能量天平及千克单位重新定义研究进展

质量单位千克是国际单位制7个基本单位中惟一一个仍以实物定义和复现的基本单位.作为一种实物,其量值必然会因为环境因素及使用时的磨损而发生变化.但由于缺少更高一级的参考标准对其进行考察,国际千克原器的真实变化情况无从得知.国际计量委员会建议采用普朗克常数对千克重新定义,号召各个国家开展普朗克常数的精密测量研究工作,并要求至少有三种独立方案提供有效测量数据.自20世纪70年代起,英、美等国采用功率天平方案进行研究,国际阿伏伽德罗常数合作组织则采用了X射线单晶硅密度的方案.为了应对国际单位制的重大变革,2006年中国计量科学研究院提出了用能量天平法测量普朗克常数的新方案,其特点是可避免国外方案中困难的动态测量.2013年原型实验装置研制成功,证实了能量天平方案原理可行.此后,中国计量科学研究院开始了新一代能量天平装置的研制.2017年5月,中国计量科学研究院提交了普朗克常数的测量结果,不确定度为2.4×10~(-7)(k=1),该数据被国际科学数据委员会收入参考数据库.但由于数据的不确定度尚未进入10~(-8)量级,未被用于普朗克常数的定值.目前中国计量科学研究院正对几项主要的不确定度来源进行研究,预计在未来的两年内达可到10-8量级的不确定度.     

质量计量基准的建立、现状及发展

质量是最基本的物理量之一,其应用范围极其广泛.在国际单位制中质量是基本单位.质量的国际单位是"千克",它是用"国际千克原器"所具有的质量值来复现的."国际千克原器"是目前世界上复现质量单位唯一的"实物"基准.     

有可能用自然基准来定义“千克”吗?

众所周知,国际单位制(SI单位制)中有7个基本单位,它们是长度单位——米,质量单位——千克,时间单位——秒,电流单位——安培,温度单位——开尔文,发光强度——坎德拉和物质之量——摩尔。除了质量单位——千克外,其余6个单位都给定了明确的科学定义,例如: 1967年第十三届国际计量大会重新规定了时间位的定义:“秒是铯-133原子基态的两个超精细能及之间跃迁昕对应的辐射的9 192 631 770个周期的持续时间”。 1971年第十四届国际计量大会规定:“摩尔是一系统的物质的量,该系统中所包含的基本单元数与0.012千克碳-12的原子数相等”。 1983年第17届国际计量大会通过了米的新定义,即:“1米是光在真空中在1/299 792 458秒的时间间隔内行程的长度。”这一定义对提高长度的测量精度,保证基准的稳定性和可复现性都十分有利。 现在只剩下质量单位千克还要靠公认的实物——国际千克原器充当基准。这实在是和科学技术日新月异的发展形势极不相称。有人戏称国际千克原器是计量科学中的“末代皇帝”,早就该送进历史博物馆去了。     

用瓦特天平精确测量普朗克常数——重新定义千克

正在美国国家标准与技术研究院(NIST)最新型号的瓦特天平NIST-4已首次完成了普朗克常数(h)的测量,结果是h=6.62606983×10~(-34)J·s。这一高精度的结果足以被用来准确地定义国际单位制中的"千克"。近130年来,千克的国际定义是基于一块铂铱金属,它存放在巴黎国际度量衡局(BIPM)。这个国际千克原器一直被认定是国际单位制(SI)的基础。尽管千克原器的保存环境受到严格控制,铂铱金属其表面仍不可避免地会发生氧化,从而导致质量损耗。科学界一直想用一种基于     

阿伏伽德罗常量测定的进展与千克的新定义

简述国际千克原器的历史和重新定义千克的必要性，介绍阿伏伽德罗常数的意义和新近测定的进展情况，并讨论了通过阿伏伽德罗常量重新定义千克的可能性，结论是：经基本物理常量建立质量的自然基准已为时不远了，但还有一段很艰难的路要走。     

当代计量学的现状和发展③——更新计量基本单位——质量"kg"定义的研究

国际计量单位制中的质量基本单位－kg是以放在巴黎国际计量局的千克原器定义的。质量“kg”基准的质量比平均每年0．5μg增长率在增长。它质量变化早已超过国际质量“kg”比对的精度。从20世纪50年代，科学家们对更新质量“kg”的定义进行了广泛深入的探索与大量的科学研究，有望21世纪初将会有所突破，利用基本物理常量或原子的物理特 性建立量子化质量“kg”新定义。本简要介绍这些科学研究的现状和展望。     

阿伏伽德罗常数的测量及物质的量的新定义

自1971年以来,物质的量摩尔(mol)确定为国际单位制(SI)的7个基本单位之一,由0.012千克碳-12的原子数目定义为1摩尔,由此它与千克的定义具有相关的特性。在千克采用普朗克常数重新定义后,摩尔将采用阿伏伽德罗常数重新定义。文章介绍了重新定义所做的工作及新定义使用的原理和实验测定。这些结果对物理学、化学和计量学均有重要的意义。     

浅谈SI制中的人文化教学

 人文教育的目的是提高学生的品位、格调和情致,是追求人性中的真善美。在物理实验的绪论教学中,都要提到SI制,其中的7个基本单位有5个是直接测量量,即米(测长度)、千克(测质量)、秒(测时间)、安培(测电流强度)、开尔文(测温度)。如果能把它们的产生与定义还原到人文历史的长河中,进而展示出当年科学工作者们的胸怀和坚韧,或许是全面提高学生素质的方法之一。国际单位制(SystemofInternationalunits)是由国际计量大会通过一种单位制,国际代号是SI,中文代号为“国际制”。国际单位制是在国际公制和米千克秒制基础上发展起来的。     

国际单位制基本单位之一：摩尔（mole）——现代计理科学专题之八

摩尔是SI基本单位之一，摩尔对化学和物理计量很重要。摩尔的采纳使化学有了基本单位，从而结束了无量纲的历史。通过阿伏伽德罗常量、摩尔质量等，实现了化学各量之间的换算，同时有可能重新定义质量单位－千克．国际计量界已全面合作，致力于不断提高测量阿伏伽德罗常量的准确度，并已经取得一定成就。当前准确测量阿伏伽德罗常量的技术关键主要是制备高纯的、完美无缺的、超高圆度的单晶硅球；准确测量其直径、圆度、密度、原子量、晶格常量、空穴等。     

976 nm宽条形高功率半导体激光器的光束质量M2评价

为了提高976 nm宽条形高功率半导体激光器的光束质量,基于严格的二阶矩理论搭建了一套适用于高功率半导体激光器的光束质量检测装置。利用该装置测量了实验室研制的976 nm宽条形高功率半导体激光器在1～10 A工作电流下的束腰位置、束腰尺寸和远场发散角。实验结果表明,随着电流从1 A增加到10A,快轴方向束宽及远场发散角由于反导引效应有微小增加,但由于垂直方向较强的折射率导引机制使得光束参数变化很小,光束质量因子M~2仅从1. 32增加到1. 48,光束质量基本不变。慢轴方向由于反导引效应及热透镜效应而导致高阶模式激射,使得束宽及远场发散角随工作电流增加逐渐增大,光束质量因子M~2从5. 44增加到11. 76,光束质量逐渐变差。傍轴光束定义及非傍轴光束定义下的光束质量因子测试结果表明,在快轴方向,两者差别较大,不能使用傍轴光束定义近似计算;在慢轴方向,两者近似相等,可以使用傍轴光束定义近似计算。     

从三个参照系看“地球—卫星”系统

本文将从太阳、地球和“地球一卫星”系统的质心这三个参照系,来分析哪些守恒定律对“地球-卫星”系统是成立的。 “地球-卫星”系统是处在太阳的引力场中的,这是本文始终在考虑着的一个关键问题。 让我们先计算一下太阳对地球和卫星的吸引力(这是外力),以及地球与卫星之间的相互吸引力(这是内力): 万有引力常数(米2/秒2·千克) 太阳的质量(千克) 太阳中心到地球中心的距离 R=1.496× 1011(米) 地球的质量m=5.98×1024(千克) 地球的半径r=6.37×106(米) 卫星的质量产为10’(千克)的数量级 太阳对地球的引力为 太阳对卫星的引力为 (这里,取…     

米(长度单位)定义的现况和发展趋势

一、米原器和米定义的现况1.米原器 从1889年到1960年作为物理学中的长度单位─—米,一直是利用一根铂铱合金尺上两端部刻线间的距离来定义的.定义规定了固定的铂铱合金成份,冶炼方法,加工制造工艺,尺子的造型和使用条件……等[1].这是一个以实物作为计量的基准.计量学家称它为原器.米原器就是指在法国巴黎国际计量局保存的,按定义规定条件制成的　　形的铂铱米尺.由于刻划工艺,比较测量误差等原因,米原器的不确定度在10-7量级.这样一件实物基准必然有以下不可克服的缺点:(1)原器的准确度受材料老化和机械变形影响,(2)原器只能安放在一个指…     

应用似然函数比以及Fourier变换计算置信度的解析方法

新粒子寻找的实验结果要通过计算置信度来解释,置信度的定义或是基于新粒子与本底并存的假设,或是基于唯有本底存在的假设.通常的计算方法是产生大量的toy Monte Carlo实验,这些实验按照某种定义的估计值的大小以顺序排列,然后将真正观测到的实验的估计值与之相比较,从而得到置信度.本文则介绍一种新的计算方法,通过定义似然函数比为实验的估计值,并应用Fourier变换,用解析的方法计算出置信度,与toy Monte Carlo方法相比,解析方法可极大地提高计算的速度和精度.     

HXMT准直器方案的优化设计

空间硬X射线调制望远镜(HXMT)的性能与探测器的总灵敏面积紧密相关. 利用蒙特卡罗工具对仪器的本底和点扩展函数进行计算分析, 提出了一种优化的准直器构造方案, 能减少探测单元总质量80多千克, 相当于至少5套新探测单元质量. 在同样的卫星载荷质量限制下, 新方案可以增加探测单元, 达到增大总探测灵敏面积, 提升HXMT灵敏度和角分辨率等性能的目的.     

掠入射法测量液体折射率实验现象分析

掠入射法是基于全反射定律,采用几何光学原理来测量液体折射率的一种方法.文中对掠入射法测量透明液体折射率实验中出现的干涉条纹进行了定量分析,认为在分光计望远镜中观察到的干涉条纹是光线进入辅助透镜和直角棱镜间被测薄液膜干涉形成的,通过定义干涉条纹疏密度,对于薄膜引起的光程差与干涉明纹(或暗纹)间距两者间的关系进行讨论,其讨论的结果与实验结果一致.     

为什么把常量称为常数不妥？

<正>2019年3月,科学出版社出版了物理学名词委正式公布的《物理学名词》(第三版)^[1],其中与constant相关的部分术语的中文译名如表1所示。同年5月14日,计量学名词委员会对国际上新公布的关于“千克”、“开尔文”、“摩尔”等SI基本单位的英文定义,发布了《中文新定义》^[2]。     

自调心伪双CCD光切360°三维轮廓测量系统

针对双 CCD三角测量系统的调心问题,提出一种利用单 CCD辅以可控机械回转臂实现光切 360°三维轮廓测量的新方案,给出了测量原理及系统结构,并详细介绍了映射函数法标定系统的原理及其具体实现.实物测量结果表明,该方法除具有双 CCD光切测量系统的全部优点外,测量系统可实现自动定心,后序数据融合简单,测量精度高,系统造价较低.     

基于无约束系统的结构光三维测量方法

针对传统结构光系统进行三维测量时,要求满足双瞳平行于参考平面和摄像机光轴垂、直于参考平面这两个强约束条件,建立了新的系统结构,去除了平行和垂直的约束,摄像机和投影仪位置可自由摆放.基于该无约束系统结构,提出了一种新的系统标定方法,通过重建"投影仪摄像机参考平面"三者的空间关系,可以简便而精确地获取传统"高度相位"公式中参量:双瞳的距离和摄像机到参考平面距离;同时,推导了无约束系统结构下新的物相关系方程和高度计算公式.实物测量结果证明,基于无约束系统的结构光三维测量方法可操作性强,测量精度可达0.1 mm.     

国际单位制基本单位“米”的定义

国际单位制的长度单位“米”,自开始创立米制时就是最基本的单位.米制就由它的名称而得名.1790年法国科学院建议,以通过巴黎的子午线四分弧长的一千万分之一为长度的基本单位.1791年,法国国民议会通过法律确定了该单位的定义,并称之为metre(米).显然,这个米的定义是由自然基准体现的.但是,经过艰苦地测量和计算子午线之后制造出的米基准器,后来证明,它的长度并不严格等于地球子午线的四千万分之一,而是比原来的定义短一些.因此,1872年国际米制委员会决定变更原来的米定义,改用已制成的实物基准来定义米.由于当时这个米基准器保存在法国档案…     

基于调制度测量的三维轮廓术

介绍了基于调制度测量的三维轮廓术的测量方法的原理和过程,并给出了实物测量。结果证明它在原理上是正确的、可行的、。此方法对三维轮廓术、三维传感及机器视觉的应用具有重要意义。