公斤

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公斤
CGKilogram.jpg
國際公斤原器的電腦渲染圖
單位信息
單位制: 國際單位制基本單位
量的名稱 質量
符號: kg
單位換算
1 kg 相當於
   市制單位    = 2 市斤
   台制單位    ≈ 1.667 台斤
   美國慣用單位    ≈ 2.205
   自然單位    ≈ 4.59×107 普朗克質量

公斤(符號kg),又稱千克國際單位制質量基本單位。在國際單位制的七個基本單位中,公斤是唯一一個帶有詞頭的基本單位。

目前,公斤是國際單位制基本單位中唯一仍使用實物進行定義的單位,即被定義為國際公斤原器的質量[1]。2011年國際度量衡大會(CGPM)會議原則性同意以普朗克常數重新定義公斤,並計劃於2014年會議上做出最終決定。

質量的性質[編輯]

A kitchen scale with one scalepans and a dial to indicate the weight
測量重量:利用重力吸引待測物,使彈簧收縮的量來量測
A beam balance with two scalepans and a selection of weights.
測量質量:設法使待測物上的重力和砝碼上的重力平衡

公斤是質量的單位,而質量就相當於日常說的一樣東西有多「重」。然而,質量實際上是一個帶「慣性」的性質;也就是說,一物體會在無外的情況下傾向於保持既有的速度。當一質量為一公斤的物體在一牛頓的力作用下,會以每秒平方一米的加速度(約相等於地球重力加速度的十分之一)加速。

愛因斯坦提出狹義相對論之後,質量實際上有兩種定義:慣性質量重力質量

物質的重量完全隨本地的重力強度而定,而質量則不變(設該質量並非以相對論性速度相對於觀察者運動)。相應地,在微重力下的宇航員不需任何力氣就能舉起太空艙內的物體;因為物體「沒有重量」。然而,物體在微重力下仍保有其質量,宇航員需使出十倍的力才能把十倍質量的物體以相同的加速度加速。

歷史[編輯]

早期定義[編輯]

法國在1795年4月7日頒佈了關於度量衡的法律,其中規定為「在冰融化時的溫度下,體積等於邊長為一厘米(1/100米)的立方體的水的絕對重量」。[2]

由於克是一個非常小的單位,日常的商貿生活中所涉及的物品質量遠大於克;同時,基於特定體積的水定義的質量也難以方便與準確的復現,法律的實施需要一個基於該定義的實物基準。於是,人們專門製造了一件質量1000克的金屬器臨時作為公斤基準。

與此同時,法國政府組織科學家開始了精確測定一立方分米(一公升[註 1] )水的質量的工作。[2]雖然,先前法律中對公斤定義選取的特定體積水的溫度點為0 °C,這一溫度點非常穩定,但是經過數年的研究,在1799年,法國化學家勒費貝-紀諾法語Louis Lefèvre-Gineau和意大利博物學家法布羅尼意大利語Giovanni Fabbroni決定修改定義,取水處於最穩定的密度點時的體積(即水在密度最大時的體積),而當時測定水的密度在4 °C時達到最大。[註 2][3]最終,他們的結論是一立方分米密度最大時的水的質量為4年前製造的公斤基準器質量的99.9265%。[註 3] [4] 同年,人們以儘可能的接近(在當時的科技條件的許可的情況下)4 °C時一立方分米水的質量為目標,製作了一件純鉑的公斤原器。該原器於六月被送交法國檔案局,並於1799年12月被正式確認為「檔案局公斤」(Kilogramme des Archives),公斤被定義為等於它的質量。該基準器使用了九十年。

國際公斤原器[編輯]

十九世紀七十年代,法國政府贊助了一系列的會議。人們在這些會議上意識到應該使用鉑銥合金而不是純鉑來製作公斤原器。1875年5月20日,17個國家在法國巴黎簽署米制公約英語Metre Convention,建立公制體系(這一體系以後發展為國際單位制體系)。該公約產生了國際計量大會國際計量委員會國際計量局三個組織。在這之後人們製造了一批使用鉑銥合金的公斤標準砝碼,其形狀是高度和直徑均為39.17mm的直立圓柱體。1889年,依照公約召開了第一次國際計量大會,批准將其中最接近檔案局公斤的一件作為國際公斤原器。不過,直到1901年的第三次國際計量大會上才將國際公斤原器的質量定義為公斤。國際公斤原器於是作為公斤的標準砝碼一直使用到今天。一公斤標準物被保存於一口鐘形罩內,存放在國際計量局(該局位於巴黎附近的塞弗爾)。標準砝碼一直被安置在法國(巴黎塞夫爾)一座城堡中、一個防止它與外界接觸的保險箱裡 [5]

公斤的重要性[編輯]

國際單位制中基本單位的相依性。許多國際單位制中單位的大小,包括大部份電學和光度相關的單位,都高度的和公斤的穩定性有關。

作為國際單位制中的七個基本單位,公斤的穩定性非常重要。例如力的單位牛頓就是定義為使一公斤的物體有1m/s²的加速度,若國際公斤原器的質量有輕微的變動,牛頓的大小也會有相同程度的變動。而壓強的單位帕斯卡的定義有用到牛頓,因此也會隨之變化。這様的連鎖反應會影響許多的單位,例如能量單位焦耳的定義是用以一牛頓的力使物體位移一米所作的功,而功率單位瓦特的定義則是單位時間所作的力,都會受到影響。電流單位安培的定義也和力學單位牛頓有關,因此公斤的變化會影響安培的大小.也會影響其他電磁學的單位,例如庫侖伏特忒斯拉韋伯等。甚至光度基本單位坎德拉也會受到影響,而流明勒克斯也隨之影響。

因為許多國際標準制單位的大小都和一個已使用135年、高爾夫球大小、金屬製的國際公斤原器有關。因此國際公斤原器的品質需要認真保護,以維持國際標準制的一致性。儘管有最好的保護,但是自從25 年前的第三次週期性校正至今.全世界的國際公斤原器複製品的平均質量已和國際公斤原器有 5.7 µg的誤差。。世界各國的量測實驗室要在第四次週期性校正時才能確定質量變化的歷史趨勢是否會持續。

公斤的未來[編輯]

但是目前的研究表明,國際公斤原器的質量隨着時間的推移會發生微小的變化。同時,為了防止過度的使用對國際公斤原器造成損傷,國際公斤原器也不能經常性使用。這些因素都給更精確地測量質量帶來不便。

目前世界上有許多科研小組試圖使用各種方法,對公斤進行重新定義。相關的計劃包括將公斤與阿佛加德羅常數相聯繫,重新測定阿佛加德羅常數,製作一個完美的硅28球體作為公斤標準[6];製造瓦特天平,通過普朗克常數質量之間的關係確定公斤的大小[7]

在2005年,國際度量衡委員會CIPM)已經建議以基本物理常量為基礎對公斤進行重新定義[8],並於2010年10月向國際度量衡大會(CGPM)提議以普朗克常量重新定義公斤。[9][10]2011年10月的國際度量衡大會第24次會議原則性同意該提議[11],並決定將原定2015年的第25次會議提前至2014年舉行,屆時做出最終決議。[12]

單位換算[編輯]

1 公斤 = 0.001

1 公斤 = 1,000

1 公斤 = 1,000,000 毫克

1 公斤 = 1,000,000,000 微克

1 公斤 = 26.659 兩(香港) 1 公斤 = 1.653 斤(香港)

相關條目[編輯]

註解[編輯]

  1. ^ 當時定義克的法律也定義升為「體積計量單位, 可用於固體及液體, 為一立方米的十分之一。」法語原文如下:「Litre, la mesure de capacité, tant pour les liquides que pour les matières sèches, dont la contenance sera celle du cube de la dixièrne partie du mètre.」
  2. ^ 現代測量結果表明水在最大密度時的溫度為 3.984 °C. 但是在十八世紀晚期的科學家都斷定這個溫度是 4 °C.
  3. ^ 臨時公斤標準已經被按照早期由安托萬·拉瓦節阿羽依在法國一個不久就過時的名為 poids de marc 系統所測量出的單一和不準確的水密度來製造,當時測得一立方分米0 °C蒸餾水含18,841格令。由Lefèvre‑Gineau和Fabbroni所做的新的準確度更高的測量斷定一立方分米在新溫度標準4 °C——水最「密集」的時候——下的水質量要比之前猜測的最的0 °C不準確的測量值更小一些,為18,827.15格令。

    法國政治家塔列朗在法國提倡公制系統,1791年3月26日,塔列朗提出一份有關如何繼續公制計劃的草案,四天後法國政府組織一個委員會,目的是準確的決定新的公制系統的基本單位。委員會將任務分為五份,對應委員會中的五個組。確定一立方分米水的質量的任務一開始是交給安托萬·拉瓦錫勒內·茹斯特·阿羽依,最後是由勒費貝-紀諾法布羅尼所完成。

    拉瓦節是當時法國二十八個稅務官之一,在法國大革命恐怖統治時間中被控叛國罪,並且在1794年5月8日被斬首。阿羽依也入獄,差點還上了斷頭台,後來是在一位博物學家的說情下才倖免於難。

資料來源[編輯]

  1. ^ Resolution of the 1st CGPM (1889). BIMP. 
  2. ^ 2.0 2.1 Decree on weights and measures. 1795-04-07. "Gramme, le poids absolu d'un volume d'eau pure égal au cube de la centième partie du mètre , et à la température de la glace fondante." 
  3. ^ L'histoire du mètre, la détermination de l'unité de poids. 
  4. ^ Ronald Edward Zupko. Revolution in Measurement: Western European Weights and Measures Since the Age of Science. DIANE Publishing. 1990. 
  5. ^ History of the kilogram. [2013-07-19]. 
  6. ^ 科學家藉助硅球重新定義質量單位「千克」. 新華網. 2008年04月17日 [2011-04-26].  }
  7. ^ 如何重新定義一千克?. 譯言網. 2011年4月11日 [2011-04-26]. 
  8. ^ 94th Meeting of the International Committee for Weights and Measures (2005). Recommendation 1: Preparative steps towards new definitions of the kilogram, the ampere, the kelvin and the mole in terms of fundamental constants
  9. ^ NIST Backs Proposal for a Revamped System of Measurement Units. Nist.gov. [2011-04-03]. 
  10. ^ Ian Mills. Draft Chapter 2 for SI Brochure, following redefinitions of the base units. CCU. 29 September 2010 [2011-01-01]. 
  11. ^ Resolution 1 - On the possible future revision of the International System of Units, the SI, 24th meeting of the General Conference on Weights and Measures. Sèvres, France. 17–21 October 2011 [2011-10-25]. 
  12. ^ General Conference on Weights and Measures approves possible changes to the International System of Units, including redefinition of the kilogram., 新聞稿. Sèvres, France: General Conference on Weights and Measures. 23 October 2011 [2011-10-25]. 

外部連結[編輯]