حل أسئلة مُراجعة الدرس
1. الفكرة الرئيسة: لماذا تتمدّد الموادّ الصلبة عند تسخينها؟ ما المقصود بمعامل التمدد الطولي؟
وفقا لنموذج الحركة الجزيئية، تتحرك جسيمات المواد الصلبة والسائلة حركة اهتزازية مستمرة، إضافة إلى وجود حركة انتقالية لجسيمات السوائل. وعند ارتفاع درجة حرارة هذه المواد يزداد مقدار سرعة جسيماتها كما تزداد سعة ذبذباتها، فيتباعدد بعضها عن بعض قليلا، وتتمدد هذه المواد.
يعرف معامل التمدد الطولي بأنه مقدار الزياد في طول () من المادة عند رفع درجة الحرارة ().
2. أُفسّر سبب تقوّس الشريط ثنائي الفلزّ عند تسخينه.
لأن معامل التمدد الطولي لأحد الفلزين يكون أكبر منه للفلز الآخر، فيتقوس الشريط نحو الفلز الذي معامل تمدده أقل.
3. أضبط المتغيرات: أراد صقر دراسة التمدّد الطولي لفلزّين مختلفين، فأحضر سلكين رفيعين (A) و (B) من الفلزّين، لهما الطول نفسه ودرجة الحرارة الابتدائية نفسها، ثم سخّنهما بحيث ارتفعت درجتا حرارتيهما بالمقدار نفسه. لاحظ صقر أنّ مقدار الزيادة في طول السلك (B) أكبر منها للسلك (A). أجيب عمّا يأتي:
أ. لماذا ضبطنا التغيّر في درجة الحرارة للفلزّين؟
لدراسة تأثير اختلاف نوع مادة الفلز في مقدار تمدده.
ب. يتناسب مقدار التمدّد الطولي لجسم طرديًّا مع طوله. هل يُمكن لصقر أن يستنتج ذلك من تجربته هذه؟ أفسر إجابتي.
لا يمكن لصقر أن يتوصل لهذا االستنتاج بناء على تجربته، إذ استخدم سلكين من فلزين مختلفين لهما الطول نفسه، وللتوصل إلى استنتاج صحيح يجب عليه استخدام سلكين مختلفين في الطول من الفلز نفسه.
ج. استنتج صقر أنّ: "معامل التمدّد الطولي لمادّة السلك (B) أكبر منه لمادّة السلك (A).
أُصدر حُكمًا على صحّة استنتاجه بناءً على تجربته.
استنتاجه صحيح؛ إذ استخدم سلكين من فلزين مختلفين ولهما الطول نفسه ورفع درجتي حرارتيهما بالمقدار نفسه.
4. التفكير الناقد: يُبيّن الشكل المجاور إناءً زجاجيَّا مغلقًا بغطاء فلزّي. حاولت هدى فتح الغطاء الفلزّي لكنّها وجدت صعوبة في ذلك. بناءً على ما تعلّمْتُه في هذا الدرس أقترح طريقة على هدى تمكّنها من فتح الغطاء الفلزّي بسهولة. أُفسّر إجابتي.
باستخدام التمدد الحراري؛ حيث معامل تمدد الفلزات أكبر من معامل تمدد الزجاج، لذا فإن وضع الغطاء الفلزي أسفل تيار ماء ساخن فترة زمنية قصيرة يجعله يتمدد وبالتالي يسهل فتحه.
5. أُصدرُ حُكمًا: في أثناء دراستي وزميلتي باسمة هذا الدرس، قالت: يجب أن يكون معامل تمدّد مادّة حشو الأسنان أكبر من معامل تمدّد مينا الأسنان؛ لكي تثبت الحشوة في السن ولا تسقط أُناقش زملائي/زميلاتي في صحّة قول باسمة.
قول باسمة غير صحيح؛ لأنه يجب أن يكون لمينا الأسنان ومادة حشو الأسنان معامل التمدد نفسه؛ فإذا كان معامل تمدد مادة الحشو أقل من معامل تمدد مينا الأسنان فإنها قد تسقط من السن عند تناول مشروبات ساخنة أو قد تتسبب في كسره عند تناول مشروبات باردة، وإذا كان معامل تمدد مادة الحشو أكبر من معامل تمدد مادة المينا فإنها قد تسبب كسر السن عند تمددها (تناول مشروبات ساخنة) أو سقوطها من السن عند تناول مشروبات باردة.
حلول أسئلة كتاب الأنشطة
تجربة اثرائية: المسعر الحراري
الأهداف:
- استخدام قانون حفظ الطاقة لحساب كمّيات الطاقة المفقودة والطاقة المكتسبة داخل النظام.
- قياس السعة الحرارية النوعية لمادّة الرصاص.
- تصميم استقصاء لقياس السعة الحرارية النوعية لمادّة المسعّر.
الموادّ والأدوات:
مسعّر حراري، ملعقة فلزّية عميقة لها مقبض من مادّة عازلة، 100g كرات صغيرة من الرصاص، ميزان إلكتروني، مقياسا درجة حرارة، مصدر طاقة كهربائية، ماء، صفيحة تسخين، دورق زجاجي.
إرشادات السلامة:
لبس النظّارة الواقية وارتداء القفّازين ومريول المختبر، والحذر عند التعامل مع كرات الرصاص الساخنة والمصدر الحراري والماء الساخن، ومسح أيّ كمّية ماء تنسكب على الأرض؛ لأن الانزلاق عليها خطير.
خطوات العمل:
أُنفِّذ الخطوات الآتية بالتعاون مع أفراد مجموعتي:
1. أقيس باستخدام الميزان الإلكتروني 200g ماء، ثم أسكبها في الدورق الزجاجي، وأضعه على صفيحة التسخين، ثم أصل صفيحة التسخين بمصدر الطاقة وأُشغّلها حتّى تصبح درجة حرارة الماء 60C تقريبًا.
2. أقيس باستخدام الميزان الإلكتروني كتلة الوعاء الداخلي للمسعّر وقضيب التحريك معًا، ثم أُدوّنها في الجدول (1).
3. أقيس باستخدام الميزان الإلكتروني 200g من كرات الرصاص، ثمّ أضعها في الملعقة الفلزّية، ثمّ أضعها في الماء الساخن في الدورق. ثمَّ أضع مقياس درجة الحرارة بين كرات الرصاص في الملعقة
على أنْ تحيط الكرات بمستودع المقياس، وأنتظرُ مدّة زمنية كافية حتّى تثبت قراءة درجة الحرارة على المقياس، ثمّ أُدوِّن في الجدول (1) كلًّ من: قراءة مقياس درجة الحرارة بوصفها درجة الحرارة الابتدائية للرصاص (Ti,Pb)، وكتلة الرصاص.
4. أقيس: في أثناء تنفيذي الخطوة السابقة يسكب أحد أفراد مجموعتي 100g ماءً في المسعّر، وأضع مقياس درجة الحرارة مدّة زمنية كافية في الماء داخل المسعّر حتّى تثبت قراءته، وأُدوّنها في الجدول (1) بوصفها درجة الحرارة الابتدائية للماء والمسعّر(Ti,w)
5. أُجرّب: أُضيف كرات الرصاص الساخنة إلى الماء الموجود في المسعّر، وأُحرّك قضيب التحريك لوصول النظام إلى الاتّزان الحراري بسرعة.
6. أقيس درجة حرارة الماء في المسعّر بعد ثبوتها بوصفها درجة الحرارة النهائية (Tf) لكرات الرصاص والماء والمسعّر، ثم أُدوّنها في الجدول (2).
البيانات والملاحظات:
التحليل والاستنتاج:
1. أستخدم الأرقام: أحسب كمّية الطاقة التي اكتسبها المسعّر الحراري، ثم أُدوّنها في الجدول (2).
2. أستخدم الأرقام: أحسب كمّية الطاقة التي اكتسبها الماء، ثم أُدوّنها في الجدول (2).
3. أُطبّق قانون حفظ الطاقة لحساب السعة الحرارية النوعية للرصاص.
4. أُقارن: درجتا الحرارة الابتدائية للماء والمسعّر متساويتان، ودرجتا الحرارة النهائية لهما متساويتان أيضًا، فهل يعني ذلك أنّهما اكتسبتا كمّية الطاقة نفسها خلال هذا التغيّر في درجة الحرارة؟ أفسّر إجابتي.
5. أُقارن مقدار السعة الحرارية النوعية للرصاص التي قستها في التجربة بالقيمة المقبولة لها، والتي تساوي 128J/kg.K .
6. أُصدرُ حكمًا على تجربتي في حساب السعة الحرارية النوعية، بناءً على إجابتي عن السؤال السابق.
7. أُقوّم: بناءً على إجابتي عن السؤال السابق، أُحدّد المشكلة أو المشكلات في التصميم أو التنفيذ. ما التعديلات التي يجب عليّ إدخالها في تجربتي للوصول إلى نتائج أكثر دقّة؟ أناقش أفراد مجموعتي فيها.
8. أُناقش: كيف أُصمّم تجربة لحساب السعة الحرارية النوعية لمادّة المسعّر؟ أُناقش أفراد مجموعتي في ذلك.
