کاربرد یکاهای مختلف در فیزیک

یکی از اصلی‌ترین اهداف آموزش فیزیک و مطالعه‌ی مفاهیم این علم، آگاهی محققان و علاقمندان از علت رخداد پدیده‌های مختلف در جهان برای درک اصول و قواعد اساسی این علم می‌باشد.

ابزار اصلی که برای مطالعه‌ی مفاهیم این علم مورد استفاده قرار می‌گیرند، یکاها و کمیت‌های مختلف هستند.

کلیه‌ی کمیت‌های مورد استفاده در این شاخه‌ی علمی را می‌توان به دو گروه تقسیم بندی کرد؛ کمیت‌های اصلی و فرعی.

سوال این است که این کمیت‌ها کدامند و هر یک چه ویژگی‌هایی دارند؟ در واقع یکاها واحدهای مورد استفاده برای اندازه‌گیری کمیت‌ها می‌باشند.

شرط اصلی برای تعریف یک مولفه به عنوان یکای اندازه‌گیری، عدم تغییر یکا می‌باشد. علاوه بر آن یکای مورد نظر باید در هر شرایط فیزیکی در دسترس بوده و امکان استفاده از آن وجود داشته باشد.

هنگامی که در مطالعه‌ی مفاهیمی همچون نجوم و مطالب مرتبط با کهکشان‌ها سوالاتی درباره‌ی فاصله‌ی خورشید تا زمین، سرعت حرکت نور، جرم اتم‌ها و الکترون‌ها و سایر قواعد مهم مرتبط با شاخه‌های مختلف مطالعاتی علم فیزیک به ذهن ما می‌رسد، اهمیت ناشی از یکاها و کمیت‌ها برای رسیدن به پاسخ این سوالات را می‌فهمیم.

از زمان‌های دور انسان‌ها اندازه‌گیری مقادیر مختلف با استفاده از روش‌های سنتی که در آن دوره مرسوم بود را شروع کردند. با پیشرفت علم و روی کار آمدن روش‌ها و ابزار جدید، اندازه‌گیری‌ها به شکلی دقیق‌تر انجام می‌شوند.

به طور کلی در صورتی که امکان اندازه‌گیری یک کمیت وجود داشته باشد، کمیت مورد نظر یک کمیت فیزیکی می‌باشد. برای اندازه‌گیری یک کمیت، از یکاهایی استفاده می‌شود که از جنس همان کمیت هستند.

کاربرد یکاهای مختلف در فیزیک

یکاهای اندازه‌گیری اصلی و فرعی در فیزیک

یکاهای اندازه‌گیری استاندارد یا اصلی در واقع همان یکاهایی هستند که دارای مقادیری ثابت می‌باشند و با تغییر یافتن موقعیت فیزیکی، تغییری در مقدار آن‌ها به وجود نمی‌آید. مثلا دقیقه یک یکای اندازه‌گیری برای زمان می‌باشد و در هر جای دنیا دقیقه مدت زمانی یکسان را نشان می‌دهد؛ یک دقیقه برابر با شصت ثانیه می‌باشد و این موضوع با تغییر وضعیت، هیچ تغییری نخواهد کرد.

در هر کشوری که باشیم، یک دقیقه دارای زمانی ثابت است و با تغییر وضعیت خود، نمی‌توان تغییری در این مورد ایجاد کرد. لذا می‌توان از ثانیه به عنوان یکای اندازه‌گیری اصلی یا استانداردی یاد کرد که زمان را اندازه‌گیری می‌کند.

اهمیت یکاهای اصلی بسیار زیاد است؛ چرا که جهت این که اندازه‌گیری‌ها به شکل درست و کاملا یکنواخت انجام شوند، لازم است تا از یکاهای استاندارد یا اصلی استفاده شود.

یکاهای فیزیکی که به عنوان یکای اصلی تعریف می‌شوند، از یک سری ویژگی‌های مشخص برخوردار هستند که با توجه به این ویژگی‌ها می‌توان آن‌ها را دسته بندی کرد؛ یکاهای اصلی بسیار دقیق هستند و می‌توان آن‌ها را مکررا به کار برد.

این یکاها مقادیر ثابت دارند و با تغییر شرایط فیزیکی، هیچ تغییری در مقدار آن‌ها ایجاد نمی‌شود. در مقابل این یکاها، یکاهای فرعی قرار می‌گیرند و مشتقی از یکاهای اصلی یا استاندارد شده می‌باشند.

در واقع یک سری کمیت‌های خاص وجود دارند که امکان توصیف آن‌ها براساس ویژگی‌های کمیت‌های دیگر وجود ندارد؛ این کمیت‌ها به عنوان کمیت بنیادی شناخته می‌شوند.

طول، جرم، زمان، جریان الکتریکی، دما و شدت نور از جمله کمیت‌های بنیادی هستند؛ برای اندازه‌گیری این کمیت‌ها از یکاهای بنیادی یا اصلی استفاده می‌شود.

حجم، سرعت و... کمیت‌های نیز مشتق شده یا فرعی می‌باشند که می‌توان برای اندازه‌گیری آن‌ها از یکاهای فرعی استفاده کرد.

یکاهای اندازه‌گیری اصلی و فرعی در فیزیک

تفاوت بین یکاهای اصلی و فرعی در فیزیک

همانطور که گفتیم سرعت یک کمیت فیزیکی فرعی یا مشتق شده می‌باشد که برای اندازه‌گیری آن، از یکای فرعی استفاده می‌شود. سرعت به عنوان یک کمیت مشتق شده، با استفاده از کمیت‌های بنیادی یعنی طول و زمان به دست می‌آید؛ برای اندازه‌گیری سرعت نیز، از یکای فرعی متر بر ثانیه استفاده می‌شود که یکایی مشتق شده می‌باشد. با توجه به مفاهیم ذکر شده می‌توان به تفاوت‌هایی که بین کمیت‌های فیزیکی اصلی و فرعی وجود دارند پی برد؛ کمیت‌های بنیادی اصلی‌ترین کمیت‌ها هستند که از سایر کمیت‌ها مستقل می‌باشند و در مقابل کمیت‌های مشتق شده بر حسب کمیت‌های بنیادی به دست می‌آیند. برای اندازه‌گیری هر یک از کمیت‌های بنیادی یا مشتق شده، چندین یکای فیزیکی وجود دارد که از جمله این یکاها می‌توان به C.G.S، F.P.S، M.K.S، و یکای اندازه‌گیری بین المللی SI اشاره کرد. در ادامه هر یک از این یکاهای اندازه‌گیری کمیت‌های فیزیکی را به طور دقیق معرفی می‌کنیم.

یکاهای C.G.S:

این سیستم اندازه‌گیری، دربردارنده‌ی یکاهایی همچون سانتی‌متر، گرم و ثانیه می‌باشد و در واقع یک سیستم اندازه‌گیری فرانسوی است. از این یکاها برای اندازه‌گیری کمیت‌هایی مثل طول، جرم و زمان استفاده می‌شود.

یکاهای F.P.S:

سیستمی تشکیل شده از یکاهای اندازه‌گیری پا، پوند و ثانیه می‌باشد که توسط فیزیکدانان بریتانیایی ابداع شده است. از این سیستم نیز برای اندازه‌گیری کمیت‌هایی همچون طول، جرم و زمان استفاده می‌شود.

یکاهای M.K.S:

این سیستم اندازه‌گیری، یکاهایی همچون متر، کیلوگرم و ثانیه را در بر می‌گیرد و سیستمی ابداع شده توسط فیزیکدانان فرانسوی می‌باشد. در این سیستم یکاهای اندازه‌گیری اساسی مثل متر، کیلوگرم و ثانیه قرار دارند. از این سیستم با عنوان سیستم متریک واحدها نیز یاد می‌شود که تشابه زیادی با سیستم C.G.S دارد.

یکاهای SI:

یکی از معروف‌ترین سیستم‌های اندازه‌گیری که در سطح بین الملل مورد تایید قرار داشته و توسط فیزیکدانان در سراسر جهان استفاده می‌شود، سیستم یکاهای اندازه‌گیری SI است. این سیستم در سال 1960 به عنوان سیستم بین المللی یکاهای اندازه‌گیری SI نامگذاری شد. در این سیستم هفت یکای اندازه‌گیری به عنوان یکای اصلی و سه یکای دیگر به عنوان یکاهای فرعی قرار می‌گیرند. یکاهای اصلی این سیستم شامل متر برای اندازه‌گیری طول، کیلوگرم برای جرم، ثانیه برای زمان، کلوین برای دما، آمپر برای جریان الکتریکی، کندلا برای شدت نور و مول برای مقدار ماده می‌باشند. یکاهای فرعی این سیستم نیز شامل رادیان برای اندازه‌گیری زاویه، استرادیان برای اندازه‌گیری زوایای جامد و بکرل برای اندازه‌گیری رادیواکتیویته می‌باشند.

تفاوت بین یکاهای اصلی و فرعی در فیزیک

چرا به یکاهای اندازه‌گیری نیاز داریم؟

یکاهای اندازه‌گیری در مطالعه‌ی فیزیک کاربردی مهم داشته و شناخت آن‌ها از ضرورت بالایی برخوردار است. در صورت عدم دسترسی به یکاهای اندازه‌گیری، سردرگمی‌های بسیاری در انجام مطالعات و تحقیقات پیش می‌آید؛ برای مثال در صورتی که یکاهای اندازه‌گیری اصلی در دسترس نباشند، اتلاف وقت و انرژی بسیاری در حل مسائل و انجام تحقیقات به وجود می‌آید؛ چرا که برای اندازه‌گیری یک کمیت فیزیکی، لازم است تا یک یکا را به یکاهای دیگر تبدیل کنیم و با توجه به زمان طولانی انجام این کار، نتایج محاسبات و تحقیقات در مدت زمانی بسیار طولانی به دست می‌آیند. می‌توان گفت که وجود یکاهای اندازه‌گیری، مسیر را برای رسیدن به پاسخ بسیاری از مسائل مهم کوتاه‌تر می‌سازد.