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

نسخة الفيديو النصية

في هذا الفيديو، سوف نتناول موضوع تعريفات وحدات النظام الدولي للوحدات. وسنتعرف على وحدات النظام الدولي الأساسية السبع، وسنتعلم كذلك كيفية تعريف هذه الوحدات الأساسية. وسنرى أنه على الرغم من تغير تعريفات هذه الوحدات الأساسية بمرور الوقت، فهذا لا يعني أنها عشوائية. إذ لا تعكس وحدات النظام الدولي الأساسية منظورًا شخصيًّا، لكنها مدروسة بدقة واتفق عليها مجموعة من العلماء الذين يعقدون اجتماعات مخصصة لمناقشة هذه الأمور.

عندما نتحدث عن الوحدات الأساسية، سواء كنا نتحدث بالتحديد عن النظام الدولي للوحدات كما سنفعل في هذا الفيديو أو نظام وحدات آخر، فإن أي نظام يتضمن عادة وحدات أساسية لهذه الكميات الثلاث: الطول والكتلة والزمن. ويمكننا ملاحظة السبب. وهو أن هذه الكميات ذات صلة وثيقة بحياتنا اليومية. عندما نستعرض هذه الكميات داخل النظام الدولي للوحدات، فإن وحدة الطول الأساسية هي المتر، ويرمز إليها اختصارًا بحرف ‪m‬‏ صغير، ووحدة الكتلة الأساسية هي الكيلوجرام ويشار إليها اختصارًا بـ ‪kg‬‏، ووحدة الزمن الأساسية هي الثانية. وعند الجمع بينها، يمكننا وصف العديد من الكميات الفيزيائية المختلفة باستخدام هذه الوحدات.

على سبيل المثال، إذا قسمنا طولًا بالمتر على زمن بالثواني، فبذلك نكون حصلنا على هذه الكمية التي يمكن أن نسميها السرعة بوحدة المتر لكل ثانية. عندما نجري عملية حسابية مثل هذه، نستخدم وحدات رئيسية. وهذه طريقة أخرى لوصف الوحدات الأساسية، في هذه الحالة المتر والثانية. ونجمع بينها لكي نحصل على ما يسمى وحدة مشتقة، متر لكل ثانية. مثال آخر على هذه العملية هو ضرب كتلة، معبرًا عنها بالوحدة الأساسية الكيلوجرام، في الطول معبرًا عنه بالمتر، ثم نقسم ذلك على الزمن تربيع بمربع الثواني. عندما نجمع بين الوحدات الأساسية بهذه الطريقة، فما نحسبه هو القوة بوحدة النيوتن. في هذا المثال، النيوتن هو الوحدة المشتقة، والوحدات الأساسية المتضمنة هي الكيلوجرام والمتر والثانية.

رغم أننا نستطيع التعمق في وصف ظاهرة فيزيائية من خلال الجمع بين هذه الوحدات الثلاث بطرق مختلفة، فثمة بعض الأشياء التي لا يمكن وصفها باستخدام هذه الوحدات. أحد أمثلة ذلك هو التيار الكهربي. لا توجد طريقة للجمع بين الأمتار والكيلوجرامات والثواني بحيث نتمكن من وصف التيار الكهربي. وينطبق الأمر نفسه على درجات الحرارة، وكذلك ما نسميه بكمية المادة. وبالإضافة إلى ذلك، حدد العلماء كمية أخرى تسمى شدة الإضاءة، التي تشير بالأساس إلى مدى سطوع مصدر ضوء، وهو ما نرغب في تحديد كميته باستخدام وحدة، لكن لا يمكننا وصفه باستخدام هذه الوحدات الثلاث الأساسية.

لذلك إدراكًا لتلك الكميات الإضافية الأربع التي نود قياسها، أضيفت أربع وحدات أساسية أخرى في النظام الدولي للوحدات. أضيف الأمبير لوصف التيار. وأضيف الكلفن لوصف درجة الحرارة. وبعد ذلك أضيف المول والكانديلا لوصف كمية المادة وشدة الإضاءة على الترتيب. ومن ثم أصبح في النظام الدولي للوحدات كما هو عليه اليوم وحدة، وحدتين، ثلاث، أربع، خمس، ست، سبع وحدات أساسية. وسواء استخدمناها بشكل منفصل أو جمعنا بينها، كما رأينا سابقًا عندما توصلنا إلى وحدتي السرعة والقوة، يمكننا وصف معظم الكميات الفيزيائية باستخدام هذه الوحدات الأساسية.

أحد أكثر الأشياء أهمية فيما يتعلق بالوحدات الأساسية هو كيفية تعريفها. أي ما المقصود بالمتر أو بالكيلوجرام أو بالأمبير؟ فقط عندما نلم بهذه التعريفات سنتمكن من ربط الكميات المقيسة الحقيقية من الطول والكتلة والتيار الكهربي بالوحدات التي نستخدمها في هذا النظام. لذا دعونا نلق نظرة الآن على تعريفات تلك الوحدات الأساسية السبع. من المثير للاهتمام، كما ذكرنا، أن بعض تلك التعريفات قد تغير بمرور الوقت. هذا لأنه يجري تحديثها لتحقيق أقصى قدر من الفائدة والوضوح. على سبيل المثال، اعتاد العلماء تعريف المتر على أنه طول قضيب معين مصنوع من سبيكة معدنية معينة تحفظ عند درجة حرارة صفر درجة سلزية.

في هذه الحالة لدينا قضيب يمثل فعليًّا وحدة المتر. ولكن لكي يصبح هذا التعريف أكثر دقة جرى تغييره بحيث إذا أخذنا ذرة كريبتون- 86، نظير معين لعنصر الكريبتون، وتركناها تهتز في فراغ بحيث تبعث ضوءًا يبدو لأعيننا أحمر أو برتقاليًّا، وبمعرفة الطول الموجي لهذا الإشعاع، وإذا أخذنا 1650763.73 من هذه الأطوال الموجية، فسيكون لدينا مسافة كلية هي تعريف المتر. في هذا التعريف قد يبدو هذا العدد عشوائيًّا للوهلة الأولى. ولكن من خلال تعريف المتر بهذا المستوى من الدقة، يمكن تحسين دقة قياسات الطول.

إذن هذا هو تعريف المتر. والآن لنستعرض تعريف الكيلوجرام. عند تعريف هذه الوحدة توجد كتلة مصنوعة من البلاتين والإيريديوم يحتفظ بها في فراغ في المكتب الدولي للموازين والمقاييس في باريس. وكتلة هذا الجسم المحدد تعتبر كتلة الكيلوجرام. ولذلك إذا تساءل شخص: ما كتلة الكيلوجرام؟ تكون الإجابة هي كتلة هذا الجسم الموجود هنا. لنتناول الآن تعريف وحدة الثانية. لفترة من الوقت، عرفت الثانية بدلالة تقسيمات اليوم. يوجد 24 ساعة في اليوم و3600 ثانية في الساعة. وكان هذا أساس تعريف الجزء من اليوم الذي تمثله الثانية.

ولكن كما هو الحال مع المتر، أجريت تعديلات على هذا التعريف مع مرور الوقت. أصبحت طريقة تعريف الثانية الآن تتضمن أخذ ذرة سيزيوم- 133. وعندما تهتز هذه الذرة طبيعيًّا، فإنها ستبعث إشعاعًا كهرومغناطيسيًّا. إذا وقفنا عند نقطة على طول هذه الموجة المارة وحسبنا الزمن الذي استغرقه مرور 9192631700 طول موجي، فإن هذه الفترة الزمنية تعرف بأنها ثانية واحدة. إذن تمامًا مثل المتر تعرف الثانية بدلالة انبعاثات الذرات.

الآن لنتناول تعريف هذه الوحدة، الأمبير. صممت وحدة الأمبير لتحديد شدة التيار الكهربي. وعلى هذا النحو، ربما نتوقع أن يتضمن التعريف شحنة كهربية، وهذا صحيح. في الحقيقة يعرف الأمبير باستخدام الوحدة الأساسية للشحنة، شحنة الإلكترون.

إذا اعتبرنا أن شحنة إلكترون تساوي تحديدًا 1.602176634 في 10 أس سالب 19 كولوم، يمكننا استخدام هذا العدد بالإضافة إلى حقيقة أن الكولوم يساوي أمبير في ثانية لكي نعرف وحدة الأمبير. عند النظر إلى هذه المعادلة، يمكننا القول إننا عرفنا الطرف الأيسر لأن هذه شحنة إلكترون. وقد عرفنا بالفعل الوحدة الأساسية، الثانية، في النظام الدولي للوحدات، كما هو موضح في الأعلى. وهذا يعني أنه في هذه المعادلة كل من الكولوم والثانية معرفان تعريفًا دقيقًا، ما يعني أن بإمكاننا تعريف الأمبير بدلالتهما.

وعندما ننتقل إلى تعريف الكلفن، يمكننا تذكر أن أبرد درجة حرارة ممكنة، التي تسمى الصفر المطلق، هي صفر كلفن. لكن بعد ذلك، لنفترض أن لدينا جسمًا درجة حرارته عند الصفر المطلق. إذا زادت درجة حرارته، لنقل بمقدار كلفن واحد، فما مقدار الزيادة التي ستقابل ذلك؟ هنا يلزم وجود تعريف للكلفن. يستند هذا التعريف إلى قيمة ثابتة في الفيزياء تسمى ثابت بولتزمان. وهو مقدار ثابت مثل شحنة إلكترون أو ثابت بلانك.

إذا عرفنا هذا الثابت، الذي يرمز له عادة باستخدام حرف ‪k‬‏ صغير، بأنه يساوي تحديدًا هذه القيمة الموجودة هنا، واستخدمنا وحدة الجول لكل كلفن لوصف هذا الثابت، إذن في هذه الحالة يمكننا تعريف الكلفن باستخدام النهج نفسه الذي نستخدمه لتعريف الأمبير. وبهذه الطريقة نعبر عن الوحدات الأخرى في هذا التعبير ولا سيما وحدة الجول، التي تتكون من كيلوجرامات وأمتار وثوان بدلالة قيمها المعرفة بالفعل. إذن إذا كانت جميع الوحدات الأساسية للنظام الدولي للوحدات التي يتكون منها الجول معلومة بدقة وكذلك ثابت بولتزمان، فإن الجمع بين هذين الشيئين يعطينا تعريفًا دقيقًا للكلفن.

الآن سننظر في التعريف الأساسي للمول، وهو أوضح قليلًا من التعريفات التي رأيناها حتى الآن. ذكرنا ببساطة أن مول واحدًا من المادة يساوي 6.02214076 في 10 أس 23 جزء من المادة. وكلمة «جزء» هذه قد تشير إلى ذرات أو جزئيات، وقد تشير إلى شيء أكبر. لنفترض أن الجزء كان حبة سكر. في هذه الحالة فإن مول واحدًا من حبات السكر يتكون من 6.02214076 في 10 أس 23 حبة من السكر.

وأخيرًا، نصل إلى تعريف وحدة شدة الإضاءة، الكانديلا. ربما يكون هذا التعريف هو الأقل شيوعًا بين الوحدات الأساسية السبع للنظام الدولي للوحدات. ولكن عند النظر إلى هذه الكلمة «كانديلا»، ربما نخمن ما تشير إليه. فهي تشبه كلمة «شمعة» في اللغة الإنجليزية. وبلا شك فإن شدة إضاءة مقدارها كانديلا واحدة تعادل مقدار الضوء الذي تبعثه شمعة واحدة. والآن أصبح تعريف الكانديلا أكثر دقة. ما نفعله هو أننا نفترض أن إشعاعًا عند تردد معين، 540 في 10 أس 12 هرتز، يساوي بالضبط هذه الكمية هنا، 683 كانديلا في استراديان، الكل مقسوم على الوات.

الوات هو وحدة القدرة في النظام الدولي للوحدات، الذي يمكن تعريفه بدلالة الوحدات الأساسية وهي المتر والكيلوجرام والثانية، ويشير الاستراديان إلى ما نسميه الزاوية المجسمة بحيث إذا كان لدينا كرة مثل هذه وحددنا مساحة على سطح الكرة تساوي نصف قطر الكرة تربيع، فإن المسافة من هذا السطح إلى مركز الكرة تساوي أيضًا ‪r‬‏. وهذا يعني أن هذه الزاوية المجسمة التي حددناها هنا تساوي استراديان واحدًا. إذن في هذه المعادلة لتعريف الكانديلا لدينا تردد معلوم بدقة. ونعرف الوات والاستراديان بشكل دقيق. وعلى هذا الأساس، يمكننا تعريف كانديلا واحدة من شدة الإضاءة. هذه هي تعريفاتنا للوحدات الأساسية السبع للنظام الدولي للوحدات. لنلق نظرة على مثال يتناول هذه الوحدات.

أي وحدة من وحدات النظام الدولي الآتية معرفة بأنها تساوي الفترة التي تبعث فيها ذرات عنصر السيزيوم- 133 عدد 9192631700 موجة؟ (أ) المتر، (ب) المول، (ج) الكانديلا، (د) الثانية، (هـ) الاستراديان.

توجد طريقتان مختلفتان للإجابة على هذا السؤال. إحداهما هي تذكر تعريفات كل من وحدات النظام الدولي الخمس هذه. يمكننا تذكر أن المتر، على سبيل المثال، معرف بدلالة عدد معين من الأطوال الموجية المنبعثة من نظير الكريبتون- 86. وبالمثل، يمكننا تذكر التعريفات الدقيقة لوحدات النظام الدولي الأخرى الموجودة هنا. ثمة طريقة أخرى للإجابة على هذا السؤال لا تتطلب معرفة أعداد تتكون من العديد من الأرقام المعنوية، وهي عدم التفكير في تعريفات كل من هذه الوحدات، بل التفكير في الكمية الفيزيائية التي تقيسها.

عندما نفكر بهذه الطريقة ونبدأ بأول القائمة، يمكننا تذكر أن المتر هو وحدة النظام الدولي الأساسية المصممة لقياس الطول. هذه هي الكمية الفيزيائية التي يمثلها عدد من الأمتار.

ماذا عن الخيار (ب) المول؟ تستخدم هذه الوحدة للإشارة إلى كمية من المادة. أي إنه، على سبيل المثال، قد يكون لدينا مول من كلوريد الصوديوم أو مول من الماء.

وبالانتقال إلى الكانديلا، هذه الوحدة قد تكون غير مألوفة لدينا بدرجة كبيرة. لكن اسم الوحدة نفسه قد يعطينا تلميحًا عما تشير إليه. كلمة كانديلا تشبه نوعًا ما كلمة شمعة باللغة الإنجليزية. وبلا شك تستخدم هذه الوحدة للإشارة إلى سطوع أو شدة الإضاءة لمصدر الضوء.

وعند الانتقال إلى الخيار (د) الثانية، نعلم أن هذه الوحدة تستخدم لقياس الزمن.

وأخيرًا وحدة الاستراديان؛ في هذه الكلمة «استراديان» نلاحظ كلمة «راديان». وهذا قد يوجهنا إلى الكمية التي يشير إليها الاستراديان. نعلم أن الراديان زاوية. ويعرف الراديان الواحد على أنه زاوية طول القوس المواجه لها يساوي نصف قطر الدائرة المحيطة بهذه الزاوية. الآن عندما ننتقل من الراديان إلى الاستراديان، فإننا ننتقل من زاوية في بعدين مثل هذه إلى زاوية في ثلاثة أبعاد، التي تسمى الزاوية المجسمة. إذن لدينا كرة بدلًا من دائرة.

وإذا فكرنا في زاوية ثلاثية الأبعاد، بدءًا من منتصف الكرة، وتغطي هذه الزاوية مساحة من سطح الكرة تساوي نصف قطر الكرة تربيع، فهذا يخبرنا أن هذه الزاوية الثلاثية الأبعاد أو المجسمة هنا تساوي استراديان واحدًا. هذه هي الكمية التي يقيسها الاستراديان.

والآن بعد أن عرفنا كل هذا، لنرجع إلى نص المسألة. يصف نص المسألة وحدة تساوي فترة تبعث فيها ذرات معينة من السيزيوم- 133 عددًا معينًا من الموجات. بمعرفة هذا، يمكننا القول إن هذه الفترة، مهما كانت الوحدة التي تقابلها، لا تمثل كمية مادة على سبيل المثال. يمكننا القول أيضًا إن هذه الفترة لا تشير إلى مقدار من شدة الإضاءة أو سطوع مصدر ضوء. كما أنه لا يوجد اتجاه مرتبط بهذه الفترة. وذلك لأنه ليس لها زاوية معينة أو اتجاه معين. لذلك يمكننا القول إن هذه الفترة لا تشير إلى زاوية مجسمة. كل هذا يعني أنه يمكننا استبعاد المول والكانديلا والاستراديان.

إذن هل هذه الفترة التي نتحدث عنها طول أم زمن؟ حسنًا، لاحظ أننا نعلم من السؤال عددًا معينًا من الموجات المنبعثة من ذرات السيزيوم- 133. لكننا لا نعلم الطول الموجي لتلك الموجات. وبشكل عام، بناء على مستوى طاقة تلك الذرات، قد يكون هذا الطول الموجي أقصر أو أطول. ولذلك يبدو أن هذا التعريف لا يشير إلى طول معين. لكن يبدو أنه يشير إلى فترة زمنية يمكن خلالها انبعاث هذا العدد من الموجات من تلك الذرات.

إذا لم نكن متأكدين بعد أي الوحدتين نختار، المتر أم الثانية، فسيكون من المفيد تذكر تعريفي هاتين الوحدتين. تذكر أننا قلنا إن المتر معرف بدلالة الأطوال الموجية المنبعثة من الكريبتون- 86. وهذا يختلف بالطبع عن السيزيوم- 133. وهذا سيشجعنا على اختيار الإجابة الثانية. وفي النهاية إذا استطعنا تذكر تعريف الثانية، فسنعرف أنه يوافق هذا الوصف المذكور هنا. كل هذا يوضح لنا أن المتر ليس هو وحدة النظام الدولي للوحدات المذكورة هنا، بل الثانية. ثانية واحدة هي الفترة الزمنية التي تبعث فيها ذرات عنصر السيزيوم- 133 عدد 9192631700 موجة.

لنلخص الآن ما تعلمناه بشأن تعريفات وحدات النظام الدولي للوحدات. في هذا الدرس، تعلمنا أنه توجد سبع وحدات أساسية في النظام الدولي للوحدات. يستخدم المتر للإشارة إلى الأطوال، ويصف الكيلوجرام قيم الكتلة، وتحدد الثانية الزمن، ويحدد الأمبير التيار الكهربي، ويوضح لنا الكلفن درجة حرارة الجسم، ويحدد المول مقدار كمية معينة، وأخيرًا تحدد الكانديلا شدة الإضاءة أو سطوع مصدر ضوء.

عرفنا أن هذه الوحدات السبع الأساسية تسمى أيضًا الوحدات الرئيسية، ومن خلال الجمع بينها يمكننا تكوين ما يسمى وحدات مشتقة. ورأينا أنه على سبيل المثال عندما نقسم طولًا على فترة من الزمن يعطينا هذا كمية نسميها عادة سرعة. وتعد وحدة السرعة، وهي المتر لكل ثانية، وحدة مشتقة. وذلك لأنها تتكون من وحدتين أساسيتين هما المتر والثانية.

وأخيرًا، في هذا الدرس تناولنا تعريفات كل من هذه الوحدات السبع الأساسية. ورأينا كيف ظلت هذه التعريفات، في بعض الحالات، كما هي على مدار فترات طويلة من الزمن، بينما جرى تحديثها في حالات أخرى بهدف زيادة الدقة والوضوح. هذا ملخص تعريفات وحدات النظام الدولي للوحدات.