国际单位制

科学探究与测量

guó jì dān wèi zhì

国际单位制是科学上使用的、国际公认的测量系统,建立在米、千克、秒等基本单位之上。

Definition

国际单位制是世界各地科学家一致同意使用的测量单位,这样每个人的数字才有相同的含义:长度用米,质量用千克,时间用秒。国际单位制(SI)是公制的现代形式,定义了七个基本单位(米、千克、秒、开尔文、安培、摩尔、坎德拉),牛顿、焦耳这样的其他单位则由这些基本单位组合导出。国际单位制是自洽的,也就是说每一个导出单位都只是基本单位的幂的乘积,不带任何数值因子,因此方程可以不用换算常数来书写。自 2019 年起,全部七个基本单位都通过固定物理常数的取值来定义,使它们在任何实验室都可以复现,而不再依赖某一个实物基准器。

Example

在科学实验室里,你用米或厘米测量斜面,用克测量小车的质量,用秒测量时间,而不是用英尺、盎司和心跳次数。密度把以千克为单位的质量和以立方米为单位的体积结合起来,得到 $\text{kg/m}^3$,水的 $1.00\ \text{g/cm}^3$ 等于 $1000\ \text{kg/m}^3$。因为 $1\ \text{N} = 1\ \text{kg} \cdot \text{m/s}^2$,$1\ \text{J} = 1\ \text{N} \cdot \text{m}$,一辆 $0.50\ \text{kg}$ 的小车被举高 $0.40\ \text{m}$ 后获得的能量为 $mgh = 0.50 \times 9.8 \times 0.40 = 1.96\ \text{J}$,全程都不需要任何换算因子。

Key Insight

SI 是法语名称 Système International 的缩写,这正是夏洛特的科学家和东京的科学家能够不经任何换算就比较结果的原因。质量的基本单位是千克而不是克,它是唯一一个名称本身带有词头的基本单位。在同一个计算中混用不同的单位系统,是造成不易察觉的错误的一个经典来源,先把一切都换算成国际单位制,就能消除整整一类错误。