دانلود مقاله کمیتهای فیزیکی استانداردها ویکاها

دانلود مقاله کمیتهای فیزیکی استانداردها ویکاها انواع کمیتهای فیزیکی تبدیل کمیتهای فیزیکی کمیتهای فیزیکی اندازه گیری و کمیتهای فیزیکی تعریف کمیتهای فیزیکی استانداردهای فیزیکی بیمارستان نحوه محاسبه پیشرفت فیزیکی مقاله پیشرفت فیزیکی مقاله

کمیتهای فیزیکی استانداردها ویکاها
فهرست مطالب
کمیتهای فیزیکی ، استانداردها ، ویکاها : ۴
سیستم بین المللی یکاها : ۵
جدول ۱٫ یکاهای اصلی SI ۸
S ۸
K ۸
A ۸
Cd ۸
استاندارد زمان : ۸
جدول ۳٫ مقادیر اندازه گیری شده چندبازه زمانی ۱۰
استاندارد طول : ۱۲
جدول ۵٫ مقادیر اندازه گیری شده بعضی از جرم ها ۱۸
سینماتیک ذره: ۲۲
جدول ۱٫ فرایند حد گیری ۳۲
حرکت شتابدار : ۳۷
جدول ۲٫ معادلات حرکت با شتاب ثابت . ۴۴
سقوط آزاد اجسام : ۵۰
گالیله و سقوط آزاد ( اختیاری ) : ۵۶
سرعت متوسط : ۶۲
حرکت با شتاب ثابت : ۷۱
بردار و اسکالر : ۷۳
جمع برداری ؛ روش نموداری ۸۵
مکان ، سرعت ، و شتاب : ۸۹
جدول ۱٫ معادلات برداری حرکت با شتاب ثابت . ۹۷
نیرو و قوانین نیوتون : ۱۰۲
مکانیک کلاسیک : ۱۰۳
قانون دوم نیوتون : ۱۲۰
قانون سوم نیوتون : ۱۲۵
قانون دوم نیوتون : ۱۳۱
کاربردهای قوانین نیوتون : ۱۳۷
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 ۱۹۵۴ تا ۱۹۷۱ 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 ۱ آماده است .
در این کتاب با بسیاری از یکاهای فرعی SI ـ مثل یکای سرعت ، نیرو ، و مقاومت الکتریکی ـ سرورکار خواهیم داشت . این یکاها از یکاهای جدول ۱ 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 ۱۹۶۰تا ۱۹۷۵ خود توصیه کرد که از پیشوندهایی که در جدوا ۲ آمده است استفاده شود . به این ترتیب ،‌می توانیم توان خروجی یک نیروگاه معمولی برق ، را وات ، را به صورت ۳/۱ گیگاوات یا GM 3 را بیان کنیم . همچنین ، یک بازه زمانی معمول در فیزیک هسته ای ، مثل ثانیه ، را می شود به صورت ۳۵ر۲ نانوثتنیه یا ns35ر۲ 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 ۱٫ هر کمیت فیزیکی را می شود در ۱ 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 ۵۵ مایل بر ساعت را برحسب متر بر ثانیه ، و ( ب ) حجم مخزنی را که ۱۶ 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 ۲۳۱ اینچ مکعب ، و cm 54ر۲=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 ۱٫ یکاهای اصلی SI
کمیت یکایSI
نام نماد
زمان ثانیه S
طول متر M
جرم کیلوگرم Kg
مقدار ماده مول Mol
دمای ترمودینامیکی کلوین K
جریان الکتریکی آمپر A
شدت نور کاندلا Cd
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 ۸۶۴۰۰/۱ 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 ۵ 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 ۳٫ مقادیر اندازه گیری شده چندبازه زمانی
بازه زمانی ثانیه
طول عمر پروتون
نیمه عمر واپاشیبتایی مضاعفSe 82
سنّ جهان
سن هرم خئویس
مینگین عمر انسن ( در ایالات متحد امریکا )
دوره تناوب گردش زمین به دور خورشید ( ۱سال)
دوره تناوب چرخش زمین حول محور خودش ( ۱روز )
دوره تناوب ماهوراه کم ارتفاع نوعی به دور زمین
فاصله زمانی بین ضربان های عادی قلب
دوره تناوب دیاپازون تولید کننده نت لا (ی وسط)
دوره تناوب نوسانهایمیکروموج cm 3
دوره تناوب نوعیچرخشهای مولکولی
کوتاهترین تپ نوری تولید شده ( تا سال ۱۹۹۰)
طول عمر ناپایدار ترین ذرات
پس ببینید که دوره تناوب چرخش زمین ، برای کار دقیق ، چه استاندارد ضعیفی برای زمان است . تغییراتی را که در شکل۲ 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 ۱۹۶۷ ، ثانیه ساعت سزیم به عنوان استاندارد جهانی زمان پذیرفته شد . تعریف این ثانیه :
یک ثانیه برابر است با مدت ۹۱۹۲۶۳۱۷۷۰ ارتعاش تابشی ( با طول موج خاص) که از اتم سزیم گسیل می شود .
دو تا ساعت جدید سزیم ، طی ۳۰۰۰۰۰ سال حداکثر ممکن است S 1 با هم اختلاف پیدا کنند . ساعتهای میزر هیدروژن به دقت باورنکردنی S1 در ۳۰۰۰۰۰۰۰ سال رسیده اند . ساعتهایی که مبتنی بر یک تک اتم محبوس باشند شاید بتوانند این دقت را به اندازه ۳ مرتبه بزرگی زیاد کنند . شکل ۳ پیشرفت چشمگیر زمان سنجی را طی حدود ۳۰۰ سال نشان می دهد . این تاریخچه ، با سرعت آونگی آغاز می شود ، که کریستین هویگنس آن را در سال ۱۶۵۶ 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 حدود۰۲۳ر۰ 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 ۱۸۹۳ ، 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 ، ۵ر۱۵۵۳۱۶۳ 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 ۱۹۶۰ 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 ۷۳ ر ۱۶۵۰۷۶۳ 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 ۱ 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 ۱۹۸۳ ، 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 ۲۹۹۷۹۲۴۵۸/۱ 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 لازم بود ، زیرا سنجش سرعت نور چنان دقیق شده بود که صرف تکرار پذیری تولید متر Kr 86 ، عاملی محدود کننده به حساب می آمد . بنابراین ، معقول می نمود که سرعت نور را به عنوان کمیتی تعریف شده بپذیریم . و ان را ، همراه با استاندارد دقیقاً تعریف شده زمان ( ثانیه ) ، برای تعریف جدید متر به کار ببریم .
جدول ۴ ، گستره طول های مختلف را ، بر حسب استاندارد متر ، نشان می دهد.
جدول ۴ . مقادیر اندازه گیری شده بعضی طول ها
طول متر
فاصله دورترین اختروش رصد شده
فاصله کهکشان امرأه المسلسله از ما
شعاع کهکشان ماه
فاصله نزدیک ترین ستاره از ماه (پروکسیما قنطورس )
شعاع میانگین مدار دورترین سیاره ( پلوتون )
شعاع خورشید
شعاع زمین
ارتفاع قله اورست
قد یک آدم معمولی
ضخامت هر صفحه این کتاب
اندازه یک ویروس معمولی
شعاع اتم هیدوژن
شعاع مؤثر پروتون
مثال ۲ . سال نوری که یک مقیاس طول است ( نه مقیاس زمان ) برابر با مسافتی است که نور در یک سال می پیماید . ضریب تبدیل سال نوری به متر را حساب کنید ، و تعیین کنید به فاصله ستاره ای پروکسیماقنطورس از ما ( ) چند سال نوری است .
حل : ضریب تبدیل سال به ثانیه عبارت است از
سرعت نور ، تا سه رقم با معنی است . بنابراین ، نور در یک سال ، مسافت
را می پیماید . پس
سال نوری
فاصله پروکسیماقنطورس از ما برابر است با
سال نوری ۲ر۴
نزدیکترین ستاره از زمین در فاصله ۲ر۴ سال نوری قرار دارد