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什么是国际单位制(SI)国际测量体系

更新时间:2023-12-17 文章作者:佚名 信息来源:网络整理 阅读次数:

哪些是国际单位制(SI)nXm物理好资源网(原物理ok网)

国际单位制SI是从“米制”发展上去的国际通用的检测语言,是人类描述和定义世间万物的标尺。国际单位制规定了7个具有严格定义的基本单位,分别是时间单位“秒”、长度单位“米”、质量单位“千克”、电流单位“安培”、温度单位“开尔文”、物质的量单位“摩尔”和发光硬度单位“坎德拉”。它们好比7块彼此独立又互相支撑的“基石”,构成了国际单位制的“地基”。国际单位制规定的其它单位,如力的单位牛顿、电压单位伏特、能量单位焦耳等等,都可以由这7个基本单位组合导入。nXm物理好资源网(原物理ok网)

国际单位制(SI)的起源可以溯源至1875年——17国签订《米制公约》并即将同意实行统一的国际检测体系。签订公约的本意是为了支撑国际贸易、商业以及科学交流,过去是物理常数包括什么,如今是,将来也不会改变。nXm物理好资源网(原物理ok网)

“米制”在成立时的愿景即是“为全人类所用,在任何时代适用”。其本意是用一种全球一致的“自然常数”而非某种主观的标准来定义单位,进而保障单位的常年稳定性。1米最早被定义为通过伦敦的月球子午线宽度的四千万分之一。而面积、体积和质量等贸易、商业以及税收等领域所需的其它单位,则通过“米”来定义。经过数六年的发展,到1960年,第11届CGPM将包含六个基本单位的单位制命名为国际单位制(SI),即:米、千克、秒、安培、开尔文和坎德拉。国际单位制(SI)相关单位被世界共同采纳。1967年,基于铯原子的特点,即能级超精细基态跃迁的频度重新定义了秒,实现了从“天文秒”到“原子秒”跨越。1971年,第14届CGPM将摩尔(物质的量的基本单位)列为SI基本单位之一。1983年,米被定义为光在真空中于1/秒内行进的距离,这是SI中的基本单位首次以基本常数——光速来定义。nXm物理好资源网(原物理ok网)

经过全球各国国家计量院以及国际计量局多年的研究,证明基于基本常数来定义SI的基本单位具有足够的确切性。国际检测体系将有史以来第一次全部构建在不变的自然常数上,保证了SI的常年稳定性和环宇通用性。这项成就是所有国家计量院与国际计量局责任与担当的彰显,正是她们在那些研究机构中举办的勤于研究以及在国际范围内举办的通力合作,缔造了这样的成就。nXm物理好资源网(原物理ok网)

国际单位制(SI)新定义nXm物理好资源网(原物理ok网)

近日,第26届国际计量会议通过了关于修订国际单位制的决议。国际单位制7个基本单位中的4个,即千克、安培、开尔文和摩尔将分别改由普朗克常数、基本电荷常数、玻尔兹曼常数和阿伏伽德罗常数来定义;另外3个基本单位在定义的叙述上也做了相应调整,以与这次修订的4个基本单位相一致。nXm物理好资源网(原物理ok网)

自2019年5月20日起,国际单位的7个基本单位将全部由基本数学常数定义,这种常数如下:nXm物理好资源网(原物理ok网)

-铯133原子能级的超精细基态跃迁频度△Vcs为9192631770Hz。nXm物理好资源网(原物理ok网)

-真空中光的速率c为m/s,nXm物理好资源网(原物理ok网)

-普朗克常数h为6.-34Js,nXm物理好资源网(原物理ok网)

-基本电荷e为1.602176634x10-19C,nXm物理好资源网(原物理ok网)

-玻尔兹曼常数k为1.380-23J/K,nXm物理好资源网(原物理ok网)

-阿伏伽德罗常数NA为6.022140mol-1,nXm物理好资源网(原物理ok网)

-频度为的单色幅射的发光效率Kcd为683lm/W,nXm物理好资源网(原物理ok网)

其中,单位赫兹、焦耳、库伦、流明、瓦特的符号为Hz、J、C、lm、W,它们分别与单位秒(s)、米(m)、千克(kg)、安培(A)、开尔文(K)、摩尔(mol)、坎德拉(cd)相关联,互相之间的关系为Hz=s-1,J=kgm2s-2,C=As,lm=cdm2m-2=cdsr,W=m2kgs-3。nXm物理好资源网(原物理ok网)

自2019年5月20日起,SI基本单位采用以下定义:nXm物理好资源网(原物理ok网)

-秒,符号s,SI的时间单位。当铯的频度△vCs,即铯-133原子能级的超精细基态跃迁频度以单位Hz,即s-1,表示时,将其固定数值取为9192631770来定义秒。nXm物理好资源网(原物理ok网)

-米,符号m,SI的厚度单位。当真空中光的速率c以单位m/s表示时,将其固定数值取为299792458来定义米,其中秒用△VCs定义。nXm物理好资源网(原物理ok网)

-千克,符号kg,SI的质量单位。当普朗克常数h以单位Js,即kgm2s-1,表示时,将其固定数值取为6.62607015x10-34来定义千克,其中米和秒用c和△VCs定义。nXm物理好资源网(原物理ok网)

-安培,符号A,SI的电压单位。当基本电荷e以单位C,即As,表示时,将其固定数值取为1.602176-19来定义安培,其中秒用△VCs定义。nXm物理好资源网(原物理ok网)

-开尔文,符号K,SI的热力学气温单位。当玻尔兹曼常数k以单位JK-1,即kgm2s-2K-1,表示时,将其固定数值取为1.380-23来定义开尔文,其中千克、米和秒用h,c和△VCs定义。nXm物理好资源网(原物理ok网)

-摩尔,符号mol,SI的物质的量的单位。1摩尔精确包含6.02214076x1023个基本粒子。该数即为以单位mol-1表示的阿伏伽德罗常数NA的固定数值,称为阿伏伽德罗数。nXm物理好资源网(原物理ok网)

改变了哪些?nXm物理好资源网(原物理ok网)

从新定义的深层意义来看,国际单位制的变化是“巨大”的。nXm物理好资源网(原物理ok网)

1.定义的基础变了。nXm物理好资源网(原物理ok网)

以千克的现行定义为例,1千克精确等于国际计量局保存的国际千克原器(IPK)的质量。据国际计量局数据显示,国际千克原器服役近130年来,它的质量与各国保存的质量基准、国际计量局官方作证基准的一致性出现了约50毫克的误差,但国际千克原器的质量是否发生了变化,具体变化了多少至今仍是一个谜。用基本数学常数h重新定义千克后,质量单位将愈加稳定,我们何必害怕国际千克原器质量甩尾可能给全球质量量值统一带来的问题。nXm物理好资源网(原物理ok网)

检测基础的常年稳定,对于人类面临的重大挑战,非常是环境与气候变化、地球运动检测等特别重要。我们必须有一个能在很长时间内保持稳定的参考标准,能够获得可靠的检测数据——而可靠的数据仍然是科学研究和政府决策的根基。nXm物理好资源网(原物理ok网)

2.定义的时空变了。nXm物理好资源网(原物理ok网)

化学定理是放之宇宙而皆准的,但检测却有不少的人为诱因。最早的千克是用1个标准大气压下1立方厘米纯水在4摄氏度时的质量定义的,这实际上遭到了气温、气压、水和容器等环境诱因和检测过程的限制。人们在19世纪末采用最先进的材料和工艺塑造了国际千克原器,目的也是为了规避这种限制。并且,国际千克原器有且只有一个,无论它的质量是否发生飘移,各国计量院仍须以它为准,定期到坐落加拿大的国际计量局校正自己的千克原器。新定义生效后,理论上任何地方的任何人,都可以按照定义复现1千克,但是,我们明天在广州复现的量值,和我们的子孙后代未来在火星上复现的量值将是一致的。nXm物理好资源网(原物理ok网)

国际单位制的客观通用性除了意味着国际检测界多年的宿愿正在逐步成为现实,更意味着全球量值统一有了更宽广而方便的途径:芯片级的传感将可以在工业产品流水线上实现对国际单位制的追溯,物联网各个终端采集的数据由此可以实现可比——无时无处不在的最佳检测,将带动计量管理模式的变革创新,释放计量量子化改革效能,有助于提升智能制造、物联网等新技术产业的质量水平,有利于实现公正贸易、安全医疗等物理常数包括什么,进而促使诚信建设,减少社会成本,保障和改善民生。nXm物理好资源网(原物理ok网)

3.定义的范围变了。nXm物理好资源网(原物理ok网)

修订前的开尔文定义仅仅构建在水单相点一个固定点上,要检测比它更高或更低的气温,我们须要依照其他的固定点来延展温标。而未来我们仅通过玻尔兹曼常数,就可以依据热力学气温与能量的关系,在整个温标范围实现同样确切的体温检测。千克也是这样。曾经最确切的千克只有1千克一种,要对一个小于1千克的物体称重,我们须要将1千克进行重复累加;要对一个大于1千克的物体进行称重,则须要将1千克进行分割。累加和分割的过程就会给量值的确切性带来损失。新的定义则不受此限制。nXm物理好资源网(原物理ok网)

国际单位制的全范围确切性,为科学发觉和技术创新提供了新的机遇。得益于更高的检测确切度,我们将可以检测极高、极低气温的微小变化,因而愈加确切地检测核反应堆内、航天器表面的气温变化;在生物医药领域,我们可以确切检测单个细胞内某种物质的浓度,并依据病患的实际须要,拟定愈发精确的抗生素剂量。nXm物理好资源网(原物理ok网)

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4.定义的方式变了。nXm物理好资源网(原物理ok网)

在新的国际单位制中,检测的两个重要概念,即单位定义和检测(或复现)方式是分离的。在旧定义中,单位的定义和实现方式是完全绑定的,比如,要复现1/273.16K,就必须在水单相共存的条件下;要复现1千克,就必须与坐落加拿大的国际千克原器相联系。新定义生效后,千克可以通过任何适当的方式复现,例如基布尔天平法和X射线晶体密度法——这两种方式是目前世界上检测确切度最高的复现方式,但就算未来有更好的实验方案出现,单位的定义也不会因而遭到影响。而复现开尔文,如今早已有多达5种方式,你擅长哪种就可以用哪种。nXm物理好资源网(原物理ok网)

更好的检测原理、测量方式和实验仪器意味着人们可以在国际单位制框架下实现更佳的检测——这将引起仪器仪表产业的颠覆性创新。集多热阻、高确切度传感为一体的综合检测,不受环境干扰无需送检的实时检测,诸多数学量、化学量和生物量的极限检测等也成为了可能。nXm物理好资源网(原物理ok网)

哪些不变nXm物理好资源网(原物理ok网)

对大多数人来说,国际单位制是“不变”的。除热学单位外,新定义下各个单位大小和旧定义几乎完全一致。事实上,热学单位的改变也微乎其微,电流单位的变化约为正千万分之一,内阻单位的变化则更小。但这只会影响对检测不确定度要求最高的顶级计量机构和校正实验室,对于普通用户、产业界人士和多数科研人员来说,新定义不会对她们导致影响,她们的检测结果仍将是连续的。这看起来好像理所其实,但实际上却是全球检测科学家数六年勤于研究和通力合作的结果——所有用于基本单位重新定义的“常数”都经过了精确检测与严格验证,进而保障了新单位的大小“不变”。nXm物理好资源网(原物理ok网)

改革带来的影响nXm物理好资源网(原物理ok网)

此次以数学常数为基础,对国际计量单位制重新定义,意味着所有SI单位将由描述客观世界的常数定义。重新定义开启了任意时刻、任意地点、任意主体按照定义实现单位量值的房门,将对经济、科技与民生等都将形成深刻影响。nXm物理好资源网(原物理ok网)

1.将改变国际计量体系和现有格局。nXm物理好资源网(原物理ok网)

重新定义促使计量基标准与信息技术相结合,实现量值传递的链路不惟一和扁平化,使量值追溯链条更短、速度更快、测量结果更准更稳,将彻底改变过去借助实物基准逐级传递的计量模式,解决了费时吃力、效率低下、误差放大等问题。nXm物理好资源网(原物理ok网)

2.将明显提高国家计量管理效能。nXm物理好资源网(原物理ok网)

新的国际计量单位制和量子检测技术的发展,将促使计量基准可随时随地复现,将最准“标尺”直接应用于生产生活,急剧减短量值传递链。nXm物理好资源网(原物理ok网)

3.将有力支撑新一轮工业革命。nXm物理好资源网(原物理ok网)

通过量子计量基准与信息技术的结合,使量值传递链条更短、速度更快、测量结果更准更稳,深度契合了以信息数学系统为基础、智能制造为主要特点的新一轮工业革命。通过嵌入芯片级量子计量基准,把最高检测精度直接赋于制造设备并保持常年稳定,可以实现对产品制造过程的确切感知和最佳控制。nXm物理好资源网(原物理ok网)

4.将引起仪器仪表产业的颠覆性创新发展。nXm物理好资源网(原物理ok网)

国际计量单位制实现量子化,新的检测原理、测量方式和检测仪器蕴育而生,集多热阻、高精度为一体的芯片级综合检测,不受环境干扰无需校正的实时检测,诸多数学量、化学量和生物量的极限检测等均成为可能,从而催生检测仪器仪表形态的全面创新。nXm物理好资源网(原物理ok网)

其实,国际单位制的改革是科技进步的写照,科技创新和质量发展的基础将由此显得愈发牢靠。人类的检测体系将第一次冲破月球的禁锢,走向遥远的宇宙和无尽的未来,并将不断前行。nXm物理好资源网(原物理ok网)

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