5. 第五章 基本单位米的发展历程

第五章

基本单位米的发展历程中国计量大学《计量学概论》课程组目录01最初的米定义与第一代米原器02基本单位米定义的变迁03光速测量的历史04为什么可以用光速定义“米”最初的米定义与第一代米原器PARTONE古代计量时期的长度单位01人体基准汉语“布手知尺”、英文“foot（英尺）”、古埃及腕尺、罗马“mile（一千步）”02自然物基准中国“累黍定尺”、英制“英寸=3颗大麦总长度”“格令=1粒谷物重量”03存在问题量值混乱（如南宋“家自为权衡，乡自为尺度”），法国大革命前境内计量单位达25万个，严重阻碍交流贸易；进制复杂（如法国突阿斯=6法尺=72法寸=864法分=10368法点）我们生活在世界上，最常接触的量就是各种几何量，如长度、宽度、高度等，描述这些量的单位多为“米”及其倍数/分数单位。但在古代，并没有“米”这个单位，各地多以人体或自然物为基准制定单位：最初的米定义与第一代米原器改革背景关键进程定义决策1754、1765年法国财政官员两度推动计量改革遭国王反对，1789年三级会议前，数万份陈情书呼吁统一度量衡1789年6月巴黎科学院启动公制研究，7月法国大革命爆发加速进程，8月拉普拉斯组建含拉格朗日等科学家的改革委员会；1790年5月《公制法》通过，8月路易十六采纳报告1791年选定“地球子午线1/4周长的1000万分之一为1米”，拒绝秒摆方案（因重力加速度随地域变化）；名称采用古希腊语“meter”（意为测量），采用十进制（分、厘、毫等词头），称为“米制”国际反应英、美拒绝，法国单独推进1792年两支队伍测量敦刻尔克-巴塞罗那子午线，梅尚（南队）遭拘禁，德朗布尔（北队）险被送上断头台，1808年完成测量，拿破仑评价“成就永存”子午线测量011799年用烧结铂制成“档案局米”（宽25.3mm、厚4mm，端面距为1米）和“档案局千克”，6月存入巴黎共和国档案局，12月法律批准，1801年法国强制推行基准制作02最初的米定义与第一代米原器基本单位米定义的变迁PARTONE“档案局米”的缺点比地球子午线1/4的1000万分之一短0.2毫米，千克基准也偏离1立方分米水的质量量值偏差①端面易磨损②端面距离标志模糊③尺间比对困难实物缺陷子午线测量精度提升会导致长度标准变动，需更稳定基准核心问题基本单位米定义的变迁单击此处添加标题改进进程1872年国际会议决定用铂铱合金复制米尺，1886年特兰斯卡设计X形截面米尺（形状稳定），国际计量局订制30根复制品0102官方确立1889年第1届CGPM将最接近“档案局米”的No.6定为“国际米原器”，保存在国际计量局，定义为“0℃时铂铱米尺两中间刻线轴线距”；其余复制品分发给会员国作为国家基准，需定期检定03核心优势①铂铱合金（90%铂+10%铱）尺寸稳定②X形设计刚度好，温度易平衡③刻线距替代端面距，避免磨损基本单位米定义的变迁国际米原器基本单位米定义的变迁光谱学基准探索：1890年迈克尔逊发现镉红线辐射，1895年第2届CGPM确认其为米定义旁证；1927年规定“1米=镉红线波长的1553164.13倍”，首次采用非实物标准氪86基准：1960年第11届CGPM改用氪86橙线，定义为“氪86原子2p10到5d5能级跃迁辐射在真空中波长的1650763.73倍”，相对误差≤4×10⁻⁹光速基准：1983年第17届CGPM定义“米是光在真空中1/299792458秒时间间隔内所经路程的长度”，光速c成为精确值，实现长度与时间单位统一2018年新表述：保留光速定义，突出基本物理常数作用及光速与其他常数的关系精益求精的“米”定义1983年0102030405061791年地球子午线1/4周长的1000万分之一1960年氪86原子跃迁辐射波长的1650763.73倍1889年24.0℃时铂铱米原器两刻线轴线距光在真空中1/299792458秒的路程1799年“档案局米”长度2018年光速固定为299792458m/s的表述基本单位米定义的变迁单击此处添加标题“米”定义的六个阶段光速测量的历史PARTONE1849年斐索：齿轮测速法，测得315300km/s（误差5%），奠定实验测量基础1862年傅科：旋转镜法，测得（298000±500）km/s（误差0.5%）地面实验1856年科尔劳施和韦伯测量电磁单位比值，麦克斯韦据此算出电磁波速≈3.1074×10⁵km/s，印证光是电磁波电磁理论推导1907年爱德华：通过真空磁导率和介电常数计算，得2.99788×10⁸m/s（误差0.003%）1926年迈克尔逊：改进旋转镜法，测得（299796±4）km/s1952年费罗姆：微波干涉仪法，测得（299792.50±0.10）km/s，1957年成为国际推荐值1972年埃文森：激光干涉法，测得（299792458±1.2）m/s，1975年成为国际推荐值近代技术测量光速测量的历史光速测量的科学接力赛固定光速为299792458m/s，反向定义“米”为“光在真空中1/299792458秒的路程”①光速成为精确值，米成为首个用基本物理常量定义的单位②依托高准确度时间计量，提升长度计量精度③定义不受测量方法制约，更具科学性1983年第17届CGPM决议核心意义光速测量的历史单击此处添加标题光速测量的科学接力赛为什么可以用光速定义“米”PARTONE核心原因时间频率基准准确度最高，将长度单位统一到时间上，可利用高准确时间计量提升长度计量精度为什么要用光速来定义“米”？理论基础狭义相对论证实，真空中的光速c是恒定不变的基本物理常数，相对于任何惯性参照系均不变数学逻辑量值=数值×单位，光速c=数值×长度单位/时间单位，固定c和时间单位“秒”，即可唯一