جواب فصل چهارم فیزیک دهم – تدریس انبساط گرمایی

جواب فصل 4 فیزیک دهم ریاضی و تجربی

جواب فصل چهارم فیزیک دهم

جواب تمرین 1-4 صفحه 85 فیزیک دهم

جواب:

جواب تمرین 2-4 صفحه 85 فیزیک دهم

الف) دمای بدن یک انسان سالم تقریباً ۳۷ درجه سانتی گراد است. این دما را برحسب کلوین و فارنهایت بنویسید.

جواب: همانطور که در پانوشت کتاب درسی آمده است، در حل مسئله ها از رابطۀ تقریبی T= θ+۲۷۳ استفاده میکنیم.

ب) گر‌م‌ترین نقطه روی زمین، ناحیه‌ای در کویر لوت است که دمای آن تا حدود ^∘۷۰ (C) و سردترین نقطه در قطب جنوب است که دمای آن تا ^∘۸۹– (C) گزارش شده است. این دماها را برحسب کلوین و فارنهایت به دست آورید.

جواب:

جواب فعالیت صفحه 86 فیزیک دهم

تحقیق کنید برای نگهداری یاخته‌های بنیادی بند ناف خون، به چه دمایی نیازمندیم. این دما چگونه ایجاد و حفظ می‌شود؟

جواب: این دما تقریباً ۱۹۶- درجه سانتی‌گراد است و نمونه‌ها در ظروف ویژه و برای مدت طولانی جهت انجام پیوند نگهداری می‌شوند. این دما با استفاده از نیتروژن (یا هیدروژن) مایع تأمین می‌شود و نمونه‌ها در ظروف نیتروژن مایع قرار می‌گیرند و می‌توانند تا حدود ۱۵ سال قابل استفاده باشند.

جواب فعالیت صفحه 87 فیزیک دهم

نوع ویژه‌ای از دماسنج‌های مایعی که بیشینه و کمینه دما را در یک مدت زمان معیّن نشان می‌دهد، دماسنج بیشینه – کمینه نام دارد. از این دماسنج‌ها معمولاً در مراکز پرورش گل و گیاه، باغداری، هواشناسی و… استفاده می‌شود. در مورد چگونگی کار این دماسنج‌ها تحقیق کنید.

جواب:

زمانی که دما افزایش می‌یابد، به دلیل انبساط الکل یا روغن موجود در مخزن میانی و لوله سمت چپ دماسنج، جیوه در لوله سمت راست به بالا رانده می‌شود و شاخص فولادی متصل به آن نیز بالا می‌رود. اگر سطح جیوه در لوله سمت راست پایین بیاید، شاخص فولادی که به فنرهای کوچکی متصل است، همراه با جیوه حرکت نکرده و در همان نقطه قبلی خود در مقابل دمای بیشینه باقی می‌ماند.

هنگامی که دما کاهش یافته و الکل منقبض می‌شود، جیوه از طرف چپ لوله U شکل بالا می‌رود و شاخص فولادی سمت چپ را بالا می‌برد. اگر سطح جیوه در لوله چپ پایین بیاید، شاخص فولادی سمت چپ نیز همراه با آن حرکت نکرده و در نقطه قبلی خود در مقابل دمای کمینه می‌ایستد.

در پایان مدت زمان تعیین‌شده، با استفاده از آهنربا، هر دو شاخص دوباره به سطح جیوه بازگردانده می‌شوند. در طراحی‌های جدید این نوع دماسنج، به دلیل سمی بودن جیوه، از مایع ترکیبی جدیدی به جای آن استفاده می‌شود. این دماسنج با نام دماسنج Six نیز شناخته شده و فیلم‌های متعددی از آن در اینترنت موجود است.

جواب پرسش 1-4 صفحه 88 فیزیک دهم

الف) چرا بهتر است قفل و کلید یک در، هم‌جنس باشند؟

جواب: با این روش، وقتی دما تغییر کند (انبساط یا انقباض گرمایی)، ابعاد هر دو جسم به یک میزان تغییر می‌کند و در نتیجه کلید داخل قفل گیر نخواهد کرد.

ب) چرا در برخی از فصل‌های سال، بعضی از در‌ها در چارچوب خود گیر می‌کنند؟ 

جواب: به علت انبساط گرمایی متفاوت در درب و چارچوب، ابعاد آن‌ها به یک اندازه تغییر نمی‌کند.

جواب فعالیت 3-4 صفحه 88 فیزیک دهم

۱) شکل (الف) تصویری واقعی از دو قسمت متوالی خط آهن (ریل راه آهن) های قدیمی را در گذشته نشان می‌دهد. اگر فاصله خالی بین این دو قسمت به حدّ کافی زیاد نمی‌بود، چه مشکلی پیش می‌آمد؟

جواب: با بالا رفتن دما، ریل‌ها منبسط شده و بر یکدیگر فشار وارد می‌کنند که باعث خم شدنشان می‌شود؛ یا با کاهش دما و انقباض ریل‌ها، اتصالات ممکن است از هم جدا شوند.

۲) امروزه بین قسمت‌های متوالی خط آهن فاصل‌های در نظر گرفته نمی‌شود و این قسمت‌ها پشت سرهم جوشکاری می‌شوند (شکل ب). تحقیق کنید در این روش چگونه مشکل ناشی از انبساط در یک روز گرم تابستانی برطرف می‌شود؟

جواب: در این شیوه، ریل‌ها از پایین به یک پایه متصل و از بالا به یکدیگر جوش داده می‌شوند؛ در نتیجه مانند یک ریل طولانی عمل می‌کنند که دو سر آن آزاد است و می‌تواند به راحتی منبسط شود.

جواب فعالیت 4-4 صفحه 92 فیزیک دهم

ورقه‌ای فلزی و مستطیل یشکل به اضلاع a۱ و b۱ را درنظر بگیرید. بر اثر افزایش دمای ΔT، طول اضلاع مستطیل به اندازه Δa و Δb افزایش می‌یابند. اگر ضریب انبساط طولی ورقه α باشد، نشان دهید که افزایش مساحت این ورقه با تقریب مناسب از رابطه ΔA=۲αA۱ΔT به دست می‌آید.

جواب:

جواب تمرین 3-4 صفحه 92 فیزیک دهم

شکل‌های (الف) و (ب) نشان می‌دهند که وقتی روی یک ورقه فلزی حفر‌ه‌ای دایره‌ای داشته باشیم و ورقه را گرم کنیم، قطر (یا مساحت) حفره بزرگ می‌شود. فرض کنید جنس ورقه، برنجی است و حفره‌ای به قطر یک اینچ (۲/۵۴cm) درون آن ایجاد شده است. وقتی دمای ورقه، ۲۰۰C افزایش یابد، افزایش مساحت حفره چقدر خواهد شد؟

جواب:

جواب فعالیت 5-4 صفحه 94 فیزیک دهم

آزمایشی را طراحی و اجرا کنید که با آن بتوانید حجم گلیسیرین سرریز شده در مثال ۴-۴ را اندازه بگیرید. سپس از روی آن، ضریب انبساط حجمی گلیسیرین را تعیین کنید.

جواب: این فعالیت مشابه همان چیزی است که در مثال ۴-۴ مشاهده شد. ابتدا یک ارلن شیشه‌ای همراه با یک لوله شیشه‌ای بلند را تا لبه با گلیسیرین پر می‌کنیم، به طوری که هوایی داخل ارلن باقی نماند. سپس یک ظرف بزرگ شیشه‌ای را از آب داغ پر می‌کنیم و ارلن را داخل آن قرار می‌دهیم. گلیسیرین از لوله سرریز می‌شود و حجم گلیسیرین سرریز شده را با یک پیمانه مدرج اندازه می‌گیریم. قبل از این کار باید حجم اولیه گلیسیرین را نیز با دقت اندازه‌گیری کنیم (توجه داشته باشید که این حجم با حجم نوشته شده روی ارلن متفاوت است). همچنین دمای اولیه و نهایی گلیسیرین را ثبت می‌کنیم. سپس همانند مثال ۴-۴، حجم سرریز شده از رابطه مناسب محاسبه می‌شود.

با داشتن ضریب انبساط حجمی ظرف و اندازه‌گیری حجم سرریز شده، می‌توان ضریب انبساط حجمی گلیسیرین را محاسبه کرد.

جواب تمرین 4-4 صفحه 94 فیزیک دهم

افزایش دما که به طور معمول موجب افزایش حجم اجسام می‌شود، بر جرم آنها تأثیری ندارد. به همین دلیل انتظار داریم که چگالی اجسام با افزایش دما کاهش یابد. رابطه چگالی با تغییر دما به صورت p_۲=p_۱/(۱+βΔT) است که در آن ρ۱ و ρ۲ به ترتیب چگالی ماده در دماهای T_۱ و T_۲، β ضریب انبساط حجمی و ΔT=T_۲−T_۱ است.
الف) رابطه چگالی با تغییر دما را به دست آورید.

جواب:

جواب پرسش صفحه 97 فیزیک دهم

الف) منظور از این جمله که «دماسنج‌ها دمای خودشان را اندازه گیری می‌کنند» چیست؟

جواب:: در حقیقت دماسنج‌ها دمایی را نشان می‌دهند که پس از برقراری تعادل حرارتی با محیط به دست می‌آید؛ بنابراین دمایی که دماسنج نمایش می‌دهد همان دمای تعادل آن با محیط است.

ب) در یک کلاس درس میز، صندلی، دانش‌آموز، تخته، شیشه پنجره و… وجود دارد. در یک روز زمستانی، دمای کدام یک از آنها بیشتر از دمای هوای اتاق است؟ دمای کدام‌یک کمتر از دمای هوای اتاق است؟

جواب: دمای بدن دانش‌آموز از دمای سایر اجسام بیشتر است. شیشه پنجره که با هوای سرد بیرون در تماس است، دمایی کمتر از دیگر اجسام دارد. اجسامی مانند میز، صندلی و تخته تقریباً هم‌دمای هوای اتاق هستند؛ هرچند هنگام لمس آن‌ها ممکن است دماهای متفاوتی احساس شود که این موضوع به میزان رسانایی گرمایی اجسام مربوط است.

 

پ) در شکل ۴-۱۶ میانگین انرژی جنبشی ذرات دو جسم چگونه تغییر کرده است؟

جواب: وقتی دمای یک جسم گرم پایین می‌آید، میانگین انرژی جنبشی ذراتش کمتر می‌شود و برعکس، با بالا رفتن دمای جسم سرد، میانگین انرژی جنبشی ذرات آن افزایش پیدا می‌کند. اگر دو جسم از یک جنس باشند، در لحظه‌ای که تعادل گرمایی برقرار شده و هر دو هم‌دما می‌شوند، میانگین انرژی جنبشی ذراتشان برابر خواهد بود.

جواب پرسش 3-4 صفحه 99 فیزیک دهم

چند گوی فلزی از جنس‌های مختلف، مثلاً از آلومینیم، فولاد، برنج، مس، سرب و …، را اختیار می‌کنیم که همگی جرم یکسانی داشته باشند. گوی‌ها را توسط ریسمان‌هایی داخل ظرف آبی قرار می‌دهیم که آب آن درحال جوشیدن است و پس از مدتی گو‌ی‌ها را بیرون آورده و آنها را روی یک ورقه پارافین قرار می‌دهیم. به نظر شما کدام گوی، پارافین بیشتری را ذوب می‌کند و علت آن چیست؟ این آزمایش را نخستین بار فیزیک دان ایرلندی، جان تیندال (۱۸۹۳-۱۸۲۰ م.) طراحی و اجرا کرد.

جواب:

دمای هر سه گوی یکسان است چون همگی از آب در حال جوش خارج شده‌اند. اما بر اساس رابطه Q=mcΔT، هر گوی که گرمای ویژه بزرگ‌تری داشته باشد، هنگام رسیدن به تعادل حرارتی با محیط، مقدار گرمای بیشتری به اطراف منتقل می‌کند و در نتیجه قادر است پارافین بیشتری را ذوب کند.

جواب تمرین صفحه 101 فیزیک دهم

جسمی به جرم ۰/۲۵۰kg و دمای Cـ ^∘۳۰ را درون عایقی حاوی ۰/۵۰۰kg آب Cـ^∘۲۵/۰ می‌اندازیم. پس از چند دقیقه دمای تعادل را اندازه می‌گیریم. دمای تعادل Cـ^∘۲۱/۰ شود. گرمای ویژه جسم را محاسبه کنید. (از تبادل گرما بین ظرف و سایر اجسام چشم‌ پوشی کنید.)

جواب: در این فرایند، آب گرما از دست می دهد و جسم گرما می گیرد و به دمای تعادل ((C)^∘θ = ۲۱/۰) می‌رسد. به ازای:

جواب فعالیت صفحه 104 فیزیک دهم

برف و یخ دو شکل آشنای حالت جامد آب هستند، اما با وجود این، ظاهر متفاوتی دارند. دلیل این امر را تحقیق کنید.

جواب: اگر در آغاز دمای هوا بالاتر از نقطه انجماد باشد و به‌تدریج خنک شود، بخار آب ابتدا به صورت باران فرو می‌ریزد و با سردتر شدن بیشتر هوا، این قطرات آب یخ زده و به شکل تگرگ در می‌آیند. اما زمانی که دما از ابتدا پایین‌تر از نقطه انجماد باشد، بخار آب مستقیماً از حالت گازی به جامد تبدیل می‌شود (تصعید معکوس). در این حالت، بلورهای یخ شناور در هوا با حفظ ساختار شش‌وجهی خود به‌تدریج بزرگ‌تر شده و دانه‌های برف را به وجود می‌آورند.

 

جواب فعالیت صفحه 105 فیزیک دهم

تحقیق کنید وجود ناخالصی در مایع چه تأثیری بر نقطه انجماد آن دارد.

جواب: وجود ناخالصی در مایع سبب می‌شود که انجماد در یک دمای ثابت رخ ندهد، بلکه در بازه‌ای از دما اتفاق بیفتد.

توضیح بیشتر: ناخالصی‌ها باعث کاهش نقطه انجماد می‌شوند. برای نمونه، اگر کمی نمک طعام روی قطعه یخ بپاشیم، یون‌های حاصل از حل شدن نمک با مولکول‌های آب پیوند هیدراته تشکیل می‌دهند. این فرایند موجب می‌شود تعداد بیشتری از مولکول‌های یخ وارد فاز مایع شوند و در نتیجه حجم یخ کاهش یافته و به آب افزوده گردد. چون مولکول‌های آب در این شرایط انرژی بیشتری دارند، گرمای بیشتری از یخ می‌گیرند و در نتیجه نقطه انجماد پایین‌تر می‌آید.

جواب فعالیت صفحه 107 فیزیک دهم

الف) بررسی کنید از دیدگاه مولکولی، افزایش دما و افزایش مساحت سطح مایع چگونه بر آهنگ تبخیر سطحی مایع اثر می‌گذارد؟

جواب: هرچه سطح بزرگ‌تر باشد، تعداد ذراتی که در تماس مستقیم با سطح قرار دارند بیشتر شده و در نتیجه سرعت تبخیر سطحی افزایش می‌یابد. همچنین با بالا رفتن دما، انرژی جنبشی و سرعت ذرات بیشتر می‌شود و بنابراین ذرات راحت‌تر می‌توانند از سطح جدا شوند؛ به همین دلیل نرخ تبخیر سطحی افزایش پیدا می‌کند.

ب) با بررسی تبخیر سطحی در شرایط مختلف سعی کنید از راه تجربه، عامل یا عامل‌های دیگری را پیدا کنید که بر آهنگ تبخیر سطحی مؤثر باشند.

جواب: نوع مایع موردنظر – فشار هوا

پ) تحقیق کنید کوزه‌های سفالی چگونه می‌توانند آب داخل خود را خنک کنند.

جواب: در این کوزه‌ها بخشی از آب تبخیر می‌شود و گرمای لازم برای این تبخیر از دیواره کوزه تأمین می‌گردد. در نتیجه دمای کوزه کاهش یافته و آب داخل آن خنک باقی می‌ماند.

جواب فعالیت 9-4 صفحه 108 فیزیک دهم

از تفاوت نقطه جوش اجسام مختلف در صنعت، استفاده زیادی می‌شود. تحقیق کنید چگونه از این ویژگی برای جدا کردن محصولات نفتی استفاده می‌شود؟

جواب: با بالا رفتن دما، مواد به نقطه جوش خود می‌رسند و به بخار تبدیل می‌شوند. در این فرآیند، بخار نفت تشکیل شده و سپس با میعان دوباره به حالت مایع درآورده می‌شود.

پرسش 4-4 صفحه 108 فیزیک دهم

چرا در جدول ۴-۵ گرمای نهان تبخیر آب با افزایش دمای آن کاهش می‌یابد؟

جواب: با بالا رفتن دما، جنبش مولکول‌ها بیشتر شده و پیوندهای بین آن‌ها ضعیف‌تر می‌شود، در نتیجه مولکول‌ها برای جدا شدن از سطح به انرژی کمتری نیاز دارند. بنابراین، با افزایش دمای آب، گرمای لازم برای تبخیر کاهش می‌یابد.

توضیح بیشتر: افزایش دما باعث افزایش سرعت حرکت ذرات می‌شود و انرژی لازم برای فرار از سطح کمتر می‌شود. در دماهای پایین‌تر، بخشی از انرژی باید صرف شود تا ذرات به تندی کافی برای تبخیر برسند، بنابراین با افزایش دما، گرمای تبخیر کاهش می‌یابد.

جواب پرسش صفحه 109 فیزیک دهم

الف) چرا غذا در دیگ زودپز، زودتر پخته می‌شود؟

جواب: در زودپز، بخار آب محبوس می‌شود و فشار داخل دیگ افزایش می‌یابد. این افزایش فشار باعث بالا رفتن دمای جوش آب شده و در نتیجه غذا سریع‌تر می‌پزد.

ب) دلیل دیرتر پخته شدن تخم مرغ در ارتفاعات چیست؟ کوهنوردان برای رفع این مشکل چه کاری انجام می‌دهند؟

جواب: در ارتفاعات، کاهش فشار جو باعث کاهش دمای جوش آب می‌شود و بنابراین تخم‌مرغ دیرتر پخته می‌شود. کوهنوردان برای غلبه بر این مشکل از ظروف دربسته استفاده می‌کنند تا فشار داخل ظرف افزایش یافته و دمای جوش بالاتر رود.

جواب تمرین 6-4 صفحه 110 فیزیک دهم

قطعه یخی به جرم ۱/۰kg و دمای اولیه Cـ ∘۲۰– را آن قدر گرم می‌کنیم تا تمام آن تبدیل به بخار Cـ ∘۱۰۰ مورد نیاز برای این تبدیل چند کیلو ژول است؟

جواب:

جواب فعالیت صفحه 10-4 صفحه 111 فیزیک دهم

پاسخ: وقتی هوا در ساعات اولیه صبح سرد است، بخار آب موجود در آن هنگام تماس با سطوح خنک مانند برگ و شاخه گیاهان گرمای خود را از دست داده و طی فرآیند میعان به قطرات آب تبدیل می‌شود که به آن شبنم صبحگاهی می‌گویند.

جواب فعالیت 11-4 صفحه 111 فیزیک دهم

در فرایندهای تغییر حالت (تغییر فاز) دما تغییر نمی‌کند، اما انرژی درونی ماده تغییر می‌کند. در این باره تحقیق کنید

جواب: زیرا گرمایی که به ماده داده می‌شود، باعث افزایش انرژی درونی آن می‌شود که شامل انرژی جنبشی و انرژی پتانسیل مولکول‌هاست. از دیدگاه میکروسکوپیک، با ادامه گرما دادن، حرکت مولکول‌ها شدیدتر شده و پیوندهای بین آن‌ها سست می‌شود که این تغییر به صورت افزایش انرژی پتانسیل ظاهر می‌شود.

توضیح بیشتر: انرژی درونی یک جسم، مجموع انرژی‌های جنبشی ذرات و انرژی پتانسیل ناشی از برهم‌کنش‌های بین آن‌هاست. هنگام گرم کردن ماده، انرژی جنبشی ذرات افزایش می‌یابد و در نتیجه انرژی درونی بالا می‌رود. اما در تغییر حالت ماده، گرما صرف غلبه بر نیروهای بین مولکولی می‌شود، بنابراین دمای ماده ثابت می‌ماند، ولی انرژی پتانسیل ذرات افزایش می‌یابد و انرژی درونی کل بیشتر می‌شود.

جواب فعالیت صفحه 112 فیزیک دهم ریاضی

موهای خرس قطبی توخالی هستند. تحقیق کنید این موضوع چه نقشی در گرم نگه داشتن بدن خرس در سرمای قطب دارد؟

پاسخ: از آنجا که هوا رسانای ضعیفی برای گرماست، وجود فضای توخالی در موهای بدن خرس باعث می‌شود گرمای بدن او به راحتی به محیط منتقل نشود و در نتیجه حیوان بهتر گرم می‌ماند.

آزمایش 5-4 صفحه 113 فیزیک دهم

هدف: مشاهده پدیده همرفت
وسیله‌های موردنیاز: لولهٔ همرفت، گیره و پایه، آب سرد، دانه‌های پتاسیم پرمنگنات یا جوهر، چراغ الکلی یا گازی
مشاهده پدیده همرفت
شرح آزمایش:
۱– لوله را از آب سرد پرکنید و به آرامی چند دانهٔ پتاسیم پرمنگنات (یا چند قطره جوهر) را از دهانهٔ لوله به داخل آن بریزید.
۲– یکی از شاخه‌های قائم لوله را مطابق شکل روی شعله بگیرید و در همان لحظه شاخهٔ قائم دیگر لوله را با دست لمس کنید.
۳– دستتان را از شاخهٔ قائم بردارید و در حالی که گرما دادن را ادامه می‌دهید به مایع درون لوله با دقت نگاه کنید. پس از چند دقیقه دوباره همان شاخهٔ قائم لوله را لمس کنید.
۴– مشاهدات خود را بنویسید و با بحث درگروه، دلیل هر یک از مشاهدات را توضیح دهید.

جواب:

در این آزمایش، وقتی یک شاخه لوله که حاوی آب سرد است گرم می‌شود، آب گرم به دلیل کاهش چگالی به سمت بالا صعود می‌کند و آب سرد از شاخهٔ دیگر به سمت پایین جریان می‌یابد. این حرکت باعث ایجاد یک جریان حلقوی در لوله می‌شود. برای مشاهدهٔ بهتر این جریان، از دانه‌های پتاسیم پرمنگنات یا جوهر استفاده می‌کنند. در ابتدا شاخهٔ دیگر لوله سرد باقی می‌ماند، اما پس از گذشت چند دقیقه گرم می‌شود که این تغییر دما ناشی از پدیدهٔ همرفت است.

جواب پرسش صفحه 114 فیزیک دهم

به نظر شما چه ارتباطی بین انتقال گرما به روش همرفت و ضریب انبساط حجمی، برای یک مایع وجود دارد؟

جواب: وقتی ضریب انبساط حجمی مایع زیاد باشد، تفاوت چگالی بین نواحی گرم و سرد مایع بیشتر می‌شود و این باعث می‌شود جریان‌های همرفتی با سرعت بیشتری شکل بگیرند.

جواب فعالیت 13-4 صفحه 114 فیزیک دهم

چهار بطری شیشه‌ای یکسان، دو رنگ جوهر قرمز و آبی، دو کارت ویزیت مقوایی و آب بسیار سرد و بسیار گرم تهیه کنید. در دو تا از بطری‌ها جوهر آبی و در دو بطری دیگر جوهر قرمز بریزید. سپس بطری‌های آبی را با آب خیلی سرد و بطری‌های قرمز را با آب خیلی گرم پر کنید. اکنون در حالی که دهانه یک بطری قرمز را با کارت ویزیت گرفته‌اید، دهانه آن را دقیقاً روی دهانه یک بطری آبی قرار دهید و سپس کارت را بیرون بکشید. همین آزمایش را به طور معکوس نیز انجام دهید؛ یعنی این بار، یک بطری آبی رنگ که دهانه آن با کارت پوشیده شده است را روی دهانه بطری قرمز رنگ قرار دهید و سپس کارت را بیرون بکشید. مشاهدات خود را توضیح دهید. از این آزمایش چه نتیجه‌ای می‌گیرید؟

جواب: وقتی آب گرم در بطری بالایی باشد، پس از برداشتن کارت ویزیت تغییری در وضعیت رخ نمی‌دهد.
اما اگر آب گرم در بطری پایینی قرار داشته باشد، پس از برداشتن کارت، آب گرم به دلیل همرفت به سمت بالا حرکت کرده و آب سرد جای آن را می‌گیرد. در نتیجه، آب دو بطری با هم مخلوط شده و رنگ‌ها به صورت ترکیبی از قرمز و آبی دیده می‌شوند.

جواب فعالیت 14-4 صفحه 116 فیزیک دهم

پرتوسنج (رادیومتر) وسیله‌ای است که از یک حباب شیشه‌ای تشکیل شده است که درون آن چهار پره فلزی قائم قرار دارد که می‌توانند حول یک محور (سوزن عمودی) بچرخند. دو وجِه هر چهار پره، یک در میان سفید و سیاه است. وقتی این وسیله کنار یک چشمه نور قرار گیرد، پره‌ها حول سوزن عمودی می‌چرخند و هر چه شدت نور بیشتر باشد، این چرخش سریع‌تر است. در مورد دلیل چرخش پر‌ه‌ها تحقیق کنید.

جواب: در نگاه اول ممکن است تصور کنیم که شدت نور باعث چرخش پره‌ها می‌شود، اما واقعیت این است که نور به تنهایی نیروی کافی برای چرخاندن پره‌ها ندارد. علت اصلی چرخش این است که قسمت سیاه پره، نور بیشتری را جذب می‌کند و دمای آن افزایش می‌یابد. این گرما مولکول‌های هوا اطراف قسمت سیاه را نیز گرم‌تر می‌کند و با افزایش جنبش مولکولی در سمت سیاه، نیروی وارد شده به پره‌ها در این سمت بیشتر از سمت سفید خواهد شد. بنابراین پره‌ها به سمتی می‌چرخند که قسمت سیاه تعیین می‌کند.

جواب فعالیت 15-4 صفحه 118  فیزیک دهم ریاضی

(تنها رشته ریاضی)

سِر سرنگی را که پیستون آن آزادانه حرکت می‌کند به فشارسنجی می‌بندیم و آن را به طور افقی درون ظرف آبی می‌گذاریم و ظرف را به آرامی گرم می‌کنیم. توضیح دهید کدا‌م یک از کمیت‌های دما، حجم، فشار و مقدار هوای درون سرنگ تغییر می‌کند و تغییر آنها چگونه است؟

جواب: اگر فشار آبی که سرنگ در آن قرار دارد ثابت بماند، فشار هوای داخل سرنگ نیز تغییر نمی‌کند. در صورتی که از سرنگی با اصطکاک کم بین پیستون و بدنه استفاده کنیم، پیستون ممکن است حرکت کند تا فشار هوای داخل با فشار محیط برابر شود، اما به طور کلی فشار در طول آزمایش ثابت خواهد بود. در عین حال، حجم و دمای هوا در سرنگ تغییر می‌کنند به گونه‌ای که نسبت تغییرات حجم به تغییرات دما ثابت باقی می‌ماند، که این همان رابطه ۴-۱۲ است.

جواب فعالیت 16-4 صفحه 121 فیزیک دهم ریاضی

(تنها رشته ریاضی)

با وجود تلاش در جهت ثابت نگه داشتن فشار هوای درون هواپیما، همواره مقدار آن کمتر از فشار هوای روی زمین است. وقتی هواپیما بالا می‌رود و فشار هوا کم می‌شود، بسته‌های نوشیدنی یا دسر باد می‌کنند و حتی گاهی درشان باز می‌شود. با فرض ثابت بودن دما، این پدیده را توضیح دهید.

جواب: وقتی هواپیما اوج می‌گیرد و فشار هوای محیط کاهش می‌یابد، هوای داخل نوشیدنی که فشارش از هوای بیرون بیشتر است، به دیواره‌های ظرف فشار وارد می‌کند. اگر فرض کنیم دما ثابت است، تغییرات فشار و حجم مطابق رابطه ( ثابت = PV ) خواهد بود؛ بنابراین با افزایش حجم ظرف، فشار داخلی کاهش می‌یابد. حال اگر در ظرف محکم بسته بماند و پیش از نوشیدن آن را تکان دهید، هنگام باز کردن ناگهانی در، مایع به بیرون فوران خواهد کرد.