国际单位制

世界上普遍采用的标准度量衡单位系统

国际单位制（法语：Système International d'Unités 符号：SI），源自公制或米制，旧称“万国公制”，是现时世界上最普遍采用的标准度量衡单位系统，采用十进制进位系统。是18世纪末科学家的努力，最早于法国大革命时期的1799年被法国作为度量衡单位。国际单位制是在公制基础上发展起来的单位制，于1960年第十一届国际计量大会通过，推荐各国采用，其国际简称为SI。

简介

国际单位制（international system of units）是国际计量大会（CGPM）采纳和推荐的一种一贯单位制。在国际单位制中，将单位分成三类：基本单位、导出单位和辅助单位。7个严格定义的基本单位是：长度（米）、质量（千克）、时间（秒）、电流（安培）、热力学温度（开尔文）、物质的量（摩尔）和发光强度（坎德拉）。基本单位在量纲上彼此独立，导出单位很多，都是由基本单位组合起来而构成的。辅助单位只有两个，纯系几何单位。当然，辅助单位也可以再构成导出单位。各种物理量通过描述自然规律的方程及其定义而彼此相互联系。为了方便，选取一组相互独立的物理量，作为基本量，其他量则根据基本量和有关方程来表示，称为导出量。

历史

1948年第9届国际计量大会根据决议，责成国际计量委员会（CIPM）“研究并制定一整套计量单位规则”，力图建立一种科学实用的计量单位制。1954年第10届国际计量大会决议，决定采用长度、质量、时间、电流、热力学温度和发光强度6个量作为实用计量单位制的基本量。1960年第11届国际计量大会按决议，把这种实用计量单位制定名为国际单位制，以SI作为国际单位制通用的缩写符号；制定用于构成倍数和分数单位的词头（称为SI词头）、SI导出单位和SI辅助单位的规则以及其他规定，形成一整套计量单位规则。1971年第14届国际计量大会决议，决定在前面6个量的基础上，增加“物质的量”作为国际单位制的第7个基本量，并通过了以它们的相应单位作为国际单位制的基本单位。

2018年11月16日，国际计量大会通过了决议，国际单位制中的3个基本单位（千克、开尔文、安培）改由自然常数来定义，并于2019年国际计量日（5月20日）起正式生效。至此，国际单位制7个基本单位将全部由基本物理常数定义，量值的实现进入了量子化时代。（定义摩尔的阿伏伽德罗常量不属于自然常数，而是出于教学原因被用来表示粒子数量的固定值。）

2022年11月，国际单位制新增4个词头，分别是ronna、ronto、quetta和quecto。2023年5月20日，在世界计量日中国主场纪念活动上，全国科学技术名词审定委员会、国家市场监督管理总局联合发布了国际单位制新词头中文名称。中文名称分别为：容[那]、柔[托]、昆[它]、亏[科托]，分别表示1027、10-27、1030、10-30。

规则

构成规则

国际单位制按一贯计量单位制的原则构成，采用十进制构成其倍数和分数单位；只能通过SI词头构成倍数和分数的单位，其基本单位及其定义只能由国际计量大会决定，SI导出单位的专门名称及其符号只能由国际计量大会选定。根据上述规则，诸如体积单位升、质量单位吨、光亮度单位尼特（nt，1尼特=1坎/平方米）等都不是国际单位制的单位。

两类SI单位：在国际单位制中，7个基本单位以及按一贯性原则从基本单位导出的单位，总称为SI单位。例如：SI导出单位中既包括那些由国际计量大会赋予专门名称的单位，如牛顿、瓦特、伏特、流明等；也包括那些没有赋予专门名称的单位，如米每秒、焦耳每开尔文、弧度每秒等。

SI词头：当单位前加了SI词头后，即构成了一个新的整体。因而当有指数时，是指这个整体，并非只对未加词头的那个单位。例如：表达为cm3时，是指立方厘米；表达为μs-1时，是指每微秒；表达为mm2/s时，是指二次方毫米每秒。SI词头在任何情况下不能单独使用，例如不能用k代替kg或kΩ，或103。

无量纲量的SI单位。有相当一批物理量的量纲是“1”。例如：折射率n，动摩擦因数μ，线应变ε，相对原子质量Ar，质子数Z，功率量级Lp，平面角φ。所有这类量的SI单位是两个相同的SI单位之比。例如：折射率的SI单位是两个速度的SI单位之比，即m·s-1/(m·s-1)=1；动摩擦因数的SI单位是两个力的SI单位之比，即N/N=1。其倍数和分数单位不是用SI词头构成而是用10的幂，例如10、103、10-6、10-3等，也可用数学符号%代替10-2，但也可以用诸如微克每克（μg/g），毫升每立方米（mL/m3）这样的单位来代替10-6，但不应使用ppm这类的缩写符号。

使用规则

单位

基本单位

基本单位的定义始于1889年，在近百年内，由于科学技术的发展，它们的定义也在不断发生变化，下面简述其定义和演变的情况。

长度单位——米（m）

1889年第1届国际计量大会批准国际米原器（铂铱米尺）的长度为1米。1927年第7届计量大会又对米定义作了如下严格的规定：国际计量局保存的铂铱米尺上所刻两条中间刻线的轴线在 0℃时的距离（铂铱米尺是一根横截面近似为H形的尺子，在其中间横肋两端表面上各刻有3条与尺子纵向垂直的线纹，中间刻线是指每3条线纹的中间刻线）。这根尺子保存在1标准大气压下，放在对称地置于同一水平面上并相距571mm的两个直径至少为1cm的圆柱上。

上述对于米的定义有一个不确定度，约为1×10-7。由于科学技术的发展，它不能满足计量学和其他精密测量的需要。在20世纪50年代，随着同位素光谱光源的发展，发现了宽度很窄的氪－86同位素谱线，加上干涉技术的成功，人们终于找到了一种不易毁坏的自然基准，这就是以光波波长作为长度单位的自然基准。

于是，1960年第11届国际计量大会对米的定义更改如下：“米的长度等于氪－86原子的2p10和5d5能级之间跃迁的辐射在真空中波长的1650763.73倍。” 氪－86长度基准的极限不确定度为±4×10-9。米的定义更改后，国际米原器仍按原规定的条件保存在国际计量局。

由于饱和吸收稳定的激光具有很高的频率稳定度和复现性，同氪－86的波长相比，它们的波长更易复现，精度也可能进一步提高。因此，在1973年和1979年两次米定义咨询委员会会议上，又先后推荐了4种稳定激光的波长值，同氪－86的波长并列使用，具有同等的准确度。

1973年以来，已精密测量了从红外波段直至可见光波段的各种谱线的频率值。根据甲烷谱线的频率和波长值 v和 λ，得到了真空中的光速值 с=λv=299792458米/秒。这个值是非常精确的，因此人们又决定把这个光速值取为定义值，而长度l（或波长）的定义则由时间 t（或频率）通过公式l=сt（或λ=с/v）导出。

旧定义：1790年5月由法国科学家组成的特别委员会，建议以通过巴黎的地球子午线全长的四千万分之一作为长度单位——米。

1983年10月第17届国际计量大会正式通过了如下的新定义：“1米是光在真空中在(299792458)-1s内的行程”。

质量单位——千克（kg）

1889年第1届国际计量大会批准了国际千克原器，并宣布今后以这个原器为质量单位。

为了避免“重量”一词在通常使用中意义发生含混，1901年第3届国际计量大会中规定：

千克是质量（而非重量）的单位，它等于国际千克原器的质量。这个铂铱千克原器按照1889年第 1届国际计量大会规定的条件，保存在国际计量局。

新定义：佐治亚理工学院物理学分校的名誉退休教授罗纳德·福克斯提议从今以后克（一千分之一千克）将被严格地定义成18×14074481个C－12原子的重量。至少有两个重新定义千克的其他提议正在讨论中。它们包括：1°用纯硅原子球体取代铂金和铱混合圆柱体；2°利用已知的“瓦特天平”装置，并利用电磁能定义千克。

旧定义：1升的纯水在4℃的质量为1kg。

2018年11月16日，国际计量大会通过决议，1千克被定义为“对应普朗克常数为6.62607015×10-34J·s(6.62607015×10-34kg·m2·s-1)时的质量”。

时间单位——秒（s）

最初，时间单位“秒”被定义为平均太阳日的 1/86400。“平均太阳日”的精确定义留待天文学家制定。但是测量表明，平均太阳日不能保证必要的准确度。为了比较精确地定义时间单位，1960年第11届国际计量大会批准了国际天文学协会规定的以回归年为根据的定义：“秒为1900年1月0日历书时12时起算的回归年的1/31556925.9747。” 但是，这个定义的精确度仍不能满足当时的精密计量学的要求，于是，1967年第13届国际计量大会又根据当时原子能级跃迁测量技术的水平，决定将秒的定义更改如下： “1秒是铯-133原子在基态下的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9192631770个周期的时间”。

国际原子时是根据以上秒的定义的一种国际参照时标，属国际单位制(SI)。

电流强度单位——安培（A）

电流和电阻的所谓“国际”电学单位，是1893年在芝加哥召开的国际电学大会上所引用的。而“国际”安培和“国际”欧姆的定义，则是1908年伦敦国际代表会议所批准的。

虽然1933年在第 8届国际计量大会期间，已十分明确地一致要求采用所谓“绝对”单位来代替这些“国际”单位，但是直到1948年第 9届国际计量大会才正式决定废除这些“国际”单位，而采用下述电流强度单位的定义：

在真空中相距1米的两无限长而圆截面可忽略的平行直导线内通过一恒定电流，若这恒定电流使得这两条导线之间每米长度上产生的力等于2×10-7N（牛顿），则这个恒定电流的电流强度就是1A（安培）。

2018年11月16日，国际计量大会通过决议，“1安培为1s内通过(1.602176634)-1×10^19个电子电荷所对应的电流”。

热力学温度单位——开尔文（K）

1954年第10届国际计量大会规定了热力学温度单位的定义，它选取水的三相点为基本定点，并定义其温度为273.16K。1967年第 13届国际计量大会通过以开尔文的名称（符号K）代替“开氏度”（符号K），其正式定义是：

热力学温度单位开尔文，是水三相点热力学温度的 1/273.16。同时，大会也决定用单位开尔文及其符号K表示温度间隔或温差。

除了以开尔文表示的热力学温度（符号T，见热力学温标）外，也使用由式

t=T－T0

定义的摄氏温度(符号t)。式中T0=273.15K是水的冰点的热力学温度，它同水的三相点的热力学温度相差0.01K（开尔文）。摄氏温度的单位是摄氏度（符号℃）。因此，“摄氏度”这个单位同单位“开尔文”相等。摄氏温度间隔或温差用摄氏度表示。

按照热力学温度单位开尔文的定义，对温度进行绝对测量，必须借助热力学温度计，例如借助气体温度计。

从理论上来说，热力学温标是合理的，但具体实现却非常困难。因此，国际上决定采用实用温标，这种实用温标不能代替热力学温标，而是根据当时测量技术的水平尽可能提高准确度，逼近热力学温标。根据实用性的要求，还应在国际上进行统一。

1927年第 7届国际计量大会通过了第一个国际温标。这个国际温标在1948年进行了修改，由1960年第11届国际计量大会定名为 1948年国际实用温标（代号为IPTS－48）。后来又有了IPTS－48的1960年修订版。修订版的固定点温度值仍保持1948年的值。

1968年国际计量委员会又通过了新的国际实用温标，它同所知的最佳热力学结果相符。这个温标的代号为IPTS－68。它是建立在下列两点的基础上的：首先，有11个可以复现的固定点，在13.81K到1337.58K范围内规定用气体温度计测定固定点的温度值；其次，规定用标准仪器（13.81K到903.89K为铂电阻温度计，903.89K到1337.58K为铂铑铂热电偶，1337.58K以上用光谱高温计和常数с2=0.014338m·K），根据规定的固定点进行分度（见温度测量）。

特别需要注意的是：水的三相点不是冰点，冰点与气压和水中的溶质有关（比如空气），三相点只与水本身的性质有关。由此推算出的1K的大小与1℃相等，且水在101.325kPa下的熔点约为273.15K。

2018年11月16日，国际计量大会通过决议，“1开尔文为对应玻尔兹曼常数为1.380649×10-23J·K-1(1.380649×10-23kg·m2·s-2·K-1)时的热力学温度”。

物质的量单位——摩尔（mol）

这个单位同原子量有密切关系。最初，“原子量”是以化学元素O（氧）的原子量（规定为16）为标准。但是化学家是把O（氧）的同位素O-16、O-17、O-18的混合物，即天然氧元素的数值定为16。而物理学家则是把氧的一种同位素即氧-16的数值定为16，两者很不一致。

1959～1960年，国际纯粹与应用物理学联合会（IUPAP）和国际纯粹与应用化学联合会（IUPAC）取得一致协议后，结束了这种不一致局面。决定改用碳同位素C-12作为标准，把它的原子量定为12，并以此为出发点，给出了“相对原子质量”的数值。余下的问题是通过确定C-12的相应质量以定义物质的量的单位。根据国际协议，一个“物质的量”单位的C-12应有 0.012kg（千克）。这样定义的“物质的量”单位取名摩尔（符号mol）。

国际计量委员会根据国际纯粹与应用物理联合会、国际纯粹与应用化学联合会及国际标准化组织的建议，于 1967年制定并于 1969年批准了摩尔的定义，最后由1971年第14届国际计量大会通过，其定义为：

摩尔是一系统的物质的量，该系统中所包含的基本单元数与0.012kg C-12的原子数目相等。

在使用摩尔时基本单元应予以指明，它可以是原子、分子、离子、电子以及其他粒子；或是这些粒子的特定组合。摩尔的这个定义同时严格明确了以摩尔为单位的量的性质。

根据科学测定，12g C-12所含的C原子数约为 6.0220943×1023。用符号NA表示，称阿伏加德罗常数。

定义：凡是含有阿伏加德罗常数个结构微粒（约6.022×1023）的物质，其物质的量为1mol（摩尔）。

2018年11月16日，国际计量大会通过决议，“1摩尔为精确包含6.02214076×1023个原子或分子等基本单元的系统的物质的量”。与此同时修改了阿伏伽德罗常量为6.02214076×1023mol-1。

发光强度单位——坎德拉 (cd)

各国所用的以火焰或白炽灯丝基准为根据的发光强度单位，于1948年改为“新烛光”。这一决定是国际照明委员会（CIE）和国际计量委员会在1937年以前作出的。国际计量委员会根据1933年第8届国际计量大会授予的权力，在1946年的会议上予以颁布。1948年第 9届国际计量大会批准了国际计量委员会的这一决定，并同意给这个发光强度单位一个新的国际名称“坎德拉”（符号cd）。1967年第13届计量大会正式通过了下列修改定义：

1cd（坎德拉）是在101325N/m2（牛顿每平方米）压强下，处于铂凝固温度的黑体的 1/60000m2（平方米）表面在垂直方向上的发光强度。

上述定义一直沿用至1979年。在使用中发现，各国的实验室利用黑体实物原器复现cd（坎德拉）时，相互之间发生较大的差异。在此期间，辐射测量技术发展迅速，其精度已能同光度测量相比，可以直接利用辐射测量来复现cd（坎德拉）。鉴于这种情况，1977年国际计量委员会明确发光度量和辐射度量之间的比值，规定频率为540×10^12Hz（赫兹）的单色辐射的光谱光效率为 683lm/W（流明每瓦特）。这一数值对于明视觉光已足够准确；而对暗视觉光，也只有约3%的变化。

1979年10月召开的第16届计量大会上正式决定，废除1967年的定义，对cd（坎德拉）作了如下的新定义：“1坎德拉为一光源在给定方向上发出频率为540×10^12s-1的单色辐射，且在此方向上的辐射强度为(683)-1kg·m2·s-3·sr-1时的发光强度”。

定义中的540×10^12Hz（赫兹）辐射波长约为555nm，是人眼感觉最灵敏的波长。

辅助单位

国际单位制有两个辅助单位（已并入导出单位），即弧度和球面度。

导出单位

SI导出单位是由SI基本单位或辅助单位按定义式导出的，其数量很多。其中，具有专门名称的SI导出单位总共有20个。有18个是以杰出科学家的名字命名的，如牛顿、帕斯卡、焦耳等，以纪念他们在本学科领域里作出的贡献。它们本身已有专门名称和特有符号，这些专门名称和符号又可以用来组成其他导出单位，从而比用基本单位来表示要更简单一些。同时，为了表示方便，这些导出单位还可以与其他单位组合表示另一些更为复杂的导出单位。

下面是具有专门名称的一些导出单位的定义。

赫兹（频率的单位）——周期为 1s（秒）的周期现象的频率为1Hz（赫兹），即1Hz=1s-1。

牛顿（力的单位）——使1kg（千克）质量产生1m/s2（米每二次方秒）加速度的力，即1N=1kg·m/s2。

帕斯卡（压强单位）——每m2（平方米）面积上 1N（牛顿）力的压力，即1Pa=1N/m2。

焦耳（能或功的单位）——1 N（牛顿）力的作用点在力的方向移动1m（米）距离时所作的功，即1J=1N·m。

瓦特（功率单位）——1s（秒）内给出1J（焦耳）能量的功率，即1W=1J/s。

库仑（电量单位）——1A（安培）电流在1s（秒）内所运送的电量，即1C=1A·s。

伏特（电位差和电动势单位）——在流过 1A（安培）恒定电流的导线内，两点之间所消耗的功率若为1W（瓦特），则这两点之间的电位差为1V（伏特），即1V=1W/A。

法拉（电容单位）——给电容器充1C（库仑）电量时，二极板之间出现1V（伏特）的电位差，则这个电容器的电容为1F（法拉），即1F=1C/V。

欧姆（电阻单位）——在导体两点间加上 1V（伏特）的恒定电位差，若导体内产生1A（安培）的恒定电流，而且导体内不存在任何其他电动势，则这两点之间的电阻为1Ω（欧姆），即1Ω=1V/A。

西门子（电导单位）——Ω（欧姆）的负一次方，即1S=1Ω-1。

亨利（电感单位）——让流过一个闭合回路的电流以1A/s（安培每秒）的速率均匀变化，如果回路中产生1V（伏特）的电动势，则这个回路的电感为1H（亨利），即1H=1V·s/A。

韦伯（磁通量单位）——让只有一匝的环路中的磁通量在1s（秒）内均匀地减小到零，如果因此在环路内产生1V（伏特）的电动势，则环路中的磁通量为1（韦伯），即1Wb=1Vs。

特斯拉（磁感应强度或磁通密度单位）——每m2（平方米）内磁通量为1Wb（韦伯）的磁感应强度，即1 T=1 Wb/m2。

流明（光通量单位）——发光强度为 1cd（坎德拉）的均匀点光源向sr（球面度内单位立体角）发射出去的光通量，即1 lm=1 cd·sr。

勒克斯（光照度单位）——每m2（平方米）为 1lm（流明）光通量的光照度，即1 lx=1lm/m2。

贝可勒尔（放射性活度单位）——1s（秒）内发生1次自发核转变或跃迁，为1Bq（贝可勒尔），即1Bq=1s-1。

戈瑞（电离辐射能量吸收剂量单位）——授予1kg（千克）受照物质以1J（焦耳）能量的吸收剂量，即1Gy=1J/kg。

希沃特（剂量当量）——每kg（千克）产生1J（焦耳）的剂量当量，即1Sv=1J/kg。

弧度（rad）和球面度（sr）（纯系几何单位），已并入导出单位。其定义如下：

弧度（rad）——一个圆内两条半径之间的平面角。这两条半径在圆周上截取的弧长与半径相等。

球面度（sr）——一个立体角，其顶点位于球心，而它在球面上所截取的面积等于以球半径为边长的正方形的面积。

国际单位制词头

地位

国际单位制是计量学研究的基础和核心。特别是七个基本单位的复现、保存和量值传递是计量学最根本的研究课题。

物理量

单位制

物理学是一门实验科学，它的理论建立在实验观测上。实验观测离不开物理量的测量，为了定量地表明观测量值的大小，对于同一类物理量（例如长度），需要选出一个特定的量作为单位（例如1米），这一类中的任何其他量，都可以用这个单位和一个数的乘积来表示，这个数就称为该物理量以上述特定的量作为单位时的数值。

物理学在历史上曾建立过多种单位制体系。1971年后，建立了以7个基本量为基础的国际单位制。

各种物理量通过描述自然规律的方程及新物理量的定义而彼此相互联系。为了方便，通常在其中选取一组互相独立的物理量，作为基本物理量，其他量则根据基本量和有关方程来表示，称为导出量。

物理学中人们最早研究的分支是力学。在力学范畴内，首先建立了以长度、质量和时间为基本物理量的单位制，就是人们所熟悉的厘米·克·秒（CGS）制。

为了国际上的贸易、工业以及科学技术交往的需要，1875年在巴黎由17国外长制定了米制公约。米制公约中规定：长度以米为单位，质量以千克（公斤）为单位，时间以秒为单位。这种单位制称为米·千克·秒制。

随着电磁学、热力学、光辐射学和微观物理学的发展，基本物理量逐渐由3个扩展到7个。建立了在米·千克·秒制基础上发展起来的单位制，它得到1960年第11届国际计量大会的确认，称为国际单位制（简称SI）。

国际单位制的构成原则比较科学，大部分单位都很实用，并且涉及所有专业领域。普遍推广国际单位制，可以消除因多种单位制和单位并存而造成的混乱，节省大量的人力和物力，有利于促进国民经济和国际交往的进一步发展。

当今绝大部分工业发达国家都积极地推广国际单位制，原来采用英制的国家也决定放弃英制，采用或准备采用国际单位制。

由于在物理学中，特别是理论物理学中，有时需要使用厘米克秒制单位及其发展的电磁单位，所以厘米克秒单位制仍作为一种保留使用的单位制。国际计量委员会认为，在使用厘米克秒制时，一般最好不与国际制单位并用。

在粒子物理学中，仍广泛采用一种特殊的单位制，即自然单位制。在自然单位制中，把基本物理常数h（普朗克常数除以2π）和с（光速）都取作1。于是，基本物理量可以减少，从而能够选用能量作为基本物理量。在同粒子物理密切相关的其他物理学科中，有时也采用自然单位制。

厘米·克·秒制（CGS制）

在物理学的许多书籍和论文中，尤其是在理论物理学中，仍广泛采用厘米克秒制（CGS制）。这种单位制选用厘米、克和秒作为它的基本单位。厘米克秒制有一个方便之处，就是1立方厘米的水，在其最大密度时具有近似为1克的质量。这种单位制是在英国科学进展协会标准委员会的倡导下建立的。三个基本单位决定后，按照一贯性的要求可以确定所有其他单位，即导出单位。但当涉及电磁现象时，导出单位的确立有两条不同的途径。一条途径的出发点是两个磁极之间的作用力反比于距离平方，另一条途径的出发点是两个电荷之间的作用力反比于距离平方。W.韦伯于1851年循着这两条途径得到了两种一贯性的“绝对”单位制。根据电荷的静电相互作用建立的叫作绝对静电制单位（CGSE），而根据磁相互作用建立的叫作绝对电磁制单位（CGSM）。

CGSM单位所规定的磁场强度的单位，称为奥斯特，规定的磁感应强度单位称为高斯，磁感应通量单位称为麦克斯韦。如果所有电学量单位用CGSE单位，而磁学量用CGSM单位，则构成了所谓绝对高斯制单位（见电磁学量的单位制）。

在只限于力学量和电学量的单位时，国际单位制中包括了电流作为基本单位，即共有四个基本单位。而在厘米·克·秒制中，则只有三个基本单位，电流作为导出单位。

国际单位制采纳了一些当年英国科学进展协会建议采用的所谓的“实用单位”（其中包括一些导出单位）。例如电阻单位为欧姆，电动势单位为伏特，它们分别等于相应的CGSM制单位的10和10倍。英国科学进展协会的建议是在1881年获得巴黎第 1届国际电学大会批准的。大会还引入了电流的实用单位安培，它等于相应的CGSM制单位的十分之一。后来又引入了电荷实用单位库仑和电容实用单位法拉。

人们为实用单位建立了欧姆实物基准（汞柱）、伏特实物基准（韦斯顿电池）和安培实物基准（银电解式电量计），它们都作为副基准使用。1893年芝加哥国际电学大会根据这些实物基准，对欧姆、伏特和安培给予了“法定”定义。1908年在伦敦召开的国际电学大会又决定在计量学中采用以欧姆和安培的实物基准为依据的一整套的所谓“国际电学单位制”。

1948年第 9届国际计量大会正式通过了米·千克·秒·安培的单位制，这就是国际单位制的基础。

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