Меню

Метр единица измерения длины эталон метра



Метр единица измерения длины эталон метра

Метр (эталон)

Метр (франц. metre, от греч. metron — мера) — расстояние, проходимое светом в вакууме за 1:299 792 458-ую долю секунды.

1 метр равен 10 дециметрам (дм), 100 сантиметрам (см), 1000 милиметрам (мм).
1000 метров равно 1 километру (км).

Согласно первому определению, принятому во Франции в 1791 г., метр был равен 1*10 -7 части четверти длины парижского меридиана. Размер метра был определён на основе геодезических (см. геодезические измерения) и астрономических измерений Ж. Деламбра и П. Мешена. Первый эталон метра был изготовлен французским мастером Ленуаром под руководством Ж. Борда (1799 г.) в виде концевой меры длины — платиновой линейки шириной около 25 мм, толщиной около 4 мм, с расстоянием между концами, равным принятой единице длины. Он получил наименование «метр архива» или «архивный метр» (по месту хранения). Однако, как оказалось, определённый т. о. метр не мог быть вновь точно воспроизведён из-за отсутствия точных данных о фигуре Земли и значительных погрешностей геодезических измерений.

В 1872 г. Международная метрическая комиссия приняла решение об отказе от «естественных» эталонов длины и о принятии архивного метра в качестве исходной меры длины. По нему был изготовлен 31 эталон в виде штриховой меры длины — бруса из сплава Pt (90%) и lr (10%). Поперечное сечение эталона имеет форму Х (см. рис.), придающую ему необходимую прочность на изгиб. Вблизи концов нейтральной плоскости эталона нанесено по 3 штриха.

Постановлением 1-й Генеральной конференции по мерам и весам этот эталон, получивший обозначение , был принят в качестве международного прототипа метра. Прототип метра и две его контрольные копии хранятся в Севре (Франция) в Международном бюро мер и весов. В Научно-исследовательском институте им. Д. И. Менделеева (НИИМ) в Санкт-Петербурге хранятся две копии (№11 и №28) Международного прототипа метра. При введении метрической системы мер в СССР (1918 г.) государственным эталоном метра была признана копия №28. Международный прототип метра, погрешность которого 1*10 -7 , и национальный прототипы обеспечивали поддержание единства и точности измерений на необходимом для науки и техники уровне в течение десятков лет.

Рост требований к точности линейных измерений и необходимость создания воспроизводимого эталона метра стимулировали исследования по определению метра через длину световой волны. 11-я Генеральная конференция по мерам и весам (1960 г.) приняла новое определение метра, положенное в основу Международной системы единиц (СИ): «Метр — длина, равная 1650763,73 длины волны в вакууме излучения, соответствующего переходу между уровнями 2p 10 и 5d 5 атома криптона 86». Для обеспечения высокой точности воспроизведения метра в международной спецификации строго оговорены условия воспроизведения первичного эталонного излучения. Монохроматическое излучение, соответствующее оранжевой линии криптона, создаётся специальной лампой, заполненной газообразным 86Kr. Свечение газа возбуждается генератором высокой частоты 100-200 Мгц, во время работы лампу охлаждают до температуры тройной точки азота (63 К). В этих условиях ширина оранжевой линии 86Kr не превышает 0,013-0,016 см -1 (в волновых числах). Лампа устанавливается перед интерферометром, на котором измеряют концевые или штриховые меры в длинах световых волн. В НИИМе создан эталонный интерферометр, позволяющий измерять меры длины до 1000 мм со средним квадратическим отклонением 3*10 -8 . Измерение длины прототипа №28 на эталонном интерферометре показало, что он больше метра по определению 1960 г. на 0,22 мкм.

Настоящая длина метра принимается в соответствии с резолюцией 17-ой Генеральной конференции по мерам и весам проходящей в октябре 1983 г. в Париже (Франция) и определена как расстояние, проходимое светом в вакууме за 1:299 792 458-ую долю секунды.

Источник

Метр единица измерения длины эталон метра

Метр (русское обозначение: м; международное: m; от др.-греч. μέτρον «мера, измеритель») — единица измерения длины в Международной системе единиц (СИ), одна из семи основных единиц СИ. Также является единицей длины и относится к числу основных единиц в системах МКС, МКСА, МКСК, МКСГ, МСК, МКСЛ, МСС, МКГСС и МТС. Кроме того, во всех упомянутых системах метр — единица коэффициента трения качения, длины волны излучения, длины свободного пробега, оптической длины пути, фокусного расстояния, комптоновской длины волны, длины волны де Бройля и других физических величин, имеющих размерность длины [1] .

Согласно действующему определению, метр есть длина пути, проходимого светом в вакууме за интервал времени 1/299 792 458 секунды [2] [3] .

Содержание

Определение метра

Современное определение метра в терминах времени и скорости света было принято XVII Генеральной конференцией по мерам и весам (ГКМВ) в 1983 году [2] [3] .

Метр — длина пути, проходимого светом в вакууме за интервал времени 1/299 792 458 секунды.

Из этого определения следует, что в СИ скорость света в вакууме принята равной в точности 299 792 458 м/с . Таким образом, определение метра, как и два столетия назад, вновь привязано к секунде, но на этот раз с помощью универсальной мировой константы.

Читайте также:  Что такое лель единица измерения

Предполагаемое переопределение

На XXIV ГКМВ 17—21 октября 2011 года была принята резолюция [4] , в которой, в частности, предложено в будущей ревизии Международной системы единиц все определения основных единиц сформулировать в новом единообразном виде [5] . Предполагаемое новое определение метра, полностью эквивалентное существующему, в резолюции сформулировано в следующем виде [5] :

Метр, обозначение м, является единицей длины; его величина устанавливается фиксацией численного значения скорости света в вакууме равным в точности 299 792 458, когда она выражена единицей СИ м·с −1 .

XXV ГКМВ, состоявшаяся в 2014 году, приняла решение продолжить работу по подготовке новой ревизии СИ, включающей переопределение метра, и предварительно наметила закончить эту работу к 2018 году с тем, чтобы заменить существующую СИ обновлённым вариантом на XXVI ГКМВ в том же году [6] .

Кратные и дольные единицы

В соответствии с полным официальным описанием СИ, содержащемся в действующей редакции Брошюры СИ (фр. Brochure SI , англ. The SI Brochure ), опубликованной Международным бюро мер и весов (МБМВ), десятичные кратные и дольные единицы метра образуются с помощью стандартных приставок СИ [7] . «Положение о единицах величин, допускаемых к применению в Российской Федерации», принятое Правительством Российской Федерации, предусматривает использование в РФ тех же приставок [8] .

Кратные Дольные
величина название обозначение величина название обозначение
10 1 м декаметр дам dam 10 −1 м дециметр дм dm
10 2 м гектометр гм hm 10 −2 м сантиметр см cm
10 3 м километр км km 10 −3 м миллиметр мм mm
10 6 м мегаметр Мм Mm 10 −6 м микрометр мкм µm
10 9 м гигаметр Гм Gm 10 −9 м нанометр нм nm
10 12 м тераметр Тм Tm 10 −12 м пикометр пм pm
10 15 м петаметр Пм Pm 10 −15 м фемтометр фм fm
10 18 м эксаметр Эм Em 10 −18 м аттометр ам am
10 21 м зеттаметр Зм Zm 10 −21 м зептометр зм zm
10 24 м иоттаметр Им Ym 10 −24 м иоктометр им ym
применять не рекомендуется не применяются или редко применяются на практике
Примеры использования кратных и дольных единиц

Множитель Единица Пример Множитель Единица Пример
10 3 километр высота самого высокого в мире здания — 0,8 км 10 −3 миллиметр размер мелких насекомых —

1 мм

10 6 мегаметр расстояние от Парижа до Мадрида — 1 Мм 10 −6 микрометр типичный размер бактерий —

1 мкм

10 9 гигаметр диаметр Солнца — 1,4 Гм 10 −9 нанометр самые мелкие вирусы —

20 нм

10 12 тераметр радиус орбиты Сатурна — 1,5 Тм 10 −12 пикометр радиус атома гелия — 32 пм
10 15 петаметр световой год — 9,46 Пм 10 −15 фемтометр диаметр протона — 1,75 фм
10 18 эксаметр расстояние до Альдебарана — 0,6 Эм 10 −18 аттометр характерный радиус слабого взаимодействия — 2 ам [9]
10 21 зеттаметр диаметр нашей галактики —

1 Зм

10 −21 зептометр
10 24 иоттаметр радиус «Местного сверхскопления галактик» —

1 Им

10 −24 иоктометр

Соотношение с другими единицами длины

Метрическая единица, выраженная через единицу, не входящую в СИ Единица, не входящая в СИ, выраженная через метрическую единицу
1 метр 39,37 дюйма 1 дюйм 0,0254 метра
1 сантиметр 0,3937 дюйма 1 дюйм 2,54 сантиметра
1 миллиметр 0,03937 дюйма 1 дюйм 25,4 миллиметра
1 метр 1·10 10 ангстрем 1 ангстрем 1·10 −10 метра
1 нанометр 10 ангстрем 1 ангстрем 100 пикометров

История

В Европе со времён распада империи Карла Великого не существовало общих стандартных мер длины: они могли быть стандартизированы в пределах одной юрисдикции (которая зачастую имела размеры одного торгового городка), но единых мер не было, и каждый регион мог иметь свои собственные. Причиной этого служило в какой-то мере то, что меры длины использовались в налогообложении (налог, например, мог измеряться в определённой длине полотна), а поскольку каждый местный правитель вводил свои налоги, то для соответствующей местности законами устанавливались свои единицы измерений [10] .

С развитием науки в XVII веке стали раздаваться призывы к введению «универсальной меры» (universal measure, как назвал её английский философ и лингвист Джон Уилкинс в своём эссе 1668 года [11] ) или «католического метра» (metro cattolico) итальянского учёного и изобретателя Тито Ливио Бураттини из его работы Misura Universale 1675 года [Note 1] [12] ), меры, которая бы основывалась на каком-либо естественном явлении, а не на постановлении властьдержащей персоны, и которая была бы десятичной, что заменило бы множество разнообразных систем счисления, например, распространённую двенадцатеричную, одновременно существовавших в то время.

Метр — длина маятника

Идея Уилкинса заключалась в том, чтобы выбрать для единицы длины длину маятника с полупериодом колебаний равным 1 с. Подобные маятники были незадолго до этого продемонстрированы Христианом Гюйгенсом, и их длина была весьма близка к длине современного метра (так же, как к единицам длины, использовавшимся в те времена, например, ярду). Однако, вскоре было обнаружено, что длина, измеренная таким способом, различается в зависимости от места измерений. Французский астроном Жан Рише во время экспедиции в Южную Америку (1671—1673) обнаружил увеличение периода колебаний секундного маятника по сравнению с тем, который наблюдался в Париже. Выверенный в Париже маятник в процессе наблюдений им был сокращён на 1,25 французской линии (

2,81 мм), дабы избежать отставания во времени на 2 минуты в день. Это было первое прямое доказательство уменьшения силы тяжести по мере приближения к экватору, и это дало разницу в 0,3 % длины между Кайенной (во французской Гвиане) и Парижем [13] .

Вплоть до французской революции 1789 года в вопросе установления «универсальной меры» не было никакого прогресса. Франция была озабочена вопросом распространения единиц измерений длины, необходимость реформы в этой области поддерживали самые различные политические силы. Талейран возродил идею о секундном маятнике и предложил её Учредительному собранию в 1790 году, с тем уточнением, что эталон длины будет измерен на широте 45° N (примерно между Бордо и Греноблем). Таким образом, метр получал следующее определение: метр — это длина маятника с полупериодом колебаний на широте 45°, равным 1 с (в единицах СИ эта длина равна g/π² · (1 с) 2 ≈ 0,994 м).

Первоначально за основу было принято это определение (8 мая 1790, Французское Национальное собрание). Но несмотря на поддержку собрания, а также поддержку Великобритании и новообразованных Соединённых Штатов, предложение Талейрана так и не было осуществлено [14] [Note 2] .

Метр — часть Парижского меридиана

Вопрос реформы единиц измерения был отдан на рассмотрение Французской академии наук, которая создала специальную комиссию, возглавляемую инженером и математиком Жаном-Шарлем де Борда. Борда был ярым приверженцем перехода на десятичную систему исчисления: он усовершенствовал лимб повторительного теодолита (англ. Repeating circle ), который позволял намного улучшить точность измерения углов на местности, и настаивал, чтобы инструмент калибровался в градах ( 1 100 четверти круга), а не в градусах, чтобы град делился на 100 минут, а минута — на 100 секунд [15] . Для Борда метод секундного маятника был неудовлетворительным решением, поскольку он основывался на существовавшей в то время секунде — недесятичной единице, которая не подходила для предлагавшейся к внедрению системы десятичного времени — системе, когда в одних сутках 10 часов, в часе 100 минут, а в минуте 100 секунд.

Вместо метода секундного маятника комиссия — среди членов которой были Жозеф Луи Лагранж, Пьер-Симон Лаплас, Гаспар Монж и Кондорсе — решила, что новая единица измерения должна быть равна одной десятимиллионной расстояния от Северного полюса до экватора (четверть земной окружности), измеренного вдоль меридиана, проходящего через Париж [14] . Помимо той выгоды, что это решение давало лёгкий доступ для французских геодезистов, существовало такое важное достоинство, что часть расстояния от Дюнкерка до Барселоны (около 1000 км, то есть одна десятая от общего расстояния) могла быть проложена от начальных и конечных точек, расположенных на уровне моря, а как раз эта часть находилась в середине четверти окружности, где влияние формы Земли, которая не является правильным шаром, а сплюснута, было бы наибольшим [14] .

30 марта 1791 предложение определить метр через длину меридиана было принято следующим: одна сорокамиллионная часть Парижского меридиана (то есть одна десятимиллионная часть расстояния от северного полюса до экватора по поверхности земного эллипсоида на долготе Парижа). Интересно, что в современных единицах это 1 1,000 000 000 05 <\displaystyle <\frac <1><1<,>000\,000\,000\,05>>> метра. Идея привязать единицу измерения длины к меридиану Земли была не нова: аналогичным образом ранее были определены морская миля и лье.

Вновь определённая единица получила наименование «метр подлинный и окончательный» (фр. metre vrai et définitif ) [1] .

7 апреля 1795 Национальный Конвент принял закон о введении метрической системы во Франции и поручил комиссарам, в число которых входили Ш. О. Кулон, Ж. Л. Лагранж, П.-С. Лаплас и другие учёные, выполнить работы по экспериментальному определению единиц длины и массы. В 1792—1797 годах по решению революционного Конвента французские учёные Деламбр (1749—1822) и Мешен (1744—1804) за 6 лет измерили дугу парижского меридиана длиной в 9°40′ от Дюнкерка до Барселоны, проложив цепь из 115 треугольников через всю Францию и часть Испании. Впоследствии, однако, выяснилось, что из-за неправильного учёта полюсного сжатия Земли эталон оказался короче на 0,2 мм; таким образом, длина меридиана лишь приблизительно равна 40 000 км.

Первый прототип эталона метра был изготовлен из латуни в 1795 году.

Следует отметить, что единица массы (килограмм, определение которого было основано на массе 1 дм³ воды), тоже была привязана к определению метра.

В 1799 году был изготовлен из платины эталон метра, длина которого соответствовала одной сорокамиллионной части Парижского меридиана [16] .

Во время правления Наполеона метрическая система распространилась по многим странам Европы. Выгода от её применения была столь очевидна, что и после отстранения Наполеона от власти принятие метрических единиц продолжалось [17] :

  • 1816 — Бельгия и Голландия;
  • 1832 — Португалия;
  • 1849 — Испания и Греция;
  • 1870 — Германия;
  • 1873 — Австрия;
  • 1875 — Швейцария.

К концу XIX века из крупных стран только в Великобритании (и ее колониях), США, России, Китае и Османской империи остались традиционные меры длины.

На метре как единице длины и килограмме как единице массы была основана метрическая система, которая была введена «Метрической конвенцией», принятой на Международной дипломатической конференции 17 государств (Россия, Франция, Великобритания, США, Германия, Италия и др.) 20 мая 1875 года [18] .

В 1889 году был изготовлен более точный международный эталон метра. Этот эталон изготовлен из сплава 90 % платины и 10 % иридия [19] и имеет поперечное сечение в виде буквы «X». Его копии были переданы на хранение в страны, в которых метр был признан в качестве стандартной единицы длины.

Дальнейшее развитие

В 1960 было решено отказаться от использования изготовленного людьми предмета в качестве эталона метра, и с этого времени по 1983 год метр определялся как число 1 650 763,73, умноженное на длину волны оранжевой линии (6 056 Å) спектра, излучаемого изотопом криптона 86 Kr в вакууме. После принятия нового определения платино-иридиевый прототип метра продолжают хранить в Международном бюро мер и весов в тех условиях, что были определены в 1889 году. Однако теперь его статус стал иным: длина прототипа перестала считаться в точности равной 1 м и её фактическое значение должно определяться экспериментально. По своему первоначальному назначению прототип больше не используется.

К середине 1970-х годов был достигнут значительный прогресс в определении скорости света. Достаточно сказать, что если в 1926 году погрешность наиболее точных на то время измерений, выполненных А. Майкельсоном, составляла 4000 м/с [20] , то в 1972 году сообщалось о снижении погрешности вплоть до 1,1 м/с [21] . После многократной проверки полученного результата в различных лабораториях XV Генеральная конференция по мерам и весам в 1975 году рекомендовала использовать в качестве значения скорости света в вакууме величину, равную 299 792 458 м/с с относительной погрешностью 4·10 −9 , что соответствует абсолютной погрешности 1,2 м/с [22] . Впоследствии в 1983 году именно это значение XVII Генеральная конференция по мерам и весам положила в основу нового определения метра [2] .

Определения метра с 1795 года [23]

Основа Дата Абсолютная погрешность Относительная погрешность
1 10 000 000 часть четверти Парижского меридиана, определённая по результатам измерений, проведённых Деламбром и Мешеном 1795 0,5—0,1 мм 10 −4
Первый эталон Metre des Archives из платины 1799 0,05—0,01 мм 10 −5
Платино-иридиевый профиль при температуре таяния льда (1-я ГКМВ) 1889 0,2—0,1 мкм 10 −7
Платино-иридиевый профиль при температуре таяния льда и атмосферном давлении, поддерживаемый двумя роликами (VII ГКМВ) 1927 неизв. неизв.
1 650 763,73 длин волн оранжевой линии (6056 Å) спектра, излучаемого изотопом криптона 86 Kr в вакууме (XI ГКМВ) 1960 4 нм 4·10 −9 [2]
Длина пути, проходимого светом в вакууме за (1/299 792 458) секунды (XVII ГКМВ) 1983 0,1 нм 10 −10

Погонный метр

Погонный метр — единица измерения количества длинномерных объектов (так называемых погонажных изделий, материалов и т. п.), соответствующая куску или участку длиной 1 метр. Погонный метр ничем не отличается от обычного метра, это единица, которой измеряют длину материала независимо от ширины. Погонным метром могут, например, измерять кабельные каналы, доски, листы металла, трубы, плинтусы, оконные уплотнители, ткани. Хотя для тканей правильнее было бы измерять их площадь, но если ширина ткани подразумевается известной и постоянной — используется понятие «погонный метр» (как правило, ширина ткани составляет 1,4 м, и, таким образом, погонный метр ткани является куском 1,0×1,4 м). Говоря строго, в быту чаще используется понятие именно погонного метра, информация о ширине или высоте предметов подразумевается известной или не важной. Наименование погонного метра выделяется в специальной литературе либо для создания различной экспрессивной окраски речи.

Метрологическая литература не рекомендует использовать термин «погонный метр». Общее правило заключается в том, что в случае необходимости поясняющие слова должны входить в наименование физической величины, а не в наименование единицы измерения. Поэтому, например, следует писать «погонная длина равна 10 м», а не «длина равна 10 пог. м» [24] .

Источник