物理量和計(jì)量單位

物理量和計(jì)量單位第1頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月學(xué)習(xí)要求了解國(guó)際單位制的基本單位了解我國(guó)的法定計(jì)量單位第2頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.1量制和單位制一、量與量值1、量量：現(xiàn)象、物體和物質(zhì)的可以定性區(qū)別和定；量確定的一種屬性。定性區(qū)別：量的單位。定量確定：量的數(shù)值。計(jì)量學(xué)中的量都是由一個(gè)數(shù)值和一個(gè)稱為計(jì)量單位的特殊約定來(lái)組合表示的。第3頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.1量制和單位制一般來(lái)說(shuō)，凡是量都是可以測(cè)量的，因此，量又稱為“可測(cè)量的量”。量可以是廣義的，也可以是特定的。例：長(zhǎng)度、質(zhì)量、溫度等屬于廣義量，某棒的長(zhǎng)度、重量屬于特定量。計(jì)量學(xué)中的量分為基本量和導(dǎo)出量。第4頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、量值一般由一個(gè)數(shù)和計(jì)量單位之積表示的特定量大小，稱為量值。量的大小與量值的形式無(wú)關(guān)，是客觀存在，不取決于所采用的計(jì)量單位。第5頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、量制與量綱量制：在科學(xué)所有領(lǐng)域或一個(gè)領(lǐng)域中，由約定選取的基本量和相應(yīng)導(dǎo)出量的特定組合。SI單位制是最典型的量制?；玖浚罕患s定地認(rèn)為在函數(shù)關(guān)系上彼此獨(dú)立的量?；玖渴橇恐频幕A(chǔ)，一旦選定就可以形成量制。如：米制。導(dǎo)出量：由基本量的函數(shù)所定義的量。第6頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、量制與量綱量綱：以給定量制中基本量的冪的乘積表示某量的表達(dá)式稱為量綱。量綱的確定取決于量制。同一物理量在不同的量制中可以由不同的量綱。一旦選定了基本量，在這個(gè)量制中，基本量的量綱就是它本身。第7頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月二、量制與量綱SI的基本量：長(zhǎng)度、質(zhì)量、時(shí)間、電流、熱力學(xué)溫度、物質(zhì)的量、發(fā)光強(qiáng)度。無(wú)量綱量：其基本量量綱的指數(shù)全部為零的量稱為無(wú)量綱量或量綱一的量。如相對(duì)密度、摩擦系數(shù)、馬赫數(shù)、折射率等。量綱法則：量綱能定性地確定量之間的關(guān)系，任何量的表達(dá)式，其等號(hào)兩側(cè)必須具有相同的量綱。第8頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月三、計(jì)量單位計(jì)量單位：為定量表示同種量的大小而約定地定義和采用的特定量。計(jì)量單位是共同約定的一個(gè)特定參考量，具有名稱、符號(hào)和定義，其數(shù)值為1。計(jì)量單位的定義不是一成不變的，隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展而重新定義，體現(xiàn)著現(xiàn)代計(jì)量學(xué)的成就和水平。區(qū)分量綱與單位的概念。導(dǎo)出量量綱用于給出導(dǎo)出量和基本量之間的定性關(guān)系；而導(dǎo)出單位表達(dá)式用于給出導(dǎo)出單位和基本單位之間的定量關(guān)系。第9頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月(一）對(duì)基本單位定義的特定要求應(yīng)該選擇那些我們確信在時(shí)空變換下在天體尺度上保持穩(wěn)定，即與本質(zhì)上不變的量相關(guān)的參考標(biāo)準(zhǔn)。定義復(fù)現(xiàn)的準(zhǔn)確度必須能夠滿足最佳實(shí)際測(cè)量的要求。應(yīng)努力選擇盡量簡(jiǎn)單的定義，無(wú)論是在理解上還是在復(fù)現(xiàn)上都要求如此，復(fù)現(xiàn)所采用的設(shè)備不應(yīng)過(guò)于昂貴或過(guò)于復(fù)雜。應(yīng)選擇在任何時(shí)候、任何地點(diǎn)，任何人都可自由獲取的定義。第10頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（二）基本單位目前的定義第11頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1）、米定義的變遷米的起源

1791年：法國(guó)議會(huì)批準(zhǔn)了達(dá)特蘭提出的以通過(guò)巴黎的地球子午線的1/4000萬(wàn)為1m的定義。歷時(shí)6年，測(cè)量了西班牙巴塞羅那到法國(guó)敦克爾刻的地球子午線長(zhǎng)度。

1795年4月7日，法國(guó)國(guó)民議會(huì)頒布新的度量衡制度，采用十進(jìn)制：米的長(zhǎng)度以“自北極到赤道段經(jīng)過(guò)巴黎的子午線的一千萬(wàn)分之一”為標(biāo)準(zhǔn)。質(zhì)量單位以1立方分米溫度為攝氏4度純水在真空中的質(zhì)量。1、米定義第12頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1799年測(cè)繪學(xué)家的大地測(cè)量工作最終完成，按測(cè)量結(jié)果制作了3.5×20mm矩形截面的鉑桿，以此桿兩端之間的距離為1m，此桿保存在巴黎檔案局，成為檔案米尺（metrearchives）。同年12月10日頒布法律確定米和千克的值。同時(shí)鑄出千克原器。第13頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2）第一個(gè)米定義1872年：在法國(guó)召開(kāi)的討論米制的第二次國(guó)際會(huì)議上，決定放棄檔案尺的米定義，以鉑銥合金制造的米原器來(lái)代替。瑞士日內(nèi)瓦物理公司：制作了31根鉑銥合金尺。第14頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1875年5月20日,17個(gè)國(guó)家簽署了米制公約簽訂，決定成立國(guó)際計(jì)量局（BIPM）。這是計(jì)量學(xué)走向國(guó)際統(tǒng)一的里程碑。這一天稱為“國(guó)際計(jì)量日”。1889年，第1屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)（GCGPM）召開(kāi)。遴選了與保存在巴黎檔案局的檔案尺數(shù)值最為接近的第6號(hào)尺，批準(zhǔn)為國(guó)際米原器。保存在巴黎國(guó)際權(quán)度局（現(xiàn)稱國(guó)際計(jì)量局）精度：一般認(rèn)為0.3μm。第15頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月1889年：第一屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)(CGPM)批準(zhǔn)了國(guó)際計(jì)量委員會(huì)（CIPM）所選擇的米原器，并宣布“該米原器以后在冰融點(diǎn)溫度時(shí)代表長(zhǎng)度的米單位”。同時(shí)批準(zhǔn)了采用鉑銥合金制的圓柱體砝碼為千克的定義。1927年：第七屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)進(jìn)一步明確：“長(zhǎng)度的單位是米，規(guī)定為國(guó)際計(jì)量局（BIPM）所保存的鉑銥尺上所刻的兩條中間刻線的軸線在0°C時(shí)的距離”。第16頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3）第二個(gè)米定義

1960年：第十一屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)上正式批準(zhǔn)廢除鉑銥米原器。米定義：“米等于86Kr原子的2P10和5d5能級(jí)間的躍遷所對(duì)應(yīng)的輻射在真空中波長(zhǎng)的1650763.73個(gè)波長(zhǎng)的長(zhǎng)度?！?6Kr譜線寬度為5×104nm，干涉能力約為750mm，波長(zhǎng)不確定度為1×10－8，它比米原器或鎘紅線的準(zhǔn)確度高約一個(gè)數(shù)量級(jí)。CIPM還通過(guò)建議，規(guī)定了產(chǎn)生86Kr基準(zhǔn)輻射的放電管形式、參數(shù)和使用條件。并認(rèn)為在滿足使用條件時(shí)，其輻射波長(zhǎng)在1×10－8范圍內(nèi)等于未受擾動(dòng)原子所發(fā)射的波長(zhǎng)。第17頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4）第3個(gè)米定義1960年激光誕生。

20世紀(jì)70年代初，激光穩(wěn)頻技術(shù)的進(jìn)展，使激光的復(fù)現(xiàn)性和易于應(yīng)用方面已大大優(yōu)于86Kr基準(zhǔn)，且由激光頻率測(cè)量及給定的光速值所導(dǎo)出的激光波長(zhǎng)的準(zhǔn)確度比86Kr基準(zhǔn)輻射更好。同時(shí)，對(duì)于天文和大地測(cè)量領(lǐng)域，保持光速值不變具有重要意義，因此，米定義咨詢委員會(huì)(CCDM）認(rèn)為用光速定義米的時(shí)機(jī)已經(jīng)成熟。

1983年國(guó)際計(jì)量大會(huì)通過(guò)新的米定義：“米等于光在真空中299792458分之一秒時(shí)間間隔內(nèi)所經(jīng)路徑的長(zhǎng)度”。第18頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

米定義歷程：自然基準(zhǔn)——實(shí)物基準(zhǔn)——自然基準(zhǔn)——基本物理常數(shù)即：地球子午線長(zhǎng)度檔案米尺

86Kr

光速第19頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、質(zhì)量1889年，第1屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)批準(zhǔn)了千克的定義。即采用鉑銥合金制的圓柱體砝碼為千克的定義。1901年第3屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)進(jìn)一步明確作了以下規(guī)定：“千克是質(zhì)量單位，它等于國(guó)際千克原器的質(zhì)量”。1988年秋～1992年秋，國(guó)際計(jì)量局利用NBS－2型天平，對(duì)34個(gè)國(guó)家的kg原器進(jìn)行了國(guó)際比對(duì)。第20頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月結(jié)果表明：國(guó)家kg原器的質(zhì)量平均約以每年0.5μg的速率增加。如:瑞士的國(guó)家千克基準(zhǔn)No.38的質(zhì)量,1946年與1989年兩次與國(guó)際千克原器比對(duì)的差值為+28μg。德國(guó)的國(guó)家千克基準(zhǔn)No.55與國(guó)際千克原器比對(duì)結(jié)果為1kg+0.252mg,它增長(zhǎng)率也為0.5μgP年。我國(guó)的No.60和No.64kg原器的質(zhì)量分別為1kg+0.295mg和1kg+0.251mg第21頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第22頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

屬于法國(guó)科學(xué)院的No.34千克基準(zhǔn),從第二屆國(guó)際千克基準(zhǔn)比對(duì)之后,該千克基準(zhǔn)就保存在密封的容器中,沒(méi)有使用過(guò),也沒(méi)有動(dòng)過(guò),它的質(zhì)量值變化如下:1889年1kg-0.073mg1950年1kg-0.078mg1992年1kg-0.051mg該千克基準(zhǔn)質(zhì)量從1952年到1992年的40年之間相對(duì)國(guó)際千克原器質(zhì)量的變化為+0.27mg。另外,R.Davis從1959年至1989年對(duì)他們自己的千克基準(zhǔn)進(jìn)行長(zhǎng)期實(shí)驗(yàn)考核,其結(jié)果在這40年中他們的千克基準(zhǔn)質(zhì)量值相對(duì)增高了6×10-7

。第23頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月按上述事實(shí)可以推算出國(guó)際千克原器是否也在100年中變化了50μg(5×10-8)?由此可見(jiàn),當(dāng)今的質(zhì)量“kg”基準(zhǔn)自身質(zhì)量隨時(shí)間的變化已超過(guò)了國(guó)際比對(duì)的不確定度,更滿足不了當(dāng)今工業(yè)、科學(xué)技術(shù)發(fā)展的需要,必須變更.變更的方向是利用基本物理常量或原子物理特性。第24頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

國(guó)際kg原器在剛剛清洗后的初期，其質(zhì)量每天以0.0368μg的速率增加。盡管采用了表面科學(xué)的各種先進(jìn)技術(shù)如X射線光電波譜儀、Auger電子顯微鏡、橢圓偏振儀對(duì)砝碼表面進(jìn)行觀察，研究清洗工藝、表面吸附與污染對(duì)質(zhì)量的影響，但看來(lái)短期內(nèi)不會(huì)有明確的結(jié)論。

100多年來(lái)，國(guó)際原器只進(jìn)行了3次比對(duì)，受數(shù)據(jù)量和比對(duì)不確定度的限制，kg原器質(zhì)量漂移的原因一時(shí)難以查明。第25頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月幾種原子極可能成為新千克定義的實(shí)現(xiàn)對(duì)象:原子質(zhì)量單位是以12C原子為對(duì)象定義的,若選該原子作為千克實(shí)現(xiàn)的對(duì)象,那么,12C就成為了質(zhì)量定義的統(tǒng)一體。且12C在元素中的天然豐度很高,而金剛石可以作為新的千克單位的復(fù)現(xiàn)體。28Si,利用現(xiàn)代提純技術(shù),28Si已可被提純到足夠高的純度,該原子是阿伏伽德羅常數(shù)的測(cè)量對(duì)象。197Au,同位素天然豐度為100%,化學(xué)穩(wěn)定性好,是原子質(zhì)量單位的實(shí)驗(yàn)測(cè)量對(duì)象(離子收集法)。第26頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月3、秒1）時(shí)間單位的發(fā)展

太陽(yáng)秒長(zhǎng)期以來(lái)，時(shí)間單位秒的定義也依賴于地球。第一次定義是在1820年，科學(xué)家根據(jù)觀測(cè)地球自轉(zhuǎn)和繞太陽(yáng)公轉(zhuǎn)的周期來(lái)確定時(shí)間。

1秒＝1平太陽(yáng)日/86400即平太陽(yáng)秒其中：平太陽(yáng)日即是平均的晝夜時(shí)間在隨后的約一個(gè)世紀(jì)內(nèi)，均未發(fā)現(xiàn)地球自轉(zhuǎn)的不穩(wěn)定性。第27頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月太陽(yáng)秒

1960年對(duì)秒作第二次定義時(shí)，是用1900年的回歸年，即歷書上的特定的回歸年進(jìn)行定義的。即:1秒＝1回歸年/31556925.9747

這樣定義的秒亦稱歷書秒,比第一次定義的準(zhǔn)確度高一個(gè)量級(jí),達(dá)1×10－9量級(jí)。

1930年，出現(xiàn)了振蕩周期非常穩(wěn)定的石英晶體振蕩器，由此發(fā)現(xiàn)了平太陽(yáng)秒的變化約為1×10－8量級(jí)，即一晝夜約有1ms的變化。第28頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月20世紀(jì)70年代采用了銫原子的量子躍遷的定義。1967年第13屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)通過(guò)了新的秒定義“秒是銫原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)之間躍遷所對(duì)應(yīng)的輻射的9192631770個(gè)周期的持續(xù)時(shí)間?！痹阡C原子鐘的發(fā)展中，經(jīng)歷了用磁選態(tài)、激光選態(tài)和原子噴泉等三種方案來(lái)激勵(lì)定義中的輻射躍遷，它們使秒定義的復(fù)現(xiàn)不確定度分別達(dá)到了1×10－131×10－14和1×10－15的量級(jí)，使時(shí)間頻率的測(cè)量達(dá)到整個(gè)計(jì)量基本單位復(fù)現(xiàn)準(zhǔn)確度的頂峰。新的秒定義第29頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院保存著中國(guó)時(shí)間頻率的計(jì)量基準(zhǔn)。原子時(shí)標(biāo)始建于1980年，利用連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)的商品型原子鐘，三臺(tái)銫原子鐘和兩臺(tái)氫原子鐘組成一個(gè)鐘組，通過(guò)加權(quán)平均計(jì)算得出本地原子時(shí)，由此導(dǎo)出國(guó)家的標(biāo)準(zhǔn)時(shí)間－北京時(shí)間。其正式代號(hào)為UTC(NIM)。并參加國(guó)際原子時(shí)（UTC）合作，同時(shí)由計(jì)量院保存的銫原子頻率基準(zhǔn)對(duì)準(zhǔn)確度進(jìn)行校準(zhǔn)?，F(xiàn)在的指標(biāo)為：時(shí)刻偏差的不確定度為100ns，頻率的不確定度為5×10-14。2）原子鐘和原子時(shí)第30頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月TAI-國(guó)際原子時(shí)（InternationalAtomicTime）

BIPM會(huì)員國(guó)的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)室原子鐘組依據(jù)秒定義產(chǎn)生，每月送至BIPM，BIPM根據(jù)各國(guó)實(shí)驗(yàn)室的維持能力及研發(fā)實(shí)力乘以不同的權(quán)重，平均所得即為TAI。

TAI由來(lái)原子時(shí)是一種以原子諧振信號(hào)周期為標(biāo)準(zhǔn)，并對(duì)它進(jìn)行連續(xù)計(jì)數(shù)的時(shí)標(biāo)。同天文時(shí)相比，原子時(shí)要均勻得多。五十年代初期，人們研制出原子鐘－一種觀測(cè)原子諧振現(xiàn)象并對(duì)其信號(hào)周期進(jìn)行計(jì)數(shù)的裝置。如氨分子（NH3）鐘，銫原子（Cs）鐘，此后便有了原子時(shí)標(biāo)。但是，由各臺(tái)原子鐘建立的原子時(shí)標(biāo)可以頗不相同，因?yàn)樗鼈兊钠鹗键c(diǎn)由使用者任取，而即使選擇了同一起始點(diǎn)，由于各臺(tái)原子鐘的準(zhǔn)確度和穩(wěn)定度存在差異，長(zhǎng)期累計(jì)之后所顯示的時(shí)刻也會(huì)明顯不同。為此，在建立原子時(shí)標(biāo)的初期，即用多臺(tái)鐘平均的辦法導(dǎo)出平均原子時(shí)。第31頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月平均原子時(shí)比由單臺(tái)原子鐘導(dǎo)出的原子鐘均勻。第一個(gè)作為無(wú)線電時(shí)號(hào)廣播的平均原子時(shí)，命明為A1。它由美國(guó)海軍天文臺(tái)（USNO）控制的短波臺(tái)WWV發(fā)播，以美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)局（NBS）、美國(guó)海軍天文臺(tái)（USNO）、加拿大國(guó)家研究委員會(huì)（NRC）、英國(guó)格林威治天文臺(tái)（RGO）等九個(gè)研究所的銫標(biāo)準(zhǔn)為基礎(chǔ)。該平均原子時(shí)標(biāo)的定義如下：

以銫原子（Cs133）超精細(xì)能級(jí)躍遷輻射的9,192,631,770個(gè)周期所持續(xù)的時(shí)間為1秒。時(shí)標(biāo)的始點(diǎn)定在UT2的1958年1月1日的零時(shí)零分零秒。第32頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

大概在建立A1的同時(shí)，國(guó)際計(jì)量局也組合了幾個(gè)研究所建立了命名為A3的原子時(shí)。1971年，國(guó)際計(jì)量大會(huì)正式認(rèn)可原子時(shí)標(biāo)，同時(shí)指定在國(guó)際計(jì)量局的原子時(shí)基礎(chǔ)上建立國(guó)際原子時(shí)TAI。國(guó)際原子時(shí)的秒長(zhǎng)和起點(diǎn)與A1相同，但規(guī)模擴(kuò)大了，計(jì)算方法也幾經(jīng)改進(jìn)。國(guó)際原子時(shí)的定義：“國(guó)際原子時(shí)是國(guó)際計(jì)量局根據(jù)國(guó)際單位制時(shí)間單位秒的定義，以各研究所運(yùn)轉(zhuǎn)的原子鐘讀數(shù)為根據(jù)，在海平面上建立的時(shí)間參考坐標(biāo)”

第33頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月現(xiàn)在，由分布于世界各國(guó)的近三百臺(tái)銫原子鐘為TAI提供數(shù)據(jù)（通過(guò)GPS和衛(wèi)星比對(duì)手段），在這些數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，國(guó)際計(jì)量局應(yīng)用一種叫做ALGOS的計(jì)算方法---一種加權(quán)平均方法，首先計(jì)算出中間時(shí)標(biāo)EAL（自由原子時(shí)標(biāo)），然后用幾臺(tái)實(shí)驗(yàn)室頻率基準(zhǔn)數(shù)據(jù)對(duì)EAL進(jìn)行準(zhǔn)確度控制。中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院、陜西天文臺(tái)以及臺(tái)灣電信研究所（TL）均各自建立了地方原子時(shí)，并每月向國(guó)際計(jì)量局報(bào)告數(shù)據(jù)，并同其他國(guó)家研究所的數(shù)據(jù)一塊發(fā)表在國(guó)際計(jì)量局（BIPM）的月報(bào)及年報(bào)上。第34頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月目前最準(zhǔn)確的基本物理量，準(zhǔn)確度已經(jīng)進(jìn)入10-15量級(jí)。許多其他物理量，例如長(zhǎng)度的米，電學(xué)的電壓都可由時(shí)間頻率導(dǎo)出；它是基礎(chǔ)物理學(xué)研究的一個(gè)重要方面，近十年來(lái)的諾貝爾物理獎(jiǎng)有三個(gè)和時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)：

1989年：Dehmelt與Pauli的離子阱和Ramsey的分離場(chǎng)技術(shù)；

1993年：Taylor的脈沖星穩(wěn)定周期；

1997年：朱棣文，Cohen-Tannoudji和Phillips的激光冷卻與捕陷原子。

良好的傳遞性，可用電波傳播而保持很高的準(zhǔn)確度，是現(xiàn)代導(dǎo)航技術(shù)的基礎(chǔ)；美國(guó)著名的GPS系統(tǒng)和俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)就是利用這一特點(diǎn)，綜合衛(wèi)星和電腦技術(shù)建成的；

和人民大眾的日常生活密切相關(guān)；

時(shí)間頻率的意義和現(xiàn)狀：第35頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

和國(guó)民經(jīng)濟(jì)密切相關(guān)，目前，國(guó)內(nèi)通信網(wǎng)同步要求頻率準(zhǔn)確度<1×10-11?，F(xiàn)代化的導(dǎo)航技術(shù)也是建立在高準(zhǔn)確度的時(shí)間頻率技術(shù)基礎(chǔ)之上的。中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院已經(jīng)建立了原子頻率基準(zhǔn)[實(shí)驗(yàn)室型原子鐘]和原子時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)；研究中的新一代原子頻標(biāo)，其設(shè)計(jì)準(zhǔn)確度可進(jìn)入10-15量級(jí)，有了高準(zhǔn)確度的原子頻標(biāo)之后，下一個(gè)重要任務(wù)就是建立相應(yīng)的傳遞體系，使國(guó)民經(jīng)濟(jì)各行業(yè)得到有效的高準(zhǔn)確度時(shí)間頻率服務(wù)。國(guó)外已研制出1000萬(wàn)年誤差不超過(guò)1秒的原子鐘。

第36頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月過(guò)去十年來(lái)，TAI主要依靠德國(guó)的1號(hào)和2號(hào)銫原子鐘。今天美國(guó)的NIST－7達(dá)到了1×10－14的準(zhǔn)確度。近年來(lái)，光抽運(yùn)銫鐘及采用鎂、汞原子或氫鐘的研究有了顯著的進(jìn)展，銫原子噴泉的準(zhǔn)確度已達(dá)到10－15～10－16，拉姆射線寬度已達(dá)到10－15～10－16。第37頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月4、電流安培：安培是電流單位，在真空中，截面積可以忽略的兩根相距1m的無(wú)限長(zhǎng)平行圓直線內(nèi)通以等量恒定電流時(shí)，若導(dǎo)線間相互作用力在每米長(zhǎng)度上為2×10－7N，則每根導(dǎo)線中的電流為1A。第38頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Ayrton－Jones電流天平原理圖1×10－6

第39頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Pellat電動(dòng)測(cè)力計(jì)原理圖10－6第40頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月5、溫度開(kāi)爾（開(kāi)爾文）溫標(biāo)有：攝氏溫標(biāo)、華氏溫標(biāo)、熱力學(xué)溫標(biāo)和國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)。國(guó)際實(shí)用溫標(biāo)（IPTS）是一個(gè)國(guó)際協(xié)議性溫標(biāo)，它與熱力學(xué)溫標(biāo)相接近，而且復(fù)現(xiàn)精度高，使用方便。IPTS－27：只給出了－190°C以上的數(shù)值；IPTS－48：水三相點(diǎn)代表冰融點(diǎn)；IPTS－68：延伸到13K；IPTS－68/75：給出了一些第二類參考點(diǎn)。開(kāi)爾文是熱力學(xué)溫度單位，等于水的三相點(diǎn)熱力學(xué)溫度的/273.16。第41頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

ITS90標(biāo)準(zhǔn)：1989年在法國(guó)巴黎通過(guò)，1990年開(kāi)始生效。對(duì)溫度的定義：

第一溫區(qū)：0.65-5.00K之間，3He和4He的飽和蒸汽壓

第二溫區(qū)：3.0K-氖三相點(diǎn)24.5561K之間，氦氣體溫度計(jì)

第三溫度：平衡氫三相點(diǎn)13.8033K到銀凝固點(diǎn)961.78℃（1235.08K）之間，鉑電阻溫度計(jì)銀凝固點(diǎn)以上的溫區(qū)，T90按普朗克輻射定律定儀，復(fù)現(xiàn)儀器為光學(xué)高溫計(jì)。第42頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月攝氏溫標(biāo)與華氏溫標(biāo)華氏溫標(biāo)：

DanielFahrenheit1714年制造了性能可靠的水銀溫度計(jì)，1724年公布了他的溫標(biāo)，規(guī)定在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下，冰的融點(diǎn)為32°F，水的沸點(diǎn)為212°F，中間劃分為180等分。攝氏溫標(biāo)：AndersCelsius1742年建立了百度溫標(biāo)，以冰點(diǎn)為100度，沸點(diǎn)為零度，斯托墨把兩個(gè)固定點(diǎn)對(duì)換。第43頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月開(kāi)爾文的實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵：水三相點(diǎn)（0.01K）的熱力學(xué)溫度和熱力學(xué)溫標(biāo)中的溫度比值1954年第10屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)（CGPM）上通過(guò)采用水三相點(diǎn)為熱力學(xué)溫標(biāo)的基本固定點(diǎn)（另一個(gè)固定點(diǎn)是絕對(duì)零點(diǎn)）。第44頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月ITS90定義固定點(diǎn)：17個(gè)固定點(diǎn)：包括He、e－H2的蒸氣壓點(diǎn)和三相點(diǎn)，Ne、O2、Ar、Hg、H2O的三相平衡點(diǎn)，Ga的熔點(diǎn)，In、Sn、Zn、Al、Ag、Au、Cu的凝固點(diǎn)。第45頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月6、物質(zhì)的量－摩爾（mol)1971年第14屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)決定。摩爾：摩爾是一系統(tǒng)的物質(zhì)的量，該系統(tǒng)所包括的基本單位數(shù)與0.012kg碳-12的原子數(shù)目相等。在摩爾定義中，0.012kg碳-12中的原子數(shù)目為阿伏加德羅常數(shù)NA的數(shù)值。NA＝6.0221367×1023mol-1

1986年國(guó)際科學(xué)與技術(shù)數(shù)據(jù)委員會(huì)（CODATA）推薦第46頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月確定NA的理想方案是采用純的C-12單質(zhì)，計(jì)量出其質(zhì)量{Mc12}和它包含的原子數(shù)目N，可以算出：

NA=12N/{Mc12}gmol-1

但因無(wú)法取得一定量的純碳-12這個(gè)方案無(wú)法實(shí)現(xiàn)。第47頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月目前：采用單晶硅單晶硅特點(diǎn)：無(wú)雜質(zhì)、無(wú)位錯(cuò)、同位素豐度穩(wěn)定αSi－晶格常數(shù)（即晶格間距）；ρ

Si－密度；MSi－摩爾質(zhì)量；NSi－單位立方晶胞中的原子數(shù)目，與原子結(jié)構(gòu)有關(guān)；mSi－硅同位素組合的平均原子質(zhì)量。第48頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月7、發(fā)光強(qiáng)度－坎德拉(cd)

坎德拉：坎德拉是一光源在給定方向上的發(fā)光強(qiáng)度，該光源發(fā)出頻率為540×1012Hz的單色輻射，且在此方向上的輻射強(qiáng)度為1/683W?Sr-1。540×1012Hz輻射的波長(zhǎng)約為555nm，是人眼感覺(jué)最靈敏的波長(zhǎng)。我國(guó)1982年研制成實(shí)現(xiàn)坎德拉的輻射計(jì)法裝置，其綜合不確定度為0.28%。第49頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月a－補(bǔ)償型雙錐腔輻射計(jì)b、c－熱屏蔽

d－修正濾光器F－準(zhǔn)直儀g－輻射阱h、i、j－擋光屏k、l、m－光闌

圖5第50頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月（三）建議的基本單位的新定義第51頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月四、單位制單位制：對(duì)給定的量制，由選定的一組基本單位和導(dǎo)出單位所構(gòu)成的單位體系。即單位制是基本單位和導(dǎo)出單位的組合?；締挝皇菃挝恢频幕A(chǔ)。所選取的基本單位不同，單位制就不同。一貫單位制：導(dǎo)出單位均按照數(shù)字因數(shù)為1的關(guān)系從基本單位中導(dǎo)出。如SI單位制。復(fù)現(xiàn)基本單位的方法和實(shí)體的準(zhǔn)確度，決定了該單位體系全部計(jì)量單位的準(zhǔn)確度。基本單位有嚴(yán)格的、公認(rèn)的第一，往往以法律形式予以固定。第52頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.2國(guó)際單位制SI單位制于1960年第十一屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)通過(guò)，是目前世界上最先進(jìn)、科學(xué)和實(shí)用的單位制。自1875年訂立米制公約以來(lái)，國(guó)際單位制在世界范圍內(nèi)得到了廣泛應(yīng)用。國(guó)際單位制中定義了7個(gè)基本單位。1960年以前，國(guó)際單位制的基本單位用實(shí)物基準(zhǔn)復(fù)現(xiàn)和保存。第53頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月第54頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Themodelofmeterprototype米原器模型

第55頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Themodelofkilogramerprototype

千克原器模型

三層玻璃罩第56頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月What’stheproblem?產(chǎn)生的問(wèn)題

(massofaphysicalartifactdrifts!)質(zhì)量漂移第57頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.3我國(guó)的法定計(jì)量單位1、我國(guó)的法定計(jì)量單位的構(gòu)成：SI的基本單位、導(dǎo)出單位和SI的倍數(shù)單位；可與SI單位制單位并用的我國(guó)法定計(jì)量單位，見(jiàn)P30表2-9；由以上單位構(gòu)成的組合形式的單位。第58頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2、我國(guó)的法定計(jì)量單位的特點(diǎn)簡(jiǎn)單明了、完善具體、留有余地。完整地包括了SI單位制第59頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月2.4計(jì)量基準(zhǔn)、標(biāo)準(zhǔn)的發(fā)展七個(gè)基本單位的定義及復(fù)現(xiàn)方法的發(fā)展基本單位復(fù)現(xiàn)精度的意義基本物理常數(shù)推薦值第60頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月古代階段

以經(jīng)驗(yàn)為主的初級(jí)階段，例如，我國(guó)古代的“布手知尺”、“掬手主升”、“取權(quán)定重”、“邁步定畝”、“滴水計(jì)時(shí)”。計(jì)量的發(fā)展現(xiàn)代階段

由以近代理論為基礎(chǔ)，轉(zhuǎn)為以量子理論為基礎(chǔ)，由宏觀實(shí)物基準(zhǔn)轉(zhuǎn)為微觀自然基準(zhǔn)。近代階段

以科學(xué)為基礎(chǔ)的民展時(shí)期。1875年”米制公約“的簽訂，標(biāo)志著近代計(jì)量階段的開(kāi)始。如根據(jù)地求子午線四分之一的千萬(wàn)分之一長(zhǎng)度制成長(zhǎng)度基準(zhǔn)米；根據(jù)1立方分米的純水在密度最大時(shí)的質(zhì)量制成了質(zhì)量基準(zhǔn)千克。第61頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月目前最準(zhǔn)確的基本物理量，準(zhǔn)確度已經(jīng)進(jìn)入10-15量級(jí)。許多其他物理量，例如長(zhǎng)度的米，電學(xué)的電壓都可由時(shí)間頻率導(dǎo)出；它是基礎(chǔ)物理學(xué)研究的一個(gè)重要方面，近十年來(lái)的諾貝爾物理獎(jiǎng)有三個(gè)和時(shí)間頻率標(biāo)準(zhǔn)有關(guān)：

1989年：Dehmelt與Pauli的離子阱和Ramsey的分離場(chǎng)技術(shù)；

1993年：Taylor的脈沖星穩(wěn)定周期；

1997年：朱棣文，Cohen-Tannoudji和Phillips的激光冷卻與捕陷原子。

良好的傳遞性，可用電波傳播而保持很高的準(zhǔn)確度，是現(xiàn)代導(dǎo)航技術(shù)的基礎(chǔ)；美國(guó)著名的GPS系統(tǒng)和俄羅斯的GLONASS系統(tǒng)就是利用這一特點(diǎn)，綜合衛(wèi)星和電腦技術(shù)建成的；

和人民大眾的日常生活密切相關(guān)；

如：時(shí)間頻率的意義和現(xiàn)狀第62頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

國(guó)內(nèi)通信網(wǎng)同步要求頻率準(zhǔn)確度<1×10-11?，F(xiàn)代化的導(dǎo)航技術(shù)也是建立在高準(zhǔn)確度的時(shí)間頻率技術(shù)基礎(chǔ)之上的。中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院已經(jīng)建立了原子頻率基準(zhǔn)（實(shí)驗(yàn)室型原子鐘）和原子時(shí)間標(biāo)準(zhǔn)；研究中的新一代原子頻標(biāo)，其設(shè)計(jì)準(zhǔn)確度可進(jìn)入10-15量級(jí)，有了高準(zhǔn)確度的原子頻標(biāo)之后，下一個(gè)重要任務(wù)就是建立相應(yīng)的傳遞體系。國(guó)外已研制出1000萬(wàn)年誤差不超過(guò)1秒的原子鐘。第63頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月光速c=299792458m/s1.Ifwedefinetheunitsindependently,thenwemustdeterminethenumericalvaluebyexperiment,anditwillhaveanuncertainty.Thatwasthesituationbefore1983,whenboththemetreandthesecondwereindependentlydefined.

如果各個(gè)單位是獨(dú)立定義的，就必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定c的數(shù)值，且所確定的數(shù)值具有不確定度。1983年以前就屬于這種情形，米和秒都是獨(dú)立定義的。

2.如果根據(jù)銫躍遷頻率來(lái)獨(dú)立定義秒，并且選擇c的數(shù)值固定不變，其效果就是定義米。1983年以后重新定義的米就屬于這種情形。現(xiàn)在c數(shù)值的不確定度為零。第64頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月普朗克常數(shù)h=6.6260693×10-34m2kgs11.Ifwedefinetheunitindependently,thenwemustdeterminethenumericalvaluebyexperiment,anditwillhaveanuncertainty.Thatisthepresentsituation.如果各個(gè)單位是獨(dú)立定義的，就必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定h的數(shù)值，且所確定的數(shù)值具有不確定度。目前就屬于這種情形。2.如果米和秒已獨(dú)立定義，并選擇固定h的數(shù)值不變，其效果就是定義千克。這就是我們提出的千克的新定義，h數(shù)值的不確定度將為零。

Note:Js=m2kgs–1第65頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月質(zhì)子的電荷e

=1.60217653×10-19

As1.如果各個(gè)單位是獨(dú)立定義的，就必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定e的數(shù)值，且所確定的數(shù)值具有不確定度。目前就屬于這種情形，安培是通過(guò)帶電導(dǎo)線之間的力來(lái)定義的，而秒則根據(jù)銫躍遷頻率來(lái)定義。

2.

如果根據(jù)銫躍遷頻率獨(dú)立定義秒，并選擇固定e的數(shù)值不變，其效果就是定義安培。這就是我們提出的安培的新定義，e數(shù)值的不確定度將為零。

Note:A=C/s,orC=As第66頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月玻爾茲曼常數(shù)kB

=1.3806505×10-23J/KkB值把開(kāi)爾文的大小與焦?fàn)栂嗦?lián)系。或者說(shuō)：

1.如果各個(gè)單位是獨(dú)立定義的，就必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定kB的數(shù)值，且所確定的數(shù)值具有不確定度。目前就屬于這種情形，焦耳和開(kāi)爾文都是獨(dú)立定義的（開(kāi)爾文的定義中固定水的三相點(diǎn)溫度）。

2.如果獨(dú)立定義焦耳（kgm2s-2），并選擇固定kB的數(shù)值不變，其效果就是定義開(kāi)爾文。這就是我們提出的開(kāi)爾文的新定義，kB數(shù)值的不確定度將為零。第67頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月阿伏伽德羅常數(shù)NA

=6.0221415×1023

mol-1

ThevalueofNA

isaconversionconstantrelatingthemoletothenumberofentities.Alternatives:NA值是摩爾與物質(zhì)量之間的換算常數(shù)?；蛘哒f(shuō)：

1.如果摩爾獨(dú)立定義為12g碳-12的物質(zhì)的量，就必須通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)確定NA的數(shù)值，且所確定的數(shù)值具有不確定度。目前就屬于這種情形。2.但是，如果選擇固定NA的數(shù)值不變，其效果就是定義摩爾。這就是我們提出的摩爾的新定義，NA數(shù)值的不確定度將為零。第68頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Proposednewdefinitionofthekilogram:千克的建議新定義Thekilogram,unitofmass,issuchthatthevalueofthePlanckconstantis6.6260693×10–34

joulesecond

千克是質(zhì)量的單位，此單位使普朗克常數(shù)值精確地等于6.6260693×10–34焦耳秒。Or

千克是其德布羅意-康普敦頻率精確地等于[(299792458)2/(6.6260693×10–34)]赫茲的物體的質(zhì)量。

（利用質(zhì)量m及其相應(yīng)德布羅意-康普敦頻率之間的關(guān)系式E=h=mc2）第69頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Proposednewdefinitionoftheampere:安培的建議新定義Theampere,unitofelectriccurrent,issuchthattheelementarycharge(thechargeonaproton)isexactly1.60217653×10–19

coulomb.

安培是電流的單位，此單位使基本電荷（質(zhì)子的電荷）精確地等于1.60217653×10–19庫(kù)侖。orTheampereistheelectriccurrentcorrespondingtotheflowofexactly1/(1.60217653×10–19)elementarychargespersecond.

安培是精確地每秒1/(1.60217653×10–19)個(gè)基本電荷流所對(duì)應(yīng)的電流。第70頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Proposednewdefinitionofthekelvin:

開(kāi)爾文的建議新定義Thekelvin,unitofthermodynamictemperature,issuchthattheBoltzmannconstantisexactly 1.3806505×10–23jouleperkelvin

開(kāi)爾文是熱力學(xué)溫度的單位，此單位使波爾茲曼常數(shù)精確地等于1.3806505×10–23焦耳每開(kāi)爾文。orThekelvinisthechangeofthermodynamictemperaturethatresultsinachangeofthermalenergykTbyexactly 1.3806505×10–23joule.

開(kāi)爾文是導(dǎo)致熱能kT精確地發(fā)生1.3806505×10–23焦耳變化的熱力學(xué)溫度的改變。第71頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Proposednewdefinitionofthemole:

摩爾的建議新定義Themole,unitofamountofsubstanceofaspecifiedelementaryentity,whichmaybeanatom,molecule,ion,electron,anotherparticle,orspecifiedgroupofsuchparticles,issuchthattheAvogadroconstantNAisexactly6.0221415×1023permole

摩爾是一特定基本單元的物質(zhì)的量的單位，該基本單元可以是原子、分子、離子、其他粒子，或這些粒子的特定組合。此單位使阿夫伽德羅常數(shù)NA精確地等于6.0221415×1023每摩爾。Or摩爾是精確地包含6.0221415×1023個(gè)基本單元的系統(tǒng)的物質(zhì)的量，該基本單元可以是原子、分子、離子、其他粒子，或這些粒子的特定組合。第72頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Relativeuncertaintyur×108forafewfundamentalconstants,forthreealternativedefinitionsofthebaseunits

三種基本單位定義方案中一些基本常數(shù)的相對(duì)不確定度，

ur×108

constant m(K

)fixed hfixed h,e,k,NA

(presentdefn) allfixed常數(shù)m(K

)固定（當(dāng)前定義）h固定h,e,k,NA均固定--------- -------------- ------------ -----------m(K) 0.0exact 17 17h 17 0.0exact 0.0exact精確值NA 17 0.67 0.0exact精確值me 17 0.67 0.67mp 17 0.67 0.67e 8.5 0.17 0.0exact精確值KJ 8.5 0.17 0.0exact精確值RK 17 0.34 0.0exact精確值kB 180 0.83 0.0exact精確值F 8.6 0.83 0.0exact精確值μB 8.6 0.83 0.67μN(yùn) 8.6 0.83 0.67第73頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月

“Yet,afterall,thedimensionsofourearthanditstimeofrotation,though,relativetoourpresentmeansofcomparison,verypermanent,arenotsobyphysicalnecessity.Theearthmightcontractbycooling,oritmightbeenlargedbyalayerofmeteoritesfallingonit,oritsrateofrevolutionmightslowlyslacken,andyetitwouldcontinuetobeasmuchaplanetasbefore.雖然我們所在地球的尺寸及其轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間相對(duì)于我們目前的比較方法而言是非常永久的，但從物理本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，它們并非恒定不變的。地球可能因冷而收縮，或者也可能因?yàn)橐粚与E石落在其上而變大，或者其公轉(zhuǎn)速度可能會(huì)緩慢地降低，盡管如此，地球依舊作為一個(gè)行星存在。

PragueSept2004第74頁(yè)，課件共80頁(yè)，創(chuàng)作于2023年2月Butamolecule,sayofhydrogen,ifeitheritsmassoritstimeofvibrationweretobealteredintheleast,wouldnolongerbeamoleculeofhydrogen.但是分子，例如氫分子，如果其質(zhì)量或振動(dòng)時(shí)間發(fā)生一點(diǎn)點(diǎn)改變的話，它將不再是氫分子。If,then,wewishtoobt