معرفی دستگاه بین المللی SI، چارچوب اندازه‌گیری استاندارد در فیزیک

مبحث اندازه‌گیری یکی از مباحث پایه و در عین حال مهم در آموزش صفر تا صد فیزیک به شمار می‌رود. بسیاری از سوالات و مسائل مهمی که حل آن‌ها برای اثبات یک نظریه یا تئوری مهم در فیزیک واجب می‌باشند، بدون وجود کمیت‌ها و یکاهای اندازه‌گیری بی‌پاسخ باقی می‌مانند.

موضوع اصلی شناخت انواع یکاهای اندازه‌گیری است که در جامعه‌ی علمی استفاده می‌شوند و در واقع زبان مشترک بین علوم مختلف می‌باشند.

یکاهای اندازه‌گیری انواع مختلفی داشته و می‌توان آن‌ها را در دسته‌ی یکاهای استاندارد و مشتق شده قرار داد. یکاهای استاندارد در دستگاه بین المللی SI که به عنوان دستگاه متریک نیز شناخته می‌شود قرار می‌گیرند.

این یکاها در اکثر کشورهای جهان به عنوان یکاهای اندازه‌گیری اصلی شناخته می‌شوند.

دستگاه بین المللی SI از اصلی‌ترین ابزاری است که برای حل مسائل پایه‌ی در فیزیک و پاسخ به مهم‌ترین سوالات در رشته‌های علمی دیگر مورد استفاده قرار می‌گیرد.

سیستم SI در یازدهمین کنفرانس عمومی اوزان که در سال 1960 برگزار شد مورد تصویب قرار گرفت؛ این سیستم در تمامی جوامع علمی با عنوان سیستم متریک و با کلمه‌ی مخفف شده‌ی SI شناخته می‌شود.

پیشرفت بسیار سریعی که در قرن‌های 19 و 20 در زمینه‌ی علم و فناوری رخ داد، باعث شد تا چندین سیستم اندازه‌گیری مختلف که دربردارنده‌ی یکاهای اندازه‌گیری گوناگون می‌باشند به وجود بیایند.

سیستم اولیه‌ای که به عنوان سیستم متریک بین المللی شناخته شد، سیستم MKS بود که یکاهایی از جمله متر، کیلوگرم و ثانیه را شامل می‌شد.

بعدها در سال 1984، سیستم CGPM به عنوان سیستم متریک بین المللی معرفی شد که سه یکای اضافی را شامل می‌شد؛ یکای اندازه‌گیری برای نیرو (نوتن)، یکایی که برای اندازه‌گیری توان (وات) مورد استفاده قرار می‌گرفت و یکای دیگری که برای اندازه‌گیری انرژی (ژول) به کار می‌رفت.

هر یک از این یکاها به نام دانشمندان و فیزیکدانان بزرگ جهان نامگذاری شدند.

معرفی دستگاه بین المللی SI، چارچوب اندازه‌گیری استاندارد در فیزیک

سیستم بین المللی SI، سیستم رسمی اندازه‌گیری در جهان

پس از معرفی چندین سیستم مختلف به عنوان سیستم‌های اندازه‌گیری، در سال 1960 سیستم بین المللی SI که بر اساس سیستم MKS طرح شده بود معرفی شد. این سیستم هفت یکای استاندارد و اصلی اندازه‌گیری را شامل می‌شود که سایر یکاهای فیزیکی که برای اندازه‌گیری‌های مختلف به کار می‌روند از این یکاهای استاندارد مشتق می‌شوند. یکاهای استانداردی که در سیستم بین المللی SI قرار می‌گیرند شامل موارد زیر هستند:

  • متر (برای اندازه‌گیری طول)
  • کیلوگرم (برای اندازه‌گیری جرم)
  • ثانیه (برای اندازه‌گیری زمان)
  • آمپر (برای اندازه‌گیری جریان الکتریکی)
  • کندلا (برای اندازه‌گیری شدت نور)
  • مول (برای اندازه‌گیری مقدار ماده)
  • کلوین (برای اندازه‌گیری دما)

برای هر یک از این یکاهای استاندارد فیزیکی، تعریفی مشخص وجود دارد که هر یک از این تعریف‌ها مورد تایید جوامع علمی مختلف در سراسر جهان می‌باشند و در حقیقت به عنوان زبان علمی مشترکی که توسط دانشمندان رشته‌های مختلف علمی استفاده می‌شوند به کار می‌روند.

متر یکای اندازه‌گیری طول، به عنوان مسافتی که نور در خلاء در  1/299,792,458 ثانیه طی می‌کند تعریف می‌شود.

هر کیلوگرم به عنوان یکای اندازه‌گیری جرم، برابر با 1000 گرم می‌باشد؛ این یکا نخستین بار به عنوان کیلوگرم پلاتین-ایریدیوم در دفتر بین المللی اوزان و اندازه‌ها در فرانسه به رسمیت شناخته شد.

ثانیه یکای اندازه‌گیری زمان، دوره‌ی انتقال هر یک از ذرات و اتم‌های مواد را نشان می‌دهد.

آمپر یکای اندازه‌گیری جریان الکتریکی، به عنوان جریان تولید شده توسط دو سیمی که در فاصله‌ی یک متری از یکدیگر در خلاء قرار دارند تعریف می‌شود.

مول یکای اندازه‌گیری مقدار ماده، به عنوان تعداد اتم‌های موجود در 0.012 کیلوگرم کربن 12 موجودات بنیادی تعریف می‌شود.

در 20 می 2019، یکاهای استاندارد کیلوگرم، آمپر، مول و کلوین بر حسب ویژگی‌های کمیت‌های فیزیکی استاندارد باز تعریف شدند و از این طریق یکاهای مشتق شده از یکاهای اصلی به وجود می‌آمدند.

سیستم بین المللی SI، سیستم رسمی اندازه‌گیری در جهان

یکاهای مشتق شده سیستم SI

یکاهای سیستم SI، پایه و اساس اندازه‌گیری در فیزیک هستند؛ این یکاها ریشه‌ی تولید یکاهای فرعی می‌باشند و در واقع این یکاها، مشتق شده‌ی یکاهای استاندارد SI می‌باشند. یکاهای مشتق شده بر خلاف یکاهای اصلی فیزیکی تعداد نامحدودی دارند؛ چرا که از طریق عملیات‌های مختلفی که بر روی یکاهای پایه انجام می‌شود، به دست می‌آیند. برای هر یک از یکاهای مشتق شده، ویژگی‌های بر حسب ویژگی‌های یکاهای پایه بیان می‌شود. این یکاها ممکن است ترکیبی از یک یکای پایه و مشتق باشند. از جمله یکاهای مشتق شده بر حسب یکاهای استاندارد سیستم SI، می‌توان به یکای اندازه‌گیری حرکت (کیلوگرم متر بر ثانیه)، یکای اندازه‌گیری میدان مغناطیسی (تسلا)، یکای اندازه‌گیری گرما (ژول) و یکای اندازه‌گیری سرعت (متر بر ثانیه) اشاره کرد. به طور کلی کمیت‌های فیزیکی مختلفی وجود دارند که به عنوان ابزاری برای خلق کمیت‌ها و یکاهای مختلف دیگر مورد استفاده قرار می‌گیرند. شناخت یکاهای SI، اولین گام برای پیشرفت در چارچوب علم فیزیک و تسلط بر مطالب گسترده‌ای این علم جهانی می‌باشد.

یکاهای مشتق شده سیستم SI

مزایای آشنایی با سیستم SI و یکاهای استاندارد

سوالات مختلفی در رابطه با یکاهای استاندارد سیستم SI وجود دارد که ممکن است در ذهن هر یک از علاقمندان به مطالعه‌ی مفاهیم علم فیزیک به وجود بیاید.

رسیدن به پاسخ هر یک از این سوالات، مهم‌ترین مزایای آشنایی با سیستم SI به شمار می‌روند. هر یک از هفت یکای سیستم بین المللی اندازه‌گیری SI، دارای ویژگی‌هایی قابل درک می‌باشند و این باعث می‌شود تا درک مطالب و مباحث مهم فیزیک راحت‌تر شود.

آشنایی یا یکاها و توضیحات آن‌ها به علم جویان کمک می‌کند تا در مورد موضوعات مختلف علمی، به نتایج عمیق‌تر دست پیدا کرده و بهتر ایده پردازی کنند.

آشنایی با ویژگی‌های هر یک از یکاهای اندازه‌گیری فیزیکی به افراد کمک می‌کند تا مفاهیم را خیلی راحت‌تر و بهتر یاد گرفته و در به ذهن سپردن آن‌ها قوی‌تر عمل کنند.

اهمیت سیستم متریک یا SI در همینجا مشخص می‌شود؛ این سیستم دقیق‌ترین استانداردها را تعیین کرده و معیار اصلی برای اندازه‌گیری‌های دقیق را مشخص می‌کند.

در نظر داشتن ویژگی‌های این سیستم، روش تبدیل یکاها را بسیار ساده می‌سازد. لازم به ذکر است که در سیستم SI از پیشوندهای لاتین و یونانی استفاده می‌شود که هر یک از این پیشوندها، به اعداد مختلف اشاره دارند.

علاوه بر آن بدون این که به فاکتورها و ابزار تبدیل نیاز باشد، امکان مشتق گرفتن از یکاهای SI برای حل مسائل و یافتن پاسخ مهم‌ترین سوالات وجود دارد.