دانلود مقاله کمیتهای فیزیک

کمیتهای فیزیکی ، استانداردها ، ویکاها :
واحدهای ساختاری فیزیک ، همین کمیتهایی هستند که برای بیان قوانین این علم به کار می روند : طول ، جرم ، زمان ، نیرو ، سرعت ، چگالی ، مقاومت ویژه ، دما ، شدت روشنایی ، شدت میدان مغناطیسی ، و بسیاری کمیتهای دیگر .

خیلی از این واژه ها ، مثل طول و نیرو ، در شمار واژههای روزمره اند .

مثلاً ممکن است گفته شود : “ او در طول زندگیش فشار زیادی را تحمل کرده است.” اما در فیزیک نباید گول معنی روزمره این واژ ها را خورد .

تعریف علمی دقیق طول و فشار ، هیچ ربطی به معنی این دو واژه در جمله بالا ندارد .

خیلی از کمیتهای پیچیده تر را می توان بر حسب این کمیتهای پایه بیان کرد .

مثلاً ، تا مدتها دفت اندازه گیری طول و زمان از خیلی از کمیتهای فیزیکی دیگر بیشتر بود و این دو کمیت را عموماً برای تعیین استاندارد به کار می برند .

دقت اندازه گیری سرعت کمتر بود ، و بنابراین به عنوان کمیتی مشتق ( زمان /طول = سرعت ) در نظر گرفته می شد .

اما امروزه دقت سنجش سرعت نور ، بیش از دقت استاندارد پیشین طول است ؛ البته هنوز هم طول را کمیتی بنیادی می دانیم ، اما استاندارد آن را از استاندارد سرعت و زمان به دست به دست می آوریم .

سیستم بین المللی یکاها :
کنفرانس عمومی اوزون و مقیاسها ؟

در طی مذاکرات سالهای 1954 تا 1971 هفت کمیت را به عنوان کمیتهای اصلی انتخاب کرده است .

سیستم بین المللی یکاها ، SI ، مبتنی بر همین کمیتهاست ، که فهرست از آنها در جدول 1 آماده است .

در این کتاب با بسیاری از یکاهای فرعی SI مثل یکای سرعت ، نیرو ، و مقاومت الکتریکی سرورکار خواهیم داشت .

این یکاها از یکاهای جدول 1 مشتق می شوند .

مثلاً یکای نیروی نیوتن (N ) است .

این یکا ، برحسب یکاهای اصلی SI ، به صورت تعریف می شود .

اگر بخواهیم کمیتهای مثل توان یک نیروگاه ، یا زمان بین دو رویداد هسته ای را بر حسب یکاهای SI بیان کنیم ، با عددی بسیار بزرگ ، یا بسیار کوچک ، مواجه می شویم .

برای ساده شدن بیان چنین کمیتهایی ، کنفرانس عمومی اوزان و مقیاسها طی مذاکرات سالهای 1960تا 1975 خود توصیه کرد که از پیشوندهایی که در جدوا 2 آمده است استفاده شود .

به این ترتیب ،‌می توانیم توان خروجی یک نیروگاه معمولی برق ، را وات ، را به صورت 3/1 گیگاوات یا GM 3 را بیان کنیم .

همچنین ، یک بازه زمانی معمول در فیزیک هسته ای ، مثل ثانیه ، را می شود به صورت 35ر2 نانوثتنیه یا ns35ر2 نوشت .

پیشوندهای مربوط به ضریبهای بزرگ تر از یک ، ریشه یونانی دارند و پیشوندهای مربوط به ضریبهای کوچکتر از یک ، ریشه لاتین ( جز فمتو و آتو ، که ریشه دانمارکی دارند ) .

در کنار SI ، دو سیستم هم دیگر هم برای یکاها داریم .یکی سیستم گاؤسی است که در خیلی از منابع فیزیک مورد استفاده است .

این سیستم را در این کتاب به کار نخواهیم برد .

ضرایب تبدیل یکاهای این سیستم به سیستم SI ، در پیوست ز آمده است .

سیستم دیگر ، سیستم بریتانیایی است ،‌که هنوز هم در بعضی کشورها و از جمله در ایالات متحد امریکا کاربردهای روزمره دارد .

کمیتها و یکاهای اصلی میکانیک در این سیستم ، طول ( فوت ) ، نیرو ( پاوند ) ، و زمان ( ثانیه ) اند .

ضرب تبدیل این یکاها به یکاهای SI هم در پیوست ز آمده است .

ما در این کتاب عموماً یکاهای SI را به کار برده ایم ( و در بعضی موارد به معادله های بریتانیایی آنها هم اشاره کرده ایم ) .

تنها در سه کشور ( میانمار ، لیبریا ، و ایالات متحد امریکا ) است که استانداردهای ملی اندازه گری مبتنی بر سیستمی جز SI اند .

مثال 1.

هر کمیت فیزیکی را می شود در 1 ضرب کرد ( چون مقدارش را تغییر نمی دهد ) .

مثلاً s 60=min 1 است ، پس از min1 /s60=1؛به همین ترتیب ، in 12=ft1،پس in12/ft1=1 است .

با استفاده از ضرایب تبدیل مناسب ‌، ( الف ) سرعت 55 مایل بر ساعت را برحسب متر بر ثانیه ، و ( ب ) حجم مخزنی را که 16 گالن بنزین می گیرد بر حسب سانتی متر مکعی به دست بیاورید .

حل : ( الف ) برای ضرایب تبدیل ، به روابط m 1609=mi1/m1609=1)و s3600/ h=1)نیاز داریم ( نگاه کنید به پیوست ز) .

به این ترتیب :
سرعت
( ب ) یک گالن مایع 231 اینچ مکعب ، و cm 54ر2=in1 است .

پس
حجم
توجه کنیدد که در این دو محاسبه ، ضرایب تبدیل را چنان به کار برده ایم که یکاهای ناخواسته در صورت یک کسر و مخرج کسر دیگر ظاهر شوند ، و یکدیگر را حذف کنند .

جدول 1.

یکاهای اصلی SI استاندارد زمان : سنجش زمان دو جنبه دارد .

برای امور رزمره ، و برای بعضی از مقاصد علمی ، لازم است بدانیم چه وقت از روز است تا بتوانیم ترتیب وقایع را تعیین کنیم .

در بسیاری از کارهای علمی ، می خواهیم بدانیم که فلان رویداد چقدر طول می کشد ( بازه زمانی چقدر است ) .

پس هر استاندارد زمانی باید بتواند به این دو پرسش پاسخ بدهد .

“ فلان رویداد در چه زمانی وقوع یافته ؟

” و “چقدر طول کشیده است ؟

” جدول سه گستره بازه های زمانی سنجش پذیر را نشان می دهد .

نسبت حدود بالا و پایین این گستره از مرتبه است .

هر پدیده تکرار شونده ای را می شود به عنوان مقیاس زمان به کار برد .

برای سنجش زمان با چنین پدیده ای ، عده تکرارهای پدیده را ( به اضافه کسری از یک دور در صورت لزوم ) می شماریم .

به این منظور می توانیم مثلاً از آونگ ، سیستم جرم ـ فنر ، یا بلور کوارتز استفاده کنیم .

قرنهای متمادی پدیده تکرار شونده چرخش زمین حولمحور خودش ، که مدت روز را تعیین می کند ، به عنوان مقیاس زمان به کار می رفت .

بعدها یک ثانیه ( میانگی خورشیدی ) برابر با 86400/1 روز ( میانگین خورشیدی ) تعریف شد .

وساعتهای بلوارتز ، که بر اساس اباقی الکتریکی ارتعاشات دوره ای بلور کلوارتز کار می کنند ، به عنوان استاندارد ثانویه زمان به کار می روند .

ساعت کوارتز را می شود با استفاده از رصدهای نجومی ، برحسب چرخش زمین مدرج کرد و برای سنجش زمان در آزمایشگاه به کار برد .

خطای انباشته بهترین این ساعتها ، در طول سال ، حداکثر 5 بوده است .

اما حتی این دقت هم برای علوم و تکنولوژی جدید کافی نیست .

برای دستیابی به استاندارد زمانی بهتر ، ساعتهای اتمی در چندین کشور ساخته شده است .

کار این ساعت ، بر اساس بسامد مشخصه تابش میکروموجی است که از اتمهای عنصر سزیم گسیل می شود.این ساعت ، که در مؤسسه ملی استانداردها و تکنولوژی در ایالات متحد امریکا نگهداری می شود ، مبنای تعیین زمان جهانی هماهنگ (UTC) در این کشور است .

جدول 3.

مقادیر اندازه گیری شده چندبازه زمانی پس ببینید که دوره تناوب چرخش زمین ، برای کار دقیق ، چه استاندارد ضعیفی برای زمان است .

تغییراتی را که در شکل2 می بینیم می شود به اثرهای کشندی [ جزر و مدی ] ماه ، و تغییرات فصلی بادهای جوی زمین نسبت داد .

در سیزدهمین کنفرانس عمو می اوزان و مقیاسها در سال 1967 ، ثانیه ساعت سزیم به عنوان استاندارد جهانی زمان پذیرفته شد .

تعریف این ثانیه : یک ثانیه برابر است با مدت 9192631770 ارتعاش تابشی ( با طول موج خاص) که از اتم سزیم گسیل می شود .

دو تا ساعت جدید سزیم ، طی 300000 سال حداکثر ممکن است S 1 با هم اختلاف پیدا کنند .

ساعتهای میزر هیدروژن به دقت باورنکردنی S1 در 30000000 سال رسیده اند .

ساعتهایی که مبتنی بر یک تک اتم محبوس باشند شاید بتوانند این دقت را به اندازه 3 مرتبه بزرگی زیاد کنند .

شکل 3 پیشرفت چشمگیر زمان سنجی را طی حدود 300 سال نشان می دهد .

این تاریخچه ، با سرعت آونگی آغاز می شود ، که کریستین هویگنس آن را در سال 1656 اختراع کرد ، و با سرعتهای میزر هیدروژن مروزی به پایان می رسد .

استاندارد طول : اولین استاندارد بین المللی طول ، میله ای از جنس آلیاژ پلاتین ـ ایریدیم ، به نام متر استاندارد ، بود که که در اداره بین المللی اوزان و مقیاسها ، در نزدیکی پاریس ، نگهداری می شد .

یک متر ، طبق تعریف ، برابر بود با فاصله بین دو شیار باریک که نزدیک دو انتهای میله حک شده بود ؛ در شرایطی که میله در دمای صفر درجه کلاسیوس ( سانتی گراد ) ، و در وضعیت مکانیکی معینی قرار داشت .

به ملاحظات تاریخی قرار بود این متر برابر با یک ده میلیونیم فاصله قطب شمال تا استوا ، روی نصف النهاری که از پاریس می گذرد ، باشد.

اما اندازه گیری دقیق نشان داد که طول میله ای متر استاندارد ، کمی ( در حدود023ر0 درصد ) با این مقدار تفاوت دارد .

از آنجا که متر استاندارد ، چندان در دسترس نیست ، بدلهای دقیقی از روی آن ساخته شد و به عنوان نمونه های اصلی در اختیار مؤسسات وآزمایشگاههای استانداردها در سراسر دنیا قرار گرفت .

از این استانداردهای ثانویه ، برای مدرج کردن میله های سنجش ، که از استانداردهای ثانویه هم قابل وصول تر بودند ، استفاده می شود .

بنابراین ، تا همین اواخر ، مأخذ همه وسایل و میله های سنجش طول ـ که طی مقایسه های پیچیده ای به کمک میکروسکوپ و ابزارهای تقسیم کننده تولید می شدند ـ متر استاندارد بود .

دقت فرآیندهای مقایسه خراشهای روی میله به وسیله ای میکروسکوپ ، دیگر برای تکنولوژی و علوم جدید کافی نیست .

در سال 1893 ، آلربرت مایلکسون ،فیزیکدان آمریکایی ، متر استاندارد را با طول موج نور سرخی که از اتم کادمیم گسیل می شود مقایسه کرد وبه این وسیله استانداردی دقیقتر و قابل وصول تر بدست آورد .

مایکلسون طول میله متر را به دقت اندازه گرفت و دریافت که متر استاندارد ، 5ر1553163 برابر این طول موج است .

در هر آزمایشگاهی ، به راحتی می شد لامپ کادمیم مشابهی تهیه کرد .

به این ترتیب ، مایکلسون روشی یافت که دانشمند سراسر جهان نتوانستند با آن استاندارد دقیقی داشته باشند ، بی آنکه به میله ای متر استاندارد رجوع کنند .

با وجود این پیشرفت تکنولوژیکی ، میله فلزی تا سال 1960 همچنان استاندارد رسمی طول بود ، تا آنکه در این سال ، در یازدهمین کنفرانس عمومی اوزان و مقیاسهای ، یک استاندارد اتمی برای متر پذیرفته شد .

ایت استاندارد ، عبارت است از طول موج ( در خلاء ) نور سرخ ـ نارنجی معینی که از یک ایزوتوپ خواست کریپتون ، یک در Kr 86 ، در شرایط تخلیه الکتریکی گسیل می شود .

به طور مشخص ، یک متر برابر با 73 ر 1650763 طول موج این نور تعریف شد .

با فراهم شدن امکان اندازه گیری طولهای به اندازه ای کسری از طول موج ، دانشمندان با این استاندارد جدید می توانستند طول ها را با خطای کمتر از 1 در با هم مقایسه کنند .

انتخاب استاندارد اتمی ، علاوه بر افزایش دقت سنجش طول ، مزایای دیگری هم دارد .

اتم های Kr 86 همه جا پیدا می شوند ، همسان اند و نوری با طول موج یکسان گسیل می کنند ، طول موج خاصی که انتخاب شده است ، مشخصه انحصاری Kr 86 ، و بسیار تیز و مشخص است .

این ایزوتوپ را می شود به آسانی در شکل خالص اش فراهم کرد .

تا سال 1983 ، دقت های مورد نیاز به حدی رسید که دیگر استاندارد K r 86 هم نمی توانست پاسخگویی آن باشد .

در این سال ، گام متهورانه ای برداشته شد .

تعریف متر عوض شد ؛ طبق تعریف جدید ، متر فاصله ای است که نور در بازه زمانی مشخصی می پیماید .

به بیان هفدهمین کنفرانس عمومی اوزان مقیاس ها : متر طول راهی است که نور در خلاء در بازه زمانی 299792458/1 ثانیه می پیماید .

این ، معادل آن است که بگوییم سرعت نور ، C ، اکنون طبق تعریف برابر است با (دقیقاً) m/s 299792458=c این تعریف جدید