Что такое 1 килограмм в физике определение
Что такое килограмм?
Килограмм — единица массы, одна из основных единиц системы СИ
Килограмм обозначается как кг
Килограм это то масса международного образца (валик высотой 39 мм, выполненный из сплава 90 % платины и 10 % иридия), хранящийся в Международном бюро мер в Севре, около Парижа. Образец килограмма был установлен Первой генеральной конференцией мер в 1889 году. Первоначально образец был приравнен к одному литру воды температурой 4 градуса Цельсия, при нормальном давлении.
В ежедневном использовании, масса объекта, заданного в килограммах, часто упоминается как его вес, который является мерой силы тяжести. Вес в килограммах технически не входит в список единиц СИ, а единица измерения для веса известна как килограмм-сила. Эквивалентной единицей измерения силы тяжести является фунт-сила. В строгом научном контексте, сила, как правило, измеряется единицей СИ ньютон.
Килограмм является единственной базовой единицей СИ с приставкой в рамках своего имени. Кроме того, это единственная единица СИ, которая до сих пор непосредственно определяется артефактом, а не фундаментальными физическими свойствами, которые могут быть изучены в разных лабораториях. Четыре из семи базовых величин в системе СИ определяются по отношению к килограмму, поэтому её полная стабильность очень важна.
Основная единица массы в метрической системе мер, равная 1000 граммов.
1 килограмм = 1000 грамм
Кратные и дольные единицы
По историческим причинам, название «килограмм» уже содержит десятичную приставку «кило», поэтому кратные и дольные единицы образуют, присоединяя стандартные приставки СИ к названию или обозначению единицы измерения «грамм» (которая в системе СИ сама является дольной: 1 г = 10−3 кг).
| Кратные | Дольные | ||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| величина | название | обозначение | величина | название | обозначение | ||
| 10 1 г | декаграмм | даг | dag | 10 −1 г | дециграмм | дг | dg |
| 10 2 г | гектограмм | гг | hg | 10 −2 г | сантиграмм | сг | cg |
| 10 3 г | килограмм | кг | kg | 10 −3 г | миллиграмм | мг | mg |
| 10 6 г | мегаграмм | Мг | Mg | 10 −6 г | микрограмм | мкг | µg |
| 10 9 г | гигаграмм | Гг | Gg | 10 −9 г | нанограмм | нг | ng |
| 10 12 г | тераграмм | Тг | Tg | 10 −12 г | пикограмм | пг | pg |
| 10 15 г | петаграмм | Пг | Pg | 10 −15 г | фемтограмм | фг | fg |
| 10 18 г | эксаграмм | Эг | Eg | 10 −18 г | аттограмм | аг | ag |
| 10 21 г | зеттаграмм | Зг | Zg | 10 −21 г | зептограмм | зг | zg |
| 10 24 г | иоттаграмм | Иг | Yg | 10 −24 г | иоктограмм | иг | yg |
| применять не рекомендуется не применяются или редко применяются на практике | |||||||
Если материал понравился Вам и оказался для Вас полезным, поделитесь им со своими друзьями!
Пересмотр системы единиц СИ: новые определения ампера, килограмма, кельвина и моля
Сфера из кремния-28 с чистотой 99,9998% может быть использована для вычисления максимально точного числа Авогадро, которое войдёт в определение единицы измерения количества вещества, известной как моль. Фото: Национальная физическая лаборатория Великобритании
Международное бюро мер и весов планирует провести самую значительную реформу в международной системе единиц (СИ) со времени последней большой ревизии этого стандарта в 1960 году, пишет Nature. Придётся принимать новые ГОСТы, а также внести исправления в учебники физики в школе и вузах.
В настоящее время СИ (современный вариант метрической системы) принята в качестве основной системы единиц большинством стран мира и почти везде используется в области техники. Полное определение всех единиц СИ приведено в официальной брошюре (8-е издание) и дополнении к ней от 2014 года. Нынешний стандарт утверждён в СССР 1 января 1963 года ГОСТом 9867-61 «Международная система единиц».
Руководство международной организации проголосует за предложенные изменения на Генеральной конференции по мерам и весам в 2018 году, а в случае положительного решения изменения вступят в силу с мая 2019 года. Новые определения для единиц измерения и эталонов никак не отразится на жизни обывателей: один килограмм картофеля в магазине останется тем же килограммом картофеля. Весы будут измерять овощи и мясо с той же точностью, что и раньше. Но эти определения важны для учёных, потому что в научных исследованиях должна соблюдаться идеальная точность формулировок и измерений. Международное бюро мер и весов считает, что новые эталоны позволят «обеспечить высочайший уровень точности в различных способах измерений в любом месте и времени и в любом масштабе, без потери точности».
Итак, какие же изменения нас ждут?
Сейчас Международное бюро мер и весов намерено пересмотреть определения и эталоны следующих единиц измерения:
Килограмм
Современное определение принято III Генеральной конференцией по мерам и весам (ГКМВ) в 1901 году и формулируется так: «Килограмм есть единица массы, равная массе международного прототипа килограмма». При этом Международный прототип (эталон) килограмма хранится в Международном бюро мер и весов (расположено в городе Севр неподалёку от Парижа) и представляет собой цилиндр диаметром и высотой 39,17 мм из платино-иридиевого сплава (90% платины, 10% иридия). Размер прототипа примерно соответствует размеру мяча для гольфа.
Компьютерное изображение международного прототипа килограмма
Проблема с эталоном килограмма состоит в том, что любые материалы могут терять атомы или, наоборот, пополняться атомами из окружающего пространства. В частности, различные официальные копии эталонного килограмма, который хранится в Севре, отличаются по весу от официального эталона. Разница достигает 60 микрограмм. Такие изменения произошли за более чем 100 лет с момента создания копий.
Ещё одна проблема с единицами измерения фиксированного масштаба — то, что элемент неопределённости (погрешность) увеличивается по мере удаления от этой фиксированной точки (эталона). Например, сейчас при измерении миллиграмма элемент неопределённости в 2500 раз больше, чем при измерении килограмма.
Эта проблема решается, если определить единицу измерения через другую физическую постоянную. Собственно, в новом определении килограмма так и сделано: здесь используется постоянная Планка.
Измерение массы на практике возможно с помощью ваттовых весов: через два отдельных эксперимента со сравнением механической и электромагнитной силы, а затем путём перемещения катушки через магнитное поле для создания разности потенциалов (на иллюстрации внизу). Грубо говоря, масса вычисляется через электроэнергию, которая необходима, чтобы поднять предмет, лежащий на другой чаше весов.
Кельвин
Современное определение: как записано в ГОСТе, 1 кельвин равен 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды. Начало шкалы (0 К) совпадает с абсолютным нулём. В обязательном Техническом приложении к тексту Международной температурной шкалы МТШ‑90 Консультативный комитет по термометрии установил требования к изотопному составу воды при реализации температуры тройной точки воды.
Тройная точка воды — строго определённые значения температуры и давления, при которых вода может одновременно и равновесно существовать в виде трёх фаз — в твердом, жидком и газообразном состояниях.
Международный комитет мер и весов подтвердил, что определение кельвина относится к воде, чей изотопный состав определён следующими соотношениями:
0,00015576 моля 2 H на один моль 1 Н
0,0003799 моля 17 О на один моль 16 О
0,0020052 моля 18 О на один моль 16 О.
Проблемы современного определения очевидны. При практической реализации величиа кельвина зависит от изотопоного состава воды, а на практике практически невозможно добиться молекулярного состава воды, который соответствует Техническому приложению к тексту Международной температурной шкалы МТШ‑90.
Ещё в 2011 году на заседании Генеральной конференции по мерам и весам было предложено в будущей редакции Международной системы единиц переопределить кельвин, связав его со значением постоянной Больцмана. Таким образом, значение кельвина впервые будет точно зафиксировано.
Новое определение: 1 кельвин соответствует изменению тепловой энергии на 1,38064852 × 10 −23 джоулей. Для выражения единицы требуется постоянная Больцмана.
Измерять точную температуру можно с помощью измерения скорости звука в сфере, заполненной газом. Скорость звука пропорциональна скорости перемещения атомов.
Современное определение: моль есть количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде-12 массой 0,012 кг. При применении моля структурные элементы должны быть специфицированы и могут быть атомами, молекулами, ионами, электронами и другими частицами или специфицированными группами частиц.
Новое определение: количество вещества системы, которая содержит 6,022140857 × 10 23 специфицированных структурных единиц. Для выражения единицы требуется постоянная Авогадро (число Авогадро).
Для вычисления числа Авогадро — и определения моля через него — учёные предлагают создать идеальную сферу из чистого кремния-28. У этого вещества идеально точная кристаллическая решётка, так что количество атомов в сфере можно определить, если точно измерить диаметр сферы (с помощью лазерной системы). В отличие от существующего куска платиново-иридевого сплава, скорость потери атомов кремния-28 точно предсказуема, что позволяет вносить коррективы в эталон.
Первые опыты по созданию такого эталона предприняли в 2007 году. Исследователи из берлинского Института выращивания кристаллов под руководством Хелге Риманна (Helge Riemann) приобрели в России обогащённый кремний-28 и сумели получить образец изотопа 28 с чистотой 99,994%. После этого исследователи ещё несколько лет анализировали состав 0,006% «лишних» атомов, определяли точный объём сферы и проводили рентгеноструктурный анализ. Изначально предполагалось, что «идеальные» сферы из кремния-28 могут быть утверждены в качестве нового стандарта для килограмма. Но сейчас более вероятно то, что их используют для вычисления числа Авогадро, и, как следствие, определения моля. Тем более что за время, прошедшее с 2007 года, физики научились производить гораздо более чистый кремний-28.
Сфера из кремния-28 с чистотой 99,9998. Фото: CSIRO Presicion Optics
В 2014 году американские физики сумели обогатить кремний-28 до беспрецедентного качества в 99,9998% в рамках международного проекта по расчёту числа Авогадро.
Ампер
Современное определение предложено Международным комитетом мер и весов в 1946 году и принято IX Генеральной конференцией по мерам и весам (ГКМВ) в 1948 году: «Ампер есть сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 метр один от другого, вызвал бы на каждом участке проводника длиной 1 метр силу взаимодействия, равную 2·10 −7 ньютона».
В современном определении ампер определяется через некий мысленный эксперимент, который предусматривает возникновение силы в двух проводах бесконечной длины. Очевидно, что на практике мы не может измерить такую силу, потому что по определению не может существовать двух проводников бесконечной длины.
Изменить определение ампера предложили на том же заседании Генеральной конференции по мерам и весам в октябре 2011 года, что и определение кельвина. Идея заключалась в том, что новое определение должно быть основано не на созданный человеком артефактах через мысленный эксперимент, а на фундаментальных физических постоянных или свойствах атомов. Итак, новое определение выражается только через одну постоянную — заряд электрона.
Новое определение: электрический ток, соответствующий потоку 1/1,6021766208 × 10 −19 элементарных электрических зарядов в секунду. Для выражения единицы требуется заряд электрона.
На практике для определения ампера понадобится только один инструмент — одноэлектронный насос. Такие инструменты создали несколько лет назад. Они позволяют перемещать определённое количество электронов в течение каждого насосного цикла, что является крайне ценным качеством для фундаментальной науки и метрологии.
Определения секунды, метра и канделы, судя по всему, остаются неизменными, как показано на иллюстрации.
В новой системе СИ определение всех единиц выражается через константу с фиксированным значением. Многие единицы определяются во взаимосвязи с другими единицами. Например, определение килограмма определяется через постоянную Планка, а также через определения секунды и метра.
Считается, что такая система гораздо более устойчива и самодостаточна.
Значение слова «килограмм»
Источник (печатная версия): Словарь русского языка: В 4-х т. / РАН, Ин-т лингвистич. исследований; Под ред. А. П. Евгеньевой. — 4-е изд., стер. — М.: Рус. яз.; Полиграфресурсы, 1999; (электронная версия): Фундаментальная электронная библиотека
Действующее определение килограмма принято III Генеральной конференцией по мерам и весам (ГКМВ) в 1901 году и формулируется так:
Международный прототип (эталон) килограмма, хранится в Международном бюро мер и весов (расположено в Севре близ Парижа) и представляет собой цилиндр диаметром и высотой 39,17 мм из платино-иридиевого сплава (90 % платины, 10 % иридия).
Первоначально было введено понятие не килограмма, а грамма, который был определён в 1795 году как вес одного кубического сантиметра чистой воды при температуре таяния льда, из чего следовало, что килограмм эквивалентен массе одного кубического дециметра (литра) воды.
Килограмм является единственной из основных единиц системы СИ, которая используется с приставкой («кило», обозначение «к»). Также является единственной из оставшихся к настоящему времени единиц СИ, которые определены на основе объекта, изготовленного человеком, а не на основе физических свойств, что могут быть воспроизведены в разных лабораториях. Четыре из семи базовых единиц в системе СИ определены с учётом килограмма, поэтому постоянство его величины очень важно.
Современный международный эталон килограмма был выпущен Генеральной конференцией по мерам и весам в 1889 году на основе Метрической конвенции (1875) и под надзор Международного бюро мер и весов (МБМВ), которое хранит его от лица ГКМВ. После того как было обнаружено, что международный эталон килограмма с течением времени даёт отличия в массе, Международный комитет мер и весов (МКМВ) в 2005 году рекомендовал переопределить килограмм с помощью фундаментальных физических свойств. В 2011 году XXIV ГКМВ пришла к соглашению, что килограмм должен быть переопределён на основе постоянной Планка, но отложила окончательное решение до следующей конференции в 2014 году. XXV ГКМВ, состоявшаяся в 2014 году, приняла решение продолжить работу по подготовке новой ревизии СИ, включающей переопределение килограмма, и предварительно наметила закончить эту работу к 2018 году с тем, чтобы заменить существующую СИ обновлённым вариантом на XXVI ГКМВ.
Международный эталон килограмма практически не подвергается какому-либо перемещению или использованию. Его копии хранятся в национальных метрологических учреждениях по всему миру. В 1889, 1948, 1989 и 2014 годах проводились верификации копий с эталоном с целью обеспечить единство измерений массы относительно эталона.
КИЛОГРА’ММ [ам], а, м. Мера веса, равная 1000 граммов. См. [кило].
Источник: «Толковый словарь русского языка» под редакцией Д. Н. Ушакова (1935-1940); (электронная версия): Фундаментальная электронная библиотека
История килограмма и вообще
Читатель TJ о происхождении особенной единицы измерения.
Совсем недавно на TJ появилась статья, тема которой мне показалась очень интересной, и вместе с этим не полностью раскрытой. На самом деле, килограмм — по-своему особенная единица измерения, история которой ограничивается не только датами и цифрами, но ещё и полна рядом интересных происшествий.
Но давайте по порядку. Сначала разберёмся с системами измерений. История всех единиц измерения стара, как само человечество, и рассказать о ней у меня не хватит ни времени, ни компетенции. Но сейчас мы будем рассматривать только её небольшую часть — метрическую систему мер.
История метрической системы началась в 19 веке во Франции, в разгаре Великой французской революции. В 1789 году депутаты Третьего сословия не дождались поверки Генеральных штатов и объявили себя Национальным собранием. И понеслась. Бывшие крестьяне получили свой кусок свободы, избавились от грабительских налогов, и давай торговать со всей силы.
Вскоре крестьяне поняли, что традиционная система мер слишком сложна и неудобна из за большого количества единиц измерения и трудности их преобразования, а также в силу ненадёжности её эталонов. Более того, в феодальной Франции значение фунта устанавливал каждый феодал по-своему, так что только к началу 18 века века в Европе уже существовало более ста разных фунтов.
В поисках решения этой проблемы французы придумали собственную систему мер — гораздо более простую, понятную, и надёжную: метрическую. Основная идея этой системы состояла в том, что преобразование всех единиц измерения сводится к простому умножению или делению на степень числа 10.
Первой единицей, принятой в 1791 году, стал метр. Его эталоном стала одна десятимиллионная доля одной четверти земного меридиана от Северного полюса до экватора. Согласитесь, такой эталон гораздо надёжнее, чем длина зёрнышка пшеницы. В защиту традиционных эталонов хочется сказать что они были по своему практичны для простого народа: зерно пшеницы было легко найти под рукой, а вот моментально найти десятимиллионную долю четверти меридиана мог далеко не каждый. Каждому торговцу приходилось всегда иметь при себе свою карманную метровую гирю, и частенько она была немножечко короче или длиннее, что вызывало всякие интересные казусы и споры на тему кто кого и на сколько хочет обмерить.
За мерой длины нужно было принять меру массы. Для определения единицы массы использовали идею английского философа Джона Уилкинса: связать между собой меры длины и массы, установив вторую на основе первой. Для этого французы использовали уже принятый метр и установили меру одной единицы массы как «абсолютный вес объёма чистой воды, равного кубу со стороной в сотую часть метра, и при температуре тающего льда».
Если кто не знает, при температуре ниже 4°C вода резко и с невероятной силой начинает расширяться, при переходе в твёрдое агрегатное состояние. От этого явления частенько страдают люди, которые в системы охлаждения автомобиля осенью заливают воду вместо специальной незамерзающей жидкости — антифриза. В мороз вода расширяется с такой силой, что легко может расколоть блок двигателя автомобиля. От этого же эффекта и прорывает трубы под землёй, когда вода начинает замерзать.
Но вернёмся к килограмму. Он пока ещё не стал килограммом, а назывался grave, от латинского слова gravitas, что, вы наверняка догадались, означает «вес». Так его назвал в 1793 году французский аристократ и известный французский учёный Антуан Лоран Лавуазье, состоявший в комиссии по определению мер.
Но и тут не обошлось без политики: слово grave (произносилось как grav) звучало очень похоже на слово graf (дворянский титул), а Великая французская революция не для того выпиливала господ с лозунгом «равенство для всех», чтобы получить очередной главный над остальными единицами мер грав. Республиканцы решили выпилить Лавуазье на виселице (он продолжал собирать налоги как дворянин), и ещё использовать gramme — одну тысячную часть килограмма.
По мнению комиссии, килограмм всё равно был слишком большой единицей, чтобы использовать её повседневно. Со временем выяснилось что, всё-таки граммы использовать не так уж и удобно, и французы вернулись к определению тысячи граммов. Логика подсказала, что всем будет хорошо и политкорректно, если использовать приставку kilo (тысяча) к слову gramme. Вот так, в виде ёмкости с холодной водой, появился килограмм, который мы все знаем сегодня.
Интересная особенность килограмма заключается в том, что из-за вот этой вот политической истории — это единственная среди семи (метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль, кандела) единица в Международной системе единиц, которая имеет приставку «кило».
В 1889 году, спустя почти сто лет, эталон килограмма заменили на небольшого размера цилиндр платиново-иридиевого сплава, который по сей день является главным эталоном этой меры массы. Французы уважительно называют его Le Grand K, что в переводе означает «Большой К». Как бы парадоксально это ни звучало, но вы только задумайтесь: это единственная вещь, которая весит точно один килограмм.
Потому что только эта единственная вещь определяет саму суть килограмма, и только она весит точно столько же, сколько должен весить килограмм, по нашему мнению. Этот цилиндр находится под тремя замками в подвале Бюро Мер и Весов чуть севернее Парижа, накрытый тремя стеклянными куполами, в окружении шести таких же цилиндров-дубликатов, и как бы это ни было иронично, оказывается практически буквально сферическим килограммом в вакууме.
Но человечество не остановилось в своих попытках усовершенствовать эталоны физических мер. После того, как Бюро Мер и Весов определило значение килограмма, они создали еще сорок дубликатов эталона. Они были не совсем точно такими же, но их отличия тщательно задокументировали, чтобы в будущем их можно было сравнить друг с другом. Дубликаты разослали по разным странам мира, дабы у них так же был эталон килограмма.
Но когда в 1948 году дубликаты решили собрать обратно вместе, и измерить их массу заново, оказалось что все они отличаются. Несмотря на то, что хранились они в одинаковых условиях, а доступа к ним практически ни у кого не было. Даже масса самого «Большого К» отличалась от массы его шести братьев-дубликатов, хранившихся с ним в одном помещении. Самое главное — эта разница в массе увеличивалась со временем. Это выяснилось уже в 1992, когда все дубликаты были снова собраны вместе для взвешивания. Разница была невелика — примерно в 40 микрограммов, но она была. 40 микрограммов — это примерно масса отпечатка пальца. Этот факт сразу натолкнул учёных на мысль о том, что возможно кто-то оставил отпечатки на эталонах, но ситуация повторилась даже после того как цилиндры тщательно и аккуратно почистили.
Всё это означало, что масса цилиндров платиново-иридиевого сплава нестабильна и меняется со временем. А что за эталон, который сам меняет своё значение со временем? Ситуация оказалась буквально катастрофической, ведь четыре из семи единиц измерения основываются на килограмме (Не говоря уже о производных единицах, таких как Ньютон, Ватт, или Джоуль). А самое смешное, что даже традиционная система мер теперь основывается на метрической: фунт уже не представлен физическим объектом-эталоном, а официально равняется 0,45359237 килограмма. Учёные решили, что так это оставлять нельзя, и начали искать новые способы установить эталон.
Явным способом установить стабильный эталон было сделать так, чтобы он не был представлен физическим объектом. Для этого учёные создали кремниевую сферу — самый «круглый» физический объект на Земле. Эта сфера обошлась человечеству в миллионы долларов и тысячи часов человеческого труда, но зачем, если это снова физический объект?
Форму сферы используют потому, что это простейшая форма, объём которой можно легко подсчитать, зная её диаметр. Ей проще всего придать «идеальную» форму. Обрабатывают этот объект с помощью очень мягких абразивов и с использованием лазерных измерительных технологий, буквально «растирая атомы». Учёные с помощью такого нехитрого способа хотят рассчитать количество атомов кремния в этой самой сфере. Таким образом можно будет больше не привязывать эталон к рукотворному физическому объекту, а вместо этого использовать фундаментальные природные величины.
Для этого используют не просто кремний, а его изотоп — Кремний-28 (28Si). Структура его атомов не имеет смещений и пустот, а также обладает стабильным временем полураспада, и, если можно так сказать, это «чистейший» и соответственно очень дорогой материал. А значит, точно подсчитать количество атомов в сфере из этого возможно. Поэтому она и стоит так дорого, а её тщательнейшая обработка занимает так много времени.
После измерения, даже если сфера и потеряется, или будет повреждена — это уже не будет иметь никакого значения, поскольку килограмм определяет не физическим объектом, а количеством атомов Кремния-28 в определённом объёме. И так эталон массы наконец станет константой, а не переменной. Нам, с нашей колокольни, это может показаться не очень значительным событием, но для науки это огромный шаг в сторону точности и опредёленности.
Возвращаясь назад к общей теме систем измерения, хочется сказать, что метрическая система оказалась настолько хороша и удобна, что декретом, изданным 4 июля 1837 года, была объявлена как обязательная для использования на территории Франции. А её усовершенствованный вариант — Международная система единиц, СИ (от французского Le Système International d’Unités) вскоре начала использоваться в остальном мире.
Забавно, что всего три страны в мире до сих пор не перешли на эту систему: Либерия, Мьянма, и США. Либерия и Мьянма особых переживаний по этому поводу не испытывают, а вот США очень страдают от лишних сложностей в конвертировании величин, при участии в совместных проектах с другими странами. Несколько раз это даже оборачивалось очень большими фэйлами. Например, при запуске ракет в космос.