国际单位制(世界上普遍采用的标准度量系统)

----更新时间:2022-08-17

国际单位制(法语:Système International d'Unités,简称:SI)是世界上最普遍采用的标准度量系统,采用十进制进位系统。[1]

国际单位制是在公制基础上发展起来的单位制,于1960年第十一届国际计量大会通过。

简介

国际单位制(international system of units)是国际计量大会(CGPM)采纳和推荐的一种一贯单位制。在国际单位制中,将单位分成三类:基本单位、导出单位和辅助单位。7个严格定义的基本单位是:长度(米)、质量(千克)、时间(秒)、电流(安培)、热力学温度开尔文)、物质的量(摩尔)和发光强度(坎德拉)。基本单位在量纲上彼此独立,导出单位很多,都是由基本单位组合起来而构成的。辅助单位只有两个,纯系几何单位。当然,辅助单位也可以再构成导出单位。各种物理量通过描述自然规律的方程及其定义而彼此相互联系。为了方便,选取一组相互独立的物理量,作为基本量,其他量则根据基本量和有关方程来表示,称为导出量[3]。

历史

1948年第9届国际计量大会根据决议,责成国际计量委员会(CIPM)“研究并制定一整套计量单位规则”,力图建立一种科学实用的计量单位制。1954年第10届国际计量大会决议,决定采用长度、质量、时间、电流、热力学温度和发光强度6个量作为实用计量单位制的基本量。1960年第11届国际计量大会按决议,把这种实用计量单位制定名为国际单位制,以SI作为国际单位制通用的缩写符号;制定用于构成倍数和分数单位的词头(称为SI词头)、SI导出单位和SI辅助单位的规则以及其他规定,形成一整套计量单位规则。1971年第14届国际计量大会决议,决定在前面6个量的基础上,增加“物质的量”作为国际单位制的第7个基本量,并通过了以它们的相应单位作为国际单位制的基本单位[4]。

规则

构成规则

国际单位制按一贯计量单位制的原则构成,采用十进制构成其倍数和分数单位;只能通过SI词头构成倍数和分数的单位,其基本单位及其定义只能由国际计量大会决定,SI导出单位的专门名称及其符号只能由国际计量大会选定。根据上述规则,诸如体积单位升、质量单位吨、光亮度单位尼特(nt,1尼特=1坎/平方米)等都不是国际单位制的单位。

两类SI单位:在国际单位制中,7个基本单位以及按一贯性原则从基本单位导出的单位,总称为SI单位。例如:SI导出单位中既包括那些由国际计量大会赋予专门名称的单位,如牛顿、瓦特、伏特、流明等;也包括那些没有赋予专门名称的单位,如米每秒、焦耳每开尔文、弧度每秒等。

SI词头:当单位前加了SI词头后,即构成了一个新的整体。因而当有指数时,是指这个整体,并非只对未加词头的那个单位。例如:表达为cm³时,是指立方厘米;表达为μs⁻¹时,是指每微秒;表达为mm²/s时,是指二次方毫米每秒。SI词头在任何情况下不能单独使用,例如不能用k代替kg或kΩ,或10³。

无量纲量的SI单位。有相当一批物理量的量纲是“1”。例如:折射率n,动摩擦因数μ,线应变ε,相对原子质量Ar,质子数Z,功率量级Lp,平面角φ。所有这类量的SI单位是两个相同的SI单位之比。例如:折射率的SI单位是两个速度的SI单位之比,即m·s⁻¹/(m·s⁻¹)=1;动摩擦因数的SI单位是两个力的SI单位之比,即N/N=1。其倍数和分数单位不是用SI词头构成而是用10的幂,例如10、10³、10⁻⁶、10⁻³等,也可用数学符号%代替10⁻²,但也可以用诸如微克每克(μg/g),毫升每立方米(mL/m³)这样的单位来代替10⁻⁶,但不应使用ppm这类的缩写符号[4]。

使用规则

关于单位的名称及其简称都已有明确的规定。简称在不致混淆的情况下可等效它的全称使用,习惯上只使用简称的单位可继续使用,例如在一些十进倍数单位中,如只用“毫安”而不用“毫安培”。但也不排斥使用“毫安培”。组合单位的名称与其符号书写的次序一致。符号中的乘号没有对应名称,符号中的除号对应名称为“每”,无论分母中有几个单位,“每”只在除号的地方出现一次。例如:加速度SI单位的符号是m/s²,其名称为“米每二次方秒”而不是“米每秒每秒”;电能量的常用单位符号kW·h的名称为“千瓦时”而不是“千瓦乘小时”。乘方形式的单位名称,其顺序是指数名称在单位的名称之前,相应指数名称由数字加“次方”二字而成。例如:断面惯性矩单位符号m⁴的名称为“四次方米”,而不是“米四次方”。指数是-1的单位,或分子为1的单位,其名称是以“每”字开头。例如:线膨胀的系数的SI单位℃⁻¹或K⁻¹,其名称为“每摄氏度”或“每开尔文”而不是“负一次方摄氏度”或“负一次方开尔文”等。如果长度的2次和3次幂是指面积和体积,则相应的指数名称为“平方”和“立方”,并置于长度单位的名称之前。例如:体积的SI单位符号m³的名称为“立方米”,不能称为“米立方”或“三次方米”,面积的常用单位符号km²的名称为“平方千米”不能称为“千米平方”或“二次方千米”。选用的倍数和分数单位,一般应使数值处于0.1~1 000范围内。例如:1.2×10⁴N可写成12kN;0.00394m可写成3.94mm;11401Pa可写成11.401kPa;3.1×10⁻⁸s可写成31ns。某些场合习惯使用的单位不受上述限制。例如:机械制图中使用的单位毫米;国土面积单位平方千米;导线截面积使用的单位平方毫米等。在同一个量的数值表中以及叙述文章中,为了对照方便,也可使用相同单位而不考虑数值是否处0.1~1 000范围。词头:百、十、分、厘(h,da,d,c)一般只用于某些长度、面积、体积和其它早已习惯的场合。例如:可以用于分贝dB等。有些国际单位制以外的单位,可以按习惯使用词头构成倍数或分数单位。在法定计量单位中,只有吨、升、电子伏、分贝(只有“贝”前加词头)、特克斯这几个单位有时加词头使用。法定计量单位中,非十进制单位以及摄氏温度单位按习惯不使用词头。不得重叠使用词头。例如:不得用“微微法拉”μμF,而应代之以“皮可法拉”或“皮法”pF;不应该用“毫微米”mμm而应代之以“纳诺米“或“纳米”nm。但是如:“三千千瓦”可以用,因系“3 000 kW”的口语叙述,其中只第二个“千”是词头。利用一部分数词作为词头的中文名称,有时带来混淆。例如:1kg和1000g在口语叙述中均为“一千克”,不能区别。在必须严格区分的情况下,1000g可读为“一零零零克”或“1千个克”。亿(108)、万(10⁴)等数词的使用不受限制,它们也可与单位构成倍数单位,但不是词头。例如:表示运输量用的单位“万吨公里”,符号可用10⁴t·km或万t·km。相乘形式的组合单位在加词头构成它的倍数和分数单位时,词头一般加在第一个单位上。例如:力矩的SI单位为N·m,它的倍数和分数单位可为MN·m,kN·m,mN·m,μN·m等,而不是在m前加词头。相除形式的组合单位,在加词头构成倍数和分数单位时,词头一般加在分子的第一个单位上。例如:热容的SI单位为J/K,它的倍数单位可为kJ/K而不用J/mk;动量的SI单位为kg·m/s,它的倍数单位可为Mg·m/s而不kg·km/s等。当组合单位中分母为长度、面积或体积单位时,分母中按习惯与方便也可选用词头构成组合单位的倍数和分数单位。例如:密度的SI单位为kg/m³,它的倍数单位可用g/cm³;电荷体密度的SI单位为C/m³,它的倍数和分数单位可为MC/m³,C/mm³或C/cm³等;电场强度的SI单位为V/m,它的倍数单位可以为kV/m或V/mm等。一般不在组合单位中采用两个有词头的单位,也不在分子与分母中同时采用词头。质量的SI单位kg中的词头,在这里不作为词头对待,但g这个分数单位不作为没有词头对待。例如:线密度的SI单位为kg/m,可用分数单位g/km。乘方形式的倍数或分数单位的指数,属于包括词头在内的倍数或分数单位。例如:1cm²=1×(10⁻²m)²=1×10⁻⁴m²,而1cm²≠10⁻²m²。又如:1μs⁻¹=1×(10⁻⁶s)⁻¹=10s⁻¹。在物理方程中,如其中所有的量都用SI单位来表示,则在计算时方程式的形式不会产生与物理方程形式上的不同。这样可以避免差错,也避免不必要的系数进入计算方程 。因此,建议在计算中,所有的量值都应该用SI单位表示,而词头以相应的10的乘方来代替。例如:均匀运动物体的速度v,时间t与所经过的距离s三者间的关系是:v=s/t。设一物体在1.5min时间内,经过的距离为9km,求速度。这里,千米与分均为法定计量单位但不是SI单位,它们对应的SI单位为秒与米,如这三个量均以SI单位表示,则计算式将与上述关系完全一致而不带来其它系数。s=9km=9×10³m,t=1.5min=1.5×60s=90s。而v的SI单位为m/s,因此:v=s/t=9×10³m/90s=100m/s。将SI词头中文名称的简称置于单位名称的简称之前构成中文符号时,应注意避免引起混淆,必要时使用圆括号。例如:表示旋转频率的量值不得写为3千秒⁻¹。如表示“三每千秒”应写成“3(千 秒)⁻¹”,这里“千”为词头;如表示“三千每秒”,应写成“3千(秒)⁻¹”,这里“千”为数词。表示体积量值不得写为2千米³。如表示“二立方千米”,应写成“2(千米)³”,这里,“千”为词头;如表示“二千立方米”,应写“2千(米)³”,这里“千”为数词。

单位

基本单位

基本单位的定义始于1889年,在近百年内,由于科学技术的发展,它们的定义也在不断发生变化,下面简述其定义和演变的情况。

辅助单位

国际单位制有两个辅助单位(已并入导出单位),即弧度和球面度

导出单位

SI导出单位是由SI基本单位或辅助单位按定义式导出的,其数量很多。其中,具有专门名称的SI导出单位总共有19个。有17个是以杰出科学家的名字命名的,如牛顿、帕斯卡、焦耳等,以纪念他们在本学科领域里作出的贡献。它们本身已有专门名称和特有符号,这些专门名称和符号又可以用来组成其他导出单位,从而比用基本单位来表示要更简单一些。同时,为了表示方便,这些导出单位还可以与其他单位组合表示另一些更为复杂的导出单位。

下面是具有专门名称的一些导出单位的定义。

赫兹(频率的单位)——周期为 1s(秒)的周期现象的频率为1Hz(赫兹),即1Hz=1s⁻¹。牛顿(力的单位)——使1kg(千克)质量产生1m/s²(米每二次方秒)加速度的力,即1N=1kg·m/s²。帕斯卡(压强单位)——每m²(平方米)面积上 1N(牛顿)力的压力,即1Pa=1N/m²。焦耳(能或功的单位)——1 N(牛顿)力的作用点在力的方向移动1m(米)距离时所作的功,即1J=1N·m。瓦特(功率单位)——1s(秒)内给出1J(焦耳)能量的功率,即1W=1J/s。库仑(电量单位)——1A(安培)电流在1s(秒)内所运送的电量,即1C=1A·s。伏特(电位差电动势单位)——在流过 1A(安培)恒定电流的导线内,两点之间所消耗的功率若为1W(瓦特),则这两点之间的电位差为1V(伏特),即1V=1W/A。法拉(电容单位)——给电容器充1C(库仑)电量时,二极板之间出现1V(伏特)的电位差,则这个电容器的电容为1F(法拉),即1F=1C/V。欧姆(电阻单位)——在导体两点间加上 1V(伏特)的恒定电位差,若导体内产生1A(安培)的恒定电流,而且导体内不存在任何其他电动势,则这两点之间的电阻为1Ω(欧姆),即1Ω=1V/A。西门子(电导单位)——Ω(欧姆)的负一次方,即1S=1Ω⁻¹。亨利(电感单位)——让流过一个闭合回路的电流以1A/s(安培每秒)的速率均匀变化,如果回路中产生1V(伏特)的电动势,则这个回路的电感为1H(亨利),即1H=1V·s/A。

韦伯(磁通量单位)——让只有一匝的环路中的磁通量在1s(秒)内均匀地减小到零,如果因此在环路内产生1V(伏特)的电动势,则环路中的磁通量为1(韦伯),即1Wb=1Vs。特斯拉(磁感应强度磁通密度单位)——每m²(平方米)内磁通量为1Wb(韦伯)的磁感应强度,即1 T=1 Wb/m²。流明(光通量单位)——发光强度为 1cd(坎德拉)的均匀点光源向sr(球面度内单位立体角)发射出去的光通量,即1 lm=1 cd·sr。勒克斯(光照度单位)——每m²(平方米)为 1lm(流明)光通量的光照度,即1 lx=1lm/m²。贝可勒尔(放射性活度单位)——1s(秒)内发生1次自发核转变或跃迁,为1Bq(贝可勒尔),即1Bq=1s⁻¹。戈瑞(比授予能单位)——授予1kg(千克)受照物质以1J(焦耳)能量的吸收剂量,即1Gy=1J/kg[3]。

希沃特(剂量当量)——每kg(千克)产生1J(焦耳)的剂量当量,即1Sv=1J/kg。

弧度(rad)和球面度(sr)(纯系几何单位),已并入导出单位。其定义如下:弧度(rad)——一个圆内两条半径之间的平面角。这两条半径在圆周上截取的弧长与半径相等。球面度(sr)——一个立体角,其顶点位于球心,而它在球面上所截取的面积等于以球半径为边长的正方形的面积[3]。

国际单位制词头

国际单位制词头表

地位

国际单位制是计量学研究的基础和核心。特别是七个基本单位的复现、保存和量值传递是计量学最根本的研究课题。

物理量

单位制

物理学是一门实验科学,它的理论建立在实验观测上。实验观测离不开物理量的测量,为了定量地表明观测量值的大小,对于同一类物理量(例如长度),需要选出一个特定的量作为单位(例如1米),这一类中的任何其他量,都可以用这个单位和一个数的乘积来表示,这个数就称为该物理量以上述特定的量作为单位时的数值。

物理学在历史上曾建立过多种单位制体系。1971年后,建立了以7个基本量为基础的国际单位制[5]。

各种物理量通过描述自然规律的方程及新物理量的定义而彼此相互联系。为了方便,通常在其中选取一组互相独立的物理量,作为基本物理量,其他量则根据基本量和有关方程来表示,称为导出量。物理学中人们最早研究的分支是力学。在力学范畴内,首先建立了以长度、质量和时间为基本物理量的单位制,就是人们所熟悉的厘米·克·秒(CGS)制。为了国际上的贸易、工业以及科学技术交往的需要,1875年在巴黎由17国外长制定了米制公约。米制公约中规定:长度以米为单位,质量以千克(公斤)为单位,时间以秒为单位。这种单位制称为米·千克·秒制。随着电磁学、热力学、光辐射学和微观物理学的发展,基本物理量逐渐由3个扩展到7个。建立了在米·千克·秒制基础上发展起来的单位制,它得到1960年第11届国际计量大会的确认,称为国际单位制(简称SI)。国际单位制的构成原则比较科学,大部分单位都很实用,并且涉及所有专业领域。普遍推广国际单位制,可以消除因多种单位制和单位并存而造成的混乱,节省大量的人力和物力,有利于促进国民经济和国际交往的进一步发展。当今绝大部分工业发达国家都积极地推广国际单位制,原来采用英制的国家也决定放弃英制,采用或准备采用国际单位制。由于在物理学中,特别是理论物理学中,有时需要使用厘米克秒制单位及其发展的电磁单位,所以厘米克秒单位制仍作为一种保留使用的单位制。国际计量委员会认为,在使用厘米克秒制时,一般最好不与国际制单位并用。在粒子物理学中,仍广泛采用一种特殊的单位制,即自然单位制。在自然单位制中,把基本物理常数h(普朗克常数除以2π)和с(光速)都取作1。于是,基本物理量可以减少,从而能够选用能量作为基本物理量。在同粒子物理密切相关的其他物理学科中,有时也采用自然单位制[3]。

厘米·克·秒制()。在物理学的许多书籍和论文中,尤其是在理论物理学中,仍广泛采用厘米克秒制(CGS制)。这种单位制选用厘米、克和秒作为它的基本单位。厘米克秒制有一个方便之处,就是1立方厘米的水,在其最大密度时具有近似为1克的质量。这种单位制是在英国科学进展协会标准委员会的倡导下建立的。三个基本单位决定后,按照一贯性的要求可以确定所有其他单位,即导出单位。但当涉及电磁现象时,导出单位的确立有两条不同的途径。一条途径的出发点是两个磁极之间的作用力反比于距离平方,另一条途径的出发点是两个电荷之间的作用力反比于距离平方。W.韦伯于1851年循着这两条途径得到了两种一贯性的“绝对”单位制。根据电荷的静电相互作用建立的叫做绝对静电制单位(CGSE),而根据磁相互作用建立的叫做绝对电磁制单位(CGSM)。

CGSM单位所规定的磁场强度的单位,称为奥斯特,规定的磁感应强度单位称为高斯,磁感应通量单位称为麦克斯韦。如果所有电学量单位用CGSE单位,而磁学量用CGSM单位,则构成了所谓绝对高斯制单位(见电磁学量的单位制)。

在只限于力学量和电学量的单位时,国际单位制中包括了电流作为基本单位,即共有四个基本单位。而在厘米·克·秒制中,则只有三个基本单位,电流作为导出单位。

国际单位制采纳了一些当年英国科学进展协会建议采用的所谓的“实用单位”(其中包括一些导出单位)。例如电阻单位为欧姆,电动势单位为伏特,它们分别等于相应的CGSM制单位的10和10倍。英国科学进展协会的建议是在1881年获得巴黎第 1届国际电学大会批准的。大会还引入了电流的实用单位安培,它等于相应的CGSM制单位的十分之一。后来又引入了电荷实用单位库仑和电容实用单位法拉。

人们为实用单位建立了欧姆实物基准(汞柱)、伏特实物基准(韦斯顿电池)和安培实物基准(银电解式电量计),它们都作为副基准使用。1893年芝加哥国际电学大会根据这些实物基准,对欧姆、伏特和安培给予了“法定”定义。1908年在伦敦召开的国际电学大会又决定在计量学中采用以欧姆和安培的实物基准为依据的一整套的所谓“国际电学单位制”。

1948年第 9届国际计量大会正式通过了米·千克·秒·安培的单位制,这就是国际单位制的基础[3]。

单位表

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