Системы единиц и принципы их построения. Размерности физических величин. Система координат. Система отсчета

                                          

 

 

 

                                      Реферат по физике

                      На тему: Системы единиц и принципы их

                 построения. Размерности физических

                 величин. Система координат. Система

                 отсчета

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Выполнил:

 

                   «Системы единиц и принципы их построения»

Пусть имеется n уравнений связи  между числовыми значениями N физических величин. В каждом уравнении имеется  свой коэффициент пропорциональности, которому можно придать любое  значение и, в частности, приравнять единице. Следовательно, в уравнениях связи коэффициенты являются известными числами, а ФВ — неизвестными. Реально  всегда число N физических величин больше числа n уравнений связи. Если для N - n ФВ выбрать свои независимые единицы, то они становятся известными числами  и n уравнений решаются относительно оставшихся n ФВ. Такая система считается  оптимальной с теоретической  точки зрения. Эти N - n ФВ называются, как известно, основными, а остальные n — производными. На практике может  оказаться удобным выбрать в  качестве основных не N - n ФВ, а большее  их число, равное N - n + p. В этом случае уже нельзя придать всем коэффициентам  любые численные значения, так  как р коэффициентов становятся такими же неизвестными, как и оставшиеся в данном случае n - р производных ФВ. Число основных единиц тесно связано с числом коэффициентов, стоящих в выражениях для физических законов и определениях. Коэффициенты пропорциональности, зависящие от выбора основных единиц и определяющих уравнений, называются фундаментальными, или мировыми постоянными [27, 28]. В системе СИ к ним относятся гравитационная постоянная, постоянная Планка, постоянная Больцмана и световая эффективность. Их следует отличать от так называемых специфических постоянных, характеризующих различные свойства отдельных вещеcтв, например массу электрона, его заряда и др. Следует помнить, что фундаментальные константы присутствуют в выражениях для всех физических законов, но соответствующим выбором единиц определенное их число приравнено к каким-либо постоянным числам, чаще всего к единице. Далее будет показано, что чем больше основных единиц принято при построении системы, тем больше фундаментальных констант будет стоять в формулах. Сокращение числа основных единиц обязательно сопровождается уменьшением числа фундаментальных постоянных. В предельном случае можно для каждой из ФВ выбрать свою единицу. Но тогда вместо системы единиц получится набор единиц, все п коэффициентов станут экспериментально определяемыми мировыми константами, производные величины исчезнут, а закономерные связи окажутся для практики малополезными. Поэтому ученые стремятся к созданию теоретически оптимальной системы единиц или по возможности близкой к ней. Правила, по которым тот или иной комплекс единиц выбирают в качестве основного, не могут быть обоснованы теоретически. Единственными аргументами в пользу выбора могут служить лишь эффективность и целесообразность использования данной системы. Для практических целей измерения в качестве основных величин и единиц следует выбирать такие, которые можно воспроизвести с наибольшей точностью. Образование системы единиц базируется на объективных закономерных связях между физическими величинами и на произвольной, но разумной воле людей и их соглашениях, заключительным из которых является принятое на Генеральной конференции по мерам и весам. При построении или введении новой системы единиц ученые руководствуются только одним единственным принципом — практической целесообразностью, т.е. удобством применения единиц в деятельности человека. В основу этого принципа положены следующие базовые критерии:

 • простота образования производных  ФВ и их единиц, т.е. приравнивание  к единице коэффициентов пропорциональности  в уравнениях связи;

 • высокая точность материализации  основных и производных единиц  и передачи их размера нижестоящим  эталонам;

• неуничтожаемость эталонов основных единиц, т.е. возможность их воссоздания в случае утраты;

 • преемственность единиц, сохранение их размеров и наименований при введении новой системы единиц, что связано с исключением материальных и психологических затрат;

• близость размеров основных и производных  единиц к размерам ФВ, наиболее часто  встречающихся в практике;

 • долговременность хранения  основных и производных единиц  их эталонами; 

• выбор в качестве основных минимального числа ФВ, отражающих наиболее общие свойства материи.

Приведенные критерии вступают в противоречие, поэтому путем соглашения выбирается наиболее выгодный для практики вариант.

 

                           «Размерности физических величин»

Размерность физической величины — выражение, показывающее, во сколько раз изменится единица физической величины при изменении единиц величин, принятых в данной системе за основные. Размерность представляет собой одночлен, составленный из произведения обобщённых символов основных единиц в различных (целых или дробных, положительных или отрицательных, в общем случае вещественных) степенях, которые называются показателями размерности. Так, например, размерность скорости LT −1, где Т представляет собой размерность времени, а L — длины. Эти символы обозначают единицы времени и длины независимо от их конкретного размера (секунда, минута, час, метр, сантиметр и т. д.).В механике размерность любой величины может быть выражена через расстояние (которое физики часто называют «длиной»), массу и время. Электрические и магнитные величины также могут быть выражены через эти три размерности с использованием, например, закона Кулона. Однако иногда бывает удобнее ввести для них дополнительные размерности. В СИ определены семь единиц основных физических величин, размерности которых считаются независимыми друг от друга. Поскольку система физических величин принципиально отличается от системы единиц, то в некоторых системах физических величин возможен иной перечень основных физических величин, чем в СИ.Размерность физической величины зависит, вообще говоря, от используемого класса систем единиц. В частности, безразмерная величина в одном классе единиц может стать размерной в другом. Например, в СГС электрическая ёмкость измеряется в сантиметрах и отношение ёмкости сферического тела к его радиусу — безразмерная величина, тогда как в СИ это отношение не является безразмерным. Однако используемые на практике безразмерные числа (критерии подобия, например постоянная тонкой структуры в квантовой физике или числа Маха, Рейнольдса, Струхаля и др. в механике сплошных сред) как правило характеризуют относительное влияние тех или иных физических факторов и являются отношением различных слагаемых (с одинаковыми размерностями) в соответствующих уравнениях, поэтому, несмотря на то, что в разных системах их определения могут отличаться, они всегда будут безразмерными.

                                          Проверка размерности

В формулах, имеющих физический смысл, только величины, имеющие одинаковую размерность, могут складываться, вычитаться или сравниваться. Например, сложение массы какого-либо предмета с длиной другого предмета не имеет смысла. Также невозможно сказать, что больше: 1 килограмм или 3 секунды. Из этого  правила, в частности, следует, что  левые и правые части уравнений  должны иметь одинаковую размерность. Кроме того, аргументы экспоненциальных, логарифмических и тригонометрических функций должны быть безразмерными величинами. Эти правила используются для проверки правильности физических формул. Если в полученном уравнении какое-то из них нарушается, то ясно, что в вычислениях была допущена ошибка.

                                            Анализ размерности

Анализ  размерности — метод, используемый физиками для построения обоснованных гипотез о взаимосвязи различных  размерных параметров сложной физической системы. Иногда анализ размерности  можно использовать для получения  готовых формул (с точностью до безразмерной константы). Суть метода заключается в том, что из параметров, характеризующих систему, составляется выражение, имеющее нужную размерность. При анализе размерностей формул размерность левой части уравнения должна быть равна размерности правой части уравнения. Отсутствие такого равенства говорит о неверности формулы. Однако наличие такого равенства не даёт стопроцентной гарантии верности формулы.

                       

                                                 «Система координат»

Система координат — комплекс определений, реализующий метод координат, то есть способ определять положение точки или тела с помощью чисел или других символов. Совокупность чисел, определяющих положение конкретной точки, называется координатами этой точки. В математике координаты — совокупность чисел, сопоставленных точкам многообразия в некоторой карте определённого атласа. В элементарной геометрии координаты — величины, определяющие положение точки на плоскости и в пространстве. На плоскости положение точки чаще всего определяется расстояниями от двух прямых (координатных осей), пересекающихся в одной точке (начале координат) под прямым углом; одна из координат называется ординатой, а другая — абсциссой. В пространстве по системе Декарта положение точки определяется расстояниями от трёх плоскостей координат, пересекающихся в одной точке под прямыми углами друг к другу, или сферическими координатами, где начало координат находится в центре сферы. В географии координаты — широта, долгота и высота над известным общим уровнем (например, океана). См. географические координаты. В астрономии координаты — величины, при помощи которых определяется положение звезды, например, прямое восхождение и склонение. Небесные координаты — числа, с помощью которых определяют положение светил и вспомогательных точек на небесной сфере. В астрономии употребляют различные системы небесных координат. Каждая из них по существу представляет собой систему полярных координат на сфере с соответствующим образом выбранным полюсом. Систему небесных координат задают большим кругом небесной сферы (или его полюсом, отстоящим на 90° от любой точки этого круга) с указанием на нём начальной точки отсчёта одной из координат. В зависимости от выбора этого круга системы небесных координат называлась горизонтальной, экваториальной, эклиптической и галактической. Наиболее используемая система координат — прямоугольная система координат (также известная как декартова система координат). Координаты на плоскости и в пространстве можно вводить бесконечным числом разных способов. Решая ту или иную математическую или физическую задачу методом координат, можно использовать различные координатные системы, выбирая ту из них, в которой задача решается проще или удобнее в данном конкретном случае. Известным обобщением системы координат являются системы отсчёта и системы референции.

                                                    «Система отсчета»

Система отсчёта — это совокупность тела отсчета, связанной с ним системы координат и системы отсчёта времени, по отношению к которым рассматривается движение (или равновесие) каких-либо материальных точек или тел. Математически движение тела (или материальной точки) по отношению к выбранной системе отсчёта описывается уравнениями, которые устанавливают, как изменяются с течением времени t координаты, определяющие положение тела (точки) в этой системе отсчёта. Эти уравнения называются уравнениями движения. Например, в декартовых координатах х, y, z движение точки определяется уравнениями , , .В современной физике любое движение является относительным, и движение тела следует рассматривать лишь по отношению к какому-либо другому телу (телу отсчёта) или системе тел. Нельзя указать, например, как движется Луна вообще, можно лишь определить её движение, например, по отношению к Земле, Солнцу, звёздам и т. п.

                                          Относительность движения

Относительность механического движения – это зависимость траектории движения тела, пройденного пути, перемещения  и скорости от выбора системы отсчёта. Движущиеся тела изменяют своё положение относительно других тел. Положение автомобиля, мчащегося по шоссе, изменяется относительно указателей на километровых столбах, положение корабля, плывущего в море недалеко от берега, меняется относительно береговой линии, а о движении самолёта, летящего над землей, можно судить по изменению его положения относительно поверхности Земли. Механическое движение — это процесс изменения относительного положения тел в пространстве с течением времени. Можно показать, что одно и то же тело может по-разному перемещаться относительно других тел. Таким образом говорить о том, что какое-то тело движется, можно лишь тогда, когда ясно, относительно какого другого тела — тела отсчета, изменилось его положение.

                                     Абсолютная система отсчета

Часто в физике какую-то СО считают наиболее удобной (привилегированной) в рамках решения данной задачи — это определяется простотой расчётов либо записи уравнений динамики тел и полей в ней. Обычно такая возможность связана с симметрией задачи. С другой стороны, ранее считалось, что существует некая «фундаментальная» система отсчёта, простота записи в которой законов природы выделяет её из всех остальных систем. Например, физики XIX в. считали что, система, относительно которой покоится эфир электродинамики Максвелла, является привилегированной, и поэтому она была названа Абсолютной Системой Отсчета (АСО). В современных представлениях никакой системы отсчёта, выделенной именно таким способом, не существует, так как законы природы, выраженные в тензорной форме, имеют один и тот же вид во всех системах отсчёта — то есть во всех точках пространства и во все моменты времени. Это условие — локальная пространственно-временная инвариантность — является одним из проверяемых оснований физики.