Jak zmierzyć stałą Plancka za pomocą klocków Lego?

Stała Plancka jest jedną z najważniejszych liczb w nauce. Opisuje związek między energią i częstotliwością fali elektromagnetycznej w równaniu znanym jako relacja Plancka-Einsteina: E = hv (gdzie ORAZ jest energia, v to częstotliwość i h jest stałą Plancka).

Ta stała ma stać się jeszcze ważniejsza, ponieważ fizycy zamierzają zmienić definicję masy tak, aby zależała ona od stałej Plancka, a nie od masy kawałka metalu w skarbcu w Paryżu.

Nic więc dziwnego, że fizycy potrzebują różnych sposobów mierzenia masy na podstawie stałej Plancka lub odwrotnie, znajdowania wartości stałej Plancka na podstawie znanej masy. Dzisiaj Leon Chao z Narodowego Instytutu Standardów i Technologii w Gaithersburgu w stanie Maryland wraz z kilkoma kumplami wyjaśniają, jak to zrobić, korzystając z eksperymentu zbudowanego z klocków Lego.

Przez lata fizycy z National Institute of Standards and Technology ocenili różne sposoby przeprowadzania tego pomiaru i zdecydowali się na eksperyment z użyciem urządzenia znanego jako waga watowa.

To urządzenie jest w zasadzie proste. Chodzi o to, aby zrównoważyć siłę grawitacyjną działającą na masę z siłą generowaną przez cewkę przenoszącą prąd w polu magnetycznym. Masę można następnie obliczyć w prosty sposób, porównując moc mechaniczną z mocą elektryczną zaangażowaną w eksperyment (maszyna otrzymuje swoją nazwę, ponieważ moc elektryczna i mechaniczna są mierzone w watach).

Eksperyment obejmuje pomiary tylko napięcia i prądu przepływającego przez cewkę oraz prędkości masy poruszającej się w cewce. Wymaga również dokładnej wartości dla g , przyspieszenie ziemskie, które można łatwo odczytać a strona internetowa obsługiwana przez Narodową Administrację Oceaniczną i Atmosferyczną wchodząc w dowolne miejsce na planecie.

Stała Plancka pojawia się z powodu historycznej specyfiki w sposobie definiowania jednostek energetycznych. Od 1990 r. prawie wszystkie pomiary elektryczne są kalibrowane przy użyciu systemu jednostek, w którym stała Plancka, wraz z różnymi innymi stałymi, jest definiowana, a nie mierzona.

Natomiast moc mechaniczna opiera się na zwykłych jednostkach SI, które opierają się na zmierzonej wartości stałej Plancka. Porównując moc elektryczną w jednostkach konwencjonalnych do mocy mechanicznej w jednostkach SI, h można określić, mówią Chao i spółka.

Wszystko, co jest potrzebne, to działająca równowaga w watach, a Chao i spółka opisują, jak zbudować ją za pomocą klocków Lego, a nawet dostarczają obszerną listę części, z których wiele można zamówić w Witryna Lego Pick-a-Brick . Dają również strony internetowe do zakupu innych, bardziej specjalistycznych komponentów.

Całkowity koszt tych części wynosi 634 USD, ale możliwe są oszczędności. Zdecydowanie najdroższym komponentem jest urządzenie do akwizycji danych za 300 USD, a następnie wyjście analogowe za 90 USD. Chao i spółka twierdzą, że można je zastąpić jednym urządzeniem, które kosztuje tylko 189 USD, co pozwala zaoszczędzić 200 USD.

To sprawia, że ​​koszty są w zasięgu wielu szkół, a nawet osób prywatnych. Mamy nadzieję, że zachęcimy wielu entuzjastów do zbudowania wagi watowej LEGO i dobrej zabawy z nauką pomiaru, metrologią, mówi zespół.

Okres świąteczny tuż za rogiem, wielu czytelników może znaleźć się na polowaniu na prezenty dla ważnych osób. Zestaw balansujący wat może być idealnym prezentem dla fizyka, który ma wszystko.

Nr ref.: http://arxiv.org/abs/1412.1699 : Waga LEGO Watt: urządzenie do demonstrowania definicji masy w oparciu o nowy układ SI

ukryć