گام به گام پرسش ها و مسئله های فصل 2 صفحه 48 درس 2 فیزیک (1) رشته ریاضی (ویژگی های فیزیکی مواد)

1) دریافت خود را از شکل های زیر بر اساس مفاهیمی که از سه حالت معمول ماده فراگرفته اید بیان کنید.

2) توضیح دهید از سه حالت مختلف ماده در چه بخش هایی از یک دوچرخه و به چه دلیلی استفاده شده است.

3) هنگام پاک کردن تخته سیاه، ذرات گچ به طور نامنظم در هوای اطراف پراکنده شده و حرکت می کنند. این حرکت نامنظم ذرات گچ، مطابق شکل زیر مدل سازی شده است.

الف) چه عاملی باعث حرکت نامنظم ذره های گچ می شود؟

ب) مولکول های هوا بسیار کوچک تر و و سبک تر از ذره های گچ هستند و توسط میکروسکوپ هم دیده نمی شوند. توضیح دهید چگونه این تجربه ساده، شاهدی بر وجود مولکول های هواست.

4) توضیح دهید چرا

الف) پدیده پخش در گازها، سریع تر از مایع ها انجام می شود. در توضیح خود به چند مثال نیز اشاره کنید.

ب) یک بادکنک پر از باد، حتی اگر دهانه آن نیز کاملا بسته شده باشد، باز هم رفته رفته کم باد می شود.

3-2 نیروهای بین مولکولی

5) شیشه گران برای چسباندن تکه های شیشه به یکدیگر، آنها را آن قدر گرم میکنند که نرم شوند. این کار را با توجه به کوتاه برد بودن نیروی جاذبه بین مولکولی توضیح دهید.

6) الف) توضیح دهید چرا وقتی قلم مویی را از آب بیرون می کشیم (شکل الف)، موهای آن به هم می چسبند. (اشاره: به پدیده کشش سطحی در مایع ها توجه کنید.)

ب) شکل (ب) دو لوله مویین هم جنس را نشان می دهد که درون مایعی قرار دارند. چرا ارتفاع مایع درون لوله b از لوله دیگر کتر است؟ با توجه به شکل، نیروی هم چسبی مایع را با نیروی دگرچسبی مایع و لوله های مویین مقایسه کنید.

7) تغییرات اقلیمی سال های اخیر در کشورهای غرب ایران، پدیده خطرناک ریزگردها را به مناطق وسیعی از کشورمان گسترش داده است. چگالی ریزگردها در حالتی که ته نشین شده باشد تقریبا دو برابر چگالی آب است

الف) چرا بادهای نسبتا ضعیف قادرند توده های بزرگی از ریزگردها را به حرکت درآورند در حالی که توفان های شدید دریایی تنها مقدار اندکی آب را به صورت قطره های ریز به طرف بالا می پاشند؟

ب) بررسی کنید برای مقابله با این پدیده و مهار آن، چه تدابیری را می توان اندیشید.

8) نوعی ماهی به نام ماهی کمان گیر با جمع کردن آب در دهان خود و پرتاب آن به سوی حشراتی که در بیرون از آب، روی گیاهان نشسته اند، آنها را شکار می کند و می خورد. هدف گیری آنها به اندازه ای دقیق است که معمولا در این کار اشتباه نمی کنند. کدام ویژگی فیزیکی آب این امکان را به ماهی کمان گیر برای شکار می دهد؟

3-3 فشار در شاره ها

9) مساحت روزنه خروج بخار آب، روی درب یک زودپز 4 میلی متر مربع است. جرم وزنه ای که روی این روزنه باید گذاشت چقدر باشد تا فشار داخل آن در 2 اتمسفر نگه داشته شود؟ فشار بیرون دیگ زودپز را 1 اتمسفر بگیرید.

10) شکل زیر یک جوسنج ساده جیوه ای را نشان می دهد. (ضخامت دیواره شیشه ای را نادیده بگیرید.)

الف) در ناحیه A چه چیزی وجود دارد؟

ب) چه عاملی جیوه را درون لوله نگه می دارد؟

پ) فشار هوای محیطی که این جوسنج در آنجا قرار دارد چقدر است؟

ت) اگر این جوسنج را بالای کوهی بیریم چه تغییری در ارتفاع ستون جیوه درون لوله رخ می دهد؟ دلیل آن را توضیح دهید.

11) الف) ارتفاع چهار شهر مرتفع ایران از سطح دریا، به شرح زیر است:

فریدون شهر : 2612m         سمیرم : 2434m             بروجن : 2265m        شهرکرد : 2074m

با توجه به نمودار شکل 2ـ 16ـ ب، فشار تقریبی هوا را در این چهار شهر بنویسید.

ب) چگالی میانگین هوا تا ارتفاع 3 کیلومتری از سطح دریای آزاد حدود 1/01 کیلوگرم بر متر مکعب است. با استفاده از رابطه P = P0 – pgh فشار هوا را در این شهرها حساب کنید و مقادیر به دست آمده را با نتیجه قسمت الف مقایسه کنید.

12) غواص ها می توانند با قرار دادن یک سر لوله ای در دهان خود، در حالی که سر دیگر آن از آب بیرون است، تا عمق بیشینه ای در آب فرو روند و نفس بکشند. با گذشتن از این عمق، اختلاف فشار درون و بیرون ریه غواص افزایش می یابد و غواص را ناراحت می کند. چون هواى درون ریه از طریق لوله با هواى بیرون ارتباط دارد، فشار هواى درون ریه، همان فشار جو است در حالی که فشار وارد بر قفسه سینه او، همان فشار در عمق ب است. در عمق 15/6m از سطح آب، اختلاف فشار درون ریه غواص با فشار وارد بر قفسه سینه او چقدر است؟ (خوب است بدانید که غواص های مجهز به مخزن هوای فشرده می توانند تا عمق بیشترى در آب فرو روند، زیرا فشار هواى درون ریه آنها با افزایش عمق، همپاى فشار آب بر سطح بیرونى بدن زیاد می شود.)

13) درون لوله U شکلی که به یک مخزن محتوی گاز وصل شده است جیوه با چگالی (13600 کیلوگرم بر متر مکعب) و مایعی با چگالی نامعلوم ₂r وجود دارد (شکل زیر) .

اگر فشار هوای بیرون لوله U شکل 101kPa باسد، چگالی مایع را تعیین کنید.

14) در شکل زیر مقدار h چند سانتی متر است؟ فشار هوای محیط را 101kPa و چگالی آب را 1000 کیلوگرم بر متر مکعب بگیرید.

15) لوله U شکلی را در نظر بگیرید که محتوی حجم مساوی از آب و روغن است (شکل زیر). با توجه به اطلاعات روی شکل، فشار پیمانه ای هوای درون ریه شخصی که از شاخه سمت چپ لوله درون آن دمیده، چقدر است؟ چگالی روغن را 805 کیلوگرم بر متر مکعب بگیرید.

3-4 شناوری

16) دو قوطی نوشابه، یکی معمولی و دیگری رژیمی را در ظرفی محتوی آب بگذارید. متوجه خواهید شد که نوشابه رژیمی شناور می ماند در حالی که نوشابه معمولی فرو می رود. با استفاده از اصل ارشمیدس، این نتیجه را توضیح دهید. (اشاره: چگالی شیرین کننده های مصنوعی مورد استفاده در نوشابه های رژیمی کمتر از شکر است.)

3-5 شاره در حرکت و اصل برنولی

17) در لوله ای پر از آب مطابق شکل زیر، آب از چپ به راست در جریان است. روی این لوله 5 قسمت (A, B, C, D, E) نشان داده شده است.

الف) در کدام یک از قسمت های لوله، تندی آب، در حال افزایش، در حال کاهش، یا ثابت است؟

ب) تندی آب را در قسمت های A و C و E لوله با یکدیگر مقایسه کنید.

18) دو نوار کاغذی به طول تقریبی 10cm را مطابق شکل (الف) به انتهای یک نی نوشابه بچسبانید. وقتی مطابق شکل (ب) به درون نی دمیده می شود نوارهای کاغذی به طرف یکدیگر جذب می شوند. با توجه به اصل برنولی دلیل این پدیده را توضیح دهید.

19) شکل (الف) آتش نشانی را درحال خاموش کردن آتش از فاصله نسبتا دوری نسان می دهد. نمایی بزرگ شده از شیر بسته شده به انتهای لوله آتش نشانی در شکل (ب) نشان داده شده است. اگر آب با تندی v₁ =1/50 m/sاز لوله وارد شیر شود و قطر ورودی شیر d₁ = 9/60 cm و قطر قسمت خروجی آن d₂ = 2/50 cm باشد، تندی خروج آب را از شیر پیدا کنید.

1) انتظار می رود دانش آموزان با توجه به مفهوم چگالی و مقایسه شکل ها با یکدیگر بتوانند توضیحی قانع کننده ارائه دهند. این شکل ها به نوعی نشان دهنده تفاوت چگالی حالت های مختلف ماده است. ماده در حالت گازی کمترین چگالی را دارد.

2) بدنه دوچرخه باید استحکام کافی داشته باشد و در اثر ضربه و نیروهایی که به آن وارد می شود تغییر شکل پیدا نکند. بنابراین بدنه آن را از یک جامد محکم و ترجیحا سبک می سازند. برای کاهش اصطکاک بین قسمت های فلزی که روی هم حرکت می کنند یا می لغزند از روغن استفاده می شود تا خوردگی به حداقل ممکن برسد و طول عمر و کارایی این قطعه افزایش یابد.

3) الف) در دمای اتاق، مولکول های زیادی (500 متر بر ثانیه) در حرکتند (در هر متر مکعب هوا از مرتبه 10 به توان 19 عدد) و با برخورد به ذرات درشت گچ، سبب حرکت نامنظم و کاتوره ای آنها می شوند.

ب) اگر برخورد مولکول های هوا با ذرات ریز گچ وجود نمی داشت انتظار می رفت که پس از لحظه ای کوتاه به طرف زمین سقوط کنند. از آنجا که در عمل مشاهده می شود ذرات گچ برای مدت نسبتا طولای به طور نامنظم در هوا حرکت می کنند تا به سطح زمین برسند، نتیجه گرفته می شود که مولکول های هوا وجود دارند و اثر برخورد آنها سبب حرکت نامنظم ذرات گچ می شود.

4) الف) به پاسخ پرسش 3-1 مراجعه کنید. همچنین می توان به پخش شدن بوی غذا در فضای خانه له عنوان مثال دیگری اشاره کرد.

ب) به دلیل خاصیت تراوایی (permeability) سطح بادکنک، مولکول های هوای درون بادکنک دربسته، به تدریج و در مدتی نسبتا طولانی از آن خارج می شود.

5) هنگامی که شیشه گرم می شود حرکت بین مولکولی سرعت بیشتری می گیرد و زمانی که به هم می چسبانیم فاصله مولکول ها به قدری کم است که در برد نیروهای مولکولی قرار می گیرد.

6) الف) نیروی هم چسبی بین مولکول های آب بیشتر از نیروی دگرچسبی مولکول های آب و موهای قلم مو است. بنابراین وقتی که قلم مو را از آب بیرون می کشیم، نیروی هم چسبی مولکول های آب، سبب می شود تا لایه ای از آب در اطراف موهای قلم تشکیل شود و موهای قلم یه یکدیگر بچسبند.

ب) از آنجا که پدیده مویینگی در لوله های باریک تر، بهتر رخ می دهد، لذا در لوله a ارتفاغ ستون مایع نسبت به لوله b بیشتر است. نیروی هم چسبی مولکول های مایع کمتر از نیروی دگرچسبی مایع و مولکولهای جداره داخلی لوله است.

7) الف) انتظار می رود دانش آموزان به بزرگ بودن نیروی هم چسبی مولکول های آب در مقایسه با نیروی هم چسبی اندک ذرات ریزگرد اشاره کنند.

ب) کاشتن درخت در مسیر این طوفان ها و پاشیدن مایعی که باعث چسبیدن ذرات گرد و غبار شود.

8) بزرگ بودن نیروی هم چسبی مولکول های آب، امکان این شکار زیبا و دقیق را توسط ماهی کمان گیر فراهم می کند.

9) پاسخ به صورت زیر خواهد بود:

10) الف) خلأ نسبی (شامل خلا جیوه با چگالی بسیار کم)

ب) فشار هوای بیرون که بر سطح جیوه درون ظرف وارد می شود. این فشار با فشار ناشی از ستون جیوه درون لوله برابر است.

پ) در کنار دریا حدود 5^10 پاسکال یا 76 سانتی متر جیوه است.

ت) ارتفاع ستون جیوه کاهش می یابد، زیرا فشار هوای وارد شده به سطح جیوه درون ظرف کاهش می یابد.

11) الف) با توجه به نمودار شکل 3-18 ب، فشار هوا 2 تا 3 کیلومتر از سطح زمین بین 80 تا 70 کیلو پاسکال تغییر می کند.

به طور تقریبی می توان گفت فشار هوا در شهرهای ذکر شده به صورت زیر خواهد بود:

فریدون شهر = 73 کیلو پاسکال

سمیرم = 75 کیلو پاسکال

بروجن = 77 کیلو پاسکال

شهرکرد = 79 کیلو پاسکال

ب) با جایگذاری مقادیر صورت مسأله، پاسخ به صورت زیر خواهد شد:

12( اختلاف فشار درون ریه غواص با فشار وارد بر قفسه سینه اوف برابر است با:

همانطور که دیده می شود، این اختلاف فشار مقوله قابل توجهی است و به همین دلیل غواص نمی تواند صرفا با گرفتن سر لوله ای در دهان خود، در حالی که سر دیگر آن از آب بیرون است، از یک عمقی به پایین نفس بکشد.

13) با در نظر گرفتن دو نقطه همتراز (یکی از نقاط در محل تماس مایع 2 با مایع 1 و نقطه دیگر درست روبه روی آن در مایع 1) و استفاده از اصل پاسکال داریم:

14) با توجه به شکل و استفاده از اصل پاسکال داریم:

با جایگذاری مقادیر داده شده داریم:

با جایگذاری P_B در رابطه (1) داریم:

15) چون حجم مساوی از آب و روغن استفاده شده است، با توجه به شکل و در محل تماس دو مایع داریم:

که در آن P فشار هوای دمیده شده توسط شخص است. به این ترتیب فشار پیمانه ای هوا درون ریه شخص برابر است با

16) چون نوشابه های رژیمی حاوی شکر نیستند و مقداری شیرین کننده مصنوعی با چگالی کمتر از چگالی شکر در آنها استفاده شده است. لذا به دلیل نیروی شناوری ناشی از آب روی آب شناور می مانند. این نشان می دهد که چگالی میانگین قوطی فلزی، نوشابه و گاز به کار رفته در آن کمتر از چگالی آب است و برخلاف نوشابه های معمولی، روی آب شناور می ماند. یک فعالیت پیشنهادی ساده در این زمینه که می توانید انجام دهید. نوشابه معمولی را درون ظرفی که ابعاد آن نزدیک به نوشابه است، بیندازید. آنقدر شکر به آب اضافه کنید تا نوشابه به حالت شناور روی آب قرار گیرد. در این صورت متوجه خواهید شد که در یک قوطی نوشابه معمولی، تقریبا چقدر شکر به کار رفته است.

17) الف) در قسمت های A و C و E تندی آب ثابت است و در قسمت B در حال افزایش و در قسمت D در حال کاهش است. توجه کنید که تندی آب در قسمت C از قسمت های A و E بیشتر است.

ب) v_C > v_A = v_E

18) وقتی جریان تند هوا از میان دو نوار کاغذی می گذرد بنا بر اصل برنولی سبب کاهش فشار هوا می شود و در نتیجه فشار هوای اطراف نوارهای کاغذی، که بزرگتر از فشار هوای بین آنهاست، سبب می شود تا نوارهای کاغذی به طرف یکدیگر نزدیک شوند.

19) با استفاده از معادله پیوستگی داریم:

با جایگذاری مقادیر داده شده داریم: