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計(jì)量論壇

標(biāo)題: 計(jì)量單位制的發(fā)展 [打印本頁(yè)]

作者: 王剛 時(shí)間: 2007-7-14 18:47
標(biāo)題: 計(jì)量單位制的發(fā)展

計(jì)量單位制是和量制(基本量及其導(dǎo)出量的特定組合)同步發(fā)展起來(lái)的。古老的計(jì)量單位制，首先出現(xiàn)在一些經(jīng)濟(jì)文化發(fā)達(dá)的地區(qū)，隨著那里的文明共同發(fā)展。大約公元前25世紀(jì)，埃及的計(jì)量單位制中，長(zhǎng)度的基本單位是庫(kù)比特(cubit肘尺)，100庫(kù)比特等于1開(kāi)赫特(khet)；土地面積單位斯坦塔(setat)，1斯坦塔等于開(kāi)赫特的平方。當(dāng)時(shí)已使用十進(jìn)制。這里長(zhǎng)度與面積這兩個(gè)量已構(gòu)成量制，長(zhǎng)度為基本量，面積為導(dǎo)出量，而庫(kù)比特與斯坦塔則是這個(gè)給定量制中的單位，庫(kù)比特為基本單位，斯坦塔為導(dǎo)出單位?？梢哉J(rèn)為這是量制和單位制的雛形。

中國(guó)從公元前五六世紀(jì)出現(xiàn)了明確的長(zhǎng)度、容量、重量單位及其量制，到公元前一世紀(jì)，先人對(duì)長(zhǎng)度基本單位尺給予了科學(xué)的定義:黃鐘律管長(zhǎng)九寸；累黍橫排一百粒的長(zhǎng)度。并由尺度導(dǎo)出容量和重量單位:一升的容積為十六又五分之一立方寸；一兩(十六分之一斤)為一合(十分之一分)黍的重量；也公布過(guò)“黃金方寸而重一斤”、“水一升冬重十三兩”的重量單位標(biāo)準(zhǔn)的測(cè)量數(shù)據(jù)，而且建立了大量單位量標(biāo)準(zhǔn)。因此，中國(guó)二千多年前，在建立了度量衡三個(gè)量的量制基礎(chǔ)上，通過(guò)物理理論和數(shù)學(xué)形式構(gòu)成了邏輯的計(jì)量單位制體系。但由于長(zhǎng)度和容量單位的分?jǐn)?shù)、倍數(shù)為十進(jìn)位，而“兩”的分?jǐn)?shù)、倍數(shù)單位為非十進(jìn)位，中國(guó)古代的度量衡制，還是非一貫計(jì)量單位制。中國(guó)古老的時(shí)間計(jì)量，發(fā)展到秦、西漢時(shí)期，用圭表測(cè)定當(dāng)?shù)氐臅r(shí)刻，日晷和漏刻測(cè)定晝夜時(shí)刻，技術(shù)上成熟，使用普遍。這些計(jì)時(shí)器具也借助度量衡器進(jìn)行測(cè)量。國(guó)家重視對(duì)度量衡和時(shí)間計(jì)量的管理，在典藉文獻(xiàn)中，兩者都列入“律歷志”加以論述。但始終未能把長(zhǎng)度、重量和時(shí)間三個(gè)基本量選定在單位制系統(tǒng)內(nèi)，這是由于受到當(dāng)時(shí)技術(shù)水平的限制。

厘米克秒單位制

18世紀(jì)后半期，力學(xué)、熱學(xué)、光學(xué)、靜電學(xué)已成為物理學(xué)的基礎(chǔ)學(xué)科。測(cè)量的范圍也從度量衡擴(kuò)展到所有的力學(xué)量、熱工量、電磁學(xué)和光學(xué)量，各種物理量都選擇合適的單位，建立起數(shù)學(xué)關(guān)系加以定義。19世紀(jì)后半期，米制已被歐洲、美洲的許多國(guó)家接受，把各種單位構(gòu)成邏輯關(guān)系形成一種單位制成為迫切要求。這時(shí)英國(guó)科學(xué)促進(jìn)協(xié)會(huì)(BAAS)提出，需要一種由某幾個(gè)基本單位按系統(tǒng)建立起來(lái)的一貫單位制。在力學(xué)中選擇三個(gè)基本量:長(zhǎng)度、時(shí)間和質(zhì)量，它們的基本單位被選為:厘米、克和平均太陽(yáng)時(shí)的秒。這個(gè)單位制中，除基本單位外，還包括按“一貫單位”的要求，導(dǎo)出的這個(gè)量制中所能導(dǎo)出的導(dǎo)出量的單位。所謂“一貫單位”，即用基本單位通過(guò)數(shù)字因素為1的形式所表示的導(dǎo)出單位。例如:厘米克秒制中力的單位達(dá)因(dyn)與其基本單位間的關(guān)系為1dyn=1(g·cm/s)/s=1g·cm/s2；功的單位爾格(erg)，則1erg=1cm2·g/s2；速度的單位是厘米每秒(cm/s)。這個(gè)單位制稱為厘米克秒制(CGS)，這是近代計(jì)量學(xué)中第一個(gè)計(jì)量單位制。但是，事實(shí)上，有很多物理量例如光學(xué)的、電學(xué)的、熱學(xué)的，是不能從這三個(gè)基本量導(dǎo)出的，這一量制只覆蓋了物理學(xué)中的運(yùn)動(dòng)學(xué)、力學(xué)、聲學(xué)和原子物理學(xué)，這就使得19世紀(jì)末和20世紀(jì)初的一些物理學(xué)家大傷腦筋，總想從中導(dǎo)出電學(xué)、磁學(xué)的計(jì)量單位。另外，還有些物理學(xué)家也主張?jiān)黾恿恐浦械幕玖縼?lái)解決。這樣，演繹出了為數(shù)不少的量制和單位制。例如，在厘米克秒制的基礎(chǔ)上，派生了米千克秒制、米噸秒制這樣一些用較大的單位作為基本單位的單位制；英制中，相應(yīng)出現(xiàn)了英尺磅秒單位制；在工程技術(shù)上，用得更多的是力而不是質(zhì)量，因此，出現(xiàn)了以長(zhǎng)度、力和時(shí)間作為基本量的三量綱制，稱之為工程量制。在這個(gè)給定量制下，出現(xiàn)了米千克力秒單位制、英尺磅力秒單位制。這類單位制統(tǒng)稱為重力單位制。為了和重力單位制相區(qū)別，把以長(zhǎng)度、質(zhì)量和時(shí)間作為基本量的那一些單位制，稱之為絕對(duì)單位制。這兩類單位制中的單位，則分別稱之為重力單位和絕對(duì)單位。

絕對(duì)靜電制(CGSe)和絕對(duì)電磁制(CGSm)

為了適應(yīng)電、磁現(xiàn)象計(jì)量的需要，物理學(xué)家首先將厘米克秒單位制(CGS)推行到電磁學(xué)單位，于是出現(xiàn)了絕對(duì)靜電制(CGSe)和絕對(duì)電磁制(CGSm)。19世紀(jì)初，德國(guó)數(shù)學(xué)家、物理學(xué)家和天文學(xué)家K.F.高斯(1777～1885)從事將數(shù)學(xué)應(yīng)用于物理學(xué)、天文學(xué)和大地測(cè)量學(xué)的研究。1832年發(fā)表《用絕對(duì)單位測(cè)量地磁場(chǎng)強(qiáng)度》，論證必須以力學(xué)中力的單位進(jìn)行地磁的“絕對(duì)測(cè)量”，代替用磁針進(jìn)行的地磁測(cè)量。為此，高斯在與德國(guó)物理學(xué)家W.E.韋伯的合作下，在磁學(xué)測(cè)量中引用了以毫米、毫克和秒這三個(gè)單位為基礎(chǔ)的“絕對(duì)”電學(xué)單位制。后來(lái)韋伯把它推廣到其它的電磁測(cè)量，并在1851年對(duì)從電的庫(kù)侖定律出發(fā)的一組物理公式中，確定了一種一貫性的絕對(duì)厘米克秒單位(由這三個(gè)基本單位按一貫導(dǎo)出單位的規(guī)則來(lái)導(dǎo)出力的單位，從一貫的意義上講，它是“絕對(duì)”的，所以叫做“絕對(duì)單位”)制，定名為靜電制(CGSe)。他又對(duì)從磁庫(kù)侖定律出發(fā)的一組物理公式中，確定了一種一貫性的絕對(duì)厘米克秒單位制，定名為電磁制(CGSm)。1851年，他還做了一個(gè)成功的實(shí)驗(yàn)，用這一“絕對(duì)單位”，通過(guò)測(cè)量給出了導(dǎo)線的電阻。
厘米克秒靜電制之所以成立，是在庫(kù)侖定律中令比例系數(shù)α=1以及真空介電常數(shù)ε0為1，當(dāng)時(shí)，他并沒(méi)有認(rèn)識(shí)到這一設(shè)定，實(shí)際上已選取了第四個(gè)基本量和基本單位ε0，也沒(méi)有認(rèn)識(shí)到已采用的是非合理化公式。
在導(dǎo)出其他磁學(xué)量的單位時(shí)，還要選用一個(gè)磁學(xué)公式作為基本公式，即磁的庫(kù)侖定律，令其中比例系數(shù)β=1。從而導(dǎo)致真空磁導(dǎo)率，這里c0為真空中的電磁波傳播速度。

　　
厘米克秒電磁制則是令μ0=1構(gòu)成的，同樣也沒(méi)有意識(shí)到這一設(shè)定已相當(dāng)于選取了第四個(gè)基本量和第四個(gè)基本單位。這個(gè)單位制中使得，用的也仍都是非合理化公式。

CGSe制與CGSm都在電磁學(xué)中使用，可是同一電磁量CGSe單位(ESU)與CGSm單位(EMU)數(shù)值相差很大，量綱也不一致，很易導(dǎo)致誤解，發(fā)生錯(cuò)誤。
后來(lái)，高斯發(fā)現(xiàn)，只要把公式中的比例常數(shù)γ=c0，在α=1，β=1以及ε0=1和μ0=1的條件下，全部電學(xué)量的單位(包括量綱)都和CGSe制的一樣，全部磁學(xué)量的單位都和CGSm制的一樣，這就是曾廣泛使用的高斯單位制，他仍選厘米、克、秒作為基本單位，而實(shí)際上第四個(gè)基本量在電學(xué)量中是ε0，在磁學(xué)量中是μ0。
高斯制綜合了CGSe制和CGSm制，消除了一些混亂，但在那些既有電學(xué)量又有磁學(xué)量的公式中，即出現(xiàn)γ的公式需要改寫(xiě)。高斯制用的也仍是非合理化公式。


實(shí)用單位

1861年，英國(guó)科學(xué)促進(jìn)協(xié)會(huì)組織了一個(gè)由麥克斯韋和托馬斯領(lǐng)導(dǎo)的專門研究電磁單位的委員會(huì)，仍確定要從力學(xué)單位來(lái)導(dǎo)出電磁學(xué)單位。他們把三個(gè)基本單位確定為米，克和秒，規(guī)定電阻單位名稱是歐姆(Ω)，電動(dòng)勢(shì)單位名稱是伏特(V)。在1873年把基本單位改成厘米、克和秒，并規(guī)定力和能的單位名稱分別是達(dá)因(dyn)和爾格(erg)。并開(kāi)始使用詞頭構(gòu)成10-6至106的倍數(shù)單位。CGSm制和CGSe制就是從厘米克秒這三個(gè)基本單位導(dǎo)出的。1881年國(guó)際電學(xué)會(huì)議決定采用，并確定了5個(gè)量:電流、電動(dòng)勢(shì)、電阻、電荷量和電容的單位專門名稱:安培(A)、伏特(V)、歐姆(Ω)、庫(kù)侖(C)、法拉(F)。

赫維賽特-洛侖茲單位制

1882至1883年英國(guó)科學(xué)家O.赫維賽特發(fā)現(xiàn)采用CGSe和CGSm時(shí)，電磁公式中4π的出現(xiàn)很不合理，與H.A.洛侖茲提出的以CGS作為基本單位的有理化單位制，稱為赫維賽特-洛侖茲單位制(Heaviside-Lorentz system of units)，在這個(gè)單位制中，處于磁導(dǎo)率為μ介質(zhì)中，相距d的兩個(gè)磁極m1和m2之間的作用力由m1m2/4πμd2給出，類似的方程q1q2/4πεd2給出電容率為ε介質(zhì)中兩相距d的電荷q1與q2間的作用力。

1889年國(guó)際電學(xué)會(huì)議通過(guò)了功和能的單位焦耳(J)，功率的單位瓦特(W)，電感的單位
1893年改為亨利(H))。

1897年英國(guó)科學(xué)促進(jìn)協(xié)會(huì)建議的磁通單位名稱是韋伯(Wb)，1900決定CGSm制磁場(chǎng)強(qiáng)度H的單位名稱是高斯(Gs)，磁通單位名稱是麥克斯韋(Mx)。


喬吉制

1902年意大利物理學(xué)家G.喬吉(1871～1950)創(chuàng)立了合理化實(shí)用制，以米(m)、千克(kg)、秒(s)和一個(gè)實(shí)用電學(xué)單位為基本單位并采用合理化電磁公式。正式提出應(yīng)有四個(gè)基本單位對(duì)應(yīng)于四個(gè)基本量的量制。建議用磁場(chǎng)強(qiáng)度H作為第四個(gè)基本量。

1930年的國(guó)際電工委員會(huì)(IEC)決定ε0和μ0是導(dǎo)出量。磁通密度B、電位移D、電場(chǎng)強(qiáng)度E都是不同性質(zhì)的物理量，分別賦予了CGSm制中磁通單位稱為麥克斯韋(Mx)、磁通密度單位名稱為高斯(Gs，G)、磁場(chǎng)強(qiáng)度單位名稱為奧斯特(Oe)、磁動(dòng)勢(shì)單位名稱吉伯(Gb)，并注意到以米(m)、千克(kg)、秒(s)為基本單位的合理性，這些決定得到1931年國(guó)際物理學(xué)會(huì)的同意。

1935年國(guó)際電工委員會(huì)決定了以米(m)、千克(kg)、秒(s)單位制為國(guó)際電磁單位制。并定名為喬吉制，以安培作為第四個(gè)基本單位。1935年國(guó)際計(jì)量委員會(huì)亦作出類似的決定，1946年又決定于1948年起正式采用。1948年第九屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)責(zé)成計(jì)量委員會(huì)研究創(chuàng)立一種簡(jiǎn)單而科學(xué)，能為所有米制公約簽字國(guó)所接受并采用的實(shí)用單位制。實(shí)質(zhì)上是以喬吉制為基礎(chǔ)的擴(kuò)大。


國(guó)際單位制
         　　
把三量綱制加以擴(kuò)大，使之覆蓋光學(xué)量和熱學(xué)量的進(jìn)程不像覆蓋電磁學(xué)那么復(fù)雜，走過(guò)的歷程也不那么曲折。
在熱學(xué)單位制中，增加一個(gè)表示溫度的基本量，這個(gè)量制稱為熱物理量制，因而增加的基本單位在米制中為攝氏度(℃)或開(kāi)爾文(K)，而英制中為華氏度()或蘭氏度()。
在建立光學(xué)量的單位制歷程中，由于光學(xué)計(jì)量中最早發(fā)展的是發(fā)光強(qiáng)度單位“燭光”(后來(lái)的坎德拉(cd))，很自然地以它作為基本單位了，雖然存在某些不妥，在當(dāng)前似也無(wú)礙，今后是否會(huì)由光通量來(lái)代替發(fā)光強(qiáng)度作為基本量，由流明代替坎德拉作為基本單位，這決定于計(jì)量學(xué)的發(fā)展。

1948年開(kāi)始，國(guó)際計(jì)量局(BIPM)在各國(guó)之間進(jìn)行調(diào)查，1954年第十屆國(guó)際計(jì)量大會(huì)(CGPM)通過(guò)決議確定，在米、千克、秒三個(gè)基本單位之外，增加安培、開(kāi)爾文和坎德拉作為基本單位，1960年第十一屆CGPM確立了這6個(gè)基本單位構(gòu)成的國(guó)際單位制(SI)。
為了較好地使得在化學(xué)中的量的單位也按SI的原則進(jìn)入SI，1971年的CGPM上，增加了第七個(gè)基本量，物質(zhì)的量n，第七個(gè)基本單位摩爾(mol)，用于代替在當(dāng)時(shí)廣泛使用的克分子、克原子、克當(dāng)量等及其所導(dǎo)出的一些量和單位，這就進(jìn)一步完善了SI。
至今的歷次CGPM繼續(xù)不斷地在完善SI，是否應(yīng)把對(duì)數(shù)量的兩個(gè)單位奈培(Np)和貝爾(B)也作為SI單位1的專門名稱呢？已有專家在作這方面的探討。今后的CGPM將繼續(xù)不斷地完善SI。
當(dāng)前，國(guó)際單位制的構(gòu)成(按國(guó)際計(jì)量局編《國(guó)際單位制》第七版)如下圖:

SI基本單位:

長(zhǎng)度:米(m)
質(zhì)量:千克、公斤(kg)
時(shí)間:秒(s)
電流:安[培](A)
熱力學(xué)溫度:開(kāi)[爾文](K)
物質(zhì)的量:摩[爾](mol)
發(fā)光強(qiáng)度:坎[德拉](cd)
有專門名稱的SI導(dǎo)出單位共21個(gè):平面角:弧度(rad)；立體角:球面度(sr)；頻率:赫[茲](Hz)；力:牛[頓](N)；壓力、壓強(qiáng):帕[斯卡](Pa)；功、能、熱:焦[耳](J)；功率:瓦[特](W)；電荷量:庫(kù)[侖](C)；電壓、電動(dòng)勢(shì):伏[特](V)；電容:法[拉](F)；電阻:歐[姆](Ω)；電導(dǎo):西[門子](S)；磁通:韋[伯](Wb)；磁通密度:特[斯拉](T)；電感:亨[利](H)；攝氏溫度:攝氏度(℃)；光通量:流[明](lm)；光照度:勒[克斯](lx)；放射性活度:貝克[勒爾](Bq)；吸收劑量:戈[瑞](Gy)；劑量當(dāng)量:希[沃特](Sv)。
無(wú)量綱量(量綱1的量)其SI導(dǎo)出單位為“1”，但也可等效為m/m、m2/m2等。
為構(gòu)成SI單位的倍數(shù)和分?jǐn)?shù)，國(guó)際計(jì)量大會(huì)至今已累計(jì)通過(guò)了自1024至10-24共20個(gè)詞頭，用于加在SI單位之前(由于歷史上的原因，只有質(zhì)量的SI單位例外，是加在克(g)之前構(gòu)成，千克(kg)本身是SI單位)，而不能有另外的名稱與符號(hào)。例如:一千kg只能是兆克(Mg)而不是噸(t)；千分之一立方米(m3)只能是立方分米(dm3)而不是升(L)。雖然，噸與升都不是國(guó)際單位制的單位，但通過(guò)其他文件，說(shuō)明當(dāng)前是否可以與SI并用。
國(guó)際計(jì)量局的《國(guó)際單位制》一書(shū)，每隔5年左右修訂再版一次，用以反映最新情況。第八版《國(guó)際單位制》將在2004年出版，肯定還會(huì)出現(xiàn)某些新的進(jìn)展。(本文作者系原國(guó)家計(jì)量局研究員)

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作者: xkd123456 時(shí)間: 2007-7-17 15:36
提示: 作者被禁止或刪除內(nèi)容自動(dòng)屏蔽

作者: xkd123456 時(shí)間: 2007-7-17 15:44
提示: 作者被禁止或刪除內(nèi)容自動(dòng)屏蔽

作者: duomeiti 時(shí)間: 2007-7-17 21:48
標(biāo)題: 包括SI輔助單位在內(nèi)的具有專門名稱的SI導(dǎo)出單位

量的名稱	SI 導(dǎo) 出單位
量的名稱	名稱	符號(hào)	用SI基本單位和SI導(dǎo)出單位表示
[平面]角	弧度	rad	1 rad=1 m/m=1
立體角	球面度	sr	1 sr=1 m2/m2=1

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