211service.com
Hoe de constante van Planck te meten met behulp van Lego
De constante van Planck is een van de belangrijkste getallen in de wetenschap. Het beschrijft de relatie tussen de energie en frequentie van een elektromagnetische golf in een vergelijking die bekend staat als de Planck-Einstein-relatie: E = hv (waar EN is energie, v is frequentie en H is de constante van Planck).
Deze constante zal nog belangrijker worden omdat natuurkundigen op het punt staan de definitie van massa te veranderen, zodat deze afhangt van de constante van Planck in plaats van van de massa van een klomp metaal in een kluis in Parijs.
Het is dus niet verwonderlijk dat natuurkundigen verschillende manieren nodig hebben om massa te meten op basis van de constante van Planck of, omgekeerd, een waarde van de constante van Planck te vinden op basis van een bekende massa. Vandaag leggen Leon Chao van het National Institute of Standards and Technology in Gaithersburg, Maryland, en een paar vrienden uit hoe je dit kunt doen met behulp van een experiment gebouwd met Lego.
In de loop der jaren hebben natuurkundigen van het National Institute of Standards and Technology verschillende manieren geëvalueerd om deze meting uit te voeren en zijn ze uitgekomen op een experiment met een machine die bekend staat als een wattbalans.
Dit apparaat is in principe eenvoudig. Het idee is om de kracht op een massa als gevolg van de zwaartekracht in evenwicht te brengen met de kracht die wordt gegenereerd door een stroomvoerende spoel in een magnetisch veld. De massa kan dan op een eenvoudige manier worden berekend door het mechanische vermogen te vergelijken met het elektrische vermogen dat bij het experiment betrokken is (de machines dankt zijn naam aan het feit dat elektrisch en mechanisch vermogen beide worden gemeten in watt).
Het experiment omvat metingen van alleen de spanning en stroom door de spoel, evenals de snelheid van de massa terwijl deze door de spoel beweegt. Het vereist ook een nauwkeurige waarde voor: G , de versnelling door de zwaartekracht, die gemakkelijk kan worden afgelezen a website beheerd door de National Oceanic and Atmospheric Administration door een willekeurige locatie op de planeet in te voeren.
De constante van Planck komt naar voren vanwege een historische eigenaardigheid in de manier waarop krachteenheden zijn gedefinieerd. Sinds 1990 zijn bijna alle elektrische metingen gekalibreerd met behulp van een systeem van eenheden waarin de constante van Planck, samen met verschillende andere constanten, worden gedefinieerd in plaats van gemeten.
Daarentegen is mechanisch vermogen afhankelijk van gewone SI-eenheden, die afhankelijk zijn van een gemeten waarde van de constante van Planck. Door elektrisch vermogen in conventionele eenheden te vergelijken met mechanisch vermogen in SI-eenheden, H kan worden bepaald, zeggen Chao en co.
Het enige dat nodig is, is een werkende watt-balans en Chao en co beschrijven hoe je er een kunt bouwen met Lego, en bieden zelfs een uitgebreide onderdelenlijst, waarvan een groot deel kan worden besteld bij Lego's Pick-a-Brick-website . Ze geven ook websites voor het kopen van andere, meer gespecialiseerde componenten.
De totale kosten van deze onderdelen bedragen $ 634, maar besparingen zijn mogelijk. Veruit de duurste component is een data-acquisitieapparaat van $300, gevolgd door een analoge output van $90. Chao en co zeggen dat deze beide kunnen worden vervangen door een enkel apparaat dat slechts $ 189 kost, waardoor $ 200 wordt bespaard.
Dat brengt de kosten goed binnen het bereik van veel scholen en zelfs particulieren. We hopen veel enthousiastelingen aan te moedigen om een LEGO watt-balans te bouwen en plezier te hebben met het spelen met de wetenschap van meten, metrologie, zegt het team.
Met de feestdagen voor de deur, kunnen veel lezers op jacht gaan naar geschenken voor belangrijke anderen. Een watt-balanskit kan het perfecte cadeau zijn voor de natuurkundige die alles al heeft.
Referentie: http://arxiv.org/abs/1412.1699 : Een LEGO Watt-balans: een apparaat om de definitie van massa te demonstreren op basis van de nieuwe SI