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公尺

王朝百科·作者佚名  2010-02-07  
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公尺也就是“米”,是长度的基本单位,1公尺=1米=3市尺(3尺)=3.2808英尺=1.0936码

米(metre)是由巴黎科学院(Paris Academy of Sciences)于1791年所制定的,当时的定义是“通过巴黎的子午线,从北极到赤道的长度的千万分之一是1米”。为实现这个定义,一群大地测量家花了6年的时间,测量从敦刻尔克(Dunkirk)到巴塞罗那(Barcelona)之间的距离,并把这个定义做成了长度是1米的铂棒。但由于测量误差,这个公尺原器有0.2毫米的误差。经过许多年,米制渐渐被世界各国所接受,有20个国家于1875年签订公约,并成立国际度量衡局负责相关的业务。1889年国际度量衡局改良第一代米原器的设计,制作了30个横截面是X 形的铂铱合金棒,分赠给各会员国,来统一及推广米的定义,并于1927年,把保存在国际度量衡局内的改良型米原器,当它在摄氏0度时,原器上两端刻线间的距离,做为国际米的定义。

但是用铂铱合金棒上的刻线来定义米,有许多缺点,例如刻线品质和材质稳定性都会影响尺寸的稳定性及重现性,而且一旦毁损后也无法复原。随着科技的发展,人们希望把长度基本单位建立在更科学、更可靠的基准上,而不再是用某一实体的尺寸做为标准。

1893年迈克尔逊利用镉的红光波长及其发明的干涉仪,来量测铂铱米原器的长度,从而激发科学家用光波波长做为长度基准的想法。经过许多科学家对众多物质的光谱进行有系统的研究后,向国际度量衡局建议3条可能做为长度基准的光波谱线。最后在1960年第11届国际度量衡大会中,通过以氪-86的辐射光波为长度基准,并定义“1米等于氪-86原子在2p10和5d5能阶间跃进时,辐射光的真空波长的1650763.73倍”。1960年的一个重大技进展是镭射诞生了,科学家利用其优异的单色性,方向性去测量。2005年5月,使用时间法进行测量,即量测短脉冲光波行经待测长度时所需的时间,再乘以光速值就可得到长度值。这是属于长距离量测方式,适用在大地测量及卫星雷射测距。第二种是干涉法,量测方式是用已知波长的光源搭配光干涉技术来量测待测长度,最后长度值等于干涉条纹数乘上波长值。这是属于短距离量测方式,其准确度非常高,也是各国国家标准实验室采用的量测方法。

现今的光源有很多种,波长则从可见光到不可见光都有,但一般人并没有能力量测光波的波长或频率,因为它需要特殊的技术与设备。有鉴于此,国际度量衡局根据许多科学家的研究结果,建议了12条已知波长的辐射谱线,并清楚地描述其实施方式与工作条件。除此之外,光波频率及光速值的量测技术也有惊人的进展。经过物理学家及计量学家数十年的研究与验证,终于在公元1983年的第17届国际度量衡大会通过了新的米定义,“1米等于光在真空中1/299792458秒之间所行走的距离”。这个定义的特点是把真空中的光速值视为一个不变的物理常数,它的数值是299792458 米/秒。历经了上述3次重大的变革,米的定义与实现方法已经分开,长度基准不再是某一种规定实体的尺寸或某一特定的辐射波长。因此米实现的准确度不再受定义限制,相反地,它会随着科技进展而不断地提升。

如何把米的定义应用到实体的长度测量上?根据国际度量衡局的建议,实现的方法有两种。第一种是飞频633nm镭射,碘稳频532nm镭射及钙稳频657nm镭射。如果以碘稳频633nm镭射为光源,用光干涉的方式在真空中量1米的长度,其不确定度是2.5×10^-11米。由于大部分量测系统是在普通的大气环境下工作,因此在空气折射率的影响下,即使采用碘稳频633nm镭射进行干涉测长实验,以现在的技术水准,1米的量测不确定度最多可达到千万分之一米。这对一般的应用已足够,但如果要提升量测准确度,就必须在真空下进行实验或改善空气折射率的量测技术。

总之,米定义经过200年的演进,长度的基准已不再是一个实体,而是一个物理定义,任何人只要依上述的方法,都可产生1米的标准。

 
 
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