公制的工作原理

现代公制的起源可以追溯到加布里埃尔·穆顿，他是法国里昂圣保罗教堂的牧师，也是一位著名的天文学家数学家．1670年，木东设想了一种基于经度一分钟长度的测量系统(记住，经度和纬度的每一度都有60分钟)。他进一步提出，长度单位应该基于十进制算术，或以10的幂为基础。他还建议使用前缀来减少命名约定的随意性。

法国科学家继续修改和完善木东的想法，但它们从未正式成文，直到法国大革命．在1790年法国科学院成立时，国民议会要求法国科学院“推导出一个适用于所有度量衡的不变标准”。该学院随后任命了一个委员会来开发该系统，并规定最终解决方案必须既简单又科学。委员会借鉴木桐的做法，确立了三个基本原则:

该委员会将长度单位命名为“米”(在美国是“米”)，以希腊单词命名密特隆，意思是“测量”。接下来的任务是确定一米的确切长度。这个任务落到了两个人身上，皮埃尔·米尚和让·德兰布尔，他们花了六年时间，艰苦地测量了从西班牙巴塞罗那到法国北部敦刻尔克的子午线上的距离。他们的测量结果是米的值等于“地球子午象限的千万分之一”。其他单位来自精确定义的仪表。例如，克等于一立方厘米的纯水在其密度最大的温度下的质量;升的体积相当于一面10厘米(4英寸)的立方体的体积。

这是公制的第一个化身，法国于1795年正式采用公制。四年后，科学家们用铂制作了米和公斤的标准。这些文件也得到了法国政府的正式承认，并存放在安全的地方，以便根据需要制作副本。

接下来，公制风靡全球。

由于拿破仑在整个19世纪初征服了欧洲，其他国家（有些国家比其他国家更不情愿地）采用公制作为国家计量体系。

1875年，巴黎召开了一个特别大会，包括美国在内的17个国家的代表齐聚一堂。这些国家在大会期间忙着签署《米条约》，成立国际度量衡局，设立一个国际度量衡委员会来管理该机构，并由度量衡大会来考虑和通过变更。该条约还规定，巴黎在Sèvres设立一个实验室，用于存放国际公制标准，并允许将这些标准分发给每个批准国。1890年，美国收到了国际米制和公斤制的复制品。

1954年，第十届度量衡大会(General Conference on Weights and Measures)开始重新设计公制，以更好地适应科学和技术社区的需要。修订确立了七个基本单位和简化公制单位的定义、符号和术语。这项工作一直延续到第11届国际会议，在1960年，会议成员批准并批准了新的体系，称之为国际单位制，简称SI。

国际单位制是公制的现代形式，尽管这两个名称可以互换使用，但国际单位制在技术上更为精确。接下来，我们来看看SI的组成部分——七个碱基单位。

在我们进入基本SI单位之前，让我们将测量作为概念进行审查。测量某些内容时，使用仪器或设备来确定对象的一些物理量。例如，您使用标尺来测量长度，测量质量和a的比例温度计测量温度。这些仪器都标有标准单位，以确保一个观察者的测量与另一个观察者的测量相匹配。从理论上讲，每个标准单位都可以追溯到一个原型——特定单位的原型示例。

在早期版本的公制系统中，原型是物理对象，例如标准仪表棒或标准千克栏。当大会在1960年的权重和措施改造公制系统时，它基于物理对象更换单位，基于宇宙的稳定属性，具有单位的物理描述。事实上，仍由对象定义的唯一单位是千克。（国际原型千克是由铂和铱制成的闪亮圆筒，储存在Sèvres的气密罐中。）

记住这一点，让我们介绍七个SI基单位。该表列出了每一个单位，该单位计量的物理量和该单位所依据的标准，由国际度量衡局(International Bureau of Weights and measures)定义。

如果您不完全理解每个标准的定义，不要担心。而不是试图描绘两个无限长的平行直线导体或铯-133原子在基态的两个超细能级之间摇摆时，请记住这一点:基本的国际单位制单位(除了千克)是基于宇宙的不变属性，它们是相互独立的。在现代公制中，所有其他单位都是通过将这些基本单位相乘或相乘得到的。我们将在下一节中深入讨论。

国际单位制的基本单位涵盖了所有的基本测量需求。然而，有些时候，有必要将测量与数学联系起来。例如，假设你测量a的长度足球它有120米(394英尺)长。然后你确定它的宽度为90米(295英尺)。如果你想求出场的面积，你需要用它的长度乘以它的宽度。但你不只是在单位前面乘数字;单位也相乘。数学运算是这样的:

面积=长×宽=120m×90m=10800m²

注意最后的单位是米乘以米，结果是什么计量学家，或测量专家，称之为平方米．

现在假设你有一个每边长1米的立方体。如果你想求出这个立方体的体积，你需要将长、宽、高三个维度相乘。这是数学：

体积=长×宽×高= 1m × 1m × 1m = 1m^3.= m^3.

再次注意，基数乘以数字因子。在这种情况下，是米乘以米乘以米，得到a立方米．还要注意，当数字因子为1时，可以去掉数字，只显示单位。计量学家称之为a连贯的单元．

面积和体积是派生的单位因为它们在SI基本单元和特定量程方面定义。该表列出了一些最常见的派生单位。

一些衍生的单位足够重要，可以获得特殊的SI名称和符号。武力就是一个很好的例子。艾萨克·牛顿的定义力等于物体的质量乘以它的加速度。当你把这两个量相乘，你得到一个导出的单位是千克米每秒的平方(kg-m/s)²)．因为kg-m /秒²有点麻烦，因为力在物理学中是一个非常重要的量，国际单位制的头面人物决定把导出的单位称为a牛顿为了纪念艾萨克爵士．总共有22个派生的具有特殊名称和符号的国际单位制单位。其中一些最重要的参数显示在所附的表中。

最后，重要的是要知道一些单位不是公制的正式组成部分，而是经常出现。因此，国际单位制接受这些单位与其测量系列一起使用。一些常见的时间量——分钟、小时和天——属于这一类，公吨和天文单位也属于这一类。然而，所有这些单位都可以根据国际单位制基本单位来定义。例如，一天是86400秒。和天文单位（非盟)是1.495978 × 10，等于地球和太阳之间的平均距离¹¹米。

当然，基本单元可能太大或太小，无法充分描述对象。在国际单位制中，使单位越来越大和越来越小只需要添加前缀。我们将在下一页讨论这些问题。

正如我们现在所强调的，每个物理量——长度、质量、体积等等——都用一个特定的国际单位制单位来表示。然而，当使用基本单元来测量非常小或非常大的物体时，它们有时会有局限性。例如，假设你想测量一只蚂蚁的长度。用SI基单位表示，一只蚂蚁的长度是0.003米。现在想象一下，用米来表示一根头发或一个原子的宽度:你的数字会变得越来越小，而且越来越麻烦。这同样适用于大的测量。纽约和洛杉矶之间的距离是4493288米，这是另一个庞大的数字。

为了解决这个问题，度量衡大会采用了一系列前缀名称和符号来表示国际单位制单位的十进制倍数和子倍数。1960年，有足够多的前缀可以覆盖10的倍数¹²到10^－12．但随着时间的推移，新的前缀进入系统，以容纳越来越大和越来越小的值。随附的表格列出了一些经批准的前缀名称和符号。

现在我们可以回到我们的示例，看看使用基于10的幂的前缀系统的好处。一只蚂蚁的长度可能是0.003米，但用毫米来描述这么小的东西更实用。要将米转换为毫米，只需将长度乘以1000，或者将小数点右移三个位置。这告诉我们，蚂蚁从头部到腹部的距离是3毫米(3毫米)。那我们在纽约和洛杉矶之间的旅行呢?你最好用公里来测量这么远的距离。要将米转换为公里，只需将距离除以1000，或将小数点左移3位。最终距离为4493公里(4493公里)。

所有的前缀以类似的方式运行。您需要担心的一个曲线是千克，唯一的Si基本单元，其名称和符号包括前缀。您可能会诱惑添加前缀到千克（例如微型照片），但这将是不正确的。相反，您应该将前缀名称附加到单位名称“Gram”以表示对象质量的较大且较小的值。所以，例如，10⁶千克等于1毫克（1毫克）。

有了国际单位制和前缀，你们就有了开始测量公制所需的一切。事实上，世界上大多数国家已经这样做了几十年。接下来，我们将了解为什么各国都热衷于采用现代公制，以及当一个国家（是的，我们正在关注你，美国）未能实现这一转变时会发生什么。

如果参观了国际单位制的单位和前缀还没有让你相信公制的优点，那么就解决这个问题:把5英里转换成英寸。快。在你的脑海中。即使你记得一英里有多少英尺(5280)，一英尺有多少英寸(12)，你仍然有一些复杂的东西算术要做的事情。这是数学上的结果:

(5英里)(5280英尺/1英里)(12英寸/1英尺)= 316,800英寸

公制使生活更轻松。一个类似的转换是找出5公里内有多少厘米。一公里等于10^3.米;一厘米等于10^－2米。要进行转换，只需将小数点向右移动五次：

5公里=5000米=500000厘米

明白为什么国际单位制更简单了吗?

国际单位制由于其优雅和简单，在世界各地都可以找到。美国是唯一一个仍固守传统计量标准的工业化国家，因此，它不得不与一大堆互不相关的计量单位纠缠不清。当然，成本因素也是美国迟迟不采用公制的原因之一。举个例子，考虑一下美国宇航局的航天飞机计划它仍然坚持英寸-磅的计量体系。美国国家航空航天局工程师们最近报告称，将相关图纸、软件和文档转换成SI单元将花费总计3.7亿美元——这是一笔巨大的变化，即使对于一个轻松花费7.6亿美元让航天飞机升空的政府机构来说也是如此[来源:标志着］．

当然，不转换也有财务风险。美国宇航局再次。1999年，美国宇航局损失了价值1.25亿美元的火星气候轨道器探测器，原因是一个单元不匹配导致故障[来源:标志着］．不匹配发生，因为它的姿态控制系统使用了帝国单位，但其导航软件使用了SI单位。结果，探针太靠近行星，过热，然后停止正常工作。现在，它是一百万美元的空间垃圾，感谢美国对SI的滞后承诺。

许多美国公司都注意到了这些警示故事。约翰迪尔、宝洁、柯达、英格索兰和许多其他企业已经将全部或部分业务转换为使用SI单位。这意味着它们的海外工厂和供应链使用的是与美国同行相同的测量系统和零部件。这可能看起来微不足道，但节省的费用可能是巨大的。成本降低主要来自两个方面:使用基于小数的测量系统带来的生产率提高，以及在全球市场上更有效竞争的能力。

最终，美国将强制其公民使用公制。当那一天到来时，它将改变路标、加油站和食品标签的外观，但不会影响一些神圣的表达。为什么?因为一个乡村公里和一个30厘米长的热狗根本不符合美国的经验。