آشنایی با برخی مفاهیم بنیادی فیزیک

آشنایی با برخی مفاهیم بنیادی فیزیک(قسمت اول)چکیده ی مطالباندازه گیری و اهمیت آناندازه گیریاندازه گیری چیست؟انواع کمیت چکیده ی مطالباندازه گیری اساس کار مهندسی و پژوهش های علمی است در اندازه گیری هر کمیت را با یکایی از همان جنس مقایسه می کنیم هر قدر که یکا دقیق تر تعریف و ابزار اندازه گیری آسان تر و سریع تر به کار گرفته شود نتیجه ی اندازه گیری با واقعیت نزدیک تر خواهد بود در این جا کوشش بر آن است که مفهوم اندازه گیری ، یکای اندازه گیری و ابزار اندازه گیری به زبانی ساده معرفی شود. مکانیک شاخه ی مهمی از علم فیزیک است که مفاهیمی اساسی نظیر نیرو،حرکت ،جرم و انرژی را مورد بحث قرار می دهد.مکانیک از آن جهت واجد اهمیت است که بدون مطالعه ی آن بحث و بررسی بسیاری از شاخه های علم فیزیک ناممکن است.در این تحقیق به دو مبحث عمده ی مکانیک می پردازد یکی سینماتیک که مطالعه ی حرکت اجسام بدون در نظر گرفتن علل حرکت است و دیگری دینامیک که بررسی علل حرکت و سکون اجسام است.این مطلب مطابق با برنامه ی مکانیک دبیرستانی برای رشته های علوم تجربی و ریاضی و پیش دانشگاهی تنظیم شده و تمام مطالب عنوان شده در کتابهای فیزیک دبیرستانی را در بردارد. مکانیک شاخه ای از علم فیزیک است که در آن از اثر نیرو بر اجسام و چگونگی حرکت آنها بحث می شود . مکانیک شامل دو مبحث سینماتیک و دینامیک است . در سینماتیک حرکت اجسام بدون در نظر گرفتن علل حرکت بررسی می شود ولی بررسی علل حرکت و سکون اجسام موضوع علم دینامیک است. اندازه گیری و اهمیت آنانسان موجودی نیازمند است. هنگامی زندگی او ادامه می یابد و در حالت تعادل است که نیازش برطرف شود . نیازهای آدمی در ارتباط با محیط و در دادوستد با مردم برآورده می شود.ارتباط با محیط و جامعه از راه حواس صورت می گیرد که چیزها را می بینیم آنها را لمس می کنیم از بو و مزه آنها آگاه می شویم و صداها را می شنویم. اطلاعاتی که از پیرامون خود کسب می کنیم در اثر مقایسه ی اجسام با یکدیگر حاصل می شود . رنگ اجسام، زبری ، نرمی ،کوتاهی ، بلندی ، دوری ، نزدیکی ، سردی،گرمی ،شیرینی ، تلخی و بسیاری از اطلاعات دیگر از راه مقایسه ی آنها با هم و یا مقایسه با اجزای بدن و توانایی های ما صورت می گیرد.مقایسه ای را که نتیجه ی آن به دست آوردن عدد و رقم باشد اندازه گیری می نامند. اندازه گیری در حیات انسان نقش مهمی دارد. اندازه گیری اساس کارهای کشاورزی، صنعتی ،علمی و پژوهشی است. در کشاورزی دانستن زمان کاشت ، مقدار بذر ،سطح زیر کشت و دوره های آبیاری اهمیت بسیار دارد . هر قدر که هر یک از این کمیت ها مشخص تر و دقیق تر باشند بهره وری بیشتر می شود . در کارهای مهندسی و فنی با اندازه گیری قطر پیچ و مهره ها ،فشار هوای درون لاستیک اتومبیل ،نیروی کشش قطارها و مقاومت سدها سروکار داریم.در کارهای علمی و پژوهشی به اندازه گیری دنیای بی نهایت کوچک درون اتم و سلول تا دنیای بی نهایت برزگ جهان می پردازیم.در گذشته کمیت هایی را که به طور مستقیم با آنها سروکار داشتیم اندازه می گرفتیم و از دست ، پا و بدن خود به عنوان ابزار اندازه گیری استفاده می کردیم ؛ ولی امروز ابزارهای دقیق مکانیکی،الکتریکی،الکترونیکی را با روش های مستقیم و غیر مستقیم و سنجش از نزدیک و سنجش از دور به کار می بردیم. اکنون لزومی ندارد که فقط کنار مزرعه ای قرار گیریم تا وضع محصول ،سطح زیر کاشت و لزوم آبیاری آن را مشخص کنیم؛ بلکه هواپیماها و ماهواره ها می توانند با سنجش از راه دور هر نوع اطلاعاتی را از زمین و فضا به دست آورند و به مرکز خود برای تصمیم گیری مخابره کنند.در اندازه گیری هر کمیت سه نکته ی مهم را باید در نظر گرفت.انتخاب یکای مناسب ،تهیه ی ابزار دقیق و روش درست و آسان. بعضی از کمیت ها را به طور مستقیم می توان یا یکای آن ها مقایسه کرد که در این صورت اندازه گیری مستقیم نامیده می شود ؛ مانند اندازه گیری طول اتاق با متر نواری یا اندازه گیری جرم یک قطعه فلز با ترازو و جعبه سنگ . بعضی دیگر از کمیت ها را به روش غیر مستقیم می سنجیم ؛مثل چگالی یک ماده که به روش غیر مستقیم و از تقسیم جرم بر حجم آن مشخص می شود.اندازه گیریدرگذشته برای اندازه گیری طول از اعضای بدن استفاده می شد. بند انگشت ،وجب، آرنج و یکاهایی برای اندازه گیری طول بود ولی امروزه از یکاهایی استاندارد شده استفاده می شود و کمیت بسیار بزرگ مانند جرم و قطر ستارگان تا کمیتهای بسیار کوچک مانند جرم و قطر هسته ی اتمها را می سنجند . کوشش بر آن است تا هرچه ممکن باشد دقت اندازه گیری را افزایش دهند و اندازه ی به دست آمده را به اندازه ی واقعی کمیت نزدیکتر کنند و هر اطلاعاتی را با عدد و رقم دقیق که حاصل اندازه باشد بیان کنند. اندازه گیری چیست؟اندازه گیری مقایسه ی یک کمیت با یکای آن است کمیت چیزی است مانند طول و جرم قابلیت افزایش و کاهش داشته باشد و یکا اندازه ی مشخصی از همان کمیت است که به طور قرار برای مقایسه انتخاب شده باشد مانند متر که یکای طول و کیلوگرم که یکای جرم است نتیجه ی اندازه هر کمیت اندازه یا مقدار آن کمیت است . اندازه ی هر کمیت دو جزء دارد یک جزء آن عدد و جزءدیگر آن نام یکایی است که برای اندازه گیری به کار رفته است . مثلا اگر طول یک فرش را اندازه گرفتیم و اندازه آن 4متر شد ،4 اندازه ی کمیت و متر یکای اندازه گیری است.در اندازه گیری هر کمیت سه نکته ی مهم را باید در نظر گرفت انتخاب یکای مناسب ،تهیه ی ابزار دقیق اندازه گیری و به کار بردن آن ابزار به روش درست و آسان .اندازه گیری کمیتها بر دو نوع است:اندازه گیری مستقیم و اندازه گیری غیر مستقیم . در اندازه گیری مستقیم کمیت مورد نظر را مستقیما با یکا و ابزار اندازه گیری آن کمیت مشخص می کنیم. مثلا برای تعیین طول یک فرش یا جرم آن مستقیما متر وترازو را به کار می بریم.اما برای اندازه گیری چگالی یک قطعه فلز علاوه بر اندازه گیری جرم وحجم آن زا یک رابطه ریاضی نیز که آن را رابطه ی تعریف کننده می نامند استفاده می کنیم. انواع کمیتهادر کارهای بازرگانی و فنی و علمی با کمیتهای بسیار زیادی سروکار داریم لیکن از این کمیتها با یکدیگر مربوط اند . به طوری که اگر چند کمیت را به عنوان کمیت اصلی انتخاب کنیم و یکای آنها را یکای اصلی بنامیم می توانیم از روی آنها یکاهایی برای کمیتهای دیگر انتخاب کنیم. کمیتهایی که در فیزیک به کمیتهای اصلی انتخاب شده اند عبارت اند از : طول(L )،جرم(M )، زمان((T ،مقدار ماده (mol)،جریان الکتریکی (A)و دمای کلوین(K). از روی یکای این کمیتها که مجموعه ی آنها را دستگاه بین المللی می نامند به کمک روابط ریاضی می توانیم یکای کمیتها فرعی مانند یکای سطح ، حجم،سرعت،شتاب ،نیرو ،کار ،توان و نظایر این ها را تعریف کنیم.علاوه بر اصلی و فرعی بودن کمیتها آنها را به دو دسته کمیتهای نرده ای (عددی یا اسکالر )و کمیتهای برداری تقسیم می کنیم . کمیتهای نرده ای آن دسته از کمیتها هستند که فقط با اندازه یعنی یک عدد و یکای آن مشخص می شوند. زمان ،جرم،کار،توان و حجم از جمله کمیتهای نرده ای اند.چهار عمل جمع، تفریق، ضرب و تقسیم را برای این کمیتها با توجه به یکای هر کمیت می توان به کار برد . کمیتهای برداری کمیتهایی هستند که علاوه بر اندازه دارای جهت نیز هستند. سرعت،شتاب،نیرو و میدان کمیتهایی برداری هستند . جمع و تفریق و ضرب این کمیتها بر اساس قواعد خاصی صورت می گیرد .آشنایی با برخی مفاهیم بنیادی فیزیک(قسمت دوم)یکای استاندارد زمان – طول – جرمکمیتهای فیزیکیخطاهای اندازه گیریمقدار واقعی کمیتکمیتهای اصلی و فرعیاندازه گیری طولآشنایی با برخی مفاهیم بنیادی فیزیک(قسمت دوم) یکای استاندارد زمان- طول- جرم الف)یکای استاندارد زمان –برای زمان تعریف مشخصی وجود ندارد. بعضی گفته اند زمان چیزی است که با ساعت اندازه گیری می شود یا زمان بستر رویدادهاست . آنچه مسلم است زمان عاملی است که با آن پیش و پس بودن رویدادها را نسبت به هم مشخص می کنیم برای مشخص شدن لحظه ی وقوع یک رویداد (t)مانند لحظه ی رها کردن یک قطعه سنگ یا لحظه ی پیدایش برق در آسمان به تعیین یک مبدا نیازمندیم. مبدا معمولا لحظه ی پیدایش یک رویداد مشخص و تکراری مانند طلوع یا غروب خورشید یا عبور زمین از یک نقطه ی خاص از مدار آن است(t=0). گاهی فاصله ی زمانی از شروع تا پایان یک رویداد را باید محاسبه ها وارد کنیم. این مدت را بازه ی زمانی گویند و برابراست باt ∆ مساوی است با زمان اولیه منهای زمان ثانویه. مثلا اگر در لحظه ی اول سنگی را رها کنیم و در لحظه ی دوم به زمین می رسد جابه جایی این سنگ دربازه ی زمانیt ∆مساوی است با زمان اولیه منهای زمان ثانویه صورت گرفته است. برای تعیین بازه ی زمانیt ∆ به زمان سنج نیاز داریم . نخستین زمان سنج ساده و طبیعی انسان نبض خودش بود که مشخص می کرد در فاصله ی دو لحظه چند با نبضش می زند. به دلیل آنکه فاصله ی زمانی میان دو ضربان نبض ثابت نیست و این مدت نیز کوتاه است شبانه روز یعنی مدت زمانی که زمین یک بار به دور محورش می گردد مبنای اندازه گیری زمان قرار گرفت . سپس این مدت را به 24 قسمت تقسیم کردند و هر قسمت را یک ساعت نامیدند . هر ساعت را به 60 دقیقه و هر دقیقه را به 60ثانیه تقسیم کردند و به عنوان یکای زمان برگزیدند. اندازه گیریهای دقیقتر نشان داد که مدت شبانه روزها با هم برابر نیست و سالها نیز با هم تفاوت دارند و نمی توان ثانیه را از روی حرکت وضعی یا انتقالی زمین به طور دقیق تعریف کرد.امروز ثانیه را با استفاده از دوره ی تناوب تابش گسیل شده از اتم سزیم که همواره ثابت است به صورت زیر تعریف می کنند:((ثانیه زمانی است معادل 770،631،192،9 برابر دوره ی تناوب تابش مربوط به گذار الکترون میان دو تراز بسیار ظریف وابسته به حالت بنیادی اتم سزیم133 .))ب)یکای استاندارد طول – در سال 1795/1174 مجمعی از دانشمندان در فرانسه تشکیل شد . در این مجمع با استفاده از کمیتهای طبیعی یکای طول و یکای جرم را برگزیدند . برای یکای طول یک چهل میلیونیم محیط نصف نصف النهار زمین را با نام متر انتخاب کردند . برای اندازه گیری محیط زمین بخشی از طول نصف النهار زمین را از روی آن مشخص کردند و نمونه ی اصلی متر را با استفاده از این تعریف ساختند. این متر نمونه میله ای از آلیاژ اینوار است که از 90%پلاتین و 10% ایریدیم تشکیل شده است . سطح مقطع این میلهcm 5/1 مربع و جرم آن kg3 و طولش cm 102 است . روی این میله دو علامت به فاصله ی 1m از هم قرار دارد پس از ساختن نمونه ی اصلی متر نمونه های فراوانی از روی آن تهیه کردند که در فرانسه و سایر کشورهای جهان به کار می رفت.با گسترش علم و فن آوری معلوم شد که برای یکای متر دقت بسیار بالاتری لازم است. از این رو متر را با استفاده از طول موج تابشی به رنگ نارنجی – قرمز اتم کریپتون 86 انتخاب کردند. در سال 1983/ 1362 تعریف متر را با استفاده از سرعت نور در خلا که با دقت بسیار اندازه گیری شد به صورت زیر برگزیدند :مترمسافتی است که نور در 1بر روی 458،792،299 ثانیه در خلا می پیماید . باید توجه داشت که سرعت نور در خلا 458،792،299= cمتر بر ثانیه است.پ)یکای استاندارد جرم-ابتدا جرم یک دسیمتر مکعب (=یک لیتر) آب خالص در حداکثر چگالی به عنوان یکای جرم برگزیده شد . سپس استوانه ای از جنس لاتین و ایریدیم برابر جرم تعریف شدخه ساختند و آن را نمونه ی اصلی یکای جرم قرار دادند . اندازه گیری ها دقیق بعدی نشان داد که نمونه ی اصلی جرم به اندازه ی 027/0 گرم سنگینتز از جرم یک دسیمتر مکعب آب در حداکثر چگالی است.امروزه سه یکای اصلی ذکر شده به علاوه ی چهار یکای مقدار ماده ، جریان الکتریکی ،دما و شدت نور دستگاه یکاهایی را تشکیل می دهند که دستگاه بین المللی یکاها (SI) نامیده می شود. کمیت های فیزیکیهر چیزی که قابل اندازه گیری باشد کمیت فیزیکی است. کمیت ها را به :اصلی و فرعی ، نرده ای و برداری ،اندازه پذیر و اندازه ناپذیر دسته بندی می کنند کمیت های طول ، جرم ، زمان ، دما ، شدت جریان و مقدار ماده از کمیت های اصلی و بقیه فرعی هستند . کمیت هایی که اندازه ی آن ها با یک عدد و یکا مشخص می شود نرده ای و آن هایی که علاوه بر عدد و یکا جهت نیز برای مشخص شدن آنها لازم است کمیت های برداری هستند.به کمیت هایی که با نمونه ای از همان کمیت سنجیده می شوند کمیت های اندازه پذیر می گویند. طول ، جرم و نیرو را که با متر ، کیلوگرم و نیوتون – که اندازه های مشخصی از همان کمیت ها هستند – اندازه می گیرند ، کمیت های اندازه پذیر گویند.این گونه کمیت ها ، قابلیت جمع و تفرق دارند . کمیت های اندازه ناپذیر را فقط با علامتگذاری های قراردادی می توان مشخص کرد . برای مثال دما ، کمیتی اندازه ناپذیر است و آن را با علامتگذاری های قراردادی مشخص می کنند . دما با استفاده از یکی از تغییراتی که بر ماده صورت می گیرد مشخص می شود . این تغییرات می توانند انبساط و انقباض ، تغییر چگالی ، تغییر فشار در گازها ، تغییر مقاومت الکتریکی در رساناها ، تغییر طول موج تابشی باشند. توجه داریم که دمای یک جسم بر حسب درجه بندی های مختلف ، متفاوت است . ضمنا درست نیست که بگوییم: «آب 60درجه ،دوبار گرم تر از آب 30درجه است.»اندازه هر کمیت: اندازه ی هر کمیت عددی برابر نسبت آن کمیت به یکای آن کمیت است. به عبارت دیگر اندازه ی کمیت مشخص می کند که آن کمیت چند برابر یکای آن است و یا آن یکا چند بار در آن کمیت میگنجد . برای مثال ،اگر طول استخری 20 متر باشد ، آن طول 20 برابر طول مشخص و معین یک متر است. اندازه ی هر کمیت دو جزء دارد:عدد و یکا . یکا را در لاتین جلوی عدد و در فارسی بعد از عدد قرار می دهند . مثلا نوشته می شود:6m یا 10A(6 متر یا 10 آمپر است). اگر یکا به افتخار دانشمندی نام گذاری شده باشد ، حرف اول آن نام را با حرف بزرگ می نویسند و در غیر این صورت از حرف کوچک استفاده می شود. مثلا می نویسم 20c یا 10Nو 5m (20کلوین یا 10 نیوتون و 5 متر). خطاهای اندازه گیری معمولا اندازه گیری ها کاملا دقیق نمی باشند و با خطاهایی همراه هستند . با تکرار اندازه گیری و دقت می توان خطاها را کاهش داد ؛ ولی نمی توان آن ها را از بین برد . خطاها سه دسته اند : خطای شخصی ، خطای سیستماتیک و خطای اتفاقی.خطای شخصی: این نوع خطا به وضع روانی و رفتارهی شخصی بستگی دراد. مثلا بعضی از افراد در خواندن بعضی اعداد یا درجه ها اشتباه می کنند یا آن که به جای خواندن عدد و درجه ای که دستگاه نشان می دهد نتیجه یا عددی را که انتظار دارند ، ثبت و ضبط می کنند. خطای سیستماتیک: این خطا مربوط به دستگاه اندازه گیری است . مثلا ترازویی همواره جسمی را سبک تر یا سنگین تر از آن چه واقعیت دارد، نشان می دهد.خطای اتفاقی: ممکن است در هنگام اندازه گیری تغییرات دما، به طور اتفاقی تغییرات فشار روی دهد و بر ابزار اندازه گیری و نتیجه ی آزمایش ها اثر بگذارد. مقدار واقعی کمیتاندازه ای که از راه اندازه گیری به دست آید ،همواره با مقدار واقعی کمیت برابر نیست . برای آن که مقدار واضعی تا حد امکان به دست اید کمیت مورد نظر چند بار اندازه گرفته می شود و آن گاه معدل اندازه ها به دست می آید. خطای مطلق: خطای مطلق هر اندازه گیری برابر است با تفاوت اندازهی به دست آمده و میانگین اندازه ها .خطای مطلق را با x∆ نشان می دهیم. خطای نسبی : نسبت خطاهای مطلق هر اندازه گیری به مقدار واقعی آن کمیت (معدل اندازه ها ) را خطای نسبی آن اندازه گیری می نامند. کمیت های اصلی و فرعیاگر روزی کسی از ما بپرسد :«جهان چیست »؟در پاسخ می گوییم :«جهان فضایی یا حجمی بسیار گسترده است که در آن ماده به شکل متراکم یا پراکنده در جاهایی از آن قرار دارد.»ماده به صورت ذره های جدا از یکدیگر است . این ذره ها به شکل مجزا از هم و یا به شکل مجموعه می توانند جا به جا شوند و تغییرات را در جهان به وجود آورند . زمان ،کمیتی است که از روی تغییرات و پیش و پس بودن رویدادها برای ما قابل احساس و اندازه گیری می شود .برای فهم و درک حجم و فضا می توان از نقطه شروع کرد. هرگاه نقطه ای حرکت کند ،خط به وجود می آید . طول خط را می توان به طور مستقیم اندازه گرفت. اگر خط به موازات خود انتقال یاد و یا حول محوری که از آن می گذرد ، بگردد، سطح به وجود می آید . اندازه گیری هر سطح با استفاده از اندازه گیری دو خط محاسبه و مشخص می شود . اگر سطح به موازات خود انتقال یابد و یا حول محوری بگردد که درون آن است حجم به وجود می آید. اندازه گیری حجم با استفاده از اندازه گیری سه بعد محاسبه می شود. _____________________ ___________________ . _____________________ خط نقطه _____________________ _____________________ _____________________ سطح حجمبنابراین برای درک ،فهم و اندازه گیری حجم و فضا به شناختن طول و اندازه گیری آن برمی گردیم . از این رو ،«طول» را یک کمیت اصلی و «حجم» را که با استفاده از آن تعریف و مشخص می شوند ، کمیتهای فرعی می نامیم.کمیت های اصلی که دارای یکاهای با تعریف مستقل هستند ،عبارتند از: طول ،جرم ، زمان ،دما و شدت جریان . کمیت هایی را که با استفاده از کمیت های اصلی تعریف می شوند کمیت های فرعی می نامیم . بعضی از این کمیت ها عبارت اند از :سطح ،جرم ، سرعت ، شتاب ، نیرو ، کار ، توان و مقدار الکتریسیته . اندازه گیری طولاندازه گیری طول ، حجم و وزن از آن زمان معمول شد که داد و ستد و کشاورزی به وجود آمد . وقتی آدمی به کشاورزی پرداخت ، میزان بذری که برای هر قطعه زمین لازم بود ، زمان کاشت ،ترتیب آب دادن،هنگام برداشت و مقایسه ی محصول زمین های مختلف ،او را به کار اندازه گیری وزن ، طول و زمان وادار کرد . مبادله ی کالاها ، خرید و فروش اجناس و ساختن آلات و ابزار ، دقت اندازه گیری او را بیشتر کرد.در ابتدا اندازه گیری ،مقایسه ی دو چیز با یکدیگر بود . مثلا اگر می خواستند دو نفر قد را با هم مقایسه کنند ، آن دو در کنار هم می ایستادند و با هم مقایسه می شدند. چنانچه می خواستند بلندی تیرهایی را مشخص کنند که برای سقف کلبه های خود به کار می بردند ، آن ها را در مجاورت هم قرار می دادند و بلندترین و کوتاه ترین آنها را مشخص می کردند . این روش اندازه گیری و مقایسه ادامه داشت تا آن که مقیاس ها و ایزار اندازه گیری انتخاب و تهیه شد و مورد قبول قرار گرفت و رواج یافت.نخستین مقیاس های مورد قبول برای اندازه گیری طول ، وزن و حتی زمان ، استفاده از اعضای بدن انسان بود . بند انگشت ، وجب یا ارش (فاصله سر انگشت وسطی تا آرنج ) و قدم (گام) ، یکای طول و از ابزار اندازه گیری طول بود . مصریان از پهنای یک انگشت و چهار انگشت چسبیده به یکدیگر برای اندازه گیری طول استفاده می کردند . یونانی ها طول کف پا (فوت) را به عنوان یکای طول به کار می بردند. رومی ها از گام استفاده می کردند. ایرانی ها وجب را به کار می بردند. فاصله ی نوک بینی تا سر انگشت دست در دورترین وضع از یکدیگر نیز به عنوان یکای طول به کار می رفت.برای اندازه گیری وزن گندم ، جو ، برنج و ذرت ، از کف یک دست (یک مشت ) یا کف دو دست (دو مشت )استفاده می شد .اندازه گیری زمان های کوتاه از روی نبض یا تنفس و نیز چشم بر هم زدن صورت می گرفت . اما چون اندازه ی اعضای بدن افراد مختلف با هم تفاوت داشت ، کوشش شد که اعضای بدن بزرگان جامعه به عنوان یکای اندازه گیری مشخص شود و مورد قبول قرار گیرد . در زندگی گذشته انسان ، روش های اندازه گیری و مقیاس ها در زمان ها و مکان های مختلف بسیار متفاوت بود چه بسا در دو روستای هم جوار از دو مقیاس مختلف برای اندازه گیری استفاده می کردند .پیشرفت علم و صنعت در چند قرن اخیر و افزایش داد و ستد با مناطق دور و نزدیک جهان سبب شد که وسایل اندازه گیری دقیق تر شود و توجه به یکای مناسب و همگانی افزایش یابد . نخستین کسی که اقدام به انتخاب یکاهای مشخص و ساده کرد ، کشیشی به نام گابریل موتون از شهر لیون فرانسه بود . او در سال 1670 میلادی /1049 شمسی ، روش ساده مقیاس های دستگاه متریک را پیشنهاد کرد.آشنایی با برخی مفاهیم بنیادی فیزیک(قسمت سوم) دستگاه متریکاندازه گیری جرمجرم و یکای آناندازه گیری زمانزمانیکاهای زمانکمیتهای فرعیدما و اندازه گیری آنجریان الکتریکی و اندازه گیری آندستگاه متریکبیش از یک قرن از پیشنهاد گابریل موتون گذشت تا با وقوع انقلاب کبیر فرانسه ، جامعه آمادگی لازم را یافت تا روش های تازه را بپذیرد . «در سال 1790 میلادی/1169 شمسی ، فرهنگستان علوم فرانسه به بوردا، لاگرانژ و لاپلاس ، سونژ و کوندورسه که از دانشمندان مشهور آن زمان بودند ماموریت داد تا درباره ی یکای طولی که پذیرش بین المللی داشته باشد ، بررسی کنند. این گروه پس از یک سال تبادل نظر در مارس 1791/اسفند 1170 دو نفر از منجمان معروف فرانسه به نام دالامبر و مشن را مامور کرد تا طول کمان نصف النهار را میان دونکرک و بارسلون اندازه بگیرند.این ماموریت مقارن با انقلاب کبیر و تاریخ به یاد نداشت که کشوری در چین موقعیت خطرناک و آشفته ای هم زمان با رسیدگی به امور سیاسی و جنگی ، به حل و فصل مسایل علمی بپردازد . یعنی از یک سو سربازان خود را بسیج کند و به جبهه های جنگ گسیل دارد و از سوی دیگر دانشمندان خود را تربیت کند و به مامورتهای علمی اعزام دارد. در چنین شرایط سخت و توانفرسایی ، دالامبر و مشن کار خود را آغاز کردند. آن ها نه سال ،با تحمل مصایب گوناگون و با تلاشی جانکاه و پیگیر به این کار علمی ادامه دادند تا این که در ژوئن 1799/ تیر ماه 1178 نتیجه کار خود را به فرهنگستان علوم تسلیم کردند.نتیجه کار این دانشمندان آن شد که با استفاده از اندازه گیری و محاسبه ی ، طول نصف النهار زمین را با دقت زیاد اندازه گرفتند و یک چهل میلیونیم این طول را به عنوان متر و یکای طول انتخاب کردند . به این ترتیب نمونه ی اصلی متر را نیز با استفاده تعریف آن ساختند . در سال 1875 میلادی / 1234 شمسی اداره ی بین المللی اوزان و مقیاسات در کشور فرانسه ، در نزدیکی پاریس تاسیس شد و سایر کشور ها به تدریج عضویت آن را پذیرفتند. اندازه گیری جرمجرم و یکای آنیکی از ویژگی های هر جسم ، جرم آن است. جرم هر جسم ، دو اثر یا خاصیت دارد: اثر اینرسی و اثر جاذبه ای . خاصیتی از ماده را که در برابر تغییر سرعت مقاومت می کند ، جرم اسنرسی ( لختی ) و خاصیتی که میدان جاذبه (گرانشی ) را به وجود می آورد ، جرم جاذبه ای ( جرم گرانشی ) گویند.جرم اینرسی هر جسم تا زمانی که سرعت آن جسم ثابت است ظاهر نمی شود؛ ولی هنگامی که سرعت جسم از نظر اندازه و یا جهت تغییر کند جرم اینرسی قابل احساس و اندازه گیری خواهد بود . مقاومتی که هر جسم در هنگام تفییر سرعت از خود ظاهر می کند از رابطه F = -mi .a به دست می آید که miرا جرم اینرسی جسم می نامند. اثر جرم اینرسی خود را می توان در هنگام شروع حرکت اتومبیل ، زمان متوقف شدن آن و یا در پیچ جاده و در خلاف جهتی که اتومبیل شتاب دارد ، احساس کرد . این اثر به صورت چسبیدن به صندلی و یا جدا شدن از آن احساس می شود.جرم جاذبه ای ، خاصیتی از ماده است که سبب می شود هر ماده بر ماده ی دیگر نیرو وارد کند . برای مثال زمین بر جسمی که اطراف آن است نیرو وارد می کند و آن جسم نیز بر زمین نیرو اثر می دهد . از این رو هم زمین و هم آن جسم ، جرم جاذبه ای دارند. جرم جاذبه ای هر جسم که به mg نشان داده می شود و از رابطه یw= mg . g به دست می آید . w وزن جسم و آن نیرویی است که رمین بر جسم وارد می کند و g نیرویی است که بر یکای جرم اثر می کند.اندازه گیری های دقیق نشان می دهند که جرم جاذبه ای یک جسم با جرم اینرسی آن برابر است ؛ یعنی اگر جرم جاذبه ای جسمی 5 کیلوگرم باشد، جرم اینرسی آن نیز 5 کیلوگرم است . از این رو ، کلمه ی جرم هم به مفهوم جرم اینرسی و هم به مفهوم جرم جاذبه ای به کار می رود و هر دو را با یک یکا می سنجند . یکای جرم که هم زمان با یکای طول انتخاب شد ، کیلوگرم است . کیلوگرم در ابتدا برابر با جرم یک دسیمتر مکعب آب در حداکثر چگالی تعریف شد . سپس بر اساس تعریف ، نمونه ی کیلوگرم با دقت از آلیاژ 90% پلاتین و 10% ایریریم ساخته و نمونه های دیگری از روی آن تهیه شد . در سال های بعد ،مشخص شد که کیلوگرم ساخته شده 027/0 گرم سنگین تر از جرم یک دسیمتر مکعب آب در حداکثر چگالی است. از این رو در سال 1268 ش /1889 م. کیلوگرم نمونه اصلی ، بدون توجه به تعریف آن مورد قبول واقع شد . اندازه گیری زمانزمانهنگامی که می خواهیم طولی یا جرمی و یا نیرویی را اندازه بگیریم هدف ما کاملا مشخص است و می دانیم چه چیز مورد نظر است ؛ولیکن زمان چیست که می خواهیم آن را اندازه بگیریم؟ ولی تاکنون تعریفی که مورد قبول همگان باشد ،بیان نشده است .بی آن که بتوانیم از زمان تعریف مشخصی بیان کنیم می دانیم که بسیاری از رویداد جهان با نظم خاصی است . بعضی جلوتر و برخی عقب تر است . مثلا بهار با سبزه و گل آغاز می شود و آنگاه نوبت تابستان و فصل گرما و پیدایش دانه می رسد . به دنبال آن فصل برگریزان و سرما پدید می آید . همین جلو و عقب بودن و ترتیب رویدادهاست که زمان را برای ما قابل احساس می کند .زمان را می توان بستر یا مسیر حوادث تصور کرد . زمان ، مسیری هم چون یک خط راست بی آغاز و بی پایان است ،نه از آغاز آن آگاهیم و نه از پایان آن . اما احساس می کنیم که رویدادA زودتر از رویداد Bروی داده است . وجود تقدم و تاخر حوادث ،زمان را برای ما قابل درک و مفهوم می کند. برای اندازه گیری میان دو رویداد (= بازه زمانی ) از یکای زمان استفاده می کنیم . یکای زمان را با استفاده از رویدادهای تکراری که در جهان صورت می گیرد ،اندازه می گیرند. لحظه وقوع رویدادها را هم با یک مبدا می سنجیم . از گذشته های دور انسان به دنبال یافتن یکای زمان دقیق مبدا زمان یا مبدا تاریخ مناسب بوده است. یکاهای زمانشبانه روز که نتیجه ی حرکت وضعی زمین است ،طبیعی ترین یکای زمان بوده است . اما شبانه روز یا به عبارت کوتاه ، روز بر سه گونه است ؛ روز نجومی ، روز خورشیدی و روز خورشیدی متوسط .روز خورشیدی ، مدت زمان بین دو عبور متوالی نصف النهار محل از مرکز خورشید است .روز نجومی ،مدت زمان بین دو عبور متوالی نصف النهار محل از مرکز شتاره ی ثابت است . روز نجومی اندکی کوتاه تر از روز خورشیدی است . طول روز خورشیدی ثابت نیست . از این رو ، برای آنکه یکای اندازه گیری زمان دقیق باشد ،روز خورشیدی متوسط را تعریف و انتخاب کرده اند. روز خورشیدی متوسط، میانگین طول روزهای خورشیدی در یک سال است . روز خورشیدی متوسط را روز متعارفی نیز گویند و مبدا آن نیم شب است .ساعت: یکای کوچک تر از روز ساعت است . هر ساعت یک بیست و چهارم شبانه روز است . هر ساعت برابر 60 دقیقه و هر دقیقه برابر 60 ثانیه است . اکنون ثانیه ی متوسط خورشیدی ، پایه ی یکای زمان است و برابر یک هشتصدوچهارهزارم روز خورشیدی متوسط است . زمانی که بر اساس دوران زمین تعریف می شود زمان جهانی نامیده می شود. زمان جهانی باید به وسیله مشاهدات نجومی در طول هفته های متعدد اندازه گیری شود . بنابراین ، ما به یک ساعت دقیق زمانی نیاز داریم که بر اساس مشاهدات نجومی تنظیم شده باشد . ساعت های بلورکوارتز که بر اساس ارتعاشات متناوب به طریق الکتریکی کار می کنند و نیز ساعت های اتمی بسیار دقیق هستند.در سال 1971 میلادی /13469 شمسی ثانیه ای که بر اساس ساعت سزیوم تعریف شد ، در سیزدهمین کنفرانس عمومی اوزان و مقادیر به عنوان یک استاندارد بین المللی مورد قبول واقع شد . بر اساس این تعریف:ثانیه ، برابر9192641770 برابر دوره ی تناوب پرتو مربوط به انتقال الکترون بین دو تراز بسیار ظریف وابسته به حالت بنیادی اتم سزیم 133 است.ماه: یکای طبیعی و بزرگ تر از روز ، ماه است. یک ماه ، فاصله ی دو دیدن متوالی ماه نو (هلا) است. ماه هلالی 26/29 تا8/29 روز تغییر می کند و مدت متوسط آن 29 روز و 12 ساعت و 44 دقیقه و 88/2 ثانیه است .هفته : هفته ، یکای قراردادی زمان است که برای امور زندگی ، روابط اجتماعی و برگزاری مراسم دینی در میان اقوام مختلف انتخاب شده است . در بعضی اقوام گذشته ،دوره های 4 روزه یا 6 روزه معمول بوده است . در مصر و چین ، دوره های ده روزه رواج داشته و اکنون در همه کشورها هفته معمول است. کمیت های فرعی دما و اندازه گیری آندما ،کمیتی است که میزان گرمی و سردی اشیا را نشان می دهد .دما را با دماسنجاندازه می گیرند . دماسنج را بر اساس هر یک از تغییراتی می توان ساخت که گرما و بالا رفتن دما در جسم ایجاد می کند . معمولی ترین نوع دماسنج ،دماسنج انبساطی است . این نوع دماسنج بر اساس انبساط و انقباض ماده در اثر تغییر دما ساخته می شود . دماسنج های جیوه ای – الکلی از این نوع هستند . نمونه ی دیگر دماسنج ها عبارتند از : دماسنج گازی ، دماسنج مقاومتی ، دماسنج ترمو الکتریک و آذرسنج .دماسنج ها را بر حسب درجه بندی سلسیوس (صد قسمتی ) ، کلوین (مطلق) و فارنهایت درجه بندی می کنند . پایین ترین دما ، صفر مطلق (273- درجه سلسیوس) و بالاترین دما بی نهایت است.رابطه ی میان دمای مطلق ( K) و دمای سلسیوس (C°)به صورت زیر است : 273- ( K)= (C°)یا273+(C°) = ( K)جریان الکتریکی و اندازه گیری آنهر گاه دو سر یک باتری را به لامپ الکتریکی متصل کنیم ، جریانی از الکترونها از قطب منفی باتری به قطب مثبت می روند . عبور این الکترون ها از سیم نازک درون لامپ سبب می شود که لامپ روشن شود . بار هریک از الکترون ها برابر c = 1/6 ×10-19 کولن است . چنانچه در مدت زمان t ثانیه تعداد N الکترون از لامپ بگذرد ، باری برابر q = Ne جا به جا خواهد شد . اگر جریان یکنواحت باشد آهنگ زمانی عبور بار الکتریکی برابر است با: I = q = Ne = ne t tکه n تعداد الکترونی است که در هر ثانیه از لامپ می گذرد و Iرا شدت جریان الکتریکی و یا به اختصار ، جریان الکتریکی می نامند ، یکای جریان الکتریکی ، آمپر (با علامت اختصاری A ) است که به خاطر بزرگداشت ماری آندره آمپر (1775-1836 ) فیزیکدان و ریاضیدان فرانسوی نامگذاری شده است . آمپر بر اساس خاصیت گرمایی ، خاصیت شیمیایی و خاصیت مغناطیسی جریان تعریف کرده اند . تعریف استاندارد کنونی آن براساس خاصیت مغناطیسی جریان الکتریکی و به صورت زیر است :«یکای جریان الکتریکی ،آمپر است و آن جریانی است که اگر از دو سیم بلند ، موازی و طولانی که در خلا باشند بگذرد ، نیرویی که بر هر متر از این دو سیم از طرف سیم دیگر اثر می کند ، 7-10×2 نیوتون می باشد.»آمپر ، جریانی است که در هر ثانیه1018 × 25/6 الکترون از مدار عبور دهد . جریان الکتریکی را با آمپرسنج و گالوانومتر اندازه می گیرند.

آشنایی با برخی مفاهیم بنیادی فیزیک

مطالب مشابه :

آیا ممکن است با ماشین زمان به گذشته برگردیم؟

آشنایی با برخی مفاهیم بنیادی فیزیک

شبیه سازی “تابش هاوکینگ” در آزمایشگاه

نیم رسانای نوع p و نوع n

دستاوردهای برتر فیزیک در سال 2013

مکانیک کوانتومی

گرما عامل بزرگترین انقراض زمین در 250 میلیون سال گذشته