《量值传递与溯源》Ch2a -- 第一节国际计量单位概述

量值传递与溯源,中国计量学院计量测试工程学院,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,量值传递与溯源,第二章 国际计量单位的发展过程,第一节 国际计量单位概述,第二节 长度单位,米,第三节 质量单位,千克,第四节 时间单位,秒,第五节 电流单位,安培,第六节 温度单位,开尔文,第七节 物质的量的单位,摩尔,第八节 发光强度单位,坎德拉,第一节 国际计量单位概述,一、计量单位和单位制,量：现象、物体或物质的可以定性区别和定量确定的一种属性。,计量学中的量指的是可测量的量，这种量可以是广义的，如长度、质量、温度、电流、时间等，也可以是特指的，如一个人的身高、一辆汽车的自重等。,计量学中的量可分为基本量和导出量。,基本量：在给定量制中，约定地认为在函数关系上彼此独立的量。,导出量：在给定量制中，由基本量的函数所定义的量。导出量是通过基本量的相乘或相除得到的量。,量值：一般由一个数乘以计量单位（测量单位）所表示的特定量的大小。,量可以用如下数学式表示：,A A A,式中： A量A所选用的单位；,A 用计量单位A表示时量A的数值。,量总是由数值和计量单位组合表示的，用没有计量单位的纯数值表示量的大小是没有意义的。,计量单位：是为定量表示同种量的大小而约定的定义和采用的特定量，简称为单位。计量单位是共同约定的一个特定参考量，具有名称、符号和定义，其数值为1。国际法制计量组织把“数值等于1的量”作为单位的定义。,计量单位，特别是基本单位的定义，是在实践中逐步形成的，它随着科学技术的发展而重新定义，体现着现代计量学的成就和水平。,由于量的种类繁多，为了便于应用，便在给定量制中，约定选取某些独立定义的基本量单位作基础，即把计量单位分为基本单位和导出单位。“在给定量制中基本量的计量单位”称为“基本单位”，“在给定量制中导出量的计量单位”称为“导出单位”。,单位制是对给定的量制、由选定的一组基本单位和导出单位所构成的单位体系。因此，单位制是指基本单位与其导出单位的组合。基本单位是一个单位制的基础，它可以独立定义；而导出单位只能通过基本单位的函数或方程式来定义。显然，所选取的基本单位不同，单位制也就不同。,如果某个单位制的导出单位均按照数字因数等于1的关系从基本单位导出，这样构成的单位制称为一贯单位制。力学中的CGS制就是一贯单位制，GB31001993中的国际单位制也是一贯单位制。,单位制,在建立单位制时，确定基本单位最为重要，因为复现基本单位的方法和实体（计量基准）的准确度，决定了该单位体系全部计量基准的准确度。因此，国际计量局和各国的计量研究部门始终把基本单位的计量基准研究放在首要位置。,基本单位有严格的、公认的定义，许多国家常以法律、法规的形式确定它们的定义。国际单位制（SI）的7个基本单位定义就是由国际计量大会通过决议确认的。基本单位的大小一经确定就不允许再变动，因为这将关系到由它导出的各个导出单位的量值。,国际单位制,国际单位制于1960年第十一届国际计量大会通过，是目前世界上最先进、科学和实用的单位制。,1. 国际单位制的起源,国际单位制是现代最先进的计量单位制，它集中了世界各国的科学研究成果，反映了当代科学技术发展的最高水平，是国际上共同的计量语言，已为世界各国普遍承认和广泛采用。研究、完善计量单位制，是计量学学科的重要任务之一。,18世纪以前，世界各国的计量制度和计量单位杂乱无章。科学家们使用多种计量单位表述实验结果，这种状况非常不利于交流，科学研究受到影响。不同的国家（甚至同一国家的不同城市或地区）使用的计量单位往往不同，严重地阻碍国家、地区之间的经济贸易交流。统一计量单位制度成为世界各国科学、文化和经济交流的迫切要求，科学家们开始寻找一种适用于各国的通用计量单位制度。,国际单位制是在米制的基础上发展起来的，1869年在法国巴黎召开“国际米制委员会”会议，会议于1872年8月召开，有24个国家派代表参加。会议作出决议，以“档案局米”和“档案局千克”为基准，复制一些新原器发给与会国。这些原器用铂铱合金（90%铂和10%铱）制造，米原器是横截面为X形的线纹尺，千克原器则为直径和高相等（39mm）的圆柱形砝码。,1875年3月1日在巴黎召开了“米制外交会议”，有20个国家的政府代表与科学家参加，并于1875年5月20日由法、德、美、俄等17个国家的代表共同签署了著名的“米制公约”，这是首次在全球范围内政府间签署协议以保证单位制一致和测量结果的统一。由各签字国的代表组成国际计量大会（CGPM），下设国际计量委员会（CIPM），其常设机构为国际计量局（BIPM）。CGPM现在有51个签字国。,100多年来，国际米制公约组织对保证国际计量标准统一、促进国际贸易发展和加速科技进步发挥了巨大的作用。,1999年，第21届国际计量大会决定把每年的5月20日确定为“世界计量日”。,国际计量大会（CGPM）是国际计量界的最高权力机构，每4年召开一次大会。第一届国际计量大会于1889年召开，会议将复制的30支新米原器中最接近“档案局米”的一支（No.6）定为国际米原器，称为“国际米”，保存在国际计量局。截止到2005年9月，已有51个米制公约成员国。我国于1977年5月20日加入米制公约组织。,国际计量委员会（CIPM）由18名资深计量学家组成，受国际计量大会的领导，负责指导和监督国际计量局（BIPM）的工作。,国际计量局是国际计量大会的常设研究机构，从事与国际单位制密切相关的基础研究。自1927年起，国际计量委员会设立了9个咨询委员会。各个咨询委员会负责就专门问题向国际计量委员会提出建议，并协调各自领域的研究计划。,2. 国际单位制的诞生,1861年，英国科学促进协会专门组织了一个委员会解决电学中的单位。法拉第、汤姆逊（开尔文勋爵）、麦克斯韦、韦伯等科学家都用力学量（长度、时间、力）和功的单位（厘米、秒）和克表示电学量的方程定义。1783年，出现了绝对静电单位制（CGSE）和绝对电磁单位制（CGSM）。两种单位制采用的基本单位都是厘米、克和秒，但由于导出单位选择的定义方程式不同，同一种物理量在两种单位制的量纲也不一样。为了解决这一矛盾，提出了高斯单位制。高斯制将所有的电学量都用CGSE单位制，所有的磁学量都用CGSM单位制。对于同时包含有电学量和磁学量的公式，则增加与真空中的光速,c,有关的系数，使全部电学量和磁学量的量纲和单位都能符合其物理含义。但是在其导出单位的量纲式中，经常出现分数指数，使用很不方便，于是，英国科学促进协会建议采用某些实用单位。,1954年，第十届国际计量大会根据决定采用米（m）、千克（kg），秒（s），安培（A），开氏度（K）和坎德拉（cd）六个单位为建立新单位制的基本单位。1956年，国际计量委员会把上述六个基本单位作为基础的单位制称为“国际单位制”。1960年第十一届国际计量大会正式定名为“国际单位制”，符号为“SI”。1967年，第十三届国际计量大会将热力学温度单位开氏度（K）改称为开尔文（K）。1971年，第十四届国际计量大会将物质的量的单位摩尔（mol）增列为国际单位制的第七个基本单位。,20世纪，计量在世界范围内得到全面发展，各主要国家（如：德国、苏联、英国、美国、日本、法国等）都建立起现代计量技术研究机构，许多国家在原有本国度量衡制的基础上采纳米制。到20世纪五、六十年代，大多数国家接受国际单位制，参加国际法制计量公约组织，建立起本国的计量技术、行政、法规体系。,3. 国际单位制的发展趋势,历届国际计量大会均对国际单位制的名称、定义、符号等作过修正，以使其更科学、更严格，更能反映当代科学技术的发展水平。,例如，从基础研究的角度来看，要达到量值一致的目的，首先要按照国际单位制规定的定义，把基本单位的自然基准或实物基准复现出来。然后以此为准，建立导出单位的计量基准，再进行量值传递。根据这种原则，长度单位“米”已经重新定义三次。1983年，第十七届国际计量大会通过了新的米定义，根据这个定义，米与约定的光速值及秒定义有关。从原则上说，长度单位已成为时间（频率）的一个导出单位，长度基准装置这一概念也不复存在。因此可以说，新“米”定义的实现是计量学单位制发展史上的一个里程碑。,国际单位制单位定义的另一大进展是，国际计量大会宣布从1990年1月1日起，全球使用约瑟夫森常数和克里青常数的推荐值。实现这一规定，可使采用基本物理常数定义电压和电阻单位的进程加快，而且复现准确度和稳定度可以比原来电压、电阻实物基准高出23个数量级，并将直接影响到电流单位的复现和定义的改进。,由此表明，用基本物理常数导出单位的量纲，将各种物理量的测量转化为频率测量，是21世纪国际单位制的发展趋势。,在国际单位制的7个基本量中，目前只有质量单位还没有建立起自然基准。质量单位仍然定义在千克原器上。“千克”这个质量单位，在1795年是以长度单位“米”来确定的，即“1立方分米的纯水在密度为最大时（温度为4）的质量（或重量）”。1889年第五届国际计量大会确定：国际米制委员会用铂铱合金制造的圆柱体砝码为“国际千克原器”。国际计量局曾加工复制了一批副原器，发给米制公约的成员国，作为这些国家的国家千克原器或国家质量基准。国际千克原器全世界只有一个，各国无法单独实现千克；千克原器又存在着被损坏或污染的可能，量值难以达到固定不变。自18991994年间，国际计量局对34个国家的千克原器组织过3次（18991911；19481953；19891994）国际比对。结果表明，国际千克原器的质量平均每年以0.5g的速率增加。在过去的100年间，质量变化约为50g。,此外，人们虽然用原器定义宏观的质量单位千克，有些领域又不得不以碳12原子质量的1/12来定义微观的质量单位“原子质量单位”，这就出现了两个质量单位如何协调一致的问题。因此，把质量单位从以实物砝码定义转变为以不随时间、地点而变的，用某种自然规律或某种物质特性重新定义量子质量单位，成为21世纪计量学的重要课题之一。,许多国际组织和学术机构，都对国际单位制的改进和完善作出了贡献。例如，国际计量局出版的国际单位制已修订了好几次（1985年第5版，1991年第6版）。国际理论与应用物理联合会（IUPAP）、国际理论与应用化学联合会（IUPAC）等，对量和单位的名称和符号提出了许多建议。1992年新增加的尧它、泽它、么科托和仄普托等四个SI词头，就是由IUPAC建议补充，并在1991年召开的第十九届国际计量大会上通过的。,近年来，以基本物理常数如真空中的光速,c,0,、普朗克常数,h,、基本电荷量,e等,来重新定义一套更为科学、合理的计量单位制很受重视。可以预见，随着科学技术的不断进步，计量单位制还将在现有的基础上进一步发展和完善。,4. 国际单位制的构成,国际单位制是由SI单位（SI单位、SI导出单位）和SI单位的倍数单位组成。SI导出单位又分为具有专门名称的SI导出单位、辅助单位以及各种组合形式的导出单位。,在实际应用中，基本单位、导出单位以及它们的倍数单位是单独、交叉或组合使用的，构成了可以覆盖整个科学技术领域的计量单位体系。,（1）SI单位,SI单位由SI基本单位和SI导出单位组成。SI单位都是一贯制单位，这样可以使表明物理规律的方程具有最简单的形式。,1）SI基本单位,SI基本单位有7个：即米、千克（公斤）、秒、安培、开尔文、摩尔和坎德拉，它们分别是相互独立的7个基本物理量（长度、质量、时间、电流、热力学温度、物质的量和发光强度）的单位，其对应的名称、单位符号和定义如下表所示。,量的名称,单位名称,单位符号,定义,长度,米,m,米是光在真空中（1/299792458）s时间间隔内所经路径的长度,质量,千克（公斤）,kg,千克等于国际千克原器的质量,时间,秒,s,秒是铯-133原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的,9 192631770个周期的持续时间,电流,安培,A,安培是在真空中，截面积可忽略的两根相距1m的无限长平行圆直导线内通以等量恒定电流时，若导线间相互作用力在每米长度上为210,-7,N，则每根导线中的电流为1A,热力学温度,开尔文,K,开尔文是水三相点热力学温度的1/273.160,物质的量,摩尔,mol,摩尔是一系统的物质的量，该系统中所包含的基本单元数与0.012kg碳-12的原子数目相等,发光强度,坎德拉,cd,坎德拉是一光源在给定方向上的发光强度，该光源发出频率为54010,12,Hz的单色辐射，且在此方向上的辐射强度为（1/683）W/sr,2）SI导出单位,SI导出单位是由包括SI辅助单位在内的、具有专门名称的SI导出单位和组合形式的SI导出单位组成。它们可以分为四类：, 用SI基本单位表示的SI导出单位；, 包括SI辅助单位在内的具有专门名称的SI导出单位；, 用辅助单位表示的SI导出单位；, 上述三类单位组合而成的导出单位。,3）SI单位的倍数单位,SI单位的倍数单位由SI词头加上SI单位构成。在实际应用中，为了表示某种量的不同值，只有一个主单位在实际应用中非常不方便，例如，用千克表示原子的质量则太大，表示地球的质量则又太小。于是便确定了一系列的十进制词头，使单位相应地变大或变小，以满足不同的需要。目前SI词头共有20个，从10,24,10,-24,（见表2-2）。SI单位的倍数单位的使用，使得国际单位制的适用范围更加扩大。有了倍数单位，国际单位制就可以适应各种不同场合和用途中量值大小的表述。,SI单位加上SI词头后，就不再称为SI单位，而称为SI单位的倍数单位。,因数,词头名称,符号,中文,英文,10,24,尧它,yotta,Y,10,2l,泽它,zetta,Z,10,18,艾可萨,exa,E,10,15,拍它,peta,P,10,12,太拉,tera,T,10,9,吉咖,giga,G,10,6,兆,mega,M,10,3,千,kilo,k,10,2,百,hecto,h,10,1,十,deca,da,10,-l,分,deci,d,10,-2,厘,centi,c,10,-3,毫,milli,m,10,-6,微,micro,10,-9,纳诺,nano,n,10,-12,皮可,pico,p,10,-15,飞母托,femto,f,10,-18,阿托,atto,a,10,-21,仄普托,zepto,z,10,-24,么科托,yocto,y,（2）国际单位制外的单位,国际单位制外单位是不属于给定单位制的计量单位。从理论上讲，国际单位制已经覆盖了科学技术的所有领域，可以取代所有其他单位制的单位。但在实际应用中，由于历史原因或在某些领域的重要作用，一些国际单位制以外的单位还在广泛使用，可是国际单位制还不包括它们。因此，国际计量大会在公布国际单位制的同时，还确定了一些允许与SI并用的单位和暂时保留的非SI单位。,1）与SI并用的单位,与SI并用的非SI单位包括：时间单位日（d）、时（h）、分（min）、平面角单位度（）、角分（）、角秒（）、体积单位升（L，l）、质量单位吨（t）等属于应用范围很广泛的单位；质量单位的原子质量单位（u）、能的单位电子伏（eV）等则属于在某些领域中具有重要作用的单位。这10种单位被确定为可与国际单位制并用的单位。,2）与SI暂时并用的单位,考虑到一些国家以及某些领域内计量单位使用的现状，国际计量委员会提出的一些可以暂时保留的非SI单位。这些单位是考虑历史和习惯的原因而保留的，今后应逐渐减少它们的使用，直至完全不用。,三、基本物理常数,目前看来，量子计量学是计量学的最高境界，而基本物理常数是具有最佳恒定性的物理量，它不因时间、地点而异，也不受环境和实验条件和材料性能的影响，成为量子计量学的重要基础。物理学中一些著名的定律或理论，如牛顿引力定律、阿伏加德罗定律、法拉第定律、相对论、量子论等，都伴随着相应的基本物理常数。如引力常量,G,、阿伏加德罗常数,N,A、法拉第常数,F,、真空中光速,c,、普朗克常数,h,等。这些常数对定律和理论具有重要意义。,仔细研究从各个不同物理领域的实验所得到的物理常数，能够逐个考察物理学本身的一些基本理论的一致性和正确性。物理常数的准确度量级不断提高，往往能帮助人们对自然的认识更加深化。当物理学研究从宏观进入微观探测时，发现量子效应比宏观现象具有更好的不变性。早在1906年，著名物理学家、量子论的创始人普朗克就提出用基本物理量作为单位制的基础的科学设想。因为根据原子物理学和量子力学理论，通过一系列基本物理常数，如电子质量,m,e,、光速,c,、普朗克常数,h,、玻耳兹曼常数,k,和阿伏加德罗常数,N,A等，可以建立微观量和宏观量之间的确定关系，即原则上可以由微观量定义计量单位。但限于当时的科技水平，这一设想无法实现。,20世纪80年代以来，量子电子学、激光、超导、纳米等技术迅速发展，使这一设想成为可能。20世纪90年代初，国际上正式采用约瑟夫森（Josephson）效应和量子化霍尔效应为基础，复现电学计量单位。根据约瑟夫森常数和克里青常数，借助频率基准，导出电压和电阻单位，可以得到高于原来电压和电阻实物基准23个量级的复现准确度和稳定度，展示了用频率和基本常数定义基本单位、研究建立新的单位体系的发展趋势。,基本物理常数之间存在着密切的相互关系。测量某一个常数可以具有多种方法和手段，为了检验按不同方法独立测出的各种常数或其组合量，考察它们在各自测量的误差范围内是否互相一致，发现系统误差，常采用最小二乘平差法得出常数的一组最佳值，作为国际上的推荐值。最早的一次平差是伯奇于1929年首先进行的。在这之后1945年、1969年，都由科学家结合研究工作做过平差。每次平差的结果都可成倍地提高常数的准确度，减小不确定度，改进平差方法，使常数更加科学合理。,1973年以来，基本物理常数的平差是在国际科学协会科学技术数据委员会（CODATA）的基本常数工作组的直接主持下，根据各国积累的实验数据分析，取舍编纂而成的。CODATA自1973年第一次公布物理常数以来，1986年、1998年、2002年、2006年都推荐过基本物理常数值。前三次公布的推荐值相隔十余年，而后两次的时隔只有四年，这反映了科学技术的迅速发展。CODATA 基本物理常数推荐值越来越精确、可靠和丰富，形成越来越完善的自洽体系，是物理学、化学和计量学等许多科学技术领域经常使用的基本数据，具有重要的科学意义和实用价值。,