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千克

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千克
国家标准暨技术研究院基布尔秤,这类仪器将能以普朗克常数为基础的千克新定义来测量物体的质量
单位信息
单位制 国际单位制基本单位
物理量名称 质量
符号 kg 
单位换算
1 kg相当于
   市制单位    = 2 市斤
   台制单位    ≈ 1.667 台斤
   美国惯用单位    ≈ 2.205 [注 1]
   自然单位    ≈ 4.59×107 普朗克质量
正式定义
定义 千克,符号为kg,为质量的国际单位制单位,定义为对应于普朗克常数固定值6.62607015×10−34 J⋅s,等同于kg⋅m2⋅s−1之值,其中秒以ΔνCs定义,米以c定义。

千克(法语:kilogramme英式英文kilogramme美式英文kilogram,单位符号kg),又称公斤国际单位制质量基本单位。在国际单位制的七个基本单位中,千克是唯一一个带有词头的基本单位。

在2019年5月20日之前,千克仍是国际单位制基本单位中唯一仍使用实物进行定义的单位,即被定义为国际千克原器的质量[1]。现行千克的定义则是在2018年11月16日的第26届国际计量大会通过[2]。现行定义将以往通过测量得知的普朗克常量定为一标准值,使质量单位(千克)和长度单位()、时间单位()关联,即通过普朗克-爱因斯坦关系式将光子的能量与它的频率联系起来。

质量的性质

测量重量:利用重力吸引待测物,使弹簧收缩的量来量测
测量质量:设法使待测物上的重力和砝码上的重力平衡

千克是质量的单位,而质量就相当于日常说的一样东西有多“重”。然而根据牛顿第二运动定律,质量实际上是一个与有关“惯性”的性质;也就是说,抵抗外力维持现状的程度,质量越大,就越难使其加速。当一质量为一千克的物体在一牛顿的力作用下,会以每秒平方一米的加速度(约相等于地球重力加速度的十分之一)加速。

物质的重量完全随本地的重力强度而定,而质量则不变(设该质量并非以相对论性速度相对于观察者运动)。相应地,在微重力下的宇航员不需任何力气就能举起太空舱内的物体;因为物体“没有重量”。然而,物体在微重力下仍保有其质量,宇航员需使出十倍的力才能把十倍质量的物体以相同的加速度加速。

历史

早期定义

法国在1795年4月7日颁布了关于度量衡的法律,其中规定为“在冰融化时的温度下,体积等于边长为一厘米(1/100米)的立方体的水的绝对重量”。[3]

由于克是一个非常小的单位,日常的商贸生活中所涉及的物品质量远大于克;同时,基于特定体积的水定义的质量也难以方便与准确的复现,法律的实施需要一个基于该定义的实物基准。于是,人们专门制造了一件质量1000克的金属器临时作为千克基准。

与此同时,法国政府组织科学家开始了精确测定一立方分米(一[注 2] )水的质量的工作。[3]虽然,先前法律中对千克定义选取的特定体积水的温度点为0 ℃,这一温度点非常稳定,但是经过数年的研究,在1799年,法国化学家路易·勒费夫尔-纪诺法语Louis Lefèvre-Gineau和意大利博物学家乔万尼·法布罗尼意大利语Giovanni Fabbroni决定修改定义,取水处于最稳定的密度点时的体积(即水在密度最大时的体积),而当时测定水的密度在4 ℃时达到最大。[注 3][4]最终,他们的结论是一立方分米密度最大时的水的质量为4年前制造的千克基准器质量的99.9265%。[注 4] [5] 同年,人们以尽可能的接近(在当时的科技条件的许可的情况下)4 ℃时一立方分米水的质量为目标,制作了一件纯铂的千克原器。该原器于六月被送交法国档案局,并于1799年12月被正式确认为“档案局千克”(Kilogramme des Archives),千克被定义为等于它的质量。该基准器使用了九十年。

国际千克原器

十九世纪七十年代,法国政府赞助了一系列的会议。人们在这些会议上意识到应该使用铂铱合金而不是纯铂来制作千克原器。1875年5月20日,17个国家在法国巴黎签署米制公约,建立公制体系(这一体系以后发展为国际单位制体系)。该公约产生了国际计量大会国际计量委员会国际计量局三个组织。在这之后人们制造了一批使用铂铱合金的千克标准砝码,其形状是高度和直径均为39.17mm的直立圆柱体。1889年,依照公约召开了第一次国际计量大会,批准将其中最接近档案局千克的一件作为国际千克原器。不过,直到1901年的第三次国际计量大会上才将国际千克原器的质量定义为千克。国际千克原器于是作为千克的标准砝码一直使用到今天。一千克标准物被保存于一口钟形罩内,存放在国际计量局(该局位于巴黎附近的塞弗尔)。标准砝码一直被安置在法国(巴黎塞夫尔)一座城堡中、一个防止它与外界接触的保险箱里 [6]

普朗克常数

在2011年,国际计量大会以全体55位代表一致赞成的票数,同意根据一个物理常数来重新定义千克。2018年11月16日国际计量大会全体会议通过决议,改用以普朗克常数为基础的公式作为“千克”的新定义[7][8]:将普朗克常数定为6.626 070 15 × 10-34 kg•m2•s-1,以此让恒定的自然常数和人为单位相连接 [9]。新定义于2019年5月20日生效[10]

千克的重要性

国际单位制中基本单位的相依性。许多国际单位制中单位的大小,包括大部分电学和光度相关的单位,都高度的和千克的稳定性有关。
国际单位制中基本单位的相依性。许多国际单位制中单位的大小,包括大部分电学和光度相关的单位,都高度的和千克的稳定性有关。

作为国际单位制中的七个基本单位之一,千克的稳定性非常重要。例如力的单位牛顿就是定义为使一千克的物体有1m/s²的加速度,若国际千克原器的质量有轻微的变动,牛顿的大小也会有相同程度的变动。而压强的单位帕斯卡的定义有用到牛顿,因此也会随之变化。这样的链式反应会影响许多的单位,例如能量单位焦耳的定义是用以一牛顿的力使物体位移一米所做的功,而功率单位瓦特的定义则是单位时间所作的力,都会受到影响。电流单位安培的定义也和力学单位牛顿有关,因此千克的变化会影响安培的大小.也会影响其他电磁学的单位,例如库仑伏特特斯拉韦伯等。(电磁学单位中,欧姆西门法拉亨利不受千克变化的影响,因为分子是安培的平方,分母是千克,千克的变化恰巧可以抵消。)甚至光度基本单位坎德拉也会受到影响,而流明勒克斯也随之影响。

因为许多国际标准制单位的大小都和一个已使用140年、高尔夫球大小、金属制的国际千克原器有关。因此国际千克原器的品质需要认真保护,以维持国际标准制的一致性。尽管有最好的保护,但是自从30年前的第三次周期性校正至今,全世界的国际千克原器复制品的平均质量已和国际千克原器有5.7µg的误差。世界各国的量测实验室要在第四次周期性校正时才能确定质量变化的历史趋势是否会持续。

千克的未来

但是目前的研究表明,国际千克原器的质量随着时间的推移会发生微小的变化。同时,为了防止过度的使用对国际千克原器造成损伤,国际千克原器也不能经常性使用。这些因素都给更精确地测量质量带来不便。

目前世界上有许多科研小组试图使用各种方法,对千克进行重新定义。相关的计划包括将千克与阿伏伽德罗常数相联系,重新测定阿伏伽德罗常数,制作一个完美的硅28球体作为千克标准[11];制造瓦特天平,通过普朗克常数质量之间的关系确定千克的大小[12]

在2005年,国际计量委员会CIPM)已经建议以基本物理常量为基础对千克进行重新定义[13],并于2010年10月向国际度量衡大会(CGPM)提议以普朗克常量重新定义千克。[14][15]2011年10月的国际度量衡大会第24次会议原则性同意该提议[16],并决定将原定2015年的第25次会议提前至2014年举行,届时做出最终决议。[17],2014年则决定将在2018年改由自然界的七个基础常数换算成新的单位制度。

相关条目

注解

  1. ^ 引用错误:没有为名为註-lb的参考文献提供内容
  2. ^ 当时定义克的法律也定义升为“体积计量单位, 可用于固体及液体, 为十分之一米的立方。”法语原文如下:“Litre, la mesure de capacité, tant pour les liquides que pour les matières sèches, dont la contenance sera celle du cube de la dixièrne partie du mètre.”
  3. ^ 现代测量结果表明水在最大密度时的温度为3.984 ℃. 但是在十八世纪晚期的科学家都断定这个温度是4℃.
  4. ^ 临时千克标准已经被按照早期由安托万·拉瓦节阿羽依在法国一个不久就过时的名为 poids de marc 系统所测量出的单一和不准确的水密度来制造,当时测得一立方分米0 ℃蒸馏水含18,841格令。由勒费夫尔-纪诺和乔万尼·法布罗尼所做的新的准确度更高的测量断定一立方分米在新温度标准4 ℃——水最“密集”的时候——下的水质量要比之前猜测的最的0 ℃不准确的测量值更小一些,为18,827.15格令。

    法国政治家塔列朗在法国提倡公制系统,1791年3月26日,塔列朗提出一份有关如何继续公制计划的草案,四天后法国政府组织一个委员会,目的是准确的决定新的公制系统的基本单位。委员会将任务分为五份,对应委员会中的五个组。确定一立方分米水的质量的任务一开始是交给安托万·拉瓦锡勒内·茹斯特·阿羽依,最后是由勒费夫尔-纪诺和法布罗尼所完成。

    拉瓦节是当时法国二十八个税务官之一,在法国大革命恐怖统治时间中被控叛国罪,并且在1794年5月8日被斩首。阿羽依也入狱,差点还上了断头台,后来是在一位博物学家的说情下才幸免于难。

资料来源

  1. ^ Resolution of the 1st CGPM (1889). BIMP. 
  2. ^ New York Times "The Latest: Landmark Change to Kilogram Approved" Nov 16 2018; https://www.nytimes.com/aponline/2018/11/16/world/europe/ap-eu-france-updating-the-kilo-the-latest.html
  3. ^ 3.0 3.1 Decree on weights and measures. 1795-04-07. Gramme, le poids absolu d'un volume d'eau pure égal au cube de la centième partie du mètre , et à la température de la glace fondante. 
  4. ^ L'histoire du mètre, la détermination de l'unité de poids. 
  5. ^ Ronald Edward Zupko. Revolution in Measurement: Western European Weights and Measures Since the Age of Science. DIANE Publishing. 1990. 
  6. ^ History of the kilogram. [2013-07-19]. 
  7. ^ 和百年公斤原器说再见!七大国际单位制将改头换面. PanSci.asia. 泛科学. 2018-11-15 [2018-11-17]. 
  8. ^ John Leicester. Landmark change to measurement of kilogramme approved. 《独立报法语Irish Independent》. 2018-11-16 [2018-11-17]. 
  9. ^ Draft Resolution A "On the revision of the International System of units (SI)" to be submitted to the CGPM at its 26th meeting (2018) (PDF) 
  10. ^ Historic Vote Ties Kilogram and Other Units to Natural Constants. NIST. 2018-11-16 [2018-11-16] (英语). 
  11. ^ 科学家借助硅球重新定义质量单位“千克”. 新华网. 2008-04-17 [2011-04-26].  }
  12. ^ 如何重新定义一千克?. 译言网. 2011-04-11 [2011-04-26]. 
  13. ^ 94th Meeting of the International Committee for Weights and Measures (2005). Recommendation 1: Preparative steps towards new definitions of the kilogram, the ampere, the kelvin and the mole in terms of fundamental constants 互联网档案馆存档,存档日期2011-08-07.
  14. ^ NIST Backs Proposal for a Revamped System of Measurement Units. Nist.gov. [2011-04-03]. 
  15. ^ Ian Mills. Draft Chapter 2 for SI Brochure, following redefinitions of the base units (PDF). CCU. 2010-09-29 [2011-01-01]. 
  16. ^ Resolution 1 - On the possible future revision of the International System of Units, the SI (PDF). 24th meeting of the General Conference on Weights and Measures. Sèvres, France. 17–21 October 2011 [2011-10-25]. 
  17. ^ General Conference on Weights and Measures approves possible changes to the International System of Units, including redefinition of the kilogram. (PDF) (新闻稿). Sèvres, France: General Conference on Weights and Measures. 2011-10-23 [2011-10-25]. 

外部链接

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