1. Wiadomości wstępne

1.1 Wielkości fizyczne, jednostki

   Prawa fizyki wyrażają związki między różnymi wielkościami fizycznymi. Prawa te formułowane są w postaci równań matematycznych wyrażających ścisłe ilościowe relacje między tymi wielkościami, a to wiąże się zawsze z pomiarami określającymi liczbowo stosunek danej wielkości do przyjętej jednostki

   Wiele z wielkości fizycznych jest współzależnych. Na przykład prędkość jest długością podzieloną przez czas, gęstość masą podzieloną przez objętość itd. Dlatego z pośród wszystkich wielkości fizycznych wybieramy pewną ilość tak zwanych wielkości podstawowych , za pomocą których wyrażamy wszystkie pozostałe wielkości nazywane wielkościami pochodnymi . Z tym podziałem związany jest również wybór jednostek. Jednostki podstawowe wielkości podstawowych są wybierane (ustalane), a jednostki pochodne definiuje się za pomocą jednostek podstawowych.

  Aktualnie obowiązującym w Polsce układem jednostek jest układ SI (Systeme International d'Unites). Uklad SI ma siedem jednostek podstawowych i dwie uzupełniające niezbędne w sformułowaniach praw fizyki. Wielkości podstawowe i ich jednostki są zestawione w tabeli 1.1 poniżej.

Tab. 1.1. Wielkości podstawowe, uzupełniające i ich jednostki w układzie SI

Wielkość Jednostka Symbol jednostki
1. Długość metr m
2. Masa kilogram kg
3. Czas sekunda s
4. Ilość materii (substancji) mol mol
5. Natężenie prądu elektrycznego amper A
6. Temperatura termodynamiczna kelwin K
7. Światłość kandela cd
8. Kąt płaski radian rad
9. Kąt bryłowy steradian sr

  Definicje jednostek podstawowych są związane albo ze wzorcami albo z pomiarem. Przykładem jest wzorzec masy. Obecnie światowym wzorcem kilograma (kg) jest walec platynowo-irydowy przechowywany w Międzynarodowym Biurze Miar i Wag w Sevres (Francja).  Natomiast przykładem jednostki związanej z pomiarem jest długość. Metr (m) definiujemy jako długość drogi przebytej w próżni przez światło w czasie 1/299792458 s.

  Oprócz jednostek w fizyce posługujemy się pojęciem wymiaru jednostki danej wielkości fizycznej. Wymiarem jednostki podstawowej jest po prostu ona sama. Natomiast dla jednostek pochodnych wymiar jest kombinacją jednostek podstawowych (w odpowiednich potęgach). Na przykład jednostka siły ma wymiar
kgm/s2 wynikający ze wzoru F = ma. Niektóre jednostki pochodne mają swoje nazwy tak jak jednostka siły - niuton.

  Wreszcie, oprócz jednostek podstawowych i pochodnych posługujemy się także jednostkami wtórnymi , które są ich wielokrotnościami. Wyraża się je bardzo prosto poprzez dodanie odpowiedniego przedrostka określającego odpowiednią potęgę dziesięciu, która jest mnożnikiem dla jednostki (patrz tabela 1.2).

Tab. 1.2. Wybrane przedrostki jednostek wtórnych

Przedrostek Skrót Mnożnik
tera T 1012
giga G 109
mega M 106
kilo k 103
centy c 102
mili m 10-3
mikro μ 10-6
nano n 10-9
piko p 10-12
femto f 10-15
... ...