第二章物理量和计量单位课件.ppt

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1、第二章 物理量和计量单位,量制和单位制国际单位制我国的法定计量单位,学习要求,了解国际单位制的基本单位了解我国的法定计量单位,2.1 量制和单位制,一、量与量值1、量量：现象、物体和物质的可以定性区别和定；量确定的一种属性。定性区别：量的单位。定量确定：量的数值。计量学中的量都是由一个数值和一个称为计量单位的特殊约定来组合表示的。,2.1 量制和单位制,一般来说，凡是量都是可以测量的，因此，量又称为“可测量的量”。量可以是广义的，也可以是特定的。例：长度、质量、温度等属于广义量，某棒的长度、重量属于特定量。计量学中的量分为基本量和导出量。,2、量值 一般由一个数和计量单位之积表示的特定量大小，

2、称为量值。量的大小与量值的形式无关，是客观存在，不取决于所采用的计量单位。,二、量制与量纲,量制：在科学所有领域或一个领域中，由约定选取的基本量和相应导出量的特定组合。SI单位制是最典型的量制。基本量：被约定地认为在函数关系上彼此独立的量。基本量是量制的基础，一旦选定就可以形成量制。如：米制。导出量：由基本量的函数所定义的量。,二、量制与量纲,量纲：以给定量制中基本量的幂的乘积表示某量的表达式称为量纲。量纲的确定取决于量制。同一物理量在不同的量制中可以由不同的量纲。一旦选定了基本量，在这个量制中，基本量的量纲就是它本身。,二、量制与量纲,SI的基本量：长度、质量、时间、电流、热力学温度、物质的

3、量、发光强度。无量纲量：其基本量量纲的指数全部为零的量称为无量纲量或量纲一的量。如相对密度、摩擦系数、马赫数、折射率等。量纲法则：量纲能定性地确定量之间的关系，任何量的表达式，其等号两侧必须具有相同的量纲。,三、计量单位,计量单位：为定量表示同种量的大小而约定地定义和采用的特定量。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。计量单位的定义不是一成不变的，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。区分量纲与单位的概念。导出量量纲用于给出导出量和基本量之间的定性关系；而导出单位表达式用于给出导出单位和基本单位之间的定量关系。,(一）对基本单位定义的特定要

4、求应该选择那些我们确信在时空变换下在天体尺度上保持稳定，即与本质上不变的量相关的参考标准。定义复现的准确度必须能够满足最佳实际测量的要求。应努力选择尽量简单的定义，无论是在理解上还是在复现上都要求如此，复现所采用的设备不应过于昂贵或过于复杂。应选择在任何时候、任何地点，任何人都可自由获取的定义。,（二）基本单位目前的定义,1）、米定义的变迁米的起源 1791年：法国议会批准了达特兰提出的以通过巴黎的地球子午线的1/4000万为1m的定义。历时6年，测量了西班牙巴塞罗那到法国敦克尔刻的地球子午线长度。 1795年4月7日，法国国民议会颁布新的度量衡制度，采用十进制：米的长度以“自北极到赤道段经过

5、巴黎的子午线的一千万分之一”为标准。质量单位以1立方分米温度为摄氏4 度纯水在真空中的质量。,1、米定义,1799年测绘学家的大地测量工作最终完成， 按测量结果制作了3.520mm矩形截面的铂杆，以此杆两端之间的距离为1m，此杆保存在巴黎档案局，成为档案米尺（metre archives）。同年12 月10日颁布法律确定米和千克的值。同时铸出千克原器。,2）第一个米定义,1872年：在法国召开的讨论米制的第二次国际会议上，决定放弃档案尺的米定义，以铂铱合金制造的米原器来代替。瑞士日内瓦物理公司：制作了31根铂铱合金尺。,1875年5月20日,17个国家签署了米制公约签订，决定成立国际计量局（B

6、IPM）。 这是计量学走向国际统一的里程碑。这一天称为“国际计量日”。1889年，第1届国际计量大会（GCGPM）召开。遴选了与保存在巴黎档案局的档案尺数值最为接近的第6号尺，批准为国际米原器。保存在巴黎国际权度局（现称国际计量局）精度：一般认为0.3 m。,1889年：第一届国际计量大会 (CGPM) 批准了国际计量委员会（CIPM）所选择的米原器，并宣布“ 该米原器以后在冰融点温度时代表长度的米单位”。同时批准了采用铂铱合金制的圆柱体砝码为千克的定义。1927年：第七届国际计量大会进一步明确：“长度的单位是米，规定为国际计量局（BIPM）所保存的铂铱尺上所刻的两条中间刻线的轴线在0C时的距

7、离”。,3）第二个米定义,1960 年：第十一届国际计量大会上正式批准废除铂铱米原器。米定义：“米等于86Kr原子的2P10和5d5能级间的跃迁所对应的辐射在真空中波长的1650763.73 个波长的长度。”86Kr谱线宽度为5104nm，干涉能力约为750mm，波长不确定度为1108，它比米原器或镉红线的准确度高约一个数量级。CIPM还通过建议，规定了产生86Kr基准辐射的放电管形式、参数和使用条件。并认为在满足使用条件时，其辐射波长在1108范围内等于未受扰动原子所发射的波长。,4）第3个米定义,1960年激光诞生。 20 世纪70年代初，激光稳频技术的进展，使激光的复现性和易于应用方面已

8、大大优于86Kr基准，且由激光频率测量及给定的光速值所导出的激光波长的准确度比86Kr基准辐射更好。同时，对于天文和大地测量领域，保持光速值不变具有重要意义，因此，米定义咨询委员会 (CCDM）认为用光速定义米的时机已经成熟。 1983 年国际计量大会通过新的米定义：“米等于光在真空中299792458 分之一秒时间间隔内所经路径的长度”。,米定义历程：自然基准实物基准自然基准基本物理常数即：地球子午线长度 档案米尺 86Kr 光速,2、质量,1889年，第1届国际计量大会批准了千克的定义。即采用铂铱合金制的圆柱体砝码为千克的定义。1901年第3届国际计量大会进一步明确作了以下规定：“千克是质

9、量单位，它等于国际千克原器的质量”。1988年秋1992年秋，国际计量局利用NBS2型天平，对34个国家的kg原器进行了国际比对。,结果表明：国家kg原器的质量平均约以每年0.5g的速率增加。如:瑞士的国家千克基准No. 38 的质量, 1946 年与1989 年两次与国际千克原器比对的差值为+ 28g。 德国的国家千克基准No. 55 与国际千克原器比对结果为1 kg + 0. 252 mg ,它增长率也为0. 5gP年。我国的No.60和No.64 kg原器的质量分别为1kg+0.295mg和1kg+0.251mg,属于法国科学院的No. 34 千克基准,从第二届国际千克基准比对之后,该千

10、克基准就保存在密封的容器中,没有使用过,也没有动过,它的质量值变化如下:1889 年1 kg - 0. 073 mg1950 年1 kg - 0. 078 mg1992 年1 kg - 0. 051 mg该千克基准质量从1952 年到1992 年的40 年之间相对国际千克原器质量的变化为+ 0. 27 mg。另外, R.Davis 从1959 年至1989 年对他们自己的千克基准进行长期实验考核,其结果在这40 年中他们的千克基准质量值相对增高了6 10 - 7 。,按上述事实可以推算出国际千克原器是否也在100 年中变化了50 g (5 10 - 8 ) ? 由此可见,当今的质量“kg”基准

11、自身质量随时间的变化已超过了国际比对的不确定度,更满足不了当今工业、科学技术发展的需要,必须变更. 变更的方向是利用基本物理常量或原子物理特性。,国际kg原器在刚刚清洗后的初期，其质量每天以0.0368g的速率增加。 尽管采用了表面科学的各种先进技术如X射线光电波谱仪、Auger电子显微镜、椭圆偏振仪对砝码表面进行观察，研究清洗工艺、表面吸附与污染对质量的影响，但看来短期内不会有明确的结论。 100多年来，国际原器只进行了3次比对，受数据量和比对不确定度的限制，kg原器质量漂移的原因一时难以查明。,几种原子极可能成为新千克定义的实现对象:原子质量单位是以12 C原子为对象定义的, 若选该原子作

12、为千克实现的对象, 那么, 12 C就成为了质量定义的统一体。且12C 在元素中的天然丰度很高, 而金刚石可以作为新的千克单位的复现体。28Si, 利用现代提纯技术, 28Si 已可被提纯到足够高的纯度, 该原子是阿伏伽德罗常数的测量对象。197Au, 同位素天然丰度为100% , 化学稳定性好, 是原子质量单位的实验测量对象(离子收集法)。,3、秒,1）时间单位的发展,太阳秒长期以来，时间单位秒的定义也依赖于地球。第一次定义是在1820年，科学家根据观测地球自转和绕太阳公转的周期来确定时间。 1秒1平太阳日/86400 即平太阳秒其中：平太阳日即是平均的昼夜时间 在随后的约一个世纪内，均未发

13、现地球自转的不稳定性。,太阳秒 1960年对秒作第二次定义时， 是用1900年的回归年，即历书上的特定的回归年进行定义的。即: 1秒1回归年/31556925.9747 这样定义的秒 亦称历书秒,比第一次定义的准确度高一个量级,达1109量级。,1930年， 出现了振荡周期非常稳定的石英晶体振荡器， 由此发现了平太阳秒的变化约为1108量级，即一昼夜约有1ms的变化。,20世纪70年代采用了铯原子的量子跃迁的定义。1967年第13届国际计量大会通过了新的秒定义“秒是铯原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9192631770个周期的持续时间。”在铯原子钟的发展中，经历了用磁选态、激光选

14、态和原子喷泉等三种方案来激励定义中的辐射跃迁，它们使秒定义的复现不确定度分别达到了11013 11014和11015的量级，使时间频率的测量达到整个计量基本单位复现准确度的顶峰。,新的秒定义,中国计量科学研究院保存着中国时间频率的计量基准。原子时标始建于1980年，利用连续运转的商品型原子钟，三台铯原子钟和两台氢原子钟组成一个钟组，通过加权平均计算得出本地原子时，由此导出国家的标准时间北京时间。其正式代号为UTC(NIM)。并参加国际原子时（UTC）合作，同时由计量院保存的铯原子频率基准对准确度进行校准。现在的指标为：时刻偏差的不确定度为100ns，频率的不确定度为510-14。,2）原子钟和

15、原子时,TAI- 国际原子时（ International Atomic Time）,BIPM会员国的国家标准实验室原子钟组依据秒定义产生，每月送至BIPM，BIPM根据各国实验室的维持能力及研发实力乘以不同的权重，平均所得即为TAI。 TAI由来 原子时是一种以原子谐振信号周期为标准，并对它进行连续计数的时标。同天文时相比，原子时要均匀得多。五十年代初期，人们研制出原子钟一种观测原子谐振现象并对其信号周期进行计数的装置。如氨分子（NH3）钟，铯原子（Cs）钟，此后便有了原子时标。但是，由各台原子钟建立的原子时标可以颇不相同，因为它们的起始点由使用者任取，而即使选择了同一起始点，由于各台原子钟

16、的准确度和稳定度存在差异，长期累计之后所显示的时刻也会明显不同。为此，在建立原子时标的初期，即用多台钟平均的办法导出平均原子时。,平均原子时比由单台原子钟导出的原子钟均匀。第一个作为无线电时号广播的平均原子时，命明为A1。它由美国海军天文台（USNO）控制的短波台WWV发播，以美国国家标准局（NBS）、美国海军天文台（USNO）、加拿大国家研究委员会（NRC）、英国格林威治天文台（RGO）等九个研究所的铯标准为基础。该平均原子时标的定义如下： 以铯原子（Cs133）超精细能级跃迁辐射的9,192,631,770个周期所持续 的时间为1秒。 时标的始点定在UT2的1958年1月1日的零时零分零秒

17、。,大概在建立A1的同时，国际计量局也组合了几个研究所建立了命名为A3的原子时。1971年，国际计量大会正式认可原子时标，同时指定在国际计量局的原子时基础上建立国际原子时TAI。国际原子时的秒长和起点与A1相同，但规模扩大了，计算方法也几经改进。 国际原子时的定义：“国际原子时是国际计量局根据国际单位制时间单位秒的定义，以各研究所运转的原子钟读数为根据，在海平面上建立的时间参考坐标”,现在，由分布于世界各国的近三百台铯原子钟为TAI提供数据（通过GPS和卫星比对手段），在这些数据的基础上，国际计量局应用一种叫做ALGOS的计算方法-一种加权平均方法，首先计算出中间时标EAL（自由原子时标），然

18、后用几台实验室频率基准数据对EAL进行准确度控制。 中国计量科学研究院、陕西天文台以及台湾电信研究所（TL）均各自建立了地方原子时，并每月向国际计量局报告数据，并同其他国家研究所的数据一块发表在国际计量局（BIPM）的月报及年报上。,目前最准确的基本物理量，准确度已经进入10-15量级。许多其他物理量，例如长度的米，电学的电压都可由时间频率导出；它是基础物理学研究的一个重要方面，近十年来的诺贝尔物理奖有三个和时间频率标准有关： 1989年：Dehmelt与Pauli的离子阱和Ramsey的分离场技术； 1993年：Taylor的脉冲星稳定周期； 1997年：朱棣文，Cohen-Tannoudj

19、i和Phillips的激光冷却与捕陷原子。 良好的传递性，可用电波传播而保持很高的准确度，是现代导航技术的基础；美国著名的GPS系统和俄罗斯的GLONASS系统就是利用这一特点，综合卫星和电脑技术建成的； 和人民大众的日常生活密切相关；,时间频率的意义和现状 ：,和国民经济密切相关，目前，国内通信网同步要求频率准确度110-11。现代化的导航技术也是建立在高准确度的时间频率技术基础之上的。中国计量科学研究院已经建立了原子频率基准实验室型原子钟和原子时间标准；研究中的新一代原子频标，其设计准确度可进入10-15量级，有了高准确度的原子频标之后，下一个重要任务就是建立相应的传递体系，使国民经济各行

20、业得到有效的高准确度时间频率服务。国外已研制出1000万年误差不超过1秒的原子钟。,过去十年来，TAI主要依靠德国的1号和2号铯原子钟。今天美国的NIST7达到了11014的准确度。近年来，光抽运铯钟及采用镁、汞原子或氢钟的研究有了显著的进展，铯原子喷泉的准确度已达到1015 1016，拉姆射线宽度已达到1015 1016。,4、电流,安培：安培是电流单位，在真空中，截面积可以忽略的两根相距1m的无限长平行圆直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2107N，则每根导线中的电流为1A。,AyrtonJones电流天平原理图 1106,Pellat电动测力计原理图 106,5、

21、温度开尔（开尔文）,温标有：摄氏温标、华氏温标、热力学温标和国际实用温标。国际实用温标（IPTS）是一个国际协议性温标，它与热力学温标相接近，而且复现精度高，使用方便。IPTS27：只给出了190C以上的数值；IPTS48：水三相点代表冰融点；IPTS68：延伸到13K；IPTS68/75：给出了一些第二类参考点。开尔文是热力学温度单位，等于水的三相点热力学温度的/273.16。,ITS90标准：1989年在法国巴黎通过，1990年开始生效。对温度的定义：第一温区：0.65-5.00K之间，3He和4He的饱和蒸汽压第二温区：3.0K-氖三相点24.5561K之间，氦气体温度计第三温度：平衡氢

22、三相点13.8033K到银凝固点961.78 （1235.08K）之间，铂电阻温度计银凝固点以上的温区，T90按普朗克辐射定律定仪，复现仪器为光学高温计。,摄氏温标与华氏温标,华氏温标： Daniel Fahrenheit 1714年制造了性能可靠的水银温度计，1724年公布了他的温标，规定在标准大气压下，冰的融点为32 F，水的沸点为212 F，中间划分为180等分。,摄氏温标： Anders Celsius 1742年建立了百度温标，以冰点为100度，沸点为零度，斯托墨把两个固定点对换。,开尔文的实现,关键：水三相点（0.01K）的热力学温度和热力学温标中的温度比值1954年第10届国际计

23、量大会（CGPM）上通过采用水三相点为热力学温标的基本固定点（另一个固定点是绝对零点）。,ITS90定义固定点：17个固定点：包括He、eH2的蒸气压点和三相点，Ne、O2、Ar、Hg、H2O 的三相平衡点，Ga的熔点，In、Sn、Zn、Al、Ag、Au、Cu的凝固点。,6、物质的量摩尔（mol),1971年第14届国际计量大会决定。摩尔：摩尔是一系统的物质的量，该系统所包括的基本单位数与0.012kg碳-12的原子数目相等。在摩尔定义中，0.012kg碳-12中的原子数目为阿伏加德罗常数NA的数值。NA6.02213671023mol-1 1986年国际科学与技术数据委员会（CODATA）推

24、荐,确定NA的理想方案是采用纯的C-12单质，计量出其质量Mc12和它包含的原子数目N，可以算出： NA=12N/Mc12gmol-1 但因无法取得一定量的纯碳-12这个方案无法实现。,目前：采用单晶硅单晶硅特点：无杂质、无位错、同位素丰度稳定Si晶格常数（即晶格间距）； Si密度； MSi摩尔质量； NSi单位立方晶胞中的原子数目，与原子结构有关；mSi硅同位素组合的平均原子质量。,7、发光强度坎德拉(cd),坎德拉：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5401012Hz的单色辐射，且在此方向上的辐射强度为1/683W Sr-1。5401012Hz辐射的波长约为555nm，

25、是人眼感觉最灵敏的波长。我国1982年研制成实现坎德拉的辐射计法装置，其综合不确定度为0.28%。,a补偿型双锥腔辐射计 b、c热屏蔽 d修正滤光器 F准直仪 g辐射阱 h、i、j挡光屏 k、l、m光阑 图5,（三）建议的基本单位的新定义,四、单位制,单位制：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。即单位制是基本单位和导出单位的组合。基本单位是单位制的基础。所选取的基本单位不同，单位制就不同。一贯单位制：导出单位均按照数字因数为1的关系从基本单位中导出。如SI单位制。复现基本单位的方法和实体的准确度，决定了该单位体系全部计量单位的准确度。基本单位有严格的、公认的第一，往往

26、以法律形式予以固定。,2.2 国际单位制,SI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。自1875年订立米制公约以来，国际单位制在世界范围内得到了广泛应用。国际单位制中定义了7个基本单位。1960年以前，国际单位制的基本单位用实物基准复现和保存。,The model of meter prototype米原器模型,The model of kilogramer prototype千克原器模型,三层玻璃罩,Whats the problem?产生的问题(mass of a physical artifact drifts!),质量漂移,2.3 我国的法定

27、计量单位,1、我国的法定计量单位的构成：SI的基本单位、导出单位和SI的倍数单位；可与SI单位制单位并用的我国法定计量单位，见P30表2-9；由以上单位构成的组合形式的单位。,2、我国的法定计量单位的特点简单明了、完善具体、留有余地。完整地包括了SI单位制,2.4 计量基准、标准的发展,七个基本单位的定义及复现方法的发展基本单位复现精度的意义基本物理常数推荐值,古代阶段 以经验为主的初级阶段，例如，我国古代的“布手知尺”、“掬手主升”、“取权定重”、“迈步定亩”、“滴水计时”。,计量的发展,现代阶段 由以近代理论为基础，转为以量子理论为基础，由宏观实物基准转为微观自然基准。,近代阶段 以科学为

28、基础的民展时期。1875年”米制公约“的签订，标志着近代计量阶段的开始。如根据地求子午线四分之一的千万分之一长度制成长度基准米；根据1立方分米的纯水在密度最大时的质量制成了质量基准千克。,目前最准确的基本物理量，准确度已经进入10-15量级。许多其他物理量，例如长度的米，电学的电压都可由时间频率导出；它是基础物理学研究的一个重要方面，近十年来的诺贝尔物理奖有三个和时间频率标准有关： 1989年：Dehmelt与Pauli的离子阱和Ramsey的分离场技术； 1993年：Taylor的脉冲星稳定周期； 1997年：朱棣文，Cohen-Tannoudji和Phillips的激光冷却与捕陷原子。 良

29、好的传递性，可用电波传播而保持很高的准确度，是现代导航技术的基础；美国著名的GPS系统和俄罗斯的GLONASS系统就是利用这一特点，综合卫星和电脑技术建成的； 和人民大众的日常生活密切相关；,如：时间频率的意义和现状,国内通信网同步要求频率准确度110-11。现代化的导航技术也是建立在高准确度的时间频率技术基础之上的。中国计量科学研究院已经建立了原子频率基准（实验室型原子钟）和原子时间标准；研究中的新一代原子频标，其设计准确度可进入10-15量级，有了高准确度的原子频标之后，下一个重要任务就是建立相应的传递体系。国外已研制出1000万年误差不超过1秒的原子钟。,光速 c = 299 792 4

30、58 m/s,1. If we define the units independently, then we must determine the numerical value by experiment, and it will have an uncertainty. That was the situation before 1983, when both the metre and the second were independently defined. 如果各个单位是独立定义的，就必须通过实验来确定c 的数值，且所确定的数值具有不确定度。1983年以前就属于这种情形，米和秒都

31、是独立定义的。 2. 如果根据铯跃迁频率来独立定义秒，并且选择c 的数值固定不变，其效果就是定义米。 1983年以后重新定义的米就属于这种情形。现在c 数值的不确定度为零。,普朗克常数 h = 6.626 0693 10-34 m2 kg s11. If we define the unit independently, then we must determine the numerical value by experiment, and it will have an uncertainty. That is the present situation. 如果各个单位是独立定义的，就必须

32、通过实验来确定h 的数值，且所确定的数值具有不确定度。目前就属于这种情形。 2. 如果米和秒已独立定义，并选择固定h 的数值不变，其效果就是定义千克。这就是我们提出的千克的新定义，h 数值的不确定度将为零。,Note: J s = m2 kg s1,质子的电荷 e = 1.602 176 53 10-19 A s 1. 如果各个单位是独立定义的，就必须通过实验来确定e 的数值，且所确定的数值具有不确定度。目前就属于这种情形，安培是通过带电导线之间的力来定义的，而秒则根据铯跃迁频率来定义。 2. 如果根据铯跃迁频率独立定义秒，并选择固定e 的数值不变，其效果就是定义安培。这就是我们提出的安培的新

33、定义， e 数值的不确定度将为零。,Note: A = C / s, or C = A s,玻尔兹曼常数kB = 1.380 6505 10-23 J / K kB值把开尔文的大小与焦尔相联系。或者说： 1. 如果各个单位是独立定义的，就必须通过实验来确定kB的数值，且所确定的数值具有不确定度。目前就属于这种情形，焦耳和开尔文都是独立定义的（开尔文的定义中固定水的三相点温度）。 2. 如果独立定义焦耳（ kg m2 s-2 ），并选择固定kB的数值不变，其效果就是定义开尔文。这就是我们提出的开尔文的新定义， kB数值的不确定度将为零。,阿伏伽德罗常数 NA = 6.022 1415 1023

34、mol-1 The value of NA is a conversion constant relating the mole to the number of entities. Alternatives: NA值是摩尔与物质量之间的换算常数。或者说： 1. 如果摩尔独立定义为12 g碳-12的物质的量，就必须通过实验来确定NA的数值，且所确定的数值具有不确定度。目前就属于这种情形。 2. 但是，如果选择固定NA的数值不变，其效果就是定义摩尔。这就是我们提出的摩尔的新定义， NA数值的不确定度将为零。,Proposed new definition of the kilogram:千克的建

35、议新定义,The kilogram, unit of mass, is such that the value of the Planck constant is 6.626 0693 1034 joule second 千克是质量的单位，此单位使普朗克常数值精确地等于6.626 0693 1034焦耳秒。Or 千克是其德布罗意-康普敦频率精确地等于 (299 792 458)2/(6.626 069 3 1034) 赫兹的物体的质量。 （利用质量m及其相应德布罗意-康普敦频率之间的关系式 E = h = mc2 ）,Proposed new definition of the ampere:

36、安培的建议新定义,The ampere, unit of electric current, is such that the elementary charge (the charge on a proton) is exactly 1.60217653 1019 coulomb. 安培是电流的单位，此单位使基本电荷（质子的电荷）精确地等于 1.60217653 1019库仑。orThe ampere is the electric current corresponding to the flow of exactly 1/(1.602 176 53 1019) elementary ch

37、arges per second. 安培是精确地每秒1/(1.602 176 53 1019)个基本电荷流所对应的电流。,Proposed new definition of the kelvin:开尔文的建议新定义,The kelvin, unit of thermodynamic temperature, is such that the Boltzmann constant is exactly 1.380 6505 1023 joule per kelvin 开尔文是热力学温度的单位，此单位使波尔兹曼常数精确地等于 1.380 6505 1023焦耳每开尔文。orThe kelvin

38、is the change of thermodynamic temperature that results in a change of thermal energy kT by exactly 1.380 6505 1023 joule. 开尔文是导致热能kT 精确地发生1.380 6505 1023焦耳变化的热力学温度的改变。,Proposed new definition of the mole:摩尔的建议新定义,The mole, unit of amount of substance of a specified elementary entity, which may be a

39、n atom, molecule, ion, electron, an other particle, or specified group of such particles, is such that the Avogadro constant NA is exactly 6.022 141 5 1023 per mole 摩尔是一特定基本单元的物质的量的单位，该基本单元可以是原子、分子、离子、其他粒子，或这些粒子的特定组合。此单位使阿夫伽德罗常数NA精确地等于 6.022 141 5 1023每摩尔。Or摩尔是精确地包含6.022 141 5 1023个基本单元的系统的物质的量，该基本单

40、元可以是原子、分子、离子、其他粒子，或这些粒子的特定组合。,Relative uncertainty ur108 for a few fundamental constants, for three alternative definitions of the base units三种基本单位定义方案中一些基本常数的相对不确定度， ur108,constantm(K ) fixedh fixedh, e, k, NA (present defn)all fixed 常数 m(K )固定（当前定义） h固定 h, e, k, NA均固定-m(K ) 0.0 exact1717h 17 0.0 e

41、xact 0.0 exact精确值NA 17 0.67 0.0 exact精确值me 17 0.67 0.67mp 17 0.67 0.67e 8.5 0.17 0.0 exact精确值KJ 8.5 0.17 0.0 exact精确值RK 17 0.34 0.0 exact精确值kB180 0.83 0.0 exact精确值F 8.6 0.83 0.0 exact精确值B 8.6 0.83 0.67N 8.6 0.83 0.67,“Yet, after all, the dimensions of our earth and its time of rotation, though, rela

42、tive to our present means of comparison, very permanent, are not so by physical necessity. The earth might contract by cooling, or it might be enlarged by a layer of meteorites falling on it, or its rate of revolution might slowly slacken, and yet it would continue to be as much a planet as before.

43、虽然我们所在地球的尺寸及其转动时间相对于我们目前的比较方法而言是非常永久的，但从物理本质上来说，它们并非恒定不变的。地球可能因冷而收缩，或者也可能因为一层陨石落在其上而变大，或者其公转速度可能会缓慢地降低，尽管如此，地球依旧作为一个行星存在。,Prague Sept 2004,But a molecule, say of hydrogen, if either its mass or its time of vibration were to be altered in the least, would no longer be a molecule of hydrogen. 但是分子，例如氢

44、分子，如果其质量或振动时间发生一点点改变的话，它将不再是氢分子。If, then, we wish to obtain standards of length, time and mass which shall be absolutely permanent, we must seek them not in the dimensions, or the motion, or the mass of our planet, but in the wavelength, the period of vibration, and the absolute mass of these imperi

45、shable and unalterable and perfectly similar molecules.”因此，如果我们想获得绝对恒定的长度、时间和质量标准的话，我们不能在行星的尺寸或运动或质量中寻找，而应利用这些永久的、不可改变和惊人相似的分子的波长、振动周期和绝对质量。James Clerk Maxwell, 1870,Prague Sept 2004,三、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

46、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NA、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，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me、光速c、普朗克常数h、玻耳兹曼

47、常数k和阿伏加德罗常数NA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

48、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。,