第1周3-计量单位和单位制

1、第二章 2007年3月第一节 计量单位和单位制一、计量单位概念：用以定量表示同种量的大小而约定地定义和采用的特定量，叫计量单位，简称单位。约定符号，传统或习惯变革理解为定量的表示事物，最简单的办法就是计数。然而对于一个物体的长度、质量、体积等不同的属性，无法直接用计数来定量表示，如果我们约定采用和定义一个特定量作为参考量，就可以用这个特定量来其它同种量的大小了。至于采用哪个特定量来作为给定量的单位，理论上可以任意选择。不同时代，不同学科为了口头交流和书面表达都采用不同的特定量作为单位，因而古今中外存在过数量庞大的各式各样的计量单位。明确的名称、定义和符号，其数值为12007年3月符号：对每一个

2、单位用一个约定的符号表示，可使得书面表达变得简单、方便，特别使得不同文字的表达具有相同的形式，不用翻译就可以理解。例如，汉字表达中的“8米、10安、20摄氏度”，用国际制单位符号就可以表示为“8m、10A、20”国际计量大会（CGPM ）对符号的统一规定 Confrence Gnrale des Poids et Mesures1、字母符号，拉丁或希腊字母，米m，秒s，等；2、附属于数字右上角的符号，度，分等；3、中文符号由单位和词头的简称组成，皮法pF。2007年3月量值1、定义：一般由一个数乘以计量单位所表示的特定量的大小。a) 对于有明确定义和描述的物理量，可以用一个数乘以计量单位所来表

3、示。例如1.78m表示某人的身高、75kg表示某人的质量，等等；b) 对于一些无法纳入物理方程式而由非常重要的量，例如，硬度也需要有定量的表示方法。这样就不能用上面的定义来描述，只能说满足于用一个数结合一个代表约定参考标尺的符号来表示。例如，可以根据一系列特定矿物的硬度所建立的莫氏硬度标尺来确定某一材料的硬度值。2、一个特定量的量值是客观存在的，与单位选择无关。例如， 1.78m和178cm都可以表示某人的身高。2007年3月一、测量1、定义： 以确定量值为目的的一组操作。a) 测量在我们日常生活中随处可见。比如用温度计测量体温、在菜场买菜用电子称称质量、用示波器测量电压值、用激光测距仪测量月

4、球和地球之间的距离等；b) 测量的目的是确定量值，即操作的结果中含有确定的量值，比如5.3mm,30等，若操作的结果是定性的，例如合格、优秀等，则该组操作不能称之为测量。c) 测量是一组操作，或者说一套操作，意指操作的全过程，直到给出测量结果为止。即从明确定义开始，包括测量原理和方法、选择测量器具、环境的控制、实验和计算、给出测量报告等整个过程。意义： 每一件事情只有当可以测量时才能认识。 测量、测试和计量2007年3月二、测试1、定义： 具有试验性质的测量。实验是指对已有定义的事物进行操作，即实验就是验证已有的定论；a) 试验和实验区别试验是通过对事物的操作来总结或验证定义，即试验就是现在没

5、有定论，通过这个试验总结定论。b) 测试和测量的区别与联系：测量的目的在于获得量值，而测试是通过测量的手段来探索、分析和研究事物的属性，最终认识事物，因此，测试是测量的扩展和外延。2007年3月三、计量1、定义： 实现单位统一、量值准确可靠的活动。a)我们任何测量的目的是为了获得量值，获得量值是为了某一社会需求，如体育竞技、科学实验、贸易结算、身体保健等，因此，要求在不同时间、地点由不同的操作者用不同的仪器所确定的同一被测量的量值，应当具有可比性。只有当选择测量单位遵循统一的准则，并使所获得的量值具有必要的准确度和可靠性，才能保证这种可比性。b)显然，这种可比性，不会由自发得到满足，必须由社会

6、上有关机构、团体包括政府进行有组织的活动才能达到。我们把这个活动定义为计量。这种活动，包括科学技术上的、法律法规上的和行政管理上的活动。2007年3月科学技术活动进行科学研究发展测量技术建立基准标准量值传递体系国家法律法律法规活动国家或部门法规国家或地方法律条例国家及地方各级政府设立计量管理部门行政管理活动行业及各部委设立计量管理部门企事业单位设立计量管理部门确保量值准确可靠的技术保证以法律形式确保计量的社会地位确保活动开展进行推动和监督计量活动的意义2007年3月C）计量和测量的联系与区别从技术层面看，计量属于测量的范畴，属于测量的特定形式，因此，我们经常把“计量器具”也称作“测量器具”，但

7、计量更侧重其法律性和行政性，有其重要的社会和现实意义。2007年3月计量学基准单位制溯源性测量原理测量方法测量程序测量仪器标准物质计量测量人员校准检定计量学：关于测量的科学科 学 技 术质量与检验标准与标准化本质上就是计量2007年3月计量单位的分类SI基本单位：7个SI辅助单位：2个具有专门名称的SI导出单位：19个国家选定的非SI单位：16个SI单位的十进倍数和倍数单位的词头：20个量制【可测量的】量基本单位导出单位2007年3月基本量SI基本单位量长度质量时间热力学温度电流物质的量发光强度名称米千克秒开尔文安培摩尔坎德拉符号mkgsKAmolcd基本单位：具体的定义可参见教材p41在给定

8、的量制中基本量的计量单位为基本计量单位除千克外，都根据自然规律定义2007年3月米 metre：1875年5月20日“国际米制公约”1790年：巴黎会议约定：通过巴黎的子午线的四千万分之一。（米原器） 1889年：0 时巴黎国际计量局的截面为X形的铂铱合金尺两端刻线记号间的距离。1960年：86Kr在真空中发射出的橙黄色光波长的1650763.73倍。1983年：光在真空中1/299 792 458 s的时间间隔内的行程。”（俗称光波米）2007年3月千克 kilogram： 铂铱合金制造的千克原器。安培 ampere： 根据两通电导线之间产生的作用力而定义的电流单位。秒 second： 根据

9、地球围绕太阳的转动周期而确定 根据铯-133原子基态的两个超精细能级间跃迁所对应的辐射9 192 631 770个周期而确定的时间单位。科学家在寻找更精确的定义：光频原子喷泉2007年3月辅助单位：弧度rad、球面度sr导出单位：在给定量制中由基本量的函数所定义的量1、有专门名称的，1Hz；2、由基本单位表示，无专门名称，加速度；3、由专门名称的导出单位和基本单位组合；4、由辅助单位和基本单位或专门名称的导出 单位组成2007年3月主单位：没有加词头且有独立定义的单位（千克除外）倍数单位：按约定比率，给出的更大或更小计量单位国际上通用十进制的倍数单位有20个千，103，k；兆，106，M，从兆

10、开始要大写具体见教材p432007年3月制外单位不属于给定单位制的计量单位天，小时，周等法制单位：按计量法律、法规所规定的强制使用或推荐使用的计量单位，必须严格遵守执行的。可能包括上面所有单位2007年3月概念：为给定量制建立的一组单位同一量制可以有不同的单位制基本单位、定义公式、比例因数2007年3月二、计量单位制 为给定量制按给定规则确定的一组基本单位和导出单位，简称单位制。a)给定的单位制是配合给定的量制一起使用的，单位制中的基本单位就是该量制中基本量的单位，导出单位就是该量制中导出量的单位，所以，不同的量制一定伴随着不同的单位制；例如，对于力学量制，曾使用过“MKS制”的单位制；对于电

11、磁学量制，曾使用过“CGSM制”的单位制，等。2007年3月b) 与同一量制配合使用的单位制却不是唯一的；例如，对于力学量制，由于约定地定义和采用的基本单位不同，产生过“MKS制”和“CGS制”等不同的单位制；对于电磁学量制，由于推导导出单位的次序和采用的定义方程式不同，也产生过“CGSE制”、CGSM制”等不同的单位制。c) 定义中“按给定规则”包含3个含义：1、基本单位和导出单位的定义2、单位之间的进位制度3、单位的名称和符号d) 只有具备上述三层含义的单位制，才是一个完全确定的单位制。2007年3月电磁学单位制的历史以1832年C. F. Gauss引入绝对单位（力学单位）为分界绝对单位

12、高斯韦伯绝对单位：mm-mg-sOhmad单位制B. A. 单位制麦克斯韦“象限制”CGS单位制MKS单位制MKSA单位制SI单位制实用单位制相对单位电压、电量、电容、电流磁场强度、磁感应强度、磁通无统一单位制2007年3月电磁学单位制的历史CGS单位制以米制为基础、与力学单位统一的一贯单位制，采用力学单位中的厘米（cm）、克（g）、秒（s ）为基本单位，具有三个基本量方程（库仑定律、安培定律、欧姆定律）CGS静电制（esu）：真空介电常数0为独立量CGS电磁制（emu）：真空磁导率0为独立量CGS高斯制（gauss）：电学量（esu）磁学量（emu）相距1 cm的单位电荷或者单位磁极相互间的

13、力为1 dyn1 cmgs2电学量的CGS静电制使用不普遍；磁学量的CGS静电制从未使用2007年3月电磁学单位制的历史CGS高斯单位制电学量单位没有专门名称和符号，1 cgs esu的电荷，1 cgs emu的电荷有四个磁学量单位被赋予专门名称和符号： 磁场强度：Oersted （Oe，奥斯特）cm1/2g1/2s1 磁感应强度：Gauss（Gs，高斯） cm1/2g1/2s1 磁通量：Maxwell（Mx，麦克斯韦） cm3/2g1/2s1 磁通势：Gilbert（Gb，吉尔伯特） cm1/2g1/2s1相对测量绝对单位制的弊端1 cgs emu的电阻1109 欧姆自行暂定的“实用”单位出

14、现：如电量的单位“韦伯（Weber）”2007年3月电磁学单位制的历史实用单位制电磁学的实用单位制的电磁量单位有专门名称，如安培、伏特、欧姆、法拉、库仑、亨利、瓦特、焦耳，等为了解决CGS单位制中电磁量单位与常用电磁量单位大小不相适应，以便于计量上的实用而确定的一种单位制，即在CGS电磁制的各个单位上分别乘以10的正或者负整数次方，也称为绝对电学实用单位。起源1861年Charles Bright和Latimer Clark在英国曼彻斯特科学促进会上提出：电动势Ohma；电量Farad；电流强度Galvat；电阻Volt。同年W. Thomson（即Kelvin勋爵）为首的六人电标准委员会提出

15、mgs绝对单位，未被采用，史称Ohmad单位制。后来电学单位委员会给出：电阻Ohm；电容Farad；电势Volt，一直沿用至今，史称B. A. （British Association for the Advancement of Science）单位制。大英帝国2007年3月电磁学单位制的历史实用单位制的统一进程（1）1881年在法国巴黎召开的第一届IEC大会开始了统一电学实用单位的尝试。会议决定采用CGS单位制为基础单位，并且定义了五个实用单位：Ohm、Volt、Ampere、Coulomb、Farad1 Ohm109 CGS emu的电阻1 Volt108 CGS emu的电压1 Amp

16、ere1 Volt / 1 Ohm（原来一直用Weber/s）1 Coulomb1 Ampere1 s（原来欧洲大陆一直用Weber）1 Farad1 Coulomb / 1 Volt2007年3月电磁学单位制的历史实用单位制的统一进程（2）1882年C. W. Siemens建议增加另外四个实用单位的名称：磁化强度：Weber；功率：Watt；磁场强度：Gauss ；热量：Joule1889年8月31日在法国巴黎召开的第二届IEC大会上决定采用：1 Watt 107 CGS emu的功率 1 Joule107 CGS emu的功推荐： 磁通实用单位： Maxwell 磁感应强度的实用单位：W

17、eber2007年3月电磁学单位制的历史实用单位制的统一进程（3）1893年在美国芝加哥召开第四届IEC大会，会议决定采用物理标准为基础，而不以CGS单位制为基础单位。以Ohm、Ampere和Volt为基本单位，定义了八个国际单位：国际Ohm、国际Volt、国际Ampere、国际Coulomb、国际Farad、国际Joule、国际Watt、国际Henry。电磁学历史上的第一个国际单位制，1894年起生效。1900年开始，磁通：Maxwell；1930年，磁感应强度：Gauss；磁场强度：Oersted；1935年，磁通：Weber（1 Weber108 Maxwell）；电导率：Siemens

18、；频率：Hertz。2007年3月电磁学单位制的历史MKS单位制（有理制和非有理制）1896年G. Giorgi（意大利）提出CGS单位制的推导方法。1901年10月13日提出MKSO单位制，以m、kg、s和Ohm为基本单位的实用单位制。1904年在美国St. Louis召开IEC大会将MKSO列入议题。1906年国际电工委员会（IEC，International Electrotechnical Commission)成立。1935年在ScheveningenBrussels召开的第届IEC大会上MKS获得通过，但是否定了将Ohm作为第四个基本单位的设想。1940年1月1日，CIPM宣布采用

19、MKS单位制，要求国际单位建立在CGS单位制的绝对测量上，反对用物理条件来决定国际单位。1946年10月决议：从1948年1月1日起，用绝对单位（cm、g、s）取代某些物质标准基础上的电学单位。2007年3月电磁学单位制的历史MKSA单位制的采用1950年7月IEC大会采用Heaviside的有理化单位制，引入Ampere作为第四个基本单位（电流），即MKSA单位制。1954年第十届国际计量大会 (CGPM)采用有理化单位制；1960年10月的第十一届CGPM ，引入Kelvin（热力学温度）和candela（发光强度）；1971年引入Mole（物质的量），至此新的国际单位制全部建立起来，为了

20、与1893年的第一个国际单位制相区别，用SI来表示现在的国际单位制。SI单位制（新的国际单位制）的建立2007年3月电磁学单位制的现状统一采用SI单位制电磁学的SI单位制与MKSA单位制一致。Many U.S. teachers think the answer is “Liberia（利比里亚） and Burma（缅甸）” (make that Myanmar（缅甸）). Lets give Liberia and Myanmar a break! All countries have adopted the metric system, including the U.S., and m

21、ost countries (but not the U.S.) have taken steps to eliminate most uses of traditional measurements. However, in nearly all countries people still use traditional units sometimes, at least in colloquial expressions. Becoming metric is not a one-time event that has either happened or not. It is a pr

22、ocess that happens over time. Every country is somewhere in this process of going metric, some much further along than others.谁在使用非SI单位制？2007年3月常用电磁学单位磁能积 BH： B的单位T(esla)kg s2 A1 H的单位A m1 BH=T A m1 m1 kg s2 能量的单位J(oule) m2 kg s2 能量密度 J m3 m1 kg s2因此： BHT A m1J m32007年3月如何确定电学单位电学单位与力学单位的关系smkgNJJs1A

23、VWkg m s2N mkg m2 s3kg m2 s3 A2kg m2 s3 A1机械功率电功率2007年3月如何确定磁学单位磁学单位是导出单位由磁学量的定义方程式来确定。磁矩 m：磁感应强度 B：磁通：磁场强度 H：磁化强度 M：磁化率 ：磁导率 ：2007年3月计量单位的确定量纲量纲的定义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。量纲是定性表示量与量之间的关系 。例如在长度、质量和时间的量制中，力的量纲为LMT-2。由于导出量的量纲形式表示为基本量量纲之积，故量纲也常常称为“量纲积”。2007年3月量纲的运算设有物理量x、y，导出量z，则有：如z=k*x*y 则 dim z

24、= dim x*dim y (1-1)如z=k*x/y 则 dim z =dim x /dim y (1-2) 如z=k*xn 则 dim z = (dim x )n (1-3) 注意： 按照新的国家标准，将“无量纲量改称为“量纲一的量。 量纲的加减的运算，只有相同量纲的量才能进行加减运算。2007年3月例1、计算速度、加速度的量纲。解：因为速度与质量和时间的关系为：V = L/ t由公式（1-2）得：dim V = dim L/dim t= L/T=LT-1加速度与速度和时间的关系为：a=V/t由公式（1-2）得：dim a = dim V/dim t= LT-1/T=LT-22007年3月

25、例2利用牛顿第二定律计算力的量纲。解：由牛顿第二定律知：力F为：F= m*a由公式（1-1）得： dim F = dim m*dim a由上题计算可得： dim a = LT-2所以， dim F = MLT-22007年3月例3计算能和功的量纲。解：由动能公式可知：E=1/2mv2dim E= dim m*(dim v)2=M(LT-1)2 =ML2T-2由势能公式可知：E = mghdim E = dim m*dim g*dim h=MLT-2L=ML2T-2由功公式可知：W= FLdim W= dim F*dim L=MLT-2L = ML2T-2由例3可知 不同的量可以有相同的量纲。2

26、007年3月量纲分析a) 方程两边的量纲相等这是量纲的基本性质，通过这个性质可以检查方程是否正确，还可以确定量方程。例：用长度L，速度V及密度来表示力F。解：设 F = LxVyzdim F =(dim L)x(dim V)y (dim)zMLT-2 = Lx (LT-1)y(ML-3)z=MzLx+y-3zT-yz=1；x+y-3z =1；-y = -2x=2；y=2；z=1F = L2V22007年3月量纲分析b) 一般同类量的量纲相同 这里强调的是“一般”，并不是说所有的同类量。这是由于对不同的定义方程量纲则不同，或者说在不同单位制下同类两的量纲可以不相同。例：电流强度在CGSE制(厘米

27、-克-秒绝对静电单位制) 、CGSM制(厘米- 克-秒电磁单位制)及SI制（国际单位制）中的量纲是不全相同 2007年3月SI单位制的维持机构The international system of units, SI, Le Systme International dUnitsMeter Convention，国际米制公约（La Convention du Mtre）1875年5月20日共有17个国家在巴黎签署的国际公约（Treaty），成立BIPM和CGPM，并由CIPM来组织和管理BIPM和CGPM。至2004年1月有51个缔约国和16个准会员。（中国1977年5月9日宣布，6月16日确

28、认。）CIPM，国际计量委员会，是CGPM的常设执行结构。the International Committee for Weights and Measures (Comit International des Poids et Mesures ) 。 CGPM，国际计量大会，每四年召开一次，为国际计量最高权力机构。the General Conference on Weights and Measures (Confrence Gnrale des Poids et Mesures ) 。BIPM，国际计量局，总部位于法国巴黎郊区Svres的Pavillon de Breteuil。The

29、 International Bureau of Weights and Measures (Bureau International des Poids et Mesures ) 。2007年3月CGPM会员与准会员(2004年1月29日）ArgentinaGreecePolandAustraliaHungaryPortugalAustriaIndiaRomaniaBelgiumIndonesiaRussian Federation BrazilIran, Islamic Republic ofSerbia and MontenegroBulgariaIrelandSingaporeCame

30、roonIsraelSlovakiaCanadaItalySouth AfricaChileJapanSpainChinaKorea, Dem. Peoples Rep. ofSwedenCzech RepublicKorea, Republic ofSwitzerlandDenmarkMalaysiaThailandDominican RepublicMexicoTurkeyEgyptNetherlandsUnited KingdomFinlandNew ZealandUnited StatesFranceNorwayUruguayGermanyPakistanVenezuelaBelaru

31、sJamaicaPhilippinesChinese TaipeiKenyaSloveniaCosta RicaLatviaUkraineCubaLithuaniaViet NamEcuadorMaltaHong Kong (China)PanamaMembers (51)Associates of the CGPM (16)2007年3月计量在中国1986年以前：“行政计量”1986年：“法制计量”1987年：产品质量检验机构的“计量认证”1998年：引入“实验室认可”机制目前：计量认证/审查认可、实验室认可并行2007年3月ISO 9000 ？ISO：International Organ

32、ization for StandardizationISO/TC176：质量管理与质量保证技术委员会ISO 9000族：ISO/TC176制定的所有的国际标准，已有21项。GB/T 19000系列：等同采用ISO9000族的国家推荐标准（19项）国标GBISO标 准 名 称GB/T 19000.1ISO 9000-1质量管理和质量保证 第一部分：选择和使用指南GB/T 19001ISO 9001质量体系设计、开发、生产、安装和服务的质量保证模式GB/T 19002ISO 9002质量体系生产、安装和服务的质量保证模式GB/T 19003ISO 9003质量体系最终检验和试验的质量保证模式GB

33、/T 19004.1ISO 9004-1质量管理和质量体系要素 第1部分：指南2868ISO共有2868个技术机构： 技术委员会（TC）： 228（闲置38） 分技术委员会（SC）： 611 工作组（WG）：2022 特别工作组： 452007年3月产品、服务、质量体系、能力标准编号标准内容对象GB/T 15481-2000(ISO/IEC 17025:1999)检测和校准实验室能力的通用要求能力GB/T 19000-2000(ISO 9000 )质量管理和质量保证顾客GB/T 24000(ISO 14000)环境管理体系政府、社会、相关方GB/T 28000(OHSAS 18000)职业安全

34、健康管理体系员工HACCP食品安全管理体系顾客QS 9000基于ISO 9001的对（汽车）供应方的质量管理体系的认证（Crysler、Ford、GM）需方GSP医药商品质量管理规范各方面ISO 14000：ISO/TC207制定的关于环境管理体系的标准OHSMS：Occupational Health and Safety Management SystemsOHSAS： Occupational Health and Safety Assessment SeriesHACCP：Hazard Analysis Critical Control PointGSP： Good Supply PracticedFDA：Food and Drug Administration（U.S.A.）2007年3月第二节 国际单位制一、国际单位制的构成基本单位导出单位包括辅助单位在内的具有专门名称的导出单位组合形式的导出单位SI单位SI单位的倍数单位国际单位制（SI）大多是“纪念”单位2007年3月二、国际单位制的优点1、统一性2、简明性3、实用性4、合理性5、科学性6、继承性2007年3月三、我国法定单位及其应用 我国法定单位的构成国际单位制单位