بحث في القياس في الفيزياء، علم الفيزياء متنوع للغاية ، والذي يبحث في مجمله عن ظواهر الحياة التي يعيشها الإنسان والعمليات التي تدور حوله ، بدءًا من قوانين الحركة التي يمثل كل ما يدور حولنا ، إلى القوانين الفيزيائية التي تمثل الأشياء المقاسة عقليًا ، وعملية القياس هي إحدى هذه العمليات الفيزيائية المهمة ، والتي قد تقيس مسافة على الأرض ، أو قد نقيس المسافة في الوقت المناسب ، وفي مقالتنا اليوم عبر موقعنا سنجري هذا البحث المادي المهم على عملية القياس ونتوسع فيه كل شيء عن هذا البحث.
مقدمة حول القياس
منذ العصور القديمة ، استخدم الناس عدة طرق لقياس المواد التي يتعاملون معها ، وفقًا لمعرفتهم المحلية والأدوات المتاحة في العصور التي عاشوا فيها. في العصور القديمة ، استخدم الناس أجزاء مختلفة من الجسم لقياس الطول مثل طول اليد والذراع ، وكان هذا مثالاً على أحد المعايير التي استخدمها أجدادنا في قياس الكميات ، ومع تقدم العصر ، وابتكار التقنيات الحديثة في علم الفيزياء ، فقد فهم أوسع لمفهوم الكميات وقياسها ، بحيث يتم استبدال المعايير التقليدية للقياس بعلوم علمية يحكمها المنطق والعقل والقوانين والنظريات العلمية البحتة ، ونتيجة لذلك لدينا ما يسمى بعلم القياس وأنواعه وأدواته ووحداته ، وهذا ما سيكون محور هذا البحث المادي المهم.
ناقش قوانين الغازات في الكيمياء
بحث عن القياس في الفيزياء
تعتبر عملية القياس من أقدم العمليات التي قام بها الإنسان القديم ، والتي كانت محور بحثه على مدى فترة طويلة من الزمن ، وفي ظل قوانين المقاييس الحديثة التي نشأت في ثورة العلم الحديث ، مناقشة القياس أصبحت من أهم الأبحاث في الحياة ، لما لها من عمليات مرتبطة بعلوم أخرى مستندة في بحثها العلمي إلى هذا العلم المهم ، وكتفسير علمي لهذا الشرح الشامل لعملية القياس ، سنبدأ مناقشتنا مع تعريف المترولوجيا وتوضيح مفهوم عملية القياس والتعمق في تفاصيل أدواتها ووحداتها والأخطاء التي يمكن أن تحدث فيها.
علم القياس
علم المترولوجيا ، أو ما يعرف بالمترولوجيا ، هو العلم الذي يشمل كلا من التحديدات التجريبية والنظرية على أي مستوى من عدم اليقين ، وفي أي مجال من مجالات العلوم والتكنولوجيا ، وفي شكل أبسط ، هو العلم الذي يشمل الوحدات القياس ومعاييرها وأدوات القياس ومجال تطبيقها بالإضافة إلى جميع الجوانب النظرية والعملية المتعلقة بالقياس ، ويحتوي هذا العلم على ثلاث كميات أساسية وهي الطول والكتلة والوقت ، مع إمكانية اشتقاق الكل الكميات الميكانيكية الأخرى مثل المساحة والحجم والتسارع والقوة ، بالإضافة إلى أخذ قياسات الكميات الكهرومغناطيسية ودرجة الحرارة وشدة الإشعاع.
فروع علم القياس
وفقًا لما حدده المكتب الدولي للأوزان والمقاييس BIPM ، يمكن تقسيم علم القياس إلى ثلاثة حقول فرعية هي:
- المترولوجيا القانونية: والتي تتعلق بالمتطلبات التنظيمية للقياسات المعمول بها وأدوات القياس لحماية المستهلك والتجارة العادلة.
- علم القياس التطبيقي: في ذلك ، تم تطوير علم المقاييس نحو التصنيع والعمليات الأخرى ، مما يضمن ملاءمة أدوات القياس ومعايرتها ومراقبة الجودة.
- المترولوجيا العلمية: إنه أساس جميع الحقول الفرعية ، ويرتبط بتطوير طرق قياس جديدة ، وتحقيق معايير القياس ، ونقل هذه المعايير إلى المستخدمين.
يتم تنسيق نشاط القياس من قبل المختبرات الوطنية ، مثل المعهد الوطني للمعايير والتكنولوجيا NIST ومقره في الولايات المتحدة الأمريكية ، والمعهد الوطني للقياس والجودة والتكنولوجيا Inmetro ومقره في البرازيل.
تعريف عملية القياس
بعبارات بسيطة ، يتم تعريف عملية القياس على أنها عملية إيجاد الطول أو الحجم أو الكمية للمادة ، بينما يتم تعريف عملية القياس ماديًا ، كعملية يتم من خلالها ربط الأرقام بالكميات المختلفة والظواهر الفيزيائية المعروفة ، أو هي عملية تحديد قيمة كمية غير معروفة من خلال مقارنتها ببعض المعايير الفيزيائية التي تم تحديدها ودراستها مسبقًا ، وبما أن القياس عبارة عن مجموعة من البيانات الكمية والرقمية التي تصف خاصية كائن أو حدث ، فإن القياس تتم من خلال مقارنة كمية بوحدة قياسية ، وهذه العملية التي يتم فيها إجراء القياس ، والتي تسمى علم القياس ، هي نتيجة جهد كبير قام به علماء الفيزياء على مدى عصور طويلة من العمل الشاق في أبحاث المقاييس ، وفي بالتناوب وفترات طويلة من الزمن.
أنواع القياس
تصنف أنواع القياس بناءً على البيانات المقدمة للقياس ، والبيانات عبارة عن مجموعة من القياسات أو الملاحظات ، والتي تنقسم إلى نوعين مختلفين ، وهما:
- البيانات النوعية: ويشير إلى معلومات حول الصفات أو المعلومات التي لا يمكن قياسها ، وعادة ما تكون وصفية ونصية ، مثل لون عيون الشخص أو نوع السيارة التي يقودها ، إلخ.
- البيانات الكمية: ولها عدة أسماء أخرى مثل البيانات العددية أو المعيارية وغيرها ، وبشكل عام تستخدم هذه البيانات لتحديد المعلومات التي يمكن عدها مثل كميات المسافة والسرعة والطول والوزن وغيرها.
خصائص القياس
وهو الأساس الذي بنيت عليه وحدات القياس ، ويتضمن ما يلي:
- هوية: مما يدل على أن كل قيمة ، سواء كانت نوعية أو كمية ، لها معنى فريد خاص بها.
- مقاس: مما يعني أن القيم لها علاقة مرتبطة ببعضها البعض ، وبالتالي هناك ترتيب محدد للمتغيرات.
- فترات زمنية متساوية: هذا يعني أن نقاط البيانات على طول المقياس متساوية ، على سبيل المثال ، سيكون الفرق بين نقطتي البيانات الأولى والثانية هو نفسه الفرق بين نقطتي البيانات الخامسة والسادسة.
- الحد الأدنى لقيمة الصفر: وهذا يعني أن المقياس يحتوي على نقطة صفر حقيقية ، مثل درجات الحرارة ، حيث يمكن أن ينخفض إلى ما دون الصفر ويظل له معنى ، في حين أن هذا لا ينطبق على الوزن ، لذا فإن أي شيء أقل من الصفر ليس له وزن.
طرق القياس
يتم اعتماد طرق قياس مختلفة بناءً على الدقة المطلوبة ومقدار الخطأ المسموح به ، ويمكن تصنيف طرق القياس على النحو التالي:
- طريقة القياس المباشر: وهي طريقة بسيطة للقياس مثل استخدام المقاييس المعروفة.
- طريقة القياس غير المباشر: حيث يتم الحصول على قيمة الكمية المراد قياسها عن طريق قياس الكميات الأخرى المرتبطة وظيفيًا بالقيمة المطلوبة ، مثل قياس الزاوية بشريط الجيب.
- الطريقة المطلقة أو الأساسية: ويعتمد على قياس الكميات الأساسية المستخدمة لتحديد الكمية.
- طريقة المقارنة: حيث تتم مقارنة قيمة الكمية المراد قياسها بالقيمة المعروفة لنفس الكمية أو الكمية الأخرى المرتبطة بها ، مثل مؤشرات الاتصال.
- طريقة التحويل: إنها طريقة قياس عن طريق المقارنة المباشرة ، وكمثال ، تحديد الكتلة عن طريق التوازن والأوزان المعروفة باستخدام وزن Gauss المزدوج.
- طريقة الصدفة: إنها طريقة قياس تفاضلية يتم فيها تحديد فرق صغير جدًا بين قيمة الكمية المراد قياسها والمرجع ، من خلال ملاحظة تطابق خطوط أو إشارات معينة ، على سبيل المثال ، القياس بواسطة رينيه كاليبر ميكرومتر.
- طريقة الانحراف: حيث يتم الإشارة إلى قيمة الكمية المراد قياسها مباشرة بانحراف مؤشر على مقياس معاير.
- الطريقة التكميلية: حيث يتم دمج قيمة الكمية المراد قياسها مع قيمة معروفة لنفس الكمية ، كمثال لتحديد حجم مادة صلبة عن طريق الإزاحة السائلة.
- طريقة الاستبدال: إنها طريقة للمقارنة المباشرة ، حيث يتم استبدال قيمة الكمية المراد قياسها بقيمة معروفة لنفس الكمية ، بحيث يتم تحديد التأثيرات الناتجة في جهاز البيان من خلال هاتين القيمتين.
- طريقة القياس الفارغة: وتعرف بطريقة القياس التفاضلي ، حيث يصل الفرق بين قيمة الكمية المراد قياسها والقيمة المعروفة لنفس الكمية التي يتم مقارنتها إلى الصفر.
وحدات القياس في الفيزياء
يتم تعريف وحدات القياس على أنها المعيار الذي يتم من خلاله القياس ، وهناك نوعان شائعان من وحدات القياس ، وهما:
- النظام الدولي للوحدات SI: هو نظام القياس الأكثر استخدامًا والشكل الحديث للنظام المتري ، ويستخدم في العلوم والصناعة والطب والتجارة وكافة المجالات ، وهو النظام الموحد عالميًا لوحدات القياس ، ويقوم هذا النظام على سبع وحدات أولية ، وهي الجرام للكتلة أو الوزن ، والثانية للوقت ، والكلفن أو درجة الحرارة ، والأمبير للتيار الكهربائي ، والمول لكمية المادة ، والشمعدان أو الشمعدان لشدة الضوء ، و عداد المسافة حيث يحدد هذا النظام عشرين بادئة لرمز الوحدة واسمها لتوضيح المضاعفات والكسور لكل وحدة.
- النظام الإمبراطوري: هو الأقل استخدامًا ، فهو يقتصر على عدة دول ، مثل المملكة المتحدة والولايات المتحدة الأمريكية وبعض الدول المتناثرة ، والتي تضم وحدات مثل الجالونات والأقدام والأميال والساحات والجنيهات ، وبشكل عام النظام الإمبراطوري يستخدم للقياسات اليومية في أماكن قليلة ، ولكن في معظم أنحاء العالم ، بما في ذلك أوروبا وفي جميع الدوائر العلمية ، يشيع استخدام نظام SI.
أدوات القياس في الفيزياء
أدوات القياس هي أداة تستخدم لقياس قيمة الوحدة للكمية ، وتختلف الأداة حسب القيمة المقاسة ، مثل الوزن ودرجة الحرارة والطول والوقت وما إلى ذلك ، وكمثال توضيحي لأدوات القياس ، إذا نريد قياس طول قطعة من الورق باستخدام المسطرة ، وهذا يعني أن الكمية المقاسة هنا هي الطول وأداة القياس هي المسطرة ، وهناك أنواع مختلفة من أدوات القياس التي لها وظائف مختلفة أيضًا ، ونحن سوف نتعرف عليهم ضمن الوحدات السبع الأساسية للنظام الدولي للوحدات:
- أدوات قياس الطول والمسافة: مثل مسطرة المدرسة بمقاساتها المختلفة ، والشريط المتري وهو عبارة عن شريط متدرج ملفوف على شكل بكرة ويوضع داخل صندوق ، تتراوح مقاساته من 5 أمتار حتى 50 مترًا ، بالإضافة إلى القياس العجلة المستخدمة من قبل المساحين ، …