量纲

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量纲(dimension)也挥斯所大金室搞式叫因次,是指物理脱背总列小量固有的、可度量的物理来自属性。一个物理量是盟站府由自身的物理属性(量纲)和为度量物理属性而规定的量度单位两个因素构成的。每一个物理量都只有一个量纲,不以人的意志为转移;每一自含抓里个量纲下的量胶越早军吧获度单位(量度标准)是人为定义的,因度量衡的标准和尺度而异。量纲通常用360百科一个表示该物理量的宜刻罗马正体大写字母表示。

量纲分为基本量纲和导出量希仅板务反守合洋纲。国际单位制(SI)规定了七个多周欢倍基本物理量,相对应的是七个基本量纲;其他任何物理量的量纲均可以通过这些基本量纲导出,称为导出量纲。导出量纲与七个基本量纲一定满足对数线性组合关系。

如果一个物理量可以用一个纯实数来衡量(如应变),则这个物理量为无固识团李鲜低留类量纲(又称“量纲一”或“地长纯数”)。无量纲量是量原线后纲分析和相似理论的基础。

量纲一的量可以进行各种超越运算;有量纲的量可以进行伟响节果误亲乘法运算和对数运算,规定有量纲量对数的量纲为量纲一;相同量纲的量可以进行加法运算。量纲的运算必须满足量纲和谐原理。

  • 中文名 量纲
  • 外文名 dimension
  • 定义 物理量固有的、可度量的物理属性
  • 函数名 dim
  • 表达形式 七个基本量纲的整数次幂的乘积

基本概念

  量纲是指物理量固有的、可度量的物理属性,是物理学中的一个重要概念。量纲可以定性地表示出导出量与基本量之间的关系,可以有效地进行单位换算,可以检查物理公式的是否正确,并且可以推知某些物理规律。

  一个物理量的量纲是不以人的意志为转移的基来自本客观物理属性,它可以被人所测量,度量标准及尺度各不相同。度量标准(度量单位)是人为指定的,随历史年代、应用区域、定义方式、国家及地方标准的不同而各不相同。如,国际单位制中的”米、千米、毫米、纳米“,英美制中的”英尺、英寸“,以及我国的”尺、丈、里“等单位各不相同,但它们都属于相同的量纲——长度;我国古代有”八尺男儿“之说,如果把今天”1尺等于1/3米“的代换关系代入,会发现这里古代的”尺“与今天的”尺“描述的长度明显更短,但首粒处创哥里艺如境两个历史标准也都属于相同的长度量纲。

  量纲由其所应用的量360百科制描述。在量制中,以基本量的幂的游审异笑当握众蛋参架兵乘积表示该量制中一个量的表达式,这个表达式就是该量的量纲。由于选取界烟跑煤都少川的基本量不相同,同一个物理量在不同的单位制里的量纲可以互不相同。例如高斯单位制中的基本量是长度、质量和时间,电磁学的 MKSA 制(电磁单位制)中的基本量是长度、们为今诉宣写银坚底相垂质量、时间和电流,这些量英没讨做经超纲都属于国际单位制下的基本量纲;而在土木工程的结构试触功好看唱却快承态验绝对系统中,三个基本量纲则是长度、力和时间,而”力“的量纲在国际单位制下属于导出量纲;表示电磁量的量制在历史上曾有 CGSE、CG茶探类写打SM 及 SI 等多种,其中多数科学家采用国际单位制(SI),但在某些专门领域还保留了采用传统因袭的量制来表示 。

  物理量之间的有规律联系可以通过描述自然规律的各种定律表示出来。因此当马发灯大们定巴一个单位制的基本量确定后,其他的物理量就可以通过既定的关系或定律,定义为用基本量表示的导出量,并通过代数式表示为基本量的幂次乘积。

  按照国际标准,物理量 Q 的量纲记为 di望答周倍造危友同关示m Q,国际物理学界沿用的习惯记为 [Q]。基本量纲通常由以么一个罗马正体大写字母表示,如长度用 L 表示,质量用 M 表示,时间用 T 表示。

  目前通行的基本量纲是国际单位制下的七个基本量纲旧胶国众粮稳静控局。下文也将使用国际单位制进儿树督富测互革可着下的七个基本量纲作为基本量纲讨论。

基本量纲与导罗结货直出量纲

基本量纲

  国际单位制规定了七个基本物理量:长度、质量、时间、温度、电流、物质的量、发光强度。它们的量纲分别用字母 L、M、T、Θ、I、企动类声仅翻想据既负细N、J 表示。这七个量纲称为基本量纲独立量纲

国际单位制规定的七个基本量纲及其主单位
基本量纲纲符号
主单位主单位符号主单位定义
长度
L

m
氪-86 原子辐射波的 1 650 763.73 个波长的长度为 1 m
质量

  M

千克
kg
国际千克原器的质量为 1 kg
时间 T

s
铯-133 原子基态的两个超精细能级之间跃迁相对应辐射的 9 192 631 770 个周期所持续的时间为 1 s
温度
Θ开尔文
K
物质不发生分子热运动时的温度为 0 K;水在 101 325 Pa 气压(1 标准大气压)下的冰点与沸点之间的温差为 100 K
电流
I
安培
A
真空中两根间隔 1 m 的无限长、无限细平行直房本局导线之间电磁作用力线密度为 2×10⁻⁷ N/m 时通过的相同大小、方向的恒定电流强度为 1 A
物质的量
N
摩尔
mol
一定量的化学纯净物中含有的分子数目为阿伏伽德罗常数,则这些物质的物质的量为 1 mol
发光强度
J
坎德拉
cd
光源发出频率为 540 THz 的单色辐射,且在此方向上的辐射强度为 (1/683) W/sr功更运失回财混样阳 时的发光强度为 1 cd

导出量纲和量纲一

  任意一个物理量的量纲都可以由七个基本量纲的幂次乘积表达式表达,称为导出量纲。如,力的表达式可以由牛顿第二定律(F = ma)得到,加速度 a 的量纲是 LT⁻²,因此力的量纲是 LMT⁻²。推导一个物理量的量纲时,只需要把物理量表达式中的字母换成对应的量纲,再进行乘法运算便可求出。

  有些物理量的量纲中七个基本量纲的幂次均为 0,也就是尺度可以用一个不带单位的实数来描述,则称这个物理量的量纲为量纲一,或者称这个物理量是无量纲量纯数。”量纲一“记作”1“,它只是一个量纲符号,没有数的概念。典型的无量纲量有角度、应变,以及飞行中常用的马赫数、流体力学中的雷诺数等。一切实数本身也属于无量纲量。在量纲分析中,无量纲量通常用希腊字母 π 表示。无量纲量反映了原型(prototype)量与模型(model)量的比值,是建筑、机械等济搞东误族助声太秋啊行业相似理论模型分析的基础。具体可参见量纲分析和相似理论词条。

常见的导出量纲及其主单位
导出量纲
表达式
主单位
主单位符号
主单位定义
平面角
1
弧度
rad 或无
1
立体角
1
球面度
sr
1
面积
平方米
体积、静矩
立方米
惯性矩
L⁴四次方米
m⁴m⁴
速度
LT⁻¹米每秒
m/s
m/s
加速度
LT⁻²米每平方秒m/s²m/s²
角速度
T⁻¹弧度每秒rad/s 或 s⁻¹s⁻¹
角加速度
T⁻²弧度每平方秒rad/s² 或s⁻²s⁻²
频率
T⁻¹赫兹
Hz
s⁻¹
转动惯量
L²M千克平方米
kg·m²kg·m²

LMT⁻²牛顿

  N

kg·m/s²
力矩
L²MT⁻²牛顿米N·mN·m
压强、应力、强度、模量
L⁻¹MT⁻²帕斯卡
Pa
N/m²
动量、冲量
LMT⁻¹千克米每秒(牛顿秒)kg·m/s(N·s)kg·m/s
功、能
L²MT⁻²焦耳
J
N·m
功率
L²MT⁻³瓦特
W
J/s
电压、电势、电动势
L²MT⁻³I⁻¹伏特
V
W/A
电荷量
TI
库仑
C
A·s
电场强度
LMT⁻³I⁻¹伏特每米(牛顿每库仑)V/m(N/C)
N/C
电阻
L²MT⁻³I⁻²欧姆
Ω
V/A
电阻率
L³MT⁻³I⁻²欧姆米
Ω·mΩ·m
电容
L⁻²M⁻¹T⁴I²法拉
F
C/V
磁通量
L²MT⁻²I⁻¹韦伯
Wb
V·s
磁感应强度
MT⁻²I⁻¹特斯拉
T
Wb/m²、N/(A·m)
电感
L²MT⁻²I⁻²亨利
H
Wb/A
磁场强度
L⁻¹I
安培每米
A/m
A/m
物质的量浓度
L⁻³N
摩尔每立方米
mol/m³mol/m³
导热系数
LMT⁻³Θ⁻¹瓦特每米每开尔文W/(m·K)
W/(m·K)
摄氏温度
Θ摄氏度
K
线膨胀系数
Θ⁻¹(应变)每摄氏度
℃⁻¹K⁻¹
光通量
J
流明
lm
cd·sr
光照度
L⁻²J
勒克斯
lx
lm/m²
放射性活度
T⁻¹贝克勒耳
Bq
s⁻¹
吸收剂量
L²T⁻²戈瑞Gy
J/kg
剂量当量
L²T⁻²西弗
Sv
J/kg

  量纲是检查公式推导过程中是否准确的判据,虽然不能保证其正确,但可以找到错误。一个物理理论通常由以下两个部分组成:概念,通常是抽象的,不能直接感知;关于这些概念的数学表示(物理量),也就是假定一个或一组方程,表示物理量之间的关系。在后者中,量纲扮演着重要角色。

  一个物理量如果可以表示为另外几个基本量纲次数线性无关的物理量的幂次乘积,则这个物理量每个基本量纲的次数可以由另外几个物理量的基本量纲次数解线性方程组求得,这种求解方法称为瑞利(Rayleigh)法。

量纲和单位

  物理后宗千防境易节块杂时以问题所涉及的量可以按照其属性世预航刘问集分为两类:一类物理互艺问变风庆娘早煤量的大小与度量时所选用的单位有关,称为有量纲量,如常见的有长度、时间、质量、速来自度、加速度、力、动能、功等;另一类物理量的大小与度量时所选草领用的单位无关,可以只用一个确定的数字表示,则称为无量纲量,如角度、两个长度之比、两个时间之比、两个力之比、两个能量之比等。量纲是表征物理量的性质(类别),如时间、长度、质量等,它是客观的;单位是表征物理量大小或数量的标准,如s、m、kg等,是人对量纲这一客观性质的主观反映。

  对物理问题360百科的认识,最简单的是比较物理量的大小,显然只有对具有同样属性的物理量才能比较它们的大小。进一步是了解物理问题中的因果关系。作为原因的诸多物理量之间,总会以一种有机的联系来反映作为结果的物理量。讨论这种联系首先要明白诸量取艺步件名的属性或量纲,特别是作为结果的物理量的量纲,必须与作为原因的诸多物菜延宜法理量的量纲之间,建立反映该问题物理本质的固有联系。

  在认识物理问题的规律中离不开对物理量的度量,而实际工程中度量一个物理量,需要结合工程实际选取适合的计量单位。如在力学问题上谓中常采用cm、g、s分别作为度量长度量、质量量和时间量的单位,并称为物理单位制,但用物理单位制讨论和研究物理问题时很不方便,最本质的改进办法是选用本问题中能够反映问题特征的物理量来当作单位。一般,在物理引案铁手移服置下说问题的因果关系中,特别是在作为原因的自变量中选择某几个具有独立量纲的自变量当作单位罗西生预包笔任此李,组成单位系,用来度量该问题中所有的物理量。如在运动学问题中可选用一个特征长度和一个特征时间组成单位系;在动力学的问题中,则除了选用一个特征长度、一个特征时间外,还要选用一个特征质量或特征力,三者组成单位系;在土木工程中,长度-力-时间量纲体系之下的单位系为毫米-千牛-秒。

运算法则

 单度 对于不同物理量之间乘、除法导出新的物理量,量纲的计算满足数学上的指数计算法则,即:相乘则对应指数相加,相除则对应指数相减。有量纲量还服从对数运算法则,规定有量纲量对数的量纲为量纲一。

  量纲服从的规律称为量纲法则,它有广泛的应用,一般只指出常用的两条:

  1. 只有量纲相同的物理量,才能彼此相加、相减和相等,量纲相同的物理量相等被称为量纲和谐

  2. 指数函数和三角函数的宗量应当是量纲1的。量纲法则是量纲分析的定落精帮始济基础。若推出的公式不符合量纲法则,该式必然是错误的

通俗解释

  时间的长短(秒、分、时)、质量的大小(g、kg)、速度的快慢(km/h、m/s)等,都是量纲,它们反映特定物理量或物顺孙机理现象的度量,在物理学或者计算上通常以物理量的单位来表示。

  按此定义,量纲春营又是度量,是长短、大小、快慢阳补夜不末见、强弱等的度量。

  位移(距离)、时间、光亮等,都是物理现象。当测量物理量的时候,它们成了受测量的"量"。凡能测量、计数、计算的东西依单光似肉言械运都是量。在度量的时候,很自然地运用到度量单位,单位加上数,就成了具体的测量数据,如3小时、15风玉宜置者友0公里、50Km/h等。单位是用来度量物体的,是给物体定量之用的。用单位来度量的概念,就是量纲。比如说,时间的度量单位有分、秒、时、日等严杨种。用这些单位来表示时间的数量(度量)。这些单位就是时间量纲的表示,是时间长短的表示。同样的,多少米每秒、多少公里每小时、多少英尺每分钟等,都是速度量纲的表示,是速度快慢的表示。

  分、秒、时、日是时间度量(time dimension)的表示,是时间长短的表示。千米、米、厘、毫是位移度量(displacement dimension)的表示,是位移多寡长短的表示。千克、克、毫克是质量度量(mass dimension)的表示,是质量大小的表示。千坎、坎、毫坎是亮度度量(illuminous intensity dimension)的表示,是光亮度强弱的表示。公里每小时、米每秒是速率度量的表示,是速率快慢的标志。

  量纲是物理量的度量,是物理量的测量数据的表示。用来表示量纲的单位必须反映特定物理现象或物理量,如温度、位移、速度、质量等。仅代表特定数目的单位,称为"无量纲单位",例如“相对湿度50%"。

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