211service.com
Hur man mäter Plancks konstanta användning av Lego
Plancks konstant är ett av de viktigaste talen inom vetenskapen. Den beskriver förhållandet mellan energin och frekvensen hos en elektromagnetisk våg i en ekvation som kallas Planck-Einstein-relationen: E = hv (var OCH är energi, v är frekvens och h är Plancks konstant).
Denna konstant kommer att bli ännu viktigare eftersom fysiker är på väg att ändra definitionen av massa så att den beror på Plancks konstant snarare än på massan av en metallklump i ett valv i Paris.
Så det är inte förvånande att fysiker behöver olika sätt att mäta massa baserat på Plancks konstant eller, omvänt, att hitta ett värde på Plancks konstant baserat på en känd massa. Idag förklarar Leon Chao vid National Institute of Standards and Technology i Gaithersburg, Maryland, och några kompisar, hur man gör detta med hjälp av ett experiment byggt av Lego.
Under årens lopp har fysiker vid National Institute of Standards and Technology utvärderat olika sätt att utföra denna mätning och har bestämt sig för ett experiment med en maskin som kallas en wattbalans.
Denna enhet är enkel i princip. Tanken är att balansera kraften på en massa på grund av gravitationen med kraften som genereras av en strömförande spole i ett magnetfält. Massan kan sedan beräknas på ett enkelt sätt genom att jämföra den mekaniska effekten med den elektriska effekten som är involverad i experimentet (maskinerna har fått sitt namn eftersom både elektrisk och mekanisk effekt mäts i watt).
Experimentet omfattar mätningar av endast spänningen och strömmen genom spolen samt massans hastighet när den rör sig genom spolen. Det kräver också ett korrekt värde för g , accelerationen på grund av gravitationen, som lätt kan avläsas av en webbplats som drivs av National Oceanic and Atmospheric Administration genom att gå in på valfri plats på planeten.
Plancks konstant kommer in på grund av en historisk egendom i hur kraftenheter har definierats. Sedan 1990 har nästan alla elektriska mätningar kalibrerats med hjälp av ett system av enheter där Plancks konstanter, tillsammans med olika andra konstanter, definieras snarare än mäts.
Däremot förlitar sig mekanisk kraft på vanliga SI-enheter, som förlitar sig på ett uppmätt värde av Plancks konstant. Genom att jämföra elektrisk effekt i konventionella enheter med mekanisk effekt i SI-enheter, h kan fastställas, säger Chao och co.
Allt som behövs är en fungerande wattbalans och Chao och co beskriver hur man bygger en med Lego, till och med tillhandahåller en omfattande reservdelslista, varav mycket kan beställas från Lego's Pick-a-Brick-webbplats . De ger också webbplatser för att köpa andra mer specialiserade komponenter.
Den totala kostnaden för dessa delar är $634 men besparingar är möjliga. Den överlägset dyraste komponenten är en datainsamlingsenhet för $300 följt av en analog utgång för $90. Chao och co säger att dessa båda kan ersättas av en enda enhet som bara kostar 189 USD, vilket sparar 200 USD.
Det gör att kostnaden ligger inom räckhåll för många skolor och även privatpersoner. Vi hoppas kunna uppmuntra många entusiaster att bygga en LEGO wattbalans och ha kul att leka med vetenskapen om mätning, mätning, säger teamet.
Med semesterperioden precis runt hörnet kan många läsare finna att de letar efter presenter till betydande andra. Ett wattbalanskit kan vara den perfekta presenten till fysikern som har allt.
Ref: http://arxiv.org/abs/1412.1699 : A LEGO Watt Balance: En apparat för att demonstrera definitionen av massa baserat på den nya SI