引入

为什么物理公式里的单位不能随便换,换错了结果就全错?

为什么 2019 年之后,“一千克”不再由一块铂铱合金定义?

为什么化学里的“摩尔”能出现在物理公式中?

单位不是标注,而是物理量的组成部分。同一个量用不同单位表示,数值不同但物理内容相同。单位制的作用是把这种换算规则固定下来,让公式在任何单位下都保持一致。

正文

定义

国际单位制(SI)是以 7 个基本单位为基础、其余单位由它们导出的单位体系。

七个基本单位

2019 年第 26 届国际计量大会改用基本物理常数定义基本单位:

基本量单位符号定义依据(常数)
时间秒铯-133 超精细跃迁频率
长度米光速
质量千克普朗克常数
电流安培元电荷
热力学温度开尔文玻尔兹曼常数
物质的量摩尔阿伏伽德罗常数
发光强度坎德拉光视效能

改用常数定义的好处是:任何实验室只要能精确测量某个常数,就能复现单位,不再依赖保存在巴黎的那块实物原器。

导出单位

其余单位都由基本单位组合而成,例如:

导出量单位用基本单位表示
力牛顿
能量焦耳
功率瓦特
压强帕斯卡
电荷库仑
电压伏特

摩尔

定义

摩尔是物质的量的单位。1 mol 精确包含 个基本单元。

物质的量与粒子数的关系:

其中 为物质的量(mol), 为粒子数。

使用摩尔时必须指明基本单元,否则意义不清:

写法含义
个水分子
个氢原子
个氢分子

三者的质量不同,但粒子数相同。这就是“摩尔是计数单位”的含义。

摩尔质量把物质的量与质量连起来:

单位为 或 。

量纲检验

任何物理等式两边的量纲必须相同,这是检查公式最省力的办法。

例如检验 :

两边一致,公式可能正确;若不一致,公式一定错误。

量纲检验的局限:它只能发现错误,不能证明正确。量纲相同但物理意义不同的式子照样可能写错。

常见误区

错误说法问题
“单位只是标注,不影响计算”单位参与运算,换错就错
“摩尔是质量单位”摩尔数的是粒子个数
“1 mol 任何物质质量都相同”质量等于 ,取决于摩尔质量

引出

为什么国际单位制要不断重新定义?下一次可能改动哪个单位?

量纲分析能否用来推导未知公式的形式?

在相对论和量子力学中,基本常数的数值是否也在变化?