فصل دوم: اندازه‌گيری در علوم و ابزارهای آن
اندازه‌گیری و اهمیت آن
اندازه‌گیری درست به ما کمک می‌کند تا بتوانیم اجسام را از لحاظ مقدار، طول، وزن و … با هم مقایسه نماییم. همچنین‌اندازه‌گیری یک مرحله مهم برای جمع‌آوری اطلاعات می‌باشد.
دانشمندان برای آنکه عددهای حاصل از اندازه‌گیری‌های مختلف یک کمیت با هم مقایسه‌پذیر باشند، از یکای معینی برای آن استفاده می‌کنند. مثلاً برای جرم، کیلوگرم، برای زمان ثانیه و … را به کار می‌برند.
یکا (واحد)
یکا یا واحد مقیاسی است که همه اندازه‌گیری‌های یک کمیت بایستی با آن بیان شوند. یکاها دو نوع‌اند؛
برای سهولت در یادگیری نام برخی کمیت‌های مهم فیزیکی، تعریف، یکای‌اندازه‌گیری و وسیله‌اندازه‌گیری در جدول 1 آمده است. بنابراین از توضیحات اضافی و غیر ضروری خودداری شده است. بنا به ضرورت در ادامه به توضیح وزن و چگالی می‌پردازیم.
جدول 1. کمیت‌های فیزیکی
| نام کمیت | تعریف | یکای اصلی اندازه‌گیری | یکاهای دیگر (یکاهای کوچک‌تر يا بزرگ‌تر) | وسیله اندازه‌گیری |
| جرم | مقدار ماده تشکیل‌دهنده یک جسم | کیلوگرم | گرم، تن و… | ترازو |
| طول | فاصله بین دو نقطه و مسافتی که یک جسم طی می‌کند | متر | سانتی‌متر، کیلومتر و … | متر |
| زمان | قسمت مشخصی از شبانه‌روز یا قسمت مشخصی از یک ساعت | ثانیه | دقیقه، ساعت، روز و … | زمان‌سنج (ساعت) |
| وزن | نیروی گرانشی که از طرف زمین بر جرم جسم وارد می‌شود | نیوتن | – | نیروسنج |
| حجم | مقدار فضایی است که یک جسم اشغال می‌کند | سانتی‌متر مکعب | مترمکعب | اندازه‌گیری و محاسبه |
| چگالی | مقدار جرمی است که در حجم معینی از یک جسم وجود دارد | گرم بر سانتی‌متر مکعب | کیلوگرم بر متر مکعب | اندازه‌گیری و محاسبه |
وزن و اندازه‌گیری آن
وزن یک جسم مقدار نیرویی است که از طرف زمین بر جرم جسم وارد می‌شود. برای اندازه‌گیری وزن یک جسم، جرم جسم را در جاذبه زمین (8/9) ضرب می‌کنیم. (برخی مواقع برای راحتی محاسبات به جای 8/9 عدد 10 لحاظ می‌شود).
یعنی: 8/9 × جرم جسم(برحسب کیلوگرم) = وزن جسم(برحسب نیوتن)
مثال: اگر جرم یک جسم 80 کیلوگرم باشد. وزن آن‌را به دست آورید.
چگالی و اندازه‌گیری آن
وقتی یک جسم را روی آب می‌گذاریم، ممکن است در آب فرو رود. مانند سنگ یا روی آب باقی بماند. مانند فیبر (یونولیت). در این صورت می‌گوییم که چگالی سنگ از آب بیشتر است، اما چگالی فیبر از آب کمتر است. چگالی در واقع مقدار جرمی است که در حجم معینی از یک جسم وجود دارد. برای‌اندازه‌گیری چگالی یک جسم جرم آن را به حجم جسم تقسیم می‌نماییم. یعنی؛
بنابراین اگر جرم جسم بر حسب کیلوگرم و حجم آن بر حسب متر مکعب باشد، واحد چگالی کیلوگرم بر متر مکعب خواهد شد.
مثال: اگر جرم جسمی 200 گرم و حجم آن 100 سانتی‌متر مکعب باشد، چگالی آن را به دست آورید؟
اندازه‌گیری چگالی یک جسم با کمک استوانه مدرج
در ابتدا جرم جسم را با کمک ترازو اندازه می‌گیریم. برای‌اندازه‌گیری حجم جسم، مقداری آب در یک استوانه مدرج می‌ریزیم و حجم آن را اندازه‌گیری می‌نماییم. سپس جسم مورد نظر را داخل استوانه قرار می‌دهیم و حجم را در این حالت اندازه می‌گیریم.
مقدار افزایش حجم آب در واقع بیانگر حجم جسم مورد نظر می‌باشد. سرانجام با تقسیم جرم جسم به حجم آن چگالی جسم به دست می‌آید. (شکل1)
دقت در اندازه‌گیری
دقت در اندازه‌گیری به دو عامل بستگی دارد. یکی دقت شخص و دیگری دقت وسیله اندازه‌گیری. مثلاً اگر بخواهیم طول یک مداد را اندازه بگیریم، از خط‌کش سانتی‌متری استفاده می‌کنیم. در این صورت دقت ما در حد سانتی‌متر می‌باشد و نباید عددی کوچک‌تر از سانتی‌متر به کار ببریم.
نکات تکمیلی فصل دوم
- هر چیزی که قابل‌اندازه‌گیری باشد کمیت نام دارد.
- برای هر کمیت ممکن است چندین یکا (واحد) وجود داشته باشد که یکی اصلی می‌باشد. مثلاً یکای طول متر است، اما میلی‌متر، سانتی‌متر، کیلومتر و… دیگر واحدهای متداول آن هستند.
- نیوتن معادل 100 گرم می‌باشد.
- نیروسنج وسیله‌ای است که نیرو و وزن را اندازه‌گیری می‌کند و داخل آن یک فنر قرار دارد که می‌تواند کشیده شود. مقدار کشیدگی فنر آن به اندازه نیرویی بستگی دارد که بر آن وارد می‌شود.
- هر کیلومتر معادل 1000متر و هر متر هم معادل 100سانتی‌متر می‌باشد.
- برای‌اندازه‌گیری حجم مایعات از ظروف مدرج مانند استوانه مدرج استفاده می‌شود.
- 1سی سی = 1 میلی‌لیتر = 1سانتی‌متر مکعب می‌باشد.
- حجم یک جسم جامد که شکل هندسی نامنظمی دارد را به‌وسیله آب و استوانه مدرج به دست می‌آوریم. برای این منظور در استوانه مدرجی مقدار مشخصی آب می‌ریزیم (مثلاً 60 میلی‌لیتر). سپس جسم جامد را در آن می‌اندازیم. مثلاً در این حالت حجم به 80 میلی‌لیتر می‌رسد. اندازه تفاوت دو حجم معادل حجم جسم جامد می‌باشد. یعنی 20 = cc 60-cc 80 عدد 20 همان حجم جسم جامد می‌باشد.
سؤالات درسی فصل دوم
1. اهمیت‌اندازه‌گیری را توضیح دهید؟
اندازه‌گیری یک مرحله مهم برای جمع‌آوری اطلاعات می‌باشد. اندازه‌گیری به ما کمک می‌کند تا اشیاء را از لحاظ اندازه، مقدار، بزرگی و کوچکی، بلندی و کوتاهی و … با هم مقایسه کنیم.
2.اندازه هر چیزچگونه بیان می‌گردد؟
اندازه آن بر حسب یک عدد و یکای آن گزارش می‌شود.
3. دانشمندان برای اینکه عددهای حاصل از‌اندازه‌گیری‌های مختلف یک چیز (کمیت) با هم مقاسیه‌پذیر باشند، چه کرده‌اند؟
برای هر کمیت یکای معینی تعریف کرده‌اند. مثلاً برای طول یکای متر را مشخص کرده‌اند.
4. طول حیاط یک مدرسه 40 قدم احمد، 42 قدم رضا و 39 قدم حسین می‌باشد؛
الف: آیا این اعداد مبنای درستی برای‌اندازه‌گیری طول حیاط می‌باشند؟
ب: این اختلاف‌ها در‌اندازه‌گیری چه چیزی را نشان می‌دهند؟
جواب الف: خیر
جواب ب: این اختلاف‌ها نشان می‌دهند که بایستی اندازه‌گیری‌ها بر اساس یک یکای مشخص و با یک وسیله درست صورت پذیرند. یعنی در اینجا بایستی‌اندازه‌گیری بر اساس متر باشد و اگر هر سه نفر از متر استفاده می‌کردند، یک عدد به دست می‌آمد.
5. جرم را تعریف کنید؟یکای آن و وسیله اندازه‌گیری آن‌را بنویسید؟
جرم مقدار ماده تشکیل‌دهنده یک جسم است. یکای آن کیلوگرم و وسیله اندازه‌گیری آن ترازو می‌باشد.
6. طول را تعریف کنید؟یکای آن و وسیله اندازه‌گیری آن‌را بنویسید؟
طول فاصله بین دو نقطه و مسافتی است که یک جسم طی می‌کند. یکای آن متر و وسیله اندازه‌گیری آن متر می‌باشد.
7. زمان را تعریف کنید؟یکای آن و وسیله اندازه‌گیری آن‌را بنویسید؟
زمان قسمت مشخصی از شبانه روز یا قسمت مشخصی از یک ساعت می‌باشد. یکای آن ثانیه و وسیله اندازه‌گیری آن زمان‌سنج (ساعت) می‌باشد.
8. وزن را تعریف کنید؟یکای‌اندازه‌گیری آن و وسیله‌اندازه‌گیری آن‌را بنویسید؟
وزن، نیروی گرانشی است که از طرف زمین بر جرم جسم وارد می‌شود. یکای آن نیوتن و وسیله اندازه‌گیری آن نیروسنج می‌باشد.
9. وزن یک جسم چگونه اندازه‌گیری می‌شود؟ (رابطه اندازه‌گیری وزن را بنویسید؟)
برای‌اندازه‌گیری وزن یک جسم جرم آن را در جاذبه زمین (8/9) ضرب می‌کنیم یا می‌توان نوشت:
10. اگر جرم جسمی 600 کیلوگرم باشد، وزن آن‌را به دست آورید؟(جاذبه زمین 10 در نظر گرفته شود).
8/9 × جرم جسم (بر حسب کیلوگرم) = وزن جسم (بر حسب نیوتن)
N 6000 =10 × 600 کیلوگرم = وزن جسم (بر حسب نیوتن)
11. اگر وزن جسمی 2000 نیوتن باشد، جرم آن چقدر است؟ (جاذبه زمین 10 در نظر گرفته شود).
12. حجم را تعریف کنید؟یکای آن و وسیله اندازه‌گیری آن را بنویسید؟
مقدار فضایی است که یک جسم اشغال می‌کند. یکای آن متر مکعب یا سانتی‌متر مکعب است.
13. حجم مایعات و حجم جامدات چگونه‌اندازه‌گیری می‌شود؟
حجم مایعات به‌وسیله ظروف مدرج مانند استوانه مدرج.
حجم جامدات نامنظم به‌وسیله آب و استوانه مدرج اندازه‌گیری می‌شود.
14. چگالی را تعریف کنید؟یکای آن و وسیله‌اندازه‌گیری آن‌را بنویسید؟
چگالی در واقع مقدار جرمی است که در حجم معینی از یک جسم وجود دارد. یکای آن گرم بر سانتی متر مکعب یا کیلو گرم بر مترمکعب می‌باشد.
15. دانش‌آموزی در یک استوانه مدرج که تا 400سی سی آب دارد یک سنگ 400 گرمی می‌اندازد. اگر حجم آب به 500سی سی برسد. چگالی سنگ را به دست آورید؟
15. سه ماده مایع را در یک لوله آزمایش مطابق شکل ریخته ایم. اگر ترتیب قرار گرفتن این سه مایع مطابق الگوی زیر باشد، کدامیک چگالی بیشتری دارد؟
ماده الف چگالی بیشتری دارد، زیرا پایین‌تر از همه قرار دارد.
(چگالي الف < ب < پ)
16. دقت در اندازه‌گیری به چه عواملی بستگی دارد؟
دقت در اندازه‌گیری به دو عامل بستگی دارد. یکی دقت شخص و دیگری دقت وسیله اندازه‌گیری. مثلاً اگر بخواهیم طول یک مداد را اندازه بگیریم، از خط‌کش سانتی‌متری استفاده می‌کنیم. بنابراین دقت ما در حد سانتی‌متر می‌باشد و نباید عددی کوچک‌تر از سانتی‌متر به کار ببریم.
سؤالات تستی فصل دوم
1. چه دلیلی سبب شده است که دانشمندان برای هر کمیت یکای مناسبی انتخاب نمایند؟
الف: جلوگیری از خطای اندازه‌گیری.
ب: مقایسه‌پذیر بودن اندازه‌گیری‌ها.
پ: آسانی‌اندازه‌گیری‌ها.
ت: همه موارد.
2.اندازه‌گیری چیز‌ها دارای چه اهمیتی می‌باشد؟
الف: مقایسه‌پذیری اشیا از لحاظ‌اندازه و … ب: جمع‌آوری اطلاعات.
پ: تصمیم‌گیری درست. ت: همه موارد.
3. مریم در خصوص جرم و وزن به معلمش توضیحات زیر را ارائه نموده است. در این توضیحات چند کلمه از لحاظ علمی غلط آمده است؟
«جرم جسم معادل وزن آن است، اما یکای‌اندازه‌گیری آن‌ها با هم فرق دارد. جرم می‌تواند در مکان‌های خارج از زمین تغییر نماید، اما وزن همواره ثابت می‌باشد.»
الف: 1 ب: 2 پ: 3 ت: 4
4. در مورد وزن کدام اظهار نظر غلط می‌باشد؟
الف: وزن جسم همان نیروی گرانشی زمین می‌باشد که بر جرم جسم وارد می‌شود.
ب: وزن در نقاط مرتفع (بلند) مثل اورست بیشتر از سطح زمین است.
پ: وزن یک جسم به جاذبه بستگی دارد.
ت: الف و ب.
5. کدام مورد می‌تواند با بقیه متفاوت باشد؟
الف: جرم ب: متر پ: زمان ت: وزن
6. یکای اصلی‌اندازه‌گیری جرم، زمان، حجم و چگالی به ترتیب کدامند؟
الف: گرم، ثانیه، متر مکعب و گرم بر سانتی‌متر مکعب.
ب: کیلو گرم، دقیقه، متر مکعب و کیلوگرم بر سانتی‌متر مکعب.
پ: کیلوگرم، ثانیه، سانتی‌متر مکعب و گرم بر سانتی‌متر مکعب.
ت: گرم، ساعت، سانتی‌متر مکعب و گرم بر سانتی‌متر مکعب.
7. با کدام وسیله می‌توانیم هم جرم یک جسم و هم وزن آن را به طریقی به دست آوریم؟
الف: ترازو ب: نیروسنج پ: الف و ب ت: هیچ‌کدام
8. وزن جسمی در سطح زمین 4000 نیوتن است. جرم آن چند کیلو گرم است؟ (جاذبه زمین را 10 در نظر بگیرید).
الف: 40000 ب: 4000 پ: 400 ت: 40
9. کدام وابستگی در جمله‌های زیر غلط است؟
الف: استوانه مدرج ← حجم
ب: فاصله دو شهر ← متر
پ: گردو ← گرم
ت: ب و پ
10. چگالی جسمی به شکل مکعب مستطیل به ابعاد 2 × 2× 3 متر و به جرم 108 کیلوگرم چقدر است؟
الف: 18 گرم بر سانتی‌متر مکعب
ب: 9 کیلوگرم بر متر مکعب
پ: 18 کیلوگرم بر سانتی‌متر مکعب
ت: 9 کیلوگرم بر متر مربع
برگرفته از کتاب “یادگیری و آموزش آسان علوم پایه هفتم”
دیدگاه‌ها