شارح الدرس: تعريفات وحدات النظام الدولي الفيزياء

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 “système international”. 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: .الا

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: ،الاا= فإن: .=×الاا

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: ،الاا=× يمكن كتابته بالكامل على الصورة: .=×=الالااال

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.

مثال ١: التفرقة بين الكميات الأساسية والكميات المشتقة

أيٌّ ممَّا يلي يَصِف الفرق بين الكميات الفيزيائية الأساسية والمشتقة؟

  1. يمكن تعريف الكميات المشتقة بدلالة الكميات الأساسية.
  2. يمكن تعريف الكميات الأساسية بدلالة الكميات المشتقة.
  3. يكون للكميات المشتقة أكثر من وحدة واحدة، أما الكميات الأساسية يكون لها وحدة واحدة فقط.
  4. يكون للكميات الأساسية أكثر من وحدة واحدة، أما الكميات المشتقة يكون لها وحدة واحدة فقط.
  5. اقتُرحت الكميات الأساسية قبل الكميات المشتقة.

الحل

يمكن أن يقاس الزمن بوحدات الثانية والدقيقة والساعة واليوم والسنة. والزمن كمية أساسية. إذن، لا يمكن أن يكون للكميات الأساسية وحدة واحدة فقط.

أما السرعة، فيمكن قياسها بوحدتَي كيلومتر لكل ساعة وميل لكل ساعة. والسرعة كمية مشتقة. وبالتالي، لا يمكن أن يكون للكميات المشتقة وحدة واحدة فقط.

قُدمت بعض الكمية الفيزيائية منذ زمن طويل. إن فكرة أن الطول والزمن كميتان يمكن قياسهما فكرة قديمة لدرجة أنه من غير المعروف متى ظهرت هذه الفكرة للمرة الأولى. وهذا يعني أنه لا توجد طريقة للتأكد مما إذا كانت فكرة قياس الزمن أو الطول ظهرت في نفس الوقت الذي ظهرت فيه فكرة قياس السرعة أو قبلها أو بعدها.

يمكن التعبير عن الكميات الأساسية والمشتقة بدلالة إحداهما عن الأخرى.

إحدى الكميات المشتقة معبَّرًا عنها بدلالة كميات أساسية هي: .=االا

بينما إحدى الكميات الأساسية معبَّرًا عنها بدلالة كميات مشتقة هي: .=االا

ومع ذلك، يمكن اشتقاق السرعة من الطول والزمن، لذا، فالتعبير عن الزمن بدلالة السرعة يكون على الصورة الآتية: .=االالا

وهذا يكافئ: ،االاال=× ما يكافئ أيضًا: .=×=ااالالا

نلاحظ إذن أنه من الأصح أن نقول إن الوحدات المشتقة يمكن تعريفها بدلالة الكميات الأساسية. ويمكن القول أيضًا إن الكميات الأساسية هي كميات رئيسية. وهذا يتفق مع الخيار (أ).

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.

مثال ٢: تعريف إحدى الوحدات الأساسية للنظام الدولي للوحدات

أيُّ وحدة من وحدات النظام الدولي للوحدات الآتية مُعرَّفة بأنها تساوي 1‎ ‎650‎ ‎763.73 مثلًا من الطول الموجي للضوء الأحمر-البرتقالي المنبعث من ذرات عنصر الكريبتون-86 في الفراغ؟

  1. المتر
  2. الثانية
  3. المول
  4. الكانديلا
  5. الإستراديان

الحل

لتحديد وحدة النظام الدولي للوحدات الواردة في السؤال، من المفيد أن نحدد أيٌّ من كميات النظام الدولي للوحدات يشير التعريف إلى قياسها.

أغلب المعطيات الواردة في التعريف ليس لها علاقة مباشرة بتحديد الكمية المقيسة. فالقيمة 1‎ ‎659‎ ‎763.73 قد تكون قيمة أي كمية. كما أن العنصر الذي ذَكر التعريف إحدى ذراته لا يحدد أي كمية بعينها.

يذكر التعريف ضوءًا منبعثًا من إحدى الذرات. ومن هذا المنطلق، قد يُعتقد أن الكمية المذكورة لها علاقة بالضوء، وأن ذلك قد يعني أن الوحدة المعرفة هي الكانديلا، وهو اسم قد يكون له صلة بالضوء.

لكن عند قراءة التعريف بعناية، نلاحظ أن اسم الكمية مذكور في التعريف كالآتي: «1‎ ‎650‎ ‎763.73مثلًا من الطول الموجي للضوء الأحمر-البرتقالي المنبعث من ذرات عنصر الكريبتون-86 في الفراغ.»

وهذا تعريف للطول الذي يساوي وحدة الطول الأساسية في النظام الدولي للوحدات، أي المتر. وهذا يتفق مع الخيار (أ).

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

مثال ٣: تعريف إحدى الوحدات الأساسية للنظام الدولي للوحدات

أيُّ وحدة من وحدات النظام الدولي الآتية مُعرَّفة بأنها تساوي الفترة التي تَبعث فيها ذرات عنصر السيزيوم-133 عدد 9‎ ‎192‎ ‎631‎ ‎700 موجة؟

  1. الثانية
  2. المتر
  3. المول
  4. الكانديلا
  5. الإستراديان

الحل

لتحديد وحدة النظام الدولي المعرَّفة في السؤال، من المفيد أن نحدد أيٌّ من كميات النظام الدولي للوحدات يشير التعريف إلى قياسها.

أغلب المعلومات المعطاة في التعريف ليس لها علاقة مباشرة بتحديد الكمية المقيسة. فيمكن أن تكون القيمة 9‎ ‎192‎ ‎631‎ ‎700 هي قيمة أي كمية. والعنصر الذي ذَكر التعريف إحدى ذراته لا يخص أي كمية بعينها.

يشير التعريف إلى الموجات المنبعثة من إحدى الذرات. ومن هذا المنطلق، قد يُعتقد أن الكمية المذكورة لها علاقة بالطول الموجي وقد يعني هذا أن الكمية المذكورة هي الطول.

ولكن عند قراءة التعريف بعناية، نلاحظ أنه يذكر فترة على النحو الآتي: «الفترة التي تَبعث فيها ذرات عنصر السيزيوم-1339‎ ‎192‎ ‎631‎ ‎700 موجة».

بعبارة أخرى، الفترة التي تَبعث خلالها ذرات عنصر السيزيوم-133 موجة 9‎ ‎192‎ ‎631‎ ‎700 مرة.

والتعبير عن هذه العبارة بهذه الطريقة يوضح أنها تشير إلى فترة زمنية، ومن ثم، تشير إلى الزمن. الوحدة الأساسية للزمن في النظام الدولي للوحدات هي الثانية. وهذا يتفق مع الخيار (أ).

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

مثال ٤: تعريف إحدى الوحدات الأساسية للنظام الدولي للوحدات

أيُّ وحدة من وحدات النظام الدولي الآتية مُعرَّفة بالرجوع إلى خواص جسم معياري مميَّز محفوظ في المكتب الدولي للمقاييس والموازين؟

  1. الكيلوجرام
  2. المتر
  3. المول
  4. الكانديلا
  5. الإستراديان

الحل

توجد وحدة أساسية واحدة فقط في النظام الدولي للوحدات تُعرَّف باستخدام جسم معين. الكيلوجرام المعياري عبارة عن جسم كتلته كيلوجرام واحد.

قد يُفترض أيضًا وجود جسم له طول يعادل مترًا واحدًا، لكن في الواقع، يُعرف المتر بدلالة ظاهرة تحدث طبيعيًّا.

إذن، الخيار الصحيح هو (أ).

لقد رأينا حتى الآن ثلاث كميات أساسية للنظام الدولي ووحداتها.

الكميةالوحدة الأساسية في النظام الدولي للوحداترمز الوحدة
الطولالمترm
الزمنالثانيةs
الكتلةالكيلوجرامkg

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 6.02214076×10. 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 6.02214076×10 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 6.02214076×10 من كرات التنس، فإن عدد مولات كرات التنس في الوعاء يساوي عدد كرات التنس مقسومًا على عدد الأجزاء المتكافئة في المول الواحد. أي إن: .6.02214076×106.02214076×10=10ل
  • 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 2.5×10 من النجوم. يمكن حساب عدد النجوم بالمول عن طريق قسمة عدد النجوم على عدد الأجزاء المتكافئة في المول الواحد. أي إن: .2.5×106.02214076×10=4.1513477×10ل
  • لنفترض بدلًا من ذلك أنه يمكن حساب عدد السكان على الأرض بالمول. يعيش ما يقرب من 7.8×10 من البشر على الأرض. ويمكن حساب عدد السكان بالمول عن طريق قسمة عدد السكان على عدد الأجزاء المتكافئة في المول الواحد. أي إن: .7.8×106.02214076×10=1.2952205×10ل

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 6.02214076×10 من الجسيمات، وهذه الجسيمات قد تكون ذرات، أو جزيئات، أو أيونات، أو إلكترونات. باختصار، مول واحد يساوي 6.02214076×10 من الأجزاء.

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

الجسمالأجزاء المتكافئة من الجسمعدد الأجزاء المتكافئةعدد المولات
4 جرامات من الهيليومالذرات6.02214076×106.02214076×106.02214076×10=1
وعاء هائل من كرات التنسكرات التنس6.02214076×106.02214076×106.02214076×10=10
مجرة درب التبانةالنجوم2.5×102.5×106.02214076×10=4.1513477×10
عدد السكان على الأرضالبشر7.8×107.8×106.02214076×10=1.2952205×10

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.

الكميةالوحدة الأساسية في النظام الدولي للوحدات رمز الوحدة
كمية المادةالمولmol

لنتناول الآن مثالًا يتعلق بالمول.

مثال ٥: تعريف المول

أيٌّ من الكميات الفيزيائية الآتية تحتوي على وحدة النظام الدولي مول؟

  1. كمية المادة
  2. الكتلة
  3. الحجم
  4. الكثافة
  5. الطاقة

الحل

يعرِّف المول عدد الأجزاء المتكافئة.

قد يُفترض أن يشير ذلك إلى كتلة الجسم، لكن في الحقيقة، يمكن أن يكون لكل جزء من أجزاء جسمٍ ما كتلة.

كما يمكن أن يكون لكل جزء من أجزاء جسمٍ ما حجمٌ.

الكثافة هي نسبة الكتلة إلى الحجم، لذا، لا يمكن أن تكون هذه هي الكمية التي يكون المول الوحدة الأساسية لها.

إن طاقة جسمٍ ما ليست قياسًا لعدد الأجزاء المتكافئة من هذا الجسم. فتغيُّر طاقة جسمٍ ما لا يعني تغيُّر عدد الأجزاء المتكافئة التي يتكون منها هذا الجسم.

وقياس عدد الأجزاء المتكافئة من جسمٍ ما هو قياسٌ لكمية المادة. والمول وحدة القياس الأساسية لهذه الكمية وفقًا للنظام الدولي للوحدات. وهذا يتفق مع الخيار (أ).

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.

مثال ٦: تحديد وحدة قياس درجة الحرارة في النظام الدولي للوحدات

أيٌّ مما يلي رمز وحدة قياس درجة الحرارة المطلقة طبقًا للنظام الدولي للوحدات؟

  1. K
  2. C
  3. C
  4. F

الحل

وحدة قياس درجة الحرارة المطلقة هي الكلفن، لذا، يطلب منا السؤال تحديد رمز وحدة الكلفن.

رمز وحدة الدرجة السلزية هو C ورمز وحدة درجة الفهرنهايت هو F. ولا تمثِّل أيٌّ من هاتين الوحدتين وحدة درجة الحرارة المطلقة.

الرمز يشير إلى وحدة الدرجة، وهي ليست وحدة قياس درجة الحرارة بل وحدة قياس المسافة الزاويَّة.

إذن، رمز وحدة الكلفن هو إما C وإما K. من المفترض أن كلمة كلفن تبدأ بحرف K ، ورمز الكلفن هو K. وفي الحقيقة، هذا صحيح. يكون حرف k كبيرًا؛ حيث إن كلمة كلفن تشير إلى اسم شخص، وجميع الوحدات التي تحمل أسماء أشخاص لها رموز مكتوبة بأحرف كبيرة.

إذن، الخيار الصحيح هو (أ).

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.

الكميةالنظام الدولي للوحدات الأساسيةرمز الوحدة
الطولالمترm
الزمنالثانيةs
الكتلةالكيلوجرامkg
كمية المادةالمولmol
درجة الحرارة المطلقةكلفنK
التيار الكهربيأمبيرA
شدة الإضاءةكانديلاcd

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.

النقاط الرئيسية

  • النظام الدولي للوحدات هو النظام المعياري لإجراء القياسات العلمية.
  • الكمية الأساسية هي كمية لا يمكن اشتقاقها من كميات أخرى.
  • الكميات الأساسية في النظام الدولي للوحدات هي الطول، والزمن، والكتلة، وكمية المادة، ودرجة الحرارة المطلقة، والتيار الكهربي، وشدة الإضاءة.
  • كل كمية أساسية لها وحدة، ولكل وحدةٍ رمزٌ.
  • يمكن الحصول على كمية مشتقة بضرب الكميات الأساسية معًا أو قسمتها بعضها على بعض.

تستخدم نجوى ملفات تعريف الارتباط لضمان حصولك على أفضل تجربة على موقعنا. معرفة المزيد حول سياسة الخصوصية لدينا.