PENGUKURAN DAN BESARAN POKOK
BAB 1
FISIKA DAN PENGUKURAN
Sebuah jam bola bergulir, ditemukan pada awal abad kesembilan belas sebagai
alternatif jam pendulum. Sebuah bola gulungan bolak-balik melalui alur dalam platform miring di dekat bagian bawah. Ketika bola mencapai akhir trek berlekuk, itu perjalanan mekanisme pelarian dari jam dan platform miring ke arah lain, mengirim bola pada perjalanan pulang. Waktu adalah salah satu besaran dasar yang kita gunakan dalam mempelajari gerak benda. (Ray Bates, The British Clockmaker Inc) |
Seperti semua ilmu-ilmu lain, fisika didasarkan pada pengamatan
eksperimental dan pengukuran kuantitatif. Tujuan utama fisika adalah untuk
mengidentifikasi sejumlah hukum dasar yang mengatur fenomena alam dan
menggunakannya untuk mengembangkan teori-teori yang dapat memprediksi hasil
percobaan berikutnya. Undang-undang dasar yang digunakan dalam mengembangkan
teori yang diungkapkan dalam bahasa matematika, alat yang menyediakan jembatan
antara teori dan eksperimen. Ketika ada perbedaan antara prediksi dari teori
dan hasil eksperimen, teori-teori baru atau dimodifikasi harus diformulasikan
untuk menghilangkan perbedaan tersebut. Sering kali sebuah teori yang memuaskan
hanya dalam kondisi tertentu, sebuah teori yang lebih umum mungkin memuaskan
tanpa pembatasan-pembatasan. Misalnya, hukum gerak yang ditemukan oleh Isaac
Newton (1642-1727) secara akurat menggambarkan gerak benda bergerak dengan
kecepatan normal tetapi tidak berlaku untuk benda bergerak dengan kecepatan
dibandingkan dengan kecepatan cahaya. Sebaliknya, teori relativitas khusus yang
dikembangkan kemudian oleh Albert Einstein (1879-1955) memberikan hasil yang
sama seperti hukum Newton pada kecepatan rendah tetapi juga benar menggambarkan
gerak benda dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya. Oleh karena itu,
teori khusus relativitas Einstein adalah teori yang lebih umum gerak dari itu
terbentuk dari hukum Newton.
Fisika klasik meliputi prinsip-prinsip mekanika klasik,
termodinamika, optik, dan elektromagnetisme dikembangkan sebelum 1900.
Kontribusi penting untuk fisika klasik diberikan oleh Newton, yang juga
merupakan salah satu pencetus kalkulus sebagai alat matematika. Perkembangan
utama dalam mekanika berlanjut di abad ke-18, tapi bidang termodinamika dan
elektromagnetisme tidak dikembangkan sampai bagian akhir abad ke-19, terutama
karena sebelum waktu itu aparat untuk percobaan terkontrol dalam disiplin ilmu
ini adalah terlalu kasar atau tidak tersedia.
Sebuah revolusi besar dalam fisika, biasanya disebut sebagai fisika
modern, dimulai menjelang akhir abad ke-19. Fisika modern dikembangkan terutama
karena banyak fenomena fisik tidak dapat dijelaskan oleh fisika klasik. Dua
perkembangan yang paling penting dalam era modern ini adalah teori relativitas
dan mekanika kuantum. Teori khusus relativitas Einstein tidak hanya benar
menggambarkan gerak benda bergerak dengan kecepatan sebanding dengan kecepatan
cahaya, tetapi juga benar-benar mengubah konsep tradisional ruang, waktu, dan
energi. Teori ini juga menunjukkan bahwa kecepatan cahaya adalah batas atas
kecepatan obyek dan bahwa massa dan energi terkait. Mekanika kuantum dirumuskan
oleh sejumlah ilmuwan terkemuka untuk memberikan deskripsi fenomena fisik pada
tingkat atom. Banyak perangkat praktis telah dikembangkan dengan menggunakan
prinsip-prinsip mekanika kuantum.
Para ilmuwan terus bekerja mengembangkan pemahaman kita tentang
hukum dasar. Banyak kemajuan teknologi dalam beberapa kali merupakan hasil dari
upaya banyak ilmuwan, insinyur, dan teknisi, seperti eksplorasi planet tak
berawak dan pendaratan di bulan berawak, microcircuitry dan komputer
berkecepatan tinggi, teknik pencitraan canggih yang digunakan dalam penelitian
ilmiah dan kedokteran, dan beberapa hasil yang luar biasa dalam rekayasa genetika.
Efek dari perkembangan dan penemuan pada masyarakat kita seperti itu memang
telah besar, dan itu sangat mungkin bahwa penemuan dan perkembangan masa depan
akan menarik, menantang, dan memberikan manfaat besar bagi kemanusiaan.
1.1.Standar panjang, massa dan waktu
Untuk menggambarkan fenomena alam, kita harus
melakukan pengukuran dari berbagai aspek alam. Setiap pengukuran dikaitkan
dengan kuantitas fisik, seperti panjang dari suatu objek. Hukum-hukum fisika
dinyatakan sebagai hubungan matematis antara jumlah fisik yang kita akan
perkenalkan dan diskusikan (dalam tulisan-tulisan berikutnya-pent). Dalam
mekanika, ada tiga besaran pokok adalah
panjang, massa, dan waktu. Semua besaran lain dalam mekanika dapat dinyatakan
dalam ketiganya.
Jika kita ingin melaporkan hasil pengukuran kepada
seseorang yang ingin mereproduksi pengukuran ini, standar harus didefinisikan.
Ini akan menjadi tidak berarti jika pengunjung dari planet lain adalah untuk
berbicara dengan kami tentang panjang 8 "gangguan" jika kita tidak
tahu arti dari unit kesalahan. Di sisi lain, jika seseorang terbiasa dengan
sistem kami laporan pengukuran bahwa tembok adalah 2 meter dan tinggi unit kami
panjang didefinisikan sebagai 1 meter, kita tahu bahwa tinggi dinding dua kali
satuan panjang dasar kita. Apapun yang dipilih sebagai standar harus mudah
diakses dan harus memiliki beberapa properti yang dapat diukur dengan andal.
Standar pengukuran yang digunakan oleh orang yang berbeda di tempat yang
berbeda-seluruh alam semesta-harus menghasilkan hasil yang sama. Selain itu,
standar yang digunakan untuk pengukuran tidak harus berubah dengan waktu. Pada
tahun 1960, sebuah komite internasional yang dibentuk seperangkat standar untuk
takaran dasar ilmu pengetahuan. Hal ini disebut SI (Systeme International), dan unit fundamental
dari panjang, massa, dan waktu adalah meter, kilogram, dan kedua,
masing-masing. Standar lain untuk unit dasar SI yang ditetapkan oleh panitia
adalah mereka untuk suhu (kelvin), arus listrik (ampere), intensitas cahaya
(candela), dan jumlah zat (mol).
PANJANG
Kita dapat mengidentifikasi panjang sebagai jarak antara dua titik
dalam ruang. Pada 1120, Raja Inggris memutuskan bahwa standar panjang di
negaranya akan diberi nama halaman dan akan tepat sama dengan jarak dari ujung
hidung ke ujung lengan terulur. Demikian pula, standar asli untuk kaki diadopsi
oleh Perancis adalah panjang kaki kerajaan Raja Louis XIV. Tak satu pun dari
standar ini adalah konstan dalam waktu, ketika seorang raja baru naik takhta,
pengukuran panjang berubah! Standar Perancis menang sampai 1799, ketika standar
hukum panjang di Perancis menjadi meter (m), yang didefinisikan sebagai
sepersepuluh juta jarak dari khatulistiwa ke Kutub Utara sepanjang satu garis
membujur tertentu yang melewati Paris. Perhatikan bahwa nilai ini merupakan
standar berbasis Bumi yang tidak memenuhi persyaratan yang dapat digunakan di
seluruh alam semesta.
Seperti baru-baru 1960, panjang meter didefinisikan sebagai jarak
antara dua garis pada bar platinum-iridium tertentu yang disimpan dalam kondisi
yang terkendali di Perancis. Persyaratan saat ini ilmu pengetahuan dan
teknologi, bagaimanapun, memerlukan akurasi lebih dari itu dengan mana
pemisahan antara garis-garis pada bar dapat ditentukan. Pada tahun 1960 dan
1970, meter didefinisikan sebagai 1 650 763,73 wavelengths1 cahaya oranye-merah
yang dipancarkan dari kripton-86 lampu. Pada Oktober 1983, bagaimanapun, meter
didefinisikan kembali sebagai jarak yang ditempuh oleh cahaya dalam ruang hampa
selama waktu 1/299 792 458 detik. Akibatnya, ini definisi terbaru menetapkan
bahwa kecepatan cahaya dalam ruang hampa justru 299 792 458 meter per detik.
Definisi meter berlaku di seluruh alam semesta berdasarkan asumsi kita bahwa
cahaya adalah sama di mana-mana.
Tabel 1.1 daftar nilai perkiraan beberapa panjang diukur. Anda harus mempelajari tabel ini serta dua tabel
berikutnya dan mulai menghasilkan intuisi untuk apa yang dimaksud dengan,
misalnya, panjang 20 cm, massa 100 kilogram, atau interval waktu 3,2 X 107sekon.