بحث عن القياس في الفيزياء

مفهوم القياس في الفيزياء

دائماً ما تحاول الفيزياء تفسير الكون من حولنا ، من أكبر الأشياء فيه، مثل: النجوم والمجرّات، وحتّى الكون بوصفه وحدةً واحدةً، وأكبر من ذلك لو وُجِد، إلى الذّرات، والنيوكليونات وهي البروتونات أو النيوترونات، والكواركات (بالإنجليزيّة: Quarks)، وأصغر من ذلك لو وُجِد، ولهذا، حتّى نتمكّن من تفسير الكون حولنا، فنحن بحاجة إلى القياس.

أدوات القياس

في الفيزياء توجد العديد من الكميّات التي نهتمّ بقياسها، وأيّ كميّة هي مهمّة جداً في مجال الدراسة الخاصّ بها، ولقد اهتمّ البشر بالقياس منذ الأزل؛ ولذلك عدّة أسباب؛ ربما يكون بعضها غير علميّ، إلا أنّها ما زالت تُسمّى عملية قياس، فقد كانوا يستعملون أيديهم وأقدامهم لقياس الطول، وأعيُنَهم لرصد حركتَي الشمس والقمر لتحديد الوقت.

ومع تقدّم حياة البشر أكثر وأكثر تطوّرت معهم أدوات القياس، وفيما يأتي جدول يوضح بعض الأدوات الحديثة لقياس الكميّات الفيزيائيّة، واستخدام كلّ أداةٍ منها:

ولكلّ أداة قياس طريقة قياس وتعليمات سلامة عند استعمالها خاصّة بها، وللحصول على أفضل النتائج عند قياس كميّةٍ ما، عادةً ما يتمّ تكرار التجربة لعددٍ من المرّات ومن ثمّ أخذ متوسّط جميع النتائج، بالإضافة إلى أخذ متوسّط أخطاء القياس.

أنواع أخطاء القياس

تختلف أنواع أخطاء القياس حسب مصدرها، ومن الممكن في كل عملية قياس أن يكون الخطأ نابع من أكثر من مصدر معًا، ويمكن تقسيمها على النحو التالي:

أخطاء بسبب أدوات القياس

تحدث أخطاء القياس بسبب الأدوات نتيجةً لعدة عوامل، وفيما يلي بعض العوامل المؤثرة في حدوث هذه الأخطاء:

• أخطاء الأداة

عادةً ما يُرفَق مع أدوات القياس ذات القيمة الحقيقية قائمة طويلة من المواصفات التي تعطي المستخدم فكرة عن الأخطاء المحتملة المرتبطة بهذه الأداة، وفيما يلي تفصيلًا لهذه المواصفات:

1. الدقة: تمتلك أدوات القياس دقة معينة، ولا تصل دقتها إلى 100%، لذلك تختلف الأدوات عن بعضها البعض باختلاف درجة الدقة التي يمكن قياس النتائج بها، فكلما زادت درجة الدقة انخفضت نسبة الخطأ.
2. المدى: تُصمَّم الأدوات لقياس القيم فقط ضمن نطاق معين، وعادةً ما يكون هذا نتيجة للخصائص الفيزيائية للأدوات، مثل كتلة الأداة أو المواد المستخدمة في صنعها، وبالتالي تضع الأداة حدًا أقصى للقيمة التي يمكن قياسها.
3. وقت الاستجابة: عندما تُجرى القياسات في ظروف متغيرة باستخدام نفس الأداة، فإنّ الأداة تستغرق وقتًا مختلفًا كل مرة لاكتشاف هذا التغيير، وقد يُسبب الوقت المبكر للقياس ملاحظات غير دقيقة، ويرجع هذا غالبًا إلى الخصائص الفيزيائية للأداة.
4. الحساسية: تتمتع العديد من الأدوات بحساسية محدودة عند اكتشاف التغيرات في الظروف المتغيرة، لذا قد يؤثر ذلك على القيم المقاسة.

• معايرة الأداة

تؤثر معايرة الأدوات على دقة النتائج، لذا يجب معايرتها وفقًا لمعايير معينة باستخدام جهاز عالي الدقة، للحصول على أقرب قيمة للقيمة الحقيقية.

• العمر الافتراضي للأداة

تمتلك جميع الأدوات عمرًا افتراضيًا محددًا، وكلما زاد استخدامها تأثرت السلامة الهيكلية لها، وتقل دقة نتائج القياس، حتى عند معايرتها باستمرار، إذ تُظهِر الأدوات القديمة تباطؤًا في عملية القياس مقارنةً بالأدوات الجديدة.

أخطاء بسبب الظروف المحيطة

قد تسبب العوامل المحيطة في التجربة حدوث أخطاء تؤثر على دقة النتائج، ويشمل ذلك ما يلي:

• القوة أو الإجهاد

يؤدي تطبيق القوة إلى تغيير شكل الجسم بنسبة ثابتة، ويعود الجسم إلى شكله السابق مع زوال تطبيق القوة، وهذا ما يسمى بالتشوه المرن، والذي قد يؤدي إلى اختلاف في قراءة النتائج وظهور الأخطاء في القياس.

• درجة الحرارة

يتغير حجم الجسم أو الأداة وطولها باختلاف درجة الحرارة، مما يسبب اختلافًا في القراءات وظهور نسبة من الخطأ تؤثر على النتائج، كذلك يجب الأخذ بعين الاعتبار ألا يكون مكان أداة قياس درجة الحرارة بالقرب من المبنى، لأنها ستتلقى المزيد من الحرارة من المبنى من خلال التوصيل والإشعاع.

• الضوضاء

قد تؤثر الضوضاء والأصوات العالية في المكان على دقة قراءة النتائج، فتعطي نتائج خاطئة للقياس.

• ميلان الأسطح

ميلان السطح تحت الأداة أو عدم التطابق بين خط رؤية المراقب والمؤشر فوق مقياس الأداة، ويُطلق على هذا أيضًا اسم خطأ (Parallax) الذي يحدث عندما يتعذر على المراقب الحصول على رؤية تتماشى مع المؤشر.

أخطاء بسبب الشخص الذي يقوم بالقياس

قد يرتكب الشخص العديد من الأخطاء أثناء القياس وبالتالي يؤثر على دقة النتائج، وقد يحدث ذلك بسبب العوامل التالية:

• قلة مهارة الشخص أو عدم تدوينه للنتائج أولًا بأول، فقد يعتمد على ذاكرته في حفظ النتائج.
• الإرهاق أو عدم تركيز الشخص عند قراة النتائج، فيسجل معلومات خاطئة أو ينسى رقمًا أثناء قراءة القياس.
• إساءة استخدام الأداة، فقد تؤدي هذه الإساءة إلى فشل ضبط نقطة الصفر أو النقطة المرجعية؛ والإعدادات الأولية للأداة، وقد لا تتسبب هذه الممارسات غير الصحيحة في حدوث ضرر دائم للأداة، ولكنها تتسبب في حدوث أخطاء في نتائج عملية القياس.

طرق التعبير عن أخطاء القياس

يمكن التعبير عن أخطاء القياس من خلال حساب الخطأ المطلق، والخطأ النسبي، والخطأ المئوي، وفيما يلي تفصيلًا لذلك:

• حساب الخطأ المطلق

الخطأ المطلق هو الفرق بين القيمة الحقيقية (VE) والقيمة المُقاسة (VA)، إلّا أنّ القيمة الحقيقية للمادة المُقاسة مجهولة، ولهذا فإنّه يصعب تحديد هذا الفرق، وبسبب ذلك يتمّ اعتماد أكبر قيمة مُحتملَة للخطأ في القياس؛ لأن ذلك يجعل تحديد الخطأ أكثر دقّة، ويعبر عن الخطأ المطلق بالمعادلة التالية:

الخطأ المطلق= القيمة الحقيقية - القيمة المُقاسة

أو

الخطأ المطلق= |VA-VE|

• حساب الخطأ النسبي

وهو الخطأ المطلق مقسومًا على القيمة المُقاسة، ولإيجاد قيمة الخطأ النسبيّ فيجب إيجاد ناتج قسمة الخطأ المُطلَق على القيمة الحقيقية، ولكن بما أنّ القيمة الحقيقيّة غير معروفة فتجب قسمة الخطأ المطلق على القيمة التي تمّ إيجادها عند القياس، أو متوسّط القيم إذا أُعيدت التجربة مراراً وتكراراً، ويعبر عن الخطأ النسبي بالمعادلة التالية:

الخطأ النسبي= الخطأ المطلق/ القيمة المُقاسة

أو

الخطأ النسبي= VA-VE|/VE|

• حساب الخطأ المئوي

وهو النسبة المئوية للخطأ النسبي، ويمكن الحصول عليه باستخدام المعادلة التالية:

الخطأ المئوي= الخطأ النسبي × 100%

أو

الخطأ المئوي= (VA-VE|/VE|) × 0

وحدات القياس

من المهمّ عند القياس استخدام معيار معروف عند الكل وهو وحدات القياس؛ فالمتر على سبيل المثال معروفٌ لدى كلّ الناس الذين يعيشون في الدول التي تتبع النظام العالميّ للوحدات.

وفي هذا المقال سيقتصر الحديث حول وحدات القياس الأساسيّة في النظام العالمي للوحدات، وهي وحدات الطول، والكتلة، والزمن، ومن الجدير بالذكر أنّه يمكن اشتقاق معظم الوحدات الأخرى من هذه الوحدات الأساسية، وبيان هذه الوحدات فيما يأتي:

وحدات الطول والمساحة والحجم

يستخدم النظام العالميّ للوحدات المتر -اختصاره (م)- وأجزاءه، مثل: الميليمتر (مم)، والسنتيمتر (سم)، والديسيمتر (دسم)، وغيرها، ومضاعفاته، مثل: الكيلومتر (كم)، والميغامتر (مغم)، وغيرها بشكلٍ أساسي لقياس الأطوال والمسافات؛ حيث إنّ (0.001كم=1م=10دسم=100سم=1000مم)، وبالتأكيد يمكن التحويل من وحدة لأخرى.

بما أنّ المساحة هي ناتج ضرب بُعدَي طولٍ ببعضهما البعض، فإنّ وحداتها في هذا النظام، هي: المتر المُربّع (م؛ أي م×م)، والميليمتر المربع (مم)، والسنتيمتر المربع (سم)، والكيلومتر المربع (كم)، وغيرها من الوحدات.

أمّا الحجم فهو ناتج ضرب ثلاثة أبعادٍ ببعضها البعض ، أو ناتج ضرب المساحة بطول ثالث، لذلك فإنّ وحداته هي: المتر المكعب (م؛ أي م×م×م)، والميليمتر المكعب (مم)، والسنتيمتر المكعب (سم)، والكيلومتر المكعب (كم)، وغيرها من الوحدات، بالإضافة إلى بعض الوحدات الشائعة في قياس حجم الموائع -السوائل والغازات- ومنها اللتر، حيث إنّ 1م=1000 لتر.

وحدات الكتلة

الوحدة المُستخدَمة في النظام العالميّ للوحدات لقياس الكتلة هي وحدة الكيلوغرام، والتي تتألّف من 1000 غرام، و الكتلة تُعبّر عن مقدار مقاومة الجسم لاكتسابه تسارُعاً عند تأثّره بقوّة ما ، بمعنىً آخر هي ممانعة الجسم للحركة عند تأثّره بقوة ما.

وحدات الزّمن

لقياس الزّمن تُستخدَم الثانية وأجزاؤها ومضاعفاتها، مثل: الدّقيقة، والساعة، والسنة، وغيرها، لكن يجدر التنبيه إلى أنّه لا يمكن القول إنّ السّنة الضوئيّة هي وحدة زمن؛ فهي وحدة مسافة، وتُستخدَم لقياس المسافة التي يقطعها الضوء في سنة.

تكمن أهمية القياس في الفيزياء في محاولة تفسير الكون من حولنا، وهذا أدى إلى ظهور العديد من أدوات القياس التي تختلف في طريقة استخدامها وتطبيقها، بالإضافة إلى وجود وحدات قياس متنوعة، قد تتعدد أيضًا عند قياس الشيء الواحد حسب المكان والحاجة، ويمكن التحويل بينها باستخدام العديد من الطرق.