1.1 Kuantiti Fizik
Definisi dan Perwakilan
Boleh diukur: Kuantiti fizik ialah nilai yang boleh ditentukan melalui pengukuran, bermaksud nilai ini boleh diperoleh dengan menggunakan alat pengukuran seperti pembaris, jam randik, penimbang atau termometer, dan bukannya berdasarkan anggaran atau perasaan semata-mata, supaya hasil yang diperoleh adalah tepat, konsisten dan boleh dipercayai.
Gabungan tiga unsur: Kuantiti fizik ditunjukkan melalui simbol, nilai berangka, dan unit ukuran, di mana ketiga-tiga unsur ini mesti hadir bersama supaya sesuatu pengukuran mempunyai maksud yang jelas, boleh dibandingkan dengan ukuran lain, dan boleh difahami secara saintifik oleh semua orang.
Contoh kuantiti: Contohnya, “8 m” merujuk kepada jarak dengan nilai 8 dan unit meter, yang menunjukkan sejauh mana sesuatu objek bergerak atau dipisahkan dari satu titik ke titik yang lain dengan ukuran yang khusus dan tepat.
Sistem Unit Pengukuran
Sistem piawaian: Sistem Unit Antarabangsa digunakan secara global untuk semua pengukuran saintifik supaya saintis dan pelajar di seluruh dunia menggunakan unit yang sama, sekali gus memudahkan perbandingan data dan perkongsian maklumat sains.
Mudah digunakan: Sistem ini berasaskan gandaan 10, yang menjadikan penukaran unit seperti daripada meter ke kilometer lebih mudah dan cepat kerana hanya melibatkan pendaraban atau pembahagian dengan 10, 100 atau 1000.
Kekangan sistem lama: Unit seperti inci, kaki dan batu lebih sukar digunakan kerana tidak berasaskan gandaan 10, menyebabkan penukaran unit menjadi rumit dan oleh itu semakin jarang diamalkan dalam bidang sains moden.
Kuantiti Asas
Tidak boleh diterbit: Kuantiti asas tidak boleh diperoleh daripada kuantiti fizik lain kerana ia merupakan kuantiti paling asas yang menjadi asas kepada semua pengukuran lain dalam fizik.
Tujuh kuantiti: Kuantiti asas dan unit piawai ialah kuantiti penting yang telah dipersetujui secara antarabangsa sebagai asas dalam sains fizik, dan digunakan untuk membina serta menerangkan semua kuantiti fizik yang lain, iaitu:
- Panjang (l): meter (m), digunakan untuk mengukur jarak atau saiz sesuatu objek, contohnya panjang meja atau tinggi bangunan.
- Jisim (m): kilogram (kg), digunakan untuk mengukur jumlah bahan dalam sesuatu objek tanpa mengira bentuk atau saiznya.
- Masa (t): saat (s), digunakan untuk mengukur tempoh atau selang masa sesuatu peristiwa berlaku.
- Suhu (T): kelvin (K), digunakan untuk mengukur tahap kepanasan atau kesejukan sesuatu bahan secara saintifik.
- Arus elektrik (I): ampere (A), digunakan untuk mengukur kadar aliran cas elektrik dalam sesuatu litar.
- Keamatan cahaya (Iᵥ): candela (cd), digunakan untuk mengukur kecerahan sumber cahaya yang dapat dilihat.
- Kuantiti bahan (n): mol (mol), digunakan untuk mengukur bilangan zarah seperti atom atau molekul dalam sesuatu bahan.
Kuantiti Terbitan
Gabungan asas: Kuantiti terbitan diperoleh daripada gabungan kuantiti asas secara matematik, yang bermaksud kuantiti ini tidak berdiri sendiri tetapi terbentuk apabila 2 atau lebih kuantiti asas digabungkan menggunakan operasi matematik seperti darab atau bahagi untuk menerangkan situasi fizikal yang lebih kompleks dalam kehidupan sebenar.
Luas (A): l × l; unit: m², digunakan untuk mengukur saiz permukaan sesuatu objek, iaitu untuk mengetahui berapa besar kawasan yang diliputi oleh objek tersebut seperti permukaan meja, lantai bilik atau kawasan tanah.
Isi padu (V): l × l × l; unit: m³, digunakan untuk mengukur jumlah ruang yang dipenuhi oleh sesuatu objek, contohnya ruang di dalam kotak, botol atau bekas yang boleh diisi dengan cecair atau gas.
Ketumpatan (ρ): m/V; unit: kg m⁻³, digunakan untuk menunjukkan betapa padat sesuatu bahan dengan membandingkan jisim bahan tersebut terhadap isipadunya, di mana bahan yang mempunyai jisim besar dalam isipadu kecil dianggap lebih tumpat.
Halaju (v): l/t; unit: m s⁻¹, digunakan untuk mengukur kelajuan dan arah pergerakan sesuatu objek, bermaksud bukan sahaja seberapa laju objek bergerak tetapi juga ke arah mana objek itu bergerak.
Pecutan (a): v/t; unit: m s⁻², digunakan untuk mengukur kadar perubahan halaju, iaitu untuk menentukan sama ada sesuatu objek sedang bergerak semakin laju, semakin perlahan atau menukar arah pergerakan.
Daya (F): m × a; unit: kg m s⁻², digunakan untuk menerangkan tolakan atau tarikan yang bertindak ke atas objek, yang boleh menyebabkan objek bergerak, berhenti, berubah kelajuan atau berubah bentuk.
Tekanan (P): F/A; unit: kg m⁻¹ s⁻², digunakan untuk mengukur daya yang bertindak ke atas sesuatu kawasan tertentu, di mana daya yang sama akan menghasilkan tekanan yang berbeza jika kawasan sentuhan berbeza.
Tenaga atau kerja (W): F × l; unit: kg m² s⁻², digunakan untuk menerangkan keupayaan melakukan kerja, iaitu keupayaan untuk menggerakkan objek atau menyebabkan perubahan apabila daya dikenakan sepanjang suatu jarak.
Momentum (p): m × v; unit: kg m s⁻¹, digunakan untuk menunjukkan kesan pergerakan sesuatu objek, di mana objek yang lebih berat atau bergerak lebih laju akan mempunyai momentum yang lebih besar dan lebih sukar untuk dihentikan.
Cas elektrik (Q): I × t; unit: A s, digunakan untuk mengukur jumlah cas elektrik yang mengalir dalam suatu tempoh masa, yang penting untuk memahami bagaimana arus elektrik bergerak dalam litar elektrik.
Skalar dan Vektor
Dua jenis kuantiti: Kuantiti fizik dibahagikan kepada skalar dan vektor berdasarkan sama ada arah diperlukan atau tidak, iaitu untuk menentukan sama ada sesuatu kuantiti hanya memerlukan nilai sahaja atau memerlukan nilai bersama arah tertentu.
Skalar tanpa arah: Mempunyai magnitud sahaja tanpa arah, bermaksud kuantiti ini hanya perlu dinyatakan dengan satu nilai dan unit tanpa perlu menyebut arah pergerakan atau tindakan.
Contoh skalar: Panjang, jisim, masa, suhu, tenaga, kerja, jarak, laju, luas, isi padu dan ketumpatan, yang semuanya boleh dinyatakan dengan satu nilai sahaja kerana arah tidak mempengaruhi maksud kuantiti tersebut.
Vektor berarah: Mempunyai magnitud dan arah, bermaksud kedua-dua nilai dan arah mesti dinyatakan bersama supaya makna kuantiti ini lengkap dan tidak mengelirukan.
Contoh vektor: Sesaran, halaju, pecutan, momentum dan daya, yang semuanya memerlukan arah untuk difahami dengan betul kerana arah menentukan kesan sebenar kuantiti tersebut.
Imbuhan dan Bentuk Piawai
Fungsi imbuhan: Digunakan untuk meringkaskan nilai yang sangat besar atau sangat kecil supaya nombor lebih mudah ditulis, dibaca dan dibandingkan dalam pengiraan saintifik, terutamanya apabila nilai tersebut melibatkan banyak angka sifar yang boleh mengelirukan pelajar jika ditulis sepenuhnya.
Kuasa sepuluh: Imbuhan berdasarkan gandaan kuasa sepuluh, yang bermaksud setiap imbuhan mewakili pendaraban atau pembahagian dengan 10 dalam bentuk indeks, dan ini membantu pelajar memahami hubungan saiz antara unit dengan lebih sistematik.
Senarai imbuhan biasa: Imbuhan berikut sering digunakan dalam sains untuk mewakili nilai yang besar atau kecil dengan lebih ringkas, supaya ukuran dapat ditulis dengan cara yang kemas tanpa mengubah nilai sebenar kuantiti tersebut:
- Tera (T): 10¹², digunakan untuk nilai yang sangat besar seperti tenaga atau kuasa pada skala industri.
- Giga (G): 10⁹, biasa digunakan dalam teknologi dan sains komputer untuk data dan tenaga.
- Mega (M): 10⁶, digunakan untuk nilai sederhana besar seperti kuasa enjin atau tenaga.
- Kilo (k): 10³, sering digunakan dalam kehidupan harian seperti kilometer dan kilogram.
- Hekto (h): 10², digunakan untuk beberapa ukuran tertentu seperti tekanan udara.
- Deka (da): 10¹, jarang digunakan tetapi masih termasuk dalam sistem imbuhan.
- Desi (d): 10⁻¹, digunakan untuk ukuran yang sedikit lebih kecil daripada unit asas.
- Senti (c): 10⁻², sangat biasa digunakan seperti dalam sentimeter.
- Mili (m): 10⁻³, digunakan untuk ukuran kecil seperti mililiter dan milimeter.
- Mikro (μ): 10⁻⁶, digunakan untuk ukuran yang sangat kecil seperti sel dan bakteria.
- Nano (n): 10⁻⁹, digunakan dalam sains bahan dan nanoteknologi.
- Piko (p): 10⁻¹², digunakan untuk ukuran yang amat kecil seperti cas zarah.
Tujuan bentuk piawai: Memudahkan penulisan nombor yang terlalu besar atau terlalu kecil dengan cara yang lebih kemas dan mudah difahami, tanpa menjejaskan nilai sebenar nombor tersebut dalam pengiraan saintifik.
Format piawai: Ditulis sebagai A × 10ⁿ, dengan 1 ≤ A < 10 dan n ialah integer, supaya nombor hanya mempunyai satu digit bukan sifar di hadapan titik perpuluhan dan lebih mudah dibandingkan antara satu sama lain.
Contoh bentuk piawai: Contoh berikut menunjukkan bagaimana nilai sebenar yang sangat besar atau kecil ditulis menggunakan bentuk piawai supaya lebih ringkas tetapi masih tepat secara saintifik:
- Jisim Matahari: 1.989 × 10³⁰ kg, menunjukkan jisim yang sangat besar pada skala astronomi.
- Jarak ke Pluto: 6 × 10¹² m, menunjukkan jarak yang amat jauh dalam sistem suria.
- Jejari atom hidrogen: 5 × 10⁻¹¹ m, menunjukkan saiz yang sangat kecil pada skala atom.