第二章 物理量和计量单位.ppt

三、基本物理常数 目前看来，量子计量学是计量学的最高境界，而基本物理常数是具有最佳恒定性的物理量，它不因时间、地点而异，也不受环境和实验条件和材料性能的影响，成为量子计量学的重要基础。 物理学中一些著名的定律或理论，如牛顿引力定律、阿伏加德罗定律、法拉第定律、相对论、量子论等，都伴随着相应的基本物理常数。如引力常量G、阿伏加德罗常数NA、法拉第常数F、真空中光速c、普朗克常数h等。这些常数对定律和理论具有重要意义。 仔细研究从各个不同物理领域的实验所得到的物理常数，能够逐个考察物理学本身的一些基本理论的一致性和正确性。物理常数的准确度量级不断提高，往往能帮助人们对自然的认识更加深化。 当物理学研究从宏观进入微观探测时，发现量子效应比宏观现象具有更好的不变性。早在1906年，普朗克就提出用基本物理量作为单位制的基础的科学设想。因为根据原子物理学和量子力学理论，通过一系列基本物理常数，如电子质量me、光速c、普朗克常数h、玻耳兹曼常数k和阿伏加德罗常数NA等，可以建立微观量和宏观量之间的确定关系，即原则上可以由微观量定义计量单位。但限于当时的科技水平，这一设想无法实现。 20世纪80年代以来，量子电子学、激光、超导、纳米等技术迅速发展，使这一设想成为可能。20世纪90年代初，国际上正式采用约瑟夫森（Josephson）效应和量子化霍尔效应为基础，复现电学计量单位。根据约瑟夫森常数和克里青常数，借助频率基准，导出电压和电阻单位，可以得到高于原来电压和电阻实物基准2～3个量级的复现准确度和稳定度，展示了用频率和基本常数定义基本单位、研究建立新的单位体系的发展趋势。 基本物理常数之间存在着密切的相互关系。测量某一个常数可以具有多种方法和手段，为了检验按不同方法独立测出的各种常数或其组合量，考察它们在各自测量的误差范围内是否互相一致，发现系统误差，常采用最小二乘平差法得出常数的一组最佳值，作为国际上的推荐值。 最早的一次平差是伯奇于1929年首先进行的。在这之后1945年、1969年，都由科学家结合研究工作做过平差。每次平差的结果都可成倍地提高常数的准确度，减小不确定度，改进平差方法，使常数更加科学合理。 1973年以来，基本物理常数的平差是在国际科学协会科学技术数据委员会（CODATA）的基本常数工作组的直接主持下，根据各国积累的实验数据分析，取舍编纂而成的。CODATA自1973年第一次公布物理常数以来，1986年、1998年、2002年、2006年都推荐过基本物理常数值。前三次公布的推荐值相隔十余年，而后两次的时隔只有四年，这反映了科学技术的迅速发展。CODATA 基本物理常数推荐值越来越精确、可靠和丰富，形成越来越完善的体系，是物理学、化学和计量学等许多科学技术领域经常使用的基本数据，具有重要的科学意义和实用价值。 四、单位制 单位制：对给定的量制，由选定的一组基本单位和导出单位所构成的单位体系。即单位制是基本单位和导出单位的组合。 基本单位是单位制的基础。 所选取的基本单位不同，单位制就不同。 一贯单位制：导出单位均按照数字因数为1的关系从基本单位中导出。如SI单位制。 复现基本单位的方法和实体的准确度，决定了该单位体系全部计量单位的准确度。 基本单位有严格的、公认的第一，往往以法律形式予以固定。 2.2 国际单位制 SI单位制于1960年第十一届国际计量大会通过，是目前世界上最先进、科学和实用的单位制。 自1875年订立米制公约以来，国际单位制在世界范围内得到了广泛应用。国际单位制中定义了7个基本单位。 1960年以前，国际单位制的基本单位用实物基准复现和保存。 The model of meter prototype米原器模型 The model of kilogramer prototype千克原器模型 三层玻璃罩 What’s the problem?产生的问题(mass of a physical artifact drifts!) 质量漂移 2.3 我国的法定计量单位 1、我国的法定计量单位的构成： SI的基本单位、导出单位和SI的倍数单位； 可与SI单位制单位并用的我国法定计量单位，见P30表2-9； 由以上单位构成的组合形式的单位。 2、我国的法定计量单位的特点 简单明了、完善具体、留有余地。 完整地包括了SI单位制 2.4 计量基准、标准的发展 七个基本单位的定义及复现方法的发展 基本单位复现精度的意义 基本物理常数推荐值 古代阶段 以经验为主的初级阶段，例如，我国古代的“布手知尺”、“掬手主升”、“取权定重”、“迈步定亩”、“滴水计时”。 计量的发展 现代阶段 由以近代理论为基础，转为以量子理论为基础，由宏观