Sciences · Physique
Les unités du Système international
Le Système international d’unités (SI) repose sur sept unités de base : le mètre, le kilogramme, la seconde, l’ampère, le kelvin, la mole et la candela. Toutes les autres unités en dérivent.
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Mesurer, c’est comparer une grandeur à une unité convenue. Pour que les scientifiques, les ingénieurs et les commerçants du monde entier se comprennent, la Conférence générale des poids et mesures (CGPM) a adopté en 1960 le Système international d’unités, abrégé SI dans toutes les langues. Il est l’héritier direct du système métrique créé pendant la Révolution française. Depuis le 20 mai 2019, toutes ses unités sont définies à partir de constantes fondamentales de la nature.
Les sept unités de base
| Grandeur | Unité | Symbole | Définie depuis 2019 à partir de… |
|---|---|---|---|
| Longueur | mètre | m | la vitesse de la lumière c = 299 792 458 m/s |
| Masse | kilogramme | kg | la constante de Planck h = 6,626 070 15 × 10⁻³⁴ J·s |
| Temps | seconde | s | la fréquence de transition hyperfine du césium 133 : 9 192 631 770 Hz |
| Intensité électrique | ampère | A | la charge élémentaire e = 1,602 176 634 × 10⁻¹⁹ C |
| Température | kelvin | K | la constante de Boltzmann k = 1,380 649 × 10⁻²³ J/K |
| Quantité de matière | mole | mol | la constante d’Avogadro Nₐ = 6,022 140 76 × 10²³ mol⁻¹ |
| Intensité lumineuse | candela | cd | l’efficacité lumineuse d’un rayonnement de 540 × 10¹² Hz : 683 lm/W |
Comment comprendre ces définitions ?
- La seconde est la durée de 9 192 631 770 oscillations du rayonnement émis par un atome de césium 133 lors d’une transition précise. Les horloges atomiques la réalisent avec une précision meilleure qu’une seconde en plusieurs dizaines de millions d’années.
- Le mètre est la distance parcourue par la lumière dans le vide en 1/299 792 458 de seconde (définition adoptée en 1983 ; voir la vitesse de la lumière).
- Le kilogramme découle de la valeur fixée de la constante de Planck, mise en pratique au moyen d’une balance de Kibble, qui compare un poids à une force électromagnétique.
- La mole contient exactement 6,022 140 76 × 10²³ entités élémentaires (voir la mole en chimie).
Les unités dérivées principales
Elles s’obtiennent par combinaison des unités de base. Vingt-deux d’entre elles ont un nom spécial.
| Grandeur | Unité | Symbole | En unités de base |
|---|---|---|---|
| Force | newton | N | kg·m·s⁻² |
| Pression | pascal | Pa | N/m² = kg·m⁻¹·s⁻² |
| Énergie, travail, chaleur | joule | J | N·m = kg·m²·s⁻² |
| Puissance | watt | W | J/s |
| Charge électrique | coulomb | C | A·s |
| Tension électrique | volt | V | W/A |
| Résistance électrique | ohm | Ω | V/A |
| Capacité électrique | farad | F | C/V |
| Champ magnétique | tesla | T | kg·s⁻²·A⁻¹ |
| Fréquence | hertz | Hz | s⁻¹ |
| Température Celsius | degré Celsius | °C | K (décalé de 273,15) |
| Activité radioactive | becquerel | Bq | s⁻¹ |
| Dose absorbée | gray | Gy | J/kg |
| Dose efficace | sievert | Sv | J/kg |
| Flux lumineux | lumen | lm | cd·sr |
| Angle plan | radian | rad | m/m (sans dimension) |
D’autres unités dérivées n’ont pas de nom propre : la vitesse (m/s), l’accélération (m/s²), la masse volumique (kg/m³), la surface (m²), le volume (m³).
Les préfixes du SI
| Préfixe | Symbole | Facteur | Préfixe | Symbole | Facteur |
|---|---|---|---|---|---|
| quetta | Q | 10³⁰ | déci | d | 10⁻¹ |
| ronna | R | 10²⁷ | centi | c | 10⁻² |
| yotta | Y | 10²⁴ | milli | m | 10⁻³ |
| zetta | Z | 10²¹ | micro | µ | 10⁻⁶ |
| exa | E | 10¹⁸ | nano | n | 10⁻⁹ |
| péta | P | 10¹⁵ | pico | p | 10⁻¹² |
| téra | T | 10¹² | femto | f | 10⁻¹⁵ |
| giga | G | 10⁹ | atto | a | 10⁻¹⁸ |
| méga | M | 10⁶ | zepto | z | 10⁻²¹ |
| kilo | k | 10³ | yocto | y | 10⁻²⁴ |
| hecto | h | 10² | ronto | r | 10⁻²⁷ |
| déca | da | 10¹ | quecto | q | 10⁻³⁰ |
Les quatre préfixes extrêmes (ronna, quetta, ronto, quecto) ont été ajoutés en novembre 2022. Pour situer ces puissances de dix dans la réalité, voir les ordres de grandeur.
Unités hors SI couramment utilisées
| Unité | Symbole | Valeur en SI |
|---|---|---|
| minute, heure, jour | min, h, d | 60 s, 3 600 s, 86 400 s |
| litre | L ou l | 1 dm³ = 10⁻³ m³ |
| tonne | t | 1 000 kg |
| hectare | ha | 10 000 m² |
| degré d’angle | ° | π/180 rad |
| électronvolt | eV | 1,602 176 634 × 10⁻¹⁹ J |
| unité astronomique | au | 149 597 870 700 m (exact) |
| bar | bar | 100 000 Pa |
| kilowattheure | kWh | 3,6 × 10⁶ J |
Ne font pas partie du SI ni de ses unités admises : le mile, le pied, le pouce, la livre, le gallon, le degré Fahrenheit, la calorie.
Règles d’écriture
- Les symboles sont invariables, sans point final et sans pluriel : on écrit 5 kg, et non 5 kgs ni 5 kg. (sauf point de fin de phrase).
- Les noms d’unités s’écrivent en minuscules, même s’ils viennent d’un nom propre : un newton, des volts. Les symboles issus d’un nom propre prennent une majuscule : N, V, Pa, W.
- On laisse une espace entre le nombre et le symbole : 20 °C, 230 V, 50 % (en français). Seuls les symboles d’angle °, ′ et ″ sont accolés : 30°.
- On n’écrit pas « Km » ni « KG » : le symbole du kilo est un k minuscule.
- En français, le séparateur décimal est la virgule ; les milliers sont séparés par une espace : 1 234,56.
Brève histoire du système métrique
| Date | Événement |
|---|---|
| 1791 | L’Assemblée constituante définit le mètre comme la dix-millionième partie du quart du méridien terrestre |
| 1792-1798 | Delambre et Méchain mesurent le méridien de Dunkerque à Barcelone |
| 1799 | Dépôt des étalons en platine du mètre et du kilogramme aux Archives |
| 1875 | Convention du mètre, signée par 17 États ; création du BIPM |
| 1960 | Adoption du Système international d’unités |
| 1967 | Seconde définie par l’horloge atomique au césium |
| 1983 | Mètre défini par la vitesse de la lumière |
| 2019 | Toutes les unités définies par des constantes fondamentales |
Les États-Unis, le Liberia et la Birmanie sont souvent cités comme les seuls pays à ne pas avoir adopté le système métrique comme système principal d’usage courant, même si le SI y est légal et utilisé en science.
Questions fréquentes
Quelles sont les 7 unités de base du SI ?
Le mètre (longueur), le kilogramme (masse), la seconde (temps), l’ampère (courant électrique), le kelvin (température), la mole (quantité de matière) et la candela (intensité lumineuse).
Le degré Celsius est-il une unité SI ?
C’est une unité dérivée du SI, de même taille que le kelvin : une variation de 1 °C égale une variation de 1 K. Seule l’origine diffère : 0 °C = 273,15 K.
Le litre fait-il partie du SI ?
Non, mais son usage est accepté avec le SI. 1 L = 1 dm³ = 0,001 m³.
Pourquoi le kilogramme est-il la seule unité de base avec un préfixe ?
Pour des raisons historiques : l’unité de masse de 1795 était le gramme, mais l’étalon fabriqué en 1799 avait la masse d’un kilogramme, plus pratique. Le nom est resté. Les multiples se forment donc à partir du gramme : on écrit mg, et non µkg.