فيديو: أدوات القياس الفيزياء • الصف الأول الثانوي

نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتحدث عن الأدوات المستخدمة لإجراء القياسات. قد يبدو بعضها مألوفًا أكثر من غيره، لكن جميعها تشترك في أنها تستخدم لقياس كميات فيزيائية. توجد أنواع كثيرة من هذه الكميات، لكننا سنركز على ثلاث منها: الطول والزمن والكتلة. صممت الأدوات التي سنتناولها لإجراء هذه الأنواع من القياسات. وبالنسبة إلى كل فئة من هذه الفئات الثلاث، يمكننا التفكير في بعض الأدوات التي تقيس هذه الكمية، سواء كانت طولًا أو زمنًا أو كتلة.

على سبيل المثال، من المرجح أن لدينا خبرة في استخدام المسطرة لقياس الأطوال. بالإضافة إلى المسطرة، سنتعرف على أداة تسمى القدمة ذات الورنية وأخرى تسمى الميكرومتر، اللتين تستخدمان أيضًا لقياس الأطوال. وعندما يتعلق الأمر بقياس الزمن، رأينا على الشاشة في بداية الفيديو أداة تستخدم لإجراء ذلك تسمى مؤقت الساعة الرملية. تشمل الطرق الأخرى لقياس الزمن استخدام الساعة البندولية التي تسمى أحيانًا ساعة الجد، وكذلك ساعة الإيقاف الرقمية.

أما عندما نفكر في قياس الكتل، فربما تكون الأدوات المستخدمة لفعل ذلك أقل شيوعًا من تلك التي نستخدمها لقياس الطول والزمن. لكنها مفيدة للغاية رغم ذلك. ثمة أداتان من هذه الأدوات سنتعرف عليهما في هذا الدرس، وهما الميزان الزنبركي والميزان ذو الأذرع. من الجدير بالذكر أن هذه القوائم لا تشمل جميع الأدوات المختلفة المتاحة لدينا لقياس هذه الكميات. لكن بما أن هذه الأدوات من أكثر الأدوات شيوعًا، فسنركز عليها.

لنبدأ بالنظر في الأدوات التي نستخدمها لقياس الأطوال. ذكرنا أن المسطرة هي إحدى الأدوات الأكثر شيوعًا لقياس هذه الكمية. عندما نستخدم المسطرة لقياس طول ما، من المهم أن ننظر إلى التدريج الموجود عليها. فالتدريج هو الذي يخبرنا بالمسافة بين العلامات المرقمة على المسطرة.

بالنسبة إلى مسطرة مدرجة بهذه الطريقة، إذا أردنا قياس أقصى طول لجسم ما، فإننا نبدأ بوضع حافة هذا الجسم بمحاذاة علامة الصفر الموجودة على المسطرة. بعد ذلك، ندير الجسم أو المسطرة حتى يصبح أقصى طول للجسم على خط مواز لحافة المسطرة. بالمحاذاة بهذه الطريقة، نحدد موضع محاذاة طرف هذا الجسم من ناحية اليمين مع حافة المسطرة، ونسجل هذه القيمة بأصغر تدريج للطول على المسطرة. وهو، في هذه الحالة، السنتيمترات. إذن، سيكون أقصى طول لهذا الجسم هو تسعة سنتيمترات.

لكن في كثير من الأحيان يكون تدريج المسطرة ذا دقة فصل أكبر. فمن الشائع أن تجد مساطر ذات تدريج سنتيمتري بالإضافة إلى علامات أصغر بين كل علامة سنتيمترية. لدينا هنا صورة مقربة لما قد تبدو عليه هذه العلامات الموجودة بين ثمانية وتسعة سنتيمترات. إذا بدأنا من علامة الثمانية سنتيمترات، وعددنا العلامات الأصغر، فإننا نعد واحدًا، اثنين، ثلاثة، أربعة، خمسة، ستة، سبعة، ثمانية، تسعة من هذه العلامات قبل أن نصل إلى علامة السنتيمتر الكامل التالي. بعبارة أخرى، تقسم العلامات الأصغر السنتيمتر الواحد إلى ‪10‬‏ أجزاء متساوية.

وهذا يعني أن كل علامة تشير إلى مسافة مقدارها عشر سنتيمتر أو ملليمتر واحد. إذا كان مثل هذه العلامات موجودًا على المسطرة، فإنها تتيح لنا تسجيل طول الجسم بدقة أكبر. فبدلًا من أن يكتب هذا الطول بالتقريب لأقرب سنتيمتر، وهو ما كنا نفعله في السابق، يمكننا الآن تسجيل هذا الطول لأقرب جزء من العشرة من السنتيمتر. نلاحظ أن خط القياس الموضح باللون الوردي يحاذي هذه العلامة الصغيرة هنا. وبما أن هذه العلامة تشير إلى تسعة أعشار المسافة بين الثمانية والتسعة سنتيمترات، فمن خلال هذه العلامات الإضافية سنسجل أن طول الجسم يساوي ‪8.9‬‏ سنتيمترات.

والآن لكي نوضح الفروق بين هذه الأدوات المختلفة لقياس الأطوال، سنكتب بجانب كل أداة دقة الفصل المعيارية التي تسمح بها. وقيم دقة الفصل التي سنكتبها ليست بالضرورة ما سنحصل عليه إذا استخدمنا إحدى هذه الأدوات. على سبيل المثال، رأينا فيما سبق أن دقة فصل بعض المساطر تكون لأقرب سنتيمتر، والبعض الآخر لديه تدريج بدقة فصل أعلى كتلك التي يمكن أن تقيس لأقرب ملليمتر.

إذن، دقة الفصل التي سنوضحها لكل أداة تمثل قيمة معيارية، لا قيمة ثابتة. لكن توجد العديد من المساطر المدرجة لأقرب ملليمتر. ومن ثم فهي تمكننا من قياس الأطوال بهذه الدقة. إذن، هذه هي الطريقة التي تتيح لنا بها المسطرة قياس الطول. والآن، ماذا عن هذه الأداة التي تسمى القدمة ذات الورنية؟

لكي نتعرف على هذه الأداة، هذا شكل معياري للقدمة ذات الورنية. توفر هذه الأداة عدة طرق مختلفة لقياس الأطوال، لكن ربما الطريقة الأكثر شيوعًا هي إدخال الجسم الذي نريد قياس طوله أو أي من أبعاده الأخرى بين هاتين القطعتين اللتين تسميان الفكين. ثم نغلق فكي القدمة ذات الورنية على هذا الجسم كي يتسنى لنا قياس طوله، وهو هذا البعد في هذه الحالة.

والآن إذا نظرنا جيدًا إلى هذه القدمة ذات الورنية، فسنلاحظ أنها تقيس الأطوال بوحدتين مختلفتين. فتدريج الحافة العلوية لها ممثل بوحدة البوصة، بينما تدريج الحافة السفلية بالسنتيمتر. هذا الجزء من القدمة ذات الورنية، الذي تشير إليه هذه الأسهم، يسمى التدريج الرئيسي للقدمة. وفي الحقيقة، لا يختلف التدريج الرئيسي كثيرًا عن المسطرة.

لكن بالإضافة إلى هذا التدريج الرئيسي يوجد هذا الجزء هنا. توضح الصورة المقربة لهذا الجزء تدريجًا ثانيًا للقياس يتيح لنا، كما سنرى بعد قليل، قياس أطوال الأجسام بدقة أكبر من التي نحصل عليها إذا استخدمنا التدريج الرئيسي. يسمى هذا التدريج الثاني تدريج الورنية. وعلى هذا الجزء المزدوج بالتحديد من القدمة ذات الورنية، نرى أن تدريج الورنية يقسم أصغر فرق بين العلامات على التدريج الرئيسي إلى ‪20‬‏ جزءًا متساوية.

على ذلك التدريج الرئيسي، رأينا أنه بينما تبعد العلامات الأساسية المرقمة بعضها عن بعض سنتيمترًا واحدًا، كل سنتيمتر من هذه السنتيمترات مقسم إلى ‪10‬‏ أجزاء متساوية بعلامات تقسيم أصغر. وهذا يعني أن أفضل دقة فصل للتدريج الرئيسي هي ذاتها الموجودة في المسطرة، وهي ملليمتر واحد، أي واحد على ‪10‬‏ من السنتيمتر. وتخبرنا هذه العلامة الموجودة على تدريج الورنية هنا بأنه عند إجراء قياس باستخدام هذا التدريج، سنتمكن من تسجيل الأطوال لأقرب واحد على ‪20‬‏ من الملليمتر. بعبارة أخرى، أفضل دقة فصل باستخدام هذه الأداة ستكون ‪0.05‬‏ ملليمتر.

لكي نرى كيفية إجراء هذا القياس، دعونا نجر عملية قياس كمثال باستخدام هذه القدمة. لنفترض أن لدينا وتدًا خشبيًا. ليكن هذا هو الوتد، ونريد قياس طوله. بعبارة أخرى، نريد معرفة هذا البعد. في هذه الحالة، سنضع أحد طرفي الوتد مقابل هذا الفك الموجود في القدمة، ثم نغلق الفك الآخر على الوتد بحيث يكون الوتد ثابتًا بين هذين الفكين.

في هذه المرحلة، علينا توخي الحذر لتجنب أحد أخطاء القياسات الشائعة عند استخدام القدمة ذات الورنية. قد نعتقد أنه بما أن أحد طرفي الجسم موجود هنا، فلكي نقيس طول الجسم، ننظر أين يقابل الطرف الآخر للجسم التدريج الرئيسي. لكن إذا سجلنا هذه القيمة على أنها طول الوتد، فسنكون قد ارتكبنا خطأ. وذلك لأن هذا الطرف الأول للجسم لا يحاذي فعليًا علامة الصفر على التدريج الرئيسي.

إذن لتسجيل طول هذا الجسم بشكل صحيح، ما علينا فعله هو النظر إلى علامة الصفر على تدريج الورنية هنا، ونرى أين يتقاطع هذا الخط مع علامات التدريج الرئيسي. وأينما يحدث ذلك، نسجل قراءة علامة التدريج الرئيسي الواقعة مباشرة على يسار الصفر الموجود على تدريج الورنية. في هذه الحالة، تكون هذه هي علامة التدريج الرئيسي الموجودة هنا. وبناء على الطريقة المقسم بها التدريج الرئيسي، فالقراءة هي ‪2.5‬‏ سنتيمتر.

إذن الطول الكلي للوتد، الذي يمكننا أن نسميه ‪𝐿‬‏، يساوي ‪2.5‬‏ سنتيمتر زائد قيمة معينة سنعرفها الآن. نتوصل إلى هذه القيمة الإضافية عن طريق أخذ قراءة من تدريج الورنية باستخدام دقة فصله الأعلى. إذن، يمكننا القول بأن هذا الجزء من طول الجسم يأتي من قراءة التدريج الرئيسي. وهذا الجزء يأتي من تدريج الورنية.

إذن، كيف نقرأ هذا التدريج هنا؟ نفعل ذلك من خلال مقارنة مواضع العلامات على التدريج الرئيسي مع تلك الموجودة على تدريج الورنية. فنرى أين تتحاذى هذه العلامات. ما نفعله إذن هو معاينة تدريج الورنية. وننظر أين تتحاذى العلامات على هذا التدريج مع تلك الموجودة على التدريج الرئيسي.

على سبيل المثال، انظر إلى علامة الرقم واحد على تدريج الورنية. نلاحظ أنها لا تحاذي علامات التدريج الرئيسي تمامًا، وكذلك علامة الرقم اثنين. إنها بعيدة بعض الشيء. وعلامة الرقم ثلاثة أقرب. لكننا نرى أنه كلما تقدمنا أكثر، يمكننا إيجاد محاذاة أفضل. فانظر إلى علامة الرقم أربعة على تدريج الورنية ومدى محاذاتها لإحدى العلامات على التدريج الرئيسي. إذا انتقلنا إلى العلامة التي يشير إليها الرقم خمسة، فسنجد أنها لا تحاذي علامة التدريج الرئيسي بشكل تام. ولا العلامة التي يشير إليها الرقم ستة أو سبعة أو ثمانية أو تسعة، إلخ. إذن أفضل محاذاة، أو أفضل توافق بين التدريجين، يوجد هنا عند علامة الرقم أربعة على تدريج الورنية.

والآن إذا نظرنا عن قرب أكثر إلى هذا الجزء من التدريج، فسيمكننا أن نرى هاتين العلامتين تتحاذيان بشكل أكثر وضوحًا. نستنتج من ذلك أن الطول الذي نريد أن نضيفه هنا، الذي سيعطينا الطول الكلي عند إضافته إلى هذا الطول، يشير إليه موضع علامة الرقم أربعة على تدريج الورنية. يمكننا الآن أن نتذكر أن كل علامة من هذه العلامات المتجاورة المنفصلة على تدريج الورنية تمثل واحدًا على ‪20‬‏ من أصغر فرق قياس على التدريج الرئيسي. وكان فرق القياس هذا ملليمترًا واحدًا. وهكذا، فإن كل علامة من العلامات الموجودة على تدريج الورنية تمثل واحدًا على ‪20‬‏ من الملليمتر.

ثمة نقطة أخرى ينبغي أن ننتبه لها. وهي أن علامة الرقم أربعة هذه لا تقابل العلامة الرابعة على تدريج الورنية بالفعل. وهذا لأن كل عدد كلي على هذا التدريج، ثلاثة وأربعة وخمسة، إلخ، توجد علامة بينه وبين العدد الكلي التالي. والمسافات بين هذه العلامات الأصغر هي التي تمثل واحدًا على ‪20‬‏ من الملليمتر.

هذا يعني أنه إذا رجعنا إلى تدريج الورنية الأقل في درجة تكبيره، فسنجد أن العلامة التي يشير إليها الرقم أربعة هنا إذا بدأنا من الصفر، هي واحد، اثنان، ثلاثة، أربعة، خمسة، ستة، سبعة، ثمانية على التدريج. هذا يعني أن نأخذ أصغر فرق في المسافات المشار إليه في التدريج، ثم نضربه في ثمانية. واحد على ‪20‬‏ من الملليمتر يساوي ‪0.05‬‏ ملليمتر. وبضربه في ثمانية نحصل على ‪0.40‬‏ ملليمتر. وبالتالي، هذه هي القيمة التي نضيفها إلى قراءة التدريج الرئيسي للحصول على الطول الكلي للوتد.

‏‏‪2.5‬‏ سنتيمتر يساوي ‪25‬‏ ملليمترًا. إذن باستخدام هذه القدمة ذات الورنية، يكون الطول النهائي المقيس لهذا الوتد هو ‪25.40‬‏ ملليمترًا. وأقصى دقة فصل لهذه الأداة، كما رأينا، هي واحد على ‪20‬‏ من الملليمتر.

إذن سنكتب ذلك باعتباره دقة الفصل المعيارية الممكنة لقياس الطول باستخدام القدمة ذات الورنية. حسنًا، عرفنا أن القدمة ذات الورنية تستخدم تدريجًا إضافيًا يسمى تدريج الورنية لزيادة دقة قياساتها. والآن، سنلقي نظرة على أداة تسمى الميكرومتر، وهي تعمل بطريقة مشابهة.

لقياس الطول باستخدام الميكرومتر، نأخذ الجسم موضع الاهتمام ونغلق الميكرومتر عليه، مثلما فعلنا مع الفك السفلي للقدمة ذات الورنية. وعند الانتهاء من ذلك، نقرأ القيمة المشار إليها على التدريج الرئيسي للميكرومتر. إذا نظرنا عن قرب لهذا التدريج، فسنجد أن القراءة التي نحصل عليها تأتي من آخر علامة رأسية على هذا التدريج، وهي في هذه الحالة هذه العلامة الموجودة هنا.

بالنسبة إلى الميكرومترات، من المعتاد أن تكون المسافة بين هذه العلامة والعلامة المماثلة المجاورة لها ملليمترًا واحدًا. أما المسافة بين هذه العلامة والعلامة الموجودة على الجانب الآخر لهذا التدريج، فتساوي نصف ذلك، أي نصف ملليمتر. إذن تعطينا قراءة التدريج الرئيسي للميكرومتر قيمة صحيحة في حدود نصف ملليمتر.

عند هذه النقطة يأتي دور القراءة على التدريج الآخر، الذي يسمى التدريج الدوار. والسبب في هذا الاسم هو أنه يمكن تدوير هذا التدريج لضبط موضع الميكرومتر عند إجراء القياس. وتشير العلامات الموجودة على التدريج الدوار إلى فروق طول أقل من تلك الموجودة على التدريج الرئيسي. على وجه التحديد، تقسم هذه العلامات أصغر فرق طول على التدريج الرئيسي، الذي يساوي غالبًا نصف ملليمتر كما ذكرنا، إلى عدد معين من الأجزاء المتساوية.

يحتوي غالبًا التدريج الدوار على ‪50‬‏ علامة إذا دورناه بشكل كامل. وهذا يعني أن كل علامة تشير إلى واحد على ‪50‬‏ من نصف الملليمتر. لكن بدلًا من ‪50‬‏، قد يكون لدينا ‪25‬‏ علامة فقط. في هذه الحالة، تقسم العلامات أصغر فرق على التدريج الرئيسي إلى ‪25‬‏ جزءًا متساوية. وبهذه الطريقة، يؤدي التدريج الدوار على الميكرومتر نفس دور تدريج الورنية في القدمة ذات الورنية. وكما هو الحال أيضًا في القدمة، عند تسجيل قراءة الميكرومتر نكتب قيمة التدريج الرئيسي ثم نضيف إليها القيمة المشار إليها على التدريج الأعلى دقة.

عندما يحتوي التدريج الدوار على ‪50‬‏ علامة متباعدة بالتساوي، فهذا يعني أن أعلى دقة فصل يمكن أن تحققها الأداة هي واحد من المائة من الملليمتر. وهذا يساوي ‪10‬‏ ميكرونات، أي ‪10‬‏ أجزاء من المليون من المتر. إذن، نكتب واحدًا من المائة من الملليمتر باعتبارها دقة الفصل المعيارية التي يمكن تحقيقها باستخدام الميكرومتر. نلاحظ هنا زيادة دقة فصل هذه الأدوات بانتقالنا من المسطرة إلى القدمة ذات الورنية ثم إلى الميكرومتر. والآن بعد أن تناولنا أدوات مختلفة لقياس الأطوال، فلنلق نظرة على بعض أدوات قياس الزمن.

يمكننا تذكر أن هذه الأدوات تتضمن مؤقت الساعة الرملية والساعة البندولية وساعة الإيقاف الرقمية. تقيس كل أداة من هذه الأدوات الزمن بمستويات مختلفة من الدقة. على سبيل المثال، من المتوقع بوجه عام أن تقيس مؤقتات الساعة الرملية الزمن لأقرب دقيقة. فيمكننا شراء مؤقت مدته ثلاث أو خمس أو ‪15‬‏ دقيقة. يمكننا القول إذن إن قياس الزمن لأقرب دقيقة هو ما يمكن لمؤقتات الساعة الرملية فعله.

أما الساعة البندولية، التي تستخدم بندولًا يتأرجح ذهابًا وإيابًا لقياس الزمن، فتكون عادة مزودة بعقرب للساعات وأخرى للدقائق وثالثة للثواني. من المعتاد أن تكون القيمة المعيارية للزمن الدوري للبندول ثانيتين، وهو الزمن الذي يستغرقه البندول ليتأرجح بشكل كامل في أحد الاتجاهات ثم يعود للخلف بشكل كامل. ويتيح تماثل هذه الفترة بمرور الزمن للساعة البندولية قياس الزمن لأقرب ثانية.

تأتي بعد ذلك أداة أكثر دقة وهي ساعة الإيقاف الرقمية. تكون عادة ساعات الإيقاف الرقمية مجهزة بما يمكنها من القياس لأقرب واحد على مائة من الثانية. إذن حسب الدقة التي نحتاج إليها في قياس الزمن، يمكننا استخدام مؤقت الساعة الرملية، أو الساعة البندولية، أو ساعة الإيقاف الرقمية، أو حتى بعض الأدوات الأخرى لقياس الزمن.

وأخيرًا، لنلق نظرة على بعض الأدوات المختلفة لقياس الكتلة. تتضمن أدوات قياس كتلة الجسم الميزان الزنبركي والميزان ذا الأذرع.

يوجد داخل الميزان الزنبركي زنبرك معد بطريقة تسمح بمعايرة استطالات محددة للزنبرك وفقًا لقيم كتلة محددة. لذا إذا علقنا كتلة على الخطاف الموجود في طرف الميزان الزنبركي، يستطيل الزنبرك ليتحمل وزن هذه الكتلة. ويقابل هذا المقدار من الاستطالة قيمة الكتلة المقيسة.

والآن، فيما يخص دقة فصل الميزان الزنبركي، يقيس التدريج الذي نراه هنا الكتلة لأقرب كيلوجرام. ولكن قد يتغير ذلك حسب الزنبرك الموجود داخل الميزان. فقد يكون الميزان الزنبركي مدرجًا بالكيلوجرامات أو الجرامات. ولا توجد دقة فصل معينة يمكننا أن نقول إنها معيارية.

والوضع مشابه مع الأداة الأخرى لقياس الكتلة، وهي الميزان ذو الأذرع. نضع جسمًا ذا مقدار معين من الكتلة على الميزان ذي الأذرع. ونقيس هذه الكتلة بضبط موضع مجموعة من أثقال الموازنة، التي تجعل ذراع الميزان يحاذي علامة ثابتة، عند وضعها في الموضع الصحيح. وبناء على عدد أذرع الموازنة وطولها، يمكن أن يقيس الميزان ذو الأذرع كتلًا صغيرة جدًا أو كبيرة جدًا. مرة أخرى، يمكننا القول بأن دقة الفصل تتغير.

لنلخص الآن أدوات القياس التي تناولناها. في هذا الدرس، تناولنا أدوات قياس الطول والزمن والكتلة. عرفنا أن هناك ثلاث طرق لقياس الطول، وهي استخدام المسطرة، أو القدمة ذات الورنية، أو الميكرومتر. وحددنا أيضًا دقة الفصل المعيارية لهذه الأدوات.

وفعلنا الشيء نفسه مع الأدوات المستخدمة لقياس الزمن. وعرفنا أن الساعات الرملية يمكنها قياس الزمن لأقرب دقيقة. بينما تقيس الساعات البندولية الزمن لأقرب ثانية. وبعد ذلك عرفنا أنه من بين هذ الأدوات لقياس الزمن، ساعات الإيقاف هي الأكثر دقة؛ فهي قادرة على قياس الزمن لأقرب جزء من المائة من الثانية. وأخيرًا، تناولنا أدوات قياس الكتلة. وعرفنا أن كلتا هاتين الأداتين، الميزان الزنبركي والميزان ذي الأذرع، يمكنهما قياس الكتلة بدرجات متفاوتة من الدقة.