دانلود تحقیق چرا اندازه گیری می‌کنیم؟

دیدکلی چرا اندازه گیری می‌کنیم؟

قوانین و نظریات فیزیک بصورت معادلات ریاضی بیان می‌شوند.

حال ما از کجا بدانیم که هر معادله خاص ، رفتار چیزی را بیان می‌کند؟

باید این قاعده امتحان شود و به مرحله آزمون گذاشته شود.

بنابراین ، اندازه گیری مهارتی است که میان نظریه علمی و دنیای واقعی رابطه ایجاد می‌کند.

این رابطه دو طرفه می‌باشد.

هر رویداد اندازه گیری شده‌ای که قبلا پیشگویی نشده باشد، باید نظریه جدید آنرا توجیه کند.

اشخاصی که کار تجربی انجام می‌دهند باید اطلاعات فنی جامعی از اصول اندازه گیری داشته باشند.

نحوه اندازه گیری و محدودیتهای ناشی از وسایل اندازه گیری را بشناسد.

هر دانشمندی فقط با دانستن اینکه چه اندازه گیریهایی انجام شده است و نحوه اندازه گیریها چگونه بوده است، می‌تواند اثر و کشفیات دانشمندان دیگر را خوب بفهمد.

بنابراین ، اندازه گیری هنری است که در حال حاضر تکنولوژی پیشرفته حامی آن است.

دقت در اندازه گیری در اندازه گیریها جواب کامل نداریم، هر کسی که نتیجه اندازه گیری خود را گزارش می‌کند، همواره بهترین تخمین خود را از مقدار اصلی ، همراه با خطای اندازه گیری آن ، ارائه می‌دهد.

یعنی اگر طول جسمی بصورت 183±5mm نوشته شود، منظور نویسنده این است که مقدار واقعی طول بین 178 و 188mm قرار دارد.

صحت اندازه گیری از روی تطابق آن با واقعیت نتیجه می‌شود.

خطای زیاد بیانگر عدم اعتماد آزمایشگر بر اندازه گیری است.

اندازه گیری دقیق ، اندازه گیریی است که خطای آن ، در مقایسه با مقدار اندازه گیری شده بسیار کوچک باشد.

در مثال اخیر خطای نسبی اندازه گیری برابر است با: %100=± %2.

74 × (±5/183).

دقت اندازه گیری به مهارت آزمایشگر در تخمین زنی ، مکانیزم عمل اندازه گیری ، حد تفکیک وسیله اندازه گیری ، حد تفکیک چشم و غیره بستگی دارد.

البته درستی اندازه گیری به طبیعت جسمی که اندازه گیری می‌شود نیز وابسته است.

بنابراین ، صحت تمامی اندازه گیریها ، به دلیل محدودیت در دقت (تکرار پذیری آزمایش) و خطای ناشی از طبیعت وسیله اندازه گیری و جسمی که اندازه گیری می‌شود، محدود است.

ارقام با معنی پذیرش میزان خطا در اندازه گیری و نوع ریاضیاتی که در تخمین و محاسبات داده‌ها‌ی آزمایش و نحوه قرائت آنها بستگی دارد.

یک روش اصولی برای ارزیابی صحت اندازه گیری و پذیرش آن توجه به تعداد ارقام با معنی آن است.

تعداد ارقام بامعنی ، درستی و دقت اندازه گیری را می‌رساند.

به عبارتی هر چه اندازه گیریی دقیقتر باشد مقدار ارقام با معنی نتیجه اندازه گیری بیشتر خواهد بود.

آخرین رقم با معنی در اندازه گیری همیشه تخمینی است.

مثلا اگر در اثر اندازه گیری طول اتاقی 720cm باشد، مفهوم این است که اندازه گیری با سه رقم معنی دار انجام شده است که رقم آخر آن صفر می‌باشد که ممکن است درست یا غلط باشد.

صفرهای موجود در عدد گزارش شده ممکن است با معنی باشند یا محل ممیز را نشان دهند.

مثلا طول 802mm که یک عدد دو رقمی است، بر حسب متر برابر 0.0082 است، چون نتیجه تغییر نکرده پس این طول بر حسب متر هم یک عدد دو رقمی است.

بنابراین قاعده کلی این است که: صفرهای سمت چپ هرگز معنی دار نیستند.

صفرهای پایانی نیز ممکن است معنی دار باشند یا نباشند.

اگر طول زمینی را 230m اندازه بگیرید، در این اندازه گیری عدد گزارش شده دارای 4 رقم با معنی است، البته بدون ممیز تشخیص معنی دارابودن یا نبودن رقم آخر با قطعیت مشخص نمی‌شود ، مگر اینکه از نحوه اندازه گیری اطلاعی داشته باشیم.

در مورد اندازه گیری مذکور بهتر است داشته باشیم 230.0 ، در چنین حالتی می‌گوییم دقت اندازه گیری تا 0.1 اعشار درست است.

در جمع و تفریق اندازه گیریها انتشار خطا خواهیم داشت.

مثلا خطای اندازه گیری با دقت 0.1 به اندازه گیری با دقت 0.001 سرایت می‌کند.

البته در اندازه گیریها ، پردازش داده‌های اندازه گیری ، روش گرد کردن و محاسبه خطا (نسبی و مطلق) وجود دارد که میزان اعتبار و دقت اندازه گیری را بیان می‌نماید.

معیار اصلی در گزارش اندازه گیری و مقادیر حاصل از آنها ، کاربرد دقیق تعداد ارقام با معنی است.

نمادگذاری علمی اگر تمامی فواصل در متریک SI نوشته شود، هنگام نوشتن فاصله تا نزدیکترین ستاره (عدد بزرگ) یا هنگام نوشتن قطر هسته اتم (عدد کوچک) کار مشکل خواهد بود.

در مورد ستاره 15 صفر در پایان و در هسته 15 صفر در ابتدای عدد وجود دارد.

تنها تکلیف این صفرها مشخص نمودن محل ممیز می‌باشد.

بهترین راه برای حل مشکل استفاده از نماد گذاری علمی است.

در این روش در هر عدد ممیز را بعد از اولین رقم غیر صفر نوشته و سپس آنرا در توانی از 10 ضرب می‌کنند تا محل ممیز را نشان دهند.

مثلا عدد 142000 در نماد گذاری علمی بصورت زیر در می‌آید: 105×100000 = 1.42 × 142000 = 1.42 در واقع بهترین راه نوشتن اعداد بسیار بزرگ و کوچک همین است.

البته در این روش تشخیص تعداد ارقام با معنی و محل ممیز راحت است.

بخصص در مورد صفرها که کار بسیار راحت شده است.

مزیت مهمی که نمادگذاری علمی دارد، این است که حساب در نماد گذاری علمی راحت صورت می‌گیرد.

یعنی افزودن به توانهای 10 راحتتر از شمردن صفرهاست.

یعنی محاسبات اعشاری چه در اعداد کوچک و چه در اعداد بزرگ به محاسبات توانی تبدیل می‌شود که براحتی انجام می‌گیرد.

البته در جمع و تفرق اعداد که توان برابر ندارند، ابتدا بایستی ممیز را در یکی از اعداد جابجا کرده و توان آنها را یکی نمود.

بعد اندازه گیری هر اندازه گیری از دو قسمت عدد و نشان تشکیل شده است.

مثلا اگر بگویید وزن من 60 است، مخاطب چیزی از این عدد نمی‌فهمد.

مگر اینکه بگویید قد من 60 کیلوگرم است.

برای کلیه اندازه گیریها باید یک شاخصی برای معرفی عدد در کنارش باشد تا به آن عدد ریاضی مفهوم واقعی دهد.

برای کمیات مختلف یکاهای متعددی مطرح شده که در محاسبات و اندازه گیریها باید آنها را به یک یکای مشترک تبدیل کرد.

به عبارت دیگر باید در یک متریک واحد اندازه گیریها را انجام داده و نتیجه را هم یا در آن متریک و یا با تبدیلات مربوطه در دستگاه دیگری بیان کرد.

زیرا در اندازه گیریها و محاسبات فقط کمیاتی را که بعد یکسانی دارند، می‌توان با استفاده از یکاهای تبدیل باهم جمع یا از هم تفریق و یا باهم مقایسه کرد روشهای جدید برای اندازه گیری دقیق زمان کسانی که فکر می کنند «نانو» نمادی از کوچک ترین هاست باید در عقاید خود تجدیدنظر کنند.

نانوی هر کمیتی یک میلیاردم همان کمیت است.

اما اخیراً دو موضوع جدید پژوهشی به اندازه گیری کمیت ها در حد آتو (یک میلیاردم نانو) اختصاص یافته است.

روشهای جدید برای اندازه گیری دقیق زمان کسانی که فکر می کنند «نانو» نمادی از کوچک ترین هاست باید در عقاید خود تجدیدنظر کنند.

کسانی که فکر می کنند «نانو» نمادی از کوچک ترین هاست باید در عقاید خود تجدیدنظر کنند.

اما اخیراً دو موضوع جدید پژوهشی به اندازه گیری کمیت ها در حد آتو (یک میلیاردم نانو) اختصاص یافته است.فرانس کراوس (F.Krausz) از دانشگاه فناوری وین و همکارانش به اندازه گیری زمان در حد آتوثانیه روی آوردند.

این پژوهشگران اخیراً مقاله ای در مجله نیچر (Nature) به چاپ رسانده اند و در آن به تشریح نحوه اندازه گیری کوتاه ترین فاصله زمانی ثبت شده که فقط ۱۰۰ آتوثانیه است، پرداختند.در عین حال، هارولد کرایگهید (H.Craighead) و همکارانش در دانشگاه کورنل واقع در آن سوی اقیانوس اطلس مجموعه ای از ترازوها را ابداع کردند که نسبت به کسری از یک نانو ثانیه نیز حساس است.

نتیجه فعالیت این پژوهشگران در شماره آینده نشریه اپلاید فیزیکس (Applied Physics) منتشر می شود.

دستاوردهای دکتر کراوس محصول فرعی بررسی های او در مورد اربیتال های الکترونی موجود در اطراف هسته های اتمی است.تئوری های کوانتومی پیشگویی های دقیقی در مورد انرژی این اربیتال های اتمی انجام می دهد و دکتر کراوس سرگرم بازنگری در مورد صحت این پیشگویی ها است و در نتیجه این پژوهش ها مشخص شد که پیشگویی ها صحت دارد.وی برای اندازه گیری انرژی این اربیتال ها از دو پالس نورلیزر متوالی که طول عمر هر کدام ۲۵۰ آتوثانیه بود، استفاده کرد.

اولین پالس نور که به اربیتال ها برخورد کرد، باعث شد که الکترون ها از اربیتال جدا شود.

پالس دوم نور این الکترون های جدا شده را متفرق ساخت.پدیده تفرق باعث شد که اندازه حرکت الکترون های تفرق یافته تغییر کند که این تغییر در اندازه حرکت به اربیتال الکترونی اولیه مربوط می شود.

اندازه حرکت (momentum) به صورت حاصلضرب جرم در سرعت تعریف می شود، اما از آنجایی که تمام الکترون ها جرم برابر دارند، اندازه گیری سرعت حرکت الکترون ها کفایت می کند.هر چند فقط اندازه گیری سرعت الکترون ها برای محاسبه انرژی کافی است، اما همین اندازه گیری سرعت نیز بسیار دشوار است.

وی برای انجام این اندازه گیری ها زمان رسیدن الکترون های مختلف را با استفاده از ابزاری که آشکارساز صفحه ای چند کاناله (multi channel plate detector) نامیده می شود، استفاده کرد.

برای اجتناب از ثبت دو الکترون به جای یکی، لازم بود که با دقت هر چه تمام تر الکترون ها جدا از یکدیگر آشکارسازی شوند.

در این مورد به خصوص «با دقت هر چه تمام تر» به معنی اندازه گیری در مقیاس ۱۰۰ آتوثانیه است و این گفته به آن معنی اصل عدم قطعیت هایزنبرگ محدودیت های فراوانی ایجاد می کند (اصل عدم قطعیت هایزنبرگ می گوید دقت در اندازه گیری زمان توسط دقت اندازه گیری انرژی محدود می شود.)ووی می تواند با اندازه گیری دقیق پالس های تفوق یافته به هدف خود یعنی اندازه گیری زمان در محدوده اصل عدم قطعیت دست یابد.دکتر کریکهید و همکارانش اهداف عینی تری در سر داشتند که البته انجام آن نیز بسیار دشوار است: تشخیص ویروس ها با توزین آنها.

انواع مختلف ویروس ها وزن های متفاوتی دارند، اما وزن یک نوع ویژه از ویروس ها با هم برابر است.دکتر کریکهید ترازو های دقیق خود را از بلور های سیلیسیم ساخته است.

آنان با استفاده از پرتو های الکترونی بلور ها را به گونه ای تراش دادند که زائده ای از سطح بلور بیرون بیاید (چاقویی را در نظر بگیرید که تیغه آن در سطح چوب فرو رفته باشد.) جسمی را در انتهای این زائده قرار دهید.

مشاهده می کنید که زائده خم می شود.در این حالت زائده به ارتعاش درمی آید که فرکانس ارتعاش آن به وزن جسمی که به آن متصل شده است بستگی دارد.

گروه کریکهید فرکانس ارتعاش ها را اندازه گیری کرد.

البته در این آزمایش ها دکتر کریکهید به جای اندازه گیری وزن ویروس های واقعی، وزن ذره های کوچکی از طلا را اندازه گیری کرد.

کوچک ترین این ذرات حدود ۳۹/۰ آتوگرم وزن داشت که تقریباً برابر با وزن ده هزار اتم است.

این سطح از حساسیت برای تشخیص ویروس ها کافی است، اما دکتر کریکهید اندازه گیری ها را در این سطح متوقف نکرده است.

وی انتظار دارد با اصلاح بیشتر این سیستم اندازه گیری، بتواند یک زپتو گرم را که برابر است با یک هزارم آتوگرم اندازه گیری کند.

به نظر می رسد دانش بشری از نانوتکنولوژی نیز فراتر رفته و دوره زپتو تکنولوژی فرارسیده است