PHY1001 · 1. hafta · Physics and Measurement: Introduction, Standards, mass, time, length, density and atomic mass, dimensional analysis, conversion of units.

Ölçüm, birimler ve boyut analizi

SI birimleri, ön ekler, birim dönüşümü, yoğunluk, mol hesabı, anlamlı rakam ve boyut analizi. Vizede formül bile gerektirmeyen bedava sorular buradan çıkar.

SI unitsbase quantityprefixunit conversiondensityatomic massmoledimensional analysisdimensionsignificant figuresorder of magnitude

Fizik I’in ilk haftası hafif görünür ama vizede en hızlı puan buradan gelir. Bir birim dönüşümü ya da “units of b?” sorusu bir dakikada biter. Ayrıca burada öğrendiğin birim kontrolü, ileride her soruda yanlış şıkları elemeye yarar: ivme sorusunda cevabı m/s çıkan formül yanlıştır, bitti.

Bu sayfadan çıkman gereken beş kural:

  1. Her sayının birimi vardır. Birimi hesap boyunca taşı, sadeleştir, sonuçta kontrol et.
  2. Toplanan iki terim aynı boyutta olmalı. Elma ile armut toplanmaz; metre ile saniye de.
  3. Dönüşüm = 1 ile çarpmak. 1000 m1 km\frac{1000\,\text{m}}{1\,\text{km}} bir kesirdir ve değeri 1’dir.
  4. Kare ve küp birimlerde dönüşüm faktörü de kare/küp olur. 1 m3=106 cm31\,\text{m}^3 = 10^6\,\text{cm}^3, 10210^2 değil.
  5. Anlamlı rakam: çarpmada en az anlamlı rakam, toplamada en az ondalık basamak kazanır.

SI birimleri ve temel büyüklükler

Mekanikte üç temel büyüklük (base quantity) var. Diğer her şey bunlardan türetilir.

BüyüklükBoyutSI birimiTanımı (özet)
uzunluk (length)Lmetre (m)ışığın boşlukta 1/299 792 458 s’de aldığı yol
kütle (mass)Mkilogram (kg)Planck sabitine bağlı tanım (2019’dan beri)
zaman (time)Tsaniye (s)sezyum-133 atomunun geçiş frekansına bağlı

Türetilmiş büyüklükler bu üçünün çarpımıdır: hız [v]=L/T[v] = \text{L/T}, ivme [a]=L/T2[a] = \text{L/T}^2, kuvvet [F]=M L T−2[F] = \text{M L T}^{-2}, yoğunluk [ρ]=M/L3[\rho] = \text{M/L}^3.

1 N=1 kg⋅m/s21 J=1 N⋅m=1 kg⋅m2/s21\,\text{N} = 1\,\text{kg}\cdot\text{m/s}^2 \qquad 1\,\text{J} = 1\,\text{N}\cdot\text{m} = 1\,\text{kg}\cdot\text{m}^2/\text{s}^2

Köşeli parantez [  ][\;] “boyutu” demek. [F][F] = kuvvetin boyutu.

Ön ekler (prefixes)

Ön ekSembolÇarpanÖn ekSembolÇarpan
nanon10−910^{-9}kilok10310^{3}
mikroμ10−610^{-6}megaM10610^{6}
milim10−310^{-3}gigaG10910^{9}
santic10−210^{-2}

Sınavda veri genelde ön ekli gelir (5.0 mm, 250 g, 3.0 μs). Formüle koymadan önce SI’ya çevir. g’yi kg’a çevirmeyi unutmak en sık kaybedilen puan.

Birim dönüşümü (conversion of units)

Yöntem: istemediğin birimi sadeleştiren, değeri 1 olan kesirlerle çarp.

Örnek 1. 90 km/h kaç m/s?

90 kmh⋅1000 m1 km⋅1 h3600 s=90 0003600 ms=25 m/s90\,\frac{\text{km}}{\text{h}}\cdot\frac{1000\,\text{m}}{1\,\text{km}}\cdot\frac{1\,\text{h}}{3600\,\text{s}} = \frac{90\,000}{3600}\,\frac{\text{m}}{\text{s}} = 25\,\text{m/s}

Kısa yol: km/h → m/s için 3.6’ya böl, m/s → km/h için 3.6 ile çarp. Hangisi? Sağduyu: m/s sayısı her zaman km/h sayısından küçüktür.

Alan ve hacimde dönüşüm

Birim karesi alınınca dönüşüm kesrinin de karesi alınır:

1 m3=(100 cm)3=106 cm31 cm2=(10−2 m)2=10−4 m21\,\text{m}^3 = (100\,\text{cm})^3 = 10^6\,\text{cm}^3 \qquad 1\,\text{cm}^2 = (10^{-2}\,\text{m})^2 = 10^{-4}\,\text{m}^2

Ayrıca 1 L=1000 cm3=10−3 m31\,\text{L} = 1000\,\text{cm}^3 = 10^{-3}\,\text{m}^3.

TUZAK · küpü unutmak. 5000 cm³’ü m³’e çevirirken 100’e bölüp 50 m³ yazmak. Doğrusu 5000/106=5.0×10−3 m35000/10^6 = 5.0\times10^{-3}\,\text{m}^3. Bir kova su 50 m³ olamaz; sağduyu kontrolü bu hatayı yakalar.

Yoğunluk ve atom kütlesi

Yoğunluk (density) birim hacimdeki kütle:

ρ=mV[ρ]=kg/m3\rho = \frac{m}{V} \qquad [\rho] = \text{kg/m}^3

Pratik birim g/cm³: 1 g/cm3=10−3 kg10−6 m3=1000 kg/m31\,\text{g/cm}^3 = \dfrac{10^{-3}\,\text{kg}}{10^{-6}\,\text{m}^3} = 1000\,\text{kg/m}^3. Su yaklaşık 1.00 g/cm³, alüminyum 2.70, demir 7.86, bakır 8.92.

Örnek 2. Yarıçapı 1.50 cm, yüksekliği 4.00 cm olan katı silindirin kütlesi 76.3 g. Yoğunluğu?

V = π r² h = π (1.50 cm)² (4.00 cm) = 28.3 cm³
ρ = m / V = 76.3 g / 28.3 cm³ = 2.70 g/cm³
SI: 2.70 × 1000 = 2.70 × 10³ kg/m³   (alüminyum)

Atom kütlesi (atomic mass) ve mol: bir elementin molar kütlesi MM (g/mol), 1 mol atomun gram cinsinden kütlesidir. 1 mol = NA=6.022×1023N_A = 6.022\times10^{23} tane.

n=mMN=n NAn = \frac{m}{M} \qquad N = n\,N_A

Alüminyumun M=27.0M = 27.0 g/mol. 27.0 g alüminyumda 6.022×10236.022\times10^{23} atom var. Bir atomun kütlesi: 27.0 g/6.022×1023=4.48×10−23 g27.0\,\text{g} / 6.022\times10^{23} = 4.48\times10^{-23}\,\text{g}.

Boyut analizi (dimensional analysis)

Bir denklemin iki tarafının, ve toplanan her terimin, boyutu aynı olmak zorunda. Bu basit kural üç tip soru üretir.

Tip 1: Sabitin birimi

x=pt2+qt4x = pt^2 + qt^4 (xx metre, tt saniye). Her terim metre olmalı:

[p] s2=m⇒[p]=m/s2[q] s4=m⇒[q]=m/s4[p]\,\text{s}^2 = \text{m} \Rightarrow [p] = \text{m/s}^2 \qquad [q]\,\text{s}^4 = \text{m} \Rightarrow [q] = \text{m/s}^4

Tip 2: Denklem boyutça doğru mu?

x=v0t+12at2x = v_0 t + \tfrac12 a t^2: [v0t]=LT⋅T=L[v_0 t] = \tfrac{\text{L}}{\text{T}}\cdot\text{T} = \text{L}, [at2]=LT2⋅T2=L[at^2] = \tfrac{\text{L}}{\text{T}^2}\cdot\text{T}^2 = \text{L}. Hepsi L, denklem boyutça tutarlı. 12\tfrac12 boyutsuz olduğundan bu analiz onu göremez.

TUZAK · boyutça doğru ≠ doğru. x=v0t+2at2x = v_0 t + 2at^2 da boyutça doğrudur ama fiziksel olarak yanlıştır. Boyut analizi sayısal katsayıları (½, 2, π) bulamaz; sadece yanlış denklemleri eler.

Tip 3: Üsleri bulmak

Örnek 3. Sarkacın periyodu T=k LagbT = k\,L^a g^b biçiminde olsun (kk boyutsuz). aa ve bb?

Adım 1. Her şeyi temel boyutlara aç:

T1=La (L T−2)b=La+b T−2b\text{T}^1 = \text{L}^a\,(\text{L}\,\text{T}^{-2})^b = \text{L}^{a+b}\,\text{T}^{-2b}

Adım 2. Her temel boyutun üssünü eşitle:

L:  0 = a + b
T:  1 = -2b      →  b = -1/2
                  →  a = +1/2

Sonuç: T=kL/gT = k\sqrt{L/g}. (Gerçek formülde k=2πk = 2\pi; boyut analizi bunu veremez.) M bu denklemde hiç yok; periyodun kütleye bağlı olmadığını da böylece görürsün.

Anlamlı rakamlar (significant figures)

Ölçüm sonucu, ölçüm aletinin hassasiyetinden fazlasını iddia edemez.

Sayma kuralları:

SayıAnlamlı rakamNeden
3.473sıfır olmayan her rakam
0.00522baştaki sıfırlar sadece yer tutucu
2.0504aradaki ve sondaki (ondalıktan sonra) sıfırlar anlamlı
1.20 × 10³3bilimsel gösterim belirsizliği kaldırır
1500belirsiz (2 ile 4 arası)bilimsel gösterimle yaz

İşlem kuralları:

  • Çarpma ve bölme: sonuç, en az anlamlı rakamı olan veri kadar anlamlı rakam taşır. 3.47×2.1=7.287→7.33.47 \times 2.1 = 7.287 \to 7.3.
  • Toplama ve çıkarma: sonuç, en az ondalık basamağı olan veri kadar ondalık taşır. 12.4+0.356+101=113.756→11412.4 + 0.356 + 101 = 113.756 \to 114.

İPUCU · ara adımda yuvarlama. Ara sonuçları hesap makinesinde tam bırak, sadece son cevabı yuvarla. Her adımda yuvarlarsan son basamak kayar ve şıklardan biriyle tutmayabilir.

Büyüklük mertebesi (order of magnitude)

Bir sayının 10’un en yakın kuvveti. 8.3×104→1058.3\times10^4 \to 10^5, 2.1×10−3→10−32.1\times10^{-3} \to 10^{-3}. Fermi tipi tahminlerde ve şık elemede işe yarar: bir arabanın kütlesi ∼103\sim10^3 kg, bir insanın boyu ∼100\sim10^0 m.

Sık yapılan hatalar

Yanlış düşünceDoğrusu
72 km/h = 72 m/s diye formüle koymakönce 3.6’ya böl: 20 m/s
km/h → m/s için 3.6 ile çarpmakböl. m/s sayısı daha küçük olmalı
1 m3=100 cm31\,\text{m}^3 = 100\,\text{cm}^3106 cm310^6\,\text{cm}^3, faktörün küpü alınır
g/cm³ değerini kg/m³ diye yazmak1000 ile çarp: 2.70 g/cm³ = 2700 kg/m³
Gramı kg’a çevirmeden F=maF = ma‘ya koymak250 g = 0.250 kg
[x]=[q]t4[x] = [q]t^4 ise [q]=m⋅s4[q] = \text{m·s}^4böl: [q]=m/s4[q] = \text{m/s}^4
Boyutça doğru denklem fiziksel olarak da doğrudurkatsayılar (½, 2π) kontrol edilemez
3.47×2.1=7.2873.47 \times 2.1 = 7.2872 anlamlı rakam: 7.3
Toplamada da en az anlamlı rakam kuralıtoplamada ondalık basamak sayılır
0.0052’de 5 anlamlı rakam varbaştaki sıfırlar sayılmaz: 2

Kendini test et

Sınavdaki gibi İngilizce sorular. Önce kâğıt kalemle çöz, sonra cevabı aç.

Soru 1kolay

The position of a particle is given by x=pt2+qt4x = pt^2 + qt^4, where xx is in meters and tt is in seconds. What are the SI units of qq?

  1. m/s²
  2. m/s⁴
  3. m·s⁴
  4. s⁴/m
  5. m/s³
Cevabı göster
B) m/s⁴

Toplanan her terim xx ile aynı birimde olmalı: [q] s4=m[q]\,\text{s}^4 = \text{m}, yani [q]=m/s4[q] = \text{m/s}^4. (a) şıkkı pp'nin birimi. (c) ve (d) bölmek yerine çarpmaktan veya ters çevirmekten gelir.

Soru 2kolay

A car travels at 108 km/h. What is its speed in m/s?

  1. 389 m/s
  2. 1.80 m/s
  3. 30.0 m/s
  4. 0.0300 m/s
  5. 108 m/s
Cevabı göster
C) 30.0 m/s

108 kmh⋅1000 m1 km⋅1 h3600 s=30.0 m/s108\,\tfrac{\text{km}}{\text{h}} \cdot \tfrac{1000\,\text{m}}{1\,\text{km}} \cdot \tfrac{1\,\text{h}}{3600\,\text{s}} = 30.0\,\text{m/s}. Kısa yol: 3.6'ya böl. 389 m/s 3.6 ile çarpmaktan, 1.80 m/s 60'a bölmekten, 0.0300 m/s km'yi m'ye çevirmeyi unutmaktan gelir.

Soru 3orta

A solid metal cube has edge length 2.00 cm and mass 71.4 g. What is its density in kg/m³?

  1. 8.93 kg/m³
  2. 893 kg/m³
  3. 1.79 × 10⁴ kg/m³
  4. 8.93 × 10³ kg/m³
  5. 8.93 × 10⁶ kg/m³
Cevabı göster
D) 8.93 × 10³ kg/m³

V=(2.00 cm)3=8.00 cm3V = (2.00\,\text{cm})^3 = 8.00\,\text{cm}^3, ρ=71.4/8.00=8.93 g/cm3\rho = 71.4/8.00 = 8.93\,\text{g/cm}^3. 1 g/cm3=1000 kg/m31\,\text{g/cm}^3 = 1000\,\text{kg/m}^3 olduğundan ρ=8.93×103 kg/m3\rho = 8.93\times10^3\,\text{kg/m}^3. (a) dönüşüm yapılmamış, (b) 100 ile çarpılmış, (c) hacim yerine a2a^2 kullanılmış (71.4/4=17.9 g/cm371.4/4 = 17.9\,\text{g/cm}^3), (e) dönüşüm ters yönde yapılmış.

Soru 4orta

The period of a simple pendulum is assumed to be T=k LagbT = k\,L^a g^b, where LL is the length (m), gg is the free-fall acceleration (m/s²) and kk is dimensionless. What are aa and bb?

  1. a = 1, b = −1
  2. a = ½, b = ½
  3. a = −½, b = ½
  4. a = ½, b = −½
  5. a = 2, b = −1
Cevabı göster
D) a = ½, b = −½

[T]=T[T] = \text{T}, [Lagb]=La(L T−2)b=La+bT−2b[L^a g^b] = \text{L}^a(\text{L}\,\text{T}^{-2})^b = \text{L}^{a+b}\text{T}^{-2b}. Eşitle: L için a+b=0a + b = 0, T için −2b=1-2b = 1. Buradan b=−12b = -\tfrac12, a=12a = \tfrac12, yani T=kL/gT = k\sqrt{L/g}. (c) işaretleri ters: g/L\sqrt{g/L} birimi 1/s olur.

Soru 5kolay

In the equations below, xx is position, vv and v0v_0 are velocities, aa is acceleration and tt is time. Which one is dimensionally correct?

  1. x=atx = at
  2. v=at2v = at^2
  3. v2=v02+2axv^2 = v_0^2 + 2ax
  4. x=v/tx = v/t
  5. v=v0+axv = v_0 + ax
Cevabı göster
C) v² = v₀² + 2ax

Üç terimin de boyutu L2T−2\text{L}^2\text{T}^{-2}: [v2]=(L/T)2[v^2] = (\text{L/T})^2 ve [ax]=(L/T2)(L)=L2/T2[ax] = (\text{L/T}^2)(\text{L}) = \text{L}^2/\text{T}^2. Diğerlerinde iki taraf farklı: atat hızdır (L/T), at2at^2 uzunluktur, v/tv/t ivmedir, axax ise L2/T2\text{L}^2/\text{T}^2 olur ve hızla toplanamaz.

Soru 6kolay

A container holds 3.20 × 10⁵ cm³ of water. What is this volume in cubic meters?

  1. 32.0 m³
  2. 0.320 m³
  3. 3.20 × 10³ m³
  4. 320 m³
  5. 3.20 × 10¹¹ m³
Cevabı göster
B) 0.320 m³

1 m=100 cm1\,\text{m} = 100\,\text{cm} olduğundan 1 m3=106 cm31\,\text{m}^3 = 10^6\,\text{cm}^3. 3.20×105/106=0.320 m33.20\times10^5 / 10^6 = 0.320\,\text{m}^3. (a) 10410^4'e bölmek (uzunluk dönüşümünü sadece iki kez uygulamak), (c) 100'e bölmek (küp almayı unutmak), (d) litreye çevirmek (1 L = 1000 cm³) ve birimi m³ sanmak.

Soru 7kolay

A rectangular plate measures 3.47 m by 2.1 m. Reported with the correct number of significant figures, its area is:

  1. 7.287 m²
  2. 7.29 m²
  3. 7.3 m²
  4. 7 m²
  5. 7.30 m²
Cevabı göster
C) 7.3 m²

Çarpma/bölmede sonuç, en az anlamlı rakamı olan sayı kadar anlamlı rakam taşır. 2.1 iki anlamlı rakamlı: 3.47×2.1=7.287→7.3 m23.47 \times 2.1 = 7.287 \to 7.3\,\text{m}^2. 7.30 üç anlamlı rakam gösterir, fazla.

Soru 8orta

Three lengths are added: 12.4 m + 0.356 m + 101 m. With correct significant figures the sum is:

  1. 113.756 m
  2. 113.76 m
  3. 113.8 m
  4. 114 m
  5. 110 m
Cevabı göster
D) 114 m

Toplama/çıkarmada kural farklı: sonuç, en az ondalık basamaklı terim kadar ondalık taşır. 101 m'nin ondalığı yok. Ham toplam 113.756 → 114 m. 113.8 çarpma kuralını uygulamaya çalışanların cevabı.

Soru 9orta

Aluminum has a molar mass of 27.0 g/mol. How many atoms are in a 54.0 g aluminum block? (N_A = 6.022 × 10²³ mol⁻¹)

  1. 3.01 × 10²³
  2. 1.20 × 10²⁴
  3. 3.25 × 10²⁵
  4. 1.20 × 10²¹
  5. 3.32 × 10⁻²⁴
Cevabı göster
B) 1.20 × 10²⁴

n=m/M=54.0/27.0=2.00 moln = m/M = 54.0/27.0 = 2.00\,\text{mol}. N=nNA=2.00×6.022×1023=1.20×1024N = nN_A = 2.00 \times 6.022\times10^{23} = 1.20\times10^{24} atom. (a) M/mM/m alınmış, (c) kütle doğrudan NAN_A ile çarpılmış, (d) kütle kg'a çevrilip g/mol ile bölünmüş (birim uyuşmazlığı), (e) NAN_A'ya bölünmüş.

Soru 10orta

The drag force on a fast-moving object is modeled as F=kv2F = kv^2, where FF is in newtons and vv is in m/s. Express the SI unit of kk in terms of base units.

Cevabı göster
kg/m

[k]=[F]/[v2]=kg⋅m/s2m2/s2=kg/m[k] = [F]/[v^2] = \dfrac{\text{kg}\cdot\text{m/s}^2}{\text{m}^2/\text{s}^2} = \text{kg/m}. Önce newtonu temel birimlere aç: 1 N=1 kg⋅m/s21\,\text{N} = 1\,\text{kg}\cdot\text{m/s}^2.

Soru 11kolay

A marathon is 42.195 km long. A runner finishes in exactly 3.00 h. What is the runner's average speed in m/s?

Cevabı göster
3.91 m/s

vˉ=42 195 m3.00×3600 s=42 19510 800=3.91 m/s\bar v = \dfrac{42\,195\,\text{m}}{3.00 \times 3600\,\text{s}} = \dfrac{42\,195}{10\,800} = 3.91\,\text{m/s}. Süre 3 anlamlı rakamlı, cevap da 3 anlamlı rakam.

Soru 12kolay

Two solid cubes are made of the same material. The edge of cube B is twice the edge of cube A. The mass of B is how many times the mass of A?

  1. 2
  2. 4
  3. 6
  4. 8
  5. 16
Cevabı göster
D) 8

Yoğunluk aynı, kütle hacimle orantılı: m=ρa3m = \rho a^3. Kenar 2 katına çıkınca mm 23=82^3 = 8 katına çıkar. 4 yüzey alanının oranı (a2a^2), 6 küpün yüz sayısı.

Doğrulama: Tüm sayısal cevaplar ve çeldiriciler node ile hesaplandı (verify/PHY1001/01.mjs). Boyut analizi sonuçları üsler denklemi çözülerek kontrol edildi.

Deftere not kartı

SI temel: uzunluk m [L], kütle kg [M], zaman s [T] 1 N = 1 kg·m/s² → [F] = M L T⁻² km/h → m/s: 3.6'ya böl (72 km/h = 20 m/s, 108 km/h = 30 m/s) 1 m² = 10⁴ cm² 1 m³ = 10⁶ cm³ = 1000 L 1 g/cm³ = 1000 kg/m³ Ön ek: n 10⁻⁹ μ 10⁻⁶ m 10⁻³ c 10⁻² k 10³ M 10⁶ G 10⁹ Yoğunluk ρ = m/V mol n = m/M atom N = n·N_A (6.022e23) Boyut kuralı: toplanan terimler AYNI boyut; sin, cos, e^x içi boyutsuz Üs bulma: her temel boyut için (M, L, T) ayrı denklem kur, çöz Çarp/böl: en az ANLAMLI RAKAM kadar (3.47 × 2.1 = 7.3) Topla/çıkar: en az ONDALIK basamak kadar (12.4 + 101 = 113) Baştaki sıfırlar anlamlı değil: 0.0052 → 2 anlamlı rakam Boyut analizi sayısal katsayıyı (½, 2π) bulamaz