درسنامه کامل فیزیک (1) رشته ریاضی فصل 2 ویژگی های فیزیکی مواد

ساختار ماده

ابعاد

1. اتم (\({10^{ - 10}}m\)) است.
2. مولکول (\({10^{ - 9}}m\)) است.
3. هسته اتم در حدود (\({10^{ - 15}}m\)) است.

حالت های ماده

جامد ها

مایع ها

گاز ها

پلاسما

نیروی بین مولکولی در جامد ها، مانند فنر عمل می کند. این نیرو نمی گذارد تا مولکول ها از یک فاصله ی معین نسبت به هم دورتر یا نزدیک تر شوند.

جامد ها در دو نوع تقسیم بندی می شوند:

الف) جامد بلورین

ب) جامد بی شکل (آمورف)

الف) جامد بلورین:

اتم های برخی از جامد ها در طرح های منظمی کنار هم قرار می گیرند. جامد هایی را که در یک الگوی سه بعدی تکرار شونده از این واحد های منظم ساخته می شود.

نحوه تشکیل جامدات بلورین:

وقتی مایع به آرامی سرد شود، مولکول های مایع فرصت پیدا می کنند که به شکل منظم و ثابتی به خود بگیرند.

مانند: فلزات، نمک ها، الماس، یخ و بیشتر مواد معدنی

ب) جامد بی شکل (آمورف)

مولکول های این جامد در طرح های منظمی قرار نمی گیرند و اصطلاحا به صورت درهم و بی شکل هستند.

نحوه تشکیل جامدات بی شکل:

وقتی مایعی به سرعت سرد شود مولکول های مایع دیگر فرصت ندارند که شکل منظم و ثابتی به خود بگیرند.

مانند: شیشه، چوب، پنبه، عاج

1) فاصله مولکول ها در حالت مایع نسبت به حالت جامد آن بیشتر است.

2) مولکول های مایع آزادانه با اطراف حرکت می کنند. همچنین بر روی هم می لغزند.

3) مایع ها تقریبا تراکم ناپذیرند و در نتیجه حجم آنها ثابت است.

1. فاصله مولکول ها حدود چند ده برابر (A35) فاصله مولکول ها در مایع و جامد است. و مولکول ها آزادانه به اطراف حرکت می کنند.
2. تراکم پذیرند.
3. انرژی جنبشی مولکول های گاز بسیار زیاد است.

علت پخش محلول (نمک و جوهر)

به دلیل حرکت های نامنظم و کاتوره ای (تصادفی) مولکول های آب و برخورد آنها با ذرات سازنده نمک و جوهر، این گونه مواد در آب پخش می شوند.

حرکت بروانی:

حرکت ذره های دود به طور نامنظم و درهم و برهم (کاتوره ای) و در یک مسیر زیگزاگی را حرکت براونی می نامند.

انواع نیروی بین مولکولی:

1. نیروی هم چسبی
2. نیروی دگر چسبی

1) نیروی هم چسبی

نیروی جاذبه بین مولکول های همسان است.

مانند نیروی بین مولکول های یک قطره آب یا جیوه

2) نیروی دگر چسبی

نیروی جاذبه بین مولکول های ناهمسان است.

مانند نیروی بین مولکولی بین سطح شیشه و آبی که روی آن ریخته شده است.

به علت هم چسبی مولکول های سطح مایع، سطح یک ماده مانند یک پوسته تحت کشسان عمل می کند، این رفتار سطح را کشش سطحی می گویند.

لوله های مویین:

لوله هایی معمولا از جنس شیشه با قطر های مختلف  بسیار نازک که هر دو سر آنها باز می باشد. (قطر داخلی آنها حدود یک میلی متر است.)

مویینگی:

به بالا رفتن وپایین آمدن مایع ها از لوله های بسیار باریک را مویینگی می گوییم.

فشار متوسط:

بزرگی نیروی عمودی که بر واحد سطح جسم وارد می شود.

فرمول فشار (P)

\(P = \frac{{{F_ \bot }}}{A}\)

که در فرمول (P) به معنای فشار

(\({F_ \bot }\)) به معنای نیروی عمودی

و (A) به معنای مساحت سطح است.

اختلاف فشار ستون شاره در دو سطح شاره های یکسان:

نیروی وارد بر سطح 2 برابر با حاصل جمع وزن مایع بین دو سطح و نیروی وارد از ظرف سطح 1 می باشد.

\({P_2} = {P_1} + \rho gh\)

قانون هم فشاری:

فشار نقاط هم تراز درون یک مایع یکسان است.

اختلاف فشار مایع در دو سطح به عوامل زیر بستگی دارد:

1. با عمق مایع (ارتفاع از سطح آب) نسبت مستقیم دارد.
2. با چگالی مایع نسبت مستقیم دارد.
3. با شتاب گرانش (زمین، ماه) رابطه ی مستقیم دارد.

فشار مایع ها به چه عواملی بستگی ندارد:

1. با وزن مایع
2. به اندازه ی مساحت قاعده ظرف
3. به شکل ظرف

عامل وجود فشار هوا

1) بر جسم های روی زمین:

نیروی وزن هوای اطراف زمین است.

2) در ظرف بسته:

عامل فشار، جنبش مولکولی گاز است.

فشار کل در عمق h درون یک شاره، از جمع فشار هوا با فشار ارتفاع ستون مایع، فشار کل درون ظرف، بدست می آید.

\(P = \rho gh + {P_0}\)

در این فرمول:

(P) فشار کل در مایع،

(\(\rho \)) چگالی مایع،

(g) شتاب گرانش،

(h) ارتفاع ستون مایع

و (\({P_0}\)) فشار هوا است.

چگونه با استفاده از جو سنج جیوه ای (بارو متر) می توان فشار هوای محیط را اندازه گرفت؟(آزمایش توریچلی)

1. ابتدا یک لوله شیشه ای به طول حدود 80cm را که یک سر آن بسته است، از جیوه پر می کنیم.
2. سپس دهانه لوله را محکم با انگشت گرفته و آن را درون یک ظرف محتوی جیوه واژگون می کنیم.
3. با برداشتن انگشت، جیوه درون لوله کمی پایین می آید و در ارتفاعی (که متناسب با فشار هوا در محل آزمایش است) ثابت می ماند، ارتفاع ستون جیوه ی درون لوله، نشان دهنده ی فشار هوای محیط است.

فرمول برای پیدا کردن فشار هوا:

\({P_0} = \rho g{h_0}\)

علت فشار گاز ها:

به علت برخورد مداوم مولکول های گاز به جداره ظرف، فشار ایجاد می شود و هر چقدر دمای گاز بیشتر باشد، انرژی جنبشی مولکول های گاز نیز بیشتر شده و فشار آن افزایش پیدا می کند.

فشار پیمانه ای (سنجه ای) \({P_g}\)

به اختلاف فشار گاز درون مخزن و فشار هوا، فشار پیمانه ای می گویند.

فشار سنج، فشارپیمانه ای را اندازه می گیرد.

\({P_g} = P - {P_0}\)

اندازه گیری فشار گاز درون مخزن (مانومتر):

فشار سنج: لوله U شکل محتوی یک مایع است که یک سر لوله U شکل را به مخزن متصل نموده و سر دیگر آن در تماس با هوای آزاد قرار می دهند.

پس از باز کردن شیر مخزن، گاز به مایع درون لوله فشار آورده و آن را پایین می راند، در نتیجه سطح مایع در دو شاخه لوله به اندازه ارتفاع h بالا می رود. از روی همین اختلاف ارتفاع، می توان فشار گاز را حساب کرد.

چون در سطح های هم تراز فشار یکسان است، خواهیم داشت:

فشار نقطه B = فشار نقطه C

فشار در نقطه C = فشار ستون مایع + فشار هوا

\(\begin{array}{l}{P_B} = {P_C}\\{P_C} = \rho gh + {P_0}\\{P_B} = P\\P = \rho gh + {P_0}\\{P_g} = \rho gh\end{array}\)

در این فرمول

(P) فشار گاز

(\(\rho \)) چگالی مایع (جیوه)

(g) شتاب گرانش

(h) ارتفاع ستون مایع

(\({P_g}\)) فشار پیمانه ای

(\({P_0}\)) فشار هوا

\(\begin{array}{l}{P_C} = {P_B}\\{P_0} = \rho gh + P\\P = {P_0} - \rho gh\end{array}\)

وقتی تمام یا قسمتی از یک جسم در شاره ای فرو رود، شاره نیرویی بالاسو بر آن وارد می کند که با وزن شاره جا به جا شده توسط جسم برابر است.

به جسم های درون یک شاره یا غوطه ور در آن، همواره نیروی بالاسوی خالصی به نام نیروی شناوری از طرف شاره وارد می شود.

عامل نیروی شناوری چیست؟

چون فشار شاره در قسمت های عمیق تر بیشتر است؛ نیرویی که از طرف شاره به بخش های عمیق تر وارد می شود نیز بیش تر است در نتیجه نیروی خالصی که به جسم وارد می شود به سمت بالا خواهد بود.

نیروی شناوری \({F_b}\)

به نیروی بالا سوی خالصی که به جسم درون شاره وارد شده و با وزن شاره جا به جا شده برابر است؛ نیروی شناوری می گویند.

حالت های ممکن برای جسم قرار گرفته در شاره:

1) شناوری: حجم جسم بیشتر از حجم شاره جا به جا شده برابر است.

2) غوطه ور: حجم جسم و حجم شاره جا به جا شده برابر است.

3) فرورفته: حجم جسم با حجم شاره جا به جا شده برابر است.

جسمی مکعبی شکل به ضلع L را در نظر بگیرید که درون شاره ساکنی با چگالی \(\rho \) غوطه ور است. شکل زیر نیروهایی را نشان می دهد که شاره به سطح این جسم وارد می کند.

نیروی های افقی وارد به جسم یکدیگر را خنثی می کنند.

\({F_b} = \rho vg\)

در این فرمول

(\(\rho \)) چگالی شاره

(v) حجم شاره جا به جا شده است.

نیروی شناوری به عوامل زیر بستگی دارد:

1. چگالی شاره
2. حجم شاره جا به جا شده
3. شتاب گرانش در آن محل
4. جرم شاره جا به جا شده

نیروی شناوری به عوامل زیر بستگی ندارد:

1. وزن جسم
2. چگالی جسم
3. عمق شاره

اصل برنولی، برای شاره ای که به طور لایه ای و در امتداد افق حرکت می کند:

در مسیر حرکت شاره، با افزایش تندی شاره، فشار داخل شاره کاهش می یابد.

جریان پایا:

به جریانی که در آن تندی همه ذراتی که از یک نقطه می گذرند، ثابت باشد.

آهنگ جریان شاره:

نسبت حجم شاره جا به جا شده به زمان سپری شده

\(\frac{{AL}}{t} = Av\)

در این فرمول

(A) سطح مقطه لوله

(v) تندی شاره است.

در یک شاره تراکم ناپذیر، مقدار شاره ای که در زمان t از سطح مقطع \({A_1}\) می گذرد. درست برابر مقدار شاره ای است که در همین زمان از سطح مقطع \({A_2}\) می گذرد.

\({A_1}{v_1} = {A_2}v{}_2\) 

کاربرد های اصل برنولی:

1. باریک شدن ستون آب وقتی شیر آّ را کمی باز می کنیم.
2. حرکت ورق کاغذ وقتی در دهان خود بر سطح بالایی کاغذ به سرعت بدمیم.
3. پف کردن پوشش برزنتی روی اتاقک عقب کامیون هنگام حرکت
4. طراحی بال هواپیما
5. دستگاه سمپاش

رابطه مقایسه ای اصل برنولی:

\(\begin{array}{l}{A_1}{v_1} = {A_2}{v_2} \to \frac{{{v_2}}}{{{v_1}}} = \frac{{{A_1}}}{{{A_2}}}\\A = \pi {r^2}\\r = \frac{D}{2} \to A = \pi \frac{{{D^2}}}{4}\\ \to \frac{{{v_2}}}{{{v_1}}} = {(\frac{{{D_1}}}{{{D_2}}})^2}\end{array}\)

شناسنامه ویژگی های فیزیکی مواد