الجهاز العلمي

الجهاز العلمي آلة تُساعد في التعرف على العالم. فكل ما نعرفه عما يحيط بنا من أشياء يأتي عن طريق الحواس التي وهبها الله للإنسان من السمع والبصر والشَّم واللمس والتذوق. وفي معظم الأحيان تُقدم لنا الحواس خدمات كبيرة وتعلمنا الكثير عما يدور حولنا، إلا أن الإنسان يحتاج لمعاونة الأجهزة العلمية للتعرف على الأشياء التي تدور بعيدًا عنه، مثل ما يحدث في الفضاء الخارجي على مسافات بعيدة، أو التَّغيرات التي تحدث داخل الذَّرة.

تَحتاج حواس الإنسان لمساعدة الأجهزة العلمية لأسباب عديدة، حيث يوجد بعض الأشياء دقيقة الحجم جدًا بدرجة يصعب التعرف عليها وتمييزها بالعين المجردة. كما تحدث أشياء كثيرة على مسافات بعيدة، أو في أماكن مجهولة يصعب معها رؤية الأشياء أو تحديد ملامحها، وبالتالي يستحيل التعرف عليها. كما يستحيل على الإنسان سماع بعض الأصوات بالأذن المجردة. ولا نستطيع أن ندرك حتى بعض الأشياء الأخرى كالإشعاع النَّووي والكهرباء دون الاستعانة بالأجهزة العلمية.

ويمدنا الكثير من الأجهزة العلمية بمعلومات يصعب على الحواس بمفردها تمييزها أو التعرف عليها. فالعين على سبيل المثال، تتعرف على الضوء العادي المرئي، ولكن لا يمكنها رؤية الأشعة تحت الحمراء أو الأشعة فوق البنفسجية. ولكن عند استخدام جهاز القياس المعروف باسم مقياس الطيف المرئي وهو جهاز ذو حساسية عالية لهذه الإشعاعات، يمكننا التعرف على الأشعة تحت الحمراء والأشعة فوق البنفسجية. كما يقدم مقياس الطيف للعلماء معلومات مفيدة عن التركيب البنائي للمادة. وفي بعض الأحيان تتأقلم الحواس مع الظروف المختلفة المحيطة بها، وبالتالي تقدم لنا معلومات خاطئة. فإذا وضعت إحدى يديك في ماء حار والأخرى في ماء بارد، على سبيل المثال، تفقد اليدان إحساسهما بالحرارة أو البرودة بعد فترة. وإذا وضعتهما بعد ذلك في ماء فاتر تشعر اليد التي كانت في الماء الساخن بالبرودة بينما تشعر اليد الأخرى التي كانت في الماء البارد بالدفء. وتعطي الترمومترات وأجهزة القياس الأخرى قراءات صحيحة لدرجات الحرارة من خلال أساليب أكثر دقة للحكم على درجة الحرارة.


تتشابه معظم الأجهزة العلمية في اشتمالها على ثلاثة أشياء: 1- محول الطاقة 2- مقياس القيم 3- القراءات.

ويحول محول الطاقة إشارة الدخل إلى إشارة خرجٍ ذات شكل مختلف. ويقدم مقياس القيم مقارنة مع نواتج محول الطاقة. وتعطى القراءات القيمة الناتجة في صورة يسهل تسجيلها. فعلى سبيل المثال، يحول محول الطاقة في الترمومترات حركة جزيئات المادة الداخلية عند درجات الحرارة المختلفة إلى ارتفاع أو انخفاض في طول الزئبق أو الكحول في الأنبوب الزجاجي للترمومتر. وتعبر الأرقام الموجودة في الترمومتر عن مقياس القيم، الذي يوضح قيم درجات الحرارة. ويوضح موضع الزئبق أو الكحول في العمود الزجاجي المدرج قراءة درجة الحرارة.

يوجد نوعان أساسيان من الأجهزة العلمية؛ الأجهزة التخطيطية، وتظهر فيها النتائج بصورة مرئية، وأجهزة القياس، وتظهر فيها النتائج في صورة رقمية. وهناك بعض الأجهزة تستخدم الطريقتين في عرض القراءات.


الأجهزة التخطيطية
تقدم الأجهزة التخطيطية صورة كاملة، بحيث يمكن مقارنة جزء من أجزائها مع الأجزاء الأخرى. ومن أمثلة الأجهزة التخطيطة المعروفة جيدًا والمستخدمة بكثرة: آلات التصوير والمجاهر والتلسكوبات، وكاشفات الجسيمات النووية ومرسمة الذبذبات ومقاييس الطيف.


آلات التصوير. تلتقط آلة التصوير صورًا للأجسام وغيرها، وتعرف هذه العملية باسم التصوير الضوئي، حيث تعمل بالأشعة الضوئية الاعتيادية. وتشكل آلات التصوير نوعاً واحدًا من أنواع عديدة من الأجهزة التخطيطية.


المجاهر. تقدم صورة مكبرة للأشياء الدقيقة التي يصعب، أو يستحيل أحيانًا رؤيتها بالعين المجردة. وتساعد المجاهر كثيرًا في دراسة العديد من الأشياء، مثل البكتيريا والدوائر الإلكترونية المنمنمة. ويمكن أن تصل قوة تكبير أفضل المجاهر الضوئية (العاملة بالضوء) إلى حوالي 2,500 مرة. وتستخدم بعض المجاهر الضوئية الأشعة فوق البنفسجية بدلاً من أشعة الضوء العادي، وفي هذه الحالة تزيد مقدرة المجهر على التكبير كثيرًا مقارنة بالمجاهر العاملة بالأشعة العادية. ويعمل المجهر الإلكتروني بمبدأ المجهر الضوئي نفسه بدلاً من أشعة الضوء العادي المستخدمة في النوع الثاني. وقوة تكبير المجهر الإلكتروني أعلى كثيرًا جدًا من قوة تكبير المجهر الضوئي، ولهذا يمكن للمجهر الإلكتروني إظهار أشياء دقيقة جدًا يصعب إظهارها بموجات الضوء العادي. ومن أمثلة ذلك الفيروسات وحتى الذرات.


التلسكوبات. وتعرف أيضًا باسم المقرابات، وتعطي صورًا لأشياء بعيدة. وتلتقط معظم التلسكوبات الضخمة صورًا ضوئية لأجرام سماوية. تُكوّن التلسكوبات الراديوية (اللاسلكية) صورًا عن طريق أمواج الراديو القادمة من الأجسام في السماء. وقد ساعدت التلسكوبات علماء الفلك كثيرًا في التوصل إلى اكتشافات جديدة مثيرة عن الكثير من الأجرام التي لم تكن معروفة من قبل.

ويُعد التلسكوب واحدًا من الأجهزة العلمية المستخدمة في دراسة الأماكن البعيدة أو الخطرة. ويستخدم الأطباء نوعًا خاصًّا من التلسكوبات يسمى منظار القصبات أو المنظار الشعبي لفحص الرِّئتين ورؤية ما بداخلهما، كما يستخدم العلماء التلفاز لمشاهدة ما بداخل المفاعلات النووية الممتلئة بالمواد المشعة القاتلة.


مكشافات الجُسيمات النووية. يُستخدم مكشاف الجسيمات النووية للكشف عن مسارات أجزاء الذرات الناتجة من الانشطارات النووية نتيجة للتفاعلات النووية. وتعمل معظم مكشافات الجسيمات، مثل الغرف الضبابية أوتوماتيًا. ويمكن باستخدام مكشاف الجسيمات النووية تصوير جميع التفاعلات التي تحدث في المفاعلات النووية وذلك لأغراض البحث والدراسة. وقد يصل عدد هذه التفاعلات إلى مئات الآلاف، وبمساعدة الحاسوب يمكن أن تُستبعد صور التفاعلات العادية وتستبقى فقط صور التفاعلات ذات الأهمية التي يحتاج الباحثون إليها.


مراسم الذبذبات. أجهزة تصور ما يحدث في الدائرة الكهربائية. ويمكن من خلال مراسم الذبذبات التعرف على كثير من الأشياء التي تحدث بسرعة فائقة تصل إلى جزء من مليون جزء من الثانية، وتعجز أية أجهزة أخرى عن الكشف عنها. وعلى سبيل المثال، تستطيع مراسم الذبذبات رسم أنماط موجة نشاط دماغ الإنسان. ويعد صمام الصورة في التلفاز إحدى أنواع مراسم الذبذبات. ويبين صمام الصورة ما ترسله كاميرات التلفاز خلال الدائرة التلفازية. كما يعد التصوير بالأشعة السينية الإلكترونية أيضًا نوعًا آخر من مراسم الذبذبات وهو الجهاز الذي يوضح أنماط ضربات قلب الإنسان.


مقياس الطيف. يستخدم في دراسة طيف الضوء. ولما كانت كل مادة ذات طيف ضوئي مختلف عن المواد الأخرى، فإن مقاييس الطيف تساعد العلماء في تحديد نوع المادة والتعرف عليها من خلال تحليل طيفها الضوئي. وتوجد ثلاثة أنواع أساسية من مقاييس الطيف؛ مقياس طيف الأشعة تحت الحمراء وهو يمييز أطياف الأشعة تحت الحمراء. ومقياس طيف الأشعة المرئية، ويستخدم لأطياف الأشعة المرئية. ومقياس طيف الأشعة فوق البنفسجية، وهو يحلل أطياف الأشعة فوق البنفسجية.


أجهزة قياس الوحدات الأساسية
تُسْتَخْدم أجهزة قياس الوحدات الأساسية في تقدير قيمة وحدات القياس لأي شيءٍ نود قياسه. فعلى سبيل المثال، تقيس المسطرة طول خط ما بالسنتيمتر أو بالمليمتر، ويعين الميكرومتر سمك ورقة أو رقيقة معدنية، ويعطينا معيِّن مدى الليزر المسافة من الأرض إلى القمر بدقة متناهية.

وتؤدي دقة القياس دورًا مهمًّا في حقل العلوم. وتشمل الكميات الأساسية التي تقاس في غالب الأحوال: التيار الكهربائي، والطول، ودرجة الحرارة، والزمن، والثقل. ويمكن ربط معظم الكميات الأخرى المقيسة بالوحدات الأساسية. فعلى سبيل المثال يقدر عداد السرعة سرعة مركبة ما بقياس الوحدات الأساسية للطول أو المسافة والزمن.

وتتطلب كل كمية من الوحدات الأساسية نوعًا خاصًّا من أجهزة القياس لتقديرها. فالترمومترات تحدد درجات الحرارة، وتقيم الموازين الثقل وتبين الساعات الزمن. ويوجد العديد من أجهزة قياس وحدات الكهرباء الأساسية، ومنها الأميتر (مقياس شدة التيار) ومقياس الفولت.