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4.4力学单位制

大象
计量一头大象的质量时常用吨(t)做单位,但在计量人的质量时却用千克(kg)做单位。自由落体加速度g的单位是米每二次方秒(m/s²),在初中学习时,g的单位曾用牛顿每千克(N/kg)。这些单位的使用有什么规则吗?
基本单位
由位移和时间求速度时,所用的关系式为
v=Δx/Δt
如果位移的单位用米(m),时间的单位用秒(s),得出的速度单位就是米每秒(m/s)。
已知速度的变化量和发生这个变化所用的时间,要求加速度时,所用的关系式为
a=Δv/Δt
如果速度的单位用米每秒(m/s),时间的单位用秒(s),得出的加速度的单位就是米每二次方秒(m/s²)。
由此可见,物理学的关系式在确定了物理量之间的关系时,也确定了物理量的单位之间的关系。
在物理学中,只要选定几个物理量的单位,就能够利用物理量之间的关系推导出其他物理量的单位。这些被选定的物理量叫作基本量,它们相应的单位叫作基本单位。
在上面的例子中,长度、时间就是基本量,它们相应的单位(米、秒)就是基本单位。由基本量根据物理关系推导出来的其他物理量叫作导出量,推导出来的相应单位叫作导出单位,例如速度、加速度的单位。基本单位和导出单位一起就组成了一个单位制(systemof units)。
▶物理量具有明确的定义和物理意义,可以用不同的方法测量,测量的结果用数值和相应的单位来表示。
国际单位制
如果采用不同的物理量作为基本量,或者虽然采用相同的基本量,但采用的基本单位不同,导出单位自然随之不同,从而产生不同的单位制。不同的地区使用不同的单位制,不方便交流。1960年第11届国际计量大会制订了一种国际通用的、包括一切计量领域的单位制,叫作国际单位制(Le Système International d′Unités,法文),简称SI。
在力学范围内,规定长度、质量、时间为三个基本量,对热学、电磁学、光学等学科,除了上述三个基本量和相应的基本单位外,还要加上另外四个基本量和它们的基本单位,才能导出其他物理量的单位。
表 国际单位制的基本单位
国际单位制的基本单位
_______________________
① 方括号前的字是该单位的中文简称和中文符号,下同。

【例题】
光滑水平桌面上有一个静止的物体,质量是700 g,在1.4 N的水平恒力作用下开始运动(图4.4-1)。
受力分析
那么,5 s末物体的速度是多少? 5 s内它的位移是多少?
分析 由于物体在竖直方向上所受的重力与桌面的支持力平衡,水平方向上的作用力为恒力,所以物体沿水平方向做初速度为0的匀加速直线运动。
由牛顿第二定律求出物体的加速度,再根据匀变速直线运动的速度与时间的关系式、位移与时间的关系式,就可以求出速度和位移。
在国际单位制中运用牛顿第二定律F=ma时,质量的单位必须用千克(kg),所以需要对质量的单位进行换算。
以静止的物体为研究对象。物体的质量m=700 g=0.7 kg。根据牛顿第二定律,有
a=F/m
根据匀变速直线运动的位移与时间关系式,有
x=0.5at²
5 s末物体的速度是10 m/s,方向与恒力的方向相同;5 s内它的位移是25 m,方向与运动方向相同。
我们看到,题中的已知量的单位都用国际单位制的基本单位表示时,计算的结果也是用国际单位制的基本单位表示的。既然如此,在统一已知量的单位后,计算过程中就不必写出各量后面的单位,只在数字计算式后面写出正确的单位就可以了。这样,上面的计算过程就可以写成
a=F/m
思考与讨论
图 4.4-2 圆锥 的高度 h 和 底 面半径 R


小刚在课余制作中需要计算圆锥的体积,他从一本书中查得圆锥体积的计算公式为V=⅓πR³h 。小红说,从单位关系上看,这个公式肯定是错误的。她的根据是什么?
拓展学习

基本单位的定义
秒的定义 铯-133原子基态的两个超精细能级之间跃迁所对应的辐射的9 192 631 770个周期的持续时间为1 s。现在测量时间的最精准仪器是原子钟。图4.4-3为某原子钟的照片。
图 4.4-3 原子钟
米的定义 米是光在真空中米的定义时间间隔所经路径的长度。以上米的定义是1960年国际计量大会上批准的。与此同时,宣布废除1889年国际米原器为标准的米的定义。国际米原器是以铂铱合金制成的。
千克的定义 国际千克原器的质量为1 kg。
国际千克原器是1889年第一届国际计量大会批准制造的,它是一个用铂铱合金制成的圆柱体,高度和直径均为39 mm。原型保存在巴黎国际计量局。
2018年11月16日,第26届国际计量大会决定,千克由普朗克常量h及米和秒定义。即
千克
该决定将于2019年5月20日起生效。此次标准实施后,SI单位中的7个基本单位将全部建立在不变的自然常数基础上,保证了SI单位的长期稳定性和通用性。
练习与应用
1.一辆速度为4 m/s的自行车,在水平公路上匀减速地滑行40 m后停止。如果自行车和人的总质量是100 kg,自行车受到的阻力是多少?
2.一辆以10 m/s的速度行驶的汽车,刹车后经2 s停下来。已知汽车的质量为4 t,汽车所受的阻力是多少?
3.一艘在太空飞行的宇宙飞船,开动推进器后,受到的推力是900 N,开动3 s的时间,速度增加了0.9 m/s,飞船的质量是多少?
4.一辆质量是2 t的汽车,在水平公路上以54 km/h的速度匀速行驶。根据测试,这辆车在这种路面上紧急刹车时,汽车所受的制动力为1.2×104 N。汽车要滑行多远的距离才能停下来?
5.在初中已经学过,如果一个物体在力F的作用下沿着力的方向移动了一段距离l,这个力对物体做的功W=Fl。我们还学过,功的单位是焦耳(J)。请由此导出焦耳与基本单位米(m)、千克(kg)、秒(s)之间的关系。


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