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测量的历史和单位编辑

从古到今,人们在日常生活、生产、贸易和科学实验等活动中,总离不开比较和判断,例如比较事物的大小、轻重、冷热、快慢。我们知道,单凭人的感官来比较来判断事物间的差异,有时既不准确也不可靠,所以我们来了解一下测量的历史。

测量的目的就是进行可靠的定量与比较,因此首先要有一个公认的测量标准,叫做“单位”(英文:Unite),而“单位”是指数学方面或物理方面计量事物的标准量的名称。不同国家在历史上的不同时期,往往使用不同的量度单位。单位的不统一给生产和贸易带来许多麻烦,于是就有了统一量度单位的需要。我国古代秦王朝第一次统一了全国的度量衡制,这有力地推动了生产和经济的发展。现在,国际上制定了一套统一的量度单位,叫做国际单位制(Systeme International d'Unites,SI)。其次,要有合适的测量工具或仪器。

测量的单位和工具的发展历史,反映出人类科学技术和社会文明发展演变的历程。古代,人民经常把自己肢体的某些部分作为长度的单位,例如:中国曾用“步”作为长度单位,例如“百步穿杨”中的“步”作为长度单位;英语单词feet(英尺),就起源于脚的长度。到今天,我们还时常用这些“随身带着”的工具来估测长度。

在SI制中,长度的单位是米,用符号m表示。最初规定通过法国巴黎的地球经线的四万分之一为1米,并按照这个长度用铂-铱合金铸成一根“米原器”,存放在巴黎的国际度量衡局里,作为全世界统一使用的1米基准。现在,已改用更精确、更稳定的标准,即规定“真空中光在1/299792458秒内传播的距离为1米”。

时间的单位起源于地球自转和公转产生的四季和昼夜交替现象。四季轮回一周的时间叫做年,月圆月缺的周期叫做月,昼夜交替的周期叫做日,一日分为24小时。中国古代将一天平均分为12个“时辰”,每个时辰又分为8个“刻”,在《水浒传》等古典文学名著中就用时辰作为时间单位。

在SI制中,时间的单位是秒,用符号s表示。受古代巴比伦天文学的影响,秒、分、时均采用60进位制,这种根据地球自转周期来确定时间单位秒的方法一直沿用到19世纪。到了20世纪,因为发现地球自转存在不规则变化,于是决定不再按照地球自转来确定“秒”的基准。目前是以铯原子的振动为基准来确定“秒”的长短,校准时间单位的工具改用铯原子钟,原子钟的工作非常准确稳定,已经达到几千万年相差1秒的程度。中国中央电视台播报的时间就是以铯原子钟来校准的。

质量表示物体所含物质的多少。在SI制中,质量的单位是千克,用符号kg表示。在巴黎的国际度量衡局里保留着用铂-铱合金制成的“千克原器”,人们把它作为“千克”的基准。

今天,测量工具和技术的发展更是与现代生活和科技进步密不可分。从每家每户的自来水表、电能表、煤气表,到布满飞机驾驶舱的各种测量仪表,从第一次世界大战后兴起的航空测量到全球卫星定位、卫星遥感等,无不说明测量的重要。中国发射的“神州”号宇宙飞船,就是由停泊在三大洋上的航天测量船来执行飞行实验的海上测控任务的。

当今,工程技术和科研上还经常采用一种实时数据采集和分析的测量技术。这种技术是将各种传感器和计算机相结合,实现距离、速度、温度、压力等物理量的瞬时测量和数据处理,它能快速准确地测量出各种数据,并立即以图表方式呈现出分析的结果。如今在中学实验中,也常用这种现代数据采集和分析系统(简称DIS)来做实验。

你知道吗?编辑

在测量中会涉及到许多物理量的单位。其中,有七个属于国际单位制(SI)的基本单位,而其他物理量的单位都可以通过物理量之间存在的关系,也即物理规律,用公式找到这些单位与基本单位之间的联系,这些单位在物理学中叫做导出单位。例如,后面要学到的力的单位——牛顿就可以用质量、长度和时间这三个基本单位的组合来表示,所以牛顿是一个导出单位。下表是国际单位制(SI)中七个基本物理量的单位、符号

物理量 单位名称 单位符号
长度 m
质量 千克 kg
时间 s
电流 安(培) A
热力学温度 开(尔文) K
物质的量 摩(尔) mol
发光强度 坎(德拉) cd

思考与练习编辑

1. 测量为什么要有单位?测量结果怎样表示?

2. 举几个你身边的测量事例,分别说明测量什么物理量,用什么仪器,单位是什么

3. 在网上用搜索引擎来查询并摘录以下科学名词和英文缩写的全称:

3S技术 GIS技术 GPS技术 RS技术