公斤

Article

May 24, 2022

千克(也称为千克)自 1901 年以来一直是质量的国际标准单位,使其成为 SI 的七个基本单位之一。

带前缀的基本单位

千克是 SI 中唯一在其名称中带有 SI 前缀 (kilo) 的基本单位。由于历史和实际原因,一直保持这种状态。选择一个新名称会更合乎逻辑。一公斤等于一千克。然而,公斤,而不是克,是一个基本单位。

标准公斤

直到 2018 年 11 月,SI 系统将千克定义为等于国际原型(“IPK”,国际千克原型,或“le Grand K”)的质量,该原型由铂和铱合金制成并保存在法国塞夫勒的国际度量衡局(BIPM)(国际度量衡局)。千克的国际原型于1889年试制。它是一个由90质量%铂和10质量%铱组成的圆柱体,高和直径为39.0毫米。自 1960 年以来,千克是唯一一个仍与人造物体而非物理属性相关的 SI 单位。标准公斤的官方副本可作为国家原型。比利时有两个副本:编号 28 和 37。它们保存在联邦公共服务经济、中小企业、个体经营者和能源的国家标准部。荷兰的标准,副本号 53,位于代尔夫特的 VSL(Van Swinden 实验室)。在阿姆斯特丹国立博物馆可以欣赏到荷兰早期的大众标准。然而,标准圆柱体的质量随时间不是恒定的。这是通过比较参考圆柱体的质量与该圆柱体的副本质量来确定的。由于没有更高的标准,无法确定一个圆柱体的质量是增加了还是另一个圆柱体的质量减少了,但从那时起,人们努力创造了一个新的公斤,一个不依赖于实物的公斤。这包括计算单晶硅球体中硅原子的数量,并从物理常数中推导出千克。然而直到2018年,不同的方法之间仍然存在太多差异,以至于巴黎的国际公斤仍然代表质量单位。

公斤的定义

1795

1795 年,法国科学院将克定义为 0 °C 下 1 cm3 蒸馏水的质量。然而,水会蒸发,重水的比例也造成了测量问题。因此,必须创建非易失性标准。然而,一克太小,无法用于此目的,因此制造了 1000 克的原型,即 1 公斤,作为临时标准。

1799

1799 年,当米的长度略有变化时,也创造了一个新的标准公斤,即公斤 des Archives,这次由耐腐蚀的铂金制成。质量与前一个的不同不仅在于仪表略有变化,而且现在人们意识到使用最大密度(4°C)的水更准确。

1875年

1799 公斤被证明不是时间单位;纯铂金太软,容易被划伤。因此,1875 年决定使用更硬的合金。新的圆柱形千克由 90% 的铂和 10% 的铱制成。目的是获得更稳定的标准;质量没有改变。

2019年

发现标准公斤的质量与其副本的质量不同。除其他外,空气中的污染物会附着在气瓶上,每年大约有 1 µg。 1939 年至 1946 年间,BIPM 就标准化的清洁程序达成一致:用等量的乙醚和乙醇刷洗,用双蒸水蒸,晾干 7-10 天。每次清洁可去除 5 至 60 µg 污染物。再次清洗去除了 10 µg。在 1980 年代,人们再次确认(尽管清洁)原型和副本的质量相对于彼此并不是恒定的。这可能是由空气中的杂质引起的,或者是由于清洁气瓶造成的,气瓶中也可能含有一些金属。2007 年,BIPM 的专家确定,与几十个副本的平均值相比,原型的质量偏差约为 50 µg。这迫使科学家们寻找新的定义。根据基本单位的重新定义,千克是通过给普朗克常数一个特定的精确值来定义的。理论上导致的质量数值的相对变化是普朗克常数(在固定之前)相对不精确的数量级,估计为 4.4 × 10-8。 2014 年 11 月 18 日至 20 日召开的第 25 届度量衡大会将决定推迟到第 26 次大会。2018 年 11 月 16 日,凡尔赛会议同意将普朗克常数固定为 6,626 070 15 × 10−34 kg·m2·s−1。因此,千克现在基于米和秒。自 1983 年以来(通过关于光速的协议),米也转而以秒为基础。自 1967 年以来,秒的定义基于铯 133 原子在给定的、不变的条件下发出的辐射频率。总的来说,千克的定义中没有更多可能的可变因素。千克的新定义于 2019 年 5 月 20 日生效。 基于经典力学,这意味着千克的定义方式是,例如,频率为 1 赫兹的光子的能量(因此最小的,该频率的不可分割的辐射能量)对应于在 1 米的距离内使 1 千克的质量获得 6,626 070 15 × 10−34 m/s2 的加速度所需的能量。

直接根据三个自然常数定义

依次应用爱因斯坦方程和普朗克方程给出以下质量方程:E m c 2 h f ⟹ m h f c 2 [ ( k g × m 2 × s − 1 ) ( s − 1 ) (m × s − 1 ) − 2 ] , {\displaystyle Emc^{2}hf\;\Longrightarrow \;m{\frac {hf}{c^{2}}}\qquad [{\rm {(kg\次 m^{2}\次 s^{-1})(s^{-1})(m\times s^{-1})^{-2}}}],} 其中 E 是质量为 m 的粒子,c 是真空中的光速,h 是普朗克常数,f 是量子跃迁的频率。 h、f 和 c 的单位以 kg(千克)、m(米)和 s(秒)表示。使用确定的 h、f 值(铯 133 中的超精细跃迁,f ≡ Δ ν C s {\displaystyle f\equiv \Delta \nu _{\rm {Cs}}} ) 和 c,千克的以下值如下: 1 k g ( 299792458 ) 2 6,626 07015 ⋅ 10 - 34 ⋅ 9192631770 h Δ ν C s c 2 ≈ 1,475 5214 ⋅ 10 40 h Δ ν C s c 2 。 {\displaystyle 1\,{\rm {kg}}{\frac {(299792458)^{2}}{6{,}62607015\cdot 10^{-34}\cdot 9192631770}}\ {\frac {h \,\Delta \nu _{\rm {Cs}}}{c^{2}}}\approx 1{,}4755214\cdot 10^{40}\ {\frac {h\,\Delta \nu _ {\rm {Cs}}}{c^{2}}}\,.} 注意 h Δ ν C sc 2 {\displaystyle {\frac {h\,\Delta \nu _{\rm {Cs}}}{c^{2}}}\,} 是一个光子的质量那个频率。因此,定义千克的具有三个自然常数的表达式是一个自然常数,也可以很容易地直接描述。} 是该频率光子的质量。因此,定义千克的具有三个自然常数的表达式是一个自然常数,也可以很容易地直接描述。} 是该频率光子的质量。因此,定义千克的具有三个自然常数的表达式是一个自然常数,也可以很容易地直接描述。

可能的混淆

公斤作为(错误的)重量指示

公斤被认为是日常语言中的重量单位。从物理上讲,这是不正确的。重量是物体施加在物体所在(或悬挂)的表面(或悬挂点)上的力。如果物体静止(或匀速运动),即其加速度为0 m/s2,则其重量等于施加在物体上的重力。一个质量为 1.0 千克的物体(在地球表面)重约 9.81 N(牛顿),可以通过公式 F zm ⋅ g {\displaystyle F_{z}m\cdot g } 计算,其中g代表重力加速度(或重力加速度),在地球表面大约等于 9.81 m/s2。因为月球上的引力没有地球那么大,所以月球上的一切都比地球上的要轻。地球上一公斤糖在月球上的质量仍然是一公斤,因为糖仍然是由相同数量和相同的粒子组成的,但是月球上带来的地球秤甚至不会表示200克公斤糖。实际上,天平上应该提到的不是千克,质量单位,而是重量(和力)单位:牛顿。以上适用于背压采用弹簧的秤,国内大部分秤都是这种情况。天平(带有两个秤)比较两个重量。用天平观察,也在月球上,糖包的重量(因此质量相同)与 1 公斤的重量相同。尽管如此,贸易中的“重量”总是以公斤表示。在日常用语中(不是在科学中)单位克经常被省略,例如一公斤糖。弹簧秤的原理也很快导致这种混乱,因为这种类型的秤实际上测量重力,但是(通过使用公式 F zm ⋅ g {\displaystyle \ F_{z}m\cdot g } 进行转换)显示质量.所以与其指出 98.1 N 的实际重量,这被转换为 10 公斤的质量,这就是人们所读到的。如果物体的“重量”以千克为单位给出,那么实际上就是质量。另一方面,如果要以千克表示重量,过去人们有时会选择以千克力(kgf,kg-force)来表示。 1 kgf 的重量(力)等于 9.81 N。但是,千克力不是真正的千克,因此不建议使用此方法。但是,千克力不是真正的千克,因此不建议使用此方法。但是,千克力不是真正的千克,因此不建议使用此方法。

千克作为质量的正确名称(有时称为不正确的重量)

在日常语言中,当我们真正指的是质量时,我们经常谈论“重量”。一个人买一公斤糖,一定数量。人们说“重量”,但意思是“质量”。如果你在这里或在月球上购买 1 公斤糖,你就购买了一定量的糖。然而,地球上的糖被吸引的力比月球大:同样数量的糖在地球上比在月球上的重量更大。

之前的陈述没有矛盾

拿那袋 1 公斤糖(一定量)。如果一个是指糖的量,那么你可以谈论 1 公斤,而一个是在谈论质量。这在地球和月球上都是一样的。说到万有引力,应该说地球上的 9.81 N 和月球上的 1.62 N,但这里有重量而不是质量。在那种糖的情况下,人们当然不会经常意味着力量。

进一步说明

在土壤的情况下,下标 ds 有时会添加到单位 kg 中,表示干燥土壤。特定成分(例如污染)的存在程度则具有例如g/kgds、mg/kgds或μg/kgds的单位。

另见

瓦特平衡 磅(质量)、盎司(质量)、吨(质量) 质量块

外部链接

(和) SI 单位