Le Système international d'unités, ou SI, repose sur sept unités de base : la seconde, le mètre, le kilogramme, l'ampère, le kelvin, la mole et la candela. Elles mesurent respectivement le temps, la longueur, la masse, le courant électrique, la température thermodynamique, la quantité de matière et l'intensité lumineuse. Leur combinaison permet d'exprimer toutes les autres grandeurs physiques dans un langage commun, au coeur de la Journée mondiale de la métrologie.
Quelles sont les sept unités de base du SI ?
Une unité de base n'est pas nécessairement plus importante qu'une autre. Elle sert de référence indépendante dans l'organisation du SI. Les sept couples grandeur-unité sont :
- le temps, mesuré en secondes, symbole s ;
- la longueur, mesurée en mètres, symbole m ;
- la masse, mesurée en kilogrammes, symbole kg ;
- le courant électrique, mesuré en ampères, symbole A ;
- la température thermodynamique, mesurée en kelvins, symbole K ;
- la quantité de matière, mesurée en moles, symbole mol ;
- l'intensité lumineuse, mesurée en candelas, symbole cd.
Les symboles sont internationaux et ne prennent ni point abréviatif ni marque du pluriel : on écrit 5 kg, et non 5 kgs. Cette notation partagée facilite les calculs, les comparaisons et la transmission des résultats, comme le montre aussi la place du langage scientifique lors de la Journée de Pi et des mathématiques.
Les unités du temps, de la longueur et de la masse
La seconde pour mesurer le temps
La seconde (s) mesure une durée. Une minute contient par exemple 60 secondes. Sa définition moderne s'appuie sur la fréquence d'une transition déterminée de l'atome de césium 133 : la seconde correspond à exactement 9 192 631 770 périodes du rayonnement associé à cette transition. Une horloge atomique réalise cette référence avec une grande stabilité.
Le mètre pour mesurer la longueur
Le mètre (m) mesure une longueur ou une distance. La hauteur d'un plan de travail est ainsi proche d'un mètre. Le mètre est défini à partir de la vitesse de la lumière dans le vide, dont la valeur est fixée exactement à 299 792 458 mètres par seconde. Concrètement, cette définition relie la longueur à une durée mesurée avec précision.
La mesure des distances devient décisive à l'échelle astronomique : le suivi et la description des objets célestes, évoqués pendant la Journée mondiale des astéroïdes, exigent des références de temps et de longueur compatibles.
Le kilogramme pour mesurer la masse
Le kilogramme (kg) mesure la masse. Un litre d'eau possède, dans des conditions ordinaires, une masse proche d'un kilogramme, sans que cette approximation constitue sa définition. Le kilogramme est désormais relié à la constante de Planck, dont la valeur numérique est fixée exactement. Des dispositifs expérimentaux permettent de réaliser l'unité en reliant une masse à des mesures électriques et mécaniques.
Une définition moderne ne dépend pas d'un objet unique : elle fixe une référence physique que des laboratoires peuvent réaliser et comparer.
Les unités de l'électricité, de la température et de la matière
L'ampère pour mesurer le courant électrique
L'ampère (A) mesure l'intensité d'un courant électrique, c'est-à-dire le débit de charge électrique. Un petit appareil alimenté par USB peut appeler un courant de quelques ampères. La définition moderne de l'ampère repose sur la charge électrique élémentaire, celle d'un proton en valeur positive ou d'un électron en valeur négative, dont la valeur est fixée exactement. Le courant correspond donc au passage d'une certaine quantité de charges par seconde.
Les mesures électriques interviennent aussi dans les instruments d'imagerie et de détection associés à la Journée internationale de la radiologie. Elles y côtoient des unités dérivées décrivant notamment la tension, l'énergie ou la puissance.
Le kelvin pour mesurer la température thermodynamique
Le kelvin (K) mesure la température thermodynamique. Un écart d'un kelvin est égal à un écart d'un degré Celsius, mais les deux échelles n'ont pas la même origine : 0 K correspond au zéro absolu. Le kelvin est défini en fixant la valeur de la constante de Boltzmann, qui relie la température à l'énergie thermique à l'échelle microscopique.
La température est une donnée centrale pour l'observation de l'atmosphère, aux côtés de la pression, de l'humidité et de la vitesse du vent. Ces grandeurs sont particulièrement visibles lors de la Journée météorologique mondiale.
La mole pour compter les entités microscopiques
La mole (mol) mesure une quantité de matière. Une mole contient exactement 6,022 140 76 × 1023 entités élémentaires. Ces entités doivent être précisées : atomes, molécules, ions, électrons ou autres particules. La mole joue ainsi un rôle comparable à celui d'une unité de comptage, mais pour un nombre immense d'objets microscopiques. En chimie, elle permet de relier le nombre de molécules à une masse mesurable.
La candela et la construction des unités dérivées
La candela pour mesurer l'intensité lumineuse
La candela (cd) mesure l'intensité lumineuse émise dans une direction donnée. Elle ne décrit donc ni toute la lumière produite par une source ni son éclairement sur une surface. Une bougie ordinaire donne seulement un ordre de grandeur proche d'une candela. Sa définition repose sur l'efficacité lumineuse d'un rayonnement monochromatique de fréquence fixée, en tenant compte de la sensibilité de la vision humaine.
Comment les unités dérivées complètent-elles le SI ?
Les grandeurs dérivées résultent de relations entre grandeurs de base. Leur unité se construit par multiplication ou division des sept unités fondamentales, sans facteur de conversion arbitraire. C'est ce qui rend le système cohérent.
- La vitesse s'exprime en mètres par seconde, m/s.
- La surface s'exprime en mètres carrés, m².
- La fréquence s'exprime en hertz, Hz, équivalant à une occurrence par seconde.
- La force s'exprime en newtons, N, soit kg·m/s².
- L'énergie s'exprime en joules, J, soit kg·m²/s².
- La puissance s'exprime en watts, W, soit un joule par seconde.
Certaines unités dérivées reçoivent un nom spécial pour alléger l'écriture, mais elles restent entièrement rattachées aux unités de base. Cette cohérence permet à des domaines très différents de partager les mêmes références, enjeu également présent dans la science au service de la paix et du développement. Les préfixes kilo, milli, micro ou nano changent seulement l'échelle : un millimètre vaut un millième de mètre, sans créer une nouvelle unité de base.
Les 7 unités de base du SI (Clip vidéo) | Physique - Notions de base
Questions fréquentes
Pourquoi le kilogramme est-il une unité de base alors que son nom contient le préfixe kilo ?
Le kilogramme est l'unité de base de la masse pour des raisons liées à la construction historique du système. Malgré la présence du préfixe kilo, c'est bien le kilogramme, et non le gramme, qui occupe ce statut. Les multiples et sous-multiples de masse sont néanmoins formés à partir du gramme, comme le milligramme.
Quelle différence existe-t-il entre une grandeur et une unité ?
Une grandeur est une propriété mesurable, comme une longueur, une masse ou une température. L'unité est la référence utilisée pour exprimer sa valeur. Dans une longueur de 2 mètres, la longueur est la grandeur, 2 est la valeur numérique et le mètre est l'unité.
Le degré Celsius fait-il partie des sept unités de base ?
Non. L'unité de base de la température thermodynamique est le kelvin. Le degré Celsius est une unité dérivée admise dans le SI. Un écart de 1 °C est égal à un écart de 1 K, mais le zéro des deux échelles est différent.
Pourquoi les unités du SI sont-elles définies par des constantes physiques ?
Les constantes physiques offrent des références stables, universelles et indépendantes d'un objet matériel particulier. Fixer exactement leur valeur permet à différents laboratoires de réaliser les unités avec des expériences adaptées, tout en conservant des résultats comparables.
Quelle est la différence entre une unité de base et une unité dérivée ?
Une unité de base correspond à l'une des sept grandeurs choisies comme fondamentales dans le SI. Une unité dérivée combine ces unités selon une relation physique. Le mètre est une unité de base, tandis que le mètre par seconde, unité de vitesse, est dérivé du mètre et de la seconde.
Les unités litre, minute et tonne appartiennent-elles au SI ?
Elles ne sont pas des unités SI de base ni des unités dérivées cohérentes, mais leur usage est accepté avec le SI. Le litre correspond au décimètre cube, la minute à 60 secondes et la tonne à 1 000 kilogrammes.
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