El desarrollo y aplicación del sistema de unidades.
En la antigüedad, las partes del cuerpo humano se utilizaban a menudo como unidades de longitud. Por ejemplo, el libro "Refranes de la familia Confucio" compilado por Wang Su durante el período de los Tres Reinos (principios del siglo III d. C.) registra: "La tela se refiere a la pulgada, la mano conoce la regla y el codo conoce la búsqueda". El brazo se extiende dos metros y medio de largo, lo cual es una búsqueda. También hay un registro que dice: "Diez pies son un zhang, y un hombre mide dos metros y medio de largo, por eso se le llama marido. Se puede ver que en la antigüedad, pulgadas y dedos, pies y manos, y partes del cuerpo". estaban en correspondencia uno a uno.
El llamado "codo", de unos 52 ~ 53 cm, se usaba comúnmente en los antiguos países occidentales y está estrechamente relacionado con la longitud desde la punta del dedo medio hasta el codo de la mano.
También existen objetos físicos como base para las unidades de longitud. Por ejemplo, la pulgada en el sistema imperial proviene de la longitud de tres granos de cebada secos y redondos dispuestos uno detrás del otro.
Durante muchos años, los países de todo el mundo han estado utilizando una variedad de unidades de longitud, e incluso un país o región ha utilizado diferentes unidades de longitud en diferentes momentos. Esto es confuso y extremadamente inconsistente, lo que ha generado una confusión. muchos problemas a la circulación de mercancías. Por lo tanto, con el avance de la ciencia y la tecnología, las unidades de longitud poco a poco se van unificando. Este proceso comenzó hace cientos de años.
En 1790, la Asamblea Nacional francesa aprobó una resolución que ordenaba a la Academia de Ciencias de Francia estudiar cómo establecer puntos de referencia para cantidades físicas básicas como la longitud y la masa, con el fin de sentar una base sólida para unificar las unidades de medida. . Al año siguiente, se decidió utilizar como unidad de longitud una décima parte de un cuarto del meridiano de la Tierra que pasa por París, y se eligió la palabra "metron" en griego antiguo como nombre de esta unidad, que luego evolucionó a "metro", traducido como "arroz" o "arroz" en chino. A partir de 1792, los astrónomos franceses midieron durante 7 años el meridiano de la Tierra que pasa por París y, basándose en los resultados de la medición, produjeron un prototipo de platino de 1 metro, que se conserva en los Archivos de París.
Después de que los franceses fueran pioneros en el sistema métrico, los países del continente europeo lo adoptaron uno tras otro porque este sistema era científico y fácil de usar.
Posteriormente se realizaron mediciones y se comprobó que el homínido de un metro no era exactamente igual a un cuarto del meridiano terrestre, sino 0,2 milímetros más grande. Creo que la tecnología de medición seguirá mejorando en el futuro y se volverá a encontrar la desviación. En lugar de modificar el largo de la barra de arroz, sería mejor utilizar esta barra de arroz platino como base para unificar todas las medidas de longitud.
El 20 de mayo de 1875, el gobierno francés convocó una reunión de representantes gubernamentales de 20 países para firmar formalmente la Convención del Sistema Métrico, reconociendo el sistema métrico como la unidad de medida aceptada internacionalmente. Al mismo tiempo, se decidió crear el Comité Internacional de Pesas y Medidas y la Oficina Internacional de Pesas y Medidas. En junio de 1985 y el 10 de junio, la Convención Métrica tenía 47 miembros. China participó en 1977.
Después de varios años de investigación, la Oficina Internacional de Pesas y Medidas diseñó y fabricó cuidadosamente 30 dispositivos de arroz originales con una sección transversal en forma de X, el 90% de los cuales eran de platino y el 10% de iridio. Esta forma es la más resistente y ahorra material, y la aleación de platino-iridio se caracteriza por un coeficiente de expansión muy pequeño. Estos 30 dispositivos originales de arroz se compararon con dispositivos originales de arroz platino. Después de la selección, uno de ellos fue calificado como dispositivo original de arroz internacional. En 1889, el Comité Internacional de Pesas y Medidas aprobó el trabajo, declarando que la longitud de 1 metro era igual a la distancia entre las marcas marcadas en los dos extremos de esta regla en forma de X de aleación de platino e iridio a la temperatura del punto de fusión.
Se compararon otros prototipos de arroz con el Prototipo Internacional de Arroz, y la mayoría se distribuyó posteriormente a los estados miembros y se convirtieron en puntos de referencia nacionales para cada país. En el futuro, se deberían realizar verificaciones periódicas cada pocas décadas para garantizar la coherencia de la referencia de eslora.
Pero, de hecho, la longitud dada por el metro original no es necesariamente exactamente 1 m. Debido a la tecnología de corte en cubitos, los métodos de medición y otras razones, siempre hay un error en la reproducción de los valores, que no es inferior a 0,1 micras, lo que significa que el error relativo puede alcanzar 1×10e(-7). Con el tiempo, es difícil garantizar que el dispositivo Mihara en sí no cambie, y el dispositivo Mihara corre peligro de ser destruido en cualquier momento. Por lo tanto, con el desarrollo de la ciencia y la tecnología, la gente espera cada vez más basar la longitud en una base más científica, conveniente y confiable, en lugar del tamaño de un objeto. Los estudios espectroscópicos han demostrado que las longitudes de onda de la luz visible son longitudes muy precisas y estables que pueden usarse como punto de referencia para la longitud. A finales de 19 se descubrió en el experimento la línea espectral roja del cadmio natural (Cd) con muy buena claridad y reproducibilidad. En aire seco a 15 grados Celsius, su longitud de onda es igual a Y = 6438,4696×10e(-10) metros.
Según el acuerdo internacional de 1927, se decidió utilizar esta línea espectral como estándar de longitud de espectroscopia, determinando que 1 metro = 155164438+03 YCD. Por primera vez, la gente encontró un estándar invisible que. podría usarse para definir un medidor.
Los científicos continuaron sus investigaciones y posteriormente descubrieron que la línea espectral naranja del criptón (86 Kr) es mejor que la línea espectral roja del cadmio. En 1960, en la XI Conferencia Internacional de Pesas y Medidas, se decidió sustituir la línea roja del cadmio por la línea naranja del criptón (86Kr), y se cambió la definición del metro a: "La longitud del metro es igual a 1650763,73 veces la longitud de onda de la radiación, lo que equivale al criptón (86Kr) en el vacío. La transición entre los niveles de energía de los átomos 2P10 y 5d5”
La precisión de este punto de referencia es bastante alta, con. ¿Un error relativo inferior a 4×10e(-9)? , equivalente a no menos de 4 mm en una medida de 1 km de longitud.
Sin embargo, la longitud de onda del espectro atómico es demasiado corta e inevitablemente se verá afectada por factores como la corriente y la temperatura, por lo que la precisión de la reproducción es aún limitada. Después de la década de 1960, debido a la aparición del láser, se descubrió una fuente de luz superior. El uso de láseres en lugar de espectroscopia de criptón permite realizar mediciones de longitud más precisas. Siempre que se determine un determinado intervalo de tiempo, la unidad de longitud se puede definir a partir del producto de la velocidad de la luz por este intervalo de tiempo. En los años 1980, la velocidad de la luz C en el vacío se midió con un láser, y C = 299.792.458 metros/segundo...
En 1983 10, la 17ª Conferencia Internacional sobre Pesas y Medidas adoptó una nueva definición. del metro: "Un metro es la distancia recorrida por la luz en el vacío durante un intervalo de tiempo de 1/299792458 segundos". La nueva definición de arroz tiene una gran importancia científica. Desde entonces, la velocidad de la luz c se ha convertido en un valor preciso. Al unificar las unidades de longitud con el tiempo, podemos utilizar mediciones de tiempo altamente precisas y mejorar en gran medida la precisión de las mediciones de longitud.
Unidades de masa
La situación con las unidades de masa y longitud en la antigüedad era similar, con diversas formas. Por ejemplo, Persia usa galasa como unidad de masa, que es aproximadamente 0,834 kg, y Egipto usa gade, que es aproximadamente 9,33 g. Según el sistema de peso y medida de la dinastía Qin en China, 1 piedra = 4 jun, 1. jun = 30 jin y 1 jin = 16 taeles. En comparación con el moderno sistema internacional de unidades, 1 libra equivale aproximadamente a 0,256 kilogramos. Las unidades imperiales son libras, onzas, dracmas y granos: 1 libra = 16 onzas = 265 dracmas = 7000 granos.
El Imperio Británico fabricó un dispositivo de pesaje de platino puro. Era un cilindro de platino puro, de aproximadamente 1,35 pulgadas de alto y 1,1,5 pulgadas de diámetro.
La unidad de masa original, el kilogramo, se derivó de la unidad de longitud, el metro, adoptada por Francia al cabo de 18 años. Se determina que la masa de 1 decímetro cúbico de agua pura a máxima densidad (temperatura de aproximadamente 4 grados Celsius) es 1 kg.
Durante 1799, Francia fabricó un prototipo de arroz de platino y un patrón de kilogramo de platino, que se conservaron en los Archivos de París.
Más tarde se descubrió que este punto de referencia no era exactamente igual a la masa de agua pura con una densidad máxima de 1 decímetro cúbico, sino igual a 1?000028 decímetros cúbicos. Entonces, después de la Convención Métrica de 1875, se utilizó una aleación que contenía 90% de platino y 10% de iridio para fabricar el kilogramo original, y se compararon tres con el kilogramo de platino original conservado por París. Archivos, y uno de ellos fue seleccionado como kilogramo original internacional. El dispositivo internacional del kilogramo original fue preservado cuidadosamente en un lugar especial por expertos de la Oficina Internacional de Pesas y Medidas. Estaba cubierto con tres capas de vidrio. La capa exterior de vidrio fue evacuada para evitar la entrada de aire e impurezas. Posteriormente, se copiaron 40 cilindros de aleación de platino-iridio, se compararon con el dispositivo de kilogramo internacional original y se entregaron a cada estado miembro como referencia nacional. Al igual que el prototipo de arroz, el prototipo del kilogramo también debe verificarse periódicamente para garantizar que el punto de referencia de calidad sea estable y confiable.
Unidad de tiempo
De entre los fenómenos naturales observados por el ser humano, lo que sucede en el cielo es el más evidente y regular, por ello se utiliza el período de rotación de la Tierra como medida del tiempo. Naturalmente, este ciclo es el día solar. 1 segundo = 1/86400 día solar medio. Dado que la rotación de la Tierra es desigual e inestable, la Conferencia Internacional sobre Pesos y Medidas de 1960 confirmó que el estándar de tiempo debería cambiarse a la revolución de la Tierra alrededor del Sol, es decir, el segundo debería definirse como 1/365438+1900, que es la órbita de la Tierra alrededor del Sol. El tiempo que tarda en completar una revolución 395438.00000000006La razón por la que estos datos tienen una precisión tan alta es porque este resultado se pasa
Pero según esta definición, es difícil hacerlo directamente. comparar los segundos ellos mismos. Fue durante este período cuando se desarrollaron enormemente las técnicas de medición del tiempo y la frecuencia.
El XIII Congreso Internacional de Pesas y Medidas en 1967 redefinió la unidad de tiempo: "Un segundo es la duración de 9192631770 ciclos de radiación correspondientes a las dos transiciones ultrafinas de niveles de energía del estado fundamental del cesio. -133 átomo."
Escala de temperatura
En el actual Sistema Internacional de Unidades, la temperatura se expresa en Kelvin (K), que también es la unidad básica. Estrictamente hablando, la elección del grado-día es en realidad una cuestión de escala de temperatura. En la historia del desarrollo térmico, ha habido una escala de temperatura Fahrenheit, una escala de temperatura cilíndrica, una escala de temperatura de Lange, una escala de temperatura Celsius, una escala de temperatura del gas y una escala de temperatura termodinámica. La escala de temperatura termodinámica fue propuesta por primera vez por Kelvin en 1848. La temperatura termodinámica definida por la escala de temperatura termodinámica tiene el significado científico más estricto. Todos los demás pertenecen a la escala de temperatura empírica. Su característica común es que se seleccionan artificialmente un termómetro específico y varios puntos fijos de temperatura para definir la escala de temperatura, por lo que no existe un estándar objetivo. Estas escalas de temperatura empíricas se han convertido en cosa del pasado, pero todavía tienen algunas raíces en las escalas de temperatura modernas.
La escala de temperatura Fahrenheit fue propuesta por el D.G. Fahrenheit alemán alrededor de 1710. Estipula que el punto de congelación del agua es de 32 grados y el punto de ebullición del agua es de 212 grados. Fahrenheit sigue siendo popular en el Reino Unido, Estados Unidos y otros países.
La escala de temperatura de Liech fue propuesta por la R.A.F. Reaumur en 1730, que estipula que el punto de congelación del agua es cero grados y el punto de ebullición del agua es 80 grados. La escala de Liesl alguna vez fue popular en Alemania.
La escala de Langmuir fue propuesta por el británico Rankin, y su definición es
tR=tF+459.67
De hecho, la temperatura de Langmuir es el cero absoluto es la Temperatura inicial en Fahrenheit, expresada como 0R. Ahora rara vez se utiliza en tecnología.
La escala de temperatura Celsius fue propuesta por el astrónomo sueco A. Celsius en 1742. Su plan original era que el punto de ebullición del agua fuera cero y el punto de congelación del agua fuera de 100 grados. Al año siguiente, el francés Christian invirtió las dos escalas y pasó a ser la actual escala universal.
La escala de temperatura del gas formada al calibrar la temperatura con un termómetro de gas es la más cercana a la escala de temperatura termodinámica. Debido a la escasa reproducibilidad de los termómetros de gas, se ha acordado la Escala Práctica Internacional de Temperatura para unificar los valores internacionales de temperatura. Después de varios cambios, la temperatura ajustada para ello se acerca lo más posible a la temperatura termodinámica.
Ya en 1887, el Comité Internacional de Pesas y Medidas decidió adoptar el termómetro de hidrógeno de volumen constante como base para el estándar práctico internacional de temperatura.
En 1927, la Séptima Conferencia Internacional sobre Pesos y Medidas decidió utilizar el termómetro de resistencia de platino como instrumento del método de interpolación para el estándar de temperatura, y estipuló que debía determinarse entre el punto de congelación del oxígeno (- 182,97 grados Celsius) y el punto de congelación del oro (1063 grados Celsius). Un rango repetible de temperaturas o puntos fijos.
El XI Congreso Internacional de Pesas y Medidas en 1948 hizo algunas revisiones importantes a la Escala Práctica Internacional de Temperatura. Por ejemplo, se utiliza un punto financiero para reemplazar el punto de congelación del oro; se utilizan la ley de radiación del cuerpo negro de Planck para reemplazar la ley de Wayne; se citan fórmulas de cálculo más precisas para el rango de medición del pirómetro óptico; se expande, etc.
En 1960 se añadió una modificación importante, es decir, se utiliza el punto triple del agua como único punto de definición, y su temperatura absoluta es 273,16 (exacta), en lugar de la estipulación original de que el punto de congelación de agua es 0,00 grados Celsius (preciso). Según mediciones reales, el punto de congelación del agua debe ser 273,438+0,500±0,038+0K. Usar el punto triple del agua como único punto definitorio es un gran progreso en la medición de la temperatura, porque puede evitar las diferencias en la medición de la temperatura causadas por cambios en la temperatura. punto de congelación en todo el mundo.
En 1968, se revisó nuevamente la Escala Práctica Internacional de Temperatura, con el nombre en código IPTS-68. Su característica es que adopta los últimos resultados de la termodinámica, acercando la escala de temperatura práctica internacional a la escala de temperatura termodinámica. Esta vez también se estipuló que el símbolo K debería usarse para representar la temperatura absoluta, y el símbolo original (K) fue cancelado. Se estipuló que la temperatura Celsius es exactamente igual al grado-día absoluto de la escala de temperatura termodinámica. y la temperatura Celsius es T = temperatura absoluta T-273,15 (exacta).
IPTS-68 fue revisado y complementado en 1975 y 1976 respectivamente. El límite inferior del rango de temperatura se amplió de 13,8 K a 0,5 K. Sin embargo, todavía existen algunas deficiencias. -68 resulta inconsistente con ciertos rangos de temperatura. Existe una gran desviación en la temperatura termodinámica definida por el Sistema Internacional de Unidades.
Recomendado por el Comité Internacional de Pesas y Medidas en 1988, la 18ª Conferencia Internacional de Pesas y Medidas y el 77º Comité Internacional de Pesas y Medidas resolvieron que el mundo adoptará la Escala Internacional de Temperatura revisada a partir del 1 de octubre. , 1990, esta vez denominada Escala Internacional de Temperatura 1990, su código es -90. En comparación con el IPTS-68, la temperatura a 100 grados Celsius es 0,026 grados Celsius más baja, es decir, el punto de ebullición del agua en condiciones estándar es de 99,974 grados Celsius, no de 100 grados Celsius.
Evidentemente, la implementación del ITS-90 traerá beneficios a la medición precisa de la temperatura, lo que es otra señal de desarrollo tecnológico.