کمیتهای فیزیکی: زبان اندازهگیری جهان
اندازهگیری: سنگ بنای علم
فیزیک علم مطالعهٔ طبیعت است، اما این مطالعه بدون عدد و اندازهگیری ممکن نیست. وقتی میگوییم «این میز بلند است» یا «آن ماشین سریع حرکت میکند»، فقط یک توصیف کیفی داریم. علم نیاز به توصیف کمی دارد. به عبارت دیگر، باید بتوانیم پاسخ دهیم: «چقدر بلند؟» یا «چقدر سریع؟». پاسخ به این «چقدر»ها با استفاده از کمیت فیزیکی ممکن میشود. یک کمیت فیزیکی ترکیبی از یک عدد و یک یکا است. برای مثال، 5 متر، 12 کیلوگرم و 20 درجه سلسیوس، همگی کمیت فیزیکی هستند.
دستهبندی کلیدی: کمیتهای اصلی و فرعی
کمیتهای فیزیکی به دو دستهٔ اصلی تقسیم میشوند: کمیتهای اصلی4 و کمیتهای فرعی5. کمیتهای اصلی، پایهای هستند که یکاهای آنها مستقل و تعریفشده است. کمیتهای فرعی از ترکیب کمیتهای اصلی بهدست میآیند.
| کمیت اصلی | نام یکا در SI | نماد یکا | مثال ساده |
|---|---|---|---|
| طولپایهای | متر | m | قد یک نفر: 1.7 m |
| جرم | کیلوگرم | kg | یک بسته برنج: 5 kg |
| زمان | ثانیه | s | مدت یک نفس عمیق: 4 s |
| جریان الکتریکی | آمپر | A | یک لامپ معمولی: 0.5 A |
کمیتهای فرعی از ضرب یا تقسیم کمیتهای اصلی ایجاد میشوند. برای مثال، سرعت از تقسیم طول بر زمان بهدست میآید. پس یکای سرعت (متر بر ثانیه) از یکاهای طول و زمان مشتق میشود: $سرعت = \frac{طول}{زمان} \quad \Rightarrow \quad یکا = \frac{m}{s}$
از تئوری تا عمل: محاسبه حجم و چگالی
بیایید با دو کمیت فرعی پرکاربرد آشنا شویم: حجم و چگالی. حجم، مقدار فضای اشغالشده توسط یک جسم است. برای یک جعبهٔ مکعبی، حجم از ضرب طول در عرض در ارتفاع بهدست میآید: $V = l \times w \times h$ . یکای حجم در SI، متر مکعب (m³) است که از مکعب یکای طول (متر) مشتق شده است. در زندگی روزمره از لیتر نیز استفاده میکنیم که هر 1000 لیتر برابر 1 m³ است.
چگالی نیز یک کمیت فرعی مهم است که جرم یک ماده را در واحد حجم آن نشان میدهد. فرمول آن اینگونه است: $\rho = \frac{m}{V}$ . در این فرمول، $\rho$ (رو) نماد چگالی، $m$ جرم و $V$ حجم است. یکای چگالی در SI، کیلوگرم بر متر مکعب (kg/m³) است. چگالی مانند یک «اثر انگشت» برای مواد است. چوب روی آب شناور میماند چون چگالی آن از آب کمتر است. یک قطعه آهن بهراحتی در آب فرو میرود چون چگالی آن بیشتر است.
اشتباهات رایج و پرسشهای مهم
پاسخ: خیر. جرم مقدار مادهٔ تشکیلدهنده یک جسم است و در هر کجای جهان ثابت میماند (مثلاً 60 kg). اما وزن در واقع یک نیرو است (نیروی جاذبهٔ زمین بر جسم) و از حاصل ضرب جرم در شتاب گرانش ($g \approx 9.8 m/s^2$) بهدست میآید: $W = m \times g$. وزن شما روی ماه یکششم وزن شما روی زمین است، چون گرانش ماه weaker است، اما جرم شما در هر دو مکان یکسان است.
پاسخ: دما یک کمیت اصلی در نظر گرفته میشود. یکای اصلی آن در SI، کلوین (K) است، اما درجه سلسیوس (°C) که در زندگی روزمره استفاده میکنیم، بر اساس کلوین تعریف شده است. رابطهٔ بین آنها به این شکل است: $T(K) = T(°C) + 273.15$.
پاسخ: بله، هدف سامانهٔ بینالمللی یکاها (SI) دقیقاً همین است. این سامانه هفت کمیت را بهعنوان کمیتهای اصلی معرفی کرده و یکاهای دقیق و جهانی برای آنها تعریف میکند (مانند متر، کیلوگرم، ثانیه، آمپر، کلوین، مول و کاندلا). تمام کمیتهای فرعی دیگر از ترکیب این یکاهای اصلی بهدست میآیند. این کار ارتباط علمی و فنی بین کشورهای مختلف را ممکن میسازد.
پاورقی
1 کمیت فیزیکی (Physical Quantity)
2 یکا (Unit)
3 سامانهٔ بینالمللی یکاها (International System of Units - SI)
4 کمیتهای اصلی (Fundamental or Base Quantities)
5 کمیتهای فرعی (Derived Quantities)
6 جرم (Mass)
7 وزن (Weight)
8 چگالی (Density)
