grupo de países. Todas las unidades básicas y la mayoría de las derivadas se reproducen centralmente;
- descentralizado- aplicable a unidades derivadas, cuyo tamaño no puede transmitirse mediante comparación directa con el estándar y proporcionar la precisión necesaria.
La norma establece un procedimiento de múltiples etapas para transferir las dimensiones de una unidad de una cantidad física del estándar estatal a todos los medios de trabajo para medir una cantidad física determinada utilizando estándares secundarios y medios ejemplares para medir varias categorías desde la más alta hasta la más baja. y de los medios ejemplares a los trabajadores.
La transferencia de tamaño se lleva a cabo mediante varios métodos de verificación, principalmente mediante métodos de medición bien conocidos. La transferencia de un tamaño paso a paso va acompañada de una pérdida de precisión; sin embargo, el paso múltiple le permite guardar estándares y transferir el tamaño de la unidad a todos los instrumentos de medición en funcionamiento.
