[ صفحه اول ] [ صفحه2 ] [ صفحه3 ] [ صفحه4 ] [ صفحه5 ] [ صفحه6 ] [ صفحه7 ] [ پاسخ تمرينهاي فصل دوم ] [ صفحه8 ] [ صفحه9 ] [ صفحه10 ] [ صفحه11 ] [ صفحه12 ] [ صفحه13 ] [ صفحه14 ] [ صفحه15 ] [ صفحه16 ] [ صفحه17 ] [ صفحه18 ] [ پ تمرين ف ششم فیزیک 2ص1 ] [ پ تمرين ف ششم فیزیک 2ص2 ] [ پ تمرين ف ششم فیزیک 2ص3 ] [ ت تکمیلی ف ششم فیزیک 2ص1 ] [ ت تکمیلی ف ششم فیزیک 2ص2 ] [ ت تکمیلی ف ششم فیزیک 2ص3 ] [ بخش کنکور ] [ پاسخ به سوالات ]

آزمايش 6-4:

وسايل لازم: يك بالون شيشه اي ، مقداري آب كه با جوهر رنگي شده باشد، درپوش سوراخ دار همراه  با يك لوله شيشه اي بلند كه مجراي بسيار نازك، چراغ الكلي، سه پايه و شعله پخش كن، ظرف شيشه اي بزرگ نسوز.

1- بالون شيشه اي را آ آب رنگي پر كنيد و درپوش هوراه با لوله شيشه اي بلند را مطابق شكل مقابل طوري در دهانه بالون جاي دهيد كه هيچ هوايي در بالون نباشد و آب  مقداري در لوله بالا بيايد. ارتفاع آب در لوله  شيشه اي را با علامت مشخص كنيد.

2- ظرف شيشه اي بزرگ را پر از آب كرده روي شعله چراغ قرار دهيد تا آب آن گرم شود.

3- بالون شيشه اي را مطابق شكل درون آب داغ فرو بريد و نحوه تغيير ارتفاع آب در لوله شيشه اي را مشاهده كنيد.

4- مشاهده هاي اين آزمايش را با توجه به انبساط ظرف (بالون شيشه اي) و انبساط آب توضيح دهيد.

جواب:  با قرار دادن بالون داخل آب گرم، ابتدا آب در داخل لوله اندكي پايين مي آيد و سپس بالا مي رود. علت پايين آمدن آب در لوله در لحظات اوليه آنست كه نخست بالن گرم و منبسط مي شود و سپس گرما به آب درون آن مي رسد.

فعاليت 6-11:  آيا واقعاً مايع به اندازه انبساط ظاهري خود افزايش حجم پيدا كرده است؟ توضيح دهيد. اگر پاسخ شما به اين سؤال منفي است تحقيق كنيد كه انبساط واقعي مايع را چگونه اندازه مي گيرند.

جواب:  خير بالون نيز در اثر گرم شدن اندكي انبساط پيدا كرده و حجم آن بيشتر مي شود. و باعث مي گردد تا انبساط واقعي مايع داخل آن معلوم  نگردد. لذا انبساط واقعي مايع برابر خواهد بود با:

انبساط ضاهري مايع+ انبساط حجمي بالون= انبساط واقعي مايع

س: تعريف ضريب انبساط واقعي يك مايع؟

ج: ضريب انبساط واقعي يك مايع برابر افزايش يكاي حجم آن مايع به ازاء يك درجه افزايش دما است.

س: ميزان انبساط بر اثر گرما در كدام حالت ماده بيشتر است؟

ج:  انبساط گازها بيشتر از مايعات و انبساط مايعات بيشتر از جامدات است. اين امر به دليل تفاوت در نيروي بين مولكولي حالتهاي مختلف ماده است.

س: چگونه مي توان نشان داد كه انبساط مايعات بيشتر از انبساط جامدات است؟

ج:  در آزمايش(6-4)‌مشاهده كرديد كه ابتدا مايع كمي در لوله پايين آمده و سپس بالا مي رود. علت اين امر آن است كه شيشه رساناي ضعيف گرما است، لذا ابتدا شيشه گرم شده و اندكي منبسط مي شود و مايع پايين مي آيد. سپس گرما  به مايع رسيده و منبسط مي شود و در لوله از سطح اوليه هم بالاتر مي رود. نتيجه مي شود انبساط مايعات بيشتر از انبساط جامدات است.

س: تغيير چگالي ماده با تغيير دماي آن چگونه است؟

ج: تغيير دما در جرم جسم ايجاد نمي كند ولي حجم آنرا تغيير مي دهد. با توجه به رابطه براي چگالي يك جسم، نتيجه مي شود تغيير دما فقط مخرج كسر يعني V ( حجم جسم) را تغيير مي دهد. به اين ترتيب  افزايش دما باعث افزايش حجم و در نهايت كاهش چگالي جسم مي شود و برعكس.

س: تغييرات آب بر حسب دما چگونه است؟

ج:  تغيير حجم آب بر حسب تغيير دماي آن  غير عادي است. به طوري كه حجم بيشتر مايعات با كم شدن دما كاهش مي يابد و با رسيدن به نقطه انجماد اين كاهش ادامه پيدا مي كند. اما آب رفتاري  متفاوت دارد، به اين ترتيب كه آب از 100 تا 4 مانند  هر مايع معمولي  با كاهش دما كاهش حجم پيدا مي كند. ولي از 4 تا 0 اين رفتار عوض مي شود و كاهش دما باعث افزايش حجم آب مي شود. و با انجماد آب اين افزايش حجم نيز ادامه پيدا مي كند. تغييرات حجم آب نسبت به دما در شكل مقابل نشان داده شده است.

تمرين 6-5: آب در چه دمايي كم ترين حجم را دارد؟ در اين دما چگالي بيشترين مقدار خود را دارد يا كمترين آن را؟

جواب:  كمترين حجم آب در دماي 4 است و در اين دما بيشترين چگالي را دارد.

س: نمودار تغييرات چگالي آب  نسبت به دما چگونه است؟

ج: با توجه به آنچه كه در مورد رفتار غير عادي آب بيان شد، نمودار تغييرات چگالي آب نسبت به دما به صورت شكل مقابل خواهد بود. از اين نمودار معلوم مي شود بيشترين چگالي آب در دماي 4 است.

Eتذكر: تغيير چگالي مايعات نسبت به دما را مي توان از رابطه زير محاسبه كرد:

چگالي مايع در دماي صفر سلسيوس،  چگالي مايع در  دماي   و ضريب انبساط مايع است.

فعاليت 6-12: تحقيق كنيد كه:

الف- اين نوع تغيير غير عادي حجم و چگالي آب چه تأثيري بر نحوه قرار گرفتن لايه هاي آب با دماهاي متفاوت در اقيانوس ها دارد؟

ب- اين نحوه قرار گرفتن چه تأثيري بر محيط زيست اقيانوس ها داشته است؟

جواب: الف) چون چگالي آب با دماي 4 بيشترين مقدار را دارد، لذا لايه هايي از آب كه اين دما را  دارند، به پايين رفتهو لايه هاي سردتر به بالا مي آيند و بر روي آن قرار مي گيرند( لايه هاي گرمتر  نيز بر روي لايه هاي سرد مي روند).

ب) در زمستان سطح آب اقيانوسها نزديك به صفر درجه است و آب با دماي 4 كه چگالي آن بيشينه است، پايين رفته و آب با چگالي كمتر، بين 3 تا 0 به صورت لايه هايي روي آن شناور مي شوند. وجود لايه هايي با چگالي متفاوت مانع جريانهاي همرفتي و در نتيجه مانع گسارش گرما شده و انتقال گرما از آب اقيانوس به بيرون را كند مي كند، اين پديده سبب مي شود كه در زمستان جانوران و گياهان آبزي اقيانوسها بتوانند ذدر زير آب زنده بمانند.

س: گرما به چند صورت منتقل مي شود؟

ج: گرما مي تواند به  سه طريق رسانش، همرفتي و تابش از جسمي به جسم ديگر منتقل شود.

فعاليت 6-13:  مبحث رسانش گرما را از كتاب فيزيك(1) و آزمايشگاه بخوانيد و آن را در چند سطر بنويسيد.

جواب: اگر بين دو نقطه از يك جسم رسانا، اختلاف دمايي وجود داشته بيايد، گرماي درون جسم از بخشي با دماي بالاتر به بخشي با دماي پايين تر شارش مي كند. اين نوع شارش يا انتقال گرما را رسانش مي نامند.

س: انتقال گرما به طريق رسانش چگونه است؟

ج:  در اين طريق انتقال گرما كه بيشتر در جامدات صورت مي گيرد، آن قسمت از جسم جامد كه در مجاورت چشمه گرما قرار دارد، با دريافت انرژي گرمايي انرژي  بيشتري پيدا كرده و مولكولهايش با  دامنه بيشتري ارتعاش مي كند. در نتيجه هر مولكول به مولكول مجاور خود ضربه زده و دامنه ارتعاش آنرا بيشتر مي كند. به اين ترتيب  گرما در داخل  جسم جامد منتشر مي شود. در اين فرايند الكترونهاي آزاد جسم نيز مؤثرند. نكته مهم آن است كه در پديده رسانش گرما، ماده از محل گرم به محل سرد منتقل نمي شود.

Eتذكر: 1- قابليت رسانش جامدات به جنس آنها بستگي دارد. بطوريكه در فلزات رسانش بسيار قوي و سريع بوده و آنها را رساناي گرما مي نامند. اما مواد ديگري مانند شيشه، چوب و پلاستيك گرما را بسيار آهسته منتقل مي كنند و نارساناي گرما(عايق)  خوانده مي شوند.

2- مايعات بخصوص آب( به جزء فلزهاي مذاب) معمولاً رساناي ضعيف گرما هستند.

3- گازها و از جمله هوا نيز رساناي بسيار ضعيف گرما هستند.

س: علت اينكه فلزات رساناي خوب گرما هستند چيست؟

ج: بطوريكه قبلاً گفته شده در پديده رسانش، الكترونهاي آزاد جسم مؤثرند. از طرفي مي دانيم فلزات داراي الكترونهاي آزاد بسياري هستند. هنگام كه به نقطه اي از فلز گرما مي دهيم: الكترونهاي آزاد نرژي جنبشي بيشتري به دست آورده و سريعتر حركت مي كنند. الكترونهاي سزسع حامل انرژي، از قسمتهاي گرم فلز به قسمتهاي سرد آن پخش مي شوند و در برخورد با مولكولهاي فلز، انرژي جنبشي خود را به آنها منتقل مي كنند. با اين فرايند انرژي گرمايي به سرعت از قسمتهاي گرم فلز به قسمتهاي سرد آن منتقل مي شود.

س: ميزان شارش گرما در يك جسم( مثل ميله فلزي) به طريق رسانش چگونه محاسبه مي شود؟

ج: براي محاسبه آهنگ شارش گرما در يك ماده( يعني مقدار گرمايي كه در واحد زمان از هر مقطع فرضي در آن مي گذرد )، ميله اي به طول L و به سطح مقطع A  از يك ماده معين در نظر مي گيريم. فرض كنيد كه يك سر اين ميله( سر داغ) را در دماي ثابت( نسبتاً زياد) و سر ديگر آن( سر سرد) را در دماي ثابت ( نسبتاً كم) قرار داده باشيم، آهنگ شارش گرما به عاملهاي زير بستگي دارد:

1- اختلاف دما: هر چه اختلاف دما بيشتر باشد، گرما با آهنگ بالاتري در مله شارش مي كند.

2- طول ميله:  هر چه طول ميله بيشتر باشد، آهنگ شارش گرما كندتر مي شود.

3- سطح مقطع ميله:  هر چقدر سطح مقطع ميله بيشتر باشد، آهنگ شارش گرما نيز بيشتر  مي شود. در نتيجه مقدار Q يعني گرمايي كه t ثانيه در يك ميله شارش مي كند، برابر است با:

A سطح مقطع ميله و L طول آن و اختلاف دماي دو سر ميله است. K ثابت تناسب رسانندگي گرمايي نام دارد و يكاي آن j/s.m.k يا W/mk است.

مثال: يك سر ميله آهني به طول 30 سانتي متر را در آب  جوش و سر ديگر آنرا در يك مخلوط آب يخ قرار مي دهيم. اگر شعاع ميله 5mm باشد، چه مقدار انرژي در يك دقيقه از طريق رسانش در ميله منتقل مي شود؟

جواب: مساحت سطح مقطع ميله برابر است با:

با توجه به جدول(6-6) خواهيم داشت:

س: انتقال گرما به طريق هرفتي چگونه است؟

ج: در طريق همرفتي با انتقال شاره اي از محل گرم به محل سرد، گرماي همراه با آن نيز منتقل مي شود. اين طريق در مايعات و گازها صورت مي گيرد.

س: چه عاملي موجب جريان همرفتي مي شود؟

ج:  در جريان همرفتي، شارش مايع يا گاز به علت تغيير چگالي آن به وجود مي آيد. زيرا با افزايش دماو انبساط مايع ياگاز  مجاور چشمه گرما، چگالي آن كاهش يافته، سبكتر مي شود و  بالا مي رود و جاي خود را به مايع يا گاز با دماي كمتر وچگالي  بيشتر مي دهد كه دورتر از چشمه است. نكته مهم آن است كه در جريان همرفتي همه ذرات ماده جابه جا مي شوند و انرژي  گرمايي را با خود منتقل مي كنند . مثلاً هنگامي كه  يك ظرف آب روي شعله قرار دارد، آب ته ظرف كه در مجاورت گرماست، مقداري انرژي گرمايي دريافت مي كند و مولكولهايش با انرژي جنبشي بيشتر، سريعتر حركت مي كنند و از يكديگر دور مي شوند و آب منبسط مي شود و چگالي آن كاهش مي يابد. چون چگالي آب اطراف بيشتر از اين آب است، آن را بالا مي راند و خود جاي آن را مي گيرد و عمل قبل دوباره تكرار مي گردد. انتقال گرما توسط آب در سيستم حرارت مركزي( سوفاژ) و يا گرم شدن هواي يك اتاق توسط بخاري نفتي نيز به طريق همرفتي انجام مي گيرد.