計(jì)量學(xué)原理第2章量和單位制改.ppt

1、第2章 量和單位制,2.1 量,2.3 國(guó)際單位制及其使用方法,2.2 單位和單位制,2.4 我國(guó)的法定計(jì)量單位,2.1 量,量的概念 “量”定義為“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”。 量的理解？定性、定量。 量總是由數(shù)值和計(jì)量單位的乘積表示。 A=AA 式中A量A所選用的計(jì)量單位； A用計(jì)量單位A表示時(shí)量A的數(shù)值。,2.1.1量的種類(lèi) 1.基本量和導(dǎo)出量 在科學(xué)技術(shù)中，為了簡(jiǎn)化量與量之間的關(guān)系而建立了量制。“在量制中，約定地認(rèn)為是彼此獨(dú)立的量”稱(chēng)為“基本量”，而另一些“在量制中，為該量制基本量的函數(shù)所定義的量”稱(chēng)為“導(dǎo)出量”?；玖亢拖鄳?yīng)導(dǎo)出量的特定組合構(gòu)成整個(gè)科學(xué)領(lǐng)域或

2、某個(gè)專(zhuān)業(yè)領(lǐng)域的“量制”。,2.被計(jì)量的量和影響量 在計(jì)量中,經(jīng)常會(huì)遇到被計(jì)量的量和影響量。被計(jì)量的量是要求計(jì)量的量。影響量不是計(jì)量對(duì)象,但卻影響被計(jì)量的量值或計(jì)量?jī)x器示值。雖然影響量不直接反映被計(jì)量對(duì)象的量值,但對(duì)計(jì)量結(jié)果有重大影響。在進(jìn)行計(jì)量時(shí),不能只滿(mǎn)足于獲得直接的計(jì)量結(jié)果,還應(yīng)該注意影響量的作用,這在高精度計(jì)量中尤為重要。,影響量來(lái)源于環(huán)境條件和計(jì)量器具本身,如環(huán)境溫度、氣壓、濕度、地磁場(chǎng)、重力場(chǎng)、振蕩、環(huán)境噪聲、電源電壓、電源頻率及計(jì)量器具的安裝位置和本身的結(jié)構(gòu)變化等等。因此,在進(jìn)行任何計(jì)量時(shí),必須考慮這類(lèi)因素的影響。 現(xiàn)在,避免和減小影響量的方法比較多,大體上有兩種：一種是盡量消除影

3、響源,另一種是在影響存在的情況下采取相應(yīng)的處理方法減小影響量的影響。針對(duì)后者已經(jīng)有了一些軟件處理方法,如卡爾曼濾波等。,3.有源量和無(wú)源量 有些計(jì)量對(duì)象具有一定的能量,如溫度、力、照度等,觀察者無(wú)需為計(jì)量中的信號(hào)提供外加能源,這類(lèi)量稱(chēng)為有源量。在進(jìn)行精密計(jì)量時(shí),應(yīng)力求使從計(jì)量對(duì)象獲取的能量不導(dǎo)致計(jì)量對(duì)象原有狀態(tài)的變化。 有些計(jì)量對(duì)象本身沒(méi)有能量,如長(zhǎng)度、角度等空間位置及硬度等材料特性,為了能夠?qū)@些對(duì)象進(jìn)行計(jì)量,必須從外界獲取能量,這類(lèi)量稱(chēng)為無(wú)源量。 電學(xué)計(jì)量中的量,如電流、電壓、功率、電能、相位、頻率等,通?？梢灾苯佑糜?jì)量器具進(jìn)行計(jì)量,屬于有源量； 而電阻、電感、電容、互感等電路元件的參量,

4、計(jì)量時(shí)必須有外接電源,屬于無(wú)源。,按學(xué)科劃分： 幾何量、力學(xué)、溫度、電磁、電子、時(shí)間頻率、電離輻射、聲學(xué)、光學(xué)和化學(xué)（標(biāo)準(zhǔn)物質(zhì)）。,2.1.2 量值的概念,定義：由一個(gè)數(shù)和合適的計(jì)量單位表示的量，即由數(shù)值和計(jì)量單位組成，且選用的單位大小要合適。 對(duì)于同一個(gè)量，計(jì)量單位不同，表示的數(shù)值也不同，不完全統(tǒng)一。 什么是“量值統(tǒng)一”：應(yīng)該為量值準(zhǔn)確、一致，即在單位量值的傳遞中，所用的各級(jí)標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量器具以及由它們檢定或校準(zhǔn)的計(jì)量器具的量值，都可以溯源到國(guó)家計(jì)量基準(zhǔn)，它們的量值在規(guī)定誤差范圍內(nèi)保持一致。 為實(shí)現(xiàn)量值一致，必須用法律形式或行政命令辦法通過(guò)國(guó)家法定計(jì)量單位，統(tǒng)一全國(guó)計(jì)量單位制度，建立復(fù)現(xiàn)計(jì)量單位的

5、國(guó)家計(jì)量基準(zhǔn)和傳遞所需的各級(jí)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)，還要制度相應(yīng)的計(jì)量檢定系統(tǒng)和檢定規(guī)程等技術(shù)法規(guī)，以確定被認(rèn)可的被檢項(xiàng)目、設(shè)備、方法和環(huán)境條件等。同時(shí)，計(jì)量人員也必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的培訓(xùn)和考核，以能正確完成計(jì)量過(guò)程。,補(bǔ)充 測(cè)量,測(cè)量的概念 “以確定量值為目的的一組操作”稱(chēng)為“測(cè)量”。 測(cè)量方法 直接測(cè)量法和間接測(cè)量法 基本測(cè)量法和定義測(cè)量法,測(cè)量,3)靜態(tài)測(cè)量和動(dòng)態(tài)測(cè)量 4)其他測(cè)量方法 測(cè)量的實(shí)施 測(cè)量前的準(zhǔn)備工作 根據(jù)被測(cè)量對(duì)象的具體情況，特別是準(zhǔn)確度要求，提出擬使用的計(jì)量器具，選擇相應(yīng)的環(huán)境條件，擬定合理的測(cè)量方案和具體測(cè)量方法，挑選經(jīng)過(guò)培訓(xùn)的操作者。,測(cè)量,測(cè)量過(guò)程中應(yīng)遵守的原則 計(jì)量器具都必須經(jīng)檢定

6、合格 計(jì)量器具必須放置得當(dāng) 計(jì)量器具應(yīng)處于良好的工作狀態(tài) 熟悉使用說(shuō)明書(shū)，及時(shí)排除故障 注意操作安全 保持整潔,測(cè)量,記錄和數(shù)據(jù)處理 任何測(cè)量都應(yīng)該有詳細(xì)的原始記錄，它是記載全部測(cè)量過(guò)程的基礎(chǔ)性材料。在原始記錄中，還應(yīng)記下各種影響量的量值，供分析測(cè)量不確定度時(shí)應(yīng)用。整個(gè)測(cè)量程序完成后，即應(yīng)對(duì)獲得的各種量值進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，分析和計(jì)算各種不確定度分量，最終得出測(cè)量結(jié)果和它的不確定度。,測(cè)量,測(cè)量報(bào)告 重要的計(jì)量基準(zhǔn)比對(duì)和測(cè)試結(jié)束后，都要寫(xiě)出書(shū)面報(bào)告。報(bào)告應(yīng)該包括一切有價(jià)值的內(nèi)容，使他人能夠理解，而且還能按報(bào)告記載復(fù)現(xiàn)測(cè)量過(guò)程。測(cè)量對(duì)象、被測(cè)量的量、測(cè)量原理和方法、計(jì)量器具和輔助設(shè)備、環(huán)境條件和它們的

7、特點(diǎn)和作用，都應(yīng)給以有所側(cè)重的描述。報(bào)告的最后應(yīng)該有明確的結(jié)論。,2.2 單位和單位制,“計(jì)量單位”是“約定采用的特定量，用以定量表示具有相同量綱的量”。也可理解為“習(xí)慣上公認(rèn)數(shù)值為1的一個(gè)量值”。 “在給定量制中基本量的計(jì)量單位”稱(chēng)為“基本單位”。 “在給定量制中導(dǎo)出量的計(jì)量單位”稱(chēng)為“導(dǎo)出單位”,2.2.1 單位的概念,2.2.2 基本單位和導(dǎo)出單位,基本單位：在給定量值中基本量的單位。 MKS制：長(zhǎng)度、質(zhì)量、時(shí)間，單位分別是米、千克、秒。 CGS制：?jiǎn)挝粸槔迕?克,秒 國(guó)際單位制：?jiǎn)挝粸槊?、千克、秒、安培、開(kāi)爾文、摩爾、坎德拉。 在給定量制中，約定地認(rèn)為基本量是彼此獨(dú)立的，但與其相對(duì)應(yīng)的

8、基本單位不都是彼此獨(dú)立的。電流是獨(dú)立的基本量，但安培的定義，包含了其他基本單位米、千克和秒。因此，在現(xiàn)代計(jì)量學(xué)中，不再用“獨(dú)立單位”這個(gè)名詞。,導(dǎo)出單位：在給定量制中導(dǎo)出量的計(jì)量單位。 在單位制中，導(dǎo)出單位可以用基本單位和比例因數(shù)表示，而有些導(dǎo)出單位，為表示方便，給以專(zhuān)門(mén)的名稱(chēng)和符號(hào)，如牛頓（N）、赫茲（Hz）、帕斯卡（Pa）等。 一貫單位：由比例因數(shù)為1的公式用基本單位表示的導(dǎo)出單位。 一貫制單位：由一組基本單位和一貫導(dǎo)出單位（即一貫單位）組成的單位制，如國(guó)際單位制。,2.2.3 倍數(shù)單位和分?jǐn)?shù)單位,不同的計(jì)量領(lǐng)域和被計(jì)量的對(duì)象，需要選用大小適當(dāng)?shù)挠?jì)量單位 在長(zhǎng)期的測(cè)量實(shí)踐中，人們往往從同一

9、種量的許多單位中選用某個(gè)單位為基礎(chǔ)，并賦予獨(dú)立的定義，這個(gè)計(jì)量單位稱(chēng)為“主單位”。 “根據(jù)約定比率，由給定單位構(gòu)成的一個(gè)更大的計(jì)量單位”稱(chēng)為“倍數(shù)單位”。 “根據(jù)約定比率，由給定單位構(gòu)成的一個(gè)更小的計(jì)量單位”稱(chēng)為“分?jǐn)?shù)單位”。 選用單位時(shí)，應(yīng)使量的數(shù)值處于0.11000范圍內(nèi)，但也有例外。,2.2.4 量綱,每個(gè)計(jì)量單位都有代表的符號(hào)。對(duì)此，為了世界上的一致，國(guó)際計(jì)量大會(huì)有統(tǒng)一的規(guī)定，通常將其稱(chēng)為國(guó)際符號(hào)。單位符號(hào)的形式有二種，一種是字母(拉丁字母和希臘字母)，如長(zhǎng)度單位米的符號(hào)為m電阻單位歐姆的符號(hào)為等，另一種是標(biāo)號(hào)，如平面角單位度的符號(hào)為“”等。,單位的中文符號(hào)，通常由單位的中文名稱(chēng)與所帶

10、詞頭的簡(jiǎn)稱(chēng)構(gòu)成例如電流單位的中文名稱(chēng)是安培，其符號(hào)即為“安”；電容單位皮可法拉的符號(hào)為“皮法”等。 由選定的一些基本單位和根據(jù)定義方程式由它們及一定的比例因數(shù)而確定的導(dǎo)出單位所構(gòu)成的單位體系稱(chēng)為單位制。顯然，所選取的基本單位不同，單位制也就不同。例如以厘米、克、秒作為基本單位的單位制，稱(chēng)為厘米克秒制(CGS制)，以米、千克、秒作為基本單位的單位制稱(chēng)為米千克秒制(MKS制) 。,“以量制中基本量的冪的乘積表示，且其數(shù)字系數(shù)為1的本量制的一個(gè)量的表達(dá)式”稱(chēng)為“量綱”。 在國(guó)際單位制中，量綱皆以大寫(xiě)的正體拉丁字母和希臘字母表示，規(guī)定：長(zhǎng)度、質(zhì)量、時(shí)間、電流、熱力學(xué)溫度、物質(zhì)的量和發(fā)光強(qiáng)度七個(gè)基本量的

11、量綱分別用大寫(xiě)字母表示為： 如在力學(xué)量制中，力的量綱為L(zhǎng)MT2，電阻的量綱為L(zhǎng)2MT3I2。 包括基本量在內(nèi)的任何量的量綱一般表達(dá)式為：,無(wú)量綱量：在給定量制中，其表達(dá)式內(nèi)基本量的指數(shù)皆為零，則稱(chēng)無(wú)量綱量。如線性應(yīng)變、摩擦系數(shù)、相對(duì)密度等。 量綱的意義：在于定性確定各有關(guān)量之間的關(guān)系，特別是基本量和導(dǎo)出量之間的關(guān)系。 量綱法則：任何量的表達(dá)式，其等號(hào)兩邊必須具有相同的量綱。 應(yīng)用該法則可以檢查物理公式的正確性。例如沖量公式為：Ft=m(v2-v1) 等號(hào)左邊的量綱為：dim(Ft)=FT=LMT-2T=LMT-1 等號(hào)右邊的量綱為： dim m(v2-v1)MLT-1 可見(jiàn)，等號(hào)兩邊的量綱相同

12、，表明上列公式可能是正確的。,同類(lèi)量的量綱一定相同，而相同量綱的量卻未必同類(lèi)。例如，在國(guó)際單位制中，功和力矩的量綱相同，皆為L(zhǎng)2MT2，但量卻非同類(lèi)。 對(duì)于一個(gè)特定的量，其不同單位之間都有一定的換算關(guān)系，如1米等于3市尺,2.3 國(guó)際單位制及其使用方法,國(guó)際單位制是1960年第十一屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)通過(guò)并在以后的科技與社會(huì)實(shí)踐中逐步發(fā)展和漸趨完善的，是目前世界上最先進(jìn)、科學(xué)和實(shí)用的單位制，它是在米制的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的。 1、米制的起源與發(fā)展 米制是國(guó)際上最早公認(rèn)的單位制，早在十七、八世紀(jì)，人們就越來(lái)越感到計(jì)量單位及計(jì)量制度的混亂影響了科技和生產(chǎn)的發(fā)展，特別是在國(guó)際貿(mào)易和科技交流中的反映更加明顯。于

13、是，科學(xué)家們便開(kāi)始探求一種不分國(guó)家即各國(guó)都適用的通用計(jì)量單位及計(jì)量制度。,2.3 國(guó)際單位制及其使用方法,1791年經(jīng)法國(guó)科學(xué)院的推薦，法國(guó)國(guó)民代表大會(huì)采納了以長(zhǎng)度單位“米”為基本單位的計(jì)量制度。當(dāng)時(shí)，“米”被定義為地球子午線的四分之一長(zhǎng)度的一千萬(wàn)分之一，面積和體積的單位分別是平方米和立方米，以及它們的十進(jìn)倍數(shù)與分?jǐn)?shù)單位。質(zhì)量單位是一立方分米的水在其密度最大的溫度(4)下的質(zhì)量。由于這種制度是以“米”為基礎(chǔ)的，故而稱(chēng)為“米制”。 法國(guó)政府根據(jù)科學(xué)家們實(shí)地測(cè)定敦刻爾克到巴塞羅那之間的地球子午線的弧長(zhǎng)和給定體積純水的重量的結(jié)果，制成鉑基準(zhǔn)米尺和鉑基準(zhǔn)千克，保存在法國(guó)巴黎檔案局，并從法律上分別賦予這

14、兩個(gè)基準(zhǔn)以“1米”和“1千克”的值。,2.3 國(guó)際單位制及其使用方法,1820年，歐洲的荷蘭、比利時(shí)和盧森堡等首先采用米制。 西班牙、哥倫比亞、墨西哥、葡萄牙、意大利相繼使用。 1858年（清咸豐八年），米制傳入我國(guó)，主要用于海關(guān)。 1872年8月，法國(guó)政府邀請(qǐng)一些國(guó)家代表到巴黎開(kāi)“國(guó)際米制委員會(huì)”，有24年國(guó)家派了代表。贊成采用米制。 1875年3月1日，法國(guó)政府召集了有20個(gè)國(guó)家的政府代表與科學(xué)家參加的“米制外交會(huì)議”，為米制的傳播和發(fā)展奠定了國(guó)際基礎(chǔ)。,2.3 國(guó)際單位制及其使用方法,由各簽字國(guó)的代表組成的國(guó)際計(jì)量大會(huì)（CGPM)是“米制公約”的最高組織形式，下設(shè)國(guó)際計(jì)量委員會(huì)（CIPM

15、），其常設(shè)機(jī)構(gòu)為國(guó)際計(jì)量局（BIPM）。 1889年，召開(kāi)了第一屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)，會(huì)上將復(fù)制的30支新米原器中最接近“檔案局米”的一支（No.6)定義為國(guó)際米原器，稱(chēng)為“國(guó)際米”，并保存于國(guó)際計(jì)量局。會(huì)上還承認(rèn)了根據(jù)“檔案局千克”復(fù)制的國(guó)際千克原器，亦保存于國(guó)際計(jì)量局。,2.3 國(guó)際單位制及其使用方法,1976年12月國(guó)務(wù)院批準(zhǔn)我國(guó)參加米制公約組織，1977年5月10日我國(guó)致函法國(guó)政府，宣布加入米制公約組織，1977年6月16日法國(guó)政府復(fù)照確認(rèn)。 1985年12月止，共有47個(gè)國(guó)家參加米制公約。 從1979年起國(guó)家計(jì)量局顧問(wèn)王大珩教授當(dāng)選為國(guó)際計(jì)量委員會(huì)委員。1995年10月第20屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)

16、上正式改選我國(guó)代表、中國(guó)測(cè)試技術(shù)研究院副院長(zhǎng)高潔研究員為CIPM委員。,2.3 國(guó)際單位制及其使用方法,我國(guó)參加米制公約組織的活動(dòng)有： (1)參加各次國(guó)際計(jì)量大會(huì)和計(jì)量委員會(huì)會(huì)議，參加各咨詢(xún)委員會(huì)召開(kāi)的大部分會(huì)議； (2)參加BIPM組織的國(guó)家基準(zhǔn)國(guó)際比對(duì)； (3)與BIPM比對(duì)基準(zhǔn)儀器。 我國(guó)歷年都向米制公約組織交納會(huì)費(fèi)，近年每年會(huì)費(fèi)約9萬(wàn)美元。,2.3 國(guó)際單位制及其使用方法,國(guó)際米制公約組織成立于1875年，是計(jì)量領(lǐng)域成立最早的也是最主要的政府間組織。主要從事基礎(chǔ)計(jì)量科學(xué)技術(shù)發(fā)展研究，以保證成員國(guó)基本量量值的準(zhǔn)確一致。 國(guó)際米制公約組織現(xiàn)有48個(gè)簽約國(guó)。 它的最高權(quán)力機(jī)構(gòu)是國(guó)際計(jì)量大會(huì)(

17、CGPM)。大會(huì)每4年召開(kāi)一次。大會(huì)設(shè)國(guó)際計(jì)量委員會(huì)(CIPM)，委員由18個(gè)成員國(guó)推薦18名計(jì)量學(xué)家，并經(jīng)國(guó)際計(jì)量大會(huì)選舉產(chǎn)生，每年召開(kāi)一次會(huì)議。 常設(shè)機(jī)構(gòu)是國(guó)際計(jì)量局(BIPM)，局址設(shè)在巴黎。,2.3 國(guó)際單位制及其使用方法,國(guó)際計(jì)量大會(huì)(CGPM):是國(guó)際米制公約組織的最高權(quán)力機(jī)構(gòu)，每四年召開(kāi)一次會(huì)議，其主要任務(wù)是:討論和采取保證國(guó)際單位制推廣和發(fā)展的必要措施;批準(zhǔn)新的基本測(cè)試結(jié)果，通過(guò)具有國(guó)際意義的科學(xué)技術(shù)決議;通過(guò)有關(guān)國(guó)際計(jì)量局的組織和發(fā)展的重要決議等。 國(guó)際計(jì)量委員會(huì)(CIPM):是國(guó)際米制公約組織的常設(shè)領(lǐng)導(dǎo)機(jī)構(gòu)，其委員由經(jīng)CGPM選舉產(chǎn)生的18個(gè)成員國(guó)的計(jì)量學(xué)專(zhuān)家組成，其常設(shè)機(jī)

18、構(gòu)是秘書(shū)局，主要任務(wù)是:負(fù)責(zé)領(lǐng)導(dǎo)和決定國(guó)際計(jì)量局需進(jìn)行的研究工作;監(jiān)督國(guó)際計(jì)量基準(zhǔn)的保存;制定年度預(yù)算計(jì)劃等。,2.3 國(guó)際單位制及其使用方法,國(guó)際計(jì)量局(BIPM)，是執(zhí)行國(guó)際計(jì)量大會(huì)(CGPM)和國(guó)際計(jì)量委員會(huì)(CIPM)決議的常設(shè)機(jī)構(gòu)。其主要任務(wù)是：建立主要物理量基準(zhǔn)，保存國(guó)際原器;進(jìn)行國(guó)際間國(guó)家基準(zhǔn)對(duì)比;組織建立技術(shù)的交流;進(jìn)行有關(guān)基本物理常數(shù)的測(cè)定工作 國(guó)際計(jì)量大會(huì)的任務(wù)是：討論和采取保證國(guó)際單位制推廣和發(fā)展的必要措施；批準(zhǔn)新的基本的測(cè)試結(jié)果，通過(guò)具有國(guó)際意義的科學(xué)技術(shù)決議；通過(guò)有關(guān)國(guó)際計(jì)量局的組織和發(fā)展的重要決議。 ,2.3 國(guó)際單位制及其使用方法,國(guó)際計(jì)量委員會(huì)的任務(wù)是：負(fù)責(zé)起草

19、和執(zhí)行國(guó)際計(jì)量大會(huì)的決議，指導(dǎo)和直接監(jiān)督國(guó)際計(jì)量局的工作。CIPM下設(shè)10個(gè)咨詢(xún)委員，任務(wù)是就BIPM的研究工作方向、CIPM直接作出的決議或提交計(jì)量大會(huì)批準(zhǔn)的決議向CIPM提出建議。 國(guó)際計(jì)量局的任務(wù)是：建立主要物理基準(zhǔn)，保存國(guó)際原器，建有保存國(guó)際計(jì)量原器及標(biāo)準(zhǔn)的實(shí)驗(yàn)室、陳列室等；進(jìn)行國(guó)際間國(guó)家基準(zhǔn)比對(duì)；組織交流計(jì)量技術(shù)；進(jìn)行并協(xié)調(diào)有關(guān)基本物理常數(shù)的測(cè)定工作。,2.3 國(guó)際單位制及其使用方法,米制公約組織的經(jīng)費(fèi)由成員國(guó)分擔(dān)。各成員國(guó)分擔(dān)的份額按聯(lián)合國(guó)交費(fèi)委員會(huì)為米制公約組織各成員規(guī)定的百分?jǐn)?shù)(ONU指數(shù))確定，但各國(guó)的分擔(dān)額不能高于BIPM全年經(jīng)費(fèi)的10%或低于它的0.5%。我國(guó)分擔(dān)的份額為

20、1.05%。,2.3 國(guó)際單位制及其使用方法,2、國(guó)際單位制的建立 1948年召開(kāi)的第九屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)作出了決定，要求國(guó)際計(jì)量委員會(huì)創(chuàng)立一種簡(jiǎn)單而科學(xué)的供所有米制公約成員國(guó)均能使用的實(shí)用單位制。 1954年第十屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)決定采用米、千克、秒、安培、開(kāi)爾文和坎德拉作為基本單位。 1960年第十一屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)決定將以這六個(gè)單位為基本單位的實(shí)用單位制命名為“國(guó)際單位制”，并規(guī)定其符號(hào)為“SI”。 1974年，第十四屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)又決定增加將物質(zhì)的量的單位摩爾作為基本單位。這樣，國(guó)際單位制共有七個(gè)基本單位。,2.3 國(guó)際單位制及其使用方法,2.3.1 國(guó)際單位制的特點(diǎn) 通用性?？茖W(xué)技術(shù)、商品流通

21、、人民生活 簡(jiǎn)明性。規(guī)定每個(gè)單位只有一個(gè)名稱(chēng)和一個(gè)國(guó)際符號(hào)，堅(jiān)持一個(gè)量只有一個(gè)SI單位的原則。 實(shí)用性。都比較實(shí)用，且保持了歷史的連續(xù)性。 準(zhǔn)確性。國(guó)際單位制的七個(gè)基本單位，都有嚴(yán)格的科學(xué)定義，復(fù)現(xiàn)方法也有大改進(jìn)。,2.3.2 國(guó)際單位制的構(gòu)成 國(guó)際單位制由SI單位（包括SI基本單位、SI輔助單位和SI導(dǎo)出單位）、SI詞頭、SI單位的十進(jìn)制倍數(shù)和分?jǐn)?shù)單位三部分組成。,SI單位是國(guó)際單位制中構(gòu)成一貫制的單位，均不帶SI詞頭，故SI單位是國(guó)際單位制中有特定含義的名詞，而國(guó)際單位制單位不僅包括SI單位，還包括其十進(jìn)制倍數(shù)單位和分?jǐn)?shù)單位。,1. SI基本單位的定義及概述 SI基本單位共有7個(gè)，是構(gòu)成整

22、個(gè)SI的基礎(chǔ)，基本單位是通過(guò)計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)來(lái)定義、實(shí)現(xiàn)、保持或復(fù)現(xiàn)的，基準(zhǔn)是在特定領(lǐng)域內(nèi)具有最高計(jì)量特性的計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)。初期利用宏觀自然現(xiàn)象和有關(guān)實(shí)物建立，為實(shí)物基準(zhǔn)；現(xiàn)代利用宏觀量子效應(yīng)建立，為自然基準(zhǔn)。,SI基本單位,1)米(m) 長(zhǎng)度單位米是光在真空中于(1299 792 458)s時(shí)間間隔內(nèi)所經(jīng)路徑的長(zhǎng)度. 最初米是以地球子午線的四分之一的一千萬(wàn)分之一來(lái)定義的，其原器保存于法國(guó)檔案局。 1889年第一屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)正式批準(zhǔn)了根據(jù)“檔案局米”的值，用鉑銥合金制造的新米原器中最接近“檔案局米”的一支為國(guó)際米原器(“國(guó)際米”)，并且宣布：該米原器在冰融點(diǎn)溫度時(shí)代表長(zhǎng)度的單位米。這個(gè)國(guó)際米原器保存在國(guó)際

23、計(jì)量局，而其余的米原器則抽簽分發(fā)給各米制公約成員國(guó)作為國(guó)家基準(zhǔn)米。盡管?chē)?guó)際米原器系用鉑銥合金制成，具有高硬度和高抗氧化性能，但其長(zhǎng)度隨時(shí)間的推移仍不可能保持不變。因?yàn)槿魏谓饘俳?jīng)加工后都難免產(chǎn)生一定的內(nèi)應(yīng)力，必然要引起微晶結(jié)構(gòu)的緩慢變化。,為了擺脫實(shí)物基準(zhǔn)器所固有的弊病，經(jīng)過(guò)科學(xué)家們的積極努力，在1960年召開(kāi)的第十屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)上通過(guò)了以氪86原子輻射的波長(zhǎng)來(lái)高精度復(fù)現(xiàn)米的新定義。這是第一個(gè)量子基準(zhǔn)（亦稱(chēng)為自然基準(zhǔn)），從而使米的復(fù)現(xiàn)精度從110-7提高到4109。后來(lái)由于激光穩(wěn)頻技術(shù)的發(fā)展，激光在計(jì)量的復(fù)現(xiàn)性和易于應(yīng)用方面大大優(yōu)于用氪86原子輻射的輻射基準(zhǔn)，以致由計(jì)量激光頻率和光速給定值所確定

24、的激光波長(zhǎng)的復(fù)現(xiàn)性比氪86要好，于是在1983年召開(kāi)的第十七屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)上正式通過(guò)了現(xiàn)行的米的新定義。從而使米的復(fù)現(xiàn)精度得以進(jìn)一步提高，可達(dá)10101011，甚至10-12量級(jí)。,米的實(shí)現(xiàn)方法,建立在真空中光速c為確定值的基礎(chǔ)上 c299 792 458m/s 時(shí)間法：l=ct，l必須很大才能得到高的計(jì)量準(zhǔn)確度，主要用于天文學(xué)和大地測(cè)量學(xué)。 頻率法： 頻率計(jì)量不確定度比長(zhǎng)度約小3個(gè)數(shù)量級(jí)光在真空波長(zhǎng)計(jì)量中，真空的不完善、衍射效應(yīng)以及反射和透射鏡的鏡平面度都會(huì)帶來(lái)誤差，故頻率法實(shí)現(xiàn)米的準(zhǔn)確度潛力大，但實(shí)際應(yīng)用中還需要建立激光波長(zhǎng)基準(zhǔn)。激光頻率計(jì)計(jì)量原理：采用由一系列中介激光器、內(nèi)插鎖相微波源和

25、非線性諧波混頻器組成的頻率鏈將銫原子頻率基準(zhǔn)的頻率逐級(jí)倍頻到紅外和可見(jiàn)光區(qū)，然后通過(guò)各級(jí)差頻計(jì)數(shù)的方法求出激光的頻率。 輻射波長(zhǎng)法：1983年，國(guó)際計(jì)量委員會(huì)推薦了5種激光輻射和兩種同位素單色光輻射的真空波長(zhǎng)值和頻率值。用任一種輻射波長(zhǎng)都可以實(shí)現(xiàn)米。,2)千克(kg) 千克是質(zhì)量單位，等于國(guó)際千克原器的質(zhì)量。 國(guó)際千克原器是用90%鉑和10%銥合金制造的。通過(guò)鍛造，鉑銥合金的密度達(dá)到21.5gcm-3,從而使它的性能穩(wěn)定和不易磨損。原器表面經(jīng)過(guò)拋光處理，從而減小凹處吸附和凸處磨損導(dǎo)致的量值增減，原器的表面積應(yīng)盡可能小。因而最好的形狀應(yīng)是球形。但考慮到加工和調(diào)準(zhǔn)的困難，還是取了最小面積的圓柱體，

26、即高等于直徑的圓柱體。 該國(guó)際千克原器是1878年提出訂制，1880年與“檔案局千克”進(jìn)行比對(duì)，1883年被國(guó)際計(jì)量局選定，1889年被第屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)承認(rèn)，并在1901年第三屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)上被正式定義。該原器百余年來(lái)一直被保存在國(guó)際計(jì)量局的地下室里，被精心地安置于有三層鐘罩保護(hù)的托盤(pán)上（圖21）。,在我國(guó)，質(zhì)量在生活、貿(mào)易中一般稱(chēng)為重量，或者說(shuō)重量是質(zhì)量的別名。過(guò)去，特別是在物理學(xué)中，往往把重量作為重力的別名，以致在很多情況下產(chǎn)生混淆。今后凡在指力的場(chǎng)合，重量應(yīng)改用“重力”一詞。,國(guó)際千克原器是用90%鉑和10%銥合金制造的。 通過(guò)鍛造，鉑銥合金的密度達(dá)到21.5gcm-3,從而使它的性能穩(wěn)

27、定和不易磨損。原器表面經(jīng)過(guò)拋光處理，從而減小凹處吸附和凸處磨損導(dǎo)致的量值增減，原器的表面積應(yīng)盡可能小。因而最好的形狀應(yīng)是球形。但考慮到加工和調(diào)準(zhǔn)的困難，還是取了最小面積的圓柱體，即高等于直徑的圓柱體。 該原器百余年來(lái)一直被保存在國(guó)際計(jì)量局的地下室里，被精心地安置于有三層鐘罩保護(hù)的托盤(pán)上。,“千克原器”的組成材料、幾何尺寸、形狀和保存條件是什么？,3）秒（s） 定義：與銫-133原子基態(tài)兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)間躍遷相對(duì)應(yīng)的輻射的9 192 631 770個(gè)周期的持續(xù)時(shí)間。 起初,人們把一晝夜劃分為24 h,1 h為60 min,1 min為60 s.但一晝夜的周期,即太陽(yáng)日是變動(dòng)的,所以定義1 s等于平

28、均太陽(yáng)日.后來(lái)又發(fā)現(xiàn),地球公轉(zhuǎn)周期也是變動(dòng)的,于是又需確定另外的定義.隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,科學(xué)家們發(fā)現(xiàn),原子能級(jí)躍遷時(shí),吸收或發(fā)射一定頻率的電磁波,其頻率非常穩(wěn)定.于是在1967年第十三屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)上確認(rèn)了上述定義. 時(shí)間有兩種含義：一是時(shí)間間隔，另一個(gè)是時(shí)刻。時(shí)刻是時(shí)間標(biāo)尺（時(shí)標(biāo)）上的標(biāo)尺標(biāo)記，而時(shí)標(biāo)是由時(shí)間間隔連續(xù)累加而得到的。時(shí)標(biāo)的一個(gè)重要時(shí)刻是時(shí)標(biāo)的原點(diǎn)。 （秒）UT，即世界時(shí)，以公元的起點(diǎn)為原點(diǎn)；國(guó)際原子時(shí)（TAI），1971年第14屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)采用,按照SI時(shí)間單位秒的定義，以各研究所運(yùn)轉(zhuǎn)的原子鐘的讀數(shù)為根據(jù)建立的參照時(shí)標(biāo)，起點(diǎn)為1958年1月1日。,由于在生活、天文學(xué)、大地測(cè)

29、繪等與地球自轉(zhuǎn)有關(guān)的領(lǐng)域需要使用世界時(shí)，1975年第15屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)決定，無(wú)線電臺(tái)可以同時(shí)發(fā)播標(biāo)準(zhǔn)頻率、TAI和協(xié)調(diào)世界時(shí)（UTC）信號(hào)供用戶(hù)使用。UTC和TAI時(shí)間間隔嚴(yán)格一致，但它們時(shí)刻相差秒的整數(shù)倍。當(dāng)UTC與AT1的時(shí)刻相差超過(guò)0.9s時(shí)，要用閏秒方法對(duì)UTC調(diào)整，UTC由國(guó)際時(shí)間局保持，起點(diǎn)為1960年1月1日。,4)安培（A） 安培是電流單位。在真空中，截面積可忽略的兩根相距l(xiāng)m的無(wú)限長(zhǎng)平行圓直導(dǎo)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2107N，則每根導(dǎo)線中的電流為1 A。 原來(lái)電流單位安培曾用能在硝酸銀水溶液中以一定速率析出銀的電流來(lái)定義，稱(chēng)為國(guó)際安培，屬于當(dāng)

30、時(shí)的國(guó)際制。但復(fù)現(xiàn)的精度差，無(wú)法滿(mǎn)足實(shí)際要求。1948年1月1日起開(kāi)始使用絕對(duì)電學(xué)單位制，并給出了現(xiàn)行的安培定義，當(dāng)時(shí)稱(chēng)為絕對(duì)安培。該決議得到了1948年召開(kāi)的第九屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)的批準(zhǔn)，一直沿用至今。 由于安培的計(jì)量裝置復(fù)雜且難以長(zhǎng)期保持，實(shí)際用歐姆定律保持的，長(zhǎng)期使用標(biāo)準(zhǔn)電池組和標(biāo)準(zhǔn)電阻組等實(shí)物基準(zhǔn)保持伏特和歐姆。由于量子效應(yīng)，現(xiàn)用交流約瑟夫森效應(yīng)保持伏特，量子霍爾效應(yīng)保持歐姆,5)開(kāi)爾文(K) 熱力學(xué)溫度單位開(kāi)爾文等于水的三相點(diǎn)熱力學(xué)溫度的1273.16。 熱力學(xué)溫度單位開(kāi)爾文在1948年第九屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)上即已原則決議，并在1954年第十屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)上正式定義。當(dāng)時(shí)叫“開(kāi)氏度”，后來(lái)在

31、1967年第十三屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)上才決定改稱(chēng)開(kāi)爾文。 除以開(kāi)爾文(K)表示熱力學(xué)溫度(T)外，也使用攝氏度()來(lái)表示攝氏溫度(t)。攝氏度常用于日常生活，作為單位，它與開(kāi)爾文相等，即11 K。但由于攝氏度是以水的冰點(diǎn)的熱力學(xué)溫度（T0273.15K，與水三相點(diǎn)的熱力學(xué)溫度差0.01K）為零度的，攝氏溫度與熱力學(xué)溫度的數(shù)值關(guān)系為tT-T0。溫度間隔或溫差，既可用攝氏度表示，亦可用開(kāi)爾文表示。,6)摩爾(mol) 物質(zhì)的量單位摩爾是一系統(tǒng)的物質(zhì)的量，該系統(tǒng)中所包含的基本單元數(shù)與0.012kg碳12的原子數(shù)目相等。在使用摩爾時(shí)，應(yīng)指明基本單元，可以是原子、分子、離子、電子或其它粒子，也可以是這些粒子的

32、特定組合。,7)坎德拉(cd) 發(fā)光強(qiáng)度單位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540l012Hz的單色輻射，且在此方向上的輻射強(qiáng)度為(1683)Wsr。 發(fā)光強(qiáng)度單位，最初是用蠟燭(或其它火焰)來(lái)定義的，故有“燭光”之稱(chēng)。后來(lái)逐漸采用黑體輻射原理對(duì)發(fā)光強(qiáng)度單位進(jìn)行研究，并于1948年第九屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)上決定采用處于鉑凝固點(diǎn)溫度的黑體作為發(fā)光強(qiáng)度的基準(zhǔn)，同時(shí)定名為“坎德拉”，亦曾一度稱(chēng)為“新?tīng)T光”。1967年第十三屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)又對(duì)坎德拉作了措辭更加嚴(yán)密的定義。但由于用該定義復(fù)現(xiàn)的坎德拉的誤差較大，滿(mǎn)足不了需要，加之輻射功率的計(jì)量已取得了顯著的進(jìn)展，1979年第十六屆國(guó)際計(jì)量

33、大會(huì)便決定采用現(xiàn)行的新定義。,(2)SI輔助單位 平面角單位弧度是圓內(nèi)兩條半徑之間的平面角，這兩條半徑在圓周上所截取的弧長(zhǎng)與半徑相等。 立體角單位球面度是一立體角，其頂點(diǎn)位于球心，而它在球面上所截取的面積等于以球半徑為邊長(zhǎng)的正方形面積。 這兩個(gè)單位，國(guó)際計(jì)量大會(huì)沒(méi)有明確規(guī)定它們是屬于基本單位還是導(dǎo)出單位，而稱(chēng)為輔助單位。使用中，既可把它們作為基本單位，也可作導(dǎo)出單位。,(3)SI導(dǎo)出單位 SI導(dǎo)出單位是按照一貫性原則，由SI基本單位與輔助單位通過(guò)選定的公式而導(dǎo)出的單位。有些導(dǎo)出單位的應(yīng)用相當(dāng)普遍，如用基本單位來(lái)表達(dá)，則比較麻煩。例如，力的單位是從Fma導(dǎo)出的，而a=v/t、vs/t。若用基本單

34、位表達(dá)，力則是mkgs2，很不方便。于是，對(duì)于這類(lèi)經(jīng)常而又普遍使用的導(dǎo)出單位，都規(guī)定了專(zhuān)門(mén)的名稱(chēng)和符號(hào)(表23)。,表2.3.2 具有專(zhuān)門(mén)名稱(chēng)的SI導(dǎo)出單位,總的來(lái)講，導(dǎo)出單位大體上可分為4種。一種就是表23中所列的有專(zhuān)門(mén)名稱(chēng)和符號(hào)的；另一種是只用基本單位表示的，如面積單位平方米(m2)、加速度單位米每二次方秒(ms2)；還有一種是由有專(zhuān)門(mén)名稱(chēng)的導(dǎo)出單位和基本單位組合而成的，如力矩單位牛米(Nm)、表面張力單位牛每米(Nm)；再一種就是由輔助單位和基本單位或有專(zhuān)門(mén)名稱(chēng)的導(dǎo)出單位所組成的，如角速度單位弧度每秒(rads)、輻射強(qiáng)度單位瓦每球面度(W/sr)等。,表2.3.3 用SI輔助單位表示的一部分SI導(dǎo)出單位,4)SI詞頭 上述的SI單位，在實(shí)際應(yīng)用中往往會(huì)感到許多不便。比如用千克來(lái)表示原子的SI質(zhì)量則太大，而用千克表示地球的質(zhì)量則又太小。于是便確定了一系列十進(jìn)制的詞頭，以便構(gòu)成十進(jìn)倍數(shù)與分?jǐn)?shù)單位，從而使單位相應(yīng)地變大或變小，以滿(mǎn)足不同的需要。目前已采用的SI詞頭共有20個(gè)，從1024