Wielkości fizyczne i ich jednostki - pomoc dla ucznia

Zestawienie poniższe obejmuje definicje i sens fizyczny najważniejszych wielkości fizycznych (w kolejności alfabetycznej), definicje ich jednostek w układzie SI oraz inne czasowo dopuszczalne jednostki wyrażone przez jednostki SI.

Ciepło właściwe jest to ilość ciepła potrzebna do ogrzania 1 kg substancji tak, aby jej temperatura wzrosła o 1 deg. Ciepło właściwe jest więc miarą termiczną reakcji substancji na ogrzewanie.
Jednostką ciepła właściwego w układzie SI jest dżul na kilogram i na stopień
1 J/kg * deg = m² * s^-2 * deg^-1;
jest to ciepło właściwe takiej substancji, której temperatura wzrosła o 1 deg przy dostarczeniu jej ciepła wynoszącej 1 J na każdy kilogram substancji.

Inne jednostki:
erg na gram i na stopień
1 erg/g * deg = 10 - 4 J/kg * deg;
kaloria na gram i na stopień
1 cal/g * deg = 4186,8 J/kg * deg;
kilokaloria na kilogram i na stopień
1 kcal/kg * deg = 4186,8 J/kg * deg.

Ciężar danego ciała jest to siła, z jaką Ziemia przyciąga to ciało. Jednostki ciężaru są więc takie same, jak jednostki siły.

Ciężar właściwy jest to ciężar ciała o jednostkowej objętości. Jest to więc ciężar ciała odniesiony do objętości ciała.
Jednostką ciężaru właściwego w układzie SI jest niuton na metr sześcienny
1 N/m 3 = kg * m^-2 * s^-2;
jest to ciężar takiego ciała o objętości wynoszącej 1 m³, które Ziemia przyciąga z siłą wynoszącą 1 N.
Innych jednostek ciężaru właściwego do użytku nie dopuszczono.

Ciśnienie na pewną powierzchnię jest to siła działająca na element powierzchni o polu jednostkowym, w kierunku do niej prostopadłym. Ciśnienie jest więc siłą działającą prostopadle na powierzchnię odniesioną do pola powierzchni.
Jednostką ciśnienia w układzie SI jest niuton na metr kwadratowy
1 N/m² = kg * m - 1 * s^-2;
jest to takie ciśnienie, przy którym na każdy element powierzchni o polu wynoszącym 1 m.2 działa w kierunku prostopadłym siła wynosząca 1 N.

Inne jednostki:
kilogram - siła na centymetr kwadratowy
1 kG/cm 2 = 98066,5 N/m²;
atmosfera techniczna
1 at = 1 kg/cm² = 98066,5 N/m²;
kilopond na centymetr kwadratowy
1 kp/cm² = 1 kG/cm² = 1 at = 98066,5 N/m²;
kilogram - siła na metr kwadratowy
1 kG/m² = 9,80665 N/m²;
kilopond na metr kwadratowy
1 kp/m² = 1 kG/m² 9,80665 N/m²;
milimetr słupa wody - H2O
1 mm H₂O = 1 kG/m² = 1 kp/m² = 9, 80665 N/m²;
atmosfera fizyczna
1 atm = 101325 N/m²;
tor
1 Tr = (1/760) atm = 133,322 N/m²;
milimetr słupa rtęci - Hg
1 mm Hg = 1 Tr = 133,322 N/m².

Czas jest jedynym z najbardziej podstawowych pojęć w fizyce, służącym do opisu różnego rodzaju procesów fizycznych.
Jednostką czasu w układzie SI jest sekunda; jest to jednostka podstawowa. Definiuje się jako 1/31 566 925,9747 części roku zwrotnikowego 1900 styczeń 0 godzina 12 czasu efemeryd (rok zwrotnikowy jest to okres czasu między dwoma kolejnymi przejściami Słońca przez punkt równonocy wiosennej; czas efemeryd jest to jednostajnie upływający czas astronomiczny określony na podstawie ruchu obiegowego Ziemi dookoła Słońca; styczeń 0 godzina 12 oznacza południe w dzień poprzedzający 1 stycznia).
Inne jednostki:
minuta (1 min = 60 s);
godzina (1 h = 60 min = 3600 s);
doba, dzień (1 d = 24 h = 86400 s);
tydzień, miesiąc, kwartał, rok.

Częstość zjawiska okresowego jest to odwrotność okresu tego zjawiska. Częstość oznacza więc, ile razy dane zjawisko okresowe powtarza się w jednostce czasu.
Jednostką częstości takiego zjawiska w układzie SI jest herc
1 Hz = 1 s^-1;
jest to częstość takiego zjawiska okresowego, które powtarza się dokładnie jeden raz w ciągu każdej sekundy. Innych jednostek częstości do użytku nie dopuszczono.

Długość w fizyce ma sens odległości geometrycznej.
Jednostką długości w układzie SI jest metr; jest to jednostka podstawowa. Definiuje się ją jako równą 1650763,73 długości fali w próżni promieniowania odpowiadającego przejściu między poziomami energetycznymi 2p10 a 5d5 atomu kryptomu 86 (Kr 86).

Inne jednostki:
mikron (poprawna nazwa w układzie SI - mikrometr)
1 μ = 10^-6 m, przy czym poprawnym symbolem mikrona w układzie SI jest nie , lecz m;
angstrem
1 = 10^-10 m;
rok świetlny
1 rok świetlny = 9,4605 * 10¹⁵ m;
parsek
1 ps = 3,084 * 10¹⁶ m;
jednostka astronomiczna
1 AU = 1,495 * 10¹¹ m;
mila morska
1 mila morska = 1852 m;
kabel
1 kabel = 0,1 mili morskiej = 185,2 m;
stopa
1 stopa = 0,30480 m;
punkt topograficzny
1 punkt topograficzny = 1/2660 m;
kwadrat
1 kwadrat = 48/2660 m.

Energia podstawowa wielkość w fizyce, charakteryzująca stan układu fizycznego, związana z ruchem (najogólniej pojmowanym) materii i oddziaływaniem między obiektami fizycznymi i spełniająca zasadę zachowania (z niczego nie może powstać ani też nie może ulec unicestwieniu, może jedynie zmieniać swą postać). Energia jest miarą zdolności układu fizycznego do wykonania pracy; można ją więc określić jako pracę, jaką mógłby wykonać układ na koszt posiadanej energii. Jednostki energii definiuje się tak samo jak jednostki pracy.

Gęstość jest to masa ciała o jednostkowej objętości. Gęstość jest więc masą ciała odniesioną do jego objętości. Jednostką gęstości w układzie SI jest kilogram na metr sześcienny.
1 kg/m 3 = 1 kg * m^-3;
jest gęstością takiego ciała o objętości wynoszącej 1 m³, którego masa wynosi 1 kg.

Inne jednostki:
gram na centymetr sześcienny
1 g/cm³ = 10 3 kg/m³;
kilogram na decymetr sześcienny
1 kg/dm³ = 1 g/cm³ = 10 3 kg/m³;
kilogram na litr
1 kg/l = 1 g/cm³ = 10 3 kg/m³;
gram na mililitr
1 g/ml = 1 g/cm³ = 10 3 kg/m³;
kilogram na hektolitr
1 kg/hl = 10^-2 kg/l = 10 kg/m³.

Głośność dźwięku p. poziom głośności dźwięku.

Ilość ciepła jest, obok pracy, zasadniczą formą zmian energii. Określa się ją jako ilość energii, jaką układ fizyczny otrzymał lub oddał w procesie, podczas którego ani układ nie wykonuje pracy, ani też praca nie jest wykonywana nad układem przez jego otoczenie.
Jednostki ilości ciepła definiuje się więc tak samo jak jednostki energii (a więc tak samo jak jednostki pracy); różnica polega jedynie na tym, że dodatkowymi, obok dżula jako jednostki ilości ciepła w układzie SI, dopuszczalnym jednostkami tej wielkości są jedynie:
kaloria
1 cal = 4,1868 J;
kilokaloria
1 kcal = 10 3 cal = 4186,8 J.

Ilość substancji danego ciała jest to wielkość, którą w fizyce przyjmuje się jako równą masie ciała.
Jednostką ilości substancji w układzie SI jest mol; jest to samodzielna jednostka dodatkowa. Określa się ją jako ilość substancji zawierającą taką samą liczbę cząsteczek, jaką liczbę atomów zawiera 0,012 kilograma czystego izotopu węgla C 12.
Innych jednostek ilości substancji do użytku nie dopuszczono.

Intensywność dźwięku p. poziom natężenia dźwięku.

Kąt płaski jest wielkością geometryczną, którą określa się jako część płaszczyzny wyznaczoną przez dwie półproste wychodzące z jednego punktu.
Jednostką kąta płaskiego w układzie SI jest radian; jest to jednostka pomocnicza. Określa się ją jako kąt płaski o wierzchołku w środku koła wycinający z obwodu tego koła łuk o długości równej promieniowi tegoż koła.

Inne jednostki:
kąt płaski pełny
1 kąt płaski pełny = 2πrad;
stopień
1° = 2π/360rad;
minuta
1' = 10/60 = 2π/ 21 600 rad;
sekunda
1'' = 1'/60 = 2π/1296000 rad;
grad
1 g = 2π / 400 rad;
rumb
1 rumb = 2π / 32 rad;
obrót
1 obrót = 2πrad.

Kąt bryłowy jest pojęciem geometrycznym, które określa się jako część przestrzeni ograniczonej powierzchnią stożkową.
Jednostką kąta bryłowego w układzie SI jest steradian; jest to jednostka pomocnicza.
Określa się ją jako kąt bryłowy o wierzchołku w środku kuli wycinający z powierzchni tej kuli pole równe kwadratowi promienia tejże kuli.
Inne jednostki:
steran
1 steran = 4πs r;

kąt bryłowy pełny
1 kąt bryłowy pełny = 1 steran = 4π s r.

Ładunek elektryczny jest wielkością fizyczną charakteryzującą wielkość sił działających na ciała ze strony pola elektrycznego. Ładunek elektryczny jest wielkością skalarną spełniającą zasadę zachowania / nie może znikąd powstać ani też ulec unicestwieniu /.
Jednostką ładunku elektrycznego w układzie SI jest kolumb
1 C = A s. Jest to taki ładunek elektryczny, którego przepływ w ciągu jednej sekundy wytwarza prąd elektryczny o natężeniu wynoszącym 1 A.
Inne jednostki:
amperogodzina
1 Ah = 3600 A s.

Masa jest jedną z podstawowych wielkości w fizyce, będącą miarą jednocześnie trzech właściwości ciał:
1. bezwładności /definiuje się ją za pomocą II zasady dynamiki Newtona/;
2. wielkości sił działających na ciała ze strony pola grawitacyjnego /definiuje się ją za pomocą prawa powszechnego ciążenia Newtona/;
3. ilość substancji.
Masa jest wielkością skalarną spełniającą zasadę zachowania /nie powstaje z niczego i nie może ulec unicestwieniu/. Jednostką masy w układzie SI jest kilogram; jest to jednostka podstawowa. Określa się ją jako masę ciała wzorcowego przechowywanego w Międzynarodowym Biurze Miar w Sévres pod Paryżem.

Inne jednostki:
kwintal
1 q = 10 2 kg;
tona / poprawna nazwa w układzie SI: megagram /
1 t = 10 3 kg, / przy czym poprawnym symbolem tony w układzie SI jest Mg /;
karat metryczny
1 kr = 2 * 10^-4 kg.

Moc jest to praca wykonywana w jednostce czasu. Moc reprezentuje więc szybkość wykonywania pracy. Jednostką mocy w układzie SI jest wat
1 W = kg * m 2 * s^-3.
Jest to moc takiego źródła pracy, które w ciągu każdej sekundy wykonuje pracę wynoszącą 1 J.
Inne jednostki:
erg na sekundę
1 erg/s = 10^-7 W;
koń mechaniczny
1 KM = 735,49875 W;
kaloria na sekundę
1 cal/s = 4,1868 W;
kilokaloria na godzinę
1 kcal/h = 1,163 W;
woltoamper
1 VA = 1 W;
war
1 var = 1 W.

Napięcie elektryczne /różnica potencjałów/ między dwoma punktami pola elektrycznego jest to praca wykonywana przy przesuwaniu między tymi punktami jednostkowego ładunku elektrycznego. Napięcie elektryczne reprezentuje więc pracę przeciwko siłom pola /lub wykonaną przez siły pola/ przy przesuwaniu ładunku elektrycznego odniesioną do tego ładunku.
Jednostką napięcia elektrycznego w układzie SI jest wolt.
1 V = kg * m² * A^-1 * s^-3.
Jest to takie napięcie elektryczne, które odpowiada polu elektrycznemu, w którym przy przesuwaniu ładunku elektrycznego wynoszącego 1 G pomiędzy danymi punktami zostaje wykonana praca wynosząca 1 J.

Natężenie oświetlenia danej powierzchni jest to stosunek strumienia świetlnego padającego na tę powierzchnię do jej pola. Natężenie oświetlenia jest więc miarą jasności powierzchni, na którą pada światło.
Jednostką natężenia jest luks.
1 lx = cd * sr * m^-2
Jest to takie natężenie oświetlenia (danej powierzchni), przy którym na każdy metr kwadratowy powierzchni pada strumień wynoszący 1 lumen (ln).

Natężenie pola elektrycznego jest to siła działająca w danym polu na ładunek elektryczny jednostkowy. Jest to więc siła działająca ze strony pola na ciało naładowane odniesiona do jednostkowego ładunku elektrycznego. Inaczej natężenie pola elektrycznego można określić jako napięcie elektryczne między dwoma punktami, pomiędzy którymi odległość jest równa jednostce odległości. Jest to więc, z drugiej strony, napięcie elektryczne na jednostkę długości odcinka łączącego punkty, między którymi napięcie jest określone.

Jednostką natężenia pola elektrycznego w układzie SI jest niuton na kulomb lub wolt na metr
1 N/C = 1 V/m = kg * m * A^-1 * s^-3.
Jest to natężenie takiego pola jednorodnego, w którym na ciała naładowane obdarzone ładunkiem elektrycznym wynoszącym 1C działa siła równa 1N, albo natężenie takiego pola jednorodnego, w którym napięcie między punktami odległymi o 1m wynosi 1V.

Natężenie pola magnetycznego jest to moment siły działający w danym polu na jednostkowy dipol magnetyczny. Natężenie pola magnetycznego zależy od natężenia prądu elektrycznego wytwarzającego to pole. Zasadnicza różnica między stałymi polami magnetycznymi a elektrycznym polega na tym, że ostatnie wytwarzają ładunki elektryczne, natomiast to pierwsze jest wynikiem ruchu ładunków elektrycznych.
Jednostką natężenia pola magnetycznego w układzie SI jest amper na metr.
1 A/m = 1 A * m^-1.
Jest to natężenie pola magnetycznego, jakie wytwarza stały prąd elektryczny o natężeniu wynoszącym 1A płynący w dostatecznie długim i dostatecznie cienkim przewodniku prostoliniowym w odległości wynoszącej 1m (lub przewodniku kołowym o średnicy wynoszącej 1m w środku koła).
Inne jednostki:
1 ersted (1 Oe = (1/4 π) * 10³ A/m).

Natężenie prądu elektrycznego w danym przewodniku jest to ilość ładunku elektrycznego przepływającego przez ten przewodnik w jednostce czasu. Jest to więc szybkość przepływu ładunku elektrycznego.
Jednostką natężenia prądu elektrycznego w układzie SI jest amper - jest to jednostka podstawowa. Określa się ją jako natężenie nie zmieniającego się prądu elektrycznego, który płynąc w dwóch równoległych przewodach prostoliniowych o nieskończonej wielkiej długości i znikomo małym przekroju umieszczonych w próżni w odległości wynoszącej 1m od siebie wytwarza między tymi przewodami siłę równą 2 * 10- 7 N na każdy metr długości przewodów.

Natężenie względne dźwięku p. poziom natężenia dźwięku.

Objętość jest wielkością natury geometrycznej.
Jednostką objętością w układzie SI jest metr sześcienny.
1 m 3. Jest to objętość ciała o kształcie sześcianu, którego krawędź ma długość wynoszącą 1m.
Inne jednostki:
litr (1 l = 1 dm³ = 10^-3 m³);
tona rejestrowa (1 RT = 2,8317 m³);
stopa sześcienna (1 stopa sześcienna = 0,028317 m³).

Opór elektryczny jest to (ogólnie) stosunek napięcia elektrycznego do natężenia wywołanego przezeń prądu elektrycznego. Odwrotność oporu elektrycznego (zwana przewodnością) jest więc miarą zdolności danego ciała do przewodzenia prądu elektrycznego.
Jednostką oporu elektrycznego w układzie SI jest om. 1 Ω = kg * m² * A^-2 * s^-3.
Jest to opór elektryczny przewodnika, do którego końców przyłożenie napięcia elektrycznego wynoszącego 1V powoduje przepływ prądu elektrycznego o natężeniu 1A.

Pole powierzchni jest wielkością geometryczną.
Jednostką pola powierzchni w układzie SI jest metr kwadratowy - 1 m². Jest to pole powierzchni o kształcie kwadratu o boku wynoszącym 1m.
Inne jednostki:
ar (1 a = 10² m²);
hektar (1 ha = 10² a = 104 m²).

Potencjał elektryczny - jednostki p. napięcie elektryczne.

Poziom głośności dźwięku (głośność dźwięku, siła dźwięku) jest miarą subiektywnych wrażeń słuchowych, które zależą nie tylko od natężenia dźwięku, ale także - wskutek zróżnicowanej reakcji ucha na tony o różnej wysokości - od częstości dźwięku. Poziom głośności dźwięku L* określa się następującym wzorem:
L* = 10 log (I* / I0*), gdzie I* jest natężeniem tonu harmonicznego o częstości wynoszącej 1 kHz słyszanego tak samo głośno jak dany dźwięk, I0* zaś - progiem słyszalności (tzn. natężeniem najsłabszego tonu, na jaki ucho reaguje) tonu harmonicznego o częstości wynoszącej także 1 kHz.
Jednostką poziomu głośności dźwięku jest fon. Jest to poziom głośności dowolnego dźwięku odpowiadający poziomowi natężenia dźwięku tonu harmonicznego o częstości wynoszącej 1 kHz słyszanego tak samo głośno jak dany dźwięk. A więc dla tonu harmonicznego o częstości wynoszącej 1 kHz (i tylko takiego) 1 fon = 1 dB.

Poziom natężenia dźwięku (względnie natężenie dźwięku, intensywność dźwięku) jest miarą natężenia dźwięku. Określa się ją wzorem: L = log (I / I0), gdzie I jest natężeniem danego dźwięku, I0 zaś - progiem słyszalności (tzn. Natężeniem najsłabszego dźwięku, na jaki ucho reaguje) przy tej samej częstości, co dany dźwięk.
Jednostką poziomu natężenia dźwięku jest bel (B). Jest to poziom natężenia tonu harmonicznego o natężeniu I = 10 * I0. W praktyce używa się jednostki 10 razy mniejszej - decybela (dB); we wzorze określającym poziom natężenia dźwięku wyrażony nie w belach, lecz w decybelach współczynnikiem przy logarytmie jest więc nie 1, lecz 10.
Inną jednostką jest napier (N); 1N = 0,86859 B; wzór określający poziom natężenia dźwięku wyrażony w napierach różni się od wzoru powyższego tylko tym, że zamiast logarytmu dziesiętnego (log) występuje w nim logarytm naturalny (ln), tzn. Logarytm przy podstawie nie 10, lecz przy podstawie e = 2,718281828...

Praca danej siły F na drodze s jest to iloczyn F * s (jeśli siła działa równolegle do drogi). Praca przedstawia sobą zasadniczą, obok ciepła, formę zmian energii.
Jednostką pracy w układzie SI jest dżul
1 J = kg * m² * s^-2.
Jest to praca siły wynoszącej 1N na drodze o długości wynoszącej 1m (przy założeniu, że siła działa równolegle do drogi).

Inne jednostki:
erg - 1 erg = 10^-7 J;
elektronowolt - 1eV = 1,60210 * 10- 10 J;
kilogram-siła razy metr - 1 kGm = 9, 80665 J;
watosekunda - 1 Ws = 1 J;
woltoamperosekunda - 1 VAs = 1 J;
woltoamperogodzina - 1 WAh = 3600 J;
warosekunda - 1 var * s = 1 J;
warogodzina - 1 var * h = 3600 J.

Prędkość ciała jest to droga przebyta przez ciało w jednostce czasu.
Jednostką prędkości w układzie SI jest metr na sekundę;
1 m/s = 1 m * s^-1.
Jest to prędkość takiego ruchu ciała, podczas którego ciało w ciągu sekundy przebywa drogę wynoszącą 1m.
Inne jednostki:
kilometr na godzinę - 1 km/h = 1/3,6 m/s;
węzeł - 1 węzeł = 1 mila morska na godzinę = 1825/3600 m/s.

Przyspieszenie jest to zmiana prędkości w jednostce czasu. Przyspieszenie jest więc szybkością zmian prędkości ruchu ciała.
Jednostką przyspieszenia w układzie SI jest metr na sekundę do kwadratu;
1 m/s2 = 1m * s^-2.
Jest to przyspieszenie w takim ruchu ciała, podczas którego prędkość w ciągu sekundy zmienia się o 1 m/s.

Siła jest miarą oddziaływującą między ciałami. Ponieważ działania siły na ciało swobodne powoduje zmianę ruchu ciała., więc z kolei miarą siły jest zmiana ruchu ciała (dokładnie: pędu ciała). W związku z tym siłę określa się ściśle za pomocą drugiej zasady dynamiki Newtona.
Jednostką siły w układzie SI jest niuton;
1N = 1kg * m * s^-2.
Jest to siła, która ciału o masie wynoszącej 1g nadaje przyspieszenie wynoszące 1 m/s2.
Inne jednostki:
kilogram-siła - 1 kG = 9,80665 N;
kilopond - 1 kg = 1 kG = 9,80665 N.

Strumień świetlny przez pewną powierzchnię (prostopadłą do kierunku światła) jest to ilość energii przenoszonej w postaci energii świetlnej przez tę powierzchnię w jednostce czasu. Jest to więc iloczyn światłości źródła światła i wyznaczonego przez tę powierzchnię kąta bryłowego o wierzchołku w tym samym punkcie, w którym jest źródło światła.
Jednostką strumienia świetlnego w układzie SI jest kandelarazy steradian (1 cd  sr) Jest to strumień świetlny wysyłany przez źródło światła o światłości wynoszącej 1 cd w kącie bryłowym wynoszącym 1 sr.

Światłość jest to ilość energii wysyłanej w postaci energii świetlnej przez źródło światła w jednostce czasu. Światłość reprezentuje więc jasność źródła światła. Jednostką światłości w układzie SI jest kandela (cd); jest to jednostka podstawowa. Określa się ją jako światłość w kierunku prostopadłym ciała doskonale czarnego o polu powierzchni wynoszącym (1/6) * 10- 5 m² w temperaturze krzepnięcia platyny pod ciśnieniem wynoszącym 101325 N/m² (tzn. pod ciśnieniem równym jednej atmosferze fizycznej).

Temperatura jest miarą stopnia nagrzania ciał. W bezwględnej skali termodynamicznej (skali Kelvina) temperaturze przypisuje się wartości dodatnie od zera (bezwzględnego). Określenie skali temperatury polega na przyporządkowaniu liczb charakteryzujących ilościowo stopień nagrzania ciał.
Jednostką temperatury w układzie SI jest stopień Kelvina (1° K lub deg) jest to jednostka podstawowa. Określa się go jako 1/273,16 część temperatury punktu potrójnego wody w termodynamicznej skali temperatury Kelvina.


Zdolność skupiająca elementu lub układu optycznego (np. soczewki) jest to odwrotność ogniskowej. Jest to więc miara zdolności układu optycznego do skupiania przechodzących przezeń promieni świetlnych.
Jednostką zdolności skupiających w układzie SI jest dioptria (1 D = 1 m^-1). Jest to zdolność skupiająca układu optycznego o ogniskowej wynoszącej 1 m.

Opracowanie: mgr Sławomir Smolich