نسخة الفيديو النصية
في هذا الفيديو، سوف نتعلم كيف نتعرف على أجهزة القياس، ونصف طرق القياس الدقيقة والموثوقة للتجارب المعطاة. قبل أن نلقي نظرة مفصلة على أنواع الأجهزة المختلفة، يجب التأكد من أننا جميعًا نفهم الفرق بين صحة القياس والدقة في سياق علمي.
صحة القياس هي مقياس لمدى اقتراب القيمة التي تحصل عليها من التجربة من القيمة الحقيقية. من ناحية أخرى، الدقة هي مقياس لمدى اقتراب القياسات المختلفة التي حصلت عليها بعضها من بعض. دعونا نوضح الفروق بين صحة القياس والدقة من خلال بعض الأمثلة.
ثمة طريقة شائعة لشرح هذين المفهومين، وهي استخدام لوحة الأسهم. تخيل أنك رميت ثلاثة أسهم على لوحة الأسهم. صحة القياس هي مقياس لمدى اقتراب الأسهم من مركز الهدف الذي يقع في مركز لوحة الأسهم، في حين أن الدقة هي مقياس لمدى اقتراب هذه الأسهم بعضها من بعض.
في لوحة الأسهم الأولى هذه، نلاحظ أن جميع هذه الأسهم الثلاثة قريبة جدًّا من المركز. هذا يعني أن هذه الأسهم صحيحة القياس. علاوة على ذلك، فالأسهم الثلاثة قريبة جدًّا بعضها من بعض، ما يعني أنها دقيقة أيضًا. لنلق نظرة على مثال آخر. هذه المرة، عندما ننظر إلى الأسهم الثلاثة، يمكننا أن نلاحظ أن أيًّا منها ليس قريبًا من المركز. هذا يعني أن الأسهم ليست صحيحة القياس. ومع ذلك فإن الأسهم الثلاثة قريبة بعضها من بعض، ما يعني أنها دقيقة.
والآن لنلق نظرة على المثال الثالث. على الرغم من أن الأسهم الثلاثة لا تقع في المركز بالضبط، فإنها تقترب بمسافات متساوية في المتوسط من نقطة تقع على المركز. ولأن متوسط القياسات هو نقطة المركز، نقول إن النتائج صحيحة القياس. ومع ذلك، فالأسهم ليست قريبة بعضها من بعض، ما يعني أن هذه النتائج غير دقيقة. وأخيرًا، لدينا ثلاثة أسهم لا هي قريبة من المركز ولا قريبة بعضها من بعض. إذن هذه النتائج ليست صحيحة القياس وليست دقيقة.
دعونا نتخيل ذلك بطريقة أخرى. لنفترض أننا نجري تجربة، والنتائج التي نسجلها هي أعداد تقع بين 1.3 و1.6. لا يهم في الواقع طبيعة ما نسجله. ولنفترض جدلًا أن القيمة الحقيقية هي 1.45. إذا سجلنا ثلاث نتائج مثل هذه، فسنقول إن النتائج صحيحة القياس، لأنها تقترب من القيمة الحقيقية؛ ودقيقة، لأنها قريبة بعضها من بعض.
إذا حصلنا على نتائج مثل هذه، فسنقول إنها صحيحة القياس، لأن متوسطها يساوي القيمة الحقيقة تقريبًا؛ لكنها غير دقيقة، لأنها ليست متشابهة. لكن يمكننا اعتبار نتائج مثل هذه ليست صحيحة القياس، لأنها ليست قريبة من القيمة الحقيقية بأية حال. لكنها دقيقة، لأنها قريبة بعضها من بعض. ونتائج مثل هذه ليست صحيحة القياس أو دقيقة.
والآن بعد أن فهمنا الفرق بين صحة القياس والدقة، لنلق نظرة على بعض الأجهزة العلمية. أولًا، دعونا نتعرف على الطرق المختلفة التي يمكن من خلالها قياس مادة صلبة. وبالطبع، أفضل طريقة لقياس وزن مادة صلبة هي استخدام الميزان. في الواقع، توجد أنواع مختلفة من الموازين تعتمد على ما نقيس وزنه. أكثر الموازين شيوعًا التي قد تصادفك هي الموازين ذات الدقة التي تصل لأقرب منزلتين عشريتين، وفي بعض الأحيان، موازين ذات دقة تصل إلى أربع منازل عشرية. وربما تجد هذين يشار إليهما بالميزان الرقمي بدقة رقمين عشريين والميزان الرقمي بدقة أربعة أرقام عشرية.
الميزان الرقمي بدقة رقمين عشريين هو الميزان المثالي لمعظم القياسات التي تقوم بها. على الجانب الآخر، فالميزان الرقمي بدقة أربعة أرقام عشرية يستخدم في القياسات الدقيقة جدًّا أو عندما تحتاج إلى وزن مقدار صغير للغاية من شيء ما. يمكنك معرفة الفرق عن طريق النظر إلى عدد الخانات العشرية التي تعرضها الشاشة. ستلاحظ أيضًا أن الميزان الرقمي بدقة أربعة أرقام عشرية يحاط بما يشبه الغطاء. ذلك لأنه عند إجراء قياسات دقيقة للغاية للكتلة، يمكن لأي تيار هوائي يمر فوق الميزان أن يؤثر على القراءة. لتجنب ذلك، نحيطه من الأعلى بغطاء. وهذا بالطبع يكون شفافًا، حتى يظل بإمكانك قراءة القيمة الظاهرة على الشاشة.
والآن، لنتعرف على الطريقة الصحيحة لاستخدام أحد هذه الموازين. الخطوة الأولى هي وضع وعاء القياس على الميزان. عليك دائمًا استخدام وعاء ذي عنق عريض لوزن المواد. على سبيل المثال، من المناسب استخدام كأس زجاجية، أو من الأفضل استخدام قارب الوزن. لكن يجب ألا تستخدم وعاء ذا عنق ضيق مثل دورق إرلنماير، على سبيل المثال. فهذا يقلل من احتمال انسكاب المادة الصلبة على المنضدة؛ إذ قد يشكل ذلك خطرًا ويؤدي إلى إهدارها. وقوارب الوزن مصممة خصوصًا لهذا الغرض.
يمكنك استخدام قوارب مصنوعة من رقائق الألومنيوم، على سبيل المثال. يلحق بها طرف يدوي لحملها، كما أنها مرنة؛ بحيث يمكنك طي القارب لتسهل إضافة المادة الصلبة إلى وعاء التفاعل. يمكنك أيضًا استخدام قوارب بلاستيكية مرنة. وهذه القوارب مفيدة؛ فيمكنك قياس الوزن في قارب أنيق بعنق عريض ثم طي هذا القارب إلى ما يشبه القشة حتى يتسنى لك إدخالها في وعاء تفاعل بعنق ضيق ووضع المادة الصلبة بأكملها دون إهدار أي منها.
بمجرد وضع الوعاء على الميزان، عليك ضبط قراءة الشاشة على الصفر. عادة ما يوجد زر بارز مكتوب عليه صفر أو وزن الفارغ في مقدمة الميزان لفعل ذلك. والآن، أصبح بإمكاننا وزن المادة. يمكنك فعل ذلك ببساطة عن طريق وضع المادة الصلبة داخل الوعاء عندما يكون على الميزان باستخدام شيء يشبه الملعقة. لكن هذه في الواقع ليست الطريقة الأفضل.
فمن الأفضل أن تضع المادة الصلبة في قارب الوزن بعيدًا عن الميزان ثم تعيده إلى الميزان. فهذا يحول دون سقوط أي جزء من المادة الصلبة على الميزان، مما قد يتسبب في إتلاف كفة الميزان أو الزنبرك أسفلها. وببساطة، تكرر هذه العملية، بحيث تأخذ المادة بعيدًا عن الميزان، وتضيف المزيد منها، ثم تعيد القارب إلى الميزان حتى تصل إلى الكتلة المطلوبة. بمجرد الوصول إلى الكمية المطلوبة، تأكد من تسجيل هذه الكتلة النهائية بالضبط كما تظهر على الميزان. إذن، هذه هي طريقة قياس وزن المواد الصلبة، لكن ماذا عن السوائل؟
يمكننا الاختيار من بين مجموعة متنوعة من الزجاجيات إذا أردنا قياس حجم سائل. لعل أحد أكثر الأجهزة استخدامًا في قياس السوائل هو المخبار المدرج، الذي يسمى أحيانًا مخبار القياس. يأتي المخبار المدرج في مجموعة متنوعة من الأحجام، على سبيل المثال، واحد ملليلتر وخمسة ملليلترات و 15 ملليلترًا وهكذا. يمكنك اختيار الحجم الأنسب لكمية السائل التي تريد قياسها. على سبيل المثال، إذا كنت تحتاج قياس نصف ملليلتر من السائل، فربما يجدر بك استخدام المخبار الأصغر حجمًا، واحد ملليلتر. املأه إلى النصف حتى تصل إلى الخط 0.5 ملليلتر، ثم أفرغه في وعاء التفاعل.
إذا كنت تحتاج قياس ثلاثة ملليلترات، يمكنك استخدام المخبار الأصغر حجمًا، واحد ملليلتر، ثلاث مرات، لكن قد تبدو هذه الطريقة مملة قليلًا. ويفضل أن تستخدم المخبار ذا السعة خمسة ملليلترات. يمكنك أيضًا استخدام المخبار ذي السعة 15 ملليلترًا. وهذه الطريقة ليست خطأ، لكنها أصعب. فعندما تستخدم مخبارًا كبيرًا وتضيف كمية صغيرة فقط من السائل، تصبح قراءة القياسات أكثر صعوبة. إذن، المخبار ذو السعة خمسة ملليلترات هو الأنسب.
لنتعرف على كيفية قراءة القياسات. هذه صورة مقربة لمخبار مدرج. والآن، لنضف السائل. كيف نقرأ هذا الحجم؟ القاعدة التي نستخدمها هي أننا نسجل دائمًا القراءة المقابلة للجزء السفلي من السطح الهلالي. السطح الهلالي هو السطح الخارجي للسائل. يمكن أن تلاحظ أن السطح الهلالي مرتفع عند حواف المخبار، لكن علينا تسجيل القراءة المقابلة لأقصى الجزء السفلي. في هذا الشكل، يمكننا أن نلاحظ أن الجزء السفلي من السطح الهلالي يقابل هذا التدريج، ومن ثم، هذا الحجم يساوي 1.2 ملليلتر.
نستخدم الطريقة نفسها عند قياس الحجم باستخدام الماصة. ثمة نوعان رئيسيان من الماصات الزجاجية: الماصة الحجمية والماصة المدرجة. تأتي الماصات الحجمية في أحجام مختلفة وهي مناسبة لقياس أحجام محددة، على سبيل المثال، 25 ملليلترًا من السائل. على الجانب الآخر، فالماصات المدرجة مفيدة بطريقة مشابهة للمخبار المدرج. فيمكنك قياس مجموعة كبيرة من الأحجام المختلفة باستخدام الماصة المدرجة. ما عليك سوى ملء الماصة إلى العلامة التي تريد، وتذكر أن تسجل القراءة المقابلة للجزء السفلي من السطح الهلالي، ثم إفراغ الماصة في وعاء التفاعل.
يمكن أن تكون لمثل هذه الماصات الزجاجية درجات دقة مختلفة. وهذا يوضح لك مدى الدقة التي تقيس بها أحد هذه الزجاجيات الحجم. يمكنك استخدام زجاجيات أعلى دقة للحصول على قياسات صحيحة وأدق. وبالطبع، يمكنك أيضًا استخدام سحاحة لقياس السوائل. لفعل ذلك، ما عليك سوى إضافة السائل إلى السحاحة، مع التأكد من عدم تجاوز السائل الخط العلوي، ثم إفراغ الكمية المطلوبة باستخدام الصنبور في الأسفل.
ولعلك تتساءل، هل يمكننا استخدام قارورة إرلنماير، وتسمى أحيانًا الدورق الحجمي، لقياس السوائل أيضًا؟ الإجابة هي «لا، ليس صحيحًا.» فهي ليست دقيقة على أية حال. وينطبق الأمر نفسه على الكئوس الزجاجية. فالعلامات الموجودة على جانب هذه الزجاجيات هي في الواقع تقريبية فقط ويجب ألا تستخدم في القياس. ربما تتساءل أيضًا، أليس بإمكاننا وزن السائل بطريقة مشابهة لطريقة وزن المواد الصلبة؟ ليس من الخطأ أن تزن السوائل، لكن ذلك أصعب قليلًا مقارنة بوزن المواد الصلبة.
فعند وزن سائل ما، عليك أيضًا أن تأخذ في الاعتبار كثافة هذا السائل. ولذا، فمن الأسهل في معظم الأحيان التعامل مع الأحجام.
والآن بعد أن تعرفنا على طريقة قياس السوائل والمواد الصلبة، لنلق نظرة على الغازات. لعل أسهل طريقة لقياس حجم الغاز هي استخدام محقنة الغاز. وصل أحد طرفي محقنة الغاز بالغاز الذي تريد سحبه أو بوعاء التفاعل إذا كنت تقيس كمية الغاز الناتجة. ثم اسحب المكبس أو راقبه بينما يتحرك، واستخدم العلامات الموجودة على الجانب في القياس. ثمة طريقة أخرى لقياس الغاز المتصاعد من التفاعل وهي استخدام مخبار مدرج مقلوب. ينقل أنبوب التفاعل الغاز إلى المخبار المقلوب، المملوء في البداية بالماء. عندما تنتج الفقاعات وتدخل المخبار المقلوب، تحل محل الماء، فيقل مستوى الماء. يمكنك بعد ذلك استخدام العلامات الموجودة على جانب المخبار لمعرفة كمية الغاز الناتجة. وهذه الطريقة مناسبة أيضًا، لكن إعدادها صعب قليلًا.
والآن، بعد أن تعلمنا كيفية قياس الغازات والسوائل والمواد الصلبة. لنطبق ذلك في تجربة.
لنفترض أننا نجري هذا التفاعل. تتفاعل كربونات الكالسيوم مع حمض الهيدروكلوريك لإنتاج ثاني أكسيد الكربون والماء وكلوريد الكالسيوم. لاحظ أن هذه المعادلة غير موزونة. وعلمنا أن علينا قياس كمية هذا الناتج بالتحديد، أي غاز CO2. لذا دعونا نحدد الجهاز الذي علينا استخدامه.
المتفاعل الأول لدينا هو كربونات الكالسيوم، وعلمنا أنه مادة صلبة. لقياس هذه المادة الصلبة، علينا استخدام ميزان. أول ما علينا فعله هو اختيار وعاء وزن. سنحتاج وعاء بعنق عريض، مثل قارب الوزن. والآن، بعد أن وضعنا الوعاء على الميزان، علينا ضبط قراءة الشاشة على الصفر. يشار إلى هذا أحيانًا بضبط الميزان على وزن الفارغ.
بعد ذلك، علينا أن نزن كربونات الكالسيوم. تذكر أن الطريقة الأكثر أمانًا لفعل ذلك هي أخذ الوعاء بعيدًا عن الميزان، ثم إضافة جزء من المادة الصلبة، ثم إعادته إلى الميزان، مع تكرار هذه العملية حتى الحصول على الكتلة المطلوبة. بمجرد أن تزن الكتلة الصحيحة، تذكر أن تسجل القيمة.
بعد ذلك، علينا قياس حمض الهيدروكلوريك. ولأن هذا الحمض مائي، فهذا يعني أننا نقيس سائلًا. ولقياس سائل، يمكننا استخدام مخبار مدرج، أو ماصة مدرجة، أو سحاحة مدرجة. تخبرنا التجربة أننا نحتاج 25 ملليلترًا من حمض الهيدروكلوريك. إذن، يمكننا استخدام مخبار مدرج بسعة 25 ملليلترًا، أو ماصة حجمية بسعة 25 ملليلترًا، أو ماصة مدرجة بسعة 25 ملليلترًا. ويمكننا استخدام سحاحة، لكنها ليست الأداة الأفضل لفعل ذلك. ويفضل استخدام السحاحات عندما لا تكون متأكدًا تمامًا من المقدار الذي عليك إضافته، ومن ثم، عليك إضافة مقدار قليل في كل مرة لحين الوصول إلى النقطة التي تريد، كما هو الحال في تجارب المعايرة مثلًا. وتذكر أن تسجل دائمًا القراءة المقابلة للجزء السفلي من السطح الهلالي للسائل.
وأخيرًا، علينا قياس الكمية الناتجة من غاز ثاني أكسيد الكربون. والطريقة الأسهل لفعل ذلك هي محقنة الغاز. فما عليك سوى أن توصل محقنة الغاز بالأنبوب المتصل بوعاء التفاعل، ومراقبة مكبس محقنة الغاز وهو يتحرك.
والآن بعد أن طبقنا ذلك عمليًّا، دعونا نلخص ما تعلمناه. صحة القياس تعني مدى اقتراب القيمة التي حصلت عليها من القيمة الحقيقية، والدقة هي مدى اقتراب القياسات بعضها من بعض. نقيس المواد الصلبة باستخدام الميزان. تذكر أن تستخدم دائمًا وعاء بعنق عريض لتضع به المادة الصلبة المراد قياسها. لقياس المادة الصلبة، نضع الوعاء على الميزان أولًا، ثم نضبط قراءة الشاشة على الصفر، ثم نزن المادة، ونسجل الكتلة النهائية.
عند قياس السوائل، يفضل استخدام المخبار المدرج والماصة المدرجة والسحاحة المدرجة. ولقياس الغاز، يمكننا استخدام محقنة الغاز أو أداة قياس إزاحة الماء. وتذكر دائمًا أن تسجل القراءة المقابلة للجزء السفلي من السطح الهلالي.
