武际可分享 http://blog.sciencenet.cn/u/武际可 北大退休教授

博文

谈谈长度的测量单位 精选

已有 14157 次阅读 2016-4-18 07:01 |个人分类:科普|系统分类:科普集锦| 长度, 国际单位制

谈谈长度的量测单位

 

人们对长度和距离的测量,有很长的历史。

从世界的范围内来看,度量衡的统一是人类交通和经济发展的必然结果,人们要贸易买卖,政府为了征税就需要把度量统一。中国是世界上较早实行度量衡统一的国家。从公元前359年在秦国的商鞅变法开始,就颁布了统一度量衡的法令。后来秦国统一了全国,更执行“车同轨、书同文”和全国统一度量单位的政策。

原来规定的基本长度单位是尺,大致上就是一般人从手腕到胳膊肘的长度。至今人们还把手臂外侧的这段骨头称为尺骨。在秦朝时大致标准尺是现今23厘米的长度。话虽这么说,在实际生活中,长度的量度还是很混乱的。用于表征长度的其他单位就有如下一些:

拃 读zha,指张开大拇指和中指(或小指)的长度,例如说一长。

庹 读tuo,成人两臂左右伸直的长度,例如说两庹长。

还有:五尺曰墨,六尺曰步,七尺曰仞,八尺曰寻,十尺曰丈,一百五十丈曰里,等等。

随着社会的进步,人们活动和交往的扩大,需要在更大的范围统一度量衡的标准。一种理想的单位制,必须具有两个条件:一是基本单位要准确客观;二是进级比较科学。中国统一的长度计量标准虽然很早,但还不科学,除了基本单位尺之外,还有拃、庹等非标准的基本单位流行,另外进级很不科学,有墨、步、仞、寻、丈、里等不规则的进级。已经流行了很长历史的英制长度,也不方便,基本单位是英尺外还有码,进位又是十二进级制,与数字的十进位不统一,使用起来很不方便。

比较科学的单位制,后来便历史地落在了法国肩上了。18世纪末,当时法国具有产生新的度量标准的客观条件。一是,当时法国的度量标准非常乱,每一个地方都有自己的长度单位,即使在同一个地方不同的行业也有不同的单位,人们早就渴望改革,制定统一的长度标准,但在法国大革命之前,政府的权威不够或者政府并没有把这个问题提到应当足够重视的程度;二是1789年法国大革命之后新政府对度量单位的改革比较重视,并立即着手改革;三是十八世纪末法国涌现了一批世界著名的科学家,新政府把这项改革委托这些科学家,能够使新的单位制牢固地建立在新发展的科学的基础上。

1790年5月8日,在国民议会上宣布进行度量衡的改革,并且委托法国科学院来确定如何规定单位为好。科学院成立了一个委员会来处理这个问题。委员会的成员有数学家与力学家拉格朗日、力学家与天文学家拉普拉斯、化学家拉瓦锡(Antoine Laurent Lavoisier,1743-1794)、测量仪器设计家德波达(Jean-Charles de Borda ,1733-1799)、科学院秘书德孔多塞(Marquis de Condorset,1743-1794)等人组成,并由拉格朗日担任委员会的主席。

委员会做的第一件事是由拉格朗日提出充分的根据建议采用十进制作为标准单位的等级划分,并且反驳了其他反对意见。委员会于1790年10月27日决定把度量衡单位都定为十进制,这样就使度量单位的进制与长期形成的数的十进制相一致为计算这些量带来极大的方便。。

委员会的第二件事是讨论长度与质量的单位,决定采用从赤道到北极的一千万分之一为米,米的百分之一为厘米,以一立方分米的纯水为质量的基本单位。法国国民议会于1791年3月30日通过了这个提案。这些基本单位的制定原则一定是以自然界客观存在的量为基准。之后法国科学院很多专家都投入了测量与确定标准量的工作。

所以采用从赤道到北极的千万分之一为米,是基于这样的思考,从十五、十六世纪,世界航海事业的快速发展,有一种和航海关系很密切的长度单位变得非常普及,这就是海里。一海里大约是地球上的大圆角度一分所对应的长度。这对于航海非常方便,只要测量星空,与原来的位置差多少度多少分,便可以直接得到走了多少距离。新的长度单位,也要体现这种航海的要求,便把大圆的四分之一,即赤道到北极的长度分为一千万分之一。当时委员会计划把直角的角度从90°改变为100°,可惜后者没有实现,如果那样的话,沿大圆航行1°就恰好是100公里。岂不很方便了。

进一步的要求就是测量地球子午线的长度了。天文学家约瑟夫•德朗布尔和安德烈•梅尚坚决地接受了这一艰巨任务。他们约定从巴黎出发,背向而行,共同完成从敦刻尔克到巴黎,再到巴塞罗那这一段地球子午线的测量工作。博学多才的德朗布尔从巴黎向北走;细致认真的梅尚从巴黎往南走。一旦两人到达各自目的地——敦刻尔克和巴塞罗那,就开始测量彼此间距离。最后根据测量数据进行计算,以得出1米的长度是多少。不过,当时的法兰西,正处在资产阶级革命的狂热中,社会十分混乱。所以,两位科学家常常冒被追捕的危险。在巴黎郊外,德朗布尔多次躲开狂热人群的追捕,有几次差点被送上断头台。在法兰西与西班牙的激烈交战中,梅尚曾被当作法国密探遭到拘禁。

经过7年的跋涉,德朗布尔和梅尚终于在法国南部要塞卡尔卡松会合。他们带着勘测资料返回巴黎时,拿破仑•波拿巴已成为法兰西新统治者,政局也恢复平静。所以,巴黎群众能够像迎接英雄一样欢迎他们。崇尚科学的拿破仑也给予他们极高评价:“胜利如过眼烟云,但是这项成就会永存于世。”设在巴黎国际科学委员会,还用纯铂制成一根1米长的金属棒来纪念两位科学家的探险活动。

委员会还决定,法国从1812年颁布施行“米制”,并于1837年在全国强制推行,使米制率先在法国扎根。1875年,也就是米制诞生后80年,国际度量衡委员会在巴黎开会。法、德、美、俄等17国政府代表共同签署了《米制公约》,同意成立国际度量衡局。并公认米制是在法国大革命中诞生的一项最伟大的科学事业,确定米为标准国际长度单位,一直沿用至今。

遗憾的是,从事测量工作的天文学家出现了小小失误,导致1米的长度比定义中的长度缩短了0.02毫米。后来,人们通过卫星的精确测量发现,从地球极点到赤道的经线长为10,002,290米,不是梅尚测量的10,000,000米,就是说长度标准单位1米比规定的长度短了0.02毫米。著名科普作家肯•奥尔德曾在《万物的尺度》中披露说,梅尚返回巴黎以后,发现他的测量有错误,因为在两个夏季里,他在同一地方的测量结果不能吻合。这一失误产生的负罪感一直纠缠着梅尚,使梅尚日夜不宁、精神几乎濒临崩溃。为修正错误,他再次赴野外测量,结果因患疟疾死于途中。[1][4]

1799年根据测量结果制成一根3.5毫米×25毫米短形截面的铂杆(platinummetre bar),以此杆两端之间的距离定为1米,并交法国档案局保管,所以也称为“档案米”.这就是最早的米定义.由于档案米的变形情况严重,于是,1872年放弃了“档案米”的米定义,而以铂依合金(90%的铂和10%的铱)制造的米原器作为长度的单位.米原器是根据“档案米”的长度制造的,当时共制出了31只,截面近似呈X形,把档案米的长度以两条宽度为6~8微米的刻线刻在尺子的凹槽(中性面)上.1889年在第一次国际计量大会上,把经国际计量局鉴定的第6号米原器(31只米原器中在0℃时最接近档案米的长度的一只)选作国际米原器,并作为世界上最有权威的长度基准器保存在巴黎国际计量局的地下室中,其余的尺子作为副尺分发给与会各国.规定在周围空气温度为0℃时,米原器两端中间刻线之间的距离为1米.1927年第七届国际计量大会又对米定义作了严格的规定,除温度要求外,还提出了米原器须保存在1标准大气压下,并对其放置方法作出了具体规定.
   
但是使用米原器作为米的客观标准也存在很多缺点,如材料变形;测量精度不高(只能达0.1μm).很难满足计量学和其他精密测量的需要.另外,万一米原器损坏,复制将无所依据,特别是复制品很难保证与原器完全一致,给各国使用带来了困难.因此,采用自然量值作为单位基准器的设想一直为人们所向往.20世纪50年代,随着同位素光谱光源的发展.发现了宽度很窄的氪-86同位素谱线,加上干涉技术的成功,人们终于找到了一种不易毁坏的自然标准,即以光波波长作为长度单位的自然基准.
   1960
年第十一届国际计量大会对米的定义作了如下更改:“米的长度等于氪-86原子的2P10和5d1能级之间跃迁的辐射在真空中波长的1650763.73倍”.这一自然基准,性能稳定,没有变形问题,容易复现,而且具有很高的复现精度.我国于1963年也建立了氪-86同位素长度基准.米的定义更改后,国际米原器仍按原规定保存在国际计量局.
 
随着科学技术的进步,70年代以来,对时间和光速的测定,都达到了很高的精确度.因此,1983年10月在巴黎召开的第十七届国际计量大会上又通过了米的新定义:“米是1/299792458秒的时间间隔内光在真空中行程的长度”.这样,基于光谱线波长的米的定义就被新的米定义所替代了.

采用国际单位,能够使本国比较快地和国际科学、工商业接轨。是一个国家向全世界开放的一个标志。我国光绪34年(1908年),清政府拟订划一度量衡制和推行章程。商请国际权度局制造铂铱合金原器和镍钢合金副原器,次年制成运回中国。1928年,中华民国政府公布度量衡法,规定采用“万国公制”为标准制,并暂设辅制“市用制”作为过渡,即1公尺为3市尺,1公升为1市升,1 公斤为2市斤。改革后的市制适应民众习惯,又与公制换算简便,逐渐为民众接受,1949年后,市用制通行全国。1984年,国务院发布命令,采用以国际单位制为基础,同时选用一些非国际单位制单位的中华人民共和国法定计量单位(简称法定单位)。当时考虑习惯对中药方剂还保留采用市用制,至1979年一月一日中药的方剂计量也开始使用公制。自1991 年1月1日起, 法定单位制成为中国唯一合法的计量单位。

迄今为止在世界224个国家和地区中,绝大部分都采用国际单位制,只有美国、缅甸和利比里亚三个国家,他们还坚持使用英制而拒绝使用公制。后两个国家可能是由于习惯问题,而美国则由于自己认为是科技、工业、教育的老大,也拒绝使用。

不过美国也为此付出了代价,除了大量的单位换算给教学和交换带来不方便之外,还造成巨大的损失。1999年,美国宇航局“火星气候探测者”号发现它距离火星比科学家预测的近了60英里左右。这不是因为时空关系出现了问题,而是因为在“火星气候探测者”号开发中出现了两种单位的冲突。美国宇航局科学家在计算中采用的是公制单位(如米和厘米等),但提供导航软件的洛克希德•马丁公司的工程师在研究中采用的却是英尺、英寸等英制单位。结果,由于运行轨道总不稳定,耗资8000万英镑建造的“火星气候探测者”号最终撞向火星表面报销。

 

参考文献

[1] 法国定义“米”作为基本长度单位,

http://www.lssdjt.com/3/25/FaGuoDingYi-Mi-ZuoWeiJiBenChangDuDanWei.html

[2]  http://www.baike.com/wiki/米[长度单位]

[3]  武际可,力学史,上海辞书出版社,2010

[4]  (美)肯·奥尔德,万物之尺,当代中国出版社,2004

2016/4/15




http://blog.sciencenet.cn/blog-39472-970834.html

上一篇:无风不起浪——谈谈波浪是如何由风引起的
下一篇:与大学生和研究生谈谈读书

36 马德义 郭向云 许培扬 史晓雷 应行仁 冯大诚 尤明庆 赵斌 蔡小宁 李笑月 文克玲 朱勇 谢平 苏德辰 刘洋 刘光银 张江敏 康建 张云 董焱章 陈儒军 姬扬 吕喆 高敏 黄永义 黄秀清 吴斌 吉宗祥 杨正瓴 汤伯杞 zjzhaokeqin qzw xlianggg xiyouxiyou yzqts aliala

该博文允许注册用户评论 请点击登录 评论 (28 个评论)

数据加载中...

Archiver|手机版|科学网 ( 京ICP备07017567号-12 )

GMT+8, 2021-1-27 08:51

Powered by ScienceNet.cn

Copyright © 2007- 中国科学报社

返回顶部