اندازه گیری و ابزارهای آن — به زبان ساده

احتمالاً بارها در زندگی برای توصیف اجسام از صفاتی مانند بلند، کوتاه، سنگین یا سبک استفاده کرده‌اید. این صفات ممکن است در محاوره بتوانند مقصود شما را منتقل کنند، ولی در علم این صفات تنها مخاطب را گمراه می‌کند و احتمالاً برای امتحان شما نیز نمره‌ خوبی به ارمغان نمی‌آورند. در این مطلب قصد داریم در مورد اندازه گیری و ابزارهای آن صحبت کنیم.

اندازه گیری چیست؟

اندازه گیری فرایند بدست آوردن مقدار یک شیء نسبت به یک استاندارد مورد توافق است. دانش مشخص کردن وزن و اندازه گیری را «مترولوژی» (Metrology) می‌نامند. سوالی که مطرح می‌شود این است که استانداردهای مورد توافق برای اندازه گیری چگونه مشخص می‌شوند؟

در سال ۱۸۵۷ دفتر بین‌المللی وزن و اندازه گیری در فرانسه تاسیس شد که وظیفه فراهم آوردن استانداردهای اندازه گیری براساس سیستم اندازه‌ گیری یکاهای استاندارد در سراسر جهان را بر عهده داشت.

همان‌طور که در مطلب مربوط به یکاها بیان کردیم دستگاه سیستم اندازه گیری استاندارد یا SI شامل هفت واحد اصلی است و واحدهای دیگر از این هفت واحد اصلی شکل می‌گیرند. هفت کمیت اصلی عبارتند از:

فیلم آموزش فیزیک پایه دهم – فیزیک 1

کلیک کنید

• طول (m): که واحد اندازه گیری آن در دستگاه استاندارد متر است.
• جرم (kg): که واحد اندازه گیری آن در دستگاه استاندارد کیلوگرم است.
• زمان (s): که واحد اندازه گیری آن در دستگاه استاندارد ثانیه است.
• دما (k): که واحد اندازه گیری آن در دستگاه استاندارد کلوین است.
• جریان الکتریکی (A): که واحد اندازه گیری آن در دستگاه استاندارد آمپر است.
• مقدار ماده (mol): که واحد اندازه گیری آن در دستگاه استاندارد مول است.
• شدت روشنایی (cd): که واحد اندازه گیری آن در دستگاه استاندارد کاندلا است.

از واحد اصلی جرم کمیت‌های فرعی مانند فشار، حجم، جریان، گشتاور، نیرو و چگالی نیز به دست می‌آیند. با در نظر گرفتن مقدار عددی ثابت پلانک برابر با $$6.626070\times 10^{-34}$$ ژول بر ثانیه یا کیلوگرم مترمربع بر ثانیه که مقیاس طول بر حسب سرعت نور و مقیاس زمان براساس فرکانس سزیم است مقیاس جرم به دست می‌آید.

یک مول دقیقاً $$6.02214076\times 10^{23}$$ ذره را در برمی‌گیرد. این مقدار برابر با مقدار عددی ثابت آووگادرو است.

از واحد اصلی دما کمیت‌های فرعی رطوبت نسبی و نقطه شبنم مواد قابل محاسبه است. برای بیش از 60 سال ۱ کلوین برابر با $$\frac{1}{273.16}$$ دمای ترمودینامیک نقطه سه‌گانه آب تعریف می‌شد، دمای منحصر به فردی که در آن سه فاز آب (جامد، مایع و بخار) با هم ترکیب شده و در تعادل هستند.

از واحد اصلی شدت روشنایی، کمیت‌هایی مانند بازتاب، انتقال، روشنایی، تابش، گستره طیفی و توان نوری قابل محاسبه است. یک کاندلا شدت درخشندگی منبعی است که تابش تک رنگ با فرکانس $$540\times 10^{12}$$ هرتز را ساطع می‌کند و در جهت تابش دارای شدت تابش $$\frac{1}{683}$$ وات بر مترمربع است.

با در نظر گرفتن مقدار بار الکتریکی الکترون که برابر با $$1.602176634\times 10^{-19}$$ است هنگامی که بر حسب کولن بیان شود، می‌توان جریان الکتریکی یک آمپر را تعریف کرد.

طول و جرم از اولین کمیت‌های اصلی سیستم اندازه‌گیری استاندارد بودند. متر طول مسیری است که توسط نور در خلاء طی یک بازه زمانی $$\frac{1}{299792458}$$ ثانیه طی می‌شود.

کمیت استاندارد زمان با توجه به مقدار عددی ثابت فرکانس سزیم محاسبه می‌شود. در حقیقت یک ثانیه مدت زمانی است که اتم سزیم ۱۳۳ در حالت پایه، فرکانسی برابر با ۹,۱۹۲,۶۳۱,۷۷۰ هرتز دارد.

ابزارهای اندازه گیری چه هستند؟

در ادامه مطلب اندازه‌ گیری و ابزارهای آن با شناخت کمیت‌های اصلی و مقایسه هر کمیت نسبت به کمیت اصلی باید ابزارهای اندازه گیری کمیت‌ها را بشناسیم و با مفهومی به نام دقت اندازه‌گیری ابزارها آشنا شویم.

دقت اندازه گیری

دقت اندازه‌گیری یک ابزار کوچکترین مقداری است که یک دستگاه می‌تواند اندازه گیری کند، معمولاً روی دستگاه‌ها دو عدد نوشته شده است، کمترین مقداری که یک دستگاه می‌تواند اندازه گیری کند یا دقت دستگاه؛ و بیشترین مقداری که یک دستگاه توانایی اندازه‌گیری آن را دارد. برای مثال تصویر زیر را در نظر بگیرید:

با مشاهده دستگاه می‌توانید تشخیص دهید که دقت دستگاه ۱ میلی‌متر است و بیشترین مقداری که می‌تواند اندازه گیری کند ۲۵ میلی‌متر است. همان طور که می‌بینید فاصله بین هر دو عدد به ۵ قسمت تقسیم شده است. مثلاً عدد ۵ را در شکل بالا در نظر بگیرید، عدد بعدی که روی دستگاه می‌بینید ۱۰ است و ۴ خط بین ۵ و ۱۰ وجود دارد که بیانگر اعداد ۶، ۷، ۸ و ۹ است، این موضوع نشان می‌دهد که دقت دستگاه شما ۱ میلی‌متر است.

سوال: آیا با دستگاه شکل بالا می‌توانید حجمی برابر با ۲۳٫۵ میلی‌لیتر را اندازه‌گیری کنید؟ خیر، امکان پذیر نیست.

پاسخ: دقت دستگاه شما ۱ میلی‌متر است، پس نمی‌تواند واحد‌های کوچکتر از ۱ میلی‌متر را اندازه‌گیری کند.

سوال: دوست شما ادعا می‌کند که با دستگاه نشان داده شده در شکل بالا، حجم لیوان آب‌اش را ۲۰٫۰ میلی متر اندازه‌گیری کرده است. آیا دوست شما بر مبحث اندازه‌گیری تسلط کافی دارد؟

پاسخ: خیر، دوست شما تسلط کافی بر مبحث اندازه‌گیری ندارد. دقت کنید که تعداد صفرهای بعد از اعشار نشان‌دهنده دقت دستگاه شما است. به این ترتیب با دستگاه بالا شما تنها می‌توانید حجم های ۱، ۲، ۳، ... تا ۲۵ را اندازه بگیرید.

سوال: با دستگاه بالا می‌توانید حجمی برابر با ۲۶ میلی‌متر را اندازه گیری کنید؟

پاسخ: خیر، نمی‌توانید. بیشترین مقداری که دستگاه شما می‌تواند اندازه‌گیری کند ۲۵ میلی متر است. پس حجم ۲۶ میلی‌متری توسط این دستگاه قابل‌ انداز‌ه‌گیری نیست.

مثال: دقت اندازه‌گیری دستگاه‌های هر یک از مقادیر اندازه‌ گیری شده زیر چه قدر است؟

• ۲۶٫۵۶ متر
• ۳۴٫۱ کیلوگرم
• ۱٫۶۵۷ آمپر
• ۲۶۴ کلوین
• ۹۰٫۵۷۶۵ کاندلا
• ۲۳٫۶۴ ثانیه
• ۷٫۲ مول

پاسخ: دقت اندازه‌گیری با توجه به مقادیر اندازه گیری شده و ارقام اعشار آن قابل محاسبه است. برای این کار کافی است به جای کل عدد صفر گذاشته و به جای آخرین رقم اعشار ۱ قرار دهید. بدین ترتیب داریم:

• دقت دستگاه: ۰٫۰۱ متر
• دقت دستگاه: ۰٫۱ کیلوگرم
• دقت دستگاه: ۰٫۰۰۱ آمپر
• دقت دستگاه: ۱ کلوین
• دقت دستگاه: ۰٫۰۰۰۱ کاندلا
• دقت دستگاه: ۰٫۰۱ ثانیه
• دقت دستگاه: ۰٫۱ مول

ابزار اندازه ‌گیری طول

طول کمیتی است که شما تقریباً هر روز با آن روبه‌رو می‌شوید برای مثال فاصله خانه‌تان تا مدرسه را اندازه گیری می‌کنید یا صبح‌ها قد خود را بررسی می‌کنید که آیا بلندتر شده‌اید یا نه؟ تمام این مقادیر با متر اندازه‌گیری می‌شود. در حقیقت متر ابزار اندازه‌گیری طول است. برای اندازه گیری طول‌های کوچکتر و اندازه‌گیری‌های دقیق‌تر از وسایلی مانند کولیس، ریزسنج یا ... استفاده می‌کنیم.

ابزار اندازه‌ گیری جرم

ترازو وسیله اندازه‌گیری جرم است. ترازوها در زمان‌های مختلف شکل‌های مختلفی پیدا کرده‌اند. در شکل زیر می‌توانید نسل‌های مختلف آن‌ها را مشاهده کنید.

ابزار اندازه‌ گیری زمان

برای اندازه گیری زمان از ساعت استفاده می‌کنیم که می‌تواند آنالوگ یا دیجیتال باشد. کورنومتر نیز وسیله‌ای برای اندازه‌گیری زمان است.

ابزار اندازه‌ گیری جریان الکتریکی

همان‌طور که گفتیم واحد اندازه گیری جریان الکتریکی آمپر است و توسط آمپرسنج اندازه‌گیری می‌شود. در حقیقت جریان الکتریکی تعداد بارهای الکتریکی عبوری در واحد زمان یا سرعت حرکت بارهای الکتریکی است. برای جزئیات بیشتر در مورد آمپرمتر‌ها می‌توانید مطلب مربوط به آمپر متر را بخوانید.

ابزار اندازه گیری شدت روشنایی

فوتومتر ابزاری است که شدت نور را اندازه گیری می‌کند  و می‌توان آن را به عنوان ابزاری تعریف کرد که نور مرئی را اندازه گیری می‌کند.

ابزار اندازه گیری مقدار ماده

اگر می‌خواهید بدانید جرمی که در دست دارید چند مول است باید جرم ماده را بر جرم مولار آن تقسیم کنید. جرم مولی یک ماده جرم یک مول از آن ماده یا جرم $$6.02214076\times 10^{23}$$ ذره از آن ماده بر حسب گرم است. این جرم توسط وزن اتمی واحد شیمیایی تشکیل دهنده آن ماده در واحد جرم اتمی (amu) داده می شود. به عنوان مثال نقره دارای وزن اتمی ۱۰۷٫۸۶۸۲ amu است بنابراین یک مول نقره دارای جرم ۱۰۷٫۸۶۸۲ گرم است.

فیلم آموزش فیزیک پایه 1 – جامع و کاربردی در فرادرس

کلیک کنید

برای ماده‌ای که از بیش از یک نوع اتم تشکیل شده باشد وزن اتمی منفرد اتم‌ها را برای واحد شیمیایی تشکیل دهنده آن جمع می‌کنند. آب با فرمول شیمیایی ($$H_{2}O$$) از دو اتم هیدروژن و یک اکسیژن تشکیل شده است. وزن اتمی یک اتم هیدروژن ۱٫۰۰۸ amu است بنابراین وزن دو اتم ۲٫۰۱۶ است. وزن اتمی یک اتم اکسیژن نیز 15٫999 است بنابراین جرم مولی آب $$2.016+15.999=18.015$$ گرم است.

ابزار اندازه گیری دما

ترمومتر یا دماسنج وسیله‌ای است که برای اندازه‌گیری دما به کار می‌رود. این وسیله برای اندازه گیری دمای بدن، دمای هوا یا دمای اجسام به کار رفته و گونه‌های مختلفی دارد که در زیر تصویر آن‌ها را می‌توان مشاهده کرد.

هرچه دستگاه اندازه‌گیری که به کار می‌برید دقیق‌تر باشد اندازه گیری شما بیشتر به واقعیت نزدیک است. با این حال فراهم کردن دستگاهی با دقت بالا علاوه بر سختی، هزینه بالایی دارد. به همین دلیل بسته به استفاده‌ای که شما برای اندازه گیری خود در نظر گرفته‌اید دستگاه و دقت دستگاه متفاوت می‌شود.