Физика — СПбГПМУ, Лечебное дело
Измерение — это процесс сравнения измеряемой физической величины с эталоном (единицей измерения). Результат измерения всегда представляется в виде числа и единицы измерения. Для обеспечения единообразия измерений во всём мире принята Международная система единиц (фр. Système International d'Unités, сокращённо СИ).
Система СИ построена на семи основных единицах, которые определены через фундаментальные физические константы. Все остальные единицы являются производными и выводятся из основных с помощью физических законов.
> [!simple] Простыми словами: Основные единицы — это как «кирпичики». Метр, килограмм, секунда — их нельзя вывести из других единиц, они заданы раз и навсегда. Из этих кирпичиков собираются все остальные единицы — например, ньютон (сила) или джоуль (энергия).
В таблице приведены семь основных единиц, их обозначения и кратки определения в соответствии с действующей редакцией (2019 год).
| Величина | Единица | Русское обозначение | Международное обозначение | Определение через константу |
|---|---|---|---|---|
| Длина | метр | м | m | Путь, проходимый светом в вакууме за 1/299 792 458 секунды |
| Масса | килограмм | кг | kg | Задан фиксированным числовым значением постоянной Планка = 6,62607015·10⁻³⁴ Дж·с |
| Время | секунда | с | s | Длительность 9 192 631 770 периодов излучения, соответствующего переходу между сверхтонкими уровнями атома цезия-133 |
| Сила электрического тока | ампер | А | A | Определён через фиксированное значение элементарного заряда = 1,602176634·10⁻¹⁹ Кл |
| Термодинамическая температура | кельвин | К | K | Определён через фиксированное значение постоянной Больцмана = 1,380649·10⁻²³ Дж/К |
| Количество вещества | моль | моль | mol | Содержит 6,02214076·10²³ структурных единиц (число Авогадро) |
| Сила света | кандела | кд | cd | Сила света в заданном направлении от источника монохроматического излучения частотой 540·10¹² Гц, энергетическая сила света которого составляет 1/683 Вт/ср |
> [!critical] Ключевой факт: С 2019 года все основные единицы СИ определяются через семь фундаментальных физических констант (скорость света , постоянная Планка , частота перехода цезия , элементарный заряд , постоянная Больцмана , число Авогадро , световая эффективность ). Эталонов-артефактов (платино-иридиевого килограмма, металлического метра) больше не существует.
Производная единица — это единица, образованная путём умножения и/или деления основных единиц.
> [!formula] Общий принцип образования
>
> Где — размерность производной единицы, , , — основные единицы, , , — показатели степени (целые или дробные).
Ниже приведены производные единицы для величин, указанных в вопросе.
---
Единица: герц (Гц, Hz)
Определение: Частота периодического процесса, при котором за 1 секунду совершается один полный цикл колебаний.
> [!formula] Размерность частоты
>
>
> Герц — это одна секунда в минус первой степени.
> [!example] Пример: В медицинской физике частота пульса 70 ударов в минуту соответствует Гц. Частота рентгеновского излучения составляет порядка – Гц.
---
Единица: ньютон (Н, N)
Определение: Сила, которая телу массой 1 кг сообщает ускорение 1 м/с².
> [!formula] Размерность силы (второй закон Ньютона)
>
>
>
> [!example] Пример: Сила тяжести, действующая на гирю массой 1 кг, равна Н. Мышечная сила человека может достигать нескольких сотен ньютонов.
---
Единица: паскаль (Па, Pa)
Определение: Давление, создаваемое силой 1 Н, равномерно распределённой по поверхности площадью 1 м².
> [!formula] Размерность давления
>
>
>
> [!simple] Простыми словами: Если вы растягиваете мышцы, давите на кнопку пальцем с силой 1 Н и площадь кончика пальца 1 см² (это 0,0001 м²), то давление будет 10 000 Па — то есть 10 кПа. Атмосферное давление — около 100 кПа.
> [!example] Пример: В медицине артериальное давление измеряют в миллиметрах ртутного столба (мм рт. ст.), но эта единица является внесистемной. 1 мм рт. ст. ≈ 133,3 Па. Нормальное артериальное давление 120/80 мм рт. ст. соответствует примерно 16,0/10,7 кПа.
---
Единица: джоуль (Дж, J)
Определение: Работа, совершаемая силой 1 Н при перемещении тела на расстояние 1 м в направлении действия силы.
> [!formula] Размерность энергии (механическая работа)
>
>
>
> [!simple] Простыми словами: Джоуль — это энергия, необходимая, чтобы поднять маленькое яблоко (≈100 г) на высоту 1 метр (грубо, 1 Дж). Энергия одного удара взрослого сердца в покое — около 0,5–1,5 Дж.
> [!example] Пример: Энергия кванта рентгеновского излучения с частотой Гц равна Дж. В медицинской дозиметрии часто используют электронвольт: 1 эВ = 1,602·10⁻¹⁹ Дж.
---
Единица: ватт (Вт, W)
Определение: Мощность, при которой за 1 с совершается работа (передаётся энергия) в 1 Дж.
> [!formula] Размерность мощности
>
>
>
> [!example] Пример: Средняя мощность сердца человека в покое ≈ 1 Вт (в режиме работы). Мощность ультразвукового аппарата для физиотерапии может достигать 10–100 Вт. Мощность светового луча в фотоплетизмографии — единицы милливатт.
---
Единица: кулон (Кл, C)
Определение: Количество электричества, проходящее через поперечное сечение проводника при силе тока 1 А за 1 с.
> [!formula] Размерность заряда
>
>
>
> [!simple] Простыми словами: Кулон — это заряд, который протекает через лампочку карманного фонарика (ток ~0,5 А) за 2 секунды. Один электрон несёт заряд 1,602·10⁻¹⁹ Кл. Значит, в 1 Кл содержится около 6,24·10¹⁸ электронов.
> [!example] Пример: Разряд молнии переносит заряд порядка 20–30 Кл. Заряд клеточной мембраны нервной клетки составляет порядка 10⁻¹² Кл (пикокулоны).
---
Единица: вольт (В, V)
Определение: Разность потенциалов (напряжение) между двумя точками, при которой для перемещения заряда 1 Кл совершается работа 1 Дж.
> [!formula] Размерность потенциала
>
>
>
> [!example] Пример: Напряжение в бытовой электросети — 220 В. Потенциал покоя клеточной мембраны (нервной, мышечной) составляет примерно -70 мВ (милливольт). Потенциал действия — пик до +30…+50 мВ. В электрокардиографии измеряют разности потенциалов порядка 0,1–3 мВ.
---
Единица: ом (Ом, Ω)
Определение: Сопротивление проводника, в котором при напряжении 1 В возникает ток силой 1 А.
> [!formula] Размерность сопротивления (закон Ома для участка цепи)
>
>
>
> [!simple] Простыми словами: Ом показывает, насколько сильно материал «тормозит» электрический ток. Сопротивление медного провода 1 м длиной и сечением 1 мм² — около 0,017 Ом. Сопротивление тела человека (при сухой коже) — от 1 до 100 кОм, в зависимости от пути тока.
> [!example] Пример: В электрокардиографии измеряют сопротивление между электродами (обычно 5–50 кОм). В физиотерапии (гальванизация) сопротивление участка тела — десятки килоом. Удельное сопротивление биологических тканей: кровь ≈ 1,5–2 Ом·м, кость ≈ 100–2000 Ом·м.
---
> [!critical] Ключевой факт: Все производные единицы СИ выражаются через семь основных единиц. Для электрических величин (вольт, кулон, ом) базовыми являются ампер (сила тока), секунда (время) и килограмм (масса). Наиболее сложная размерность среди перечисленных — у электрического сопротивления: кг·м²·с⁻³·А⁻².
---
Итог. Система СИ базируется на семи основных единицах (метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль, кандела). Производные единицы (Гц, Н, Па, Дж, Вт, Кл, В, Ом) формируются из основных по строгим физическим формулам; понимание их размерностей необходимо для расчётов в медицинской физике (дозиметрия, электрография, гемодинамика).