فيزيک و اندازه گيري

فيزيک و اندازه گيري

 در اين فصل، به تشريح موضوع علم فيزيک مي پردازيم. پس با زمينه هايي که فيزيک در آنها کاربرد دارد و شاخه هاي مختلف علم فيزيک آشنا مي شويم. سرانجام به اهميت اندازه گيري در فيزيک و کميتهاي اصلي و فرعي و کميتهاي نرده اي و بُرداري و عمليات جبري آنها مي پردازيم.

تاريخچه پيدايش و گسترش فيزيک

علم مطالعه حرکت، نيرو، انرژي و اثرات آنها بر ماده را علم فيزيک گويند. واژه فيزيک از واژه باستاني يوناني physis  به معناي طبيعت و ماهيت گرفته شده است. فيلسوفان آسياي صغير، نخستين کساني بودند که پرسشهايي درباره طبيعت و ماهيت بنيادي (physis) دنياي مادي مطرح ساختند (در سده هفتم قبل از ميلاد مسيح).

 ارشميدس بر روي مبحث ايستاشناسي (استاتيک) و هيدوراستاتيک کار کرد که به روشهاي امروزي بسيار نزديک بود. پس از ظهور و گسترش اسلام، دانشمندان کشورهاي اسلامي از قبيل ابوريحان بيروني، ابن هيثم، خواجه نصيرالدين طوسي و بسياري ديگر، علم فيزيک را در زمينه هاي نجوم و اپتيک گسترش دادند.

گاليله دستگاههاي ساده را با توجه به اصول «اندازه گيري تجربي» و «تجزيه رياضي» توصيف کرد. گاليه نشان داد که قانونهاي طبيعت از معادله هاي رياضي ساده اي پيروي مي کنند. از آن زمان تاکنون فيزيکدانان در جستجوي روابط رياضي اي هستند که نتايج اندازه گيريها را به هم مربوط مي کنند. مفاهيم اساسي در فيزيک بر حسب اندازه گيريها بيان مي شوند و هدف هر نظريه فيزيکي بيان ارتباط نتيجه چند اندازه گيري به همديگر است.

ارکان علم فيزيک

روش فيزيک روش گاليله است که بعداً توسط فيوتون تکميل شد. يعني موضوع مورد نظر توسط تجربه (انجام آزمايش) و تجريه و تحليل رياضي بررسي مي شود. براي انجام آزمايش در فيزيک ،معمولاً ابتدا يک رشته اندازه گيري انجام مي شود. مجموعه فعاليتهاي تجربي را مشاهده مي گويند. نتيجه مشاهده ها و اندازه گيريها، شالوده کار دو مرحله تجزيه و تحليل رياضي را فراهم مي سازد.

 فيزيکداناني که بيشتر در زمينه طرح ريزي و انجام آزمايشها و جمع آوري اطلاعات از طريق اندازه گيري پژوهش مي کنند فيزيکدانان تجربي هستند. مجموعه اي از مدلها و رابطه هايي که از طريق تجربه ها به دست مي آيند، يک نظريه (تئوري) را مي سازند. فيزيکداناني که با تجريه و تحليل داده هاي تجربي (مشاهده ها) نظريه مي سازند. فيزيکدانان نظري يا نظريه پرداز هستند.

 کاربردهاي فيزيک

مطالعه هر بخش از جهان پيرامون ما بدون دانش فيزيک ميسر نيست. شما با فراگيري فيزيک مي آموزيد که چگونه: مشاهده کنيد، بررسي کنيد، آزمايش کنيد و نتايج آزمايشها را به صورت مناسب ثبت کنيد. براي آموختن فيزيک بايد با کسب مهارت رياضي لازم بتوانيد نتايج و مفاهيم را با جملات دقيق بيان کنيد.

شاخه هاي مختلف فيزيک شامل فيزيک ماده چگال، اختر فيزيک، فيزيک هسته اي، فيزيک اتمي و مولکولي و ليزر، فيزيک ذره هاي بنيادي، فيزيک بنيادي و ... مي باشد. فيزيک در زمينه هاي زيادي از قبيل پزشکي، رايانه اي، هواشناسي، مواد، مخابرات، صنعت و ... کاربرد دارد.

اندازه گيري

اهميت اندازه گيري در فيزيک آنقدر زياد است که مي توان گفت «فيزيک علم اندازه گيري است.» دانشمندان براي آن که رقمهاي حاصل از اندازه گيريهاي مختلف يک کميت با هم مقايسه پذير باشند در نشستهاي بين المللي توافق کرده اند که براي هر کميت مکاني معين تعريف کنند.

يکاي (واحد) هر کميت بايد به گونه اي باشد که در شرايط فيزيکي تعيين شده تغيير نکند و در دسترس باشد. مجموعه يکاهاي مورد توافق بين المللي را به اختصار يکاهاي SI مي نامند.

يکاهاي اصلي و فرعي

بعضي کميتهاي اصلي فيزيک عبارتند از طول، جرم و زمان و يکاهاي اصلي، يکاهاي اين کميتهاي اصلي اند.

کميتهاي فرعي مثل مساحت، حجم، سرعت و ... با استفاده يا رابطه هايي با کميتهاي اصلي به دست مي آيند. يکاي کميتهاي فرعي هم با استفاده از اين روابط تعريف مي شود. مثلاً مسافت که از حاصل ضرب دو طول به دست مي آيد m^{2  =} m×m (متر مربع) مي باشد.

 يکاي مناسب براي کميتهاي خيلي بزرگ يا خيلي کوچک

يکاهاي کوچکتر و يا بزرگتر را توسط پيشوندي که به يکاي مربوط اضافه مي شود.

 را به صد قسمت مساوي تقسيم کنيم هر قسمت يک سانتيمتر است. جدول زير مربوط به اين پيشوندها است.

نماد گذاري علمي

در نماد گذاري علمي هر مقدار را به صورت حاصل ضرب عددي بين ۱ و ۱۰ و توان صحيحي از ۱۰ مي نويسند. مثال:

10⁶ × 63/5= 5630000

%820 = 8/2 * 10^-2

وسايل اندازه گيري

وسايل اندازه گيري با توجه به کميت مورد اندازه گيري انتخاب و طراحي مي شوند. مثلاً براي اندازه گيري طول و عرض يک اتاق از متر نواري و براي اندازه گيري طول و عرض يک کتاب از يک خط کش استفاده مي شود. براي اندازه گيري جرم جسم از ترازو، براي اندازه گيري زمان از ساعت و براي اندازه گيري حجم مايعها از پيمانه ها يا ظرفهاي مدرج استفاده مي شود.

 دقت اندازه گيري

کمترين مقداري را که يک وسيله مي تواند اندازه بگيرد دقت اندازه گيري با آن وسيله مي نامند. به عنوان مثال دقت اندازه گيري يک خط کش معمولي در حد ميلي متر است و براي اندازه گيري طول کمتر از ميلي متر بايد از وسيله اي که دقت آن بيشتر باشد مثل کولين يا ريز سنج استفاده کرد.