تحقیق مقاله وسایل اندازه گیری در فیزیک

وسایل اندازه گیری در فیزیک

فیزیک و اندازه گیری

 در این فصل، به تشریح موضوع علم فیزیک می پردازیم. پس با زمینه هایی که فیزیک در آنها کاربرد دارد و شاخه های مختلف علم فیزیک آشنا می شویم. سرانجام به اهمیت اندازه گیری در فیزیک و کمیتهای اصلی و فرعی و کمیتهای نرده ای و بُرداری و عملیات جبری آنها می پردازیم.

 تاریخچه پیدایش و گسترش فیزیک

علم مطالعه حرکت، نیرو، انرژی و اثرات آنها بر ماده را علم فیزیک گویند. واژه فیزیک از واژه باستانی یونانی physis  به معنای طبیعت و ماهیت گرفته شده است. فیلسوفان آسیای صغیر، نخستین کسانی بودند که پرسشهایی درباره طبیعت و ماهیت بنیادی (physis) دنیای مادی مطرح ساختند (در سده هفتم قبل از میلاد مسیح).

 ارشمیدس بر روی مبحث ایستاشناسی (استاتیک) و هیدوراستاتیک کار کرد که به روشهای امروزی بسیار نزدیک بود. پس از ظهور و گسترش اسلام، دانشمندان کشورهای اسلامی از قبیل ابوریحان بیرونی، ابن هیثم، خواجه نصیرالدین طوسی و بسیاری دیگر، علم فیزیک را در زمینه های نجوم و اپتیک گسترش دادند.

گالیله دستگاههای ساده را با توجه به اصول «اندازه گیری تجربی» و «تجزیه ریاضی» توصیف کرد. گالیه نشان داد که قانونهای طبیعت از معادله های ریاضی ساده ای پیروی می کنند. از آن زمان تاکنون فیزیکدانان در جستجوی روابط ریاضی ای هستند که نتایج اندازه گیریها را به هم مربوط می کنند. مفاهیم اساسی در فیزیک بر حسب اندازه گیریها بیان می شوند و هدف هر نظریه فیزیکی بیان ارتباط نتیجه چند اندازه گیری به همدیگر است.

 ارکان علم فیزیک

روش فیزیک روش گالیله است که بعداً توسط فیوتون تکمیل شد. یعنی موضوع مورد نظر توسط تجربه (انجام آزمایش) و تجریه و تحلیل ریاضی بررسی می شود. برای انجام آزمایش در فیزیک ،معمولاً ابتدا یک رشته اندازه گیری انجام می شود. مجموعه فعالیتهای تجربی را مشاهده می گویند. نتیجه مشاهده ها و اندازه گیریها، شالوده کار دو مرحله تجزیه و تحلیل ریاضی را فراهم می سازد.

 فیزیکدانانی که بیشتر در زمینه طرح ریزی و انجام آزمایشها و جمع آوری اطلاعات از طریق اندازه گیری پژوهش می کنند فیزیکدانان تجربی هستند. مجموعه ای از مدلها و رابطه هایی که از طریق تجربه ها به دست می آیند، یک نظریه (تئوری) را می سازند. فیزیکدانانی که با تجریه و تحلیل داده های تجربی (مشاهده ها) نظریه می سازند. فیزیکدانان نظری یا نظریه پرداز هستند.

کاربردهای فیزیک

مطالعه هر بخش از جهان پیرامون ما بدون دانش فیزیک میسر نیست. شما با فراگیری فیزیک می آموزید که چگونه: مشاهده کنید، بررسی کنید، آزمایش کنید و نتایج آزمایشها را به صورت مناسب ثبت کنید. برای آموختن فیزیک باید با کسب مهارت ریاضی لازم بتوانید نتایج و مفاهیم را با جملات دقیق بیان کنید.

 شاخه های مختلف فیزیک شامل فیزیک ماده چگال، اختر فیزیک، فیزیک هسته ای، فیزیک اتمی و مولکولی و لیزر، فیزیک ذره های بنیادی، فیزیک بنیادی و ... می باشد. فیزیک در زمینه های زیادی از قبیل پزشکی، رایانه ای، هواشناسی، مواد، مخابرات، صنعت و ... کاربرد دارد.

 اندازه گیری

اهمیت اندازه گیری در فیزیک آنقدر زیاد است که می توان گفت «فیزیک علم اندازه گیری است.» دانشمندان برای آن که رقمهای حاصل از اندازه گیریهای مختلف یک کمیت با هم مقایسه پذیر باشند در نشستهای بین المللی توافق کرده اند که برای هر کمیت مکانی معین تعریف کنند.

یکای (واحد) هر کمیت باید به گونه ای باشد که در شرایط فیزیکی تعیین شده تغییر نکند و در دسترس باشد. مجموعه یکاهای مورد توافق بین المللی را به اختصار یکاهای SI می نامند.

 یکاهای اصلی و فرعی

بعضی کمیتهای اصلی فیزیک عبارتند از طول، جرم و زمان و یکاهای اصلی، یکاهای این کمیتهای اصلی اند.

یکاهای اصلی

کمیتهای اصلی

(M) متر

طول

(Kg) کیلوگرم

جرم

(s) ثانیه

زمان

کمیتهای فرعی مثل مساحت، حجم، سرعت و ... با استفاده یا رابطه هایی با کمیتهای اصلی به دست می آیند. یکای کمیتهای فرعی هم با استفاده از این روابط تعریف می شود. مثلاً مسافت که از حاصل ضرب دو طول به دست می آید m2  = m×m (متر مربع) می باشد.

 یکای مناسب برای کمیتهای خیلی بزرگ یا خیلی کوچک

یکاهای کوچکتر و یا بزرگتر را توسط پیشوندی که به یکای مربوط اضافه می شود.

 را به صد قسمت مساوی تقسیم کنیم هر قسمت یک سانتیمتر است. جدول زیر مربوط به این پیشوندها است.

پیشوند

مضرب

نماد

پیشوند

مضرب

نماد

دسی

1/10 = 10-1

d

دکا

10

da

سانتی

1/100 = 10-2

c

هکتو

100

h

میلی

1/1000 = 10-3

m

کیلو

1000

k

میکرو

1/106  = 10-6

m

مگا

106

M

نانو

1/109=10-9

n

گیگا

109

G

پیکو

1/1012 =10-12

p

ترا

1012

T

نماد گذاری علمی

در نماد گذاری علمی هر مقدار را به صورت حاصل ضرب عددی بین ۱ و ۱۰ و توان صحیحی از ۱۰ می نویسند. مثال:

106 × 63/5= 5630000

%820 = 8/2 * 10-2

 وسایل اندازه گیری

وسایل اندازه گیری با توجه به کمیت مورد اندازه گیری انتخاب و طراحی می شوند. مثلاً برای اندازه گیری طول و عرض یک اتاق از متر نواری و برای اندازه گیری طول و عرض یک کتاب از یک خط کش استفاده می شود. برای اندازه گیری جرم جسم از ترازو، برای اندازه گیری زمان از ساعت و برای اندازه گیری حجم مایعها از پیمانه ها یا ظرفهای مدرج استفاده می شود.

 دقت اندازه گیری

کمترین مقداری را که یک وسیله می تواند اندازه بگیرد دقت اندازه گیری با آن وسیله می نامند. به عنوان مثال دقت اندازه گیری یک خط کش معمولی در حد میلی متر است و برای اندازه گیری طول کمتر از میلی متر باید از وسیله ای که دقت آن بیشتر باشد مثل کولین یا ریز سنج استفاده کرد.

 کمیتهای فیزیکی

کمیتهای فیزیکی دو دسته اند: نرده ای و برداری

کمیتهای نرده ای: این کمیتها با معلوم شدن مقدارشان معرفی و مشخص می شوند مثل حجم سطح، جرم، زمان، طول، انرژی، چگالی و ... این کمیتها از قاعده های متداول در حساب پیروی می کنند.

 کمیتهای برداری: این کمیتها علاوه بر بزرگی (مقدار)، جهت (راستا و سو) دارند و از قاعده جمع برداری پیروی می کنند.

بردارهایی که اندازه جهت آنها یکسان است و راستاهای موازی دارند و بردارهای هم سنگ یا مساوی گویند.

 جابه جایی:

جابه جایی یک جسم، پاره خط جهت داری است که ابتدای آن مکان آغازی و انتهای آن مکان پایانی جسم و طول آن مقدار تغییر مکان است. دو جابه جایی را وقتی برابر می گویند که به یک اندازه و در یک جهت (هم راستا و هم سو) باشند.

قبل از همه لازمه برا یادآوری کمی در مورد استاندارد زمان(مقیاس اندازه گیری یکای زمان) توضیح بدم

اندازه گیری زمان دو جنبه دارد .یکی برای کارهای روزمره ودیگری برای مقاصد علمی .ما میخواهیم وقت را بدانیم تا ترتیب زمانی رویدادها را مشخص کنیم .در بیشتر کارهای علمی می خواهیم بدانیم که یک رویداد چه مدت طول میکشد هر پدیده تکرار شونده را می توان به عنوان معیار زمان به کار برد .در اینصورت اندازه گیری زمان همان شمارش تعداد دفعات تکرار است .برای این کار میتوان از یک آونگ در حال نوسان، یک دستگاه جرم وفنر، یا یک بلور کوارتز استفاده کرد.

از میان پدیده های تکراری بیشمار طبیعت زمان گردش زمین به دور محورش که برابر یک شبانه روز است از قرنها پیش به عنوان استاندارد زمان به کار رفته است .هنوز هم در کارهای روز مره مبنای استاندارد زمان یک ثانیه است که به صورت 86400/1 برابر شبانه روز تعریف میشود .زمانی که بر اساس چرخش زمین تعریف میشود به زمان جهانی معروف است .

زمان جهانی باید با مشاهدات نجومی که چندین هفته طول میکشد اندازه گیری شود .بنابراین ما به یک ساعت زمینی خوب که با مشاهدات نجومی تنظیم شده باشد نیاز داریم . ساعتهای بلور کوارتز که بر اساس تداوم ارتعاشات بلور کوارتز به طریق الکتریکی کار میکنند استاندارد ثانوی خوبی برای سنجش زمان به شمار میروند .خطای بهترین نوع این ساعت ها 02/0 ثانیه در سال بوده است .
رایجترین مورد استفاده ی استاندارد زمان اندازه گیری بسامد است .در گسترۀ امواج رادیویی سنجش بسامد با ساعت کوارتز الکترونیکی که دقت آن دست کم یک در 10^10 است انجام میشود و ما بیشتر اوقات به چنین دقتی نیاز داریم .اما این دقت تقریبا 100 برابر بیشتر ازدقتی است که با آن می توان خود ساعت کوارتز را به کمک مشاهدات نجومی تنظیم کرد

در مواردی که استاندارد بهتری برای سنجش زمان ضرورت دارد از ساعت اتمی استفاده میشود

نوعی ساعت اتمی که بر اساس بسامد مشخصه ایزوتوپ سزیوم، Cs 133 ، کار میکند(همونطور که میدونید بسامد تعداد دور بر زمان هست) از سال 1955 به بعد در آزمایشگاه ملی استانداردهای ملی فیزیک در انگلستان به طور پیوسته مشغول به کار است .(البته باید بگم طول این ساعت حدود 3 ، 4 متر وعرض یکی دو متر است

در سال 1967 در سیزدهمین مجمع عمومی اوزان و مقیاسها ثانیه ای که بر اساس ساعت سزیوم تعریف شده بود ،به عنوان استاندارد بین المللی پذیرفته پذیرفته شد این ثانیه به صورت 9192631770 برابر دوره تناوب گذار خاصی از ، Cs 133 ، تعریف شد .خوب همونطور که میبینید این شیوه اندازه گیری و این تعریف از ثانیه چقدر اندازه گیری زمان های کوچک رو تسهیل میکنه .با انتخاب این استاندارد دقت اندازه گیری های زمان به یک در ده به توان 12 (12^10)افزایش یافت ، که در حدود 3^10 بار بیشتر از دقت مربوط به روشهای نجومی است .اگر دو ساعت سزیومی با این دقت کار کنند و هیچ عامل خطای دیگری وجود نداشته باشد ، این دو ساعت بعد از گذشت 6000 سال بیش از یک ثانیه با هم اختلاف نخواهند داشت

در حال حاضر ساعت های اتمی بهتری نیز در دست مطالعه قرار دارند .
به موارد زیر که اخیرا انجام شده اند توجه کنید

روشهای جدید برای اندازه گیری دقیق زمان کسانی که فکر می کنند «نانو» نمادی از کوچک ترین هاست باید در عقاید خود تجدیدنظر کنند. نانوی هر کمیتی یک میلیاردم همان کمیت است. اما اخیراً دو موضوع جدید پژوهشی به اندازه گیری کمیت ها در حد آتو (یک میلیاردم نانو) اختصاص یافته است.فرانس کراوس (F.Krausz) از دانشگاه فناوری وین و همکارانش به اندازه گیری زمان در حد آتوثانیه روی آوردند. این پژوهشگران اخیراً مقاله ای در مجله نیچر (Nature) به چاپ رسانده اند و در آن به تشریح نحوه اندازه گیری کوتاه ترین فاصله زمانی ثبت شده که فقط ۱۰۰ آتوثانیه است، پرداختند.در عین حال، هارولد کرایگهید (H.Craighead) و همکارانش در دانشگاه کورنل واقع در آن سوی اقیانوس اطلس مجموعه ای از ترازوها را ابداع کردند که نسبت به کسری از یک نانو ثانیه نیز حساس است. نتیجه فعالیت این پژوهشگران در شماره آینده نشریه اپلاید فیزیکس (Applied Physics) منتشر می شود. دستاوردهای دکتر کراوس محصول فرعی بررسی های او در مورد اربیتال های الکترونی موجود در اطراف هسته های اتمی است.تئوری های کوانتومی پیشگویی های دقیقی در مورد انرژی این اربیتال های اتمی انجام می دهد و دکتر کراوس سرگرم بازنگری در مورد صحت این پیشگویی ها است و در نتیجه این پژوهش ها مشخص شد که پیشگویی ها صحت دارد.وی برای اندازه گیری انرژی این اربیتال ها از دو پالس نورلیزر متوالی که طول عمر هر کدام ۲۵۰ آتوثانیه بود، استفاده کرد. اولین پالس نور که به اربیتال ها برخورد کرد، باعث شد که الکترون ها از اربیتال جدا شود. پالس دوم نور این الکترون های جدا شده را متفرق ساخت.پدیده تفرق باعث شد که اندازه حرکت الکترون های تفرق یافته تغییر کند که این تغییر در اندازه حرکت به اربیتال الکترونی