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1、100 焊接与切割安全用电 2222第十章 焊接与切割安全用电预备知识：电磁学的量纲和单位1 量纲：量纲是表达某些事物的物理属性的词汇。如：长度，质量，时间 ；l 基本量纲：长度，质量，时间，电荷这四个量纲是电磁学的基本量纲。l 导出量纲：由基本量纲运用数学物理公式推演出的量纲。导出量纲是基本量纲用乘号和除号构成的单项式。如：速度长度时间；加速度速度时间；l 质量：质量是物理学最基本最重要的概念之一。随着人们对经典物理现象及概念逐步深入的研究认识，对物质质量的理解，界定和测量方法经历了一个漫长的发展变化过程。1960年，第十一届国际计量大会通过的国际单位制，其国际代号为SI，将质量确定为七个基
2、本物理量之一。其名称为“质量”（mass），简写为M或m；但是直到今天，科学界尚不能给出质量的确切定义。m质量的物理意义m.1物体的质量是其含物质的多少这是牛顿最初质量定义的含义，牛顿指出：“定义1，物质的量是用它的密度和体积一起来量度的”。这是一种朴素和直觉地表述。鉴于知识的渐进性和可接受性，目前我国初中物理教科书就是采用定义：“物体中含有物质的多少叫质量”（人教版）。而且还指出“质量不随物体的形状，状态，温度和位置的改变而改变（这一说法并不准确），是物体本身的固有属性”。m.2 质量表示物体的惯性质量是描述物质属性的物理量。物体具有保持原有运动状态的属性惯性。牛顿第二运动定律是把物体在其速
3、度变化（运动状态变化）时所显示的阻抗能力（惯性）定量化的量度。即，由于当时无法解释一项，即认为，所以有，式中即为质量，是物体平动惯性大小的量度，也是物体作加速平动运动属性的表现，因而称为惯性质量，我国现行高中物理教材就采用这一表述方式。m.3 质量是表示物体间引力大小的量度物体具有产生引力作用和感受引力作用的属性。牛顿于17世纪发现的万有引力定律就是反映这一属性的规律。其表示式，式中的和就是相互作用的二个物体分别具有产生引力作用（产生引力场牛顿是持超距作用不认为有场的存在）并能感受引力作用大小的量度，因而称之为引力质量m.4 惯性质量与引力质量的关系设地球表面某处一物体，如果忽略地球自转效应，
4、它受到地球的万有引力为式中M和R是地球的质量和半径，G为万有引力常数，为该物体的引力质量；另一方面，设此物体在力的作用下产生的加速度为，则 式中为惯性质量。以同样条件设另一物体，则由以上四式得：实验事实是地球表面同一处的重力加速度都是相等的，即因此有由此可见，一切物体自由下落时的加速度都相等的事实，意味着引力质量与惯性质量有正比关系，在万有引力定律和牛顿第二定律中，如果选取适当的单位，则二者是相等的。正是基于这样的客观事实，爱因斯坦提出了引力场的概念，并认为加速场可以抵消引力场效应，总结出了“等效原理”，作为广义相对论的实验基础并将引力质量和惯性质量用如下关系联系起来：惯性质量加速度（加速场强
5、度）=引力质量引力场强度不过等效应原理的动力学机制还不太清楚m.5 质量随着速度增长其实，在牛顿第二定律中已经得出了等于什么的问题，只是牛顿力学是建立在超距作用的绝对时空观上，将质量视为一个与运动无关的恒定量。而在相对论力学中运动物体的质量与其速度有如下关系式中为静止质量，即时。为光速。物体高速的运动效应，引起物体质量的改变，说明物体的惯性或产生和感受引力的性质发生了变化，同时也说明了物质的属性与其运动有关。在低速下，由于物质属性的改变极为微小，从而才认为物体的质量是恒定的。m.6 质能守恒是近代物理学的基石之一。在相对论力学创立之前，人们一直以为质量守恒定律和能量守恒定律是两条彼此没有关系的
6、完全独立的定律。相对论力学揭示了质量与能量之间存在着十分简单的关系。在中当时，将其进行幂级数展开得：即式中第二项正是经典力学里熟知的物体的动能。由此可知，一个运动物体的能量可以分成二部分，其一是运动时才具有的动能，其二是静止时也具有能量即。物体的静能是一个崭新的概念，是与物体静止质量相联系的能量，与直接成正比。这样，任何物质的质量与其能量E存在着普适关系。当物体的能量发生变化时，它的质量就按这一关系相应地发生变化，反之，它的质量发生了改变必定伴随其能量的变化。这一结论与目前所有的实验事实相符合。比如，人们运用质能守恒关系解释了原子核反应时质量亏损现象，发现了核内蕴藏着巨大的能量，等等。m.7物
7、体质量的测量方法随着科技水平的发展，质量测量技术的水平和手段在不断地提高和改进，特别是将电子技术应用到质量测定技术之中而发明的电子天平，其感量可达万分之一。目前在实验室和教学科研中常用的质量测量方法从原理上讲，主要有用（各种）天平测定物体质量即天平法，运用牛顿第二定律测质量；用动量守恒定律测质量；用单摆和弹簧称测质量；用万有引力定律推测天体质量；用匀强电场测带电粒子的质量；用质谱仪测带电微粒的质量；用理想气体状态方程测气体的质量；用油膜法测定物质分子的质量等等。2 单位：单位是量纲所表达的物理量大小的标准或者参考基准。有了单位，量纲才能用数字来表示。l 基本单位：表示基本量纲的单位。在不同的单
8、位制中，基本单位是不同的。如：SI国际单位制：电磁学基本单位 米m；千克kg；秒s；安培A或者库仑C；CGSE单位制：电磁学基本单位 厘米cm；克g；秒s；CGSE电量单位；l 库仑定律：真空中两个点电荷q1和q2之间相互作用力的大小和q1与q2的电量的乘积成正比，与它们之间的距离r的平方成反比。作用力的方向沿q1和q2的连线，同号电荷相斥，异号电荷相吸。Fkq1q2/r2l 导出单位：基本单位之外的那些物理量纲的单位，可以按照它们与基本量纲之间的关系式(定义或定律)导出，称为导出单位；如：速度单位“米每秒”ms1；加速度单位“米每秒每秒”ms2；3单位制：任意地确定了基本量纲和基本单位后，即
9、构成确定的单位制。l 国际单位制：InternationalSystemofUnits1960年第十一届国际计量大会通过的一种单位制。世界上最先进，科学和实用的单位制。其国际代号SI取自法文LeSystmeInternationaldUnits中的前两字的字头。国际单位制由7个基本单位，2个辅助单位和19个具有专门名称的导出单位所组成。所有单位都各有一个主单位，利用10进倍数和分数的16个词头组成SI单位的10进倍数单位和分数单位。7个基本单位分别是：l 长度单位：米（m）。l 质量单位：千克（kg）。l 时间单位：秒（s）。l 电流强度单位：安培（A）。l 热力学温度单位：开尔文（K）。l
10、物质的量的单位：摩尔（mol）。l 发光强度单位：坎德拉（cd）。它们彼此独立，并有严格的定义。国际单位制体现单位的一贯性。即在国际单位制中所有导出单位，当按照一定的定义方程式从基本单位导出基本单位或辅助单位导出时，它们的系数都是1，而且所有的SI单位在运算过程中的系数也都是1，从而使运算简化。中国的法定计量单位，就是以国际单位制为基础制定的。4电学单位制：aCGSE单位制：即厘米克秒制。在此单位制中，库仑定律公式中的系数k1，并以此来定义电量单位。bSI国际单位制：即米千克秒制。在此单位制中，库仑定律公式中的系数k1/40；其中0定义为真空介电常数08.85421012C2N1m2；SI单位
11、制各基本单位定义如下：l 米m：1789年法国大革命胜利后，国民议会命令法国科学院制定新的十进制的度量衡制度，该院认为要确保基本单位恒定不变，应以自然的物理量为基础，并决定以经过巴黎子午线14 周长的千万分之一为1米，并翻山过海，从敦刻尔克实测到地中海的小岛上，弧长 940。推算出这个基本单位的长度，称为1 米，源自希腊文metron，意为长度。用铂制作米的标准原件，后称存档米原器。1889年国际计量大会决定用铂铱合金复制存档米原器作为长度的国际标准。但这类原器复制不易，精度也不高。1960年第十一届国际计量大会将定义更改为86Kr原子的2p10与5d5能级间跃迁辐射在真空中的波长的1,650
12、,763.73倍。1983年第十七届国际计量大会根据当时已准确测定的真空光速值重新定义 ：“米是光在真空中于 1299,792,458 秒内行进的距离。”把米的定义建立在极重要的自然的物理量的基础上。米用符号m表示。l 秒s：由于电子跃迁所释放的辐射的波长和频率都保持恒定，所以，1967年，第十三届国际计量大会重新规定了时间单位的定义：秒是铯-133原子基态的两个超精细能级跃迁所对应的辐射的9,192,631,770个周期的持续时间。l 库仑(电量单位)：1个电子的电量为1.610-19C；1C是1.61019个电子所带的电量。电灯的电流是500mA，在2min内通过电灯的电荷量是多少C，通过
13、电灯的自由电子数是多少个。解：通过的电荷量为：0.5A（500mA）120S(2分钟)=0.5C/s120s60C 解：通过的自由电子数量为：60C1.61019/C=9.61021(个)l 安培A：在真空中，截面积可忽略的两根相距1 m的无限长平行圆直导线内通以等量恒定电流时，若导线间相互作用力在每米长度上为210-7 N，则每根导线中的电流为1 A。国际计量委员会1946年决议。1948年第9届国际计量大会批准。l 每秒钟通过1库仑的电量为1安培。1A1C/sl 开尔文K：水三相点热力学温度的1/273.16。1967年第13届国际计量大会决议。l 坎德拉cd：是一光源在给定方向上的发光强
14、度，该光源发出频率为5401012赫兹的单色辐射，且在此方向上的辐射强度为1683W/sr(瓦特每球面度)。发光强度单位最初是用蜡烛来定义的，单位为烛光。1948年第九届国际计量大会上决定采用处于铂凝固点温度的黑体作为发光强度的基准，同时定名为坎德拉，曾一度称为新烛光。1967年第十三届国际计量大会又对坎德拉作了更加严密的定义。由于用该定义复现的坎德拉误差较大，1979年第十六届国际计量大会决定采用现行的新定义。l 摩尔mol：摩尔是表示物质的量的单位，每摩尔物质含有阿伏加德罗常数6.0220451023mol-1个微粒。1971年第十四届国际计量大会规定：摩尔是一系统的物质的量，该系统中所包
15、含的基本单元数与0.012kgC12的原子数目相等。使用摩尔时应予以指明基本单元，它可以是原子，分子，离子，电子及其他粒子，或是这些粒子的特定组合。千克kg：“质量”（mass），简写为M或m；其单位名称为“千克”，国际单位代号为“kg”；其文字定义：“千克等于国际千克原器的质量”。国际千克原器是世界上目前所存的定义最早（1989年）保存最严密的七个基本量中唯一的实物标准。保存在法国档案局，因而称这个标准千克器为“档案千克”。1872年科学家们通过国际会议，决定以法国的档案千克为标准，用铂铱合金制作标准千克的复制器中，选了一个质量与“档案千克”最接近的作为国际千克原器，保存在巴黎国际计量局。1889年第一届国际计量大会批准以这个国际千克原器作为质量标准，沿用至今。中国“国家千克基准”在1965年由国际计量局检定，并由伦敦的stanton仪器公司加以调整，严格保存在北京中国计量科学院的质量标准库中。7个基本单位中，现在只剩下千克，不采用自然基准。还要靠公认的实物国际千克原器充当基准。这实在是和科学技术日新月异的发展形势极不相称。有人戏称国际千克原器是计量科学中的“末代皇帝”，早就该送进历史博物馆去了。但是尽管作为实物基准的国际千克原器，它在实
