一个伟大的DIY项目：建立一个非人工制品千克标准
文章作者:Bill Schweber
现在标准的千克手工制品已经被基于可复制安排的定义所取代，有一个很棒的DIY项目供高级学生考虑。
黑客、高级爱好者、制造者和物理实验者总是在寻找下一个伟大的项目，我认为这是一个很好的项目：一个建立“标准”的装置千克。不，我指的不是一件可以与巴黎的实物相媲美的实物，直到最近，它还是世界范围内的正式国际千克。这就是“昨天”。相反，我指的是建立一个理论上允许任何人在任何时间、任何地点重新创造“完美”千克的装置。
简单介绍一下背景:2018年11月，来自国家标准与技术研究所(NIST)和60个国家的代表在法国凡尔赛举行会议，一致投票决定正式改革支撑全球科学和商业的国际单元化体系。几十年来，人们一直在寻求一种完全基于不变的自然基本属性的测量系统，这一努力最终被正式确定为全世界使用的计量框架。
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国际单位制中的七个基本单位是米、千克、秒、安培、开尔文、摩尔和坎德拉。这些基本单位定义了质量、距离、时间、电流、温度、物质的数量和发光强度在法律和科学上的最终含义。新SI的目标是用七个基本常数和精确的值来定义所有这些单位，图1.
图1从理论上讲，创建非人工制品、可复制的主要标准需要以下七个定义。（图片来源：NIST)
很长一段时间以来，我们一些著名的物理常数都是由物理人工制品定义的。例如，最高级别的仪表标准是巴黎的铂铱棒，上面有微小的划痕（很难测量这些，这是肯定的！）随着时间的推移，大多数有形的“母版”被可复制的安排所取代。
但是千克拒绝用非人工制品的标准来替换。在2018年投票之前，被称为国际原型千克(IPK)的主要千克是一个存放在真空罐中(也在巴黎)的铂铱圆柱体，每隔几十年才用于校准许多二级千克大师。
这个IPK有很多问题。首先，由于明显的原因，你很难根据它校准二级标准。第二，IPK本身也有“问题”，由于各种各样的原因，一些人理解，一些人不理解，正在失去质量。不管原因是什么，在期望的精度水平上，即使是几微克或毫微克的损失都是重要的。最后，还有一个重要的哲学问题:如果你的主千克在变化，你也知道它在变化，那么，所有的次级千克是否还必须随着变化而变化?
好消息是，物理常数的新定义将千克定义为其他物理常数，而不是使用有形的人工制品当今物理学—千克新定义的原子物理学透视-讨论使用Kibble天平（以前称为瓦特天平，该名称仍在广泛使用）重新创建自己的质量标准所需的安排原则，如中所示图2.
图2引用的文章详细解释了如何设置天平，以便建立标准千克公制。（图片来源：当今物理学)
天平的设置使得悬浮质量物体所需的电力(M)高速(v)等于机械能的变化率(mvg）这样就可以建立一个标准的千克公制。尽管本文不是带有BOM或构造技巧的构建指南，但它确实概述了平衡的原则、操作和功能。正如你所料，NIST最新一代的平衡系统是一个令人印象深刻的工具，图3.
图3这张照片的4th-一代Kibble/Watt天平只能暗示该装置的极端复杂性和复杂性。（图片来源：信贷：柯特·苏普利/NIST)
对标准千克质量的这个新定义的结果是，你完全可以自己建造一个标准制造者。这是一个有趣的技术和评估挑战。从总体上看，这不仅仅是平衡的问题;它还需要了解误差的来源，以及如何消除、最小化、取消或校准误差。还有一个问题是，当你完成时，你的平衡有多好:你比较它是什么?你能自信地达到多少有意义的精确数字，精确到什么程度?在一个DIY版本中，要达到每一个额外的数字性能需要什么?
这个DIY项目已经被解决了，当然，从NIST谁建造了一个LEGO-based桌面版能够测量克级质量到1%的相对不确定性，还有其他的项目(见“Kibble天平的构造重新定义千克的装置”和“新千克：用DIY瓦特天平重新定义千克“例子）。如果做得好，这种DIY可以成为模拟电路和错误分析/纠正方面的良好学习体验的核心。
你对基于瓦特/克布尔天平的新型非人工合成千克有何看法？非常聪明？需要很久了？太复杂了？作为最终主千克的角色可以吗？无关紧要还是不在乎？
不错的萨布库奇诺