單位制的沿革及使用注意事項
2010-01-01 00:00:00侯軍
中學教學參考·理科版 2010年1期
在人教版和粵教版的物理教材中，都是在高一的動力學部分介紹力學單位制常識.而關于單位制的完整體系，卻涉及包括物理、數學、化學在內的整個自然科學領域，即便是在物理學科，也涉及普通物理、理論物理和工程物理等分支，因此了解單位制的歷史與沿革及相關使用注意事項非常必要且重要.
一、單位制的歷史與沿革
計量單位的出現，最早可以追溯到公元前25世紀的埃及:長度的單位是庫比特，面積的單位是斯坦塔.在中國，公元前6世紀，已經出現了長度、容量、重量的單位.遠古時期單位的規定，大多源于人類的生活實踐(如時辰、石、斗、克拉等)或君王的權威(如碼、石、英寸等)，在不同的地域，無論是單位的規定還是單位的進位制，差別都很大.
隨著文化交流的深入，使單位的統一成為必要.而隨著科學技術的發展，計量參量的增多，也帶來單位的增多.哪些單位是基本的、哪些是導出的，如何將單位體系科學化，這就是單位制形成的背景.
1.第一個單位制——厘米克秒制(CGS)
到了公元18世紀，人們開始感受到用人身體長度(或日常器具的長度)作為標準缺點很多，非常混亂.人們迫切希望找到一種長度固定的度量單位，終于想起了地球.當時認為地球的大小和長度不會變化，如果用地球上的一段距離作為長度單位，就可以得到固定不變的度量單位.我國清朝的康熙皇帝，于1709-1710年在東北地區進行大規模的土地測量.由于當時的長度單位不統一，康熙皇帝規定取地球子午線1度為200里，每里為1800尺.
19世紀后半期，米制已被歐洲、美洲的許多國家接受，把各種單位構成邏輯關系形成一種單位制成為迫切要求.這時英國科學促進協會(BAAS)提出，需要一種由某幾個基本單位按系統建立起來的一貫單位制.在力學中選擇三個基本量:長度、時間和質量，它們的基本單位被選為:厘米、克和平均太陽時的秒.這個單位制中，除基本單位外，還包括按“一貫單位”的要求，導出的這個量制中所能導出的導出量的單位.
2.單位制的過渡與成熟——絕對靜電制(CGSm)、絕對電磁制(CGSe)、高斯制、有理化單位制、喬吉制1832年，高斯發表《用絕對單位測量地磁場強度》，論證必須以力學中力的單位進行地磁的“絕對測量”，代替用磁針進行的地磁測量.為此，高斯在與韋伯合作，在磁學測量中引用了以毫米、毫克和秒這三個單位為基礎的“絕對”電學單位制.后來，韋伯把它推廣到其他的電磁測量，并在1851年對從電的庫侖定律出發的一組物理公式中，確定了一種一貫性的絕對厘米克秒單位制，定名為靜電制(CGSe).他又對從磁庫侖定律出發的一組物理公式中，確定了一種一貫性的絕對厘米克秒單位制，定名為電磁制(CGSm).
韋伯沒有意識到，厘米克秒靜電制之所以成立，是在庫侖定律中令比例系數k=1以及真空介電常數ε0為1.也就是說，他實際上已經選取了第四個基本量和基本單位ε0，并且采用了非合理化公式.當時，CGSe制與CGSm制都在電磁學中使用，可是對同一電磁量，在CGSe中與在CGSm中數值相差很大，量綱也不一致，極易導致誤解.
高斯后來發現，只要把非合理化公式中的比例常數做適當的規定，全部電學量的單位都和CGSe制的一樣，全部磁學量的單位都和CGSm制的一樣，這就是曾廣泛使用的高斯單位制——他仍選厘米、克、秒作為基本單位，而實際上第四個基本量在電學量中是ε0，在磁學量中是μ0.但在那些既有電學量又有磁學量的公式中，高斯制同樣面臨困難.
1882至1883年，赫維賽特與洛侖茲提出了以CGS作為基本單位的有理化單位制.1889年國際電學會議通過了功和能的單位焦耳，功率的單位瓦特，電感的單位為象限(1893年改為亨利).1897年英國科學促進協會建議的磁通單位名稱是韋伯，1900決定CGSm制磁場強度H的單位名稱是高斯，磁通單位名稱是麥克斯韋.
1902年意大利物理學家喬吉創立了合理化實用制，以米、千克、秒和一個實用電學單位為基本單位(并采用合理化電磁公式)，建議用磁場強度H作為第四個基本量.1935年，國際電工委員會決定了以米、千克、秒單位制為國際電磁單位制，并定名為喬吉制，以安培作為第四個基本單位.1935年國際計量委員會亦作出類似的決定，并于1948年起正式采用.
3.國際單位制(SI)
把三量綱制加以擴大，使之覆蓋光學量和熱學量，其進程不像覆蓋電學量那么復雜.在熱學單位制中，增加一個表示溫度的基本量，在米制中為攝氏度(或開爾文)，而英制中為華氏度(或蘭氏度).在建立光學量的單位制歷程中，由于光學計量中最早發展的是發光強度單位“燭光”(后來的坎德拉)，很自然地以它作為基本單位了.
1948年開始，國際計量局(BIPM)在各國之間進行調查，1954年第十屆國際計量大會(CGPM)通過決議確定，在米、千克、秒三個基本單位之外，增加安培、開爾文和坎德拉作為基本單位，1960年第十一屆CGPM確立了這6個基本單位構成的國際單位制(SI).
為了較好地使得在化學中的量的單位也按SI的原則進入SI，1971年的CGPM上，增加了第七個基本量:物質的量n，對應第七個基本單位摩爾，進一步完善了SI.
事實證明，CGPM對SI的完善并為終結.現在就有專家在探討，是否應把對數量的兩個單位奈培(Np)和貝爾(B)也作為SI單位1的專門名稱.看來，SI還可以更加枝繁葉茂.
從單位制的發展史我們不難看出，各種單位制并不是同時代斗爭火拼關系，也不是后時代對前時代的簡單否定關系，而是初級到高級的不斷豐富、完善，才最終使SI在世界各地、不同領域廣泛地被接受.這個地位的取得，凝聚了無數科學家的心血和貢獻.
二、國際單位制的組成和使用
國際單位制由SI單位和SI詞頭構成，后者與SI單位構成SI倍數單位.使用國際單位制時，可以接納一些常用的但非SI的單位.
1.SI單位——由基本單位、輔助單位和導出單位組成
(1)基本單位7個:
長度(m)、
質量(kg)、
時間(s)、
熱力學溫度(K)、
物質的量(mol)、
電流(A)、
發光強度(cd).
(2)輔助單位2個:
平面角(rad)、
立體角(sr).
(3)導出單位——包括具有專門名稱的19個、用基本單位表示的導出單位一種用專門示例單位表示的導出單位.
有專門名稱的導出單位示例(現僅列出與中學物理教學密切相關的部分):
專門單位表示的導出單位示例:
物理量名稱單位名稱單位符號和基本單位的關系
力矩牛頓米N#8226;mm2#8226;kg#8226;s-2
比熱容、比熵焦耳每千克開爾文J/(kg#8226;K)m2#8226;s-2#8226;K-1
(動力)黏度帕斯卡秒Pa#8226;sm-1#8226;kg#8226;s-1
表面張力牛頓每米N/mkg#8226;s-2
熱流密度(輻射照度)瓦特每平方米W/m2kg#8226;s-2
熱容，熵焦耳每開爾文J/Km2#8226;kg#8226;s-2#8226;K-1
比能焦耳每千克J/kgm2#8226;s-2
熱導率(導熱系數)瓦特每米開爾文W/(m#8226;K)m#8226;kg#8226;s-3#8226;K-1
能量密度焦耳每立方米J/m3m-1#8226;kg#8226;s-2
電場強度伏特每米V/mm#8226;kg#8226;s-3#8226;A-1
*3.非SI單位
(1)接受與SI合并使用的非SI單位
(2)接受與SI合并使用的非SI單位
4.使用SI單位的注意事項
(1)盡量使用SI單位，但仍可接納使用非SI單位.在使用物理公式運算時，則必須使用SI單位.
(2)非SI單位中的攝氏度以及非十進制的單位，如平面角單位“度”、“分”、“秒”與時間單位“分”、“時”、“日”等，不得出現k°和kh.億(108)、萬(104)等是我國習慣用的數詞，仍可使用，但不是詞頭.
詞頭不得重疊使用，如pF不得用μμF表示.詞頭不得出現在導出單位的分母中(但質量單位kg例外).如摩爾內能單位kJ/mol不宜寫成J/mmol(但比能單位可以是J/kg).
(3)導出單位中的乘號無名稱，如電阻率單位Ω#8226;m的名稱為“歐姆米”.而符號表示時，Ω#8226;m與Ωm是等效的.
(4)導出單位的除號的對應名稱為“每”字，無論分母中有幾個單位，“每”字只出現一次.如比熱容單位的符號J/(kg#8226;K)，其單位名稱是“焦耳每千克開爾文”而不得說成“焦耳每千克每開爾文”.而用符號表示時，下列三種形式是等效的:kg/m3、kg#8226;m-3和kgm-3.分母中有兩個以上單位符號時，整個分母應加圓括號，如熱導率單位的符號是W/(m#8226;K)，而不是W/m#8226;K或W/K/m.
(5)乘方形式的單位名稱，其順序應是指數名稱在前，單位名稱在后.如斷面慣性矩的單位m4的名稱為“四次方米”，而不是“米的四次方”.
(6)單位的名稱或符號必須作為一個整體使用，不得拆開.如攝氏溫度單位“攝氏度”表示的量值應寫成并讀成“20攝氏度”，不得寫成并讀成“攝氏20度”.
(7)分子無量綱而分母有量綱的組合單位即分子為1的組合單位的符號，一般不用分式而用負數冪的形式.如波數單位的符號是m-1，一般不用1/m.
單位制的發展史涉及事件多，知識面廣，很多在深度方面已經超過了中學知識范疇.SI的完整體系和使用注意事項也很細、篇幅很大，并非本文所能詳表.這里列舉與中學物理教學密切相關的部分，和同行們交流.有不當甚至錯誤之處，懇請批評指正.
參考文獻:
[1]國際計量局編著，中國計量科學研究院情報室譯.國際計量局100周年(1875～1975)[M].北京:技術標準出版社，1980.
[2]沈雄.基本長度單位和時間的演化[J].物理教學，1997，3.
(責任編輯 黃春香)
