به اطلاع همكاران، صاحبنظران و دبیران گرامي ميرساند نگاشت اوليه (غیر قابل استناد) كتاب های پایه اول دوره متوسطه دوم (دهم) جهت آشنايي بيشتر همكاران با ساختار كتاب ، در دسترس عموم قرار ميگيرند. لازم بذكر است اين کتاب ها نسخه نهايي نمي باشند و بدليل احتمال تغييرات، بهيچ وجه قابل استناد نيستند.
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
 پیش نویس کتاب آزمایشگاه علوم(رشته علوم تجربی - رشته ریاضی فیزیک) |
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|
||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
نظریه های اتمی
دموکریت که بود؟
دموکریت (Democrite) یا ذیمقراطیس (۴۷۰- ۳۵۷ ق . م) دانشمند یونانی است که بخشی از زندگی خویش را در سیر و سیاحت در مصر گذرانید. کتابی به نام دیاکوسموس به دموکریت منسوب است که در آن نظراتش را درباره ی ساختار ماده توضیح داده است. نظرات او به طور کلی بر شالوده ی متافیزیکی مسأله ذره گرایی استوار است. او هیچ گونه اشاره ای به چگونگی ترکیب مواد گوناگون ندارد.
دموکریت که بود؟
دموکریت (Democrite) یا ذیمقراطیس (۴۷۰- ۳۵۷ ق . م) دانشمند یونانی است که بخشی از زندگی خویش را در سیر و سیاحت در مصر گذرانید. کتابی به نام دیاکوسموس به دموکریت منسوب است که در آن نظراتش را درباره ی ساختار ماده توضیح داده است. نظرات او به طور کلی بر شالوده ی متافیزیکی مسأله ذره گرایی استوار است. او هیچ گونه اشاره ای به چگونگی ترکیب مواد گوناگون ندارد. مفهوم ترکیب در آن زمان به معنای تبدیل بود یعنی تنها وجه کیفی مسأله مورد توجه بود و این همان نکته ای است که در دوره ی کیمیاگری نیز مورد توجه بسیار قرار گرفته است.
از نظر دموکریت : اتم ها همانندند، تقسیم ناپذیرند و فشرده نمی شوند، آغاز و پایان ندارند. او برای تفاوت خواص ماده از اندازه، شکل و وزن اتم ها سخن می گوید و تفاوت خواص را به شکل اتم ها نسبت می دهد، به طور مثال مواد ترش اتم های لوزی شکل دارند.
دلیلی برای تصور دموکریت از اتم:
دموکریت ساده ترین راه را برای توجیه خواص ماده برگزیده است. یا به عبارت دیگر، او متفاوت بودن شکل ذره های سازنده ی مواد را معیار قضاوت در مورد تفاوت خواص آنها قرار داده است.
برای مثال، لمس کردن، بوییدن و چشیدن بعضی مواد یا ورود بعضی چیزها به چشم باعث ناراحتی انسان می شود. با این نگاه می توان این طور تصور کرد که ذره های سازنده ی همه ی این مواد مانند خرده های شیشه تیز و برنده اند و به واسطه ی شکل خاصی که دارند، چنین رفتاری از خود نشان می دهند. سرکه و آبلیمو ترش و سوزاننده اند و اطلاق شکل خرده شیشه به ذرات آنها از این نگاه ناشی می شود.
خلاصه نظریه دموکریت:
دالتون که بود؟
جان دالتون( John, Dalton) (1766-1844)– در خانواده ای تهیدست در انگلستان زاده شده. هیچ مقام دانشگاهی نداشت اما از سال ۱۷۹۹ به سخنرانی های خصوصی پرداخت. وی در منچستر در گذشت. کشف پدیده ی کور رنگی را به او نسبت می دهند به همین دلیل این پدیده دالتونیسم گفته می شود.
دالتون نظریه اتمی خود را در سال های ۱۸۰۳ تا ۱۸۰۸ بر اساس مشاهدات تجربی و قانون مندی واکنش های شیمیایی ارائه داد و همین تفاوت وی با دیگر نظریه پردازان اتمی است که وی را در شمار دانشمندان بزرگ شیمی قرار می دهد نظریه او مبتنی بر چند اصل به شرح زیر است:
۱- عنصرها از ذرات فوق العاده ریزی به نام اتم تشکیل شده اند کلیه اتم های یک عنصر یکسانند ولی اتم های عنصرهای مختلف در جرم اندازه و دیگر ویژگی ها با یک دیگر فرق دارند.
۲- اتم های یک عنصر نه نابود می شوند و نه از نو به وجود می آیند و هیچ اتمی از یک عنصر به اتم عنصر دیگر تبدیل نمی شود. اما اتم ها در واکنش های شیمیایی شرکت می کنند، به یک دیگر می پیوندند یا از هم جدا می شود.
۳- یک ترکیب شیمیایی از به هم پیوستن اتم های دو یا چند عنصر پدید می آید. انواع اتم های شرکت کننده در یک ترکیب مشخص، همواره یکسانند و نسبت جرمی این اتم ها نیز ثابت است.
نظریه اتمی دالتون
جان دالتون نظریه اتمی را بگونه‌ای طرح کرد که شاخص برجسته‌ای در تاریخ شیمی شد. این نظریه در سالهای ۱۸۰۳ تا ۱۸۰۸ مطرح شد. در آن زمان دانشمندان بسیاری معتقد بودند که ماده از اتمها ترکیب یافته است اما دالتون از این هم پیش رفت. او طرحی برای نظریه اتمی بوجود آورد که می‌توانست قوانین تغییر شیمیایی را توضیح دهد و با نسبت دادن جرمهای نسبی به اتمهای عناصر گوناگون به مفهوم نظریه اتمی صورت کمی داد.
اصول موضوع نظریه دالتون
۱٫ عناصر از ذرات بینهایت کوچکی که اتم نامیده میشوند ترکیب یافته‌اند. تمام اتمهای یک عنصر یکسان و اتمهای عناصر گوناگون متفاوت‌اند.
۲٫ در واکنشهای شیمیایی اتمها از هم جدا میشوند و به هم می‌پیوندند. در این واکنش هیچ اتمی ایجاد نمیشود یا از میان نمی‌رود و هیچ اتمی از یک عنصر به عنصر دیگر تبدیل نمیشود.
۳٫ یک ماده مرکب شیمیایی حاصل ترکیب اتمهای دو یا چند عنصر است. یک ماده مرکب معین از اتمهایی ترکیب یافته است که همواره نوع و نسبت آنها ثابت است.
تغییرات در نظریه اتمی دالتون
نظریه دالتون به مفهوم کلی آن امروزه نیز معتبر است. لیکن اصل اول آن تغییر یافته است. دالتون می‌گفت که تمام اتمهای یک عنصر معین ، جرم اتمی یکسان دارند. امروزه ما می‌دانیم که تمام اتمهای یک عنصر از لحاظ شیمیایی به هم شبیه و اتمهای یک عنصر با اتمهای عنصر دیگر تفاوت دارند. علاوه بر این ما میتوانیم یک جرم متوسط برای اتمهای هر عنصر در نظر بگیریم. در بسیاری از محاسبات اگر عنصر را از یک نوع اتم با جرم متوسط بدانیم اشتباهی بوجود نمی‌آید.
منشا نظریه اتمی دالتون
دالتون وجوه کمی نظریه خود را از درون دو قانون مربوط به تغییرات شیمیایی بیرون کشید:
• قانون پایستاری جرم می‌گوید که در جریان یک واکنش شیمیایی جرم تغییر محسوسی نمی‌کند. اصل دوم نظریه دالتون این قانون را توضیح می‌دهد.
• قانون نسبتهای معین می‌گوید که یک ماده مرکب خالص همواره شامل عناصر معینی است که با نسبت جرمی معین ترکیب میشوند. اصل سوم نظریه دالتون این قانون را توضیح می‌دهد.
خلاصه نظریه دالتون:
در نظریه دالتون و نظریه‌های یونانیان اتمها کوچکترین اجزای ممکن ماده بودند اما در اواخر سده نوزدهم کم کم معلوم شد که اتم خود از ذراتی کوچکتر ترکیب یافته است. این تغییر دیدگاه نتیجه آزمایشهایی بود که با الکتریسیته بعمل آمد. در سال ۱۸۰۷ و ۱۸۰۸ شیمیدان انگلیسی همفری دیوی با تجزیه مواد مرکب توسط الکتریسیته پنج عنصر پتاسیم ، سدیم ، کلسیم ، استرونسیم و باریم را کشف کرد.
خلاصه نظریه دالتون:
آب، باد، خاک،آتش (عناصر اربعه)
فیلسوفان یونان معتقد بودند که اشیـای جهـان منشأ واحدی دارند، یعنی صورت های گوناگون یک اصل(عنصر) واحدند که آن را «مـاده اولیه» یا «ماده المواد»(Prima Materia) می نـامیدند واژه ی عنصر(Element) از کلمه ی لاتین المنتوم(Elementum) گرفته شده است.
این نظریه ها در حدود سال های ۶۰۰ تا ۳۰۰ ق. م نقطـه ی مقابل نظریه هـایی است که اتم هـای متنوع را عامل تشکیل ماده می دانند.
امپدوکلس(Empedoklis) پزشک و فیلسوف یونانی(۴۹۰ –۴۳۵ ق. م) برای نخستین بار نظریه ای ارائه داد که بر اساس آن اشیای جهان با وجود گوناگونی و تفاوت در محتوا، همگی منحصراً از چهار عنصر «خاک، آب ، هـوا و آتش» به وجود می آیند.
ارسطو معتقـد بود که ماده المواد تغییر نـاپذیر است و مقدار آن همواره ثابت و منشأ همه ی مواد و اشیـای جهـان است، وی برای ماده المواد چهار خاصیت در نظر گرفت که دوبه دو به روی هم قرار می گیرند و عناصر چهارگـانه را پدید می آورند وی معتقد بود که این خاصیت ها جزو جدانشدنی ماده المواد نبوده، بلکه قابل افزایش ویا کاهش هستند از این رو چگونگی تغییر ماده را می توانست توجیه کند. مثلا˝ در تبدیل آب به بخـار معتقد بود کـه با گـرما دادن به آب از میزان سردی آن کاسته شده در نتیجه به هوا (بخار) تبدیل می شود.
مدل اتمی تامسون
برای نخستین بار جان تامسون ، با استفاده از لامپ پرتو کاتدی ، به ماهیت زیر اتمی ها پی برد . وی به دو سر الکترود مثبت و منفی لامپ، اختلاف پتانسیل الکتریکی وصل کرد ، و مشاهده کرد که پرتو کاتدی از الکترود منفی (کاتد) به الکترود مثبت (آند) می رود . سپس در مسیر پرتو کاتدی میدان مغناطیسی قرار داد و مشاهده کرد که پرتو کاتدی به سمت قطب مثبت منحرف می شود و همچنین در این مسیر ، توربین پرّه دار قرار داد و بر اثر برخورد پرتو به توربین ، توربین شروع به حرکت می کرد .
وی با تکیه بر آزمایش های خود به این نتیجه رسید که ذرات سازنده پرتو کاتدی دارای بارالکتریکی منفی هستند و همچنین علاوه بر ماهیت موجی که پرتو دارد ، ماهیت ذره ای نیز از حود نشان می دهد . تامسون این ذرات منفی را ، الکترون نامید و بعد ها وی دریافت که ذرات سازنده پرتو کاتدی در تمام مواد وجود دارند . وی با استناد بر استنتاج های خود نظریه اتمی خود را مطرح ساخت .
مطابق این مدل ، اتم از بار الکتریکی منفی ( الکترون ) و بار الکتریکی مثبت تشکیل شده است که به صورت یکنواخت در سراسر اتم پخش شده است . اما مدل اتمی تامسون دارای نقصهایی می باشد که از جمله آن، این بود که محاسبات انعکاس و انحراف پرتو آلفا هنگام گسیل به ورقه نازک فلزی ، نسبت به مدل اتمی تامسون مغایر بود . به همین دلیل دانشمندان درصدد تعمیر مدل اتمی شدند .
مدل اتمی رادرفورد
دو سه سال بعد رادرفورد با انجام آزمایشی ، مدل اتمی تامسون را رد کرد . او در آزمایش خود ، پرتو آلفا را ، که دارای بار الکتریکی منفی است ، به ورقه نازک طلا گسیل داد ، بر اثر این برخورد ، بخش عظیمی از پرتو از ورقه عبور کرد ، اما قسمت ناچیزی از آن ، بر اثر بر خورد، منعکس و یا منحرف شد .
وی با تکیه بر این استنتاج ، مدل اتمی خود را در صحنه رقابت مطرح ساخت . بخش عظیمی از فضا اتم خالی است و به همین دلیل بخش عظیمی از پرتو آلفا بدون انحراف از اتم عبور می کند ، اما قسمت ناچیزی از اتم توپر و متراکم است که دارای بار الکتریکی مثبت است و هنگامی که پرتو آلفا به آن برخورد می کند منعکس می شود و یا هنگامی که از نزدیکی آن عبور می کند منحرف می شود .
در اطراف این منطقه توپر “هسته اتم” الکترون ها پراکنده شده اند . و علت آنکه چرا هنگامی که پرتو آلفا از فضای اطراف هسته عبور می کند و از کنار الکترون ها بدون هیچ انحرافی به مسیر خود ادامه می دهد آن است که در یک اتم اندازه بارالکتریکی مثبت هسته با مجموع اندازه بار الکتریکی منفی الکترون های اطراف آن برابر است . پس مطابق مدل اتمی رادرفورد ، اتم از هسته که دارای بار الکتریکی مثبت است و در مرکز اتم قرار دارد و همچنین الکترون که در اطراف هسته قرار دارد، تشکیل شده است . با پذیرفتن مدل اتمی رادرفورد این سوال برای دانشمندان پیش آمد که طیف نشری خطی اتم عناصر ، حاصل از چیست ؟
معمای جدید در طراحی مدل اتمی ، باعث شد که دانشمندان دست به تحقیقات و آزمایش های گسترده بزنند .
مدل اتمی- مدل اتمی رادرفورد
با پیشرفت روز افزون علم شیمی، نوآوری در ابزارها و گسترش روش های پیشرفته آزمایشگاهی شواهد و یافته های فراوانی به دست آمد که تفسیر آنها بر اساس نظریه اتمی دالتون امکان پذیر نبود.
شواهد بدست آمده مبنی بر این که اتم ذره ای تجزیه پذیر است و خود از ذره های ریزتر تشکیل شده است با نظریه اتمی دالتون سازگاری نداشت. به همین دلیل تلاش برای بدست آوردن اطلاعات بیشتر و دقیق تر به عمل آمد تا امکان پیشنهاد نظریه جامع تری برای تفسیر ساختار درونی اتم فراهم آید.
واقعیت این است که بسیاری از چیزها رانمی توان بطور مستقیم مشاهده کرد، اما با استفاده از شواهد غیرمستقیم می توان به وجود آنها پی برد. برای نمونه هوا را با چشم نمی توان دید اما با حرکت دادن یک قطعه مقوا در مقابل صورت و یا حرکت دادن بادبزن می توان برخورد هوا به صورت را حس کرد و به وجود آن پی برد . همچنین اگر چه نمی توان اتم را با قویترین میکروسکوپ ها دید و از راز درون آن با خبر شد، اما می توان از راه جمع آوری شواهد فراوان درباره خواص مواد واتم های سازنده آنها استنباط درست از اتم به دست آورد و مدلی را طراحی کرد که به کمک آن بتوان ساختار اتم ها را نشان داد و بسیاری ا ز خواص ماده را توجیه نمود. شیمیدان ها برای نمایش اتم ها که کوچکند و دیده نمی شوند از مدل استفاده می کنند. یک مدل از نظر علمی، توصیفی است که دانشمندان برای نمایش ویژگی های مهمی که در صدد بیان آن هستند به کار می بر ند. مدلی که بر اساس آزمایش های رادرفورد در سال ۱۹۱۱ برای اتم پیشنهاد شده و در حال حاضر نیز به کار می رود شامل یک هسته است که در مرکز اتم قرار دارد ودر این هسته ذره های باردار با بار مثبت به نام پروتون وجود دارد. با توجه به اینکه اتم از نظر الکتریکی خنثی است فضای اطراف هسته دارای ذره هایی با بار الکتریکی منفی است که الکترون نامیده می شود و در یک اتم تعداد آنها با تعداد پروتون ها برابر است. با توجه به اینکه قطر هسته اتم حدود ۱۰۰۰۰/۱ قطر اتم است می توان گفت که قسمت اعظم اتم فضای خالی است. ساده ترین هسته مربوط به اتم هیدروژن است که تنها یک پروتون دارد. هسته ها ی دیگر افزون بر پروتون، ذره های دیگری به نام نوترون دارند که جرم آن مشابه جرم پروتون است اما بارالکتریکی ندارد. الکترون نسبت به پروتون و نوترون خیلی سبکتر است (جرم الکترون ۱۸۳۶/۱جرم پروتون می باشد و به سرعت در فضای اطراف هسته حرکت می کند. پروتون، نوترون، و الکترون را به عنوان ذره های زیر اتمی می شناسیم. )
مدل اتمی بور
با پذیرفتن مدل اتمی رادرفورد این سوال برای دانشمندان پیش آمد ، که طیف نشری خطی اتم عناصر ، حاصل از چیست ؟
در این هنگام نیلس بور با پذیرفتن مدل اتمی رادرفورد چنین پیشنهاد داد که الکترون ها در اطراف هسته اتم در سطوح انرژی مشخصی قرار دارند و در این سطوح به دور هسته اتم در حال چرخیدن هستند . انرژی الکترون هایی که در سطوح انرژی پایین تر به هسته نزدیک تر هستند ، نسبت به الکترون هایی که از هسته دورند ، انرژی کمتری دارند . پس برای انتقال الکترون از سطح انرژی پایین به سطح انرژی بالا ، باید انرژی معادل اختلاف انرژی بین آن دو سطح ، را به آن الکترون بدهیم . پس انرژی الکترون ها در یک اتم کوانتیده است .
مدل اتمی بور توانست به ما نشان دهد که طیف نشر خطی که از اتم عناصر گسیل می شود ، بر اثر انتقال الکترون ها از سطوح انرژی بالا به سطوح انرژی پایین است ، که در این انتقال انرژی الکترون کاهش و به صورت نور و گرما آزاد می شود. که اگر این نور آزاد شده را از منشور عبور دهیم طیف نشری آن مشخص می شود .
بور ، بیشتر مدل اتمی خود را بر اساس آزمایش هایی که با اتم های هیدروژن و هیلیم انجام داده بود مطرح می ساخت به همین دلیل مدل اتمی او ( که به مدل منظومه شمسی معروف است ) برای اتم های سنگینی مانند اورانیم ، آهن و … صدق نمی کرد. در این هنگام مدل اتمی کوانتمی (یا ابر الکترونی ) به همکاری بسیاری از دانشمندان به در عرصه رقابت مطرح شد . از جمله دانشمندانی که در این مدل اتمی سهم چشمگیری داشتند ، هایزنبگ ، پلانک و شرودینگر را می توان نام برد .
البته انیشتین با ارائه فرمول های خود نیز توانست به این مدل اتمی کمک کند.
در مدل بور تعداد الکترونهای هر مدار ثابت از مداری به مدار دیگر تغییر می کند.
مدل اتمی اربیتالی
طبق این مدل اتمی اتم از هسته و الکترون تشکیل شده است ، که هسته در مرکز اتم قرار دارد و الکترون ها در اطراف هسته اتم در سطوح انرژی مشخصی حرکت می کنند ( در اینجا باید توجه داشت که همه الکترون ها به دور هسته نمی چرخند بلکه در اطراف آن در حال حرکت هستند ) ، اما تعیین دقیق مکان (موضع ) و سرعت ( نوع حرکت ) الکترون ها به طور هم زمان و در یک لحظه امکان پذیر نیست .
الکترون ها در اطراف هسته اتم در فضای مشخصی حرکت می کنند ، که به این فضای اطراف اتم که بیشترین احتمال وجود اتم را دارد ، اوربیتال می گویند . اوربیتال ها در واقع تراز انرژی الکترون ها را مشخص می کنند . هر کدام از این اوربیتال ها به چند زیر لایه تقسیم می شوند که الکترون های زیر لایه های یک اوربیتال ، دارای انرژی یکسانی هستند . در مدل اتمی کوانتمی ، تجسم اتم بسیار مشکل است . به همین دلیل بعضی از افراد برای مطالعه دگرگونی های اتم در یک واکنش از مدل اتمی بور استفاده می کنند .
کاربرد فیزیک در فناوری
فیزیک علم شناختن قانون هی عمومی و کلی حاکم بر رفتار ماده و انرژی است.
فیزیک علم شناختن قانون هی عمومی و کلی حاکم بر رفتار ماده و انرژی است. کوشش هی پیگیر فیزیکدانان در این راه سبب کشف بسیاری از قانون هی اساسی، بیان نظریه ها و آشنایی با بعضی پدیده هی طبیعی شده است. هرچند این موفقیت ها در برابر حجم ناشناخته ها، اندک است لیکن تلاش همه جانبه و پرشتاب دانشمندان امید بسیار آفریده که انسان می تواند رازهای هستی را دریابد. انسان در یکی دو قرن اخیر، با بهره گیری از روش علمی و ابزارهی دقیق توانسته است در هر یک از شاخه هی علم، به ویژه فیزیک دنیای روشن و شناخته شده خود را وسعت بخشد. در این مدت با دنیلی بی نهایت کوچک ها آشنا شده، به درون اتم راه یافته تا انواع نیروهای بنیادی طبیعت را شناخته، الکترون و ویژگی های آن را دریافته و طیف گسترده امواج الکترومغناطیسی را کشف کرده است.
فیزیک که تا اواخر قرن نوزدهم مباحث مکانیک، گرما، صوت، نور و الکتریسیته را شامل می شد، اکنون در اوایل قرن بیست و یکم در اشتراک با سایر علوم (مانند شیمی، زیست شناسی و...) روز به روز گسترده تر و ژرفاتر شده و بیش از ۳۰ موضوع و مبحث مهم را در برگرفته است (دانشنامه فیزیک تعداد شاخه های فیزیک را ۳۳ مورد معرفی کرده است.)
فناوری:
فناوری، چگونگی استفاده از علم، ابزار، راه و روش بری انجام کارها و برآوردن نیازها است. به عبارت دیگر فناوری به کارگیری آگاهی های انسان برای تغییر در محیط به منظور رفع نیازها است. اگر علم را فرآیند شناخت طبیعت تعریف کنیم، فناوری فرآیند انجام کارها خواهد بود.در گذشته مثلاً در کشور ایران تا حدود یک صد سال پیش، زندگی ساده و ابتدایی بود و کارها با ابزارهای ساده و روش های اولیه انجام می شد. کشاورزی، حمل و نقل، تجارت، ساختمان سازی با روش های سنتی و ابزارهایی که در طول زمان از راه تجربه به دست آمده بود صورت می گرفت.
گرچه انسان به برخی از قانون های طبیعی دست یافته بود لیکن علم و عمل کمتر اثر متقابل در یکدیگر داشتند. دانشمندان راه خود را می پیمودند و صنعتگران و ابزارکاران به راه خود می رفتند تا آنکه عصر جدید آغاز شد و تمدنی به وجود آمد که همه چیز در راه مصالح زندگی انسان و توانایی او به کار گرفته شد.
در سال ۱۶۶۳ میلادی «جامعه سلطنتی لندن» تاسیس شد و هدف خود را ارتقای سطح علوم مربوط به امور و پدیده های طبیعی و هنرهای مفید از طریق آزمایش و تجربه به نفع «ابنای بشر» انتخاب کرد. چهار سال بعد فرهنگستان علوم فرانسه در پاریس شکل گرفت و بر مفید واقع شدن علم تاکید فراوان شد. اعضای این فرهنگستان برای هرچه به ثمر رساندن تحقیقات علمی در زندگی انسان، به تلاش پرداخته و از این بابت حقوق دولتی دریافت می کردند.(۱)
در سال ۱۸۵۳ موزه علوم لندن با نام «هیات معتمدین دایره علم و هنر و موزه ملی علم و صنعت» گشایش یافت اما نزدیک تر شدن علم و صنعت سبب شد که در سال ۱۸۸۲ بخش های مختلف این موسسه در هم ادغام شود و سازمان جدیدی با نام «دایره علوم کاربردی و تکنولوژی» تاسیس شود.
نقش فیزیک در فناوری:
علم، کوشش در جهت دانایی و فناوری تلاشی در جهت توانایی است. این هر دو اثر متقابل در هم داشته اند. دانش سبب شد که ابزارها و روش ها کامل تر شوند و ابزارها نیز دقت انسان را در اندازه گیری ها و رسیدن به نتایج علمی بیشتر کرده است.
اکنون بسیاری از موضوع ها و مباحث فیزیک پیامدهای کاربردی داشته و عملاً در فناوری ها موثر بوده است. فناوری هی ارتباطات، فناوری های حمل ونقل (خشکی، دریایی، هوایی و فضایی)،فناوری های تولید (کشاورزی صنعتی)، فناوری های استخراج انواع معادن و فناوری های ساختمان و انواع ماشین ها و فناوری های آموزشی وابسته به دانش مکانیک، الکتریسیته، الکترومغناطیس، ترمودینامیک، فیزیک هسته ای، نورشناسی، فیزیک بهداشت، فیزیک پزشکی و... است.
در این مقاله فقط به نقش فیزیک در فناوری های بهداشت و درمان می پردازیم تا مشخص شود چه اندازه فیزیک در تشخیص و درمان بیماری ها و بهداشت محیط مؤثر است.
نقش فیزیک در تشخیص بیماری ها
پزشکان برای تشخیص بیماری ها از انواع وسایل ساده مانند دماسنج و فشارسنج، گوشی طبی (استتوسکوپ) تا دستگاه های بسیار پیچیده مانند میکروسکوپ الکترونی، لیزر و هولوگراف که همه براساس قانون هی فیزیک طراحی و ساخته شده استفاده می کنند. در این قسمت به ساختمان و طرز کار برخی از آنها می پردازیم.
رادیوگرافی و رادیوسکوپی
رادیوگرافی عکسبرداری از بدن با پرتوهای ایکس و رادیوسکوپی مشاهده مستقیم بدن با آن پرتوها است. در عکاسی معمولی از نوری که از چیزها بازتابش می شود و بر فیلم عکاسی اثر می کند استفاده می شوند در صورتی که در رادیوگرافی پرتوهایی را که از بدن می گذرند به کار می برند.
پرتوهی ایکس را نخستین بار در سال ۱۸۹۵ میلادی، "ویلهلم کنراد رنتیگن" استاد فیزیک دانشگاه ورتسبورگ آلمان کشف کرد. این کشف بسیار شگفت انگیز بود و خبر آن با سرعت در روزنامه های جهان منتشر شد. جالب است که رنتیگن بر روی پرتوهای کاتدی کار می کرد و به طور اتفاقی متوجه شد که وقتی این پرتوها، که همان الکترون های سریع هستند به مواد سخت و فلزات سنگین برخورد می کنند پرتوهی ناشناخته ای تولید می شود او این پرتوها را پرتو ایکس به معنی مجهول نامید.
پرتوهای ایکس قدرت نفوذ و عبور بسیار زیاد دارند. به آسانی از کاغذ، مقوا، چوب، گوشت و حتی فلزهی سبک مانند آلومینیوم می گذرند، لیکن فلزهای سنگین مانند سرب مانع عبور آنها می شود. اشعه ایکس از استخوان های بدن که از مواد سنگین تشکیل شده اند عبور نمی کنند در صورتی که از گوشت بدن به آسانی می گذرند. همین خاصیت سبب شده که آن را بری عکسبرداری از استخوان های بدن به کار برند و محل شکستگی استخوان ها را مشخص کنند. برای عکسبرداری از روده و معده هم از پرتوهی ایکس استفاده می شود لیکن برای این کار ابتدا به شخص مایعاتی مانند سولفات باریم می خورانند تا پوشش کدری اطراف روده و معده را بپوشاند و سپس رادیوگرافی صورت می دهند.
کشف پرتوهی ایکس که به وسیله رنتیگن عملی شد سرآغاز فعالیت هی دانشمندانی مانند تامسون، بور، رادرفورد، ماری کوری، پیرکوری، بارکلا و بسیاری دیگر شد به طوری که نه فقط چگونگی تولید، تابش و اثرهای پرتو ایکس و گاما و نور شناخته شد بلکه خود اشعه ایکس یکی از ابزارهی شناخت درون ماده شد و انسان را با جهان بی نهایت کوچک ها آشنا کرد و انرژی عظیم اتمی را در اختیار بشر قرار داد.
پرتوهای ایکس در پزشکی و بهداشت برای پیشگیری، تشخیص و درمان به کار می رود به طوری که در فناوری های مربوطه یکی از ابزارهای اساسی است.
سونوگرافی
سونوگرافی عکسبرداری با امواج فراصوت است. فراصوت امواج مکانیکی مانند صوت (۲) است که بسامد آن بیش از ۲۰ هزار هرتز است. این امواج را می توان با استفاده از نوسانگر پتروالکتریک یا نوسانگر مغناطیسی تولید کرد.
خاصیت پیزوالکتریک عبارت است از ایجاد اختلاف پتانسیل الکتریکی در دو طرف یک بلور هنگامی که آن بلور تحت فشار یا کشش قرار گیرد و نیز انبساط و انقباض آن بلور هنگامی که تحت تاثیر یک میدان الکتریکی واقع شود. بنابراین هرگاه از یک بلور کوارتز تیغه متوازی السطوحی عمود بر یکی از محورهی بلور تهیه کنیم و این تیغه را میان دو صفحه نازک فولادی قرار دهیم و آن دو صفحه را به اختلاف پتانسیل متناوبی وصل کنیم، تیغه کوارتز با همان بسامد جریان منبسط و منقبض می شود و به ارتعاش درمی آید و در نتیجه امواج فراصوت تولید می کند. پدیده پیزوالکتریک در سال ۱۸۸۰ به وسیله "پیرکوری" کشف شد و از آن علاوه بر تولید امواج فراصوتی، در میکروفن های کریستالی و فندک استفاده می شود.
امواج فراصوتی داری انرژی بسیار زیاد است و می تواند سبب بالا رفتن دمای بافت های بدن انسان، سوختگی و تخریب سلول ها شود. از این امواج در دریانوردی، صنعت و پزشکی استفاده می شود.
در پزشکی بری تشخیص، درمان و تحقیقات این امواج را به کار می برند. دستگاهی که برای عکسبرداری به کار می رود اکوسکوپ (۳) یا سونوسکوپ (۴) است. اساس کار عکسبرداری با امواج فراصوت بازتابش امواج است در این عمل دستگاه گیرنده و فرستنده موجود است و از بسامدهی میان یک میلیون تا پانزده میلیون هرتز استفاده می کنند. دستگاه مولد ضربه های موجی در زمان های بسیار کوتاه یک تا پنج میلیونیم ثانیه را در حدود ۲۰۰ ضربه در ثانیه می فرستد و این ضربه ها در بدن نفوذ می کند و چنانچه به محیطی برخورد کند که غلظت آن با محیط قبلی متفاوت باشد پدیده بازتابش روی می دهد و با توجه به غلظت نسبی دو محیط مقداری از انرژی ضربه هی فراصوت بازتابش می شود. دستگاه گیرنده این امواج را دریافت می کند و به کمک دستگاه الکترونی و یک اسیلوسکوپ آن را به نقطه یا نقاط نورانی به تصویر تبدیل می کند. عکسبرداری با فراصوت را بری تشخیص بیماری های قلب، چشم، اعصاب، پستان، کبد و لگن انجام می دهند.
وسایل الکتروپزشکی
بخشی از وسایل تشخیص بیماری ها، دستگاه هایی هستند که براساس قانون های مربوط به الکتریسیته و الکترونیک ساخته و به کار گرفته می شوند. نمونه ای از این دستگاه ها عبارتند از الکتروکاردیوگراف، الکتروبیوگراف و الکترو آسفالوگراف. این دستگاه ها می توانند با رسم نمودارهایی وضع سلامت یا بیماری را بری پزشک مشخص کنند. ممکن است این دستگاه ها مجهز به نوسان نگار باشند و در نتیجه نمودارها مستقیماً بر روی یک صفحه تلویزیون مشاهده شود. نمونه این دستگاه ها کاردیوسکوپ است که معمولاً در اتاق بیمار قرار می گیرد و بر آن منحنی ضربان قلب بیمار مشاهده می شود. در الکتروکاردیوگراف به جای آنکه منحنی ها مستقیماً دیده شود آن منحنی ها (نمودارها) بر روی نواری از کاغذ ثبت و ضبط می شود و پزشک از روی آنها می تواند وضعیت قلب و نوع بیماری را تشخیص دهد.
الکتروآنسفالوگرافی دستگاهی است که با آن بیماری هایی چون صرع، تومورهای مغزی، ضربه، اعتیاد به دارو و الکل تشخیص داده می شود و کار این دستگاه با استفاده از فعالیت های الکتریکی که در سطح بدن ظاهر می شود، صورت می گیرد. اندازه گیری ها نشان می دهد که در قشر مغز تغییرات پتانسیل الکتریکی منظمی انجام می شود. «این پتانسیل های الکتریکی به استثنای حالت بیهوشی عمیق یا قطع جریان خون به مغز همیشه وجود دارند. هنگامی که قشر مغز خراب شود، این نقش تغییر می کند. با قرار دادن الکترودهای پهن یا الکترودهای سوزنی شکل بر روی پوست سر می توان امواج را از پوست سر به سمت دستگاه ثبات هدایت کرد ... این امواج نتیجه پتانسیل های کار نورون های عصبی قشر مغزند که در سطح مغز ظاهر می شوند ... خاصیت مهم این امواج بسامد آنها است. گستره معمولی این بسامد از یک تا ۶۰ هرتز تغییر می کند ... این امواج برحسب بسامد، ولتاژ، محل های تلاقی، شکل امواج و نقش هایی که دارند، ارزیابی می شوند.»
اسکن (تهیه طرح های سه بعدی از بدن)
در سال های ۷۰ ۱۹۶۰ برای تشخیص بیماری ها چهار روش جدید ابداع شد:
الف) گرمانگاری: نخستین روش گرمانگاری بود که در سال ۱۹۶۲ عرضه شد. می دانیم که هر جسمی که دمایش بالاتر از صفر مطلق (۲۷۳ درجه سلسیوس) باشد از خود امواجی تابش می کند که به نام امواج گرمایی معروف است. از این خاصیت یعنی انتشار امواج گرمایی از بدن انسان استفاده شده و اختلاف دمای قسمتی از بدن را به صورت تصویری رنگی تهیه می کنند. این روش بری تحقیق و بررسی رگ های خونی سطحی بدن مفید است و با آن می توان از وجود تومورها نیز باخبر شد.
ب) توموگرافی: پرتوهی ایکس می توانند از بافت هی نرم بگذرند، لیکن میزان جذب یا عبور آنها به غلظت بافت بستگی دارد. چنانچه پرتو ایکس در مسیر خود از غده ای بگذرد، میزان جذب آن نسبت به وضعیتی که غده وجود نداشته باشد، تفاوت می کند. به کمک کامپیوتر می توانند تصویری را که از بدن گرفته اند، پردازش کنند و اطلاعات دقیق مربوط به ساختمان بدن و وجود غده را مشخص نمایند. عملی که با کمک پرتو ایکس و کامپیوتر برای تعیین غده ها صورت می گیرد را توموگرافی می نامند.
پ) هولوگرافی (تمام نگاری): دنیس گابور فیزیکدان نوع جدیدی از عکاسی را در سال ۱۹۴۷ ابداع کرد که بعداً در موارد گوناگون از جمله در پزشکی از آن استفاده شد. هولوگرافی براساس خواص امواج متکی است و تصویری که از ریزشیء گرفته می شود، سه بعدی است. در این طریقه تصویری که از هر عضو بدن گرفته می شود، کاملاً همه قسمت های اطراف آن عضو دیده می شود. بری تهیه عکس سه بعدی معمولاً از پرتوهای لیزر استفاده می شود.
ت) دستگاه تشدید مغناطیسی NMR :اساس این دستگاه بر این خاصیت است که هسته اتم های خاصی در صورت قرار گرفتن در میدان مغناطیسی امواجی از خود تابش می کنند که قابل ردیابی است. این پدیده در سال ۱۹۴۰ شناخته شد و کاربرد آن در پزشکی بری نخستین بار در سوئد توسط «اریش اودبلاد» (۵) و از دهه ۱۹۵۰ شروع شد.
در سال ۱۹۷۳ در انگلیس از طریق ردیابی تابش تراکم اتم هی هیدروژن در بافت هی مختلف بدن نخستین تصویر NMR تهیه شد. از سال ۱۹۷۷ به بعد تصویر از مغز نیز به این وسیله گرفته شد.
۱- هنرهای مفید: پس از گذشت بیش از سه قرن، بعید به نظر می رسد که دریابیم آن چهل تن عضو جامعه سلطنتی از کلمه «هنرهای مفید» چه منظوری داشتند که به تعبیر خود آنان می بایست از کاربرد معلومات علمی الهام می گرفت. البته با رجوع به مباحث اولیه آنان روشن می شود که آنها مکانیزه کردن روند صنایع را به طور اخص در سر داشتند که قبلاً شروع شده بود و پیش بینی می شد که تا آغاز انقلاب صنعتی در یک قرن بعد به طور کامل شکوفا شود. نتیجتاً «هنرهای مفید» را می توان با تکنولوژی آن روز معادل دانست. اختراعات و اکتشافات قرن بیستم صفحه ۱۴
۲- صوت، امواج مکانیکی با بسامد ۲۰ تا ۲۰ هزار هرتز است. امواج کمتر از ۲۰ هرتز را فروصوت و امواج بالاتر از ۲۰ هزار هرتز را فراصوت می نامند.
۳- Echoscope
۴- Sonoscope
۵- Erich Odeblad
نقل از سایت بنیاد علمی نظریه CPH
http://elm-sarvari.blogfa.com
فيزيك ذرات زير اتمي
مترجمان: احمد خواجه نصير طوسي
سهيل خواجه نصير طوسي
فیزیک ذرات
اکنون بیش از یک قرن است که فیزیکدانان مشغول شکستن اتمها و دسته بندی ذرات زیراتمی تولید شده اند. نخستین آزمایشهایی از این دست را که به کشف الکترون با بار منفی منجر شد، جی.جی.تامسون در سال 1897 انجام داد. کشف هسته ي اتم به وسیله ي رادرفورد و مطالعه ي عناصر پرتوزا به وسیله ي رادرفورد، پی یر و ماری کوری، مایتنر، فرمی و دیگران موجب نفوذ بیشتر در اسرار قلمرو ذرات زیراتمی شد. انبوهی از ذرات پرانرژی زیراتمی که از فضای خارج می آیند و پرتوهای کیهانی نام گرفته اند در اتاقکهای ابر و آشکارسازهای دیگر مشاهده شده اند. اکنون آزمایشگران آموخته اند که چگونه باریکه های پرانرژی از ذرات زیراتمی را در ماشینهای شتاب دهنده ي عظیم، پدید آورند. باریکه های تولید شده به سوی باریکه های دیگر پرتاب می شوند و ذراتی که به این طریق تولید شده اند در آشکارسازهای بسیار پیچیده مشاهده می شوند. ذراتی که در این آزمایشها تولید شدند به قدری متنوع بودند که ابتدا نظریه پردازان نمی دانستند با آنها چه کنند.پل دیراک (1) یکی از نظریه های بزرگ ریاضی فیزیک را تدوین کرد. این نظریه از نظر اهمیت، در ردیف نظریه ي الکترومغناطیس ماکسول قرار دارد. نظریه ي دیراک به تشریح الکترونهایی می پردازد که سرعت آنها به قدری زیاد است که باید محدودیتهای نظریه ي نسبیت خاص اینشتین را در مورد آنها اعمال کرد. این نظریه نشان می دهد که الکترونها نوعی حرکت چرخشی دارند و مانند آهنرباهای بسیار ریز رفتار می کنند که قطبهای شمال و جنوب مغناطیسی دارند. دیراک همچنین از نظریه ي خود یک نتیجه ي کاملاً غیرمنتظره به دست آورد و آن این بود که الکترون، همتایی با بار مثبت دارد. این ذره پس از آنکه به وسیله ي کارل اندرسون (2) در اتاقک ابر مشاهده شد، پوزیترون (3) نام گرفت. الکترون و پوزیترون که از جنبه های دیگر نیز متفاوت اند، پادذره ي (4) یکدیگر نامیده می شوند. همه ي ذرات دیگر، از جمله نوترونها تا نوترینوها، پادذره ي متناظر خود را دارند.
دومین نظریه پرداز در زمینه ي ذرات ریچارد فاینمن (5) است. او به نسل دانشمندان کوانتومی پس از دیراک تعلق دارد. نظریه ي دیراک پاسخي به کشف تجربی ویلیس لم (6) و پولی کارپ کوش (7) بود، که نشان می داد نظریه ي دیراک، اندکی خطا دارد. روش فاینمن نیازمند محاسبات طولانی است ولی این سختی، دقت حیرت آوری به همراه دارد. برای آسان کردن محاسبات، فاینمن رهیافتی تصویری ابداع کرد. در آن هر مرحله ي محاسباتی به وسیله ي یک نمودار ابتکاری نشان داده می شود.
سومین نظریه پرداز ذرات، مورای گل- مان (8) است که نظریه های او نه تنها هسته ي اتم را می کاود بلکه ذرات درون هسته و همه ي خرده های هسته ای را که در نتیجه ي خرد شدن هسته ها در شتاب دهنده ها پدید می آیند، در برمی گیرد. گل- مان واحدهای غایی ماده را ذراتی همیشه محصور و دارای بار کسری تعیین کرد و آنها را «کوارک» (9) نامید. بار یونها ( مثل پروتونها و نوترونها) از سه کوارک و مزونها ( مثل پیون) از دو کوارک تشکیل می شوند. فیزیکدانان ذرات با نامگذاری شیطنت آمیز به کوارکها شش «طعم» و سه «رنگ» نسبت می دهند، رنگ کوارک مانند بار الکتریکی، یک میدان تولید می کند. کوانتوم این میدان «گلوئون» (10) نام دارد و شبیه فوتون در میدان الکترومغناطیسی حامل نیروی قوی است که کوارکها را در کنار یکدیگر محصور نگه می دارد.
اما سخنی درباره ي اصطلاح «ذره». ذره در کاربرد امروزی به ذرات زیر اتمی ماده و نیز به ذرات (یا کوانتومهای) موجود در میدان گفته می شود. مثالهایی از ذرات زیراتمی ماده الکترونها، پروتونها و نوترونها هستند و مثالی از ذره ي میدان، فوتون میدان الکترومغناطیسی است. الکترونها، فوتونها، کوارکها، نوترینوها و گلوئونها همگی ذرات بنیادی هستند و از ذرات ریزتر تشکیل نشده اند. نوترونها و پروتونها ذرات بنیادی نیستند زیرا از ذرات بنیادی کوارک و گلوئون ساخته شده اند.
پي‌نوشت‌ها:
1.Paul Dirac.
2. Carl Anderson.
3. Positron.
4. Antiparticles.
5. Richard Feynman.
6. Willis Lamb.
7. Polykarp Kusch.
8. Murray Gell-Mann.
9. Quark.
10. Gluon.
كروپر، ويليام هـ، (1389)، فيزيكدانان بزرگ از گاليله تا هاوكينگ، احمد خواجه نصير طوسي ـ سهيل خواجه نصير طوسي، تهران، مؤسسه ي فرهنگي فاطمي، چاپ اول 1389.
بزرگترین شتاب دهنده دنیا باز هم خبرساز شده است زیرا گفته می شود ذره ای کاملا متفاوت در آن کشف شده است.
به گزارش خبرگزاری مهر، به تازگی فیزیکدانهایی که در شتاب دهنده بزرگ سرن اروپا مشغول به کار هستند متوجه چیزی شده اند که به ادعای آنها ردی از یک ذره بنیادین جدید و ناشناخته است.
تصور می شود که این ذره نسخه سنگین تری از ذره معروف بوزون هیگز باشد، ذره ای که دانشمندان امیدوارند با بررسی دقیق آن پی به ناشناخته های مربوط به ماده تاریک ببرند.
آنچه که به عنوان ذره احتمالا تازه کشف شده شناخته می شود نتیجه دو سری آزمایشات مجزا اما تکمیل کننده یکدیگر هستند که تحت عنوان CMS و ATLAS شناخته می شوند.
به عقیده این فیزیکدانها، هنوز نمی توان این یافته را یک کشف علمی به شمار آورد اما وقتی به این نکته توجه می کنیم که در هر دوی این آزمایشات رد واحدی از یک ذره ناشناخته مشاهده می شود، امیدها برای کشف یک ذره جدید افزایش می یابد.
نزدیک به ۹ هزار فیزیکدان، متخصص و مهندس از سراسر جهان در شتاب دهنده سرن اروپا با زیر نظر گرفتن رفتار ذرات و آثار این برخورد‌ها به مطالعه چگونگی بوجود آمدن جهان و حتی دلیل بوجود آمدن آن می پردازند. هر لحظه از این آزمایش به دانشمندان در درک جهان کمک میکند.
دانشمندان برای درک بهتر این اسرار از نظریه ای به نام مدل استاندارد استفاده می کنند. این نظریه ترکیبی از نظریه نسبیت انیشتین و تئوری کوانتوم است. این نظریه با سه مورد از چهار نیروی اساسی جهان یعنی نیروی قوی هسته، نیروی ضعیف هسته و نیروی الکترومغناطیس سر و کار دارد و با نیروی چهارم که نیروی جاذبه محسوب می شود سر و کاری ندارد.
مگلو را دنیا نپسندید، چرا به ایران رسید؟
از یک قرن پیش رشد جمعیت و خروج مباحث اقتصادی از قالب بومی و در نتیجه آن، نیاز بیش از پیش به جابه‌جایی مردم از شهری به شهر دیگر، فعالان بخش حمل و نقل را بر آن داشت تا سیستم ترابری را در بخش‌های مختلف ازجمله حمل و نقل ریلی تقویت کند. با این حال به نظر می‌رسید سرعت، عنصر گمشده جا به جایی‌ها باشد؛ یک ناجی برای حفظ زمان و البته برای رفع کمبودهای حمل و نقل ایمن. این احساس نیاز در بشر باعث شد تمایل به سوی قطارهای پرسرعت میل پیدا کند و باعث شود قطارهای سریع‌السیر نامی جدید در بخش حمل و نقل ریلی شود. از حدود ۷۰ سال پیش در غرب با ورود قطارهای تندرویی که با بدنه آیرودینامیک از دیگر قطار‌ها جدا شده بودند مسافران سرعت میانگین ۱۳۰ کیلومتر در ساعت را در حمل و نقل ریلی تجربه کردند تا به مرور این قطار‌ها سرعت‌های بیشتری را کسب کنند و سطح انتظار را بالاتر برده و نام سریع‌السیر را به قطارهایی اطلاق کنند که بیش از سرعت‌های موجود سرعت سیر داشته باشند.
● تجربه قطارهای سریع‌السیر
در ژاپن، قطارهای توکابروشینکانسن در حدود نیم قرن پیش به بهره‌برداری رسیدند. سری اول این قطار‌ها توانست با موفقیت مسافران را در مسیر توکیو ناگویا کیوتو اوزاکا با سرعت ۲۰۰ کیلومتر در ساعت جابه‌جا کند. از دیدگاه فنی، سرعت بیشتر قطارهای تندرو و مدرن امروزی از ۳۵۰ کیلومتر در ساعت تجاوز نمی‌کند. براساس تعریف‌های موجود، امروزه در اروپا خطوط با سرعت بیش از ۲۰۰ کیلومتر در ساعت و در آمریکا به سرعت بیش از ۱۴۵ کیلومتر در ساعت، قطار تندرو می‌گویند. مهمترین الزامات خطوط تندرو، شعاع قوس‌های بزرگ و مهاربندی فوق‌العاده ریل‌ها برای جلوگیری از لرزش و خروج از ریل است.
هیچ گونه تقاطع هم‌سطح در مسیر خط وجود ندارد و برای عبور خطوط یا جاده‌های عمود بر خط، از پل استفاده میشود. در حال حاضر خطوط پرسرعت ریلی در تعدادی از کشورهای دنیا مانند ژاپن، ایتالیا، آلمان، اسپانیا، بلژیک، انگلستان، کره جنوبی، فرانسه و چین به چشم می‌خورد و ۴ سال پیش بود که اولین قطار پرسرعت مگلو روی خط بازرگانی شانگهای چین به طول ۳۰ کیلومتر به حرکت در آمد تا فرودگاه شانگهای را به مرکز این شهر متصل کند.
● آلمان، صادرکننده بی‌رغبت
اولین قطار مگلوی دنیا که قطاری ساخته شده توسط یک شرکت آلمانی بود در حالی به چینی‌ها تحویل شد که خود آلمانی‌ها به عنوان خالق قطارهای مگلو، اشتیاق چندانی به استفاده از آن نشان نمی‌دهند و بیشتر به صدور این فناوری علاقه‌مندند.
در همین ارتباط جالب است بدانید از حدود ۳۸ طرح قطار پرسرعت موجود در جهان (با مسافت طولانی) و حتی طرحهای در حال ساخت و برنامه‌ریزی شده برای ۲۰ سال آینده هیچ کدام از آنها از فناوری مگلو استفاده نخواهند کرد.
پیش از شروع سال ۲۰۰۷ میلادی آلمان اعلام کرد، سرویس مگلو را میان فرودگاه مونیخ و ایستگاه قطار این شهر احداث خواهد کرد؛ اما پس از برگزاری جلسات متعدد کارشناسی و بحث و بررسی در برلین، وزیر حمل و نقل آلمان اعلام کرد پروژه قطار مگلو مونیخ منتفی خواهد شد، چراکه مباحث مطرح شده در این کشور ساخت این مسیر ریلی را غیراقتصادی و مردود اعلام کرد و منجر به رد کلی این طرح شد.
● عدم شفافیت ارقام اعلامی برای ساخت مگلو
ولفگانگ تیفنسی، وزیر حمل و نقل آلمان در بیان علت این تصمیم به مسائل مالی و هزینه‌های هنگفت احداث خطوط مربوط به قطار مگلو اشاره کرد و گفت: فناوری مگلو مشترکات بسیار کمی با ترابری ریلی سنتی دارد و با خطوط ریلی معمولی سازگاری و تطابق ندارد و با توجه به این که فاینانس طرح براساس مطالعات امکان‌پذیری در ابتدای ارائه طرح، متفاوت شده است این طرح توجیه‌پذیری لازم را برای اجرا ندارد.
وی در گفتگو با مجله اشپیگل، طرح مگلو مونیخ را فوق‌العاده گران و غیرضروری توصیف کرد و توضیح داد: هزینه ساخت خط مگلو در سال ۲۰۰۲ معادل ۸۵/۱ میلیارد یورو اعلام شده بود، ولی در زمان نزدیک به اجرا، شرکت‌های مشغول در این طرح، رقم هزینه ساخت را چیزی حدود ۲ برابر و ۳ میلیارد یورو اعلام کرده‌اند.
● سرعت ۴۳۰ کیلومتر؛ سرابی غیرواقعی
در بخش دیگر این بررسی میتوان به نکته مغفول دیگری اشاره کرد که هیچ گاه درخصوص آن نظر کارشناسانه‌ای نشده است. در طرحهای مگلو که ادعای سرعت بالا در آن مطرح است و عده محدودی از شرکت‌ها، شرط بقایشان وابسته به اجرای این طرح‌هاست، پاسخ درستی نداده‌اند که چگونه تاکنون به سرعت‌های ادعا شده نرسیده‌اند و چرا هیچ گاه از موانع موجود در رسیدن به سرعت بالا در این طرح برای کشورهایی که به ساخت مگلو ترغیبشان میکنند، نمی‌گویند و تنها با نشان دادن دورنمایی خوش‌رنگ و لعاب سعی به آزمایش آن با هزینه دیگر کشورها دارند و خودشان آن را نمی‌آزمایند.
در این ارتباط باید گفت که امروزه تنها خط عملیاتی مگلو جهان در شانگهای چین موجود است و این طرح که مانند دیگر طرحهای مگلو با بحث‌های زیادی مواجه شد، سرانجام در سال ۲۰۰۵ میلادی راه‌اندازی شده است. این خط ریلی به این امید که با متوسط سرعت ۴۳۰ کیلومتر در ساعت، مسافران پرشماری را جابه‌جا کند ساخته شده است، ولی اکنون مسافت ۳۰ کیلومتری این خط در مدت حدود ۸ دقیقه توسط قطار مگلو پیموده میشود و این حساب سرانگشتی به آن معناست که متوسط سرعت بهره‌برداری عملی از قطار مگلوی شانگهای ۲۶۰ کیلومتر در ساعت است و تنها حدود ۴۰ ثانیه از ۸ دقیقه مسافت را با سرعت ۴۰۰ کیلومتری طی میکند.
● میدان قوی مغناطیسی و هزینه‌های ۲ برابری اجرا
در بررسی این مشکل ساختاری که هیچ گاه درخصوص آن بحث نشده است و افکار عمومی در مورد آن تنویر نمیشود، ذکر این نکته ضروری است که قطار مگلو در سرعت‌های بالا سر و صدای گوشخراشی تولید میکند و از طرف دیگر، تشعشع ناشی از میدان قوی مغناطیسی اطراف مسیر قطار باعث شده تا مسوولان خط مگلوی شانگهای ناچار به خرید و تملک اراضی اطراف خط شوند تا به یک ناحیه خالی از سکنه میان مسیر قطار و نواحی مسکونی دست پیدا کنند که همین مساله ازجمله دلایل هزینه سنگین این طرح است.
بعلاوه با ایجاد این شرایط، دسترسی اهالی نزدیک به این خط ریلی سخت‌تر شده و همین موضوع، تبدیل به مقوله هزینه‌ساز دیگری شده است که فارغ از ایجاد مشکل برای عموم مردم این شبهه را پدید آورده که چرا باید سلامت افراد نزدیک به این میدان مغناطیسی در خطر باشد.
آمار‌ها در مورد هزینه‌های ساخت قطار مگلوی شانگهای نیز مانند طرح مگلو مونیخ نشان می‌دهد هیچ‌گاه وعده‌های ابتدایی عملی نشده و هزینه اجرا حدود ۲ برابر تخمین اولیه است.
● کفه معایب، سنگین تر از محاسن
به‌طور کلی فناوری مگلو نیز مانند تمامی فناوری‌هایی که برای بشر فراهم آمده است، علاوه بر مزایا، دارای معایب متعددی است. شاید تنها ویژگی بارز مگلو در مقایسه با سیستمهای قبلی حمل و نقل ریلی، سرعت آن باشد که همین ویژگی مهم عامل بروز یکی از معایب اصلی استفاده از آن یعنی تولید آلودگی صوتی به میزان ۱۰۰ دسی‌بل است که این حجم صوت برای گوش انسان بسیار ناهنجار و آزاردهنده است. علاوه بر این، عدم تطابق سیستم خطوط مگلو با خطوط ریلی موجود و مرسوم، باعث هزینه‌ساز بودن طرحهای مگلو تا حد بسیار زیاد برای ساخت خطوط مخصوص آن میشود.
● چین، قربانی اول معرفی مگلوی آلمان
همچنین برای کاهش آلودگی صوتی ناشی از سرو صدای زیاد قطار، سرعت طرح از ۴۳۰ کیلومتر در ساعت به حدود ۲۶۰ کیلومتر در ساعت کاهش و هزینه ساخت به حدود ۵ میلیون دلار در هر کیلومتر افزایش یافت تا کنسرسیوم ۲ غول صنعتی آلمان یعنی زیمنس و تیسن گروپ، به گونه‌ای از قبل چینی‌ها، هزینه‌های سرسام آور ابداع و معرفی مگلو را جبران کرده باشند، چرا که تاکنون هیچ طرح قطار مگلو با طول بیش از ۴۰ کیلومتر به طور تجاری به بهره‌برداری نرسیده است و حتی در هند که آلمان در حال انجام مطالعات اولیه امکان سنجی برای احداث ۶ خط مگلو در آنجاست، هیچ یک از خطوط طولانی نیست و مسافت خطوط از ۱۸ تا ۳۰ کیلومتر عنوان شده است.
● موانع زیست‌محیطی مگلو در آمریکا و انگلستان
وضعیت این نوع جدید قطار در دیگر کشورهای پیشرفته جهان همچون آمریکا و انگلستان نیز از وضعیت مطلوبی برخوردار نیست. طرح مگلو برای مسیر واشنگتن بالتیمور چند سالی است که در حالت تعلیق به سر می‌برد و بنابر دلایل زیست‌محیطی و برآورد هزینه بسیار سنگین در مرحله مطالعات اولیه امکان سنجی باقی‌مانده است. در نیوکاسل انگلیس هم دولت این کشور برای صدور حکم احداث راه‌آهن تندروی مگلو به دلیل اختلاف نظر کارشناسان و مسوولان شهری، در برزخ به سر می‌برد و در واقع علی رغم قدمت ۳۰ ساله مطرح شدن مگلو، این قطار هنوز در اذهان جهانی تثبیت شده نیست، حتی ژاپن که هدف خود را برای به کار انداختن اولین خط مگلو در سرویس ریلی خود اعلام کرده است، نتوانسته زمانی زودتر از سال ۲۰۲۵ را برای بهره برداری از آن متصور باشد.
انگلیس که زمانی اولین خطوط ریلی مگلوی عملیاتی تجاری جهان را داشته است، هم اکنون برنامه‌ای برای عرضه سرویس‌های مشابه ندارد. اولین خط مگلوی انگلیسی طی سالهای ۱۹۸۴ تا ۱۹۹۵ در فرودگاه بین‌المللی بیرمنگام به فاصله ۶۰۰ متر از ترمینال اصلی تا نزدیک ترین ایستگاه راه‌آهن راه‌اندازی شد، اما پس از گذشت ۱۱ سال، بروز مشکلاتی منجر به سلب اطمینان از این خط شده و در نهایت سیستمهای معمول جایگزین مگلو شد.
● دفاع از مگلوی آمریکا و شبهه‌ای بزرگ
تادهارتلی، کارشناس ارشد حمل و نقل ریلی از دانشگاه ماساچوست در مقاله‌ای به نقد قطارهای مگلو و مطرح شدن بحث احداث گسترده آن در آمریکا می‌پردازد. به گفته هارتلی سال‌هاست قطارهای تندرو در ژاپن و آلمان و حتی در چین و کره جنوبی بهره‌برداری شده است و فرانسه و آمریکا نیز دارای سیستم قطارهای پر سرعت هستند.
قطارهایTGV در فرانسه با سرعت ۳۵۷ مایل در ساعت رکورد دار سرعت در قطارهای ریلی هستند که در استفاده تجاری این سرعت به۲۰۰ مایل در ساعت کاهش می‌یابد، اما پر سرعت ترین قطارAmtrak آمریکا، قادر به حرکت با سرعت ۱۵۰ مایل در ساعت است و قطارهای مگلو به عنوان جایگزین سیستم ریلی آمریکا مطرح شده‌اند، اما با توجه به بحران سوخت در آینده که گریبانگیر بسیاری از کشورهای دنیا خواهد شد، قطارهای مگلو میتواند در آینده تا حدودی مشکلات حمل و نقل آمریکا را رفع سازد و به نوعی با اتکا به سرعت بالای خود جایگزین حمل و نقل هوایی باشد، اما این مساله مستلزم تجهیز تمامی خطوط ریلی آمریکا به سیستم مورد استفاده در قطارهای تندروی مگلوست که هزینه ناشی از آن بیش از حد تصور سنگین و غیرممکن است. زیرا قطار مگلو دارای سیستمی منحصر به فرد است و با سیستم ریلی مخصوص به خود هیچ‌گونه تناسبی با سیستمهای فعلی ندارد.
امکانات موجود ریلی برای بهره برداری از مگلو ناکارآمد است، پس تمامی خطوط ریلی سراسر ایالات متحده باید عوض شود و با هزینه‌ای معادل ۴۰ میلیون دلار باید هر مایل از خطوط ریلی آمریکا، آماده بهره‌برداری از قطار مگلو شود. حال با این تصور اگر بحران‌های اقتصادی جهان و شرایط روز آمریکا را نیز در نظر داشته باشیم، بررسی این گمانه‌زنی‌ها برای بهره‌مندی از مگلو به طور گسترده تا حد نازلی پایین خواهد آمد.
● مگلو چرا در ایران مطرح شد؟
حال پس از این بررسی که با استناد به سایت مرجع مگلو و برخی منابع معتبر خبری و روز دنیا تهیه شده است این پرسش مطرح میشود با وجود چنین شرایطی که حتی کشورهای مطرح دنیا در به کارگیری فناوری‌های روز ید طولایی دارند از فناوری فانتزی مگلو گریزانند، چرا باید این طرح در ایران مطرح شود و در گامی غیرمنطقی بحث اجرای آن در سطحی وسیع و بی‌سابقه در دنیا مطرح و مطالعه شود؟ به واقع اجرای طرح ۹۰۰ کیلومتری مگلوی تهران مشهد برای آلمانی‌ها مفید است یا برای ایرانی‌ها؟ چرا در کشوری که اجرای طرح برقی کردن خطوط و استفاده از قطار برقی هنوز شبهات بسیاری را در خود دارد این سنگ بزرگ به نشانه نزدن برداشته میشود؟ آیا در ایران تمام استان‌ها به خط ریلی عادی متصل شده‌اند که ما سودای خط ریلی مغناطیسی را در سر داریم؟ آیا استدلال‌های فراوان موجود برای رد قطار مگلو را نمی‌بینیم یا عده‌ای می‌خواهند نبینیم و طرحی استارت بخورد که تنها منابع ملی را سال‌ها به خود اختصاص دهد و چاه عمیقی شود برای خرج اعتبارات ملی کشور.
به هوش باشیم که دنیا راه در حال طی ما را رفته و با نتایج مستدل و علمی خود می‌گوید که پافشاری بر طرح مگلو تنها یک منفعت‌طلبی از سوی کشورهای عرضه‌کننده این فناوری است، زیرا خود این کشورها حاضر به بهره‌گیری از این فناوری در کشور خود نیستند.
● و دست آخر یک پرسش
چرا برای ساخت چنین طرحی یک مقیاس کوچک و کم هزینه‌تر برای اجرای خط ریلی مگلو در نظر گرفته نشد و بخشی از بیابانهای وسیع ایران برای تست این فناوری مورد استفاده واقع نشد و طرح قطار مغناطیسی به صورت غیرمنطقی از همان ابتدا برای مسیری ۹۰۰ کیلومتری در نظر گرفته شد و چرا مگلو را دنیا نپسندید، اما به ایران رسید؟
CPU چیست و چگونه کار میکند؟
CPU (واحد پردازش مرکزی) در یک کلام مغز کامپیوتر است! قطعه‌ای کوچک با وظیفه‌ای بزرگ؛ پردازش هر دستوری که به آن ارسال میشود. در این مقاله با ما باشید تا به صورت خلاصه با CPU و نحوه کار آن آشنا شوید.
کلمه CPU به معنای چیست؟
کلمه CPU مخفف عبارت Central Processing Unit به معنای "واحد پردازش مرکزی" است. همچنین این قطعه با نام‌های زیر نیز شناخته میشود:
- Computer Processor (پردازنده کامپیوتر)
- Central Processor (پردازنده مرکزی)
- Brain of Computer (مغز کامپیوتر)
- Processor (پردازنده)
- Micro Processor (ریز پردازنده)
کلمه‌ای که معمولا به‌جای CPU مورد استفاده قرار میگیرد Processor است. دلیل آنکه از CPU به عنوان مغز کامپیوتر یاد میشود، این است که CPU مهمترین وظیفه یک کامپیوتر را به عهده دارد یعنی پردازش!
CPU چیست؟
هر سیستم اطلاعاتی برای پردازش دستورات (عملکردهای منطقی، ریاضی و ...) نیاز به یک پردازنده (Processor) دارد. این وظیفه در کامپیوترها بر عهده CPU است.
CPU تقریبا تمامی دستورات داده شده بوسیله نرم‌افزارها و سخت‌افزارها را با استفاده از عملکردهای منطقی، محاسبات ریاضی و مقایسات پردازش میکند.
CPU با استفاده از یک واحد ALU که مخفف Arithmetic & Logic Unit و به معنای "واحد محاسبه و منطق" است، تمامی دستورات ورودی را محاسبه، مقایسه یا بر طبق عملکردهای منطقی تصمیم گیری کرده و سپس در صورت نیاز، خروجی را تحویل می‌دهد. این فرایند بر روی ثبات‌های پردازنده به عنوان میزکار سی پی یو انجام میشود. منظور از عملکردهای ریاضی، همان چند عمل ساده مثل ضرب، تقسیم، جمع و تفریق است.
برای درک بهتر عملکرد CPU ، می‌توانید مغز انسان را به یاد آورید. ممکن است انسان بتواند بدون برخی از اعضای دیگر (در کامپیوتر مانند حافظه‌های جانبی و...)، به حیات خود ادامه دهد اما بدون مغز، امکان زندگی صفر است. در واقع شما نمی‌توانید هیچ تصمیمی بگیرید، اطلاعات را پردازش کنید، تصاویر را درک کنید، به سایر اعضا دستور بدهید و ... . مغز یک پردازنده قوی همانند CPU است.
مغز، یک پردازنده قوی!
در سیستمهای بزرگ مانند سرورها ممکن است چندین CPU استفاده شود اما در سیستم های شخصی (PC مخفف Personal Computer ) معمولاً فقط یک فضا (Slot) برای CPU بر روی برد اصلی (Motherboard یا Mainboard) وجود دارد.
هر Motherboard معمولاً فقط یک Slot برای اتصال به CPU دارد که محدوده خاصی از انواع CPU ها را پشتیبانی میکند. یکی از مهمترین نکاتی که در هنگام خرید Motherboard یا CPU ویا تعوض و آپگرید (Upgrade) پردازنده باید مورد توجه قرار گیرد، نوع پردازنده پشتیبانی شده توسط Motherboard است. ممکن است پردازنده‌ای که قصد خرید را دارید، توسط مادربرد شما پشتیبانی نشود.
پین‌های یک پردازنده
شاخص‌های یک پردازنده
پردازنده‌ها معمولاً دارای ۳ شاخص مهم هستند که بر روی قیمت آنها نیز تاثیر بسیاری می‌گذارند. این سه شاخص عبارت اند از:
سرعت پردازنده
یکی از مهمترین عوامل در انتخاب و خرید یک پردازنده سرعت کلاک (Clock Speed) آن است که برای همه هسته‌های آن معمولاً عددی ثابت است. سرعت پردازنده نشانگر تعداد عملی است که یک هسته میتواند در هر ثانیه انجام دهد و واحد آن هرتز (Hertz) است که معمولاً به صورت مگاهرتز (MHz - میلیون هرتز) یا گیگاهرتز (GHz - میلیارد هرتز) بیان میشود.
برای مثال پردازنده‌ای که سرعت آن ۲.۵ گیگاهرتز است، میتواند در هر ثانیه ۲ میلیارد و نیم (۲۸۰۰۰۰۰۰۰۰) دستور را پردازش کند. درصورتی که پردازنده دارای هسته‌های بیشتر باشد، هر هسته میتواند بصورت مجزا ۲۸۰۰۰۰۰۰۰۰ دستور را پردازش کند. البته منظور دستورات ساده یک سیکلی هستند (مثلاً در طراحی RISC تقریباً همه دستورات یک سیکلی هستند) که در یک چرخه (Cycle) اجرا میشوند.
حافظه نهان
مورد دیگری که معمولاً از سرعت نیز بیشتر مورد توجه قرار میگیرد، حافظه نهان (Cache) پردازنده است. حافظه نهان میتواند دارای چند لایه باشد که با حرف L نشان داده میشود. معمولاً پردازنده‌ها تا ۳ لایه حافظه نهان دارند که لایه اول (L1) نسبت به دوم (L2) و دوم نیز نسبت به سوم (L3) دارای سرعت بیشتر و حافظه کمتری است. حافظه نهان معمولاً تا چند ده مگابایت میتواند فضا برای ذخیره کردن داشته باشد که هرچه این فضا بیشتر باشد، قیمت پردازنده نیز بالاتر خواهد رفت.
حافظه کش وظیفه حفظ داده را دارد و به دلیل اینکه سرعت آن بسیار بیشتر از حافظه اصلی (RAM) است، بنابراین تاخیر در اجرای دستورات را بسیار می‌کاهد. پردازنده برای بدست آوردن داده، ابتدا حافظه نهان خود را چک میکند و در صورتی که در آن حافظه، داده مورد نظر وجود نداشته باشد به سراخ حافظه اصلی میرود. به این صورت حافظه نهان بر روی سرعت پردازنده تاثیر زیادی دارد.
برای مثال پردازنده اینتل i7-2600 دارای دو ست ۴ * ۳۲ کیلوبایت برای حافظه نهان لایه اول (L1) که یکی وظیفه حفظ داده و دیگری وظیفه حفظ دستورات را دارد. این پردازنده دارای ۴ * ۲۵۶ کیلوبایت حافظه لایه دوم (L2) بوده و ۸ مگابایت حافظه لایه سوم (L3) دارد.
هسته‌های پردازشی
هسته‌های پردازنده، درواقع پردازنده‌های مستقلی هستند که هر یک به صورت جداگانه دستورات را پردازش میکند. امروزه پردازنده‌ها معمولاً دارای بیش از یک هسته هستند که به کاربران این امکان را فراهم میکنند که مجموعه دستورات یا برنامه‌های خود را با استفاده از پردازش موازی (Parallel Computing) سریع تر از قبل اجرا کنند. البته داشتن هسته‌های بیشتر به معنای افزایش کارایی کلی پردازنده نیست. چون بسیاری از برنامه‌ها هنوز از پردازش موازی استفاده نمیکنند. یعنی عملاً سایر هسته‌ها کار به مراتب کمتری نسبت به یک هسته انجام می‌دهند.
البته با تکنولوژی‌هایی مثل هایپرتریدینگ (Hyper Threading) یک هسته، خود به جندین ریسمان یا به زبان ساده، هسته مجازی تقسیم میشود. برای مثال پردازنده‌های i5 دو هسته‌ای اینتل، با استفاده از این تکنولوژی به چهار ریسمان یا هسته مجازی تقسیم میشوند.
CPU چگونه کار میکند؟
در پروسه پردازش دستورات در CPU چهار مرحله اصلی وجود دارد: ۱- فراخوانی ۲- رمزگشایی ۳- پردازش و اجرا ۴- بازنویسی. این چهار مرحله اصلی به ترتیب اجرا شده و فرآیند پردازش دستور به اتمام می‌رسد.
مرحله اول: فراخوانی
در مرحله اول، پردازنده دستوری که باید پردازش کند را از طرف حافظه مربوط به یک برنامه (از طریق RAM یا به صورت مستقیم) دریافت میکند. این برنامه ممکن است در حداقل شرایط یک دستور و در حداکثر شرایط بینهایت دستور را برای پردازش به CPU ارسال کند. به همین دلیل هر یک از این دستورها باید در محل‌های جداگانه آدرس دهی شوند. اما مشکل اینجاست که واحد پردازشی CPU نمی‌داند کدام دستورات را در کدام یک از آدرس ها باید به ترتیب اجرا کند. برای حل این مشکل یک واحد دیگر به نام PC که مخفف عبارت Program Counter به معنای "شمارنده برنامه" است، وجود دارد. این واحد مسئول حفظ ترتیب و وضعیت دستوراتی است که به پردازنده ارسال میشوند. به طور ساده، واحد پردازشی CPU هر یک از آدرس‌هایی که برای پردازش نیاز دارد را از طریق این واحد شمارنده بدست می‌آورد.
مرحله دوم: رمزگشایی
پس از دریافت دستورات، CPU باید بتواند این دستور را درک کند. واحد پردازنده CPU دستورات را در حالت کدهایی OP ( به معنای کدهای پردازشی یا Operation Codes) میتواند پردازش کند. کدهای پردازشی زبان قابل درک ماشین و سخت افزارها هستند.
نوشتن برنامه‌ها به زبان باینری بسیار سخت است به همین خاطر زبان‌های برنامه نویسی سطح بالایی وجود دارد که نوشتن برنامه را آسان‌تر میکند. زبان‌های برنامه نویسی مختلفی وجود دارد که سازندگان برنامه‌ها میتوانند از آنها استفاده کنند. به همین دلیل واحدی به نام Assembler (تبدیل کننده به اسمبلی) وجود دارد که ابتدا دستورات را به زبان سطح پایین اسمبلی (Assembly) تبدیل کرده سپس واحد دیگری این دستورات اسمبلی را به کدهای OP تبدیل میکند. حال این دستورات که به صورت کدهای OP در آمده اند، آماده پردازش در واحد پردازنده CPU هستند.
مرحله سوم: پردازش و اجرا
مرحله سوم و البته مهمترین مرحله، پردازش و اجرا است. در این مرحله واحد پردازنده CPU یک دستور باینری را از یک آدرس مخصوص در دست دارد. این واحد تمامی دستورات را به کمک واحد ALU (مخفف Arithmetic & Logic Unit و به معنای "واحد محاسبه و منطق")، پردازش میکند.
ممکن است درحین پردازش، نیاز به یک دستور دیگر باشد که در این صورت Program counter دستور مورد نیاز را در اختیار واحد پردازنده CPU قرار می‌دهد یا ممکن است واحد پردازش، دستورات را برای زمان دیگری در ثبات‌های (Registers) داخلی خود ذخیره کند.
مرحله چهارم: بازنویسی
معمولا هر دستور یک مقدار خروجی دارد که در این مرحله این مقدار خروجی در حافظه جانبی کامپیوتر (مانند هارد دیسک‌ها، دیسک‌های حالت جامد و...) ذخیره یا به سایر قطعات ارسال میشود. برای نمونه فرض کنید که یک دستور برای نشان دادن یک عبارت به CPU برای پردازش ارسال میشود. CPU پس از پردازش این دستور، همان عبارت را به عنوان خروجی بازمی‌گرداند یا به فرض، یک عمل ریاضی به عنوان مثال ۲ ضرب در ۲ به CPU برای پردازش ارسال میشود. حال CPU پس از پردازش عدد ۴ را به عنوان خروجی برمی‌گرداند.
در اغلب موارد، CPU این مقدار خروجی را که از مرحله اجرا و پردازش بدست آورده است را در ثبات‌های خود ذخیره میکند. با این کار، CPU میتواند از این خروجی‌ها به سرعت در دستورات دیگر استفاده کند. فرض کنید یک عملیات مقایسه به CPU برای پردازش ارسال میشود. در این گونه موارد، CPU از مقادیر خروجی قبلی که در ثبات‌های خود ذخیره کرده استفاده میکند تا نتیجه مقایسه را در یکی از ثبات‌های دیگر خود، یا به عنوان خروجی باز گرداند.
در این چهار مرحله اصلی، پردازنده فقط یک دستور که از Program Counter ارسال شده را پردازش میکند. پس از اتمام این چهار مرحله، درصورتی که دستور دیگری در صف پردازش وجود داشته باشد، توسط PC به سی پی یو داده میشود و مراحل از اول شروع میشوند تا زمانی که تمامی دستورات پردازش شوند.
پردازنده قدیمی اینتل Core 2
برخی از تولید کنندگان CPU
در لیست زیر نام برخی از معروفترین تولید کنندگان CPU قرار گرفته است:
حالا زمان آن رسیده که به نسل جدید پردازنده های Mobile و Desktop اینتل سلام کنیم. حتما شما هم با سری Core آشنا هستید. Core i5، Core i3 و Core i7 سه تفنگ دار این سری هستند. اما تحول مهمی در آن ها رخ داده و آن استفاده از معماری Sandy Bridge می باشد. این معماری سعی دارد با ترکیبب پردازشگر مرکزی با پردازنده گرافیکی، بازدهی بالاتری را ایجاد کند. در واقع دیگر نمی شود نام آن را CPU گذاشت، بلکه باید به آن لقب APU اتلاق شود. چون هم معماری CPU را دارد و هم خاصیت موازی کارت گرافیکی را!
شاید معماری Sandy Bridge تاکنون چندان جدی گرفته نشده بود. اما اکنون که به دل سه سری پر فروش اینتل، یعنی: i5, i7 و i3 راه پیدا کرده؛ توانسته است تا جلب توجه زیادی بنماید. در کل قرار است 29 پردازنده مختلف تحت این معماری عرضه شوند. که امکانات گرافیکی آن ها هم تفاوت خواهد داشت.( منظور همان GPU های تعبیه شده در دل این APU هاست) حالا می خواهیم به مهم ترین قابلیت های جدیدی که این سه سری از آن ها بهره مند خواهند شد، بپردازیم. پس با کلیک روی ادامه مطلب همراه ما باشید. ضمن این که خواندن مقاله محاسبات GPGPU به شدت توصیه میشود.
-تازه های این معماری:
از زمانی که اینتل نسل اول پردازنده های 32 نانومتری سری Core را رونمایی کرد، تنها یک سال می گذرد. اما واقعا چه چیزی است که این پلتفرم را متمایز می کند؟ چیز های کمی! برای افرادی که خبر های مربوط به Sandy Bridge را دنبال نکرده بودند، باید اینگونه بگوییم: نسل جدید هم از همان ریز معماری 32 نانومتری ای بهره می برند که پارسال هم معرفی شد علاوه بر این، پردازشگر مرکزی، کنترل کننده حافظه و پردازنده گرافیکی، هرسه روی یک چیپ قرار گرفته اند. اما معنی اش چیست؟ به طور خلاصه، یعنی می شود آن را مجموعه ای دانست که مهم ترین اجزای پردازشی را در کنار هم جمع کرده تا عملکرد یکدیگر را بهبود ببخشند. یکی از نکات قابل ذکر در این معماری، قابلیت کلاک دینامیک است.
بر این اساس این APU ها در مود توربو، به میزان فشاری که بر آنها وارد میشود، اورکلاک میشوند. تا این جا چیز جدیدی نیست. نکته متمایز کننده این است که به طور هوشمند زمانی که پردازنده و گرافیک فشار یکسانی دارند، اورکلاک را به طور نسبی زیاد می کند تا نسبت قدرت پردازنده به گرافیک ثابت بماند و در روند اشکال ایجاد نشود. در این مورد، بیش از 1 مگابایت کش بین پردازنده و کارت گرافیکی به اشتراک گذاشته خواهد شد تا باز هم عملکرد را بهتر کند. بر عکس وقتی که کارت گرافیک یا حتی پردازنده در فشار بیشتری است، دیگر این اورکلاک به صورت یکسان نخواهد بود و فقط به عضو در حال کار اعمال خواهد شد. این کار علاوه بر پایدار نگه داشتن سیستم توان پردازشی را به طور مفیدی بالا می برد و از اتلاف انرژی و تولید گرمای بیش از اندازه نیز جلو گیری می کند.
حالا بیایید از گرافیک ها صحبت کنیم. از همین ابتدا باید گفت که شاید تا چند وقتی این گرافیک ها نتوانند جای کارت های گرافیک مجزا از پردازنده را بگیرند. در واقع: شاید هیچ وقت نتوانند! اما چشم انداز روشن است و هدف هم بیرون کردن کارت های گرافیک مجزا از کامپیوتر ها نیست. بلکه بهبود عملکرد پردازشی است و اصلا نباید در این مورد نگرانی ای به خود راه دهیم. چون داریم در مورد فناوری ای صحبت می کنیم که احتمالا در چند سال آینده؛ قالب بازار کامپیوتر خواهد شد. زمانی که CPU ها بروند و APU ها بیایند! بگذریم... بر طبق گفته اینتل پردازنده های گرافیکی HD 2000 و 3000، عملکردی دو برابر از سیستم های مبتنی بر فناوری شرکت Capella خواهند داشت. با این وجود در بنچ مارک ها هم تحولات زیادی به وجود خواهد آمد.
اینتل تکنولوژی Turbo Boost را هم، همانطور که در بالا گفته شد بهبود داده و البته Hyper-Threading هم در این معماری بهبود یافته است. پس چیپ های جدید سطوح جدیدی را از عملکرد CPU های هم پایه خود باز می کنند. برای مثال؛ طبق اعلام اینتل، در پردازنده های 4 هسته ای مخصوص لپتاپ، عملکرد 60 درصد بهبود یافته است. بعلاوه این که این APU در عین حال که هنگام بی کار بودن، مصرف انرژی بسیار کمی دارد؛ با کنترل کننده هایش می تواند به طور کامل درایو های اپتیکال (سی دی رام و...) را خاموش کند. این ها به علاوه چند کار کوچک دیگر در مصرف انرژی؛ چیزی را پدید آورده اند که اینتل به آن "عمر شگفت انگیز باتری" می گوید.
-اطلاعات پردازنده ها:
معماری جدید، یعنی CPU های جدید. البته در Sandy Bridge معنی APU های جدید را می دهد و در این مورد اینتل، با رونمایی از 29 پردازنده جدید؛ چیزی را کم نگذاشته است. این 29 پردازنده، شامل انواع اعداد و ارقام ها خواهند شد و لپتاپ ها و کامپیوتر های رومیزی را با عرضه شدن در سه سری i3 – i5 و i7 در بر خواهد گرفت. نقشه بالا به شما دید خوبی از تقسیم بندی نسخه های پردازنده می دهد. البته اینتل مشخصات هر یک از این پردازنده ها را به طور کامل و جداگانه هم منتشر ساخته است.
اما این طیف در چه حد کلان است، آیا پردازنده های فوق العاده قدرتمند اینتل را هم احاطه می کند؟ اگر به جدول زیر که اینتل چند ماه پیش منتشر کرده بود؛ نگاه کنید، متوجه می شوید جواب این سوال، "خیر" است. Sandy Bridge تقریبا تمام انواع پردازنده ها را شامل می شود. به جز دسته Extreme را که سریع ترین و گران ترین پردازنده این شرکت است. چون این پردازنده ها برای کارهای بسیار سنگین اختصاص یافته اند و از این رو به یک کارت گرافیک قدرتمند هم برای کامل شدن نیاز دارند. اما اگر از در حال حاضر از هر سری دیگری به جز این ها استفاده می کنید، در صورتی که بار دیگر کامپیوترتان نیاز به ارتقاء داشته باشد؛ بهترین گزینه ی شما پردازنده های مبتنی بر معماری Sandy Bridge خواهند بود.
اما این تمام ماجرا نیست. چون Sandy به درون سری Extreme هم نفوذ مختصری داشته و معمار پردازنده i7-2920 شده است ولی این پردازنده هم از نوع Mobile است و برای لپتاپ ها کاربرد دارد. بر طبق جدول بالا (که رنگ قرمز نشانگر Sandy Bridge است)، اگر اینتل تغییری در برنامه اش ندهد، پردازنده های بسیار قدرتمند، به این زودی ها از این معماری استفاده نخواهند کرد. اما این موضوع برای پردازنده های قوی صدق نمی کند.
نکته دیگر این است که در این سری جدید، شما با نام گذاری متفاوتی رو به رو می شوید. شاید به خاطر سپردن نام بعضی پردازنده ها کمی سخت باشد. چون اعدادشان چهار رقمی شده است. اما بگذارید کمی دقیق تر نگاه کنیم. چه می بینید؟ بعد از خط فاصله در همه ی مدل های سری Core، شماره 2 وجود دارد. این نشان دهنده ی آن است که این پردازنده ها از نسل دوم سری Core هستند. بعلاوه، اگر توانسته اید نام کارت های گرافیک AMD یا مدل های مختلف نوکیا را به خاطر بسپارید، نام پردازنده های جدید را هم می توانید!
حالا کمی بیشتر راهنمایی می کنیم. اول این که پردازنده های دو هسته ای، تا فوریه (ماه بعد) به فروش نخواهند رسید. دوم اینکه: پسوند LV و ULV به ترتیب بیان گر "ولتاژ پایین" و "ولتاژ بسیار پایین" هستند. پردازنده هایی که این پسوند را دارند در وسایل قابل حمل، مانند نت بوک ها استفاده خواهند شد و البته در نیمه دوم امسال عرضه می شوند. نکته دیگر در مورد پردازنده های با پسوند K است. این پردازنده ها قابل اورکلاک کردن هستند و از این رو بیشتر می توانند گیک ها را راضی سازند. البته برای استفاده از آن ها به چیپست P67 هم نیاز خواهید داشت.
-قابلیت های جدید اینتل:
لطفا این بخش را با "تازه های این معماری" اشتباه نگیرید. چون می خواهیم در مورد قابلیت های جدیدی که اینتل روی این پردازنده ها گذاشته و همراه آن ها ارائه می دهد صحبت کنیم. اینتل گفته دوست دارد بیشتر با مصرف کننده هایش ارتباط برقرار کند. به همین دلیل تکنولوژی های بیشتری را برای کاربرانش محیا کرده تا از گرافیک همراه این پردازنده ها نیز لذت ببرند.
Intel Quick Sync Video: عنوان این تکنولوژی، توضیح خوبی راجع به آن نمی دهد. اما ما میدهیم! در واقع اینتل قول داده است تا سرعت کدگذاری و کدگشایی ویدئویی اش را با قابلیت Quick Sync بیشتر کند و البته این یک قابلیت سخت افزاری است. اینتل می گوید این تکنولوژی باعث میشود که در کدگذاری و کدگشایی و به عبارت دیگر: Transcoding ویدئو، کارت هایش 17 برابر سریع تر از هر گرافیک یکپارچه سازی شده دیگری خواهد بود. اینتل با کمپانی های بزرگ تولید نرم افزار های مولتی مدیا، مانند CyberLink، Corel و ArcSoft قرار داد بسته است تا شتابدهنده سخت افزاری H.264 و MPEG-2 را بر روی نرم افزار هایشان فعال کنند.
Intel InTru 3D/Clear Video HD: آیا دغدغه ی پخش Blu-ray های سه بعدی با HDMI را دارید؟ باید گفت این کار برای پلتفرم امسال اینتل هیچ مشکلی ایجاد نمی کند. معنی این حرف این نیست که اینتل اقدام به عرضه تکنولوژی سه بعدی برای لپتاپ ها یا دسکتاپ ها می کند. بلکه اینتل وعده داده که می توانید با استفاده از این تکنولوژی و از طریق کابل HDMI، ویدئو های تمام HD و سه بعدی را، روی تلویزیون یا هر مانیتور سه بعدی دیگری بخش نمایید.
WirelessDisplay 2.0: بزرگترین شکایتی که از تکنولوژی WiDi می شد، عدم وجود پشتیبانی از ویدئو های تمام HD بود. اما اینتل اکنون امکان استریم کردن ویدئو های تمام HD را هم برروی آخرین پردازنده هایش فعال کرده است. اما با دریافت کنندگان قدیمی WiDi، هنوز هم پخش ویدئو با تاخیر و به طور نامنظم صورت می گیرد. پس بهتر است برای استفاده موفقیت آمیز از نسخه دوم این تکنولوژی و داشتن قابلیت استریم ویدئو های HD، یک دریافت کننده جدید که از نسخه دوم آن پشتیبانی می نماید خریداری نمایید. پس اینتل سر انجام محدودیت های این تکنولوژی را هم از بین برده است.
-سخن آخر:
تکنولوژی های Sandy Bridge و Fusion که همین امروز در موردش صحبت کردیم هر دو پتانسیل فوق العاده ای برای رشد دارند. شرکت هایی مثل اینتل به هیچ وجه مایل نیستند که این تکنولوژی ها در پردازنده های سطح پایین استفاده شود. پس کاری که کرده اند؛ بهینه سازی آن ها بوده تا توانایی به کارگیری این معماری ها در پردازنده های سطح بالا و حتی قوی نیز وجود داشته باشد. هر چند هنوز پردازنده های بسیار نیرومند اینتل، از معماری GulfTown استفاده می کنند، اما آینده Sandy Bridge، آنقدر روشن است که حتی انتظار به کار رفتن آن در پردازنده های این چنینی نیز میرود.
این را دقیقا نمی توانم بگویم اما به احتمال بسیار زیاد، استفاده از این پردازنده ها باعث بیرون انداختن کارت گرافیک نخواهد شد. شاید در آینده امکان این که بتوانیم کارت گرافیک مجزا را هم با گرافیک جاسازی شده درون APU موازی کنیم و عملکرد را باز هم بهتر کنیم، وجود داشته باشد. شاید هم اوضاع به سمتی دیگر پیش برود. یعنی: گرافیک درونی با پردازنده برای عملیات پردازش الگوریتمی متحد شود و کارت گرافیک هم کار پردازش تصویر خودش را انجام دهد. اگر هم لازم شد از گرافیک درونی کمک بگیرد و این همان آینده ای است که با خلاقیت بیشتر و احتمالا طی چند سال آینده بوجود آمده و کامپیوتر ها را باز هم جالب تر و قدرتمند تر خواهد کرد.
GPS
Global Positioning System
سيستم تعيين موقعيت ماهواره اي
GPS چيست؟
نوعي سيستم تعيين موقعيت ماهواره اي است كه اطلاعات مربوط به موقعيت مكاني و زماني را در هر لحظه به زمين ارسال مي كند. اين اطلاعات از طريق گيرنده هاي دستي دريافت ، پردازش و در نهايت بر صفحه نمايشگر قابل مشاهده مي باشد.
استفاده از اين دستگاه نياز به اخذ مجوز ندارد و كاملا رايگان است.
كار با GPS ساده است و نياز به تخصص خاصي ندارد.
چه كساني به GPS نياز دارند؟
توانايي و قابليت گسترده GPS طيف متنوعي از كاربرد هاي آن را فراهم كرده است.
استفاده از GPS در نقشه برداري ، كوهنوردي ،شكار ، ماهيگيري ، اكتشافات معدن ، هر نوع گردش تفريحي و مسافرت و … همگي بخشي از زمينه هاي استفاده از GPS مي باشند.
علاوه بر موارد ذكر شده در بالا جي پي اس هايي با دقت بالا و امكانات منحصر به فردي وجود دارند كه نقش ويژه اي در زمينه هاي مهندسي و كارشناسي ايفا مي كنند.از جمله : ايجاد نقاط مبنايي ، تعيين موقعيت دقيق منابع زير زميني ، مطاله حركت سدها، پيدا كردن وضعيت جاده ها ، مطالعه مناطق زلزله خيز و پيش بيني وقوع زلزله ،تعيين موقعيت و اندازه گيري عمق ، به دست آوردن ارتفاع دقيق ، تعيين حدود اراضي و معادن و …
روزي خواهد رسيد كه هر فرد يك GPS به همراه خواهد داشت.
شبکه ماهواره GPS
* برخي از خصوصيات دستگاه GPS :
۱– محاسبه سرعت ، مسافت و طول گام
۲– محاسبه كالري از دست رفته شما در فعاليت ها
۳– رسم مسير طي شده
۴– قابليت ذخيره نقاط تعيين شده شما و اتصال به كامپيوتر
۵– نمايش بهترين زمان ماهيگيري و شكار
۶– نشانگر زمان طلوع و غروب خورشيد
۷ – قابليت سنجش ارتفاع از سطح دريا
۸– استفاده مستقل به عنوان قطب نما
۹ – نشانگر وضعيت هلال ماه
۱۰ -محاسبه مساحت زمين
۱۱ – بارومتر و فشار سنج داخلي
۱۲ – پيش بيني وضعيت جوي
۱۳ – دماسنج الكترونيكي
۱۴ – پيدا كردن مسير توسط ماهواره
۱۵ محاسبه زاويه مسير طي شده
GPS گروه کوهنوردی پرواز
امكاناتي ديگر نظير:
برنامه ريز شخصي ، تقويم ، تماس ها، صفحه يادداشت ، ماشين حساب ، مقاومت در برابر آب و …
قابليت هاي برخي GPS هاي پيشرفته:
داراي گيم ، ضبط صدا ، پخش MP3 ، بي سيم دستي ، واكمن ،حافظه جهت دانلود نقشه ، جهت يابي قدم به قدم با صداي راهنما ،تلفن همراه با تمامي قابليت يك موبايل، MODEM جهت ارسال اطلاعات و …
روزي فرا خواهد رسيد كه هر نفر يك GPS به همراه خواهد داشت.
GPS گروه کوهنوردی پرواز
سیستم GPS
سیستم GPS از سه بخش تشکیل شده که عبارتند از:
الف) ماهواره ها
بخش ماهواره ای سیستم از ۲۱ ماهواره اصلی و ۳ ماهواره یدکی واقع در مدار زمین تشکیل میشود. این ماهواره ها در ۶ مدار جداگانه که با صفحه استوا زاویه ۵۵ درجه میسازند قرار گرفته اند. مدار ماهواره ها بیضی شکل بوده و با سرعتی نزدیک ۴٫۵ کیلومتر بر ثانیه در حرکت هستند (شکل ۵).
این ماهواره ها به سبب ارتفاع زیادشان در بخش بزرگی از زمین دیده میشوند. الکتریسیته مورد نیاز از دو صفحه متشکل از باطریهایی با سلولهای خورشیدی به سطح ۷٫۲ متر مربع تامین میگردد (شکل۶).
# مشخصات عمومی ماهواره ها عبارتند از:
– نام ، NAVSTAR
– سازنده ، Rackwell International
– ارتفاع پرواز ، ۲۰۱۸۳ کیلومتر
– وزن ، ۸۶۰ کیلوگرم
– اندازه ، ۷٫۲ متر مربع با صفحات خورشیدی
– زمان پیمودن دور کره زمین ، ۱۲ ساعت نجومی (۱۱ ساعت و ۵۸ دقیقه)
– صفحه مداری ، با صفحه استوا زاویه ۵۵ درجه میسازد
– عمر تخمینی ، ۷ سال
GPS گروه کوهنوردی پرواز
GPS گروه کوهنوردی پرواز
ب) کنترل کننده سیستم
بخش کنترل کننده از ۵ ایستگاه تشکیل شده است. وظایف عمده ایستگاهها عبارتند از:
الف) کنترل وضعیت سلامت ماهواره ها
ب) تعیین موقعیت ماهواره ها
ج) کنترل رفتار ساعت اتمی هر ماهواره
د) تزریق پیامهای ناوبری به کلیه ماهواره ها
ایستگاههای کنترل ، موقعیت لحظه ای ماهواره را تعقیب کرده و با استفاده از آن اطلاعات موقعیتهای آینده ماهواره را پیش بینی میکنند. در این ایستگاهها همچنین اطلاعاتی نیز در مورد شرایط جوی جمع آوری میشود. از این اطلاعات جهت تعیین دقیق تاخیر حاصل از عبور امواج رادیویی از جو استفاده میشود (شکل ۷).
GPS گروه کوهنوردی پرواز
ایستگاههای پنجگانه در مکانهای هاوائی واقع در اقیانوس آرام ، کلرادو اسپرینگز در آمریکا ، اسنسیون در اقیانوس اطلس ، دیگه گارسیا در اقیانوس هند و کواجالین در اقیانوسیه قرار دارد. سه ایستگاه اسنسیون ، دیگو گارسیا و کواجالین میتوانند به ماهواره ها پیام مخابره کنند.
این پیامها شامل موقعیتهای جدید ماهواره ها ، تصحیح ساعت و اطلاعات دیگر است. همچنین کلیه دستوراتی که به ماهواره ها داده میشود از طریق این سه ایستگاه صورت میگیرد. ایستگاه کلرادو اسپرینگز ایستگاه اصلی اس.
اطلاعات حاصل از تعقیب ماهواره ها از کلیه ایستگاههای دیگر جمع آوری و به این ایستگاه مخابره میشوند. محاسبات مربوط به موقعیت هر ماهواره و تصحیح ساعت آن در این محل صورت میگیرد. تغییر و یا تنظیم موقعیت ماهواره ها از جمله فرامین این ایستگاه است. جایگزین کردن ماهواره های جدید بجای یک ماهواره از کار افتاده نیز از طریق دستورات این ایستگاه انجام میشود.
ج) گیرنده های GPS
یک گیرنده GPS قادر به انجام چهار کار اساسی است.
– موقعیت دقیق محل استقرار را محاسبه کند.
– موقعیت یک نقطه را از روی نقشه به حافظه آن وارد کرده و بعد توسط محاسبه موقعیت محل استقرار به آن نقطه هدایت کند.
– میتواند اطلاعات مربوط به هر نقطه را که گیرنده در آن حضور دارد به حافظه سپرده تا در صورتی که مراجعت از مکانی به آن نقاط مورد نظر باشد قادر به یافتن مسیر بازگشت باشد.
– با محاسبه مستمر موقعیت یک متحرک جهت حرکت متحرک را نسبت به شمال یافته و سرعت متوسط حرکت را محاسبه کرده و زمان رسیدن به مقصد مشخص شده را با توجه به سرعت بدست آمده تخمین میزند. تواناییهای فوق سبب شده GPS در کاربردهای زیر نقش اساسی ایفا کند.
* کاربردهای زمینی:
نقشه برداری و ژئودزی ، کاداستار ، تعیین جابجایی و Deformation و هدایت زمینی
* کاربردهای دریایی:
تعیین موقعیت سکوهای نفتی ، نقشه برداری جزیره های زیر آبی ، جستجو و نجات ، تعیین جذر و مد ، تعیین بنادر و لنگرگاهها و هدایت کشتی به بنادر
* کاربردهای هوایی:
فتوگرامتری ، تعیین موقعیت ماهواره ای Remote Sensing ، هدایت هواپیماهای بدون سرنشین و هدایت هواپیماها و موشکها
گیرنده های GPS سیستمهایی غیرفعال هستند. یعنی سیستمهایی هستند که فقط اطلاعات را دریافت میکنند و اطلاعاتی ارسال نمیکنند. لذا از نقطه نظر نظامی مطلوب بوده چون دشمن از موقعیت گیرنده آگاه نمیشود. همچنین میتواند در هدایت نیروهای پیاده و واحدهای زرهپوش در بیابانهای بی عارضه و تعیین موقعیت دقیق موضع پرتاب موشکهای زمین به زمین کمک فوق العاده ای نماید.
گیرنده های GPS در ابعاد متفاوت با وزنی کمتر از نیم کیلوگرم میتوانند با محاسبه پیوسته موقعیت جسم در حال حرکت سرعت جسم حامل گیرنده را تخمین زده ، حرکت او را بدست آورده و انحراف آن از شمال مغناطیسی را نمایش داده و در نهایت زمان رسیدن به مقصد مورد نظر را با بدست آوردن موقعیت و سرعت تخمینی ارائه نمایند.
غیرفعال بودن GPS سبب صرفه جویی زیاد در باطری شده و بسیاری از گیرنده های فوق را در برابر ضربه ، شوک ، آب و … مقاوم میکند. برای اینکه گیرنده های GPS و ماهواره بتوانند همزمان کدهای مربوطه را تولید کنند در گیرنده و ماهواره ساعتهای دقیقی بکار رفته است.
این سبب میگردد همواره GPS بتواند وقت دقیق محلی را نیز ارائه کرده و حتی ساعت طلوع و غروب خورشید را با استفاده از زمان و موقعیت گیرنده محاسبه و اعلام کند. گیرنده های GPS از سه قسمت آنتن ، RF و دیجیتال تشکیل شده است.
# آنتن
آنتن گیرنده های GPS انواع مختلفی دارد اما آنتنهای GPS همگی دارای پلاریزاسیون دایروی هستند. در اینجا به چند آتن اشاره میشود:
– آنتن تک قطبی یا دو قطبی: این آنتنها برای اینکه عملکرد خوبی داشته باشند احتیاج به یک صفحه زمین دارند و تک فرکانس هستند.
– آنتن هلیکس چهار قطبی: این آنتن تک فرکانس است و نسبت به آنتنهای تک قطبی پیچیده تر بوده اما دارای گین بالاتر بوده و نیاز به صفحه زمین ندارد.
– آنتن میکرواستریپ: ساختمان ساده و کم حجمیدارد و برای کارهای هوایی مناسب است و میتواند در دو فرکانس کار کند ولی دارای گین کمی است.
– آنتن هلیکس مخروطی: میتواند در دو فرکانس کار کند و دارای گین بالایی است اما ابعاد آن بزرگ بوده و برای کارهای هوایی مناسب نیست زیرا اگر برای دریافت یسگنال ماهواره ای در افق به سمت آنها قرار گیرد قادر به پیدا کردن ماهواره های بالای سر نیست.
– آنتنهای میکرواستریپ به سبب کوچکی میتوانند مستقیما به موازات آسمان نگه داشته شود و میتواند هر ماهوراه ای را که در بالای سر قرار داشته باشد پیدا کند.
ماهواره ها باید حداقل ۱۰ درجه در بالای سطح افق قرار داشته باشند تا با این آنتن ردیابی شوند. برای دریافت سیگنالهای ماهواره باید ماهواره ها درد دید باشند. هوای بارانی و برفی و طوفانی از رسیدن امواج جلوگیری نمیکنند اما موانعی همچون درختان ، صخره ها ، ساختمان بلند و نیز بودن گیرنده در داخل ساختمان ، اتومبیل و هواپیما و … از رسیدن امواج جلوگیری میکند.
لذا در صورت استفاده در یک متحرک مانند هواپیما به آنتن خارجی نیازمند هستیم. در اینصورت آنتن باید فعال باشد تا سیگنالها را قبل از انتقال از طریق کابل به گیرنده تقویت کند.
GPS گروه کوهنوردی پرواز
آشنایی تکمیلی با سیستم تعیین موقعیت جهانی
( GPS )
تعیین موقعیت بر مبنای فضا زمانی طولانی از عصر پیشتازانی همچون داپلر که اندازه گیری زمین به زمین را به اندازیه گیری زمین به فضا تغییر داده بودند میگذرد.
آمریکو وسپوس دریانوردی در قرن پانزدهم بود که نحوه اندازه گیری او در سحال برزیل و بر مبنای گزارش کریستف کلمب انجام شد. وسپوس همراه خود یک تقویم نجومی داشت که در آن زمانها و موقعیت ستارگان مختلف و وقایع سماوی بر مبنای زمان اندازه گیری شده در شهر فراره ایتالیا ترتیب یافته بود. بر این اساس در نیمه شب ۲۳ اوت ۱۴۹۹ کره ماه باید در برابر زمین و کره مریخ قرار میگرفت. وسپوس تقاطع مذکور را در برزیل مشاهده کرد و متوجه شد که این تقارن شش و نیم ساعت بعد از آنچه که باید در فراره دیده میشد به وقع پیوسته است.
لذا با استفاده از اختلاف زمان و اندازه پیرامون زمین که بطلمیوس بدست آورده بود توانست فاصله و طول جغرافیایی فراره را محاسبه کند. نتایج حاصل این بود که او در هندوستان نیست بلکه کریستف کلمب قاره جدیدی را کشف کرده بود که از آن پس به نام وسپوس (آمریکا) نام گذاری شد. وسپوس اولین کسی بود که به حقیقت کشف کریستف کلمب پی بد فقط به این دلیل که توانست موقعیت دقیق خود را با استفاده از اجرام سماری تعیین کند. تعیین موقعیت با این روش خطایی در حدود یک مایل را ارائه میکند.
ایده اساسی تعیین موقعیت بر مبنای فضا با استفاده از ماهوراه های ساخت بشر نخستین بار از اوایل سال ۱۹۶۰ توسط ایالات متحده و در ناسا شروع گردید. ترانزیت (TRANSIT) از اولین سیستمهای ماهواره ای و دارای کارایی موثر بود. این گروه ماهواره از زمان رهایی اش در سال ۱۹۶۷ کاربردهای تجاری و نقشه برداری و ژئودزی فراوانی یافت. از ویژگیهای ترانزیت این بود که برای پوشش کامل زمین به حداقل ۶ ماهواره نیاز داشت و زمان انتظار برای کسب اطلاعات تا ۱٫۵ ساعت بالغ میگشت.
این ماهواره ها در مدارهای ۱۱۰۰ کیلومتری بالای زمین میچرخیدند. از دیگر ویژگیهای آن علاوه بر وقت گیری زیاد ، دقت کم ان بود که با ورود GPS مورد کم توجهی قرار گرفت. در سال ۱۹۷۴ به دنبال درخواست وزارت دفاع آمریکا برای ایجاد یک سیستم ناوبری فضایی ، تحقیقات در زمینه طراحی سیستم مطلوب آغاز گشت و در سال ۱۹۸۳ سیستم VAVSTAR GPS معرفی گردید و تا سال ۱۹۹۲ تکمیل شد. ناوبری و تعیین موضع اگر چه امروزه به عنوان یک ابزار مکمل ناوبری استفاده میشود ، اما انتظار میرود به زودی به وسیله اصلی ناوبری بدل گردد. در برابر توسعه و تکمیل GPS ، سیستم ناوبری ماهواره ای روسیه به نام GLONASS ایجاد و در پایان سال ۱۹۹۵ تکمیل گشت.
# ایده اساسی در تعیین موقعیت
فرض کنید روی صفحه ای قرار داریم. اگر فاصله خود را با یک نقطه مشخص A اندازیه گیری کنیم و مختصات نقطه A را نیز بدانیم ، میتوانیم دایره ای به مرکز نقطه A و به شعاع فاصله اندازه گیری شده ترسیم کنیم. در این صورت مختصات موقعیت ما بر روی دایره ترسیم شده قرار دارد (شکل ۱).
GPS گروه کوهنوردی پرواز
اگر بر روی این صفحه دو نقطه مشخص A و B موجود باشد و فاصله خود را با هر یک از دو نقطه محاسبه کنیم مختصات موقعیت ما باید هم بر روی دایره ای به مرکز نقطه A و شعاع a واقع باشد و هم بر روی دایره ای به مرکز B و شعاع b . در نتیجه ما بر روی یکی از دو نقطه تلاقی دو دایره واقع هستیم (شکل ۲).
GPS گروه کوهنوردی پرواز
در صورتی که تعداد نقاط واقع بر صفحه به ۳ افزایش یابد ، براحتی میتوان نشان داد که موقعیت دقیق ، بر روی صفحه بدست می آید و این از طریق سه دایره به مرکز آن نقاط معلوم و شعاعهای فواصل اندازه گیری شده تا آن نقاط می باشد (شکل۳).
GPS گروه کوهنوردی پرواز
اکنون مثال خود را به فضای سه بعدی منتقل میکنیم. دوایر ترسیم شده قبلی جای خود را به کره های ترسیم شده خواهند داد لذا از ترسیم فقط یک کره ، سطح کره و از ترسیم و تلاقی دو کره ، فصل مشترک دو کره بصورت یک دایره بدست می آید. اگر سه کره ترسیم کنیم و تلاقی دهیم نقاط مشترک بین سه کره دو نقطه خواهد بود و اگر فاصله خود را با چهار نقطه معلوم در فضای سه بدی اندازه گیری کنیم و سپس چهار کره ترسیم کرده و تلاقی دهیم فقط یک نقطه واحد به دست خواهد آمد. ایده اساسی در تعیین موقعیت این است که موقعیت دقیق حداقل ۴ ماهواره در فضا را یافته و فاصله خود از آن ماهواره ها را بدست می آوریم تا بتوانیم موقعیت دقیق خود را محاسبه کنیم و دقت مکان یابی در این روش بستگی به به دقت مکانی ماهواره ها و دقت در فواصل اندازه گیری شده با ماهواره دارد.
# اندازه گیری مسافت و مختصات مکانی ماهواره
مختصات مکانی هر ماهواره توسط خود آن ماهواره ارسال و توسط گیرنده دریافت میشود. این مختصات بصورت اطلاعات مداری به نام افمریس (Ephemeris) نامیده میشود.
هر ماهواره GPS کد مخصوصی را ارسال میکند. گیرنده GPS در روی زمین نیز همان کد مخصوص را تولید خواهد کرد. برای همزمانی در تولید کدهای مذکور باید زمان طبق یک ساعت دقیق تنظیم گردد. کد دریافت شده توسط گیرنده با کد تولید شده گیرنده متناسب با فاصله ، تاخیر خواهد داشت. اندازه گیری تاخیر زمانی بین کد تولید شده و کد دریافت شده به اندازه گیری فاصله منجر میشود (شکل ۴).
GPS گروه کوهنورد پرواز
سرعت امواج الکترومغناطیسی در خلا ۳۰۰,۰۰۰۰۰۰ است ، با فرض اینکه دقیقا کدهای تولید شده در ماهواره و گیرنده همزمان باشد و کد ارسالی از ماهوراه فقط از خلا عبور کند ، فاصله گیرنده تا ماهواره با حاصل ضرب زمان تاخیر تاخیر بین کد دریافت شده با کد تولید شده در گیرنده ، در سرعت امواج الکترومغناطیس در خلا برابر خواهد بود.
منابع :
۱٫ نشریه یمین کمپانی
۲٫ پایگاه اینترنتی نظامی ایران ( ایران میلیتاری)
آزمایشگاه میکروسکوپ الکترونی (SEM)
امروزه میکروسکوپ‌های الکترونی روبشی به طور وسیعی در دانشگاه‌ها و مراکز تحقیقاتی مورد استفاده قرار می‌گیرند به طوری که با بکارگیری قابلیت های نرم افزاری، اطلاعات بسیار مفیدی در راستای مشخصه های مواد در زمینه علوم مختلف بدست
می آید. اساس کار میکروسکوپ‌های الکترونی روبشی مبتنی بر روبش سطح نمونه توسط یک پرتو الکترونی می‌باشد.
میکروسکوپ‌های الکترونی روبشی عموما" در خلاء کار میکنند. پس از ایجاد خلاء با انجام عملیات روبش توسط پرتو الکترونی بر روی سطح نمونه، از سطح نمونه تصویری بر روی صفحه نمایشگر مشاهده میگردد. با تغییر ابزار ثبت پرتو میتوان تصاویری با اطلاعات مختلف از سطح نمونه مثل تصاویری از پستی و بلندی سطح یا تصاویری از توزیع فازها در سطح روبش بدست آورد.
بخش ميكروسكوپ الكترونی مركز پژوهش متالورژی رازی با در اختيار داشتن دو دستگاه ميكروسكوپ الكترونی با مدل های VEGA\\TESCAN-LMU و VEGA\\TESCAN-XMU آماده ارائه خدمات به مشتريان گرامی می باشد. اين خدمات در كليه زمينه های مهندسی، پزشكی، زمين شناسی، علوم پايه، فيزيک و ... دركوتاه ترين زمان ممكن و با بهترين كيفيت ارائه می گردد. آزمون ها در اين بخش به دو صورت حضوری و غيرحضوری قابل انجام می باشد.
خدمات قابل ارائه در آزمایشگاه میکروسکوپ الکترونی:
- تعيين تركيب شيميايی زمينه و (EDS) آناليز نقطه ای و بالک به صورت عنصری
- تهيه تصاوير و بررسی ساختار ميكروسكپی
- بررسي سطح شكست (فرکتوگرافی)
- شناسايی اوليه مواد مجهول
- اندازه گيری ذرات و توزيع آن
- آناليز ساختاری و شيميايی فيلرهای جوشكاری و بريزينگ
- Line scan , Map (انالیز صفحه ای و خطی)
- تهيه تصاوير سه بعدی
- بررسی نمونه های بایو
- تهیه تصاویر SEM در خلاء پایین
اخبار آزمایشگاه میکروسکوپ الکترونی
نصب و راه اندازی دستگاه جدیدگسیل میدانی (field emission sem) مدل Mira 3-XMU
میکروسکوپ الکترونی گسیل میدانی (field emission sem) مدل Mira 3-XMU با ویژگی محفظه بسیار بزرگ و سرعت خلاء بالا در مرکز پژوهش متالورژی رازی راه اندازی گردید. این میکروسکوپ جدیدترین و از پیشرفته ترین دستگاه FESEM موجود در ایران است. این میکروسکوپ با کمک سه آشکارساز تصویری، امکان تصویر برداری تا بزرگنمایی 700000 برابر را دارد و امکان بررسی های ساختاری را در مقیاس نانو متری می دهد. همچنین این دستگاه مجهز به میکروآنالیز EDS نسل دوم است به طوری که امکان شناسایی کوچک ترین فازها را میسر می سازد. با توجه به امکان تنظیم فشار داخل محفظه دستگاه و رزولوشن بالا قابلیت کار در کلیه زمینه های علمی و صنعتی بخصوص در زمینه نانوتکنولوژی را دارا می باشد.
میکروسکوپ الکترونی روبشی یا SEM
نوعی میکروسکوپ الکترونی است که قابلیت عکسبرداری از سطوح با بزرگنمایی ۱۰ تا ۱۰۰۰۰۰ برابر با قدرت تفکیکی در حد ۳ تا ۱۰۰ نانومتر (بسته به نوع نمونه) را دارد.
نخستین تلاش‌ها در توسعهٔ میکروسکوپ الکترونی روبشی به سال ۱۹۳۵ بازمی‌گردد که نول و همکارانش در آلمان پژوهش‌هایی در زمینهٔ پدیده‌های الکترونیک نوری انجام دادند. آرْدِن در سال ۱۹۳۸ با اضافه کردن پیچه‌های جاروب‌کننده به یک میکروسکوپ الکترونی عبوری توانست میکروسکوپ الکترونی عبوری-روبشی بسازد.
استفاده از میکروسکوپ SEM برای مطالعهٔ نمونههای ضخیم اولین بار توسط زوُرِکین* و همکارانش در سال ۱۹۴۲ در ایالات متحده گزارش شد. قدرت تفکیک میکروسکوپ‌های اولیه در حدود ۵۰ نانومتر بود. میکروسکوپ الکترونی روبشی بر اساس نحوه تولید باریکه الکترونی در آن به دو نوع Field Emission و Thermoionic Emission تقسیم بندی میشود که نوع Fe-SEM دارای بزرگنمایی و حد تفکیک بسیار بالاتری بوده و تصاویری با بزرگنمایی 700 هزار برابر را با آن می توان به دست آورد .
به عنوان کاربرد میتوان به موارد زیر اشاره کرد:
- بررسی نمونههای آماده شده برای متالوگرافی در بزرگنمایی بسیار بیشتر از میکروسکوپ نوری.
- بررسی مقاطع شکست و سطوحی که اچ عمیق شده‌اند و مستلزم عمق میدان بسیار بیشتر از میکروسکوپ نوری هستند.
- ارزیابی گرادیان ترکیب شیمیایی روی سطح نمونه‌ها در فاصله‌ای به کوچکی ۱ میکرومتر
برای استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی یک پرتو الکترونی به نمونه می تابانند. SEM اصولا برای مطالعه ساختار نمونههای حجیم در سطح یا نزدیک به سطح استفاده می شوند. منبع الکترونی (تفنگ الکترونی) معمولا از نوع انتشار ترمیونیکی فیالان یا رشته تنگستنی است اما استفاده از منابع انتشار میدان (FEG) برای قدرت تفکیک بالاتر، افزایش یافته است. معمولا الکترون بینkeV 30-1 شتاب داده می شوند، سپس دو یا سه عدسی متمرکز کننده پرتو الکترونی را کوچک می کنند تا حدی که در موقع برخورد با نمونه قطر آن حدودا بین 10-2 نانومتر است.
منبع: ویکیپدیا
.: Weblog Themes By Pichak :.
تبادل لینک هوشمند