وسايل اندازه گيري در فيزيك

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.

يکاهاي اصلي کميتهاي اصلي
(M) متر طول
(Kg) کيلوگرم جرم
(s) ثانيه زمان

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 m2 = 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.

پيشوند مضرب نماد پيشوند مضرب نماد
دسي ۱/۱۰ = ۱۰-۱ d دکا ۱۰ da
سانتي ۱/۱۰۰ = ۱۰-۲ c هکتو ۱۰۰ h
ميلي ۱/۱۰۰۰ = ۱۰-۳ m کيلو ۱۰۰۰ k
ميکرو ۱/۱۰۶ = ۱۰-۶ m مگا ۱۰۶ M
نانو ۱/۱۰۹=۱۰-۹ n گيگا ۱۰۹ G
پيکو ۱/۱۰۱۲ =۱۰-۱۲ p ترا ۱۰۱۲ T

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:
۱۰۶ × ۶۳/۵= ۵۶۳۰۰۰۰
%۸۲۰ = ۸/۲ * ۱۰-۲
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.
کميتهاي فيزيکي
کميتهاي فيزيکي دو دسته اند: نرده اي و برداري
کميتهاي نرده اي: اين کميتها با معلوم شدن مقدارشان معرفي و مشخص مي شوند مثل حجم سطح، جرم، زمان، طول، انرژي، چگالي و … اين کميتها از قاعده هاي متداول در حساب پيروي مي کنند.
کميتهاي برداري: اين کميتها علاوه بر بزرگي (مقدار)، جهت (راستا و سو) دارند و از قاعده جمع برداري پيروي مي کنند.

بردارهايي که اندازه جهت آنها يکسان است و راستاهاي موازي دارند و بردارهاي هم سنگ يا مساوي گويند.

جابه جايي:
جابه جايي يک جسم، پاره خط جهت داري است که ابتداي آن مکان آغازي و انتهاي آن مکان پاياني جسم و طول آن مقدار تغيير مکان است. دو جابه جايي را وقتي برابر مي گويند که به يک اندازه و در يک 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 ۸۶۴۰۰/۱ 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 ۰۲/۰ 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 ۱۰^۱۰ است انجام میشود و ما بیشتر اوقات به چنین دقتی نیاز داریم .اما این دقت تقریبا ۱۰۰ 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 ۱۹۵۵ به بعد در آزمایشگاه ملی استانداردهای ملی فیزیک در انگلستان به طور پیوسته مشغول به کار است .(البته باید بگم طول این ساعت حدود ۳ ، ۴ متر وعرض یکی دو متر است

در سال ۱۹۶۷ 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 ۹۱۹۲۶۳۱۷۷۰ 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 ۱۲ (۱۲^۱۰)افزایش یافت ، که در حدود ۳^۱۰ 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 ۶۰۰۰ 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 كسانی كه فكر می كنند «نانو» نمادی از كوچك ترین هاست باید در عقاید خود تجدیدنظر كنند. نانوی هر كمیتی یك میلیاردم همان كمیت است. اما اخیراً دو موضوع جدید پژوهشی به اندازه گیری كمیت ها در حد آتو (یك میلیاردم نانو) اختصاص یافته است.فرانس كراوس (F.Krausz) از دانشگاه فناوری وین و همكارانش 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 كوتاه ترین فاصله زمانی ثبت شده كه فقط ۱۰۰ آتوثانیه است، پرداختند.در عین حال، هارولد كرایگهید

(H.Craighead) و همكارانش در دانشگاه كورنل واقع در آن سوی اقیانوس اطلس مجموعه ای از ترازوها را ابداع كردند كه نسبت به كسری از یك نانو ثانیه نیز حساس است. نتیجه فعالیت این پژوهشگران در شماره آینده نشریه اپلاید فیزیكس (Applied Physics) منتشر می شود. دستاوردهای دكتر كراوس محصول فرعی بررسی های او در مورد اربیتال های الكترونی موجود در اطراف هسته های اتمی است.تئوری های كوانتومی پیشگویی های دقیقی در مورد انرژی این اربیتال های اتمی انجام می دهد و دكتر كراوس سرگرم بازنگری در مورد صحت این پیشگویی ها است و در نتیجه این پژوهش ها مشخص شد كه پیشگویی ها صحت دارد.وی برای اندازه گیری انرژی این اربیتال ها از دو پالس نورلیزر متوالی كه طول عمر هر كدام ۲۵۰ آتوثانیه بود، استفاده كرد.