计量学基础课程课件2 3

主讲人:邓华夏,计量学基础,参考资料,1.计量学基础，李东升，机械工业出版社；2.误差理论与数据处理，费业泰，机械工业出版社；3.AnIntroductiontoUncertaintyinMeasurement,LesKirkup4.中国古代计量史图鉴，张延明，合肥工业大学出版社5.注册计量师基础知识及专业实务，中国计量测试学会6.计量史学研究入门，霍俊江，北京大学出版社7.,计量学：关于测量的科学,科学技术,本质上就是计量,计量单位unitofmeasurement,标准定义：JJF100119983.7为定量表示同种量的大小而约定地定义和采用的特定量。,法定计量单位legalunitofmetrology由国家法律承认、具有法定地位的计量单位。,中华人民共和国计量法第一章第三条：国家采用国际单位制。国际单位制计量单位和国家选定的其他计量单位，为国家法定计量单位。,通用计量术语：量与单位,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单位的十进倍数和分数单位的词头：20个,国际单位的组成,SI词头,具有专门名称的SI导出单位,用专门名称表示的SI导出单位示例（一）,用专门名称表示的SI导出单位示例（二）,用SI辅助单位表示的SI导出单位示例,量名称符号角速度弧度每秒rad/s角加速度弧度每二次方秒rad/s2辐射强度瓦特每球面度W/sr辐射亮度瓦特每平方米球面度W/（m2sr）,与SI并用的单位(一),时间:分(min),小时(h),日天(d)平面角:度(),分(),秒(”)体积、容积:升(l,L)质量:吨(t),原子质量单位(u1.6605655x1027g)长度:天文单位距离(A),秒差距(pc)能:电子伏特(eV),与SI并用的单位(二),表观功率(视在功率):伏安(VA)声压级:分贝(db)响度级:方原则上与SI长期并存,但”只有在一些限定的情况下才允许其与SI单位构成组合单位,特别是”千瓦小时”最后予以废除,换成焦耳(1千瓦小时=3.6兆焦耳),SI中组合单位构成(一),“每,一条斜线”原则:米/秒读作“米每秒平方”分母含有两个以上单位符号时,整个字母一般要用括号括起来;每(斜线)只能用一条.导热率：W/(mk)瓦特每米开尔文错：W/m/k(每米开尔文瓦特,瓦特每米每开尔文)“分母不用词头”原则,用MV/m,不用KV/mm.两种例外:质量单位kg为分母时;组合单位分母是长度,面积,体积时,如A/mm“词头提前”规则:NkmkNm,SI中组合单位构成(二),“变顺序避免误解”规则:因某些符号同时作为”词头符号”和”单位符号”(T:特斯拉,10;m:米,103;G:高斯,109等)使用时尽量将其放在右侧.“用圆点或斜线避免误解”规则:米每秒-m/s,ms1,ms1为避免与(ms)1混淆,在中间加圆点,暂时与SI并用的单位,不是”必须采用”,而是”尽量避免”长度:海哩,公里,费密,埃面积:公亩(a),公顷(ha)质量:米制克拉力:达因,千克力(公斤力),顿力压强:巴,标准大气压,托,毫米汞柱,毫米水柱千克力每平方厘米(工程大气压)能,功:千克力,瓦特小时功率:马力热量:卡,热化学卡磁场强度:奥斯特(Oe)磁感应强度,磁通密度:高斯(Gs,G),单位的写法与读法,中华人民共和国国家标准：GB3100系列,GB3100：国际单位制及其应用GB3101：有关量、单位和符号的一般原则,单位的读法：单位符号的中文读法,单位1单位2/单位3单位4,不读,每,不读,1、依据单位符号的顺序，“”：不读；“/”：每,2、指数名称在前,3、面积：平方体积：立方,质量热容：,J/(kgK),J/kg/K,焦耳每千克开尔文,GuBio,SI中组合单位构成(一),“每,一条斜线”原则:米/秒读作“米每秒平方”分母含有两个以上单位符号时,整个字母一般要用括号括起来;每(斜线)只能用一条.导热率：W/(mk)瓦特每米开尔文错：W/m/k(每米开尔文瓦特,瓦特每米每开尔文)“分母不用词头”原则,用MV/m,不用KV/mm.两种例外:质量单位kg为分母时;组合单位分母是长度,面积,体积时,如A/mm“词头提前”规则:NkmkNm,SI中组合单位构成(二),“变顺序避免误解”规则:因某些符号同时作为”词头符号”和”单位符号”(T:特斯拉,10;m:米,103;G:高斯,109等)使用时尽量将其放在右侧.“用圆点或斜线避免误解”规则:米每秒-m/s,ms1,ms1为避免与(ms)1混淆,在中间加圆点,单位的写法与读法,1、单位符号一律用正体：除了来源于人名的单位符号首字母要大写外，其余均为小写。,2、单位符号在全部数值之后，与数值间留适当的空隙，例外：角度单位的符号与数值间不留空隙，30，15，20。,单位的写法：单位符号、单位名称,中文符号：即单位名称的简称。只在有必要时用于中、小学教材和普通书刊中。除了C外，必须用中文。中文符号不得与单位符号混用，km/小时,量的符号：必须用斜体，下标用正体，物理量符号的下标用斜体,量A表达式：A=AA,计量单位,英寸inch（in2.54cm）（荷兰语中inch为大拇指）10世纪：英王埃德加大拇指的第一个指节的长度。14世纪：爱德华二世：三个大麦粒的总长度。英尺foot（ft12inch0.3048m）9世纪：英国查理曼大帝的脚板的长度。16世纪：德国：16个人的左脚板的平均长度。码yard（yd3ft91.44cm）12世纪：英国亨利一世的鼻尖到前伸手臂时中指尖的距离。丈古代成年男子的身高，大丈夫。尺,古典阶段：身体,英国gallon与美国gallon：,U.K.gallon=4.54609LU.S.gallon=3.78541L,Boeing75730043400L,=9547gallon(U.K.)=11466gallon(U.S.A.),litre,liter(US)metre,meter(US)gram,gramme(UK),火星大气层的最小安全距离：约85公里100公里预定的140公里150公里实际上，探测器距火星表面最近仅57公里。探测器有可能在火星的大气中被“火葬”，甚至坠毁在火星表面上,1999年9月30日的调查报告：造成飞行高度太低的原因竟然是公制和英制的转换问题。洛克希德马丁公司：公制单位（牛秒）美国航宇局（NASA）喷推实验室：英制单位（磅秒）？这样计算出的冲量值只是实际值的22%。推力器校定表的作用是把遥测到的推力器点火工作次数转换成提供给探测器的冲量，以消除因推力器点火工作造成的弹道计算中的剩余误差。,美国火星气候探测器（1998年）：,1999年9月23日：1998年12月美国发射的火星气候探测器与地面失去联系。,低级错误,故事：计量单位,器具与现象计量学的开始,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1/299792458s的时间间隔内的行程。”（俗称光波米）千克kilogram：铂铱合金制造的千克原器根据1立方分米的水在其密度最大时的温度下的质量。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：根据地球围绕太阳的转动周期而确定的时间单位。,经典阶段：实物,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,电磁学单位制的历史,电磁学基本定律,1785年1789年法国C.A.deCoulomb发现库仑定律（比例的形式）1820年7月21日丹麦H.C.Oersted发现电流磁效应1820年9月18日和25日法国A.-M.Amprre发现安培定律1820年法国J.-B.Biot与F.Savart发现毕奥萨伐尔定律1826年1827年德国G.S.Ohm发表欧姆定律（双曲线形式）1831年英国M.Faraday发现电磁感应定律（定性的形式）1832年美国J.Henry发现自感现象1834年德国俄罗斯H.F.E.Lenz发现愣次定律1855年1865年英国J.C.Maxwell提出电磁场方程,电磁学单位制的历史,1832年以前的电磁学单位（制）,1771年H.Cavendish提出电势，地球零电势1776年H.Cavendish研究了电鯆的放电现象，提出电容、电压、电量电容：电英寸（inchesofelectricity）电位：带电度（degreeofelectrification）电阻：resistance，溶液对电流的阻抗能力电流强度：velocity，表示电流的大小（自己身体作电流计）1782年AlessandroG.A.Volta确定电容、电压、电量的关系：静电计,相对测量原理,电磁学单位制的历史,绝对单位制高斯和韦伯,1832年C.F.Gauss提出用力学中的三个基本量：长度L、质量M和时间T来测量和表示电磁学量及其它非力学量，即绝对单位制。磁场强度的量纲：L1/2M1/2T1（1835年，高斯量纲原理）电动势：L3/2M1/2T2（1837年，韦伯，电磁感应定律）电流强度：L1/2M1/2T-1（1846年，韦伯，安培电动力学公式）电阻：LT1（1852年，韦伯，欧姆定律）电量：L1/2T1/2（1846年，高斯韦伯，库仑定律）,毫米毫克秒制,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1cm的单位电荷或者单位磁极相互间的力为1dyn1cmgs2,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,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，1cgsesu的电荷，1cgsemu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,1cgsemu的电阻1109欧姆,自行暂定的“实用”单位出现：如电量的单位“韦伯（Weber）”,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,大英帝国,1861年CharlesBright和LatimerClark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.（BritishAssociationfortheAdvancementofScience）单位制。,电磁学单位制的历史,麦克斯韦的“象限制”,“象限制”的优点：直接将这三个基本单位带入量纲中，就可以得到以绝对单位表示的实用单位的数值，如，1OhmLT1109cm/s。,1873年，麦克斯韦在电学和磁学专论中提出现在称为“象限制”的绝对单位制：长度109cm；质量1011g；时间s。因109cm恰为地球周长的四分之一。,麦克斯韦的“象限制”导致1881年第一届国际电气大会（IEC，InternationalElectricalCongress）的召开，但是1893年第四届IEC大会否决了“象限制”。原因（可能）在于与力学单位中的基本单位不统一。,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、Farad,1Ohm109CGSemu的电阻1Volt108CGSemu的电压1Ampere1Volt/1Ohm（原来一直用Weber/s）1Coulomb1Ampere1s（原来欧洲大陆一直用Weber）1Farad1Coulomb/1Volt,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：Joule,1889年8月31日在法国巴黎召开的第二届IEC大会上决定采用：1Watt107CGSemu的功率1Joule107CGSemu的功推荐：磁通实用单位：Maxwell磁感应强度的实用单位：Weber,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（1Weber108Maxwell）；电导率：Siemens；频率：Hertz。,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，InternationalElectrotechnicalCommission)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。,电磁学单位制的历史,MKS单位制（有理制和非有理制）,CoulombLaw,首先确定导出c0的基本单位；其次确定选取0、0、中哪一个作为独立量；最后确定k1、k2、k3。以保证公式的系数简化。,Biot-SavartLaw,如果k1、k2、k3选取1时为非有理单位制；选取4时为有理单位制,电磁学单位制的历史,Heaviside有理化单位,CGS单位制,现在通用方程,1885年OliverHeaviside将Maxwell的20个分量式电磁场方程简化为4个较为对称的矢量方程。有理化单位、矢量式、对称性。,Heaviside方程,电磁学单位制的历史,Maxwell对于物理量分类的贡献,1637年RenDescartes（笛卡儿）将直角坐标系（亦称为笛卡儿坐标系，Cartesiancoordinates）引入几何学。,WilliamRowanHamilton（哈密顿）把物理量分为矢量和标量两大类，而矢量和标量是不能相加减的。,1863年JamesClerkMaxwell（麦克斯韦）发表论电量的基本关系，系统地引进量纲的概念和表示法。指出“力矢量”和“通量矢量”的关系及其区别。如磁场强度H和电场强度E具有力性质；磁感应强度B和电位移矢量D为通量性质。,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,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。,ManyU.S.teachersthinktheansweris“Liberia（利比里亚）andBurma（缅甸）”(makethatMyanmar（缅甸）).LetsgiveLiberiaandMyanmarabreak!Allcountrieshaveadoptedthemetricsystem,includingtheU.S.,andmostcountries(butnottheU.S.)havetakenstepstoeliminatemostusesoftraditionalmeasurements.Ho