1、根本單位的歷史沿革長度單位古代常以人體的一局部作為長度的單位.例如我國三國時(shí)期公元三世紀(jì)初王肅編的?孔子家語?一書中記載有：“布指知寸,布于知尺,舒肘知尋.兩臂伸開長八尺,就是一尋.還有記載說：“十尺為丈,人長八尺,故日丈夫.可見,古時(shí)量物,寸與指、尺與手、尋與身有一一對應(yīng)的關(guān)系.西方古代經(jīng)常使用的長度單位中有所謂的“腕尺,約合5253厘米,與從手的中指尖到肘之間的長度有密切關(guān)系.也有用實(shí)物作為長度單位依據(jù)的.例如,英制中的英寸來源于三粒圓而干的大麥粒一個(gè)接一個(gè)排成的長度.多少年來世界各國通行種類繁多的長度單位,甚至一個(gè)國家或地區(qū)在不同時(shí)期采用不同的長度單位,雜亂無章,極不統(tǒng)一,對商品的流通造

2、成許多麻煩.所以,隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步,長度單位逐漸趨于統(tǒng)一,這個(gè)進(jìn)程早在幾百年前就已經(jīng)開始了.1790年法國國民議會(huì)通過決議,責(zé)成法國科學(xué)院研究如何建立長度和質(zhì)量等根本物理量的基準(zhǔn),為統(tǒng)一計(jì)量單位打好根底.次年,又決定采用通過巴黎的地球子午線的四分之一的千萬分之一為長度單位,選取古希臘文中“metron一詞作為這個(gè)單位的名稱,后來演變?yōu)椤癿eter,中文譯成“米突或“米.從1792年開始,法國天文學(xué)家用了7年時(shí)間,測量通過巴黎的地球子午線,并根據(jù)測量結(jié)果制成了米的粕質(zhì)原器,這支米原器一直保存在巴黎xx局里.法國人開創(chuàng)米制后,由于這一體制比擬科學(xué),使用方便,歐洲大陸各國相繼采用.后來又作了測量,

3、發(fā)現(xiàn)這一米原器并不正好等于地球子午線的四千萬分之一,而是大了0.2毫米.人們認(rèn)為,以后測量技術(shù)還會(huì)不斷進(jìn)步,勢必會(huì)再發(fā)現(xiàn)偏差,與其修改米原器的長度,不如就以這根粕質(zhì)米原器為基準(zhǔn),從而統(tǒng)一所有的長度計(jì)量.國際米原器1875年5月20日由法國政府由面,召開了20個(gè)國家政府代表會(huì)議,正式簽置了米制公約,公認(rèn)米制為國際通用的計(jì)量單位.同時(shí)決定成立國際計(jì)量委員會(huì)和國際計(jì)量局.至U1985年10月止,米制公約成員國已有47個(gè).我國于1977年參加.國際計(jì)量局經(jīng)過幾年的研究,用含粕90%、銖10%的合金精心設(shè)計(jì)和制成了30根橫截面呈X形的米原器,如圖15?1.這種形狀最鞏固又最省料,粕銖合金的特點(diǎn)那么是膨脹

4、系數(shù)極小.這30根米原器分別跟粕質(zhì)米原器比對,經(jīng)過遴選,取其中的一根作為國際米原器.1889年,國際計(jì)量委員會(huì)批準(zhǔn)了這項(xiàng)工作,并且宣布：1米的長度等于這根截面為X形的粕銖合金尺兩端刻線記號(hào)間在冰融點(diǎn)溫度時(shí)的距離.其余一些米原器都與國際米原器作過比對,后來大多分發(fā)給會(huì)員國,成為各國的國家基準(zhǔn),以后每隔幾十年都要進(jìn)行周期檢定,以保證長度基準(zhǔn)的一致性.然而實(shí)際上米原器給由的長度并不一定正好是1米,由于刻線工藝和測量方法等方面的原因,在復(fù)現(xiàn)量值時(shí)總難免有一定誤差,這個(gè)誤差不小于0.1微米,也就是說,相對誤差可達(dá)1×10?7.時(shí)間長了,很難保證米原器本身不會(huì)發(fā)生變化,再加上米原器隨時(shí)

5、都有被破壞的危險(xiǎn).所以,隨著科學(xué)與技術(shù)的開展,人們越來越希望把長度的基準(zhǔn)建立在更科學(xué)、更方便和更可靠的根底上,而不是以更一個(gè)實(shí)物的尺寸為基準(zhǔn).光譜學(xué)的研究說明,可見光的波長是一些很精確又很穩(wěn)定的長度,有可能當(dāng)作長度的基準(zhǔn).19世紀(jì)末,在實(shí)驗(yàn)中找到了自然鎘(Cd)的紅色譜線,具有非常好的清楚度和復(fù)現(xiàn)性,在15c的枯燥空氣中,其波長等于λCd=6438.4696×10?10米.1927年國際協(xié)議,決定用這條譜線作為光譜學(xué)的長度標(biāo)準(zhǔn),并確定：1米=1553164.13λCd人們第一次找到了可用來定義米的非實(shí)物標(biāo)準(zhǔn).科學(xué)家繼續(xù)研究,后來又

6、發(fā)現(xiàn)氮(86Kr)的橙色譜線比鎘紅線還要優(yōu)越.1960年,在第十一屆國際計(jì)量大會(huì)上,決定用氮(86Kr)橙線代替鎘紅線,并決定把米的定義改為：“米的長度等于相當(dāng)于氮(86Kr)原子的2P10到5d5能級(jí)之間躍遷的輻射在真空中波長的1650763.73倍.這個(gè)基準(zhǔn)的精確度相當(dāng)高,相對誤差不超過4×10?9,相當(dāng)于在1千米長度測量中不差4毫米.但是原子光譜的波長太短,又難免受電流、溫度等因素的影響,復(fù)現(xiàn)的精確度仍受限制.60年代以后,由于激光的由現(xiàn),人們又找到了一種更為優(yōu)越的光源,用激光代替氮譜線,可以使長度測量得更為準(zhǔn)確.只要確定莫一時(shí)間間隔,就可從光速與這一時(shí)間間隔的乘積定

7、義長度的單位.80年代,用激光測真空中的光速c,得c=299792458米/秒.1983年10月第十七屆國際計(jì)量大會(huì)通過了米的新定義：“米是光在真空中1/299792458秒的時(shí)間間隔內(nèi)所經(jīng)路程的長度.新的米定義有重大科學(xué)意義.從此光速c成了一個(gè)精確數(shù)值.把長度單位統(tǒng)一到時(shí)間上,就可以利用高度精確的時(shí)間計(jì)量,大大提升長度計(jì)量的精確度.質(zhì)量單位古代質(zhì)量單位和長度單位的情況相似,也有多種多樣的形式.例如：在波斯用卡拉薩(karasha)作質(zhì)量的單位,約合0.834千克,埃及用格德特(gedet),約合9.33克.我國秦代度量衡制度中規(guī)定：1石=4鈞,1鈞=30斤,1斤二16兩.與現(xiàn)代國際單位制比擬

8、,1斤約合0.256千克.英制中以磅pound,盎司ounce,打蘭dram,格令grain作單位：1磅=16盎司=256打蘭=7000格令不列顛帝國曾用純粕制成磅原器,它是高約1.35英寸,直徑1.15英寸的純粕圓柱體.最初的千克質(zhì)量單位是由18世紀(jì)末法國采用的長度單位米推導(dǎo)由來的.1立方分米純水在最大密度溫度約為4C時(shí)的質(zhì)量,就定為1千克.1799年法國在制作粕質(zhì)米原器的同時(shí),也制成了粕質(zhì)千克基準(zhǔn),保存在巴黎XX局里.后來發(fā)現(xiàn)這個(gè)基準(zhǔn)并不準(zhǔn)確地等于1立方分米最大密度純水的質(zhì)量,而是等于1.000028立方分米.于是在1875年米制公約會(huì)議之后,也用含粕90%、銖10%的合金制成千克原器,一

9、共做了三個(gè),經(jīng)與巴黎檔案局保存的粕質(zhì)千克原器比對,選定其中之一作為國際千克原器.這個(gè)國際千克原器被國際計(jì)量局的專家們非常仔細(xì)地保存在特殊的地點(diǎn),用三層玻璃罩罩好,最外一層玻璃罩里抽成半真空,以防空氣和雜質(zhì)進(jìn)入.隨后又復(fù)制了四十個(gè)粕銖合金圓柱體,經(jīng)過與國際千克原器比對后,分發(fā)給各會(huì)員國作為國家基準(zhǔn).跟米原器一樣,千克原器也要進(jìn)行周期性的檢定,以保證質(zhì)量基準(zhǔn)的穩(wěn)定可靠.時(shí)間單位在人類觀察到的自然現(xiàn)象中,以天空中發(fā)生的現(xiàn)象為最明顯,也最有規(guī)律,所以很自然地時(shí)間的量度以地球自轉(zhuǎn)的周期作為基準(zhǔn),這就是所謂的太陽日.1秒=1/86400平太陽日.但是由于地球自轉(zhuǎn)并不均勻也不穩(wěn)定,1960年國際計(jì)量大會(huì)確認(rèn)

10、,把時(shí)間基準(zhǔn)改為以地球圍繞太陽公轉(zhuǎn)為依據(jù),即：把秒定義為在1900年地球繞太陽沿軌道運(yùn)行一周所需時(shí)間的1/31556925.9747.這一數(shù)據(jù)之所以有如此之高的精確度,是由于這個(gè)結(jié)果是通過為期數(shù)年的一系列天文觀測獲得的.然而根據(jù)這個(gè)定義很難對秒本身進(jìn)行直接比擬.正好在這期間,時(shí)間和頻率的測量技術(shù)有了很大開展,1967年第十三屆國際計(jì)量大會(huì)重新規(guī)定了時(shí)間單位的定義：“秒是葩?133原子基態(tài)的兩個(gè)超精細(xì)能級(jí)之間躍遷所對應(yīng)的輻射的9192631770個(gè)周期的持續(xù)時(shí)間.15.1.4溫標(biāo)現(xiàn)在通用的國際單位制中溫度以開爾文K表示,這個(gè)溫度單位也是根本單位.嚴(yán)格說來,溫度單位的選擇實(shí)際上是一個(gè)溫標(biāo)問題.熱學(xué)

11、開展史中由現(xiàn)過華氏溫標(biāo)、列氏溫標(biāo)、蘭氏溫標(biāo)、攝氏溫標(biāo)、氣體溫標(biāo)和熱力學(xué)溫標(biāo)等.熱力學(xué)溫標(biāo)是1848年開爾文首先提由的,參看§2.4,由熱力學(xué)溫標(biāo)定義的熱力學(xué)溫度具有最嚴(yán)格的科學(xué)意義.其余幾種都屬于經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo),其共同特點(diǎn)是人為選擇莫一特定的溫度計(jì)和假設(shè)干溫度固定點(diǎn)來定義溫標(biāo),因此缺乏客觀標(biāo)準(zhǔn).這些經(jīng)驗(yàn)溫標(biāo)已成為歷史,但跟現(xiàn)代的溫標(biāo)仍有一些淵源關(guān)系.華氏溫標(biāo)是德國人華倫海特(D.G.Fahrenheit)大約在1710年提由的,規(guī)定水的冰點(diǎn)為32度,水的沸點(diǎn)為212度.華氏溫度至今還在英、美等國民間流行.列氏溫標(biāo)由列奧繆爾(R.A.F.Reaumur)于1730年提由,規(guī)定水的冰點(diǎn)

12、為零度,水的沸點(diǎn)為80度.列氏溫標(biāo)在德國曾一度流行.蘭氏溫標(biāo)由英國人蘭金(Rankine)提由,其定義為tR=tF+459.67實(shí)際上蘭氏溫度是以絕對零度為計(jì)算起點(diǎn)的華氏溫度,以0R表示之.現(xiàn)在科技界已很少采用.攝氏溫標(biāo)是瑞典天文學(xué)家攝爾薩斯(A.Celsius)在1742年提生的.他原來的方案是以水的沸點(diǎn)為零度,水的冰點(diǎn)為100度.次年法國人克里斯丁(Christian)把兩個(gè)標(biāo)度倒過來,就成了現(xiàn)在通用的標(biāo)度.以氣體溫度計(jì)標(biāo)定溫度所構(gòu)成的氣體溫標(biāo)最接近熱力學(xué)溫標(biāo).由于氣體溫度計(jì)的復(fù)現(xiàn)性較差,國際間又協(xié)議定由國際實(shí)用溫標(biāo),以統(tǒng)一國際間的溫度量值,國際實(shí)用溫標(biāo)幾經(jīng)變革,為的是由此定由的溫度盡可能

13、接近熱力學(xué)溫度.早在1887年,國際計(jì)量委員會(huì)就曾決定采用定容氫氣體溫度計(jì)作為國際實(shí)用溫標(biāo)的根底.1927年第七屆國際計(jì)量大會(huì)決議采用粕電阻溫度計(jì)等作為溫標(biāo)的內(nèi)插儀器,并規(guī)定在氧的凝固點(diǎn)？182.97C到金凝固點(diǎn)1063C之間確定一系列可重復(fù)的溫度或固定點(diǎn).1948年第十一屆國際計(jì)量大會(huì)對國際實(shí)用溫標(biāo)作了假設(shè)干重要修訂.例如,以金融點(diǎn)代替金凝固點(diǎn)；以普朗克黑體輻射定律代替維恩定律；引用更精確的常數(shù)值；計(jì)算公式更為精確；光測高溫計(jì)的測量限值擴(kuò)大等等.1960年又增加了一條重要修訂,即把水的三相點(diǎn)作為唯一的定義點(diǎn),規(guī)定其絕對溫度值為273.16精確,以代替原來水冰點(diǎn)溫度為0.00C精確之規(guī)定.而水

14、的冰點(diǎn)根據(jù)實(shí)測,應(yīng)為273.1500±0.0001K.采用水的三相點(diǎn)作為唯一的定義點(diǎn)是溫度計(jì)量的一大進(jìn)步,由于這可以避免世界各地因冰點(diǎn)變動(dòng)而由現(xiàn)溫度計(jì)量的差異.1968年對國際實(shí)用溫標(biāo)又作了一次修訂,代號(hào)為IPTS?68O其特點(diǎn)是采用了有關(guān)熱力學(xué)的最新成就,使國際實(shí)用溫標(biāo)更接近熱力學(xué)溫標(biāo).這一次還規(guī)定以符號(hào)K表示絕對溫度,取消原來的符號(hào)K,并規(guī)定攝氏溫度與熱力學(xué)溫標(biāo)的絕對溫度單位精確相等,攝氏溫度t=絕對溫度T?273.15精確.1975年和1976年分別對IPTS?68作了修訂和補(bǔ)充,把溫度范圍的下限由13.81K擴(kuò)大到0.5Ko但還是由現(xiàn)缺乏之處,主要是在實(shí)驗(yàn)中不斷發(fā)現(xiàn)IPTS?68在莫些溫區(qū)與國際單位制定義的熱力學(xué)溫度偏差甚大.1988年國際度量衡委員會(huì)推薦,第十八屆國際計(jì)量大會(huì)及第77屆國際計(jì)量委員會(huì)