درسنامه آموزشی فیزیک هنرستان با پاسخ فصل 3: حالتهای ماده و فشار
در کتاب علوم تجربی پایۀ نهم، با برخی پدیدههایی که به موضوع فشار مربوط میشود آشنا شدهاید. در این فصل هم با طرح پرسشهای دیگر (شکل 3-1)، ابتدا به حالتهای مختلف مواد، با توجه به میزان تراکمپذیری و چگالی آنها، پرداخته میشود. سپس پدیدهها و مثالهای دیگری درباره فشار، با کمی دقت بیشتر، مورد بررسی قرار میگیرد.
1-3 حالتهای مختلف ماده
الف) حالت جامد: در اجسام جامد فاصلۀ مولكولها از يكديگر (درحدود يک آنگستروم یا 1∘A=10−10m مانند فاصلۀ مولكولها در حالتِ مايع است. در اين حالت فاصلۀ مولكولها بسيار كمتر از فاصلۀ مولکولها در حالت گاز است (شکل 3-2 الف).
مولكولهای جامد به دلیل نیروی بین مولکولی قوی درجای خود قرار دارند و تنها در محل خود دارای حركت رفت و برگشت (نوسانی) هستند، به همين دليل تراكمپذير نیستند و حجم و شكل معينی دارند (شکل 3-2 ب).
ب) حالت مایع: فاصلۀ بين مولكولهای مایع كمی از فاصله بين آنها در حالت جامد بيشتر است، اين فاصله نيز تقریباً يك آنگستروم (1\overset{{}^\circ }{\mathop{A}}\,={{10}^{-10}}m) است. به دلیل كاهش نيروي بين مولكولی در مايعات، مولكولها روی يكديگر و درون مايع میلغزند و حركت میكنند. مايعات به شكل ظرف خود در مي آيند و تقريباً تراكم ناپذيرند (شکل 3-3)
ج) حالت گاز: فاصلۀ بين مولكولها در فاز گاز، آن قدر زياد میشود كه نيروی بين مولكولی از بين میرود، در نتيجه مولكولها آزادانه به اطراف در حركتاند و با يكديگر و با ديوارۀ ظرف خود برخورد میكنند. گازها شكل ثابت و حجم معينی ندارند و همواره تمام حجم ظرف خود را اشغال میكنند بنابراین حجم گاز برابر حجم ظرف است (شکل 3-4).
فکر کنید (صفحه 55 کتاب درسی)
چرا متراكم كردن يک بطری پلاستيكی دربستۀ پر از هوا، سادهتر از متراکم کردنِ یک بطری پلاستیکی دربسته محتوی آب است؟
کاربرد در صنعت و فناوری: حالت چهارم «پلاسما»
وقتی گازی تا دماهای بالا گرم میشود، بسياری از الكترونهايی كه هر اتم را احاطه كردهاند، از هسته آزاد میشوند. این حالت که مجموعهای از ذرات، بار الكتريكی دارند (مقادیر مساوی الكترونهای بار منفی و يونهای بار مثبت) پلاسما نامیده میشود. (شعلهٔ آتش، درون ستارگان و اطراف آنها، گاز داخل یک لامپ نئون، چاقوی پلاسما، دستگاه برشِ «CNC» و ... گونههایی از پلاسما و کاربرد آن هستند).
2-3 مواد در مقياس نانو
علم و فناوری نانو، توانايی در اختيار گرفتن ماده در ابعاد نانو (5 تا 10 اتم در كنار هم تقريباً به طول 1 نانومتر هستند) و بهرهبرداری از خواص جديد فيزيكی و شيميايی اين بُعد از مواد در ابزارها و دستگاههای نوين است (شکل 3-5). در واقع فناوری نانو به معنی انجام مهندسی مواد در ابعاد اتمی - مولكولی و در نتيجه ساخت موادی با خواص متفاوت در ابعاد نانو است. به بيان ديگر اگر مادهای را تا حد يك دانه شكر كوچک كنيم، خواص آن تقريباً مشابه همان ماده اوليه است؛ اما وقتی ميزان كوچکتر شدن (حتی فقط در يک بعد از سه بعدش) به ابعاد نانومتری برسد، خواص ماده به گونهای تغيير میكند كه ديگر قوانين معمولی فيزيک خواص آن را توجیه نمیکند زيرا اين تغييرات میتواند شامل تغيير رنگ، شفافيت، واكنشپذيری و خواص مغناطيسی و... باشد؛ مثلاً رنگ نانو ذرات طلا میتواند آبی، زرد يا قرمز باشد (شکل 3-6) و یا نقطه ذوب قطعۀ نانويی طلا {{427}^{{}^\circ }}C است، در صورتی كه نقطه ذوب طلای معمولی {{1062}^{{}^\circ }}C است.
تحقیق کنید(صفحه 57 کتاب درسی)
يكی از ويژگیهای مهم علم نانو میان رشتهای بودن آن است. تحقيق كنيد آيا در رشته تحصيلی شما، اين علم كاربردی دارد؟ نمونهای از آن را، به كلاس ارائه دهيد.
3-3 چگالی
در کتاب علوم تجربی پایۀ هفتم، نسبت جرم به حجم چند جسم را محاسبه کردید و با مفهوم چگالی آشنا شدید. همچنین دیدید هنگامی که چند جسم مختلف در داخل آب قرار داده میشوند، چه اتفاقی میافتد (شکل 3-7). در این بخش نیز بیشتر با این مفهوم آشنا خواهید شد.
مفهوم و رابطۀ چگالی: يكی از ويژگیهای فیزیکی هر ماده در همۀ فازها (جامد، مايع، گاز) چگالی است. جرم اتمها و فاصلۀ بين آنها (حجم يا فضای اشغال شده) در يک ماده، چگالی آن را تعيين میکند. چگالی معياری از تراکم ماده و مقدارِ جِرمی است كه در فضايی مشخص وجود دارد. نسبت جرم (با نماد m) به حجم (با نماد V) هرجسمی را چگالی (با نماد \rho ) آن جسم مینامند.
\rho =\frac{m}{V}
چگالی نسبی: نسبت چگالی یک جسم به چگالی جسم دیگر، چگالی نسبی ناميده میشود و کمّیتی بدون یکا است. معمولاً چگالی جامدات و مایعات را با چگالی آب خالص ({{4}^{{}^\circ }}C) مقایسه میکنند و چگالی گازها را با چگالی هوا مقایسه میکنند.
d=\frac{{{\rho }_{2}}}{{{\rho }_{1}}}
در مایعی با مواد مخلوط نشدنی، اجسام با چگالی بیشتر پایینتر از اجسام با چگالی کمتر، قرار میگیرند. به همین دلیل از آنجا که چگالی آب ({{4}^{{}^\circ }}C) برابر 1\frac{g}{c{{m}^{3}}} است، هر جسم با چگالی کمتر از آن روی آب شناور میشود. مطابق شکل 3-8 روغن به دلیل چگالی کمتر از آب، روی آب قرار میگیرد.
فکر کنید (صفحه 58 کتاب درسی)
چرا ورزشکاران درهنگام استراحتهای کوتاه، باید به جای آب از نوشیدنیهای معدنی ویژه استفاده کنند؟
فکر کنید (صفحه 58 کتاب درسی)
در یک آزمایش تشخیص طبی، قند خون ناشتای شخصی 78\frac{mg}{dlit} است. مفهوم این نتیجه آزمایش چیست؟
جامد | چگالی | مایع | چگالی | گاز (در دمای {{20}^{{}^\circ }}C) | چگالی |
طلا | 19320 | جیوه | 13600 | کلر | 2/994 |
سرب | 11300 | گلیسیرین | 1260 | کربن دی اکسید | 1/98 |
مس | 8900 | خون | 1050 | کربن مونو اکسید | 1/465 |
فولاد | 7900 | چدن مذاب | 6800 | اکسیژن | 1/43 |
آلومینیوم | 2700 | آب در {{4}^{{}^\circ }}C | 1000 | هوا | 1/29 |
پودر سیمان | 1800 | آلومینیوم مذاب | 2350 | آمونیاک | 0/77 |
یخ | 920 | روغن ذرت | 900 | متان | 0/668 |
چوب گردو | 650 | نفت | 830 | هلیم | 0/166 |
چوب پنبه | 250 | الکل | 800 | هیدروژن | 0/089 |
تمرين کنيد (صفحه 59 کتاب درسی)
الف) چگالی چوب پنبه و مس را، با توجه به مقادیر جدول 3-1 برحسب (\frac{g}{c{{m}^{3}}}) محاسبه کنید.
ب) حجم 1kg چوبپنبه بيشتر است يا 1kg مس؟
پ) جرم 1c{{m}^{3}} چوبپنبه بیشتر است یا 1c{{m}^{3}} مس؟
تمرين کنيد (صفحه 59 کتاب درسی)
درون یک بوتۀ ذوب فلزات 24/2kg از آلومينيوم مذاب پرشده است. با توجه به جدول 3-1 تعیین کنید:
الف) حجم داخلی این بوته برحسب دسیمتر مکعب
ب) در این بوته بهجای آلومینیوم مذاب چند کیلوگرم چدن مذاب جای میگیرد؟
پ) اگر تمام آلومینیوم مذاب در داخل یک قالب ریخته شود، حجم آن پس از سرد شدن چند c{{m}^{3}} خواهد شد؟
4-3 مفهوم فشار
شاید کاربرد پمپ را در منازل، بهویژه در آپارتمانها دیده باشید، یا وقتی دهانۀ لوله خروجی هوای یک تلمبه دستی دوچرخه را میبندید و پیستون تلمبه را به سمت داخل میبرید، فشار هوای محبوس در تلمبه را احساس کرده باشید. در شکل 3-9 هر چه سطح تماس فرد با میخها بیشتر باشد، اثر میخها را کمتر احساس میکند. این مثالها کفایت میکند تا مفهوم فشار و تفاوتش با نیرو را به خوبی درک کنیم.
در درس علوم تجربی پایه نهم دیدید که جامدها بر سطح تکیهگاه خود و شارهها بر دیوارۀ ظرفشان و بر سطح هر جسم یکه در داخل آنها قرارگیرد، فشار وارد میکنند. فشار برابر است با بزرگی نیرویی که عمود بر یکای سطح وارد میشود.
P=\frac{F}{A}\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\,\left( \frac{N}{{{m}^{2}}} \right)
در اين رابطه، F نيروی عمودی از طرف جسم جامد، و يا شاره برحسب نيوتن (N) و A مساحت سطح تماس برحسب مترمربع ({{m}^{2}}) است.
فشار کمیتی نردهای و فرعی با یکای پاسکال (Pa) است. یعنی یک پاسکال برابر با نیروی عمودی 1N وارد بر سطح 1{{m}^{2}} است که برای اندازهگیری فشارهای بسیارکم از آن استفاده میشود؛ مثلاً فشار یک برگ اسکناس روی میز، حدود یک پاسکال است. در این فصل با واحدهای بزرگتر، که در صنعت نیز کاربرد دارند، آشنا خواهید شد.
تحقیق کنید (صفحه 60 کتاب درسی)
حادثهای که در عکس مشاهده میکنید، در آوریل سال 1988 میلادی، وقتی هواپیما بویینگ 737 در ارتفاع 7/3\times {{10}^{3}} متری، پرواز میکرد، رخ داده است، تحقیق کنید که این حادثه، به چه علت رخ داده و چه ارتباطی با مفهوم فشار داشته است؟
5-3 فشار شارهها
در بخش اول این فصل اشاره شد، شارهها حتی اگر ساکن هم باشند، مولکولهای آنها در حرکتاند و همین برخورد مولکولها به اطراف خود، سبب بهوجود آمدن نیروی شاره میگردد. این نیرو نیز عامل بهوجود آورندۀ فشار است، که مقدارش بر هر سطح فرضی درون شاره، از رابطۀ(P = \frac{F}{A}) قابل محاسبه است.
در این بخش، ابتدا با فشار در مایعات آشنا میشوید، سپس با توجه بهویژگی مشترک شارهها، میتوانید فشار در گازها را نیز بررسی کنید.
1-5-3 محاسبه اختلاف فشار دو نقطه در مایع ساکن: همانند شکل 3-10 در ظرفی محتوی مایع ساکن با چگالی \rho ، یک استوانۀ فرضی به ارتفاع h و مساحت قاعده A در نظر میگیریم. با توجه به تعادل مایع، برایند نیروهای وارد بر این استوانه در راستای قائم (و هر راستای دلخواه) یعنی وزنش (W) و نیروها {{F}_{1}} و {{F}_{2}}، که از پایین و بالا از طرف مایع زیرین و رویی این استوانه بر آن وارد میشوند، صفر است. بر مبنای آنچه از برایند بردارها در فصل اول آموختهاید میتوان نوشت:
\sum{{{F}_{y}}=0\to {{F}_{2}}-{{F}_{1}}-W=0}
\underrightarrow{W=mg=(\rho V)g=(\rho Ah)g\,\,\,}
{{P}_{2}}A-{{P}_{1}}A=\rho ghA
{{P}_{2}}-{{P}_{1}}=\rho gh
تمرين کنيد (صفحه 62 کتاب درسی)
در شکل زیر، اختلاف فشار بین دو نقطۀ A و B چند کیلو پاسکال است؟
چگالی مایع 8\times {{10}^{3}}\frac{g}{Lit}، AB=13cm، AC=12cm است.
2-5-3 فشار هوا
فشار هوا چگونه به وجود میآید؟ همانطور كه فشار آب را وزن مولکولهای آب بهوجود میآورد، اطراف کرۀ زمين نیز، تا ارتفاع معینی مولکولهای هواست و چون هوا دارای جرم است، به علت وزنش فشاری وارد میکند که «فشار هوا» نام دارد (شکل 3-11). روشهای مختلفی برای اندازهگیری فشار هوا وجود دارد. یکی از مهمترین روشها، آزمایش توریچلی است.
3-5-3 آزمایش توریچلی: براساس طرح آزمایش توریچلی (شکل 3-12)، لولۀ یک سر بستهای به طول حدود 1 متر را از جیوه پر کرده و با بستن دهانۀ آن به کمک دست لوله را بر میگردانیم و در ادامه، دهانهٔ آن را در داخل تشتکی محتوی جیوه فرو میبریم. با برداشتن دست خود از دهانهٔ لوله مقداری جیوه از لوله پایین میآید و در ارتفاع معینی ثابت میماند. اگر آزمایش در سطح دریای آزاد و در هوای آرام انجام شده باشد، این ارتفاع 76 سانتیمتر خواهد شد. در شکل 3-13 فشار نقطهٔ A، فشار هوا است و به دلیل هم ترازی نقاط A و B، که هر دو به مایع جیوه مربوطاند، میتوان نوشت:
{P_A} = {P_B} = {P_0}
از طرفی فشار {{P}_{B}} همان فشار ستون جیوه مربوط به بالای نقطه B است:
{P_0} = {P_B} = \rho gh = (1/36 \times {10^4}\frac{{kg}}{{{m^3}}}) \times (9/8\frac{N}{{kg}}) \times (7/6 \times {10^{ - 1}}m)
\to {P_0} = 1/01 \times {10^5}Pa \cong {10^5}Pa
تمرين کنيد (صفحه 63 کتاب درسی)
فشار مایعی در کف ظرف 150cmHg است. بررسی کنید نیرویی که از مایع به کف ظرف وارد میشود چند نیوتون است؟
({{\rho }_{Hg}}=1/36\times {{10}^{4}}\frac{kg}{{{m}^{3}}},\,g=10\frac{N}{kg},\,A=20c{{m}^{2}})
فکر کنید (صفحه 63 کتاب درسی)
ارتفاع قله اورست، در حدود 8848 متر است. به کوهنوردانی که قصد صعود به این قله را دارند، همواره توصیه میشود که حتماً کپسول اکسیژن به همراه داشته باشند. به نظر شما، این موضوع چه ارتباطی به مفهوم فشار هوا دارد؟
4-5-3 محاسبهٔ فشار در یک نقطه در داخل شاره: در بخش 3-5-1 نشان داده شد که اختلاف فشار دو نقطه درون مایع از رابطهٔ {{P}_{2}}-{{P}_{1}}=\rho gh محاسبه میشود. حال اگر نقطه 1 را درسطح آزاد مایع در نظر بگیریم ({P_1} = {P_0})، در این صورت فشار در هر نقطه در عمق h، از سطح آزاد مایع (مانند نقطه 2) از رابطه زیر بهدست میآید که آن را فشار کل یا واقعی شاره در نقطه 2 مینامیم:
{P_2} = \rho gh + {P_0}
تمرين کنيد (صفحه 64 کتاب درسی)
فشار هوا بر سطح مایعی به چگالی 4/5\frac{g}{c{{m}^{3}}} برابر با 75cmHg است. اگر چگالی جیوه 1/36\times {{10}^{1}}\frac{g}{c{{m}^{3}}} و g=10\frac{N}{kg} باشد، فشار کل در عمق 40cm مایع، چند کیلوپاسکال و چند سانتیمتر جیوه است؟
فشار پیمانهای: در اندازهگیری فشارخون (شکل 3-14) یا فشار باد لاستیکها در واقع اختلاف فشار شاره با فشار هوای محیط محاسبه میشود. مثلاً اگر گفته شود فشار هوای درون یک لاستیک 2 اتمسفر (2atm) است، یعنی فشار هوای داخل لاستیک 2 اتمسفر از فشار هوای بیرون آن، بیشتر است. به این اختلاف فشار، «فشار پیمانهای» گفته میشود:
در فشارسنجهای U شکل (شکل 3-15) که درون آنها مایعی به چگالی \rho است، یک دهانه لوله به مخزن یا محفظهٔ شاره بسته میشود. حال اختلاف ارتفاع مایع در دو شاخه (h)، معرّف اختلاف فشار شارۀ موردنظر با هواست. یعنی:
= P - {P_0} = \rho gh فشار پیمانهای
کاربرد در صنعت و فناوری: انواع فشارسنجها
1- فشار سنجهایی که فشار را براساس ارتفاع مایع درونشان اندازهگیری میکنند:
الف) مانومترها که اختلاف فشار دو شاره را برحسب اختلاف ارتفاع مایع درون خود اندازه میگیرد. (با انواع U شکل، تفاضلی، پیزومتر)
ب) بارومترها که فقط فشار هوا را اندازه میگیرند (خشک، جیوهای).
2- فشارسنج بوردون برای اندازهگیری فشار پیمانهای شارهها به کار میرود (برای مثال در اندازهگیری باد لاستیک وسیلههای نقلیه).
3- فشار سنجهای دیجیتالی که تا ده بار را در دماهایی بین یک تا 50 درجۀ سلسیوس اندازهگیری میکنند.
نکته 1: فشارسنجها فشار پیمانهای، یعنی اختلاف فشار میان فشار واقعی شاره و فشارِ جَو را اندازه میگیرند و طوری درجهبندی شدهاند، که در فشار جَو، عدد صفر را نشان میدهند.
نکته 2: در اکثر فشارسنجهای صنعتی، فشار بر حسب psi و bar اندازهگیری میشود، که رابطه تبدیل آنها به صورت 1bar={{10}^{5}}Pa و 1psi\cong 6890Pa است.
5-5-3 اصل پاسکال: بر طبق این اصل، تغییر فشار در هر نقطه از شارۀ محبوس، ساکن و تراکم ناپذیر بدون تغییر به تمام نقاط شاره و دیوارههای اطراف منتقل میشود. وقتی در مرکز پمپاژ آب شهر، فشار 10 واحد زیاد شود، فشار در همۀ لولههای متصل به این دستگاه، به شرط اینکه آب لولهها ساکن باشد، 10 واحد زیاد میشود (شکل 3-16)
از دیگر کاربردهای فراوان این اصل میتوان در ترمز روغنی خودروها، لولههای کِرِم یا خمیردندان، دستگاه منگنهٔ آبی یا خردکردن کاغذ (شکل 3-17) و... را نام برد. همچنین در شکل 3-18 شیوه عملکرد ترمز یک خودرو را از نمایی نزدیکتر مشاهده میکنید.
|
|
یک کاربرد اصل پاسکال را میتوان در بالابرهای خودرو (دستی یا کمپرسوری) مورد بررسی قرار داد. در شکل 3-19 مشاهده میکنید که نیروی {{F}_{1}}، به پیستونی به مساحت {{A}_{1}} وارد میشود و فشار مایع در همهجا به میزان \frac{{{F}_{1}}}{{{A}_{1}}} زیاد میشود.
در نتیجه با توجه به اصل پاسکال در محل پیستون به مساحت {{A}_{2}} خواهیم داشت:
{{P}_{1}}={{P}_{2}}\to \frac{{{F}_{1}}}{{{A}_{1}}}=\frac{{{F}_{2}}}{{{A}_{2}}}
تمرين کنيد (صفحه 67 کتاب درسی)
در مثال قبل، فشار مخزن هوای متصل به پیستون کوچک، هنگام بلند کردن خودرو، چند پاسکال است؟
جمعبندی - نقشه مفهومی
چند پرسش (صفحه 70 کتاب درسی)
1- با استفاده از جدول 3-1 چه ارتباطی بین چگالی یک ماده و حالتهای مختلف آن (مانند آب، بخار آب و یخ) وجود دارد؟
2- در شکل زیر فشار درحالتهای مختلف باهم مقایسه شده است، برداشت خود را بیان کنید.
3- به کمک مفاهیم فشار و نیرو، تفاوت چاقوی تیز و کُند را در برش مواد غذایی بیان کنید.
4- با استفاده از یک فشارسنج چگونه میتوان ارتفاع یک آسمان خراش را اندازهگیری کرد؟
5- با تحقیق توضیح دهید، که در هر یک از وسایل زیر، چگونه فشار هوا یا اصل پاسکال، تأثیرگذار است؟
الف) پمپِ خلأ
ب) پمپِ مایع دستشویی
ج) سرنگ
د) دستگاه منگنهٔ آبی
6- چرا طبق اصول ایمنی آتشنشانی بر روی آتشناشی از نفت و بنزین، نباید آب پاشید؟
چند مسئله (صفحه 70 تا 71 کتاب درسی)
1- میانگین چگالی لایههای مختلف زمین 5/5\frac{g}{c{{m}^{3}}} و شعاع زمین تقریباً 6380km است. جرم زمین چند کیلوگرم است؟
2- حجم داخلی مخزنی برابر 60Lit است و با مایعی که چگالی نسبی آن (نسبت به آب) 0/72 است، پر شده است. جرم این مایع چند کیلوگرم است؟ (1\frac{g}{c{{m}^{3}}} چگالی آب است).
3- دستگاه شکل زیر در تعادل است.
نسبت چگالی دو مایع (d=\frac{{{\rho }_{2}}}{{{\rho }_{1}}}) چه اندازه است؟
({{h}_{1}}=30cm,\,\,{{h}_{2}}=12cm,\,\,{{h}_{3}}=20cm)
4- فشار در سطح آب و در کف دریاچهای به ترتیب 95kPa و 610kPa است. اگر چگالی آب دریاچه 1030\frac{kg}{{{m}^{3}}} و g=10\frac{N}{kg} باشد، عمق دریاچه چند متر است؟
5- در شکل زیر درون ظرف، مایعی با چگالی 6/8\frac{g}{c{{m}^{3}}} و فشار هوا 72cmHg است. ارتفاعی که این مایع در لوله بالا رفته است (h)، چند سانتیمتر است؟
پروژه پايانی (صفحه 71 کتاب درسی)
پروژه: ساخت موشک آبی
روش ساخت موشک آبی را تحقیق کنید و با رعایت نکات ایمنی آن را در یک گروه بسازید. پس از ساخت به پرسشهای زیر پاسخ دهید.
1- کدام یک از نکات و قوانین فیزیکی، که در این کتاب آموختيد، در ساخت آن به کار میرود. آنها را شرح دهید.
2- برای ساخت موشک، چه مهارتهایی را آموختید؟
توجه: هنرجویان عزیز میتوانند، بهجای پروژه بالا، پروژه ساخت پمپ خلأ ساده را انتخاب کنند و باز هم به پرسشهای مشابه ذکر شده در بالا پاسخ دهند. (نمونه ویدئوی ساخت پمپ خلأ ساده، را مشاهده کنید).