فصل اول فیزیک دهم

فصل اول فیزیک دهم دبیرستان ،پایه و اساس فیزیک دورۀ دوم دبیرستان است و شاید با کمی اغراق پایۀ تمام علم مهندسی. در این فصل با مفاهیم اولیۀ کمیت و اندازه گیری و یکا آشنا می‌شوید ؛ کمیت های اصلی و فرعی ، کمیت های نرده ای و برداری و واحد اندازه هر یک را خواهید آموخت .

واحدهای اندازه گیریِ کمیت های اصلی و فرعی را خواهید آموخت و با تبدیل واحد به عنوان یکی از پایه ای ترین ابزار در محاسبات و بیان کوتاه تر واحدهای اندازه گیری آشنا می‌شوید . در انتها اولین تجربۀ محاسبات ریاضی در فیزیک را با مفهوم چگالی و تمرین های آن شروع خواهید کرد .

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 .

واحد اندازه گیری ، کمیت های اصلی را ، واحدهای اصلی می‌گویند .

نام کمیت	نماد کمیت	یکا (واحد) اندازه گیری	نماد یکا
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
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 .

جرم :

زمان :

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 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 :

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) :

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 .