اگر به دنبال رد پای فیزیک در زندگی خود باشید لازم نیست به جای خیلی دوری بروید . زیرا فیزیک با زندگی روزانه ما عجین شده است . وسایل برقی ، خوردو ها ، گوشی های تلفن همراه و بسیاری از وسایل و ابزار های ساخته شده در اطراف ما با بهره گیری از اصول و قانون های فیزیکی ساخته شده اند . در حقیقت فیزیک علمی است که بررسی پدیده های گوناگون می پردازد و تلاش میکند تا آنان را به زبان ریاضیات  علم اعداد بیان بکند .

بخش 1-1 : فیزیک دانشی بنیادین

فیزیک از بنیادی ترین دانش ها و شالوده تمامی مهندسی ها و فناوری هایی است که بطور مستقیم یا غیر مستقیم در زندگی ما نقش دارند .

فیزیک دانان پدیده های گوناگون را مشاهده کرده و تلاش میکنند تا الگوها و نظم های خاص میان این پدیده ها را بیابند . دانشمندان فیزیک برای توصیف و توضیح پدیده ها ، اغلب از قانون ، مدل و نظریه فیزیکی استفاده میکنند. از آنجایی که فیزیک علمی تجربی است لازم است قوانین مدلها و نظریه  های فیزیکی توسط آزمایش مورد آزمون قرار بگیرند.

مدلها و نظریه های فیزیکی در طول زمان همواره معتبر نیستند و همواره این امکان وجود دارد که نتایج آزمایش های جدید منجر به بازنگری مدل یا نظریه ای شود یا حتی ممکن است نظریه های جدید با آنها جایگزین شوند .

آزمایش  مشاهده در فیزیک اهمیت زیادی دارد اما تفکر نقادانه و اندیشه ورزی فعال از آن مهم تر است . بطور کلی ویژگی آزمون پذیری و اصلاح نظریه های فیزیک نقطه قوت دانش فیزیک است .

بطور مثال نظریه اتمی در طول زمان بارها مورد بازنگری قرار گرفت که در شکل زیر روند این تغییرات را میبینید :

تغییر مدل اتمی در طول زمان

بخش 1-2 مدلسازی در فیزیک :

پدیده هایی مانند افتادن برگ درخت ، پرتاب توپ و .... ممکن است برای ما عادی شده باشد اما بررسی و تحلیل آن ها در فیزیک با پیچیدگی هایی همراه است . مدل سازی در فیزیک فرآیندی است که طی آن یک پدیده فیزیک ، آنقدر ساده و آرمانی می شود تا امکان بررسی و تحلیل آن فراهم شود .

توجه دارید که در مدل سازی یک پدیده فیزیک باید اثر های جزیی را نادیده بگیریم نه اثر های مهم و تعیین کننده را .

مثلا در شکل زیر حرکت یک توپ بسکتبال در هوا و مدل آرمانی این حرکت را می بینید :

 مدل آرمانی توپ بسکتبال

بخش 1-3 اندازه گیری و کمیت های فیزیکی :

اساس تجربه و آزمایش اندازه گیری است . در فیزیک به هر چیزی که بتوان آن را اندازه گرفت ، کمیت فیزیکی میگوییم . مانند : طول جرم تندی نیرو و زمان سقوط یک جسم .

برای بیان برخی از کمیتهای فیزیک تنها از عدد و یکای مناسب آن استفاده میشود . به این گونه کمیتها کمیت نرده ای میگویند . مانند جرم و طول

برای بیان برخی از کمیت های ذدیگر علاوه بر عدد و یکای مناسب لازم است به جهت آن نیز اشاره کنیم . به این گونه کمیتها برداری میگویند . مانند جابجایی ، سرعت ، شتاب ، نیرو.

شکل زیر طرحواره ای از نمایش صحیح کمیتهای برداری و نرده ای را نشان می دهد :

کمیب های برداری   کمیت های نرده ای

بخش 1-4 : اندازه گیری و دستگاه بین الممللی یکاها

یکاهای استاندار یکاهایی هستند که :

  1. تغییر نکنند .
  2. قابلیت بازتولید رد مکان های مختلف را داشته باشند .

دستگاه یکاهایی که امروزه بیشتر مهندسان بکار میبرند را دستگاه متریک مینامند که این دستگاه از سال 1960 میلادی به طور رسمی دستگاه بین المللی SI نامیده شده است .

در سال 1971ذمیلادی مجمع عمومی اوزان و مقیاس ها هفت کمیت را به عنوان کمیت اصلی انتخاب کرد . این هفت کمیت را نام و نماد یکای آنها در در جدول زیر می بینید :

کمیت های اصلی و یکای آنها

یکای این کمیتها را یکاهای اصلی می نامند . سایر یکاهای دیگر را که بر حسب یکاهای اصلی بیان می شوند ، یکای فرعی می نامند . خوشبختانه بسیاری از یکاها به سبب رابطه ها و تعریف های فیزیکی به هم وابسته اندو در عمل نیاز نیست برای همه کمیتها ، یکای مستقل تعریف کنیم .

در جدول زیر نمونه ای از این کمیتها و یکاهای آنها را میبینید :

یکاهای فرعی

همانطور که در این جدول میبینید برای برخی از یکاهای پرکاربرد فرعی نامی مخصوص قرار داده اند . مثلا یکای نیرو را نیوتون نامیده اند . در این صورت گفته می شود یکای SI نیرو ، نیوتون است . معرفی این یکاهای خاص در SI ضمن احترام به فعالیتهای علمی دانشمندان گذشته ، سبب سهولت در گفتار و رفتار نیز می شود .

اکنون به بررسی تاریخچه سه یکای جرم و طول و زمان بپردازیم :

طول :در ابتدا یکای طول بصورت یک ده میلیونیوم فاصله استوا تا قطب شمال تعریف شد . سپس فاصله میان دو خط نازک حک شده در نزدیکی دو سر میله ای از جنس ایریدوم پلاتین وقت میله در دمای صفر درجه سلسیوس قرار داشت برابر یک متر تعریف شده بود. و بنابر آخرین توافق جهانی یک متر مسافتی تعریف شد که نور در مدت زمان یک سیصد میلیونیوم ثانی طی میکند .

یکای نجومی : میانگین فاصله زمنی تا خورشید را می گویند .

سال نوری : مسافتی که نور در مدت یکسال در خلا می پیماید را می گویند .

خوب است بدانید که یکای نجومی و سال نوری هر دو از جنس طول هستند !

جرم : این یکا بصورت جرم استوانه ای فلزی از جنس آلیاژ پلاتین ایریدیوم تعریف شده است .

زمان :یکای زمان ثانیه است و قبلا بصورت یک هشتاد و شش هزار و چهارصدم میانگین روز خورشیدی تعریف می شد .استاندارد کنونی زمان بر اسسا دقت زیاد ساعتهای اتمی سنجیده میشود.

تعریف بازه زمانی : در بسیاری از موارد به اندازه گیری مدت زمان بین شروع و پایان یک روبداد نیاز داریم که به آن بازه زمانی می گوییم .

در فیزیک گاهی نیاز داریم که یکاهای مختلف را به همدیگر تبدیل کنیم . البته این تبدیل یکاهای تنها بین کمیتهای هم جنس امکان پذیر است و اینطور نیست که مثلا بتوانید 3 کیلوگرم را بر حسب ثانیه بنویسید !

برای انجام این کار ابتدا باید ضریب تبدیل مناسب را انتخاب کنید .

تعریف ضریب تبدیل : به نسبتی از یکاها که برابر عدد یک است ضریب تبدیل میگوییم .

مثلا ضریب تبدیل بین یکاهای متر و سانتی متر ( که هر دو از جنس طول هستند ) به شکل زیر است :

ضریب تبدیل بین یکاهای متر و سانتی متر

بعد از انتخاب ضریب تبدیل مناسب ، عددی که میخواهیم تبدیل کنیم را در آن ضریب تبدیل ضرب میکنیم . مثلا در تبدیل 85 سانتی متر به متر به صورت زیر عمل میکنیم :

ضریب تبدیل

همچنین در تبدیل یکاهای کسری مانند 36 کیلومتر بر ساعت به متر بر ثانیه بصورت زیر عمل میکنیم :

تبدیل یکاهای کسری

تعریف آهنگ تغییرات : در فیزیک تغییر هر کمیت را نسبت به زمان ، معمولا آهنگ آن کمیت می نامیم .

سوالات آهنگ تغییرات به عنوان زیر شاخه بحث تبدیل یکاها محسوب می شوند .

سازگاری یکاها : در بررسی سوالات این بخش باید حواسمان به دو نکته باشد :

1-طرفین یک معادله فیزیکی باید با همدیگر هم یکا باشند .

2- تنها کمیتهایی با همدیگر جمع و تفریق می شوند که  باهمدیگر هم یکا باشند . اما در ضرب و تقسیم کمیتها محدودیتی نداریم .

بطور مثال به برقراری اصل سازگاری یکاها رد فرمول قانون دوم نیوتون یعنی F=ma توجه کنید :

فرمول قانون دوم نیوتون

فیزیک علم اندازه گیری است . در نمایش اعداد گزارش شده به عنوان نتیجه اندازه گیری ، دانشمندان از دوروش برای راحتتر گزارش کردن اعداد بزرگ استفاده میکنند :

1-استفاده از پیشوند ها : در این روش هر پیشوند توان معینی از 10 را نشان می دهد که بصورت ی عامل ضرب بکار میرود .یعنی وقتی پیوندی به یکایی افزوده می شود ، آن یکا در ضریب مربوطه ضرب میشود . در جدول زیر مهم ترین پیوندهایی که باد یاد بگیرید را میبینید . ( به بزرگ و کوچک بودن حروف نماد ها توجه کنید )

پیشوندهای یکاها

2-نمادگذاری علمی : در این روش اندازه هر کمیت فیزیکی باید شامل سه قسمت باشد ، قسمت های اول و دوم در برگیرنده حاصلضرب عددی از 1 تا 10 در توان صحیحی از 10 است و در قسمت سوم یکای آن کمیت نوشته می شود .

بخش 1-5 : اندازه گیری و دقت وسیله های اندازه گیری

در اندازه گیری کمیتهای فیزیکی مانند جرم و زمان قطعیت وجود ندارد و همواره مقداری خطا وجود دارد . حتی با نتخاب وسیله دقیق و روش های صحیح اندازه گیری تنها می توان خطای اندازه گیرثی را کاهش داد و نمیتوان آنرا به صفر رساند. توجه به عوامل زیر نقش مهمی در افزایش دقت اندازه گیری دارد .

1-دقت وسیله اندازه گیری :

دقت در ابزار های مدرج : برابر کمینه درجه بندی آن ابزار است . بطور مثال در خط کش ها :

دقت در ابزار های مدرج

دقت در ابزار های رقمی ( دیجیتال) : برابر یک واحد از آخرین رقمی است که آن ابزار می خواند. به طور مثال در دماسنج زیر دقت اندازه گیری 0.1 درجه سانتی گراد است .

2-مهارت شخص آزمایشگر :

یکی از این مهارت ها نحوه خواندن نتیجه اندازه گیری است . بطور مثال در خط کش ها باید از روبرو و بصورت افقی ، عدد را بخوانیم . در شکل زیر جایگاه B بهترین جایگاه برای خواندن عدد این اندازه گیری است :

فیزیک

3- تعداد دفعات اندازه گیری :

برای کاهش خطای اندازه گیری ، آزمایش را چند بار تکرا کرده و میانگین عدد های حاصل را به عنوان نتیجه اندازه گیری گزارش می دهیم . البته در میان عددهای متفاوت ، اگر یک یا دو عدد اختلاف زیادی با بقیه داشتند در میانگین گیری به حساب نمی آیند .

نتایج اندازه گیری شده حول اندازه واقعی

بخش 1-6 : چگالی :

چگالی یک جسم عبارت است از حاصل تقسیم جرم بر حجم آن جسم و بصورت زیر تعریف می شود :

فرومول چگالی

یکای چگالی در SI کیلوگرم بر متر مکعب است . سوالاتی که از چگالی مطرح می شود بسیار متنوع است . اما بطور کلی در دسته بندی های زیر قرار میگیرد :

  1. تبدیل یکا دار
  2. چگالی نسبی
  3. محاسبه حجم اشکال منتظم
  4. محاسبه حجم اشکال نامنتظم
  5. محاسبه حجم حفره
  6. سوالات ابتکاری !
  7. مودار شناسی
  8. چگالی آلیاژ : که خود این سوالات به دو قسمت تقسیم می شوند :
    1.  حالتی که در اثر اختلاط تغییر حجم نداریم
    2. حالتی که در اثر اختلاط تغییر حجم داریم .