单位定义那些事

肖老师科普

绝了，昨天刚听的韩宇辰老师的讲座“单位定义那些事”，今天就变成了北京高考物理卷单选压轴的原题:

四条线分别对应题中四句话:

这才是物理考试该有的样子，考最基本最实用的东西，同学，你要不要赶快恶补一下呀，肖老师免费送你学习笔记:

爱因斯坦说过:物理是时间和空间里的一场游戏。

所以要玩好这游戏，首先要定义出时间和空间，什么，你说这个太难了，那好吧，至少要先找到衡量时间和空间的基本办法，也就是单位。

统一单位的定义对物理学而言，就像秦始皇统一度量衡对中国的意义。

我们先一起来感受下怎么定义单位，再试着找一找背后的逻辑:

一、时间的单位:秒

在古希腊，人们将一个太阳日分为24小时，把一小时分为60分钟，一分钟分为60秒，即1S=1/60min=1/3600h=1/3600·24d

而地球的自转周期会受公转的影响，于是人们寻找更单纯的定义方式，终于在1967年，科学家将铯133原子基态的两个超精细能阶间跃迁对应辐射的9192631770个周期定义为1秒。

二、长度的单位:米

1660年伦敦，科学家把半周期为1秒的单摆的摆长定义为1米，这个公式我们将在高二学到。

可是单摆的周期受很多因素影响，所以1799年法国科学家将过巴黎的子午线上从赤道到北极点的距离的千万分之一定义为1米，并用金属铂做成了“米原器”。

但后来发现由于错算了地球的离心率而错算了弧长，而米原器虽然由铂升级为铂銥合金，但仍避免不了腐蚀、热胀冷缩和刻线误差，所以19世纪末，科学家尝试用原子谱线来定义米，先是用镉后来升级为氪。

20世纪七十年代，由于光速的测量已经非常精准，所以，1987年的国际度量衡大会将光在真空中1/299792458秒前进的距离定义为1米。

发现没，对时间单位和长度单位的定义，都经历了从生活中的粗糙定义，到原器，再到不依赖原器的精准定义。

三、质量的单位:千克

1791年，法国将一立方分米的纯水在4℃时的质量 ，定义为1千克。

但是测量液体好麻烦，热胀冷缩也令人头疼，于是在1799年造出了纯铂的千克原器，后来也升级为铂銥合金，一个不够还造了六个一样的放在不同国家，每隔五十年比一次。

一比吓一跳，居然不一样了！所以人们开始寻找不依赖实物的定义方式。终于在普朗克和爱因斯坦两位大神的公式下，解决了这个问题:

由E=hv和E=mc^2得m=hv/c^2

即1kg=6.6260715×10^-34J·S

四、温度的单位:开尔文

1848年，英国的开尔文定义了零下273℃为绝对零度，在这个基础上，1954年人们将水的三相点温度定义为273.16K，并于1967年将K称为“开尔文”。

五、电流的单位:安培

早期人们将1安培定义为:为使硝酸银溶液中每秒析出0.001118000克银的电流，后来发现这并不准确，于是又将1安培定义为:使真空中两根相距1米的无限长直导线受2×10^-7N的相互作用力所需通过的电流。

但这在实验室无法做到，所以2018年最新定义:1秒内通过导体某横截面6.2415093×10^18个(十万分之一摩尔)电子所对应的电流强度为1安培。

可以看出，基本单位的定义，总是要摆脱宏观物质的束缚，向基本的常数靠拢。

六、物质的量单位:摩尔

0.012kg的12C的原子数目NA=6.02×10^23

七、发光强度单位:坎德拉candela

蜡烛用英语怎么说?candle，没错，candela早期的定义就是这样简单粗暴:1881年规定一根鲸鱼油蜡烛在水平方向上的光照强度就是1坎德拉

1909年，英法美用45个碳丝白炽灯所组成的平均发光强度来定义1坎德拉。

1937年，又将面积为1/60平方厘米的绝对黑体在纯铂凝固点(1769℃)的发光强度定义为1坎德拉。

所有的单位，都是由基本单位和辅助单位推导出来的，比如大家最熟悉的牛顿N和万有引力常量G:

首先我们要有三个基本物理量的单位定义，就是时间长度和质量。

在此基础上才可能用长度和时间的比值定义出速度m/s，用速度改变量与时间的比值定义出加速度m/s^2，再用牛顿第二定律定义出牛顿这个单位:

F=kma，令k=1，m和a取国际单位，那么我们就得到了1牛顿的定义:使1kg的物体产生1m/s^2的加速度的作用力。

然后才有了后来卡文迪许测出的万有引力常量:由F=GMm/r^2，测出两个1kg的物体相距1米时引力是6.7×10^-11N，那么引力常量就是6.7×10^-11N·m^2/kg^2

环环相扣，印证着物理学的发展史，精不精彩?

其他我们在日常生活中见到的所有单位都可以转换成这 7 个最基本单位的算术组合。如果不能转换，就只能说明那个单位还不是科学体系中的一员。那将来有没有可能增加新的国际单位呢？这个可能性是有的，但几乎可以肯定地说，国际单位的增加意味着重大的科学进展，绝对不是小事。

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