Anonim

Sæt julen Lego til god brug: Mål Planck 's Konstant med det

Videnskab

Colin Jeffrey

16. december 2014

2 billeder

Ingeniører har designet et eksperiment, der bruger Lego-blokke til at bestemme en fundamental atomkonstant (Foto: Xiang (Shawn) Zhang / NIST)

Lego er en populær julegave, og unge og gamle kan udlede timer med fornøjelsesopbygning med de små plastikblokke. Men ligesom en masse legetøj slides nyheden hurtigt nok, og du finder dig selv at køre tilbage for at se jule-tv-genoptagelser. Men hvad nu hvis du kunne bruge Lego til at konstruere ægte videnskabeligt udstyr; ville det bevare din entusiasme? Tænd godt på dine plastikblokke, fordi ingeniører har designet et eksperiment, der bruger Lego og et par andre stykker, der gør det muligt for enhver ivrig tinkerer at opbygge en enhed, der ikke kun bestemmer Planck's Constant, men kan også hjælpe med at kvantificere den internationale standard massenhed.

For at hjælpe med at forklare alt dette, lad os starte med lidt baggrund.

Den sidste resterende enhed i det internationale system af enheder (SI), som stadig er baseret på en fysisk artefakt, er kilogrammet. Siden 1899 er et repræsentativt kilo blevet opbevaret i et hvælving hos Bureau International des Poids et Mesures (Frankrig) sammen med seks officielle eksemplarer, der anvendes som kalibreringsvægte mod hvilke lande rundt om i verden kan teste deres eget officielle kilogramreference.

Desværre er den langsigtede stabilitet af massen af ​​disse kopier reelt steget over mere end et århundrede, således at de - i forhold til det oprindelige officielle kilogram - har samlet en masse på omkring 50 mikrogram.

Som sådan er der brug for en bedre metode for at sikre, at massenhedens langsigtede stabilitet opretholdes. I denne henseende anbefalede generalkonferencen for vægt og foranstaltninger (CGPM) i 1999 at nationale laboratorier udvikler og forfiner forsøg, som forbinder massenheden med grundlæggende eller atomkonstanter, således at nedbrydelsen af ​​en fysisk reference kan undgås.

Yderligere som andre vigtige basisenheder, der kræver exceptionelt fine definitioner (specifikt: ampere, molen og candela) også afhænger af masse definitionen af ​​kilogrammet for at bestemme deres base nøjagtighed, så ville mere stringente definitioner af kilogrammet grundlæggende forbedres nøjagtigheden og nytteværdien af ​​disse foranstaltninger.

Så en af ​​de måder, der er blevet skabt for at løse dette dilemma, er at måle masse baseret på Plancks konstante eller bruge en værdi af Plancks konstant baseret på en kendt masse. Planck 's konstant beskriver forholdet - i en ligning kendt som Planck-Einstein-relationen - mellem energi og frekvens af en elektromagnetisk bølge. Den ligning er E = hv, hvor E er energi, h er Planck 's konstant, og v er frekvens.

Det er her, hvor vores team af Lego murstenskrævende forskere kommer ind. Arbejde ved National Institute of Standards and Technology (NIST) i Gaithersburg, Maryland, ingeniører ønskede at gøre nogle hurtige prototyper af en enhed til at gennemføre deres Plancks konstante eksperimenter . I stedet for at bruge konventionelle, tidskrævende og kostbare byggemetoder valgte forskerne en mere ukonventionel metode: Lego.

Da dette fungerede ganske godt, byggede teamet tre af disse instrumenter og besluttede også for godt at det ville være en god ide at dele designet med andre, der ønskede at udforske dette felt. Den enhed, ingeniører skabte til deres eksperiment i Lego, er kendt som en wattbalance. Såkaldt, fordi den bruger både elektriske og mekaniske energier i sine målinger, som begge er udtrykt i watt.

I princippet er anordningen selv relativt simpel mekanisme. Konstrueret således, at den afbalancerer den kraft, der udøves på en masse på grund af tyngdekraften ved anvendelse af kraften, der genereres af en elektrisk strømforsynet spole i et magnetfelt, tillader indretningen beregning af massen ved at sammenligne den mekaniske effekt, der udøves til den nødvendige elektriske effekt til afbalancere det.

I detaljer kræver forsøget målinger af både spændingen og strømmen, der løber gennem spolen såvel som hastigheden af ​​massen, der bevæger sig gennem denne spole. Som sådan betyder det, at en nøjagtig lokal værdi for accelerationen på grund af tyngdekraft er påkrævet. Heldigvis kan dette nemt opnås ved at indtaste en placering på gravitationssiden på webstedet National Oceanic and Atmospheric Administration (NOAA).

Normalt i Fysik er brugen af ​​Planck 's konstant forbundet med kvantteori, og man svarer normalt ikke ved bestemmelse af SI-enheder på grund af usikkerheden i værdien afhængig af placeringen af ​​dens måling. Men ved at være i stand til at bestemme en kendt værdi af Planck 's konstant ved hjælp af lokale tyngdekraftsværdier fra NOAA hjemmesiden og den beskrevne wattbalance, kan masse og Planck' s konstant omvendt bestemmes med høj nøjagtighed.

"Ved at sammenligne elektrisk effekt i konventionelle enheder til mekanisk effekt i SI enheder, kan h bestemmes, " sagde forskerne.

At opbygge en arbejds wattbalance kunne opnås af den gennemsnitlige tinkerer med de rigtige dele, nogle tekniske planer og adgang til de relevante værktøjer. Men en endnu nemmere måde ville være at bygge en ved hjælp af Lego, og forskerne ved NIST beskriver hvordan man gør netop det, og endda leverer en komplet liste over dele, hvoraf de fleste kan bestilles direkte fra Lego's Pick-a- Mursten hjemmeside. Holdet giver også en liste over hjemmesider, som konstruktøren kan bruge til at finde de mere specialiserede, ikke-lego-komponenter.

Ifølge holdet er de samlede omkostninger til komponenter, der er nødvendige for at opbygge wattbalancen som beskrevet, US $ 634. Men denne figur forudsætter, at du vil købe et $ 300 dataopsamlingsinstrument og en ledsagende analoge udgangsenhed på $ 90. Forskerne siger, at de på et budget kunne afstå fra de dyre enheder, de brugte, og vælger et enkelt udstyr, der gør begge job til omkring 189 dollar, hvilket med held bør sætte omkostningerne inden for rækkevidde af skoler og endda individuelle konstruktører .

"Vi håber at opfordre mange entusiaster til at opbygge en lego watt balance og have det sjovt at lege med videnskaben om måling, metrologi, " sagde holdet.

Holdet har samlet et papir på deres instrument sammen med detaljerede planer om, hvordan man bygger det og har gjort det tilgængeligt på Cornell Universitetsbibliotekets hjemmeside i PDF-format.

Så denne højsæson, når alle andre bygger de samme gamle biler og fly med deres små plastikblokke, med lidt mere arbejde, kan du selv bygge den ultimative Lego-maskine for dig selv eller give videnskabens gave til den betydelige andre fysiker i dit liv.

Kilder: NIST, Xiang (Shawn) Zhang

Ingeniører har designet et eksperiment, der bruger Lego-blokke til at bestemme en fundamental atomkonstant (Foto: Xiang (Shawn) Zhang / NIST)

Lego som videnskabeligt udstyr? Ja, ja. (Foto: Xiang (Shawn) Zhang / NIST)

Anbefalet Redaktørens Valg