بحث عن القياس في الفيزياء

مقدمة البحث

الحمد لله الذي خلق كل شيء بقدر وحكمة، والصلاة والسلام على نبينا محمد. أما بعد، فقد قال الله تعالى:

﴿إِنَّا كُلَّ شَيْءٍ خَلَقْنَاهُ بِقَدَرٍ﴾ [القمر: 49]

والفيزياء علم يدرس المادة والطاقة والقوى وتفاعلاتها، ولا يمكن لهذا العلم أن يقوم على الظن والتخمين، بل يعتمد على الملاحظة الدقيقة والقياس. فحين نقول إن سيارة تسير بسرعة معينة، أو إن جسمًا كتلته كذا، فإننا نعبّر عن الظاهرة بأرقام ووحدات يفهمها الجميع. وفي هذا البحث نتعرف على القياس في الفيزياء وأدواته ووحداته وأخطائه.

تعريف الموضوع

القياس هو مقارنة كمية مجهولة بكمية معلومة من نوعها تُتخذ مقياسًا ثابتًا لها، وتسمى هذه الكمية المعلومة الوحدة. وتسمى الصفة القابلة للقياس كمية فيزيائية كالطول والكتلة والزمن. ونتيجة القياس تتكون من جزأين: قيمة عددية ووحدة، فعبارة طول الغرفة أربعة أمتار تتضمن عددًا هو أربعة ووحدة هي المتر.

أهمية الموضوع

للقياس أهمية بالغة في العلوم والحياة، فهو أساس التجارب العلمية، وبه تُختبر الفرضيات وتُصاغ القوانين، وهو ضروري في التجارة والصناعة والطب والهندسة والبناء. ولولا اتفاق الناس على وحدات موحدة لحصل اضطراب في التعامل، كما كان يحدث قديمًا حين كانت الوحدات تختلف من بلد لآخر بل من مدينة لأخرى. وقد أمر الله تعالى بإقامة الوزن والعدل في المعاملات، فقال:

﴿وَالسَّمَاءَ رَفَعَهَا وَوَضَعَ الْمِيزَانَ (٧) أَلَّا تَطْغَوْا فِي الْمِيزَانِ (٨) وَأَقِيمُوا الْوَزْنَ بِالْقِسْطِ وَلَا تُخْسِرُوا الْمِيزَانَ (٩)﴾ [الرحمن: 7–9]

أهداف البحث

• التعرف على مفهوم القياس والكميات الفيزيائية.
• التمييز بين الكميات الأساسية والكميات المشتقة.
• التعرف على النظام الدولي للوحدات وبعض أدوات القياس.
• فهم معنى الدقة والخطأ في القياس والأرقام المعنوية.
• تطبيق ما تعلمناه في حل أمثلة بسيطة.

الكميات الفيزيائية

أولًا: الكميات الأساسية

هي كميات مستقلة لا تُعرَّف بدلالة غيرها، وأهمها سبع كميات في النظام الدولي، يهمنا منها في المرحلة الثانوية:

ثانيًا: الكميات المشتقة

هي كميات تُشتق من الكميات الأساسية بعلاقات رياضية، ووحداتها تتكوّن من وحدات أساسية. ومن أمثلتها:

• المساحة: حاصل ضرب طولين، ووحدتها المتر المربع.
• الحجم: وحدته المتر المكعب.
• السرعة: المسافة مقسومة على الزمن، ووحدتها المتر لكل ثانية.
• الكثافة: الكتلة مقسومة على الحجم، ووحدتها الكيلوجرام لكل متر مكعب.
• القوة: الكتلة مضروبة في التسارع، ووحدتها النيوتن.

1 N = 1 kg · m/s²

النظام الدولي للوحدات

اتفقت دول العالم على نظام موحد للوحدات يسمى النظام الدولي للوحدات ويرمز إليه بالحرفين SI، وهو نظام عشري، أي أن التحويل بين وحداته يتم بالضرب أو القسمة على قوى العدد عشرة. ويستعمل لذلك بادئات تُوضع قبل اسم الوحدة، ومن أشهرها:

فالكيلومتر ألف متر، والسنتيمتر جزء من مئة من المتر، والمليمتر جزء من ألف من المتر.

أدوات القياس

• المسطرة والشريط المتري: لقياس الأطوال القصيرة والمتوسطة، وأدق تدريج فيها غالبًا المليمتر.
• الورنية (القدمة ذات الورنية): لقياس الأطوال بدقة أعلى من المسطرة، وتقيس القطر الخارجي والداخلي والعمق.
• الميكرومتر: لقياس الأطوال الصغيرة جدًا كسمك سلك أو ورقة بدقة عالية.
• الميزان: لقياس الكتلة، ومنه الميزان ذو الكفتين والميزان الإلكتروني.
• ساعة التوقيت: لقياس الزمن.
• المخبار المدرّج: لقياس حجوم السوائل.
• الترمومتر: لقياس درجة الحرارة.

الدقة والخطأ في القياس

الدقة والضبط

تتحدد دقة الأداة بأصغر تدريج فيها، فكلما صغر أصغر تدريج زادت دقة القياس. وتختلف الدقة عن الضبط، فالضبط يعني قرب نتيجة القياس من القيمة الحقيقية، أما الدقة بمعنى التكرار فتعني قرب القياسات المتكررة من بعضها. فقد تكون القياسات متقاربة جدًا لكنها بعيدة عن القيمة الحقيقية إذا كانت الأداة غير مضبوطة.

أنواع الأخطاء

• الأخطاء العشوائية: تنتج عن ظروف لا يمكن التحكم فيها كاهتزاز بسيط أو تغير الحرارة، وتقل بتكرار القياس وأخذ المتوسط.
• الأخطاء المنتظمة: تتكرر في اتجاه واحد، وتنتج عن عيب في الجهاز مثل ميزان لا يشير إلى الصفر قبل الوزن، وتُصحَّح بمعايرة الجهاز.
• أخطاء الشخص: مثل النظر إلى التدريج من زاوية مائلة، والصواب أن تكون العين عمودية على التدريج.

الأرقام المعنوية

الأرقام المعنوية في نتيجة القياس هي الأرقام المؤكدة مع رقم واحد مقدَّر. فإذا قيس طول بمسطرة تدريجها المليمتر وكانت القراءة اثنين وعشرين مليمترًا وخمسة أعشار، فالرقم الأخير مقدَّر. ولا يجوز أن تُظهر النتيجة أرقامًا أكثر مما تسمح به دقة الأداة.

أمثلة محلولة

المثال الأول: تحويل الوحدات

حوّل سرعة قدرها تسعون كيلومترًا في الساعة إلى متر لكل ثانية.

90 km/h = 90 × 1000 m ÷ 3600 s = 25 m/s

المثال الثاني: الكثافة

كتلة قطعة من الحديد ثمانية كيلوجرامات وحجمها واحد على ألف من المتر المكعب، فما كثافتها؟

ρ = m ÷ V = 8 kg ÷ 0.001 m³ = 8000 kg/m³

المثال الثالث: القوة

جسم كتلته ستة كيلوجرامات يتحرك بتسارع قدره أربعة أمتار لكل ثانية مربعة، فما القوة المؤثرة فيه؟

F = m × a = 6 × 4 = 24 N

النتائج

• القياس مقارنة كمية بوحدة معيارية، ونتيجته قيمة عددية ووحدة.
• الكميات الأساسية مستقلة، والمشتقة تُبنى منها بعلاقات رياضية.
• النظام الدولي للوحدات يوحّد القياس في العالم لأنه عشري وسهل التحويل.
• تزداد دقة القياس بصغر أصغر تدريج في الأداة وبتكرار القياس.

التوصيات

• اختيار أداة القياس المناسبة للكمية المراد قياسها ولدرجة الدقة المطلوبة.
• التأكد من صفر الجهاز قبل القياس ومعايرته عند الحاجة.
• تكرار القياس عدة مرات وأخذ المتوسط لتقليل الأخطاء العشوائية.
• كتابة الوحدة مع كل قيمة، فالرقم بلا وحدة لا معنى له في الفيزياء.

الخاتمة

تبين لنا في هذا البحث أن القياس أساس علم الفيزياء، وأن الكميات تنقسم إلى أساسية ومشتقة، وأن النظام الدولي للوحدات وفّر لغة واحدة للعلماء في جميع أنحاء العالم. وعرفنا أدوات القياس وكيف نقلل الأخطاء ونحافظ على الدقة. وما أحوجنا إلى الدقة والإتقان في كل أعمالنا، فالله تعالى خلق كل شيء بمقدار محسوب.

المراجع

• كتب الفيزياء للمرحلة الثانوية، وزارة التعليم في المملكة العربية السعودية.
• المكتب الدولي للأوزان والمقاييس (BIPM)، وثيقة النظام الدولي للوحدات.
• الهيئة السعودية للمواصفات والمقاييس والجودة.

كلمات دليلية

بحث، بحث عن، بحث علمي، بحوث، القياس في الفيزياء