آموزش درس 4 فصل 1 فیزیک دهم بهصورت تستبیس، همراه با تدریس ویدیویی «شهاب نصیری» را، در این پست از رپیتیچ ببینید.
در درسهای قبلی با چیستی و چرایی، مدلسازی و کمیتهای فیزیکی آشنا شدیم. قرار است در درس چهارم فصل اول، انواع یکاهای بینالمللی را بررسی کنیم.
برای دسترسی به کل مباحث فصل اول، روی لینک زیر کلیک کنید.
خب، اول از همه بریم که ویدیوی آموزشی این بخش رو ببینیم.
آموزش ویدیویی درس 4 فصل 1 فیزیک دهم
در این قسمت، بخشی از «آموزش درس چهارم فصل اول فیزیک دهم» را بهصورت ویدیویی میتوانید ببینید. مدرس این قسمت، جناب مهندس شهاب نصیری، مولف برتر آزمونهای موسسات معتبر هستند.
فرم دریافت آموزش های ویدئویی فیزیک:
اگه تو هم میخوای کل فیزیکت رو تو کمترین زمان و با تدریس انیمیشنی مفهومی تستی مهندس شهاب نصیری جمع کنی؛ کافیه این فرم رو پر کنی و منتظر تماسمون باشی:
روی نمره 20 و درصد بالای 70 فیزیکت (مثل رتبه های برتر هر سالمون) حساب کن!
در این مبحث قرار است با کمیتهای اصلی و فرعی آشنا شویم. پس از آن به بررسی مفاهیم و تعاریف طول، جرم و زمان میپردازیم. تبدیل، سازگاری و پیشوندهای یکاها مطالب بعدی هستند. مطلب آخر به نحوه نماد گذاری علمی اختصاص دارد.
اندازه گیری و دستگاه بینالمللی یکاها؛ درس چهارم فصل اول فیزیک دهم
برای انجام اندازه گیریهای درست و قابل اطمینان، به یکاهای اندازه گیری ویژهای نیاز داریم. این یکاها نباید تغییر کنند و علاوه بر آن، دارای قابلیت بازتولید در مکانهای مختلف باشند. دستگاه یکاهایی که اغلب مهندسان و دانشمندان از آن استفاده میکنند، با نام دستگاه متریک شناخته میشود.
این دستگاه یکاها از سال 1960 میلادی، بهطور رسمی، دستگاه بینالمللی (SI) نامیده شده است.
7 کمیت اصلی
در سال 1971 میلادی، مجمع عمومی اوزان و مقیاسها، 7 کمیت را به عنوان کمیت اصلی انتخاب کرد. این کمیتها، اساس دستگاه بینالمللی یکاها را تشکیل میدهند.
یکای این کمیتها را یکاهای اصلی مینامند. سایر یکاهای دیگر را که بر حسب یکاهای اصلی بیان میشوند، یکاهای فرعی مینامند.
وابستگی کمیتهای فیزیکی به یکدیگر
تعداد کمیتهای فیزیکی، آنچنان زیاد است که نعیین یکای مستقل برای همه آنها در عمل ناممکن است. خوشبختانه، بسیاری از کمیتهای فیزیکی مستقل از یکدیگر نیستند و توسط رابطهها و تعریفهای فیزیکی به یکدیگر وابستهاند. این وابستگی به ما کمک میکند تا لازم نباشد برای همه کمیتهای فیزیکی، یکای مستقل تعریف کنیم.
یکاهای پرکاربرد فرعی
در علوم سال نهم، تندی متوسط بهصورت نسبت مسافت به زمان تعریف شد. بیایید مسافت را که از جنس طول است، با یکای متر (m) و زمان را با یکای ثانیه (s) بیان کنیم. در این صورت یکای تندی متوسط در SI، متر بر ثانیه (m/s) خواهد شد. به این ترتیب، یکای فرعی متر بر ثانیه (m/s)، با یکاهای اصلی طول (m) و زمان (s) مرتبط میشود.
همانطور که در جدول میبینید برای برخی از یکاهای پرکاربرد فرعی، نامی مخصوص قرار دادهاند. مثلا یکای نیرو (kgm/s2) را نیوتون (N) میگویند. در این صورت گفته میشود: یکای SI نیرو، نیوتون است. معرفی یکاهای خاص در SI، ضمن احترام به فعالیتهای علمی دانشمندان گذشته، سبب سهولت در گفتار و نوشتار نیز میشود.
طول
به لحاظ تاریخی، در اواخر قرن هجدهم، یکای طول (متر) بهصورت یک ده میلیونیم فاصله استوا تا قطب شمال تعریف شد.
تا سال 1960 میلادی، فاصله میان دو خط نازک حکشده در نزدیکی دو سر میلهای از جنس پلاتین – ایریدیوم برابر یک متر تعریف میشد. این معیار زمانی صادق بود که میله در دمای صفر درجه سلسیوس قرار داشت. مجمع عمومی وزنها و مقیاسها در سال 1983 میلادی یک توافق جهانی انجام داد. بنابراین توافق، یک متر برابر مسافتی تعریف شد که نور در مدت زمان زیر، در خلاء طی میکند:
این تعریف، تخصصی است و برای اندازه گیریهای بسیار دقیق بهکار میرود.
در جدول پایین، مقادیر تقریبی برخی طولها را مشاهده میکنید.
پرسش 1-2
فرض کنید مطابق شکل پایین، یکای طول را بهصورت فاصله نوک بینی تا نوک انگشتان دست کشیدهشده بگیریم. این کار چه مزایا و چه معایبی دارد؟
مزایا: دسترسی به آن در همه جا امکانپذیر است.
معایب: مقدار این یکا ثابت نیست و از فردی به فرد دیگر تغییر میکند.
تمرین 1-1
الف) یکای نجومی برابر میانگین فاصله زمین تا خورشید است (1AU≈1/50*1011m). فاصله زمین (منظومه شمسی) تا نزدیکترین ستاره بعد از خورشید، بر حسب یکای نجومی چقدر است؟
مطابف جدول 1-3 فاصله منظومه شمسی تا نزدیکترین ستاره 4 * 1016m است. فاصله منظومه شمسی تا نزدیکترین ستاره برابر است با:
ب) مسافتی را که نور در مدت یک سال در خلا میپیماید، یک سال نوری مینامند. آن را با نماد ly نمایش میدهند. اختروشها دورترین اجرام شناختهشده از منظومه شمسی هستند و در دورترین محل قابل مشاهده کیهان قرار دارند. فاصله اختروشها از منظومه شمسی، 1/00*1026 متر برآورد شده است. این فاصله را بر حسب سال نوری بیان کنید. تندی نور را در خلا 3/00*108 متر بر ثانیه بگیرید.
مطابق جدول 1-3 یک سال نوری برابر 9*1015m است؛ پس داریم:
جرم
یکای جرم در SI، کلوگرم (kg) نام دارد. این یکا بهصورت جرم استوانهای فلزی از جنس آلیاژ پلاتین – ایریدیوم تعریف شده است. جرم این استوانه به دقت درون دو حباب شیشهای جای گرفته است. این استوانه فلزی، کیلوگرم استاندارد بینالمللی است که در موزه سِور فراسنه نگهداری میشود. نسخههای کاملا مشابهی از این نمونه ساخته و برای کشورهای دیگر ارسال شده است.
در علوم سال هفتم با ابزارهای اندازه گیری جرم آشنا شدید. مقادیر تقریبی برخی جرمها در جدول پایین آمده است.
زمان
در طول سالهای 1268 تا 1346 ه.ش، یکای زمان، ثانیه (s) بهصورت 1 تقسیم بر 86400 میانگین روز خورشیدی تعریف میشد. استاندارد کنونی زمان که از سال 1346 ه.ش بهکار گرفته شد، بر اساس دقت بسیار زیاد ساعتهای اتمی تعریف شده است. با این مقوله میتوانید در کتابهای پیشرفتهتر فیزیک آشنا شوید.
در بسیاری موارد نیاز به اندازهگیری مدت زمان بین شروع و پایان یک رویداد داریم. این مدت زمان را بازه زمانی مینامیم. مقادیر تقریبی برخی بازههای زمانی را در جدول 1-5 میتوانید مشاهده کنید.
فعالیت 1-2
در خصوص چگونگی اندازهگیری زمان از دوران باستان تا عصر حاضر مطالبی را بهطور مستند تهیه کنید.
*بخش زیادی از پاسخهای فعالیت 1-2 صفحه 9 فیزیک دهم، از سایتها و منابع آنلاین گردآوری شده است.
یکی از اولین ابزارهای سنجش زمان، ساعت آبی بوده است که احتمال داده میشود در ایران اختراع شده باشد. از حدود 4 هزار سال قبل، نشانههایی از سنجش زمان مشاهده شده است. در مصر، ایران، عراق، هند و تمدنهای قدیمی ابزارهایی پیدا شده که باستان شناسان میگویند برای سنجش زمان بوده است. امروزه دستگاه سنجش زمان را ساعت میگویند که مهمترین ابزار برای اندازهگیری زمان است. ساعت با فرم نوین 24 ساعتی از قرن پانزدهم رایج شد و در یک قرن گذشته، رواج عمومی پیدا کرده است.
حدود شش قرن قبل از میلاد، بابلیها در عصر امپراطوری دوم چند مورد ابداعی از خود بجای گذاشتند که امروزه نیز مورد استفاده کلیه کشورهاست. مرسوم داشتن هفت روز هفته و تعیین عدد پایه 60 برای ساعت، احتمالا از یادگاریهای تمدن میانرودان (بابلی) است. آنها باور داشتند که عدد 60 به اعداد 1، 2، 3، 5، 6، 10، 15، 20، 30 قابل تقسیم است. لذا، این عدد را پایه در نظر گرفته و مبنای تقسیمبندی ساعت قرار دادند. همچنین تقسیمبندی دایره به 360 درجه (مضربی از 60) از کارهای این قوم است.
استفاده از خورشید و آب، از شیوههای قدیمی سنجش زمان بوده است. انسانهای نخستین از سایه خورشید، با استفاده از ستونها و یا دیوارهها، زمان را تعیین میکردند.
ساعت آفتابی
بعضی از پژوهشگران بنایی معتقدند که «کعبه زرتشت»، برای تعیین و سنجش زمان با کمک خورشید و مهتاب است. در سالیان قبل تصور میشد کاربرد این بنا، نگهداری کتاب اوستا و اسناد حکومتی یا محل گنجینه دربار و یا آتشکده معبد بوده است. رضا مرادی غیاث آبادی با تحقیقات خود، ادعای جدیدی را مطرح کرد. نتیجه تحقیقات غیاث آبادی بهصورت زیر است:
این بنا در مقایسه با تمامی بناهای گاهشماری (تقویم) آفتابی در سرتاسر جهان، پیشرفتهترین، دقیقترین و بهترین بنای گاهشماری آفتابی جهان است. این در حالی است که تا قبل از این بنا هم «چارطاقیها» در نقاط مختلف ایران احداث شده بودند. چهارطاقیها همین وظیفه را با شیوههای بسیار ساده، اما دقیق و حرفهای بر عهده داشتند.
تمامی بناهای گاهشماری آفتابی در جهان، فقط میتوانند روزهای خاصی از سال (مانند روزهای سرفصل) را مشخص کنند. آنها حتی با سال خورشیدی هم تنظیم نیستند. کعبه زرتشت با دقت و علمی که در ساخت آن اجرا شده، قادر است بسیاری از جزئیات روزهای مختلف سال و ماهها را مشخص کند. زرتشتیان با استفاده از این بنا میتوانستند از زمان دقیق بسیاری از مناسبتها و جشنهای سال آگاه شوند. بسیاری از بناهای چهارطاقی در سطح کشور (به تصور آتشکده) یا به طور کامل تخریب شده و یا تغییر کاربری یافتهاند. خوشبختانه تعدادی هم مانند چارطاقی «نیاسر» و چارطاقی «تفرش»، سالم مانده و برای ما و نسلهای بعدی باقی ماندهاند.
ساعت خورشیدی یا اسطرلاب (استاریاب) از دوره صفوی در ایران رایج بوده است. در این ساعت میلهای عمودی بر سطح افقی نصب میشود. با اندازهگیری سایه آن میله، میتوان متوجه ساعت شد. اینگونه ساعتها در دربار شاهان و در مکانهای مذهبی استفاده میشد و نیاز به مدیریت انسان نداشت. با این حال کاربرد آن، فقط برای روزهای آفتابی و با مناسبتهای خاص بوده است. در ایران ساعت آفتابی معمولا همراه با استرلاب بوده و بعضی استرلابها میلهای برای تعیین ظهر شرعی داشتهاند.
ساعت شنی
ساعت شنی یا در اصطلاح ماسهای، یک نوع زمان سنج است که در قرن هشتم، توسط یک کشیش اختراع شد.
این ساعت از دو حباب شیشهای چسبیده به هم تشکیل شده که میان آنها، سوراخ باریکی وجود دارد. این سوراخ برای عبور شن یا ماسه تعبیه شده تا بهتدریج از حباب بالا به حباب پایین منتقل شود. با وارونه کردن ظرف، همین عمل دوباره تکرار میشود. با معلوم شدن تعداد دفعات جابجا شده شنها در حبابها، حدود تقریبی زمان بهدست میآمد. کاربرد ساعت شنی محدود است و بیشتر در روم باستان از آن استفاده میشد.
ساعت آبی
ساعت آبی انواع مختلفی داشته است، اما سادهترین و دقیقترین آن، ساعت آبی ایرانی پنگان یا فنجان است. این ساعت بر اساس دو ظرف و دست کم یک محاسبهگر انسانی و تعدادی سنگریزه یا تشله کار میکرد. پنگان (ساعت آبی) در دوره اسلامی، بنکام و فنجان هم نامیده میشد.
کالیستنس مورخ یونانی، در لشکرکشی اسکندر مقدونی به ایران همراه او بود . او در یادداشتی که بعداً با محاسبات تقویمی معلوم شد که متعلق به سپتامبر ۳۲۸ پیش از میلاد است، نوشته است:
در اینجا (ایران)، در دهکدهها آب را برحسب نوبت به کشاورزان برای آبیاری میدهند. یک فرد از میان آنان (کشاورزان) انتخاب میشود تا بر مدت زمان نوبت (و تقسیم زمانی سهام) نظارت داشته باشد. این فرد در کنار مجرای اصلی آب و محل انشعاب آن میان کشاورزان، بر سکویی مینشیند. او ظرفی فلزی را که سوراخ بسیار ریزی در آن تعبیه شده است، در ظرفی بزرگتر و پر از آب قرار میدهد. ابعاد سوراخ ظرف کوچک با دقت و طبق محاسبات قبلی درست شده است. پس از پر شدن یک یا چندباره ظرف کوچک، آب را قطع و آن را به جوی کشاورز دیگر باز میکند و این کار دائمی است. این وسیله (ساعت آبی) عدالت را برقرار کرده بود و مانع از نزاع کشاورزان بر سر آب میشد.
ساعت آبی یا آبکی مخصوصا نوع کاربردی آن در ایران با نام پنگان، ابزاری ساده و در عین حال بسیار دقیق، کارآمد و همیشگی بود. در زندگی کشاورزی جامعه ایران بهویژه مناطق کویری، کاربرد آن رایج بود و برای نظارت بر آن مدیر یا مدیران دائمی تعیین میشد. این ساعت حتی در زمانی که ساعتهای نوین تازه به بازار آمده بود، با آنها رقابت میکرد. کشاورزان حاضر به کنار گذاشتن آن و استفاده از ساعتهای نوین نبودند.
بر اساس بررسیهای اولیه، ساعت آبی در ایران دارای ثبت مکتوب و دست کم کاربرد ۲۴۰۰ ساله است.
ساعتهای نوین
با پیشرفت علم و دانش بشری، ساعتهای دقیقتر جای ساعتهای آبی، آفتابی و شنی را گرفتند. از این ساعتها میتوان موارد زیر را نام برد:
- مکانیکی
- وزنهای
- فنردار
- برقی
- باتری دار
- و کامپیوتری
انسانها از یک زمان به بعد توانستند از فنر جهت راه انداختن چرخهای دندانهدار استفاده کنند. این چرخها به ساعتشمار و دقیقه و حتی ثانیهشمار متصل هستند. با این کار سنجش دقیق زمان برای همه بهطور ساده امکانپذیر شد. در اوایل قرن شانزدهم اولین ساعت مچی آهنی که نسبتا زمخت بود، توسط یک آلمانی ساختهشد. اواخر قرن هجدهم با استفاده از فنر و چرخ دندانههای بسیار کوچک، امکان ساختن ساعتهای مچی ظریف فراهم شد. ساعتهای مچی شبیه ساعتهای امروزی، در کشور سوئیس از 1790 به بعد ساخته شد. این ساعتها با درج اعداد انگلیسی دقیقتر و شکیلتر شدند.
در میان سالهای 1865 تا 1868 بزرگترین و حجیمترین ساعت دیواری جهان، در کلیسای سن پیر در فرانسه نصب شد. این ساعت ارتفاعی 1.12 متری، عرضی 9.6 متری و ضخامتی 7.2 متری داشت. بزرگترین ساعت دیواری دنیا، دارای ۹۰۰۰۰ قطعه است. در مقابل ساعت دیواری فرانسوی، ظریفترین ساعت فقط 98 میلیمتر قطر دارد.
با استفاده از تکنولوژی امروزی میتوان انواع ساعت ظریف و دقیق مکانیکی، تمام الکترونیکی، کامپیوتری و حتی اتمی ساخت.
دقیقترین ساعت دنیا
دانشمندان دانشگاه کلرادو ساعتی ساختهاند که دقت آن، هر 5 میلیارد سال یک ثانیه است. این ساعت ممکن است هر 5 میلیارد سال یک بار، تنها 1 ثانیه خطا داشته باشد.
تبدیل یکاها
اغلب در حل مسئلههای فیزیک، لازم است یکای کمیتی را تغییر دهیم. ممکن است لازم باشد کیلوگرم (kg) را به میکروگرم (μg)، یا متر بر ثانیه (m/s) را به کیلومتر بر ساعت (km/h) تبدیل کنیم. این کار، با روش تبدیل زنجیرهای انجام میشود. در این روش، اندازه کمیت را در یک ضریب تبدیل (نسبتی از یکاها که برابر عدد یک است) ضرب میکنیم.
برای مثال، چون 1m برابر 100cm است، داریم:
هر دو کسر بالا را که برابر یک هستند، میتوان به عنوان ضریب تدبیل بهکار برد (ذکر یکاها در صورت و مخرج کسر الزامی است). ضرب کردن هر کمیت در عدد یک، اندازه آن کمیت را تغییر نمیدهد. از اینرو هرگاه ضریب تبدیلی را مناسب بدانیم، میتوان از آن استفاده کرد.
برای مثال، یکای cm را در 85cm، بهصورت زیر به یکای m تبدیل میکنیم:
در مثال پایین، تبدیل یکای کمیت 36km/h را بر حسب یکای m/s انجام میدهیم:
تمرین 1-2
در فیزیک، تغییر هر کمیت را نسبت به زمان، معمولا آهنگ آن کمیت مینامیم. فرض کنید از یک شیلنگ، آب با آهنگ 125cm3/s خارج میشود. این آهنگ را به روش تبدیل زنجیرهای، بر حسب یکای لیتر بر دقیقه (L/min) بنویسید. (هر لیتر معادل 1000 سانتیمتر مکعب است.)
فعالیت 1-3
خروار، من تبریز، سیر، مثقال، نخود و گندم از جمله یکاهای قدیمی ایرانی برای اندازهگیری جرم است. این یکاها بهصورت زیر به یکدیگر مرتبط هستند:
1 خروار = 100 من تبریز
1 من تبریز = 40 سیر = 640 مثقال
1 مثقال = 24 نخود = 96 گندم
با توجه به اینکه هر مثقال اندکی بیش از 4.86 گرم است، هر کدام از این یکاها را بر حسب گرم و کیلوگرم بیان کنید.
سازگاری یکاها
هر کمیت فیزیکی را با نماد مشخصی نشان میدهیم. برای مثال اندازه شتاب را با a و جرم را با m نشان میدهیم. برای بیان ارتباط بین کمیتهای فیزیکی هم از روابط و معادلهها استفاده میکنیم. یکی از این رابطههای فیزیکی، قانون دوم نیوتون، F=ma است. هنگام استفاده از این رابطه و جایگذاری اندازه هر کمیت در آن، باید به سازگاری یکاها در دو طرف رابطه توجه کنیم.
اگر بخواهیم حاصل دو طرف رابطه بر حسب یکاهای SI بیان شود، باید یکای کمیتهای داده شده را نیز به یکاهای SI تبدیل کنیم.
فرض کنید جرم جسمی 325g و شتاب آن 1.75m/s2 باشد. برای سازگاری یکاها در دو طرف معادله، باید یکای جرم جسم را به کیلوگرم تبدیل کنیم. در این صورت مقدار حاصل را میتوان بر حسب یکای نیوتون بیان کرد.
پیشوندهای یکاها
گاهی اوقات پیش میآید که در اندازهگیریها، با اندازههای بسیار بزرگتر یا بسیار کوچکتر از یکای اصلی آن کمیت مواجه میشویم. در این مواقع میتوانیم از پیشوندهایی که در جدول پایین آمدهاند، استفاده کنیم.
با مشاهده ضرایب تبدیل جدول در مییابیم که هر پیشوند، توان معینی از 10 را نشان میدهد. هر پیشوند بهصورت یک عامل ضرب بهکار میرود (به بزرگ و کوچک بودن حروف نمادها توجه کنید). وقتی پیشوندی به یکایی افزوده میشود، آن یکا در ضریب مربوطه ضرب میشود.
در قسمت پایین، دو مثال از کاربرد این پیشوندها را میبینید:
- یک میکرومتر (1μm) که به آن میکرون نیز میگویند، برابر 6-10×1 متر است.
- سه مِگاوات (3MW) برابر 106×3 وات است.
نمادگذاری علمی
در پارهای از اندازهگیریها با مقدارهای خیلی بزرگ یا خیلی کوچک سروکار داریم. مثلا برای نوشتن جرم زمین بر حسب کیلوگرم باید تعداد 22 صفر را بعد از عدد 598 بنویسیم. همچنین برای نوشتن جرم یک الکترون بر حسب کیلوگرم باید این کار را بکنیم. بعد از ممیز، 30 عدد صفر قرار میدهیم و پس از آن، عدد 9109 را مینویسیم.
نوشتن چنین عددهایی بهصورت اعشاری یا با صفرهای زیاد، علاوه بر دشواری در خواندن و نوشتن، احتمال اشتباه را نیز افزایش میدهد. بهترین کار استفاده از نمادگذاری علمی است. در این روش نوشتن و محاسبه مقدارهای خیلی بزرگ یا خیلی کوچک سادهتر میشود.
اندازه هر کمیت فیزیکی که بهصورت نمادگذاری علمی بیان میشود، باید شامل سه قسمت باشد. قسمتهای اول و دوم، در بر گیرنده حاصل ضرب عددی از 1 تا 10 در توان صحیحی از 10 است. در قسمت سوم نیز، یکای آن کمیت نوشته میشود.
برای آشنایی بیشتر با نمادگذاری علمی، مثالهای جدول 1-7 را با دقت ببینید.
مثال 1-1
مقدار بار الکتریکی الکترون 15-10×160 میکروکولن است. مقدار این بار را بر خسب کولن و با نمادگذاری علمی بنویسید.
پاسخ
با توجه به جدول 1-6، پیشوند میکرو (μ) برابر 6-10 است. به این ترتیب داریم:
پرسش 1-3
کدام گزینه جرم یک زنبور عسل (0/00015kg) را بهصورت نمادگذاری علمی درست بیان میکند؟
برای نمادگذاری علمی، حداقل باید یک عدد صحیح قبل از اعشار داشته باشیم. وقتی عدد 1 را از 0/00015 به پشت اعشار منتقل کنیم، در حقیقت چهار مرتبه جایگاه آن را تغییر دادهایم. با این حساب گزینه صحبح، 4-10×1/5 کیلوگرم میشود.
تمرین 1-3
با توجه به پیشوندهای یکاهای SI و نمادگذاری علمی، جدول زیر را کامل کنید.
جدول تمرین 1-3 صفحه 13 کتاب فیزیک دهم، بهصورت زیر تکمیل میشود:
فرم دریافت آموزش های ویدئویی فیزیک:
اگه تو هم میخوای کل فیزیکت رو تو کمترین زمان و با تدریس انیمیشنی مفهومی تستی مهندس شهاب نصیری جمع کنی؛ کافیه این فرم رو پر کنی و منتظر تماسمون باشی:
روی نمره 20 و درصد بالای 70 فیزیکت (مثل رتبه های برتر هر سالمون) حساب کن!
برای دسترسی به دیگر درسهای فصل 1 فیزیک 10، روی لینک های زیر کلیک کنید: