ما هي وحدات القياس في الفيزياء؟
الفيزياء موجودة في كل شيء حولنا، وهي تقيس كل شيء في هذا الكون الواسع من شحنة الإلكترون في الذرة إلى قطر المجرات الواسعة، فما هي وحدات القياس في الفيزياء؟
إن نطاق الأشياء والظواهر التي تدرسها الفيزياء هائل. فمن العمر القصير للغاية لنواة إلى عمر الأرض، ومن الأحجام الضئيلة للجسيمات دون النووية إلى المسافة الشاسعة إلى حواف الكون المعروف، ومن القوة التي تمارسها البراغيث القافزة إلى القوة بين الأرض والشمس، هناك ما يكفي من عوامل العدد 10 لتحدي خيال حتى أكثر العلماء خبرة.
إن إعطاء قيم عددية للكميات الفيزيائية ومعادلات للمبادئ الفيزيائية يسمح لنا بفهم الطبيعة بشكل أعمق بكثير مما يفعله الوصف النوعي وحده. لفهم هذه النطاقات الشاسعة، يجب أن يكون لدينا أيضًا وحدات مقبولة للتعبير عنها.
وسوف نجد أنه (حتى في المناقشة للأمتار والكيلوجرامات والثواني) تظهر بساطة عميقة للطبيعة – يمكن التعبير عن جميع الكميات الفيزيائية كمجموعات من أربع كميات فيزيائية أساسية فقط: الطول والكتلة والزمن والتيار الكهربائي.
الكميات الفيزيائية
نحن نعرف الكمية الفيزيائية إما بتحديد كيفية قياسها أو ببيان كيفية حسابها من قياسات أخرى. على سبيل المثال، نُعرِّف المسافة والزمن بتحديد طرق قياسهما، بينما نُعرِّف السرعة المتوسطة بالقول إنها تُحسَب على أنها المسافة المقطوعة مقسومة على زمن السفر.
يتم التعبير عن قياسات الكميات الفيزيائية من حيث الوحدات، وهي قيم موحدة. على سبيل المثال، يمكن التعبير عن طول السباق، وهو كمية فيزيائية، بوحدات الأمتار (بالنسبة للعدائين) أو الكيلومترات (بالنسبة للعدائين لمسافات طويلة). وبدون وحدات موحدة، سيكون من الصعب للغاية على العلماء التعبير عن القيم المقاسة ومقارنتها بطريقة ذات معنى.
أنظمة القياس في الفيزياء
هناك نظامان رئيسيان للوحدات المستخدمة في العالم:
- وحدات النظام الدولي للوحدات (المعروفة أيضًا باسم النظام المتري SI).
- الوحدات الإنجليزية (المعروفة أيضًا باسم النظام العرفي أو الإمبراطوري Imperial).
كانت الوحدات الإنجليزية تُستخدم تاريخيًا في الدول التي كانت تحكمها الإمبراطورية البريطانية ذات يوم ولا تزال تستخدم على نطاق واسع في الولايات المتحدة.
تستخدم كل دولة أخرى تقريبًا في العالم الآن وحدات النظام الدولي للوحدات كمعيار. كما أن النظام المتري هو النظام القياسي المتفق عليه من قبل العلماء والرياضيين. يشتق الاختصار “SI” من النظام الفرنسي Système International.
وحدات النظام الدولي للوحدات SI: الوحدات الأساسية والمشتقة
يوضح الجدول أدناه وحدات النظام الدولي للوحدات الأساسية المستخدمة في هذه المقالة. يستخدم هذا النص وحدات غير تابعة للنظام الدولي للوحدات في عدد قليل من التطبيقات حيث تستخدم بشكل شائع جدًا، مثل قياس ضغط الدم بالملليمتر من الزئبق (مم زئبق).
كلما تمت مناقشة وحدات غير تابعة للنظام الدولي للوحدات، فسيتم ربطها بوحدات النظام الدولي للوحدات من خلال التحويلات.
- الطول: متر (م)
- الكتلة: كيلوجرام (كجم)
- الزمن: ثانية (ثانية)
- التيار الكهربائي: أمبير (أمبير)
من الحقائق المثيرة للاهتمام أن بعض الكميات الفيزيائية أكثر جوهرية من غيرها وأن الكميات الفيزيائية الأكثر جوهرية لا يمكن تعريفها إلا من حيث الإجراء المستخدم لقياسها.
وبالتالي تسمى الوحدات التي يتم قياسها بها وحدات أساسية. في هذا الكتاب المدرسي، تعتبر الكميات الفيزيائية الأساسية هي الطول والكتلة والزمن والتيار الكهربائي. (لاحظ أن التيار الكهربائي لن يتم تقديمه إلا في وقت لاحق من هذا النص).
يمكن التعبير عن جميع الكميات الفيزيائية الأخرى، مثل القوة والشحنة الكهربائية، على هيئة مجموعات جبرية من الطول والكتلة والزمن والتيار (على سبيل المثال، السرعة هي الطول مقسومًا على الزمن)؛ تسمى هذه الوحدات وحدات مشتقة.
وحدات الزمن والطول والكتلة: الثانية والمتر والكيلوجرام
فيما يلي شرح لوحدات القياس في الفيزياء الأساسية:
الثانية Second
تتمتع وحدة قياس الزمن في النظام الدولي للوحدات، الثانية (ث) (Second المختصرة s)، بتاريخ طويل. فقد تم تعريفها لسنوات عديدة بأنها 1/86400 من متوسط اليوم الشمسي.
ومؤخرًا، تم اعتماد معيار جديد لتحقيق قدر أكبر من الدقة وتعريف الثانية من حيث ظاهرة فيزيائية غير متغيرة أو ثابتة (لأن اليوم الشمسي أصبح أطول بسبب التباطؤ التدريجي للغاية لدوران الأرض).
ويمكن جعل ذرات السيزيوم تهتز بطريقة ثابتة للغاية، ويمكن ملاحظة هذه الاهتزازات وحسابها بسهولة. وفي عام 1967، أعيد تعريف الثانية على أنها الوقت المطلوب لـ 9,192,631,770 من هذه الاهتزازات.
الدقة في الوحدات الأساسية ضرورية، لأن جميع القياسات يتم التعبير عنها في النهاية من حيث الوحدات الأساسية ولا يمكن أن تكون أكثر دقة من وحدات القياس في الفيزياء الأساسية نفسها.
المتر Meter
وحدة الطول في النظام الدولي للوحدات هي المتر (م) (Meter يختصر بـ m)؛ وقد تغير تعريفه أيضًا بمرور الوقت ليصبح أكثر دقة.
تم تعريف المتر لأول مرة في عام 1791 على أنه 1/10,000,000 من المسافة من خط الاستواء إلى القطب الشمالي. تم تحسين هذا القياس في عام 1889 بإعادة تعريف المتر ليكون المسافة بين خطين محفورين على قضيب من البلاتين والإيريديوم يتم الاحتفاظ به الآن بالقرب من باريس.
بحلول عام 1960، أصبح من الممكن تعريف المتر بدقة أكبر من حيث الطول الموجي للضوء. لذلك تم إعادة تعريفه مرة أخرى على أنه 1,650,763.73 طول موجي للضوء البرتقالي المنبعث من ذرات الكريبتون.
في عام 1983، تم إعطاء المتر تعريفه الحالي (جزئيًا لمزيد من الدقة) على أنه المسافة التي يقطعها الضوء في الفراغ في 1/299,792,458 من الثانية.
يحدد هذا التغيير سرعة الضوء على أنها 299,792,458 مترًا في الثانية بالضبط. سيتغير طول المتر إذا تم قياس سرعة الضوء يومًا ما بدقة أكبر.
الكيلوجرام Kilogram
وحدة قياس الكتلة في النظام الدولي للوحدات هي الكيلوجرام (كغ) (Kilogram اختصارًا kg)؛ وهي تعرف بأنها كتلة أسطوانة من البلاتين والإيريديوم محفوظة وفقًا لمقياس المتر القديم في المكتب الدولي للأوزان والمقاييس بالقرب من باريس.
كما يتم الاحتفاظ بنسخ طبق الأصل من الكيلوجرام القياسي في المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا في الولايات المتحدة، أو NIST، الواقع في جايثرسبيرج بولاية ماريلاند خارج واشنطن العاصمة، وفي أماكن أخرى حول العالم.
يمكن تتبع تحديد جميع الكتل الأخرى في النهاية إلى المقارنة بالكتلة القياسية.
إقرأ أيضاً… تعريف وحدة القياس (باسكال).
البادئات المترية
وحدات النظام الدولي للوحدات هي جزء من النظام المتري. والنظام المتري مناسب للحسابات العلمية والهندسية لأن الوحدات مصنفة حسب عوامل 10.
تتمتع الأنظمة المترية بميزة أن تحويلات الوحدات تنطوي فقط على قوى 10. فهناك 100 سنتيمتر في المتر، و1000 متر في الكيلومتر، وهكذا.
في الأنظمة غير المترية، مثل نظام الوحدات العرفية الأمريكية، لا تكون العلاقات بهذه البساطة. فهناك 12 بوصة في القدم، و5280 قدمًا في الميل، وهكذا.
ميزة أخرى للنظام المتري هي أنه يمكن استخدام نفس الوحدة على نطاقات كبيرة للغاية من القيم ببساطة عن طريق استخدام بادئة مترية مناسبة.
على سبيل المثال، المسافات بالأمتار مناسبة في البناء، في حين أن المسافات بالكيلومتر مناسبة للسفر الجوي، والمقياس الصغير للنانومتر مناسب في التصميم البصري. مع النظام المتري، لا توجد حاجة لاختراع وحدات جديدة لتطبيقات معينة.
يشير مصطلح ترتيب المقدار إلى مقياس القيمة المعبر عنها في النظام المتري. كل قوة من 10 في النظام المتري تمثل ترتيبًا مختلفًا من المقدار. على سبيل المثال، 10^1 و10^2 و10^3 وما إلى ذلك كلها أوامر مختلفة من المقدار.
يقال إن جميع الكميات التي يمكن التعبير عنها كحاصل ضرب قوة معينة من 10 لها نفس ترتيب المقدار. على سبيل المثال، يمكن كتابة الرقم 800 على هيئة 8 × 10^2، ويمكن كتابة الرقم 450 على هيئة 4.5 × 10^2.
وبالتالي، فإن الرقمين 800 و450 لهما نفس ترتيب المقدار: 10^2. يمكن اعتبار ترتيب المقدار تقديرًا تقريبيًا لمقياس القيمة. يبلغ قطر الذرة حوالي 10-9 أمتار بينما يبلغ قطر الشمس حوالي 10^9 أمتار.
إقرأ أيضاً… طريقة تحويل درجة حرارة فهرنهايت إلى درجة كلفن.
تحويل الوحدات وتحليل الأبعاد
غالبًا ما يكون من الضروري تحويل وحدات القياس في الفيزياء من نوع وحدة إلى آخر. على سبيل المثال، إذا كنت تقرأ كتاب طبخ أوروبيًا. فقد يتم التعبير عن بعض الكميات بوحدات اللترات وتحتاج إلى تحويلها إلى أكواب.
أو ربما تقرأ اتجاهات المشي من مكان إلى آخر وتهتم بعدد الأميال التي ستمشيها. في هذه الحالة، ستحتاج إلى تحويل وحدات الأقدام إلى أميال.
دعنا نفكر في مثال بسيط لكيفية تحويل الوحدات. دعنا نقول إننا نريد تحويل 80 مترًا (م) إلى كيلومترات (كم).
أول شيء يجب القيام به هو سرد الوحدات التي لديك والوحدات التي تريد التحويل إليها. في هذه الحالة، لدينا وحدات بالأمتار ونريد التحويل إلى كيلومترات.
بعد ذلك، نحتاج إلى تحديد عامل تحويل يربط الأمتار بالكيلومترات. عامل التحويل هو نسبة تعبر عن عدد الوحدات التي تساوي وحدة أخرى.
على سبيل المثال، يوجد 12 بوصة في القدم الواحد، و100 سنتيمتر في المتر الواحد، و60 ثانية في الدقيقة الواحدة، وهكذا. في هذه الحالة، نعلم أن هناك 1000 متر في الكيلومتر الواحد.
