شارح الدرس: تعريفات وحدات النظام الدولي الفيزياء • الصف الأول الثانوي

في هذا الشارح، سوف نتعلَّم كيف نتعرَّف على وحدات النظام الدولي للوحدات، والكميات الفيزيائية المَقيسة بواسطة تلك الوحدات.

نظام SI للوحدات هو النظام الدولي للوحدات. SI هو اختصار للعبارة الفرنسية ”“. أُنشئ النظام الدولي للوحدات عام 1960 وأصبح نظامَ الوحدات الأساسي للعلماء في أغلب أنحاء العالم.

ترتبط كل وحدة من وحدات النظام الدولي بكمية. وربما تكون الكميات الأكثر شيوعًا هي الآتي:

• الطول،
• الزمن.

وهما كميتان من الكميات الأساسية في النظام الدولي للوحدات.

والكمية الأساسية هي كمية لا يمكن أن تقسَّم إلى أكثر من جزء أساسي. تُعرف الكمية التي يمكن أن تقسَّم إلى أكثر من جزء أساسي بأنها كمية مركبة أو كمية مشتقة.

من بين الأمثلة على الكميات المشتقة هي الكمية التي تساوي:

تُسمى هذه الكمية «السرعة». ونلاحظ أنها عبارة عن نسبة بين كميتين أساسيتين.

أما الطول والزمن، فهما كميتان لا يمكن أن تقسَّم إلى أكثر من جزء أساسي. وبالطبع بما أن: فإن:

وهذا قد يوحي بأنه يمكن اشتقاق الكمية الأساسية «الطول» من كميات أخرى، لكن قد يكون هذا مضللًا؛ فإحدى هذه الكميات قد اشتُقت من كميات أساسية. والتعبير: يمكن كتابته بالكامل على الصورة:

إذن من الضروري ألا تساوي الكمية الأساسية إلا نفسها عند التعبير عن أي كمية مشتقة متعلقة بها بدلالة الكميات الأساسية التي تُشتق منها.

ويمكن القول أيضًا إن الكميات الأساسية هي كميات رئيسية.

لنتناول مثالًا يقارن بين الكميات الأساسية.

الوحدة الأساسية للطول في النظام الدولي للوحدات هي المتر.

والوحدة الأساسية للزمن في النظام الدولي للوحدات هي الثانية.

الطول الذي يساوي مترًا واحدًا يمكن تعريفه عن طريق قياس ظاهرة فيزيائية تحدث طبيعيًّا.

والزمن الذي يساوي ثانية واحدة يمكن تعريفه عن طريق قياس ظاهرة فيزيائية تحدث طبيعيًّا.

كلتا هاتين الظاهرتين ترتبطان بالضوء المنبعث من الذرات. يتكون هذا الضوء من موجات لها طول موجي معين وتتولد خلال فترة زمنية معينة.

ثمة كمية أساسية أخرى في النظام الدولي للوحدات لها وحدة لا تُعرَّف عن طريق قياس ظاهرة فيزيائية تحدث طبيعيًّا، وإنما تعتمد على جسم مصنوع. ولا توجد أي كمية أساسية أخرى في النظام الدولي للوحدات تُعرف بهذه الطريقة. الكمية التي تُعرف بهذه الطريقة الفريدة هي الكتلة.

وحرصًا على الدقة، تجدر الإشارة إلى أن تعريف الوحدة الأساسية للكتلة في النظام الدولي للوحدات قد تَغيَّر الآن بحيث أصبح لا يعتمد على جسم بعينه. وهذا التغير حديث، ومع ذلك، فالتعريف الجديد معقد للغاية لدرجة أنه يُفضل العودة دائمًا إلى التعريف القديم الذي يعتمد على جسم بعينه.

وحدة النظام الأساسية للكتلة في النظام الدولي للوحدات هي الكيلوجرام. قد يكون من المثير للدهشة أن وحدة الكيلوجرام هي الوحدة الأساسية للكتلة وليس الجرام. وهذا يختلف عن حالتَي الطول والزمن. فوحدة الطول الأساسية في النظام الدولي للوحدات ليست الكيلومتر ووحدة الزمن الأساسية في النظام الدولي للوحدات ليست الكيلو ثانية.

عُرف الكيلوجرام في الأصل بأنه كتلة لتر واحد من الماء. ومع ذلك، في عام 1889، صُنع جسم مصمم بطريقة دقيقة للغاية. هذا الجسم عبارة عن أسطوانة مصنوعة من سبيكة البلاتين والإيريديوم. بعد صُنْع هذا الجسم، عُرِّف الكيلوجرام بأنه يساوي كتلة هذا الجسم. يشار إلى هذا الجسم بالكيلوجرام المعياري.

وقد صُنع الكيلوجرام المعياري فقط ليعرِّف كتلة الكيلوجرام الواحد. كما أن شكل الكيلوجرام المعياري والمادة التي صُنع منها لا تُعد سمات أساسية لنموذج الكيلوجرام الأولي. فقد كان من الممكن اختيار أشكال ومواد مختلفة. الخاصية الوحيدة المهمة في الكيلوجرام القياسي هي كتلته.

لنتناول مثالًا يتضمن تعريفًا لإحدى الوحدات الأساسية للنظام الدولي للوحدات.

لنتناول مثالًا آخر يتضمن تعريف إحدى الوحدات الأساسية للنظام الدولي للوحدات.

لنتناول مثالًا آخر يتضمن تعريف إحدى الوحدات الأساسية للنظام الدولي للوحدات.

لقد رأينا حتى الآن ثلاث كميات أساسية للنظام الدولي ووحداتها.

توجد كمية أساسية أخرى في النظام الدولي للوحدات تسمى «كمية المادة». لكن هذا الاسم لا يوضح كليةً المقصود بـ «كمية». قد يتسبب عدم وضوح هذا المعنى في حدوث الْتباس عند التفرقة بين هذه الكمية والكتلة.

لذا للحصول على تعبير أكثر تحديدًا وتفصيلًا لما تعنيه هذه الكمية نسميها «كمية المادة». «كمية المادة» هي عدد الأجزاء المتكافئة التي يتكون منها الجسم المصنوع من مادة معينة.

والأجزاء المتكافئة الأكثر شيوعًا، والتي تُحسب بالمول، هي الذرات أو الجزيئات. ويمكن اعتبار الذرات المختلفة للعنصر نفسه في أغلب الأحيان أجزاءً مكافئة تمامًا بعضها لبعض.

في النظام الدولي للوحدات، تشير وحدة القياس الأساسية «المول» إلى عدد معين من الأجزاء المتكافئة. هذا العدد هو . ويشير مول واحد من المادة إلى جسم يحتوي على هذا العدد من الأجزاء المتكافئة.

يمكننا المقارنة بين عدد المولات لكميات وأنواع مختلفة من الأجزاء المتكافئة الموجودة في أجسام مختلفة على النحو الآتي.

• كما ذكرنا سابقًا، الذرات والجزيئات هي أنواع الأجزاء التي تُعَدُّ عادةً بالمول؛ نظرًا لأن ذرات العنصر الواحد متكافئة في أغلب الأحيان. على سبيل المثال، تحتوي 4 جرامات من الهليوم على  ذرة هيليوم. وعدد ذرة الهيليوم في 4 جرامات من الهليوم يساوي عدد الأجزاء المتكافئة في مول واحد. إذن، يوجد مول واحد من الذرات في 4 جرامات من الهيليوم.
• يمكن استخدام المول لحساب عدد الأنواع الأخرى من الأجسام التي تشبه بعضها بعضًا، لكنها لا تشبه بعضها بعضًا كما في حالة الذرات. على سبيل المثال، يمكننا حساب عدد مولات كرات التنس الموجودة في وعاء هائل يحتوي على كرات التنس. إذا كان هذا الوعاء يحتوي على عدد من كرات التنس، فإن عدد مولات كرات التنس في الوعاء يساوي عدد كرات التنس مقسومًا على عدد الأجزاء المتكافئة في المول الواحد. أي إن:
• لنفترض الآن أننا ندرس الأجسام التي يمكن أن تختلف بعضها عن بعض أكثر بكثير من كرات التنس. قد تختلف النجوم كثيرًا بعضها عن بعض في أوجُه عديدة (مثل الحجم، ودرجة الحرارة، والسطوع). تحتوي مجرة درب التبانة على ما يقرب من من النجوم. يمكن حساب عدد النجوم بالمول عن طريق قسمة عدد النجوم على عدد الأجزاء المتكافئة في المول الواحد. أي إن:
• لنفترض بدلًا من ذلك أنه يمكن حساب عدد السكان على الأرض بالمول. يعيش ما يقرب من من البشر على الأرض. ويمكن حساب عدد السكان بالمول عن طريق قسمة عدد السكان على عدد الأجزاء المتكافئة في المول الواحد. أي إن:

من الواضح أن البشر ليسوا متكافئين، لكن عندما يتعلق الأمر بالكميات الفيزيائية، فالبشر أكثر تشابهًا مقارنة بالنجوم.

لا يمكن عادةً أن نستخدم المول لعدِّ الأشياء مثل كرات التنس. وعلى الرغم من أن الأمثلة السابقة أوضحت أنه يمكننا ذلك، فعمليًّا، لا يمكن فعل ذلك.

خلاصة القول، إن المول هو وحدة قياس كمية المادة. ويعرف المول تحديدًا بأنه عدد من الجسيمات، وهذه الجسيمات قد تكون ذرات، أو جزيئات، أو أيونات، أو إلكترونات. باختصار، مول واحد يساوي من الأجزاء.

يلخص الجدول الآتي استخدام المول لحساب عدد الأجزاء المتكافئة المختلفة من الأجسام.

من المهم أن نتذكر أن الذرات والجزيئات فقط هي التي تُعد عادةً بالمول.

ووفقًا لما تَقدَّم، فإن المول يُعرف كما هو موضح في الجدول الآتي.

لنتناول الآن مثالًا يتعلق بالمول.

ثمة كمية أخرى مألوفة في النظام الدولي للوحدات، وهي درجة الحرارة. فدرجة الحرارة كمية مألوفة، إلا أن وحدة درجة الحرارة الأساسية في النظام الدولي للوحدات ليست كذلك. وحدتا القياس الأكثر شيوعًا لقياس درجة الحرارة هما الدرجة السلزية ودرجة الفهرنهايت. ولا تُعَدُّ أيٌّ من هاتين الوحدتين وحدة أساسية لدرجة الحرارة في النظام الدولي للوحدات.

فالوحدة الأساسية لدرجة الحرارة في النظام الدولي للوحدات معرفة بحيث تكون أدنى درجة حرارة ممكنة مساوية لصفر من هذه الوحدات. ولكلٍّ من مقياسَي سلزيوس وفهرنهايت قيمٌ سالبة وكذلك موجبة من درجة الحرارة. وحدة درجة الحرارة التي ليس لها قيم سالبة هي وحدة الكلفن. ودرجة الحرارة المَقيسة بالكلفن تسمى درجة الحرارة المطلقة.

لنتناول مثالًا يتعلق بالكلفن.

يمكننا إضافة المول والكلفن إلى جدول الكميات والوحدات الأساسية للنظام الدولي للوحدات وإضافة مُدخَلَيْن آخرَيْن في نهاية الجدول لم نناقشهما في الشارح، ولكنهما موجودان بالفعل.

بالنظر إلى المدخل الأخير، نلاحظ أن الكانديلا، التي ذكرت في مثال سابق، لها صلة بالضوء؛ فكلمة إضاءة لها علاقة بالضوء.

لنلخص الآن ما تعلمناه في هذا الشارح.