1a. Wielkości fizyczne i ich jednostki

Przygotujmy sobie warsztat pracy. Badane zjawiska fizyczne opisywać będziemy za pomocą wielkości fizycznych wyrażających w sposób ilościowy własności materii i zjawisk. Wielkościom fizycznym przypisujemy liczby zwane ich wartościami.

Wyróżniamy kilka typów wielkości fizycznych.

1. Wielkości skalarne są najprostsze i wyrażane są ilościowo jedną liczbą. Do skalarnych wielkości fizycznych zaliczamy np. masę, czas, temperaturę, potencjał elektryczny. 

2. Wielkości wektorowe wyrażamy za pomocą n liczb ustawionych w określonej kolejności, czyli uporządkowanych. Liczby te nazywamy składowymi wektora. Liczba n odpowiada wymiarowi przestrzeni, w której prowadzimy analizę badanego zjawiska. Niekoniecznie musi to być przestrzeń trójwymiarowa. Jeśli badane zjawisko z założenia zachodzi w płaszczyźnie, analiza nasza może ograniczyć się do dwóch wymiarów,  jeśli ruch odbywa się wzdłuż linii prostej - do jednego. W tzw. mechanice relatywistycznej analizę prowadzić będziemy w przestrzeni czterowymiarowej zwanej czasoprzestrzenią a odpowiadające tej przestrzeni wektory nazywać będziemy czterowektorami. Pełne określenie wielkości wektorowej wymaga podania długości, kierunku i zwrotu wektora. Długość wektora określa wartość wielkości wektorowej. Do wielkości wektorowych zaliczamy np. prędkość, przyspieszenie, siłę, natężenie pola elektrycznego i magnetycznego, pęd, moment pędu itd. 

3. Wielkości tensorowe stosujemy do badania ośrodków i zjawisk o cechach anizotropowych czyli takich, których własności zależą od kierunku w przestrzeni. Przedstawiamy je za pomocą tablicy liczb, które zapisujemy w postaci macierzy. Za pomocą tensorów opisujemy na przykład własności kryształów i ośrodków ciągłych. Takie wielkości jak przewodność elektryczna, przenikalność elektryczna i magnetyczna zależą od kierunku względem osi krystalograficznych w kryształach - mają więc charakter tensorowy.

Wielkości fizyczne wyrażamy ilościowo w postaci liczb, które informują ile razy wynik pomiaru jest większy, bądź mniejszy, od wartości  przyjętej umownie za jednostkę. Zawsze więc podając wartość dowolnej wielkości fizycznej musimy jednoznacznie określić w jakich jednostkach wielkość ta jest wyrażona. Definicje i prawa fizyczne wiążą ze sobą różne wielkości, co umożliwia wyrażenie jednej wielkości za pomocą innych. Okazuje się, że można określić zestaw kilku podstawowych wielkości fizycznych i za ich pomocą wyrazić inne. Ułatwia to bardzo działania na jednostkach przy opisie ilościowym zjawisk fizycznych

W Polsce stosujemy Międzynarodowy Układ Jednostek, "SI". Podstawowymi jednostkami tego układu są: jednostka długości (metr), masy (kilogram) i czasu (sekunda). Oprócz nich, za podstawowe uważa się jeszcze jednostki natężenia prądu, światłości, temperatury bezwzględnej oraz ilości materii. 

Poniżej wymienione są podstawowe jednostki układu SI. Podajemy jakiej wielkości jednostka dotyczy, jej nazwę i oznaczenie. 

wielkość fizyczna	nazwa jednostki	oznaczenie
długość	metr	m
masa	kilogram	kg
czas	sekunda	s
natężenie prądu	amper	A
temperatura bezwzględna	kelwin	K
światłość	kandela	cd
ilość materii	mol

Kilka bliższych informacji o jednostkach podstawowych.

Jednostka długości - metr, jest to długość równa 1650763,73 długości fali w próżni odpowiadającej pomarańczowej linii w widmie promieniowania kryptonu ⁸⁶Kr (przejście pomiędzy poziomami 2p₁₀ i 5d₂).

Jednostka masy - kilogram, jest to masa wzorca wykonanego ze stopu platyny i irydu (stop bardzo twardy i odporny na korozję) i przechowywanego w Międzynarodowym Biurze Miar i Wag w Sèvres koło Paryża. Warto dodać, że jest to w przybliżeniu masa jednego litra czystej wody w temperaturze 4^oC.

Jednostka czasu - sekunda, jest to przedział czasu równy 9 192 631 770 okresom promieniowania emitowanego przy przejściu pomiędzy dwoma nadsubtelnymi poziomami stanu podstawowego atomu cezu ¹³³Cs.

Jednostki innych wielkości fizycznych, to jednostki pochodne. Tworzymy je wykorzystując wzory definiujące wielkości fizyczne lub wyrażające prawa fizyki, które wiążą te jednostki z jednostkami podstawowymi; dla przykładu: prędkość to stosunek długości drogi do czasu, więc jednostką prędkości w układzie SI jest metr na sekundę.

Niekiedy używamy jednostek jednej wielkości dla wyrażenia innej. Dla przykładu, odległość do gwiazd wyraża się często w latach świetlnych. W tym przypadku do określenia długości użyliśmy jednostki czasu wykorzystując znany związek pomiędzy drogą, prędkością  i czasem
gdzie prędkością jest prędkość światła. Inny przykład, to wyrażanie masy w jednostkach energii wykorzystując słynny wzór Einsteina
. Masę cząstek elementarnych wyrażamy zazwyczaj w megaelektronowoltach (MeV).  Znając wartość prędkości światła i masę w megaelektronowoltach, nietrudno jednak wyrazić ją także w kilogramach. Będzie to oczywiście wartość bardzo mała. 

---