الفيزياء لماذا ندرسها؟ وما هي الفيزياء؟ وما أهميتها؟ أسئلة تدور في ذهن الكثير من الطلبة بل والناس جميعاً.
الفيزياء هو علم الطبيعة هذا تماماً ما تعنيه الترجمة الحرفية لكلمة ((physics.
والفيزياء : هو علم الطبيعة الذي يهتم بكل ما فيها من ظواهر و مشاهدات و حوادث، بدءً من أصغر الجسيمات والدقائق كالإلكترونات والكواركات وانتهاءً بالعوالم الكبيرة كالمجرات بل والكون بأسره، وكل ما يتعلق بالمادة والطاقة وتحولاتهما، ولولا علم الفيزياء وتطبيقاته لما وصلت الإنسانية إلى ما هي عليه من رقي وحضارة وعمران.
عندما ندرس الفيزياء نقوم بالتعامل مع أعداد تُعبر عن قيمة فيزيائية والتي تسمى الكميات الفيزيائية (physical quantities)، فعندما نقول أن قلماً طوله 15 cm فإننا نعبر عن كمية فيزيائية هي الطول، لذا فإن العدد 15 هو كمية فيزيائية.
وتقسم الكميات الفيزيائية إلى كميات أساسية ( (basic quantitiesكالزمن والكتلة والطول وغيرها. وإلى كميات مشتقة ((derived quantities كالسرعة والتسارع والقوة وغيرها وهي تكتب بدلالة الكميات الأساسية، وتكون وحداتها ناتجة عن ضرب أو قسمة وحدات الكميات الأساسية
عندما نقيس أي كمية فيزيائية فإننا نقارنها بكمية معيارية أو وحدة معيارية (unit standard)، وتكون هذه الكمية من أجزاء أو مضاعفات هذه الوحدة المعيارية فعندما نقول أن خيطاً طوله 10 cm فهذا يعني أن طول الخيط عشرة أجزاء من مئة، وعندما نقول أن جبلاً ارتفاعه 100 m فهذا يعني أن ارتفاع الجبل مئة ضعف من الوحدة المعيارية للطول وهي المتر.
واتُفق دولياً على اعتماد النظام الفرنسي للقياس نظراً لسهولته وانتشاره في المحافل العلمية، وصار هذا النظام يسمى بالنظام العالمي (Systeme Internationale) وتكتب اختصاراً (S.I) أو (m.k.s) وتدل الرموز:
m على المتر(meter) وحدة قياس الطول.
k على الكيلوغرام(kilogram) وحدة قياس الكتلة.
s على الثانية(second) وحدة قياس الزمن.
والكميات الأساسية في الفيزياء يبينها الجدول التالي:
| الكمية الأساسية | وحدة القياس | الرمز |
| الطول Length | المتر meter | m |
| الكتلة Mass | كيلوغرام kilogram | kg |
| الزمن Time | ثانية second | s |
| درجة الحرارة Temperature | كلفن Kelvin | K |
| كمية المادة Amount of substance | المول mole | mol |
| الشحنة Charge | كولوم Coulomb | C |
| التيار Current | أمبير Ampere | A |
| الزاوية Angle | درجة degree | ° |
وهناك أنظمة أخرى للقياس مثل النظام الإنجليزي إلا أنها لا تستخدم إلا في بعض الدول. نلاحظ أن كل كمية من الكميات الأساسية (وحتى المشتقة) لها وحدة قياس خاصة بها (standard units)، وهي عبارة عن رمز توضع بعد الرقم للدلالة على الكمية المقاسة. فعندما تقول أن طول جسم ما 20 (رقم) فهذا الرقم لا يحمل أي معنىً، أما إذا قلت أن الطول 20 cm (رقم ووحدة) يصبح الرقم واضحاً للأذهان. ونختصر كلامنا: عند كتابة أي رقم يجب أن نكتب وحدة القياس بعده.
كثيراً ما تستعمل مضاعفات أو أجزاءً من وحدة معيارية، ففي النظام العالمي نستعمل الوحدة المعيارية مضروبةً بالعدد عشرة مرفوعاً إلى قوة ما، ويطلق عليها اسم خاص وتعرف بالبادئات (Prefixes)، وتمثل الجداول التالية الوحدات الأساسية وبعض أجزائها ومضاعفاتها:
الكمية الفيزيائية: الطول (length)، الوحدة الأساسية: المتر(m).
|
1 نانومتر |
m |
1 nm |
1 nanometer |
|
1 مايكرومتر |
m |
1 µm |
1 micrometer |
|
1 مليمتر |
m |
1 mm |
1 millimeter |
|
1 سنتيمتر |
m |
1 cm |
1 centimeter |
|
1 كيلومتر |
m |
1 km |
1 kilometer |
الكمية الفيزيائية: الكتلة (mass)، الوحدة الأساسية: الكيلوغرام (kg).
|
1 مليغرام |
kg |
1 mg |
1 milligram |
|
1 غرام |
kg |
1 g |
1 gram |
|
1 طن |
kg |
1 t |
1 ton |
الكمية الفيزيائية: الزمن (time)، الوحدة الأساسية: الثانية (s).
|
1 ملي ثانية |
s |
1 ms |
1 millisecond |
|
1 دقيقة |
60 s |
1 min |
1 minute |
|
1 ساعة |
3600 s |
1 h |
1 hour |
|
1 يوم |
86400 s |
1 d |
1 day |
وهذه الوحدات المستخدمة يجب مراعاة تعويضها في القوانين الفيزيائية. فإذا كان الزمن معطىً بالساعات فيجب تحويله إلى ثواني لأن وحدته القياسية هي الثانية وكذلك الحال مع باقي الكميات.
تستخدم البادئات (Prefixes) قبل الوحدات الأساسية للكميات من أجل تسهيل الكتابة خصوصاً للأرقام الكبيرة جداً والصغيرة جداً من أجزاء الذرة صعوداً إلى أحجام المجرات وأبعادها.
البادئات الخاصة بالرقم (10)
|
البادئة |
الرمز |
التسمية |
البادئة |
الرمز |
التسمية |
|
|
F |
فيرمي |
|
c |
سنتي |
|
|
p |
بيكو |
|
d |
ديسي |
|
|
n |
نانو |
|
k |
كيلو |
|
|
µ |
مايكرو |
|
M |
ميجا |
|
|
m |
ميلي |
|
G |
جيجا |
عند دراسة الفيزياء فإننا نتعامل مع الكميات الفيزيائية والقوانين والمعادلات، لذا تستعمل للتأكد من صحة القوانين والمعادلات ما يعرف بالتحليل البعدي (Dimensional analysis) كذلك يستخدم التحليل البعدي لمعرفة وحدة كمية فيزيائية مشتقة، تعني كلمة (Dimension) بُعد أو امتداد، أو أصل الكمية وماهيتها، فمثلاً المسافة بعدها هو الطول 
مثال 1:
ما هو بعد السرعة حيث ( EMBED Equation.3 )؟
الحل:
نكتب معادلة الأبعاد على الشكل: EMBED Equation.3
حيث: EMBED Equation.3 بعد التسارع ((a و EMBED Equation.3 بعد الزمن ((t
وهذا يعني أن للسرعة بُعداً يساوي المسافة مقسومةً على الزمن.
مثال 2:
جد بُعد حجم أسطوانة نصف قطرها ( (rوارتفاعها ((h؟
الحل:
نكتب قانون الحجم: EMBED Equation.3
ونضع الأبعاد: EMBED Equation.3
حيث: EMBED Equation.3 بُعد مربع نصف القطر ((r و EMBED Equation.3 بُعد الارتفاع ((h. لاحظ أن EMBED Equation.3 هو عدد ثابت ليس له أبعادDimensionless) ) ولا يُكتب في معادلة الأبعاد.
مثال 3:
يعطى معدل التدفق (flow rate) للمائع من خلال العلاقة التالية EMBED Equation.3 ، حيث EMBED Equation.3 السرعة و EMBED Equation.3 مسافة مقطع الأنبوب أوجد وحدة معدل التدفق باستخدام التحليل البعدي؟
الحل:
نكتب التحليل البعدي للتدفق: EMBED Equation.3
أي أن بُعد الكمية EMBED Equation.3 هو مكعب الطول مقسوماً على الزمن، أي أن وحدة معدل التدفق هي EMBED Equation.3 .