القياس في مجال الفيزياء
تسعى الفيزياء دائمًا لفهم وتجسيد الظواهر الطبيعية التي تحيط بنا، من الأجرام السماوية الضخمة مثل النجوم والمجرات، وحتى الجسيمات الصغيرة كالهياكل الذرية، كالبروتونات والنيوترونات، والكواركات (بالإنجليزية: Quarks). ومن هنا تأتي الحاجة إلى القياس كأداة أساسية لفهم وترجمة هذا الكون.
أدوات القياس المستخدمة
تتعدد الكميات التي تكون محط اهتمامنا في الفيزياء بحيث تحظى كل واحدة منها بالأهمية المطلوبة في مجال دراستها. احتل القياس مكانة مرموقة في تاريخ البشرية لأسباب عديدة قد تكون أحيانًا غير علمية. فكان البشر يستخدمون حواسهم، مثل اليدين والقدمين لقياس المسافات، والعيون لرصد حركة الشمس والقمر لتحديد الوقت.
ومع تقدم الحضارة، جرى تطوير أدوات القياس، وفيما يلي جدول يوضح بعض الأدوات الحديثة المستخدمة لقياس الكميات الفيزيائية، مع توضيح الاستخدام لكل أداة:
| اسم الأداة باللغة العربية | اسم الأداة باللغة الإنجليزية | استخدام الأداة |
| الميزان الرقمي | Digital balance | لقياس الكتل |
| ساعة التوقيف | Stopwatch | لقياس الزمن |
| الساعة الرقمية | Digital watch | لقياس الزمن |
| الميكرومتر | Mecometer | لقياس الطول |
| الميكرومتر | Micrometer | لقياس الأطوال والمسافات القصيرة جداً |
| مقياس العدسة | Phacometer | لقياس العدسات |
| مقياس البؤرة | Focimeter | لقياس البعد البؤري في العدسات |
| عداد السرعة | Speedometer | لقياس السرعة |
| مقياس التسارع | Accelerometer | لقياس التسارع أو الاهتزازات |
| الأميتر | Ammeter | لقياس التيار الكهربائي |
| الجلفانومتر | Galvanometer | لقياس التيارات الصغيرة جداً |
| أومتر (مقياس الأوم) | Ohmmeter | لقياس المقاومة الكهربائية |
| الفولتميتر | Voltmeter | لقياس الجهد الكهربائي |
| الريومتر | Riometer | لقياس أشعة الراديو الكونية الممتصة |
| مقياس الطيف | Spectrometer | لقياس الطول الموجي للضوء |
تمتاز كل أداة قياس بطريقة خاصة في استخدامها وتعليمات للسلامة. للحصول على نتائج دقيقة، يتوجب تكرار التجربة عدة مرات ثم حساب المتوسط لكل النتائج، بالإضافة لحساب متوسط أخطاء القياس.
أنواع أخطاء القياس
تتباين أخطاء القياس وفقًا لمصادرها، ويمكن أن تتداخل الأسباب المختلفة في كل حالة قياس، مما يجعل تصنيفها ضروريًا كما يلي:
أخطاء ناتجة عن أدوات القياس
تتسبب العوامل المتعلقة بالأدوات في كثير من الأحيان في حدوث أخطاء في القياس، ومن هذه العوامل:
- أخطاء الأداة
تأتي أدوات القياس مع مواصفات توضح الأخطاء المحتملة. ومن أهم هذه المواصفات:
- الدقة: تختلف دقة الأدوات وفقًا لطبيعتها، فتكون عادةً دون 100% مما يؤثر على درجة الخطأ؛ فكلما ارتفعت الدقة، انخفض الخطأ.
- المدى: تُصمم الأدوات لقياس ضمن قيم معينة، مما يحدد أقصى قيمة يمكن قياسها.
- وقت الاستجابة: تختلف سرعة استجابة الأدوات للظروف المتغيرة، مما قد يتسبب بعدم دقة القياسات إذا حدثت التغيرات بسرعة.
- الحساسية: تتمتع بعض الأدوات بحساسية محدودة أثناء قياس التغيرات، مما قد يؤثر على النتائج.
- معايرة الأداة
تحتاج الأدوات إلى معايرة دقيقة باستخدام أجهزة موثوقة لضمان دقة النتائج.
- العمر الافتراضي للأداة
كل أداة لها عمر محدد، ومع زيادة الاستخدام قد تتأثر دقة القياسات بشكل تدريجي.
أخطاء ناتجة عن الظروف المحيطة
قد تؤدي العوامل المحيطة إلى أخطاء تؤثر سلبًا على دقة القياسات، وتشمل:
- القوة أو الإجهاد
تؤثر القوة المطبقة على الأجسام بشكل ملحوظ مما قد يتسبب في زيادة نسبة الأخطاء.
- درجة الحرارة
تتغير أبعاد الأجسام مع تغير درجات الحرارة، مما يستدعي الحذر عند القياس.
- الضوضاء
تكون ضوضاء البيئة عاملًا مؤثرًا في دقة القياسات.
- ميلان الأسطح
يؤدي عدم تطابق خط رؤية المراقب مع المؤشر إلى أخطاء تُعرف بخطأ بارلاك.
أخطاء ناتجة عن الشخص القائم بالقياس
يمكن أن تؤثر أخطاء بشرية عديدة على نتائج القياسات بسبب:
- نقص مهارة الشخص أو الاعتماد على الذاكرة لتدوين النتائج.
- الإرهاق أو عدم التركيز أثناء القياس.
- سوء استخدام الأداة مما قد يؤدي لفشل ضبط المعايير.
طرق التعبير عن أخطاء القياس
يمكن حساب أخطاء القياس عبر الخطأ المطلق، الخطأ النسبي، والخطأ المئوي، كما يلي:
- حساب الخطأ المطلق
الخطأ المطلق هو الفرق بين القيمة الحقيقية (VE) والقيمة المقاسة (VA)، ويعبر عنه بالمعادلة التالية:
الخطأ المطلق = القيمة الحقيقية – القيمة المقاسة
أو
الخطأ المطلق = |VA – VE|
- حساب الخطأ النسبي
الخطأ النسبي يساوي الخطأ المطلق مقسومًا على القيمة المقاسة ويعبر عنه بالمعادلة:
الخطأ النسبي = الخطأ المطلق / القيمة المقاسة
أو
الخطأ النسبي = |VA – VE| / |VE|
- حساب الخطأ المئوي
يمكن حساب الخطأ النسبي كنسبة مئوية باستخدام المعادلة:
الخطأ المئوي = الخطأ النسبي × 100%
أو
الخطأ المئوي = (|VA – VE| / |VE|) × 100%
وحدات القياس
تلعب وحدات القياس دورًا حيويًا في إجراء القياسات بدقة، فالمتر، على سبيل المثال، هو وحدة قياس معترف بها عالميًا.
سوف نتناول هنا الوحدات الأساسية في النظام العالمي، وهي وحدات الطول، والكتلة، والزمن، حيث يمكن اشتقاق معظم الوحدات الأخرى من هذه الوحدات الأساسية:
وحدات الطول والمساحة والحجم
في النظام العالمي، تُستخدم وحدة المتر (م) وغيرها من الوحدات مثل: الميليمتر (مم)، والسنتيمتر (سم)، والديسيمتر (دسم)، والكيلومتر (كم). ولقياسات المساحات يتم استخدام المتر المربع (م²)، بينما الحجم يعبر عنه بالمتر المكعب (م³) واللتر.
وحدات الكتلة
تستخدم وحدة الكيلوغرام كمقياس أساسي للكتلة، وهو يساوي 1000 غرام.
وحدات الزمن
تقاس وحدات الزمن بالثانية وأجزائها، مثل الدقيقة والساعة، بينما السنة الضوئية تعتبر وحدة مسافة.
يساهم القياس في فهم الكون من حولنا مما أدى لتطور أدوات القياس وتنوع وحدات القياس وفقاً للحاجة والمكان، كما يمكن التحويل بين الوحدات وفقًا لطرق متعددة.