基本単位とは

和田先生
こんにちは,和田です.
前回は,物理学における「大体」を大事にする方法についてお話しました.
自然を対象とする物理学では,「形」においても「数」においても,「大体」で考えるとうまくいくことがあります.
こっしー君
はい.前回のお話で,物理学では,仮説を立てて考え,それを実証していくときの「目の付け処」が重要だということがわかりました.
和田先生
今日は,物理学において重要な「単位」のお話です.
特に理系の大学生にとっては「単位」は二重の意味で重要ですね.
こっしー君
はい,私も学生時代は単位を取るのに苦労しました・・・って,
今日のお話は,こちらの「単位」ではないですよね?
和田先生
はい,違います.もうひとつの「単位」のお話です.
国際単位系(SI)では,7つの基本単位を組み合わせて組立単位の定義を行います.
SI基本単位は次のとおりです.

 

基本単位
単位の名称 単位記号
時間 s
長さ メートル m
質量 キログラム kg
電流 アンペア A
熱力学温度 ケルビン K
物質量 モル mol
光度 カンデラ cd
和田先生
前回の宿題,
問題:
物理量を表す単位は,最低いくつ必要でしょうか?
そして,その単位は何でしょう?

の答えですが,一般的にはこの基本単位のことを指します.
すなわち,正解は7個です.
また,その単位は「基本単位」の表のとおりです.

こっしー君
はい.中でもなじみの深い次元は,時間・長さ・質量・電流・熱力学温度の5つだと思います.
また,力学関連のお話をするときは,最初の3つ(時間・長さ・質量)の単位が最低限必要です.
電磁気学のお話をするときには,これに電流が,熱力学のお話には熱力学温度が必要になってきます.
和田先生
そうですね.
単位の正確な定義は,計量標準総合センターのWebページ内の「国際単位系」《邦訳 第8版SI文書》などに記載されていますので,参考にしてください.

組立単位とは

和田先生
今回は,単位がどのように定義されているのかといったお話ではなく,単位の概念なくしては物理学のお話は不可能である,というお話です.次元のお話といってもいいですね.

国際単位系(SI)では,あらゆる単位は 7つの単位から構成されています.これを国際単位系(SI)では基本単位と呼んでいます.
これ以外は組立単位といいまして,基本単位の組み合わせで構成します.

こっしー君,例を出してもらえますか?

こっしー君
はい.
たとえば速度は,距離÷時間なので,
距離の次元を[L]とし,時間の次元を[T]としますと,

速度の次元=[LT]

と表せます.
よって単位は,メートル毎秒[m/s]となります.

和田先生
そうですね.
加速度は,速度÷時間なので,

加速度の次元=[LT]

ですね.
よって単位は,メートル毎秒毎秒[m/s]となります.

こっしー君
は,質量×加速度なので,
質量の次元を[M]としますと,

力の次元=[MLT]

となります.
よって単位は,キログラムメートル毎秒毎秒[kg m/s]となります.

力に関しては,よくニュートン[N]が用いられますが,[N]は[kg m/s]に対する固有の名称であり,組立単位となります.

和田先生
こっしー君,ありがとうございます.
このように基本的には,[T],[L],[M]で間に合うことになりますね.

エネルギーの単位はどのように構成されますか?

こっしー君
エネルギーは,力×距離なので,

エネルギーの次元=[MLT]

となります.
よって単位は,キログラム平方メートル毎秒毎秒[kg m/s]となります.

エネルギーにも別の呼び名がありまして,ジュール[J]が用いられます.これも組立単位となります.

また,仕事はエネルギーと同一次元です.
仕事率は,エネルギー÷時間なので,

仕事率=[MLT]

となります.
よって単位は,キログラム平方メートル毎秒毎秒毎秒[kg m/s]となります.
仕事率にも別の呼び名がありまして,ワット[W]が用いられます.同様に組立単位です.

和田先生
こっしー君,ありがとうございます.
さて,次回は私も愛用している便利な公式集をご紹介しますよ.
そして,今回もひとつ宿題を出しましょう.

問題:
公式を忘れてしまい,公式集もないとき,私はある方法を使います.
その方法とは何でしょうか?

正解は次回のゼミナールでお話します.

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和田先生のプロフィール

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TMCシステムの研究責任者.電子情報通信学会の会員.
電気接点の劣化現象などに関する論文を多数執筆.
プライベートでは,ギター演奏・料理・読書と幅広い趣味を持つ.

こっしー君のプロフィール

越田さん120

TMCシステムの研究担当者.電子情報通信学会の会員.
得意分野は数学と機械工学.
趣味は読書.特技はペン習字.

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