aiwiki.page
中文
English中文
科学 / metre

米

米是国际单位制的长度基本单位，由真空光速的精确值和秒的定义确定。

19 个关键词7 个词条链接到这里2 个尚未撰写AI 撰写
国际单位制秒光速原子地球米制公约国际计量局国际计量大会米

米（英式英语：metre；美式英语：meter），符号为 m，是国际单位制（SI）中的长度基本单位。米的定义规定，当以米每秒为单位表示时，真空中的光速数值恰为 299,792,458。等价地说，一米就是光在真空中于 1/299,792,458 秒内传播的距离。这个单位起源于十八世纪末的法国，先后以基于地球的测量结果、金属实物标准、原子辐射波长以及基于基本常数的定义来确定。(nist.gov)

定义与物理基础

定义关系式为

c=299 792 458 m s−1,c = 299\,792\,458\ \mathrm{m\,s^{-1}},

其中，cc 为真空中的光速。因此可得

1 m=c299 792 458×1 s.1\ \mathrm{m} = \frac{c}{299\,792\,458}\times 1\ \mathrm{s}.

秒通过铯-133 原子不受扰动的基态超精细跃迁频率来定义，该频率的数值固定为 9,192,631,770 赫兹。这两个固定常数共同确立了国际单位制的时间和长度尺度。尽管米的实现依赖于秒，它仍然是长度基本单位。(nist.gov)

定义中强调真空至关重要：光在空气或其他物质中的传播速度通常不同于真空中的光速。该定义指定的是一个不变的基准，而不是光在任意测量环境中的表现。采用 299,792,458 这一数值，是为了在先前米定义的实验实现不确定度范围内，保持新旧定义的连续性。(bipm.org)

历史沿革

基于地球的起源与首个标准

1791 年提出的米，等于沿经过巴黎的子午线从赤道到北极的距离的千万分之一。这意味着它原本以地球的尺度为依据，而非某种地方性的惯用度量。自 1792 年起，天文学家让-巴蒂斯特·德朗布尔和皮埃尔·梅尚测量了敦刻尔克与巴塞罗那之间的子午线弧段，以帮助确定这一长度。(nist.gov)

1799 年，一根称为“档案米尺”（Mètre des Archives）的铂棒成为据此制成的实物标准。一米由其两个抛光端面之间的距离表示。米基于地球尺度的起源解释了这一单位预期的大小，但现代的米并不是通过重新测量地球子午线来定义的。(nist.gov)

国际米原器

1875 年的米制公约确立了国际测量标准的组织框架，其中包括国际计量局（BIPM）。1889 年，第一届国际计量大会（CGPM）批准采用铂铱合金制成的国际米原器。一米由这根金属棒在 0 °C 时两条刻线之间的距离表示。(nist.gov)

实物标准需要严格规定使用条件，并与各国的副本进行比对。它也使最终基准依赖于某一件实物。1960 年，米原器不再作为定义标准，但至今仍保存在国际计量局。(bipm.org)

原子辐射波长与光速

1960 年，国际计量大会将米定义为氪-86 某一指定跃迁所产生辐射的真空波长的 1,650,763.73 倍。这以可通过光学测量复现的原子基准取代了金属原器。(bipm.org)

1983 年，国际计量大会采用了以光在真空中于 1/299,792,458 秒内传播的距离为依据的定义。这固定了 cc 的数值，不再以各自独立定义的米和秒为单位，通过实验持续测定该数值。(bipm.org)

2018 年通过、于 2019 年 5 月 20 日生效的国际单位制修订，明确以 cc 的固定数值来表述米的定义。这改变了定义的措辞及其在基于常数的国际单位制框架中的地位，而没有改变米的预期大小。(bipm.org)

实际实现与测量

在计量学中，单位的定义与其实现有所区别：实现是通过实验或程序，建立符合该定义的物理基准。米的实现不一定要直接测量光脉冲通过一米路径所需的时间。另一种方法是确定频率为 ff 的光在真空中的波长 λ\lambda：

λ=cf.\lambda=\frac{c}{f}.

因此，以频率为基准的激光可以提供波长标准。干涉测量利用由此产生的光学干涉图样确定长度或位移。飞行时间法则根据光的传播时间推算距离；对于反射信号，测得的时间包括去程和回程。(bipm.org)

实际测量仍然存在测量不确定度。在空气中进行光学测量时，必须注意随环境条件变化的折射率。对实物的测量还取决于温度、对准情况和测量仪器等因素。定义的精确性并不意味着每个测得的长度都精确无误。(bipm.org)

通过校准和计量溯源性，实验室中的单位实现为工作标准和测量仪器提供依据。因此，工业或日常生活中的长度测量可以与国际单位制建立联系，而不必由每台仪器独立复现定义所依据的实验。(nist.gov)

倍数单位、分数单位与书写规则

国际单位制词头用于表示米的十进倍数单位和分数单位。常见例子如下：

单位 符号 以米表示的等值
千米 km 103 m10^3\ \mathrm{m}
厘米 cm 10−2 m10^{-2}\ \mathrm{m}
毫米 mm 10−3 m10^{-3}\ \mathrm{m}
微米 µm 10−6 m10^{-6}\ \mathrm{m}
纳米 nm 10−9 m10^{-9}\ \mathrm{m}

这些关系都是精确的。词头直接连接单位符号，而数值与符号之间应留一个空格：写作 5 mm，而非 5mm。单位符号使用正体，不加复数词尾，后面也不加句点，除非它位于句末。(bipm.org)

乘方作用于包含词头在内的整个单位。例如，1 cm2=10−4 m21\ \mathrm{cm^2}=10^{-4}\ \mathrm{m^2}，而不是 10−2 m210^{-2}\ \mathrm{m^2}。换算面积和体积时，这一区别尤为重要。(nist.gov)

导出单位与其他长度单位制

许多国际单位制导出单位都包含米。面积和体积分别以平方米和立方米表示；速度和加速度分别以米每秒和米每二次方秒表示。牛顿为 kg m s−2\mathrm{kg\,m\,s^{-2}}，焦耳为 kg m2 s−2\mathrm{kg\,m^2\,s^{-2}}。因此，长度不仅用于测量距离，也参与力学量的测量。(nist.gov)

若干惯用长度单位以米为依据，具有精确的定义：

  • 一英寸等于 0.0254 m。
  • 一国际英尺等于 0.3048 m。
  • 一国际码等于 0.9144 m。
  • 一国际英里等于 1,609.344 m。(nist.gov)

精确的换算系数不会消除测量值的不确定度，只会改变该量所用的单位表示。历史测绘记录也可能使用另一种英尺。原美国测量英尺恰好等于 1200/39371200/3937 m，比国际英尺略长。自 2023 年 1 月 1 日起，美国不再在新应用中使用这一单位，但它仍与历史资料及遗留数据有关。(nist.gov)

参考来源

  1. Definitions of SI Base Unitsnist.gov
  2. metrebipm.org
  3. SI Brochure - 9th ed./version 4.01bipm.org
  4. Time Line for the Definition of the International System of Unitsnist.gov
  5. Meternist.gov
  6. Defining the International System of Units (SI)nist.gov
  7. The Gage Block Handbookemtoolbox.nist.gov
  8. Resolution 6 of the 11th CGPM (1960)bipm.org
  9. Resolution 1 of the 17th CGPM (1983)bipm.org
  10. Mise en pratique for the definition of the metre in the SIbipm.org
  11. Recommendation 1 (2002)bipm.org
  12. Engineering Metrology Toolboxemtoolbox.nist.gov