看得見的單位

本刊綜合

上個月的母親節(jié)，幸運兔給媽媽送了一份“大禮”：以后的每個周六都讓媽媽休息半天，自己擔(dān)任家庭值日生。這不，周五的晚上，幸運兔就提前收到了第二天的任務(wù)清單。

任務(wù)一：購物

上午8點出發(fā)，出門右轉(zhuǎn)，直行750米到達青青菜場，購買1千克青菜。

任務(wù)二：做早餐

往鍋內(nèi)倒入100 摩爾水，將水加熱到373.15開爾文時，倒入洗干凈的青菜，120秒后將青菜撈出……

“媽媽，摩爾是什么？開爾文是什么？您能用兔子的語言表達嗎？”還沒看完，幸運兔已經(jīng)忍不住“咆哮”了。

“哈哈哈，這個問題需要你自己去弄明白。不過，我可以提供一條線索——這些都是單位名稱?！眿寢屝χf。

“是嗎？這些單位名稱怎么這么奇怪，我從來沒見過呀?！毙疫\兔皺著眉頭想了一會，臉上終于“多云轉(zhuǎn)晴”，他想到了：聰明的人類——小新肯定有答案！

接到幸運兔的求助后，小新立馬趕來，安慰說：“別著急，‘單位雖然不起眼，卻是一門大學(xué)問。趁著這個機會，我們一起來重新認(rèn)識一下它吧?！?/p>

國際單位制的誕生

單位用于事物的計量和比較，它的家族成員可多了。有的很常見，如米（m）、秒（s）、千克（kg）、攝氏度（℃）；有的既熟悉又陌生，如開爾文（K）、安培（A）；有的比較神秘，一般人見不到，如摩爾（mol）、坎德拉（cd）等。

單位不僅數(shù)量多，在不同國家還有不同的名字，即便是同一個名字，在不同時期也可能有不同的含義。以前，中國人買東西是按“斤”稱重，外國人卻用“千克”“磅”“盎司”來計量。你聽說過“半斤八兩”這個成語吧？它的意思是“不相上下，實力相當(dāng)”?？墒前虢锊皇俏鍍蓡?？其實啊，在中國古代，一斤是十六兩，半斤自然就是八兩啦。

單位不統(tǒng)一給人們交流帶來了許多不便。隨著國際間的交往越來越頻繁，人們開始考慮在全世界建立統(tǒng)一的國際單位制。1875年5月20日，17個國家在法國巴黎簽署了《米制公約》，統(tǒng)一使用“米”為計量長度的單位，“千克”為計量質(zhì)量的單位。為了紀(jì)念這一天，每年的5月20日被定為“世界計量日”。

如今，世界上大部分國家都已加入了《米制公約》。國際單位制擁有了7個基本單位，分別是米（m）、千克（kg）、秒（s）、安培（A）、開爾文（K）、摩爾（mol）、坎德拉（cd）。

接下來，我們一起去認(rèn)識這7個基本單位吧。

長度的單位 米（m）：地球說了算

《米制公約》之所以能得到大家的認(rèn)可，是因為“米制”非常簡單實用。以“米”為基礎(chǔ)，可以簡便地表示出容積單位和質(zhì)量單位：升是米的十分之一長度的立方，千克是1立方分米的純水在4 ℃時的質(zhì)量。

1米有多長？你的第一反應(yīng)是拿尺子來測量吧？實際上，1米的長度與任何一把尺子都無關(guān)，而是與地球有關(guān)。

1791年，法國科學(xué)院將“米”定義為經(jīng)過巴黎的地球子午線的四千萬分之一。他們認(rèn)為，地球子午線的長度是永遠不會變的，以它為依據(jù)制定的標(biāo)準(zhǔn)也將永恒不變。同時，地球?qū)儆谌祟悾瑩?jù)此制定的單位適用于全世界。

隨著科技的發(fā)展，1983年，米的長度被重新定義為：光在真空中，在1/299，792，458 秒內(nèi)傳播的距離。

這么說來，地球的周長就是4萬千米，“坐地日行八萬里”真是一點都沒說錯！

質(zhì)量的單位 千克（kg）：躺著也能瘦

千克的定義與長度有關(guān)，4 ℃時1立方分米純水的質(zhì)量為1千克。然而，以水為質(zhì)量單位的標(biāo)準(zhǔn)，既不方便又不穩(wěn)定，于是，1889年，首屆國際計量大會將國際千克原器的質(zhì)量定義為1千克。

國際千克原器由鉑銥合金制成，是一個高和底面直徑均為39毫米的正圓柱體。為了防止氣壓、溫度對精密度造成影響，國際千克原器被放置在多層容器中保管。

為了檢測國際千克原器的穩(wěn)定性，當(dāng)時，國際計量局制作了7個千克砝碼，其中一個作為國際千克原器，其他6個作為副基準(zhǔn)。100多年間，國際計量局進行了4次周期比對驗證，結(jié)果表明，國際千克原器與其他千克原器在質(zhì)量一致性上發(fā)生了約50微克的變化。雖然50微克聽起來很小，但是在納米技術(shù)領(lǐng)域，50微克可以說重于泰山了。

于是，2018年，在第26屆國際計量大會上，科學(xué)家們通過投票，讓國際千克原器正式退役，改以普朗克常數(shù)作為新標(biāo)準(zhǔn)重新定義千克。

躺著也能瘦，這是多少人夢寐以求的事啊。

你知道嗎

1千克約有19個雞蛋。

1千克約有4個蘋果。

1千克約有1個卷心菜。

時間的單位 秒（s）：不斷追求精準(zhǔn)

1米有多長由地球子午線決定，1秒有多久由地球自轉(zhuǎn)周期決定。地球自轉(zhuǎn)一圈的時間是1天，1天有24小時，1小時有60分鐘，1分鐘有60秒。1秒即一個太陽日的1/86，400。

然而，天文學(xué)家發(fā)現(xiàn)地球的公轉(zhuǎn)軌道是個橢圓，公轉(zhuǎn)速度并不均勻，自轉(zhuǎn)速度也是時快時慢。另外，日、地、月相互吸引等因素使得地球自轉(zhuǎn)有長期變慢的趨勢。平均而言，日長每100年約增加1.6毫秒，從而導(dǎo)致用“天”來定義的秒長不固定。盡管它的變化幅度不過千萬分之一，但隨著航天、軍事等活動的開展，如此定義的秒長已經(jīng)無法滿足實際需求了。

后來，物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)，原子能級躍遷時發(fā)射或吸收的電磁波頻率是非常穩(wěn)定的，據(jù)此設(shè)計出的原子鐘可以走得極均勻。于是，1967年，第13屆國際計量大會用“原子秒”取代“天文秒”，確定秒是銫原子振蕩9，192，631，770次所需的時間。

原子時是目前為止最均勻的計時系統(tǒng)。2015年，科學(xué)家研發(fā)的鍶原子光晶格鐘精確度極高，160億年才產(chǎn)生1秒誤差！

銫原子在1秒內(nèi)可以振蕩這么多次！真是“一寸光陰一寸金”

你知道嗎

1秒內(nèi)“中國飛人”蘇炳添可奔跑約10.17米。

1秒內(nèi)獵豹在草原上可飛奔約30米。

1秒內(nèi)“復(fù)興號”動車組行進約97米。

1秒內(nèi)中國空間站圍繞地球行進約7800米。

電流的單位 安培（A）：讓人又愛又怕

安培是表示電流的單位，簡稱“安”。當(dāng)導(dǎo)線中1秒內(nèi)通過的電子數(shù)量約為6.24×1018個時，導(dǎo)線中的電流為1 安。

電是一種看不見、摸不著的能量。不過，我們可以通過電器的功率計算出它們正常工作時的電流。在我國，民用電壓是220伏，根據(jù)“功率=電壓×電流”，可以得知功率220瓦的電器正常工作時的電流為1安。

你知道嗎

電流為1A時可以使用的電器產(chǎn)品有筆記本電腦、電風(fēng)扇等。

需要較強電流的電器產(chǎn)品有電吹風(fēng)、電飯煲、微波爐等。

人體內(nèi)也有電流，人體心臟的跳動就是由電流來控制的。在人的胸部和四肢連上電極，就可以在儀器上看到控制心臟跳動的電流隨時間變化的曲線，這就是心電圖。通過心電圖可以了解心臟的工作是否正常。當(dāng)病人心臟停止跳動時，醫(yī)生就會使用除顫器—— 一種能將一定大小的電流傳送至心臟的儀器來搶救。

原來人體能自動充電，那我的身體里應(yīng)該也有電流吧。

熱力學(xué)溫度的單位 開爾文（K）：能量無極限

物質(zhì)由分子、原子構(gòu)成，溫度就是由分子運動產(chǎn)生的。分子完全停止運動時的溫度稱為絕對零度，即0開爾文（以下簡稱“開”），使用攝氏溫度計量的話，就是-273.15 ℃。

世界上沒有比絕對零度更低的溫度了，而絕對溫度沒有上限。

目前已知的宇宙中溫度最低的地方是距離地球約5000光年的“旋鏢星云”，它的溫度只有1開。太陽表面的溫度約為5778開，太陽中心部分的溫度超過1500萬開。

開爾文不僅是熱力學(xué)溫度的單位，還是色溫的單位。光的顏色與色溫有一定關(guān)系。色溫越低，光的顏色越接近紅色；色溫越高，光的顏色越接近藍色。

“旋鏢星云”真漂亮，不過，我去了那里會被凍成冰冰兔吧！

物質(zhì)的量的單位 摩爾（mol）：看起來很大

在生活中，12支鉛筆叫作1打；在造紙廠，500張紙叫作1令；在微觀世界，6.022 140 76×10²³個基本粒子叫作1摩爾。

假如將0.01摩爾的雞蛋垂直放置，我們可以覆蓋一個與太陽表面一樣大的區(qū)域！1摩爾看起來大得無法想象，但其實我們在日常生活中遇到的事物，它們的分子量往往數(shù)以億計。例如，一滴水大約為0.05毫升，其中就包含約10萬億億個水分子。

在物理學(xué)和化學(xué)領(lǐng)域，科學(xué)家們經(jīng)常跟分子、原子打交道，很容易出現(xiàn)極大的數(shù)。通過使用摩爾，就可以用一種更簡便的方式來表示粒子數(shù)。

摩爾，我替科學(xué)家們感謝您！

你知道嗎

由于不同粒子的質(zhì)量不同，1摩爾不同物質(zhì)的質(zhì)量也不同。

1摩爾水（H₂O）的質(zhì)量是18克。

1摩爾食鹽（NaCl）的質(zhì)量是58.5克。

發(fā)光強度的單位 坎德拉（cd）：最熟悉的陌生人

有了光，我們才能看見東西，但光有明有暗，有強有弱，除了用明亮、暗淡來形容，有沒有一個準(zhǔn)確的說法來描述它有多亮呢？

1880年愛迪生發(fā)明電燈時，使用“燭光”作為發(fā)光強度的單位。特定的一支蠟燭的發(fā)光強度為1燭光。愛迪生發(fā)明的電燈發(fā)光強度有16燭光，這是當(dāng)時電燈的競爭對手——煤油燈的最高發(fā)光強度。但是“燭光”的定義比較模糊，幾經(jīng)修改后，坎德拉（以下簡稱“坎”）成為新的發(fā)光強度單位。

坎德拉和英語單詞candle的讀音有點像，原來它和蠟燭真的有關(guān)系。

你知道嗎

一支直徑2厘米的蠟燭的發(fā)光強度約為1坎。

汽車年檢時，前照燈的發(fā)光強度不得低于1.5萬坎。

小新，我發(fā)現(xiàn)一個問題，為什么單位符號有的是大寫，有的是小寫？

你觀察得真仔細，這和單位名稱的來源有關(guān)。每個單位的誕生都離不開科學(xué)家們的努力，若單位名稱來源于人名，為表示對科學(xué)家的敬意，那么單位符號的第一個字母就需要大寫，如牛頓（N）、瓦特（W）、安培（A）、開爾文（K）等。升這個單位是例外，它并非來源于人名，本來應(yīng)該使用小寫，但是小寫的“l(fā) ”和數(shù)字“1”很容易混淆，因此許多國家都使用大寫“L”。

原來如此。我們生活中的每件事物都和單位有關(guān)系，無法想象不使用單位的一天會是怎樣。感謝科學(xué)家們讓世界更簡單、更方便。

是的，除了國際單位制的7個基本單位，日常生活中還隱藏了各種各樣的單位，這就等你慢慢去發(fā)現(xiàn)啦！