خانه » علوم هفتم » بخش فیزیک » فصل۲:یکای طول-زمان-جرم
فصل۲:یکای طول-زمان-جرم
یکای طول-زمان-جرم

فصل۲:یکای طول-زمان-جرم

یکای طول-زمان-جرم  
 

دستگاه متریک یک دستگاه اندازه‌گیری دهدهی است. این دستگاه برای اولین بار در فرانسه در سال ۱۷۹۱ پذیرفته شده و هم‌اکنون پایه دستگاه اندازه‌گیری در تمامی کشورهای جهان به جز ایالات متحده، لیبریا و برمه‌است.

 

 

 

 هر چند قصد آغازکنندگان این دستگاه، ایجاد دستگاهی بود که برای تمام مردم به طور برابر قابل استفاده باشد (از نظر تئوری)، اما مشخص شد که نمونه‌های نخستین برای نگه‌داری باید زیر نظر حکومت و یا قدرت خاصی قرار بگیرند، هر چند این امید می‌رود که از سال ۲۰۱۵ دیگر نیازی به نمونه‌های نخستین نباشد. تا قبل از سال ۱۸۷۵، نمونه‌های نخستین اندازه‌گیری توسط دولت فرانسه نگه‌داری می‌شد، اما بعد از آن به دست یک نهاد فراحکومتی به نام کنفرانس عمومی وزن‌ها و اندازه‌ها سپرده شد. در سال ۱۹۶۰، این نهاد، سامانه استاندارد بین‌المللی یکاها را به‌عنوان جایگزین دستگاه متریک منتشر کرد.

یکای استاندارد زمان- طول- جرم

 الف)یکای استاندارد زمان

برای زمان تعریف مشخصی وجود ندارد. بعضی گفته اند زمان چیزی است که با ساعت اندازه گیری می شود یا زمان بستر رویدادهاست . آنچه مسلم است زمان عاملی است که با آن پیش و پس بودن رویدادها را نسبت به هم مشخص می کنیم برای مشخص شدن لحظه ی وقوع یک رویداد (t)مانند لحظه ی رها کردن یک قطعه سنگ یا لحظه ی پیدایش برق در آسمان به تعیین یک مبدا نیازمندیم. مبدا معمولا لحظه ی پیدایش یک رویداد مشخص و تکراری مانند طلوع یا غروب خورشید یا عبور زمین از یک نقطه ی خاص از مدار آن است(t=0). گاهی فاصله ی زمانی از شروع تا پایان یک رویداد را باید محاسبه ها وارد کنیم. این مدت را بازه ی زمانی گویند و برابراست باt ∆

 مساوی است با زمان اولیه منهای زمان ثانویه. مثلا اگر در لحظه ی اول سنگی را رها کنیم و در لحظه ی دوم به زمین می رسد جابه جایی این سنگ دربازه ی زمانیt ∆مساوی است با زمان اولیه منهای زمان ثانویه صورت گرفته است. برای تعیین بازه ی زمانیt ∆ به زمان سنج نیاز داریم . نخستین زمان سنج ساده و طبیعی انسان نبض خودش بود که مشخص می کرد در فاصله ی دو لحظه چند با نبضش می زند. به دلیل آنکه فاصله ی زمانی میان دو ضربان نبض ثابت نیست و این مدت نیز کوتاه است شبانه روز یعنی مدت زمانی که زمین یک بار به دور محورش می گردد مبنای اندازه گیری زمان قرار گرفت . سپس این مدت را به ۲۴ قسمت تقسیم کردند و هر قسمت را یک ساعت نامیدند . هر ساعت را به ۶۰ دقیقه و هر دقیقه را به ۶۰ثانیه تقسیم کردند و به عنوان یکای زمان برگزیدند. اندازه گیریهای دقیقتر نشان داد که مدت شبانه روزها با هم برابر نیست و سالها نیز با هم تفاوت دارند و نمی توان ثانیه را از روی حرکت وضعی یا انتقالی زمین به طور دقیق تعریف کرد.

امروز ثانیه را با استفاده از دوره ی تناوب تابش گسیل شده از اتم سزیم که همواره ثابت است به صورت زیر تعریف می کنند:

((ثانیه زمانی است معادل ۷۷۰،۶۳۱،۱۹۲،۹ برابر دوره ی تناوب تابش مربوط به گذار الکترون میان دو تراز بسیار ظریف وابسته به حالت بنیادی اتم سزیم۱۳۳ .))

ب)یکای استاندارد طول –

 

در سال ۱۷۹۵/۱۱۷۴ مجمعی از دانشمندان در فرانسه تشکیل شد . در این مجمع با استفاده از کمیتهای طبیعی یکای طول و یکای جرم را برگزیدند . برای یکای طول یک چهل میلیونیم محیط نصف نصف النهار زمین را با نام متر انتخاب کردند . برای اندازه گیری محیط زمین بخشی از طول نصف النهار زمین را از روی آن مشخص کردند و نمونه ی اصلی متر را با استفاده از این تعریف ساختند. این متر نمونه میله ای از آلیاژ اینوار است که از ۹۰%پلاتین و ۱۰% ایریدیم تشکیل شده است . سطح مقطع این میله cm 5/1 مربع و جرم آن kg3 و طولش cm 102 است . روی این میله دو علامت به فاصله ی  ۱m از هم قرار دارد پس از ساختن نمونه ی اصلی متر نمونه های فراوانی از روی آن تهیه کردند که در فرانسه و سایر کشورهای جهان به کار می رفت.

با گسترش علم و فن آوری معلوم شد که برای یکای متر دقت بسیار بالاتری لازم است. از این رو متر را با استفاده از طول موج تابشی به رنگ نارنجی – قرمز اتم کریپتون ۸۶ انتخاب کردند. در سال ۱۹۸۳/ ۱۳۶۲  تعریف متر را با استفاده از سرعت نور در خلا که با دقت بسیار اندازه گیری شد به صورت زیر برگزیدند :

مترمسافتی است که نور در ۱بر روی ۴۵۸،۷۹۲،۲۹۹ ثانیه در خلا می پیماید . باید توجه داشت که سرعت نور در خلا ۴۵۸،۷۹۲،۲۹۹= cمتر بر ثانیه است.

 

پ)یکای استاندارد جرم

 

 

-ابتدا جرم یک دسیمتر مکعب (=یک لیتر) آب خالص در حداکثر چگالی به عنوان یکای جرم برگزیده شد .
استاندارد جرم در سیستم SI یک سیلندر از جنس آلیاژ پلاتین- ایریدیوم است که از سال ۱۸۸۹ میلادی در BIPM نگهداری می شود و طبق توافق بین المللی بعنوان نخستین نمونه جرم یک کیلوگرم شناخته می شود و درآن زمان اینگونه تعریف گردید :

 ” این نخستین نمونه از این به بعد بایستی بعنوان یکای جرم در نظر گرفته شود “
 در سومین کنفرانس عمومی اوزان ومقیاسها در ۱۹۰۱ تعریف جدیدی از یکای جرم تعریف شد تا ابهام موجود در استفاده از کلمه “وزن ” که بین عموم مردم مرسوم بود از بین برود:

 “کیلوگرم یکای جرم است و با جرم نخستین نمونه بین المللی کیلوگرم برابر است “

 کیلو گرم آخرین کمیت پایه (از هفت کمیت پایه SI ) است که هنوز بواسطه یک ماده مصنوعی (Artefact Material) تعریف میشود.

نخستین نمونه بین المللی که در سال ۱۸۸۰ میلادی ساخته شد از جنس ۹۰% پلاتین و ۱۰ % ایریدیوم (با درستی ۰٫۰۰۰۱ ) بود. نسخه های ساخته شده توسط BIPM  از روی نخستین نمونه که بیش از ۱۸ عدد بود ، در سال ۱۸۸۹ میلادی ،بعنوان نمونه های نخستین ملی یک کیلوگرم دربین سایر اعضای BIPM توزیع شدند . خود BIPM‌نیز یک نسخه یک کیلو گرمی را برای استفاده خود نگهداری می کند.بایستی توجه داشت که تفاوت در درستی  نسخ ملی و نمونه نخستین بین المللی ،حداکثر یک میلی گرم تعیین شده است.

شرائط نگهداری نمونه نخستین بین المللی در اولین کنفرانس عمومی اوزان و مقیاسها در ۱۸۸۹میلادی تعیین گردیده است . نمونه نخستین بین المللی در معرض آلودگی سطحی بمیزان یک میکرو گرم در سال میباشد ، لذا دستورالعمل خاصی برای تمیز کردن و شستشوی آن تهیه شده و اجرا میشود و جرم یک کیلوگرم پس از انجام فرآیند تمیزکاری محقق میشود.

 

 

امروزه سه یکای اصلی ذکر شده به علاوه ی چهار یکای مقدار ماده ، جریان الکتریکی ،دما و شدت نور دستگاه یکاهایی را تشکیل می دهند که دستگاه بین المللی یکاها (SI) نامیده می شود.

     

کمیت های فیزیکی

هر چیزی که قابل اندازه گیری باشد کمیت فیزیکی است. کمیت ها را به :اصلی و فرعی ، نرده ای و برداری ،اندازه پذیر و اندازه ناپذیر دسته بندی می کنند کمیت های طول ، جرم ، زمان ، دما ، شدت جریان و مقدار ماده از کمیت های اصلی و بقیه فرعی هستند . کمیت هایی که اندازه ی آن ها با یک عدد و یکا مشخص می شود نرده ای و آن هایی که علاوه بر عدد و یکا جهت نیز برای مشخص شدن آنها لازم است کمیت های برداری هستند.به کمیت هایی که با نمونه ای از همان کمیت سنجیده می شوند کمیت های اندازه پذیر می گویند. طول ، جرم و نیرو را که با متر ، کیلوگرم و نیوتون – که اندازه های مشخصی از همان کمیت ها هستند – اندازه می گیرند ، کمیت های اندازه پذیر گویند.

این گونه کمیت ها ، قابلیت جمع و تفرق دارند . کمیت های اندازه ناپذیر را فقط با علامتگذاری های قراردادی می توان مشخص کرد . برای مثال دما ، کمیتی اندازه ناپذیر است و آن را با علامتگذاری های قراردادی مشخص می کنند . دما با استفاده از یکی از تغییراتی که بر ماده صورت می گیرد مشخص می شود . این تغییرات می توانند انبساط و انقباض ، تغییر چگالی ، تغییر فشار در گازها ، تغییر مقاومت الکتریکی در رساناها ، تغییر طول موج تابشی باشند. توجه داریم که دمای یک جسم بر حسب درجه بندی های مختلف ، متفاوت است . ضمنا درست نیست که بگوییم: «آب ۶۰درجه ،دوبار گرم تر از آب ۳۰درجه است.»

اندازه هر کمیت: اندازه ی هر کمیت عددی برابر نسبت آن کمیت به یکای آن کمیت است. به عبارت دیگر اندازه ی کمیت مشخص می کند که آن کمیت چند برابر یکای آن است و یا آن یکا چند بار در آن کمیت میگنجد . برای مثال ،اگر طول استخری ۲۰ متر باشد ، آن طول ۲۰ برابر طول مشخص و معین یک متر است. اندازه ی هر کمیت دو جزء دارد:عدد و یکا . یکا را در لاتین جلوی عدد و در فارسی بعد از عدد قرار می دهند . مثلا نوشته می شود:۶m یا ۱۰A(6 متر یا ۱۰ آمپر است). اگر یکا به افتخار دانشمندی نام گذاری شده باشد ، حرف اول آن نام را با حرف بزرگ می نویسند و در غیر این صورت از حرف کوچک استفاده می شود. مثلا می نویسم ۲۰c یا ۱۰N و ۵m (20کلوین یا ۱۰ نیوتون و ۵ متر).

کیلوگرم تنها مورد از هفت واحد اصلی اندازه گیری است که از زمان تعریف آن در قرن نوزدهم تاکنون بدون تغییر مانده است. طی سالیان گذشته، دانشمندان در تعریف واحدهایی نظیر متر (که در اصل بر مبنای محیط زمین تعریف شده بود) و ثانیه (که بر اساس کسری از یک روز تعریف شده بود) تجدیدنظر کرده اند. هم اکنون متر بر اساس فاصله ای که نور طی یک ـ ۴۵۸/۶۹۲/۲۹۹ام ثانیه طی می کند، و ثانیه بر اساس مدت زمانی که طول می کشد، اتم سزیم ۶۶۰/۶۳۱/۱۹۲/۹ مرتبه ارتعاش کند، تعریف می شود.

هرکدام از این کمیت ها را می توان با دقت بسیار اندازه گرفت و نکته دیگری که از اهمیت مشابهی برخوردار است آنکه در هر کجای جهان می توان آنها را دوباره ایجاد کرد. در ابتدا کیلوگرم بر اساس جرم یک لیتر آب تعریف شده بود، اما بعدها مشخص شد، که اندازه گیری دقیق جرم یک لیتر آب بسیار مشکل است. در عوض قرار شد یک طلاساز انگلیسی استخدام شود تا یک استوانه از جنس پلاتین ایریدیم بسازد که برای تعریف کیلوگرم استاندارد به کار رود. یکی از عواملی که باعث شد تا کیلوگرم از این لحاظ از سایر واحدها عقب بماند، این بود که، سود عملی فوری برای افزایش دقت آن متصور نبود. با این همه انحراف در وزن کیلوگرم استاندارد باعث ایجاد خطا در سایر اندازه گیری ها می شد. برای مثال ولت بر اساس کیلوگرم تعریف می شود، بنابراین تعریفی بر مبنای کیلوگرم پایدار منجر به آن می شود که تعریف ولت بر مبنای واحدهای اصلی اندازه گیری با دقت هرچه بیشتر صورت گیرد.

حدود هشتاد نسخه از روی کیلوگرم مرجع ،تولید و بین کشورهای امضاکننده معاهده سیستم متریک توزیع شد. تاریخ پرشور این استوانه کوچک فلزی بیانگر آن است که کل جهان طی مدت های مدیدی از تعریف واحدی برای کیلوگرم استفاده کرده است. بعضی از این نمونه های فلزی که به کشورهای امضاکننده اختصاص یافته بود بعدها ناپدید شد، از جمله نمونه ای که در اختیار صربستان بود. ژاپن نیز پس از جنگ جهانی دوم مجبور شد نمونه خود را تسلیم کند. آلمان نیز چند نمونه از آن را تحویل گرفت، از جمله یکی که در سال ۱۸۸۹ به ایالت باواریا اختصاص یافت و نمونه دیگری که به آلمان شرقی تعلق گرفت.

آلمان ضمن همکاری با دانشمندان سایر کشورها از جمله استرالیا، ایتالیا و ژاپن سرگرم ساخت یک کریستال دقیقاً کروی یک کیلوگرمی از جنس سیلیکون برای روزآمد کردن کیلوگرم است. ایده ساخت این نمونه بر این مبنا قرار دارد که با دانستن تعداد دقیق اتم های موجود در کریستال، فاصله آنها از یکدیگر و اندازه کره، تعداد دقیق اتم های موجود در آن را می توان حساب کرد. دکتر بیکر و همکارانش برای جداسازی سه ایزوتوپ سیلیکون به کارخانه های قدیمی ساخت سلاح های هسته ای شوروی روی آورده اند. سانتریفوژهای موجود در این کارخانه زمانی برای تولید اورانیم غنی شده به کار می رفت و امروزه نیز می تواند سیلیکون با خلوص مورد نظر را تولید کند. دکتر بیکر می گوید: «ما به حدود نه تا از این دستگاه ها نیاز داریم. » تجهیزات غنی سازی اورانیم یکی از مکان هایی است که می توان از این گونه دستگاه ها استفاده کرد. دکتر بیکر در ادامه می گوید: «قرار است از چهار تا از این دستگاه ها استفاده کنیم. » و بدین ترتیب می توان سیلیکون ۲۸ را با خلوص ۹۹/۹۹ درصد تولید کرد. پیش از این یک بلور آزمایشی ساخته شده بود. دکتر آرنولد نیکلاس یکی دیگر از دانشمندان آزمایشگاه استانداردهای آلمان مسئولیت تحقیق در مورد اینکه آیا این کره واقعاً گرد است یا خیر را برعهده داشت. وی حدود نیم میلیون مکان مختلف از این کریستال را اندازه گرفت تا شکل آن را مشخص کند. این کره شاید گردترین چیزی باشد که بشر تاکنون ساخته است. دکتر نیکلاس می گوید: «اگر کره زمین هم همین قدر گرد بود، آن وقت کوه اورست فقط چهار متر ارتفاع داشت. » یکی از مشخصات جالب این کره واقعاً صاف این است که راهی برای تشخیص چرخش یا سکون آن وجود ندارد. مگر آنکه لکه کوچکی را روی سطح آن ایجاد کنیم تا چشم بتواند مسیر حرکت آن را ردیابی کند. دانشمندان ایالات متحده، انگلستان، فرانسه و سوئیس مدعی هستند که محاسبه تعداد دقیق اتم های سیلیکون موجود در کریستال با استفاده از فناوری امروز از دقت کافی برخوردار نیست و به همین دلیل آنها سرگرم ابداع روشی برای محاسبه کیلوگرم با استفاده از ولتاژ هستند.

 

یکاهای اصلی اس‌آی

 
نام نماد کمّیت تعبیر ریشهٔ تاریخی/توجیه
متر m طول «یک متر، مسافتی است که نور در خلأ طیّ فاصلهٔ زمانی ۱٫۲۹۹ ۷۹۲ ۴۵۸ از یک ثانیه می‌پیماید.» ۱۱۰٬۰۰۰٬۰۰۰ فاصلهٔ بین قطب شمال تا قطب جنوب زمین از طول جغرافیایی که از شهر پاریس می‌گذرد.
کیلوگرم kg جرم «کیلوگرم یکای جرم است؛ برابر جرم نمونهٔ بین‌المللی کیلوگرم.» جرم یک لیتر آب؛ لیتر یک‌هزارم متر مکعب است.
ثانیه s زمان «ثانیه، بازهٔ زمانی است که در آن اتم سزیم ۱۳۳ در وضعیّت عادی، ۹ ۱۹۲ ۶۳۱ ۷۷۰ ارتعاش انجام می‌دهد.»

«این تعریف در مورد اتم سزیم در دمای ۰ کلوین است.»

یک روز به ۲۴ ساعت تقسیم شده، هر ساعت به ۶۰ دقیقه، هر دقیقه به ۶۰ ثانیه.
یک ثانیه ۱۸۶۴۰۰ یک روز است.
آمپر A جریان الکتریکی «یک آمپر شدّت جریانی است که اگر از دو سیم نازک راست به طول بی‌نهایت که به فاصلهٔ یک متر و به موازات هم در خلأ قرار دارند، بگذرد، به متر از سیم‌ها نیروی ۲ × ۱۰−۷ نیوتون وارد شود.» «آمپر بین‌المللی» در ابتدا به صورت الکتروشیمایی در سال ۱۸۹۳ تعریف شده‌بود. این صورت که یک آمپر جریان مورد نیاز برای ته‌نشین کردن ۱٫۱۱۸ میلی‌گرم نقره در ثانیه از محلول نیترات نقره است. این تعریف با آمپر اصلی ۰٫۰۱۵٪ اختلاف دارد.
کلوین K دمای ترمودینامیکی «یک کلوین برابر ۱/۲۷۳٫۱۶ دمای نقطهٔ سه‌گانهٔ آب است.»

«این تعریف برای آبی با ترکیب ایزوتوپی دقیق روبرو می‌باشد:۰٫۰۰۰۱۵۵۷۶ مول ۲H در هر مول ۱H، ‏ ۰٫۰۰۰۳۷۹۹ مول از ۱۷O در هر مول ۱۶O و ۰٫۰۰۲۰۰۵۲ مول از ۱۸O در هر مول ۱۶O.»‏

در مقیاس سلسیوس: مقیاس کلوین از درجهٔ سلسیوس برای نمو یکایش استفاده می‌کند، امّا در مقیاس ترمودینامیکی (K‏ ۰ صفر مطلق) است.
مول mol مقدار ماده «۱. یک مول جرم دستگاهی است که تعداد اجزای سازندهٔ آن (تعداد اتم، مولکول، یون،…) برابر تعداد اتم‌های موجود در ۰٫۰۱۲ کیلوگرم کربن ۱۲ باشد؛ نماد آن “mol” است.»

«۲. هنگام استفاده از مول باید اجزایی که محاسبه می‌شوند جدا از هم و قابل شمارش باشند یا به عبارت دیگر اتم، مولکول، یون، الکترون، یا دیگر اجزای سازندهٔ اتم یا گروهی از آن‌ها باشند.»[۹]
«در این تعریف به اتم کربن ۱۲ غیر مقید و آزاد و در حالت پایدار آن اشاره شده‌است.»

وزن اتمی یا وزن مولکولی ضرب‌شده در ثابت جرم مولی، g/mol‏ ۱
کاندلا cd شدت روشنایی «یک شمع شدت روشنایی است که از یک منبع نور تک رنگ با فرکانس ۵۴۰ × ۱۰۱۲ هرتز و پراکندگی روشنایی برابر ۱۶۸۳ وات بر استرادیان به دست بیاید.»

 

توان شمع، که بر پایهٔ نور منتشرشده از یک شمع است.

 

درباره‌ admin555

تصویر پروفایل از  admin555

جوابی بنویسید

رفتن به نوارابزار