Sådan måler du Plancks konstante ved hjælp af Lego

Plancks konstant er et af de vigtigste tal i videnskaben. Den beskriver forholdet mellem energien og frekvensen af ​​en elektromagnetisk bølge i en ligning kendt som Planck-Einstein-forholdet: E = hv (hvor OG er energi, v er frekvens og h er Plancks konstant).

Denne konstant vil blive endnu vigtigere, fordi fysikere er ved at ændre definitionen af ​​masse, så den afhænger af Plancks konstant snarere end af massen af ​​en metalklump i en hvælving i Paris.

Så det er ikke overraskende, at fysikere har brug for forskellige måder at måle masse på baseret på Plancks konstant eller omvendt at finde en værdi af Plancks konstant baseret på en kendt masse. I dag forklarer Leon Chao ved National Institute of Standards and Technology i Gaithersburg, Maryland, og et par venner, hvordan man gør dette ved hjælp af et eksperiment bygget ud af Lego.

I årenes løb har fysikere ved National Institute of Standards and Technology evalueret forskellige måder at udføre denne måling på og har sat sig på et eksperiment med en maskine kendt som en wattbalance.

Denne enhed er i princippet enkel. Ideen er at balancere kraften på en masse på grund af tyngdekraften med kraften genereret af en strømførende spole i et magnetfelt. Massen kan derefter beregnes på en ligetil måde ved at sammenligne den mekaniske effekt med den elektriske effekt, der er involveret i eksperimentet (maskinerne har fået sit navn, fordi både elektrisk og mekanisk effekt måles i watt).

Eksperimentet involverer målinger af kun af spændingen og strømmen gennem spolen samt hastigheden af ​​massen, når den bevæger sig gennem spolen. Det kræver også en nøjagtig værdi for g , accelerationen på grund af tyngdekraften, som let kan aflæses af en websted, der drives af National Oceanic and Atmospheric Administration ved at indtaste et hvilket som helst sted på planeten.

Plancks konstant kommer ind på grund af en historisk idiosynkrasi i den måde, kraftenheder er blevet defineret på. Siden 1990 er næsten alle elektriske målinger blevet kalibreret ved hjælp af et system af enheder, hvor Plancks konstanter, sammen med forskellige andre konstanter, er defineret i stedet for målt.

I modsætning hertil er mekanisk kraft afhængig af almindelige SI-enheder, som er afhængige af en målt værdi af Plancks konstant. Ved at sammenligne elektrisk effekt i konventionelle enheder med mekanisk effekt i SI-enheder, h kan bestemmes, siger Chao og co.

Det eneste, der kræves, er en fungerende wattbalance, og Chao og co beskriver, hvordan man bygger en ved hjælp af Lego, og giver endda en omfattende reservedelsliste, hvoraf meget kan bestilles fra Lego's Pick-a-Brick hjemmeside . De giver også websteder til køb af andre mere specialiserede komponenter.

De samlede omkostninger for disse dele er $634, men besparelser er mulige. Langt den dyreste komponent er en dataindsamlingsenhed på $300 efterfulgt af en analog udgang på $90. Chao og co siger, at disse begge kan erstattes af en enkelt enhed, der koster kun $189, og derved sparer $200.

Det sætter omkostningerne godt inden for rækkevidde af mange skoler og endda privatpersoner. Vi håber at opmuntre mange entusiaster til at bygge en LEGO watt balance og have det sjovt med at lege med videnskaben om måling, metrologi, siger teamet.

Med feriesæsonen lige rundt om hjørnet, kan mange læsere finde på at gå på jagt efter gaver til betydningsfulde andre. Et watt-balancesæt kunne være den perfekte gave til fysikeren, der har alt.

Ref: http://arxiv.org/abs/1412.1699 : En LEGO Watt-balance: Et apparat til at demonstrere definitionen af ​​masse baseret på den nye SI

skjule