فیزیک علم اندازه گیری است

مدل سازی در فیزیک :

مدل سازی در فیزیک فرآیندی است که طی آن یک پدیدۀ فیزیکی ، آنقدر ساده می‌شود تا امکان بررسی و تحلیل آن فراهم شود .

توجه : هنگام مدل سازی یک  پدیدۀ فیزیکی ، باید اثرهای جزئی را نادیده بگیریم نه اثرهای مهم و تعیین کننده را . برای مثال اگر به جای مقاومت هوا ، نیروی جاذبه را نادیده می‌گرفتیم ، آن گاه مدل ما  پیش بینی می‌کرد که وقتی توپی به بالا پرتاب می‌شود در یک خط مستقیم بالا می‌رود .

اندازه گیری و کمیت های فیزیکی

کمیت :

هر چیز قابل اندازه گیری و بیان با یک عدد را کمیت می نامیم .

واحد (یکا) اندازه گیری

همۀ کمیت ها دارای یک یکای (واحد) اندازه گیری است که در انتهای اندازه گیری بیان می شود . برای خلاصه نویسی فرمول ها ، بجای نام کمیت ، نماد آن را در فرمول جایگذاری می کنیم که اصولاً از حرف اول نام انگلیسی آن کمیت گرفته شده است ، مثلاً  F نماد نیرو است که از حرف اول کلمۀ Force گرفته شده است .

کمیت های برداری و غیر برداری :

کمیت های غیر برداری :

برای بیان برخی از کمیت های فیزیکی ، تنها از یک عدد و یکای مناسب آن استفاده می کنیم . این‌کونه کمیت ها ، کمیت نرده ای (غیربرداری) نامیده می‌شوند .

به عبارتی : کمیت هایی که با بیان مقدار و واحد آن تکمیل می شوند : جرم ، زمان ، دما ، انرژی ، توان و ...

کمیت های غیر برداری : (نرده ای ، عددی ، اسکالر)

برای بیان برخی دیگر از کمیت های فیزیکی ، افزون بر یک عدد و یکای مناسب آن ، لازم است ، به جهت آن نیز اشاره کنیم . این دسته کمیت ها را ، کمیت برداری می‌نامند .

به عبارتی دیگر : کمیت هایی که علاوه بر بیان مقدار و یکا ، نیاز به بیان جهت آنها نیز هست: سرعت ، شتاب ، نیرو، تکانه (اندازه حرکت) ،

ویژگی مهم کمیت‌های فیزیکی : برای اندازه گیری درست و قابل اطمینان به یکاهای اندازه‌گیری‌ای نیاز داریم که تغییر نکند و دارای قابلیت بازتولید باشد .

 

کمیت ها را به دو دستۀ اصلی و فرعی تقسیم می کنند :

کمیت های اصلی :

 کمیت هایی که به طور مستقل تعریف و قرارداد می شود و واحد اندازه گیری آنها نیز به طور مستقل از بقیۀ کمیت ها تعریف می شوند . کمیت های اصلی و واحد اندازه گیری آنها به شرح جدول زیر است .

یکای اندازه گیری ، کمیت های اصلی را ، یکاهای اصلی می‌گویند .

نام کمیت

نماد کمیت

یکا (واحد) اندازه گیری

نماد یکا

توضیحات

طول

x-l

متر

m

 

جرم

m

کیلوگرم

Kg

 

زمان

t

ثانیه

S

 

دما

T

کلوین

K

 

شدت جریان الکتریکی

I

آمپر

A

 

مقدار ماده

n

مول

Mol

 

شدت روشنایی

 

کَندِلا(شمع)

Cd

 

 


 

کمیت فرعی :

کمیت هایی که از ترکیب کمیت های اصلی (یا کمیت های فرعی دیگر) ساخته شده­اند . واحد آنها نیز از ترکیب واحدهای اصلی ساخته شده اند . واحد کمیت های فرعی را یکای فرعی می‌گویند

نام کمیت

نماد کمیت

یکا (واحد اندازه گیری)

نماد یکا

توضیحات

مساحت

A-S

متر مربع

m2

 

حجم

V

مترمکب

m3

 

نیرو

F

نیوتن

N

 

سرعت

V

متر بر ثانیه

 

 

شتاب

a

متر بر مجذور ثانیه

 

 

انرژی

E-U-Q

ژول

J

 

توان

P

وات

w

 

بار الکتریکی

q

کولن (آمپر ثانیه)

C(As)

 

اختلاف پتانسیل الکتریکی

V

ولت

v

 

 

مقاومت الکتریکی

R

اُهم

 

 

 برای بیان برخی قوانین فیزیک نیز ، گاهی از ضرایبی استفاده می کنیم ، بیشتر این ضرایب دارای یکا هستند که برای به دست آوردن یکای این ضرایب به تساوی یکا در دو طرف فرمول توجه می­کنیم .

برخی از ضرایب در جدول زیر فهرست شده است

نام ضریب

نماد ضریب

واحد

مقدار

گذردهی الکتریکی خلأ

 

 

گذردهی مغناطیسی خلأ

 

ضریب انبساط طولی

بسته نوع ماده دارد

ثابت عمومی گرانش

G

 

 

ثابت عمومی گازها

R

3/8

 

تعریف کمیت های اصلی:

طول : به لحاظ تاریخی ، در اواخر قرن هجدهم ، یکی طول (متر) به صورت یک ده میلیونیم فاصلۀ استوا تا قطب شمال تعریف شد . تا سال 1960 میلادی فاصلۀ میان دو خط نازک حک شده در نزدیکی دو سر میله ای از جنس پلاتین ایریدوم ، وقتی میله در دمای صفر درجه سلسیویس قرار داشت ، برابر یک متر تعریف شده بود .

بنابر آخرین توافق جهانی مجمع عمومی وزن ها و مقیاس ها در سال 1983 میلادی ، یک متر برابر مسافتی تعریف شد که نور در مدت زمان  ثانیه در خلأ می پیماید .

جرم : یکای جرم در SI کیلوگرم (Kg) نامیده می شود و به صورت جرم استوانه ای فلزی از جنس آلیاژ پلاتین ایریدوم تعریف شده است .

زمان : در طول سال های 1268 تا 1346 هـ.ش، یکای زمان، ثانیه (s) به صورت  میانگین روز خورشیدی تعریف می شد . استاندارد کنونی زمان ، که از سال 1346 هـ.ش به کار گرفته شد بر اساس دقت بسیار یاد ساعت های اتمی تعریف شده است .

وسایل اندازه گیری :

کمیت

وسیله اندازه گیری

طول

متر خط کش متر لیزری

دما

دماسنج

جرم

ترازو

نیرو

نیروسنج

زمان

کورنومتر ساعت

شدت جریان الکتریکی

آمپرسنج (آمپر متر)

اختلاف پتانسیل الکتریکی

ولت سنج (ولت متر)

مقاومت الکتریکی

اُهم سنج (اُهم متر)

زاویه

نقاله

تبدیل یکاها:

برای بیان مقادیر بزرگ و یا کوچک نیازمند ضرایبی هستیم تا از نوشتارهای طولانی بپرهیزیم . به همین جهت پیشوند هایی معرفی شد تا به کمک آنها نمایش و بیان مقادیر بزرگ و یا کوچک راحت­تر شود .

جدول پیشوندها :

T

ترا

TJ

Tg

Tm

TB

G

گیگا

GJ

Gg

Gm

GB

M

مگا

MJ

Mg

Mm

MB

K

کیلو

KJ

Kg

Km

KB

H

هکتو

HJ

Hg

Hm

 

da

دکا

DaJ

Dag

Dam

 

 

1

 

J

g

m

Byte

d

دسی

dJ

dg

dm

 

c

سانتی

cJ

cg

cm

 

m

میلی

mJ

mg

mm

 

µ

میکرو

µJ

µg

µm

 

n

نانو

nJ

ng

nm

 

p

پیکو

pJ

pg

pm

 

 

روش استوکیومتری :

در این روش ابتدا برای هر تبدیل ، یک کسرِ تبدیل به شکل زیر می سازیم

 

و سپس یکای مورد نظر را به یکای پایۀ آن تبدیل می­کنیم

و در انتها با یک تبدیل مجدد یکای پایه را به یکای مورد نظر در سمت دیگر تساوی تبدیل می نماییم

روش مستقیم :

برای تبدیل یکاها به یکدیگر ، باید ببینیم که سمت چپ تساوی ، چند برابر سمت راست آن است ، پس پیشوند یکای سمت چپ را تقسیم بر پیشوند یکای سمت راست می­کنیم .

مثال :

 

تبدیل واحد های چند جزئی (ترکیبی) :

ابتدا با استفاده از رابطۀ بین دو واحد ، یک ضریب تبدیل می سازیم، مثلاً برای رابطۀ تبدیل زیر :

می توانیم دو کسر تبدیل به شکل زیر بسازیم :

                              

حالا از این دو کسر تبدیل بسته به نیاز به شکل زیر استفاده خواهیم کرد :

اگر بخواهیم اینچ را به سانتی متر تبدیل کنیم باید از کسر سمت چپ و اگر بخواهیم سانتی متر با به اینچ تبدیل کنیم از کسر سمت راست استفاده می‌کنیم .

برای تبدیل 30 اینچ به سانتی متر ، به شکل زیر مقدار مورد نظر را در یکی از دو کسر بالا ضرب می­کنیم ، چون در این تبدیل به دنبال از بین بردن اینچ هستیم، کسری را انتخاب می‌کنیم که مخرج آن اینچ و صورتش سانتی متر باشد، به شکل زیر :

و اگر بخواهیم  را به اینچ تبدیل کنیم ، این بار باید عدد مورد نظر را در کسری ضرب کنیم که در مخرج آن سانتی متر باشد :

 

اندازه گیری ، دقت و خطا

دقت اندازه گیری : کمترین مقدار قابل اندزه­گیری با یک وسیلۀ اندازه گیری را دقت اندازه­گیری آن وسیله می نامیم . برای مثال ، دقت اندازه­گیری خط کشی که تا میلی­متر درجه بندی شده است برابر یک میلی­متر و دقت اندازه گیری دماسنجی که (بر حسب سانتی­گراد) تا یک دهم سانتی­گراد درجه بندی شده است برابر یک دهم سانتی گراد است .

 


 

پیوست ها

نام کمیت

نماد کمیت

یکا (واحد) اندازه گیری

نماد یکا

توضیحات

طول

متر

 

جرم

کیلوگرم

 

زمان

ثانیه

 

دما

کلوین

 

شدت جریان الکتریکی

آمپر

 

مقدار ماده

n

مول

 

شدت روشنایی

 

کَندِلا(شمع)

 

چگالی :

نسبت جرم به حجم یک ماده را چگالی آن ماده می گویند . و با نماد  نمایش می دهند . واحد چگالی در SI ، کیلوگرم بر مترمکعب ( ) است . وقتی می گوییم چگالی یک ماده 600 کیلوگرم بر مترمکعب است ، یعنی هر مترمکعب آن 600 کیلوگرم جرم دارد .

چگالی از فرمول زیر محاسبه می شود .

در این را بطه m جرم بر حسب کیلوگرم و V ، حجم بر حسب مترمکعب است

هنگامی که دو یا چند ماده را با یکدیگر مخلوط کنیم ، چگالی مخلوط این ماده ها از رابطه زیر محاسبه می شود.

هرگاه دو جسم با جرم های یکسان ولی چگالی های مختلف با یکدیگر مخلوط شوند ، چگالی مخلوط آنها از رابطه زیر محاسبه می شود

هرگاه حجم های یکسانی از دو ماده با چگالی های متفاوت را با یکدیگر مخلوط کنیم ، چگالی مخلوط دو ماده از رابطه زیر محاسبه می‌گردد .

 


 

حالات ماده :  جامد ، مایع گاز و پلاسما

شاره (سیال) : واژه ای که برای مایع ها و گازها به کار می بریم .

جامد :

اندازه اتم ها در مواد جامد، حدود یک تا چند انگسترم ( ) است و اندازه مولکول ها به این بستگی دارد که از چند اتم ساخته شده باشند .

اندازه برخی از درشت مولکول ها ، مانند بَسپارها (پلیمرها) ، می‌توانند تا 1000 انگستروم نیز باشد.

پلاسما : اغلب در دماهای خیلی بالا بوجود می آید . مانند ماده درون ستارگان و بیشتر فضای بین ستاره ای ، آذرخش ، شفق‌های قطبی ، آتش و ماده داخل لولۀ تابان لامپ مهتابی از پلاسما تشکیل شده است .

جامد : موادی که حجم و شکل معینی دارند مانند : سنگ ، فلز ، چوب ، شیشه و ...

ذرات جسم جامد به سبب نیروهای الکتریکی که به یکدیگر وارد می کنند در کنار یکدیگر می‌مانند. این ذرات در مکان های معینی نسبت به یکدیگر قرار دارند و در اطراف این مکان ها ،نوسان های بسیار کوچکی دارند .

انواع جامدها : جامدبلورین و جام بی شکل (آمورف)

جامد بلورین : جامدهایی را که در یک الگوی سه بعدی تکرار شونده از این واحد های منطم ساخته می‌شوند ، جامد بلورین می‌نامیم .

فلزها ، نمک ها ، الماس ، یخ و بیشتر مواد معدنی جزو جامدهای بلورین اند .

وقتی مایعی را به آهستگی سرد کنیم ، اغلب جامدهای بلورین تشکیل می شوند . در این فرآیند سردسازی آرام ؛ ذرات سازندۀ مایع فرصت کافی دارند تا در طرح های منظم خودرا مرتب کنند .

جامد بی شکل (آمورف) : ذرات سازندۀ جامدهای بی شکل (آمورف) برخلاف جامدهای بلورین ، در طرح های منظمی کنار هم قرار ندارند . وقتی مایعی به سرعت سرد شود معمولاً جامد بی شکل به وجود می آیند . در این فرآیند سردسازی سریع ، ذرات فرصت کافی ندارند تا در طرحی منظم، مرتب شوند. بنابراین در طرح نامنظمی که در حالت مایع داشتند باقی می مانند ، شیشیه ، مثالی از یک جامد بی شکل است .

مایع : مولکول های مایع نظم و تقارن جامد های بلورین را ندارند و به صورت نامنظم و نزدیک به یکدیگر قرار گرفته اند . مایع به راحتی جاری می شود و به شکل ظرف خودش در می آید . فاصله ذرات سازنده مایع و جامد تقریباً یکسان و در حدود یک آنگستروم است .

پدیده پخش در مایعات :

گازها : گاز، مادهای است که شکل مشخصی ندارد. اتمها و مولکول‌های آن آزادانه و با تندی بسیار زیاد به اطراف حرکت و با یکدیگر و با دیواره‌های ظرفی که در آن قرار دارند برخورد می‌کنند ٔ.فاصله میانگین مولکول‌های گاز در مقایسه با اندازه آنها، خیلی بیشتر است. مثلاً اندازۀ مولکول‌های هوا بین1 تا 3 آنگستروم است در حالی که فاصله میانگین آنها در شرایط معمولی در حدود است.

پدیده پخش در گازها : وقی درِ یک شیشه عطر را در گوشه ای از اتاق باز می کنید ، پس از چن ثانیه ذرات عطر در همه جای اتاق پخش و بوی آن حس می شود؛ حرمت آزادانۀ ذرات گاز و برخورد آنها به یکدیگر باعث پخش شدن مولکول های گازی شکل عطر می شود

نیروی بین مولکولی :

هم چسبی : نیروی‌های بین مولکول های همسان مانند نیروهای بین مولکول های آب را نیروی هم چسبی می نامیم .

وقتی سعی می‌کنیم فاصلۀ بین مولکول‌های مایع را کم کنیم ،نیروی دافعۀ بزرگی بین آنها ظاهر می‌شود که از تراکم‌پذیری مایع جلوگیری می‌کند ، همین طور وقتی مولکول‌هایمایع را کمی از هم دور کنیم ، نیروی جاذبۀ بین آنها ظاهر می‌شود . این جاذبه در قطرۀ آب آویزان از شاخه درخت دیده می‌شود .

نیروهای بین مولکولی کوتاه بُرد هستند ، یعن وقتی فاصلۀ بین مولکول‌ها چند برابر فاصلۀ بین مولکولی شود، نیروهای بین مولکولی بسیار کوچک و عملاً صفر خواهند شد.

کشش سطحی :

به دلیل نیروهای ربایشی که مولکول های سطح یک مایع به یکدیگر وارد می کنند سطح مایع شبیه یک پوستۀ تحت کشش رفتار می کند و کشش سطحی روی می‌دهد.

چرا قطره هایی که آزادانه سقوط می کنند تقریبا کروی هستند ؟

به ازای حجمی معین ، کره نسبت به هر شکل هندسی دیگری، کوچکترین مساحت را دارد. به این ترتیب سطح قطره‌ای که آزادانه سقوط می‌کند مانند یک پوسته کشیده شده ، تمایل به کمینه کردن مساحتش را دارد .

دگر چسبی : هنگامی که دو ماده مختلف در تماس با یکدیگر قرار می گیرند نیروی مولکولی مشابهی بین مولکول های آنها ظاهر می شود که به آن نیروی دگر چسبی می گوییم .

هم چسبی و دگر چسبی هر دو نیروهای بین مولکولی هستند. تفاوت آنها در این است که هم چسبی، جاذبۀ بین مولکلول های همسان و دگر چسبی جاذبۀ بین مولکول های ناهمسان است .

 

ترشوندگی :در تماس یک مایع با یک جامد، اگر دگر چسبیِ بین مولکول های مایع و جامد از هم چسبیِ بین مولکول های مایع بیشاتر باشد ، در این صورت می گوییم مایع ، سطح جامد را تر یا خیس کرده است .

در شکل می بینیم که سطح شیشیه با جیوه خیس نشده است و جیوه به شکل قطره روی سطح شیشه باقی مانده است (هر چه قطره بزرگ‌تر باشد نیروی گرانش زمین آن را تخت‌تر می کند).

نیروی هم چسبی بین مولکول های مواد (از جمله مایعات) به عواملی همچون میزان ناخالصی ، دما و برخی شرایط دیگر بستگی دارد مثلا در شکل می بینید که افزایش دما باعث کاهش نیروی هم چسبی مولکول های روغن شده و نسبت به روغن سردتر از خود بیشتر روی شیشه پخش می شود .

نیروی دگر چسبی نیز می تواند با تغییر برخی شرایط تغییر کند ، مثلا افزودن مقداری کمی مایع ظرفشویی به آب ، نیروی هم چسبی و دگر چسبی آن هم می شود .

لوله مویین : لوله هایی که قطر داخلی آنها حدود یک دهم میلی متر ( ) باشد معمولاً لوله مویین نامیده می شوند .

اثر موئینگی :

اگر چند لولۀ مویین شیشه ای و تمز را وارد یک ظرف آب کنیم ، آب در لوله های مویین بالا می رود و سطح آن بالاتر از سطح آب ظرف قرار می گیرد.

هر چه قطر لولۀ مویین کمتر باشد ارتفاع ستون آب در آن بیشتر است .

سطح آب در بالای لوله های مویین فرورفته است.

اگر آزمایش بالا را با جیوه انجام دهیم ، مشاهده می کنیم که جیوه در لوله های مویین مقداری بالا می رود ولی سطح آن پایین تر از سطح جیوه ظرف قرار می گیرد .

سطح جیوه در لوله های مویین برآمده است.

 

 

فشار در مواد جامد :    

فشار در شاره ها :

 

 

فهرست