基本單位的歷史沿革

1、基本單位的歷史沿革 長度單位 古代常以人體的一部分作為長度的單位。例如我國三國時(shí)期(公元 三世紀(jì)初)王肅編的孔子家語一書中記載有：“布指知寸，布手知 尺，舒肘知尋。”兩臂伸開長八尺，就是一尋。還有記載說：“十尺為 丈，人長八尺，故曰丈夫。”可見，古時(shí)量物，寸與指、尺與手、尋與 身有一一對應(yīng)的關(guān)系。 西方古代經(jīng)常使用的長度單位中有所謂的“腕尺”，約合 5253 厘 米，與從手的中指尖到肘之間的長度有密切關(guān)系。 也有用實(shí)物作為長度單位依據(jù)的。例如，英制中的英寸來源于三粒 圓而干的大麥粒一個(gè)接一個(gè)排成的長度。 多少年來世界各國通行種類繁多的長度單位，甚至一個(gè)國家或地區(qū) 在不同時(shí)期采用不同的長度單位，

2、雜亂無章，極不統(tǒng)一，對商品的流通 造成許多麻煩。所以，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，長度單位逐漸趨于統(tǒng)一， 這個(gè)進(jìn)程早在幾百年前就已經(jīng)開始了。 1790 年法國國民議會通過決議，責(zé)成法國科學(xué)院研究如何建立長度 和質(zhì)量等基本物理量的基準(zhǔn)，為統(tǒng)一計(jì)量單位打好基礎(chǔ)。次年，又決定 采用通過巴黎的地球子午線的四分之一的千萬分之一為長度單位，選取 古希臘文中“metron”一詞作為這個(gè)單位的名稱，后來演變?yōu)?頁 1 第“meter”， 中文譯成“米突”或“米”。從 1792 年開始，法國天文學(xué)家用了 7 年時(shí) 間，測量通過巴黎的地球子午線，并根據(jù)測量結(jié)果制成了米的鉑質(zhì)原器， 這支米原器一直保存在巴黎局里。 法國人開

3、創(chuàng)米制后，由于這一體制比較科學(xué)，使用方便，歐洲大陸 各國相繼采用。 后來又作了測量，發(fā)現(xiàn)這一米原器并不正好等于地球子午線的四千 萬分之一，而是大了 0.2 毫米。人們認(rèn)為，以后測量技術(shù)還會不斷進(jìn)步，勢必會再發(fā)現(xiàn)偏差，與其修改米原器的長度，不如就以這根鉑質(zhì)米原器 為基準(zhǔn)，從而統(tǒng)一所有的長度計(jì)量。 國際米原器 1875 年 5 月 20 日由法國政府出面，召開了 20 個(gè)國家政府代表會議， 正式簽置了米制公約，公認(rèn)米制為國際通用的計(jì)量單位。同時(shí)決定成立 國際計(jì)量委員會和國際計(jì)量局。到 1985 年 10 月止，米制公約成員國已有 47 個(gè)。我國于 1977 年參加。 國際計(jì)量局經(jīng)過幾年的研究，用含

4、鉑 90%、銥 10%的合金精心設(shè)計(jì)和 制成了 30 根橫截面呈 X 形的米原器，如圖 15?1。這種形狀最堅(jiān)固又最 省料，鉑銥合金的特點(diǎn)則是膨脹系數(shù)極小。這 30 根米原器分別跟鉑質(zhì)米 原器比對，經(jīng)過遴選，取其中的一根作為國際米原器。1889 年，國際計(jì) 量 頁 2 第委員會批準(zhǔn)了這項(xiàng)工作，并且宣布：1 米的長度等于這根截面為 X 形的 鉑銥合金尺兩端刻線記號間在冰融點(diǎn)溫度時(shí)的距離。 其余一些米原器都與國際米原器作過比對，后來大多分發(fā)給會員 國，成為各國的國家基準(zhǔn)，以后每隔幾十年都要進(jìn)行周期檢定，以確保 長度基準(zhǔn)的一致性。 然而實(shí)際上米原器給出的長度并不一定正好是 1 米，由于刻線工藝 和測

5、量方法等方面的原因，在復(fù)現(xiàn)量值時(shí)總難免有一定誤差，這個(gè)誤差 不小于 0.1 微米，也就是說，相對誤差可達(dá) 1×10?7。時(shí)間長了，很難保 證米原器本身不會發(fā)生變化，再加上米原器隨時(shí)都有被破壞的危險(xiǎn)。所 以，隨著科學(xué)與技術(shù)的發(fā)展，人們越來越希望把長度的基準(zhǔn)建立在更科 學(xué)、更方便和更可靠的基礎(chǔ)上，而不是以某一個(gè)實(shí)物的尺寸為基準(zhǔn)。光 譜學(xué)的研究表明，可見光的波長是一些很精確又很穩(wěn)定的長度，有可能 當(dāng)作長度的基準(zhǔn)。19 世紀(jì)末，在實(shí)驗(yàn)中找到了自然鎘(Cd)的紅色譜線， 具有非常好的清晰度和復(fù)現(xiàn)性，在 15的干燥空氣中，其波長等于λCd=6438.4696×10?1

6、0 米。 1927 年國際協(xié)議，決定用這條譜線作為光譜學(xué)的長度標(biāo)準(zhǔn)，并確定：1 米=155 316 4.13λCd人們第一次找到了可用來定義米的非實(shí)物標(biāo)準(zhǔn)?？茖W(xué)家繼續(xù)研究， 后來又發(fā)現(xiàn)氪(86Kr)的橙色譜線比鎘紅線還要優(yōu)越。1960 年， 頁 3 第在第十 一屆國際計(jì)量大會上，決定用氪(86Kr)橙線代替鎘紅線，并決定把米的定義改為：“米的長度等于相當(dāng)于氪(86Kr)原子的 2p10 到 5d5 能級之間躍遷的輻射在真空中波長的 165 076 3.73 倍?！?這個(gè)基準(zhǔn)的精確度相當(dāng)高，相對誤差不超過 4×10?9，相當(dāng)于在 1 千米長度測量中不差 4 毫米。 但是

7、原子光譜的波長太短，又難免受電流、溫度等因素的影響，復(fù)現(xiàn)的精確度仍受限制。 60 年代以后，由于激光的出現(xiàn)，人們又找到了一種更為優(yōu)越的光源，用激光代替氪譜線，可以使長度測量得更為準(zhǔn)確。只要確定某一時(shí)間間 隔，就可從光速與這一時(shí)間間隔的乘積定義長度的單位。80 年代，用激 光測真空中的光速 c，得 c=299 792 458 米/秒。 1983 年 10 月第十七屆國際計(jì)量大會通過了米的新定義：“米是光在 真空中 1/299 792 458 秒的時(shí)間間隔內(nèi)所經(jīng)路程的長度”。 新的米定義有重大科學(xué)意義。從此光速 c 成了一個(gè)精確數(shù)值。把長 度單位統(tǒng)一到時(shí)間上，就可以利用高度精確的時(shí)間計(jì)量，大大提高

8、長度 計(jì)量的精確度。 質(zhì)量單位 古代質(zhì)量單位和長度單位的情況相似，也有多種多樣的形式。例如： 在波斯用卡拉薩(karasha)作質(zhì)量的單位，約合 0.834 千克，埃及用格 德特(gedet)，約合 9.33 克。 頁 4 第 我國秦代度量衡制度中規(guī)定：1 石=4 鈞，1 鈞=30 斤，1 斤=16 兩。 與現(xiàn)代國際單位制比較，1 斤約合 0.256 千克。 英制中以磅(pound)，盎司(ounce)，打蘭(dram)，格令(grain) 作單位：1 磅=16 盎司=256 打蘭=7000 格令不列顛帝國曾用純鉑制成磅原器，它是高約 1.35 英寸，直徑 1.15 英寸的純鉑圓柱體。 最初的

9、千克質(zhì)量單位是由18世紀(jì)末法國采用的長度單位米推導(dǎo)出來 的。1 立方分米純水在最大密度(溫度約為 4)時(shí)的質(zhì)量，就定為 1 千 克。 1799 年法國在制作鉑質(zhì)米原器的同時(shí)，也制成了鉑質(zhì)千克基準(zhǔn)，保 存在巴黎局里。 后來發(fā)現(xiàn)這個(gè)基準(zhǔn)并不準(zhǔn)確地等于 1 立方分米最大密度純水的質(zhì) 量，而是等于 1.000 028 立方分米。于是在 1875 年米制公約會議之后， 也用含鉑 90%、銥 10%的合金制成千克原器，一共做了三個(gè)，經(jīng)與巴黎檔 案局保存的鉑質(zhì)千克原器比對，選定其中之一作為國際千克原器。這個(gè) 國際千克原器被國際計(jì)量局的專家們非常仔細(xì)地保存在特殊的地點(diǎn)，用 三層玻璃罩罩好，最外一層玻璃罩里抽成

10、半真空，以防空氣和雜質(zhì)進(jìn)入。 隨后又復(fù)制了四十個(gè)鉑銥合金圓柱體，經(jīng)過與國際千克原器比對后，分 發(fā)給各會員國作為國家基準(zhǔn)。跟米原器一樣，千克原器也要進(jìn)行周期性 的檢定，以確保質(zhì)量基準(zhǔn)的穩(wěn)定可靠。 頁 5 第 時(shí)間單位 在人類觀察到的自然現(xiàn)象中，以天空中發(fā)生的現(xiàn)象為最明顯，也最 有規(guī)律，所以很自然地時(shí)間的量度以地球自轉(zhuǎn)的周期作為基準(zhǔn)，這就是 所謂的太陽日。1 秒=1/86400 平太陽日。但是由于地球自轉(zhuǎn)并不均勻也 不穩(wěn)定，1960 年國際計(jì)量大會確認(rèn)，把時(shí)間基準(zhǔn)改為以地球圍繞太陽公 轉(zhuǎn)為依據(jù)，即：把秒定義為在 1900 年地球繞太陽沿軌道運(yùn)行一周所需時(shí)間的 1/315 569 25.9747。這

11、一數(shù)據(jù)之所以有如此之高的精確度，是因?yàn)?這個(gè)結(jié)果是通過為期數(shù)年的一系列天文觀測獲得的。 然而根據(jù)這個(gè)定義很難對秒本身進(jìn)行直接比較。正好在這期間，時(shí) 間和頻率的測量技術(shù)有了很大發(fā)展，1967 年第十三屆國際計(jì)量大會重新 規(guī)定了時(shí)間單位的定義： “秒是銫?133 原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級之間躍遷所對應(yīng)的輻射的9 192 631 770 個(gè)周期的持續(xù)時(shí)間”。15.1.4 溫標(biāo)現(xiàn)在通用的國際單位制中溫度以開爾文(K)表示，這個(gè)溫度單位也 是基本單位。嚴(yán)格說來，溫度單位的選擇實(shí)際上是一個(gè)溫標(biāo)問題。熱學(xué) 發(fā)展史中出現(xiàn)過華氏溫標(biāo)、列氏溫標(biāo)、蘭氏溫標(biāo)、攝氏溫標(biāo)、氣體溫標(biāo) 和熱力學(xué)溫標(biāo)等。熱力學(xué)溫標(biāo)是 1848

12、 年開爾文首先提出的，(參看§2.4)，由熱力學(xué)溫標(biāo)定義的熱力學(xué)溫度具有最嚴(yán)格的科學(xué)意義。其余幾 種都屬于經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)，其共同特點(diǎn)是人為選擇某一特定 頁 6 第的溫度計(jì)和若干溫 度固定點(diǎn)來定義溫標(biāo)，因此缺乏客觀標(biāo)準(zhǔn)。這些經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)已成為歷史， 但跟現(xiàn)代的溫標(biāo)仍有一些淵源關(guān)系。 華氏溫標(biāo)是德國人華倫海特(D.G.Fahrenheit)大約在 1710 年提出 的，規(guī)定水的冰點(diǎn)為 32 度，水的沸點(diǎn)為 212 度。華氏溫度至今還在英、 美等國民間流行。 列氏溫標(biāo)由列奧繆爾(R.A.F.Reaumur)于 1730 年提出，規(guī)定水的 冰點(diǎn)為零度，水的沸點(diǎn)為 80 度。列氏溫標(biāo)在德國曾一度流行。

13、蘭氏溫標(biāo)由英國人蘭金(Rankine)提出，其定義為tR=tF+459.67實(shí)際上蘭氏溫度是以絕對零度為計(jì)算起點(diǎn)的華氏溫度，以 0R 表示之?，F(xiàn) 在科技界已很少采用。 攝氏溫標(biāo)是瑞典天文學(xué)家攝爾薩斯(A.Celsius)在 1742 年提出的。 他原來的方案是以水的沸點(diǎn)為零度，水的冰點(diǎn)為 100 度。次年法國人克 里斯丁(Christian)把兩個(gè)標(biāo)度倒過來，就成了現(xiàn)在通用的標(biāo)度。 以氣體溫度計(jì)標(biāo)定溫度所構(gòu)成的氣體溫標(biāo)最接近熱力學(xué)溫標(biāo)。由于 氣體溫度計(jì)的復(fù)現(xiàn)性較差，國際間又協(xié)議定出國際實(shí)用溫標(biāo)，以統(tǒng)一國 際間的溫度量值，國際實(shí)用溫標(biāo)幾經(jīng)變革，為的是由此定出的溫度盡可 能接近熱力學(xué)溫度。 早在

14、1887 年，國際計(jì)量委員會就曾決定采用定容氫氣體溫度計(jì)作為 國際實(shí)用溫標(biāo)的基礎(chǔ)。 1927 年第七屆國際計(jì)量大會決議采用鉑電阻溫度計(jì)等作 頁 7 第為溫標(biāo)的內(nèi) 插儀器，并規(guī)定在氧的凝固點(diǎn)(?182.97)到金凝固點(diǎn)(1063)之間 確定一系列可重復(fù)的溫度或固定點(diǎn)。 1948 年第十一屆國際計(jì)量大會對國際實(shí)用溫標(biāo)作了若干重要修訂。 例如，以金融點(diǎn)代替金凝固點(diǎn);以普朗克黑體輻射定律代替維恩定律; 引用更精確的常數(shù)值;計(jì)算公式更為精確;光測高溫計(jì)的測量限值擴(kuò)大 等等。 1960 年又增加了一條重要修訂，即把水的三相點(diǎn)作為唯一的定義 點(diǎn)，規(guī)定其絕對溫度值為 273.16(精確)，以代替原來水冰點(diǎn)溫度

15、為 0.00(精確)之規(guī)定。而水的冰點(diǎn)根據(jù)實(shí)測，應(yīng)為 273.1500±0.0001K。采 用水的三相點(diǎn)作為唯一的定義點(diǎn)是溫度計(jì)量的一大進(jìn)步，因?yàn)檫@可以避 免世界各地因冰點(diǎn)變動而出現(xiàn)溫度計(jì)量的差異。 1968 年對國際實(shí)用溫標(biāo)又作了一次修訂，代號為 IPTS?68。其特點(diǎn) 是采用了有關(guān)熱力學(xué)的最新成就，使國際實(shí)用溫標(biāo)更接近熱力學(xué)溫標(biāo)。 這一次還規(guī)定以符號 K 表示絕對溫度，取消原來的符號(K)，并規(guī)定攝 氏溫度與熱力學(xué)溫標(biāo)的絕對溫度單位精確相等，攝氏溫度 t=絕對溫度T?273.15(精確)。 1975 年和 1976 年分別對 IPTS?68 作了修訂和補(bǔ)充，把溫度范圍的 下限由 13.81K 擴(kuò)大到 0.5K。但還是出現(xiàn)不足之處，主要是在實(shí)驗(yàn)中不斷 發(fā)現(xiàn) IPTS?68 在某些溫區(qū)與國 頁 8 第際單位制定義的熱力學(xué)溫度偏差甚大。 1988 年國際度量衡委員會推薦，第十八屆國際計(jì)量大會及第 77 屆國 際計(jì)量委員會作出決議，從 199