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国际单位制

2020-10-16

出处：族谱网

作者：阿族小谱

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历史前奥匈帝国与意大利边境上（今蓬泰巴）的石碑以“Myriameter”标示距离。这一单位等于10千米，在19世纪中欧曾经使用过，但现已被淘汰。公制最早在1790年代法国大革命期间采用，当时只有长度和质量的原器，分别作米和千克的定义标准。1830年代，卡尔·弗里德里希·高斯为一套建立在长度、质量和时间上的“一致单位制”打下了根基。1860年代，在英国科学促进协会（英语：BritishAssociationfortheAdvancementofScience）的主持下，一组科学家制订了一套包含基本单位和导出单位的一致系统。但当时人们同时使用着多个与电有关的单位，因此阻碍了将电单位纳入这套单位制之中。直到1900年，乔瓦尼·吉奥尔吉（英语：GiovanniGiorgi）才提倡在原来的三个基本单位之外再加一个电单位。1875年，法国根据《米制公约》把维护千克和米定义原器的责任转交给国际组织。19...

历史

前奥匈帝国与意大利边境上（今蓬泰巴）的石碑以“Myriameter”标示距离。这一单位等于10千米，在19世纪中欧曾经使用过，但现已被淘汰。

公制最早在1790年代法国大革命期间采用，当时只有长度和质量的原器，分别作米和千克的定义标准。 1830年代，卡尔·弗里德里希·高斯为一套建立在长度、质量和时间上的“一致单位制”打下了根基。1860年代，在英国科学促进协会（英语： British Association for the Advancement of Science ）的主持下，一组科学家制订了一套包含基本单位和导出单位的一致系统。但当时人们同时使用着多个与电有关的单位，因此阻碍了将电单位纳入这套单位制之中。直到1900年，乔瓦尼·吉奥尔吉（英语： Giovanni Giorgi ）才提倡在原来的三个基本单位之外再加一个电单位。

1875年，法国根据《米制公约》把维护千克和米定义原器的责任转交给国际组织。1921年，公约适用范围扩大至所有物理量，包括最早于1893年定义的各种电单位。

1948年，学者们开始将公制重新制订为一套“实用单位制”，经过逾十年的发展后，终于在1960年公布“国际单位制”。1954年第10届国际计量大会把电流、温度及发光强度定为基本物理量，使基本物理量增加至六个。相对应的基本单位有米、千克、秒、安培、开尔文和坎德拉。1971年，国际单位制再添一个基本物理量──以摩尔来表示物质的量。

早期发展

1791年，法国科学院的一个委员会受国民议会和路易十六的委派，开始建立一套统一的、基于理性的度量衡系统，这将成为公制。成员包括“现代化学之父”安东万-罗伦·德·拉瓦节及数学家皮耶尔-西蒙·拉普拉斯和阿德里安-马里·勒壤得。 Public response included resistance, apathy, and sometimes ridicule. 委员会在设计长度、体积和质量的相互关系时所遵从的原则，和1668年英国神职人员约翰·威尔金斯在《论正真的文字和哲学语言》（英语： An Essay towards a Real Character and a Philosophical Language ）中所提倡的一致。他们也根据最早于1670年由法国神职人员加布里埃尔·穆东（英语： Gabriel Mouton ）提出的方法，利用地球的子午线作为长度的定义基础。 1791年3月30日，国民议会采纳了委员会的新度量衡系统，并批准在敦刻尔克和巴塞罗那之间进行勘察，以确立子午线的长度。1792年7月11日，委员会提出将长度、面积、容积和质量的单位名称分别定为metre（米）、are（公亩）、litre（升）和grave（千克的旧名），而这些单位的倍数和分数则用以十进制为基础的词头来表示，如centi表示一百分之一，kilo表示一千倍等等。

威廉·汤姆孙（开尔文男爵）詹姆斯·克拉克·麦克斯韦汤姆孙和麦克斯韦在“一致性”原则的发展及许多度量单位的命名上起到了重要的作用。

1795年4月7日法律（芽月18日法）订下了gramme（克）和kilogramme（千克），分别取代先前的gravet（准确来说是milligrave）和grave。在皮埃尔·梅尚和让-巴蒂斯特·德朗布尔（英语： Jean-Baptiste Delambre ）的子午线勘察结束后，米和千克的标准原器于1799年6月22日正式交由法国国家档案馆（法语： Archives Nationales ）保管。同年12月10日，即拿破仑的雾月政变之后的一个月，霜月19日法正式通过，法国将全面采用公制。

19世纪上半叶，不同基本单位有不同的常用倍数词头：法国和德国部分地区常用myriametre（1万米）量度距离，但在量度质量时却用kilogramme（1千克），而非myriagramme（1万克）。

1832年，德国数学家卡尔·弗里德里希·高斯在威廉·韦伯的协助下，得出了地球磁场的强度，并以毫米、克和秒所组成的单位写出。秒因此从实际上成为了一个基本单位。此前，科学家只是以相对值来比较各地的地磁场强度，但高斯把磁铁在磁力底下的扭矩与物体在引力底下的扭矩视为等同，所以能够为磁场强度设下一个建立在质量、长度和时间上量纲。

1860年代，詹姆斯·克拉克·麦克斯韦及威廉·汤姆孙（开尔文男爵）等科学家在英国科学促进协会的主持下，在高斯的基础上做了进一步的规范，建立起一套由基本单位和导出单位所组成的一致单位制。利用一致性原则，他们成功定义了一组厘米-克-秒制单位，包括：尔格表达能量、达因表达力、微巴表达压力、泊表达剪切黏度、斯托克斯表达运动黏度等等。

米制公约

法国的度量衡改革启发了计量学上的国际合作计划，多国最终于1875年签署《米制公约》。公约最初只规定了米和千克的标准：作为定义标准的共有30件米原器及40件千克原器，材料均为含90%铂和10%铱的合金，由英国庄信万丰公司制造，1889年被国际计量大会采用。原器中随机各选出一件分别做国际米原器和国际千克原器，从此取代早前由法国国家档案馆保管的米和千克原器。公约的每个签署国都可拥有一个余下的原器，做该国的定义标准。

属于美国的第27号国家米原器特写

根据公约，由三个国际组织来监督国际计量标准：

国际计量大会（法语： Conférence générale des poids et mesures ）：每四至六年举办一次，由各成员国代表组成，目的是讨论国际计量委员会有关国际单位制新发展的报告；

国际计量委员会（法语： Comité international des poids et mesures ）：委员为八名有威望的科学家，由国际计量大会选出，每年在国际计量局召开会议，并对国际计量大会提出行政上和技术上的建议；

国际计量局（法语： Bureau international des poids et mesures ）：位于法国塞夫尔的一所国际计量学中心，负责保管国际千克原器，为国际计量大会和国际计量委员会提供计量服务，亦是它们的秘书处和会议举办的场地。其最初的作用是定期将各国的米和千克原器与国际千克原器进行比较。

1921年，米制公约的涵盖范围扩展至所有物理单位，包括安培以及其他在1893年美国芝加哥举办的第4届国际电工大会（英语： Fourth International Conference of Electricians ）上所定义的单位。这让国际计量大会能够解决公制使用上一些不一致的地方。

《米制公约》以及国际计量大会名义下的所有官方文件都是以法语书写的。

发展成国际单位制

地图显示各国改用公制的情况，改用之年以颜色表示：约1800年（绿）至1980年（红）。黑色代表该国尚未采用国际单位制，这些国家有：缅甸、利比里亚及美国。加拿大和英国也有较广泛地使用旧单位，如英国的限速标志和加拿大在量度人的高度时。

人们在19世纪末时同时使用着三个不同的电单位制，分别为：CGS静电单位制，又称高斯单位制，简称ESU；CGS电机械单位，简称EMU；以及用于配电系统的米-千克-秒制（国际单位制）。在试图根据量纲分析用长度、质量及时间表达电单位时，科学家遇到了诸多困难──在使用ESU或EMU时，物理量会具有不同的量纲。 1900年，乔瓦尼·吉奥尔吉（英语： Giovanni Giorgi ）发表了一篇论文，提倡在当时的三个基本单位以外，再加一个基本单位，电单位不一致的问题迎刃而解。这第四个单位可以是电流、电压和电阻中的其中一个。

19世纪后期至20世纪初期，人们采用了一系列不一致的单位制，在质量上有的用克，有的用千克；在长度上有的用厘米，有的用米。例如有：表达功率的“Pferdestärke”（公制马力）、表达渗透性（英语： Permeability (earth sciences) ）的达西（英语： Darcy (unit) ）及表达气压和血压的毫米汞柱。这些广泛使用的单位之中，有的用到了标准引力。

到了第二次世界大战尾声，全球各地仍然使用着各种不同的单位制，有的是公制的另类版本，有的则是基于所谓的“习惯单位”，如美制单位。1948年，在国际纯粹与应用物理合会及法国政府代表的参与下，第9届国际计量大会委派国际计量委员会对科学界、技术界和教育界的计量需求进行一项调查，并为一种单一整合、能供遵守《米制公约》的世界各国使用的单位制提出建议。

根据此项调查的结论，1954年第10届国际计量大会决定，这个国际性的单位制应以六个基本单位为基础，能够用于测量温度、可见光辐射、机械及电磁物理量。建议中的六个基本单位分别为：米、千克、秒、安培、开尔文和坎德拉。1960年第11届国际计量大会正式将这一单位制命名为“国际单位制”（法语： Le Système International d"Unités ），简称SI。国际计量局也曾把国际单位制称为“现代公制”。 1971年第14届国际计量大会将摩尔纳入为第七个基本单位。

国际物理量系统

国际物理量系统（英语： International System of Quantities ）是以以下七个基本物理量为基础的系统：长度、质量、时间、电流、热力学温度、物质的量和发光强度。其他物理量，如面积、压力及电阻，都可以根据明确、不相互矛盾的公式从这些基本物理量推导得出。国际物理量系统所定义的，是国际单位制单位所量度的物理量。 ISO/IEC 80000国际标准对国际物理量系统做了定义，定义于2009年经ISO 80000-1进一步完善。

国际单位制手册

《国际单位制手册》封面

国际计量大会定期颁布一份手册，阐述国际单位制的定义。其官方版本为法语，与《米制公约》相符。因此，世界各国在对名词进行不同语言的翻译时，有一定的自由度，如美国国家标准技术研究所所发布的针对美式英语的国际计量大会文件本地版本（NIST SP 330）。

《手册》是由国际计量委员会属下的单位顾问委员会所编写。单位顾问委员会的主席由国际计量委员会提名，但成员来自于国际计量大会及委员会以外的国际组织。

《国际单位制手册》所用的“物理量”、“单位”、“量纲”等名词，都出自由计量合导则委员会（JCGM）出版的《国际计量词汇》。该委员会是一个由八个国际标准组织组成的工作小组，由国际计量局局长担任会长。用于定义国际单位制的物理量和公式，统称为“国际物理量系统”，列于ISO/IEC 80000物理量与单位国际标准。

单位与词头

国际单位制的组成部分为：一组基本单位、一组有特殊名称的导出单位以及一组十进制倍数词头。根据《国际单位制手册》，“SI单位”囊括以上三个部分，而“一致SI单位”则只包含基本和导出单位。

基本单位

国际单位制以一组基本单位为基础，所有其他单位都是用基本单位建立起来的。麦克斯韦最初提出一致单位制的概念时，列出了三个可用的基本单位：质量、长度及时间单位。之后，吉奥尔吉提倡加入电的基本单位。理论上，电流、电势、电阻、电荷等物理量的单位都可以做基本单位，当选定其中一个做基本单位后，其余的电单位都可以通过物理定律从基本单位推导得出；国际单位制最终选择了使用电流。后期又加入了三个分别量度物质的量、温度及发光强度的基本单位。

导出单位

国际单位制导出单位是基本单位在乘幂、乘积或相除后产生的单位，如此形成的导出单位可以有无限多个。每个导出单位都与一个导出物理量相对应，例如，速度是建立在时间和长度上的物理量，在国际单位制中所对应的导出单位是“米每秒”（符号为m/s）。导出单位的量纲可以用基本单位的量纲组合来表达。

一致单位是指定义中系数均为1的导出单位，也就是定义中不会出现像标准引力或是水的密度之类的常数。例如，牛顿的定义是，使1千克的质量产生1米每二次方秒的加速度需要的力。因为国际单位制中质量及加速度的单位分别是kg及m⋅s ，而且力是质量和加速度之积（ F ∝ m × a ），所以力的单位牛顿即为kg⋅m⋅s 。除了基本单位的积和幂以外，牛顿的定义不含其他数值，因此属于一致单位。

为方便使用，一些导出单位也有专用的名称及符号。这些导出单位还可以进一步用来定义更多的导出单位，其专用名也可以用来表达新的导出单位。如上文所述，力的国际单位制导出单位是kg⋅m⋅s ，其专用名为牛顿（N）；压强的单位是帕斯卡（Pa），可定义为“牛顿每平方米”（N/m ）。

词头

在基本和导出单位名称之前加上词头，可表达该单位的倍数和分数。词头所代表的倍数都是10的整数幂，在倍数高于100或低于 1 / 100 时则都是1000的整数幂。例如，词头kilo（千）表示一千倍，milli（毫）表示千分之一，也就是说，1000毫米（millimetre）为之1米（metre，又作公尺），1000米为之1千米（kilometre，又作公里），如此类推。这些词头不能够结合使用，即百万分之一米可写作微米（micrometre），但不可写作毫毫米（millimillimetre）。在对千克（kilogramme）加上词头时，以克（gramme）作为“基本”单位，因此百万分之一千克写作毫克（milligramme），而非微千克（microkilogram）。每个词头均有一个区分大小写的符号，使用时加在单位符号之前。

升是其中一个可以与SI并用的非SI单位，其大小等于 1 / 1000 立方米，并不属于国际单位制中的一致单位。：

欧洲语言

在一些欧洲语言中，国际单位制单位名称可视为普通名词：如在英文和法文中，单位名称都以小写字母开头（牛顿“newton”、赫兹“hertz”、帕斯卡“pascal”等等），尽管相应的单位符号可能以大写字母开头。由于德文中的普通名词均以大写字母开头，因此单位名称也不例外。单位名称的拼写则由各语言的官方组织决定（法文有法兰西学术院，德文有德语正写法协会等等）。国际单位制单位在英式和美式英文中的拼写并不相同：英式英文（亦包括澳洲、加拿大、新西兰等）使用“deca-”（10倍数词头）、“metre”（米）和“litre”（升），美式英文则分别用“deka-”、“meter”和“liter”。

同样，在形成单位名称的众数时，也须遵守该语言自身的语法。以英文为例，亨利“henry”会变成“henries”。不过，勒克斯“lux”、赫兹“hertz”和西门子“siemens”都有不规则众数──它们在单数和众数下都有相同的拼法。波兰文的众数规则更为复杂：以米、千克、秒为例，当数量为1时写“metr”、“kilogram”、“sekunda”，数量个位数为2、3、4且十位数不是1时写“metry”、“kilogramy”、“sekundy”，数量为其他整数（包括0）时写“metrów”、“kilogramów”、“sekund”，数量为非整数（如0.67、2.45等）时写“metra”、“kilograma”、“sekundy”。

在英文中，若须表达单位之间相乘，可用连字号或空格（牛顿米写作“newton-metre”或“newton metre”），并通过改变最后者来形成整个复合单位的众数（10 newton-metres）。数字与单位符号之间建议加入一个空格（一个25千克的球体“a 25 kg sphere”）。把单位名称用作形容词时，同样根据英文语法加入一个连字号（一个25千克的球体“a 25-kilogram sphere”）。

中文

北京一面公路路牌，其中的距离都以国际通用的数字与符号书写

中文中的国际单位制单位名称及词头都以汉字书写，而单位符号则用国际通用的拉丁或希腊字母书写。在中华人民共和国法律管辖范围内，国际单位制单位及词头的译名分别由《法定度量衡单位及其所用之倍数、分数之名称、定义及代号》及《中华人民共和国法定计量单位》所规定。在基本单位中，两岸名称相同的有米（又称公尺）、千克（又称公斤）、秒和安培。

19世纪中国在引进度量衡单位时，沿袭日文，创造出一系列多音节汉字（计量用汉字），如“瓩”（读千瓦）、“糎”（读厘米）、“嗧”（读加仑）等等。这些汉字今已被淘汰，改用单音节汉字。

日文

日本在明治时期期间创造了一系列国字（日制汉字）来表示公制单位。三个基本单位取原有汉字：米、升、瓦（即克），再结合六个词头汉字：千、百、十、分、厘、毛，从而组成共18个新的独立汉字，如七个长度单位：粁、粨、籵、米、粉、糎和粍。这些汉字都是借字，其读音取自英文，如“ 粁 ”取“kilometre”之音，读“ キロメートル ”。不过这些汉字在日本已被淘汰，改用直接表音的片假名，如“ キロメートル ”。单位及词头符号则用拉丁或希腊字母书写，如“km”。今天仍在通用的汉字单位名称有“平米”（即平方米）等。

重新定义单位