چند سوال مفهومی و جالب فیزیک دبیرستان

چند عکس فیزیکی و چند سوال چالش برانگیز از فیزیک دبیرستان را در سایت ریاضی ۱۰۰ بررسی خواهیم کرد.

 

یک کَک که یک گاری فلزی را به دنبال خود می‌کشد!

 قطب نمای طبیعی

یک باکتری که بطور موقت زنجیره‌ای از کریستال‌های مگنتیت را ایجاد می‌کند که به صورت قطب‌نما عمل می‌کنند و باکتری از آنها برای جهت‌یابی استفاده می‌کند!

آزمایش همسطح بودن مایعات

به کمک یک وسیله‌ی ساده آزمایشگاهی می‌توان هم‌سطح بودن مایع را در ظروف با شکل‌های متفاوت اما مرتبط به هم، نشان داد.

در لوله ی مویین با قطر کم استثنا داریم!

این جمله را که سطح مایع در ظروف متصل به هم یکسان است، شاید بارها خوانده‌اید و حتی ممکن است آزمایش آن را مطابق همین آزمایش  انجام داده باشید، اما با توجه به شکل زیر، چه باید گفت؟!

در  عکس بالا چند لوله‌ی مویین مرتبط به هم را مشاهده می‌کنید که ارتفاع مایع رنگی در آنها متفاوت است! در لوله‌های مویین، یک فشار منفی به مایع وارد شده و باعث صعود مایع در لوله می‌شود. آن جمله‌ی اول متن، صرفاً برای ظروفی با قطر زیاد درست است.

همانطور که می‌بینید، طول مایع رنگی داخل لوله زیاد می‌شود. برای بهتر دیده شدن آب درون لوله، آن را با رنگ گواش، رنگی شده است.

چگالی نارنگی با پوست و بدون پوست :
یک نارنگی را ابتدا در داخل لیوان آب بیندازید. در مرحله‌ی دوم، پوست آن را بکَنید و دوباره داخل لیوان آب بیندازید. نتیجه را در شکل می‌بینید.

این آزمایش را هم با مفهوم چگالی و هم با مفهوم نیروی ارشمیدس می‌توان توضیح داد. پس از کندن پوست نارنگی، کاهش حجم آن از کاهش جرم آن بیشتر می‌شود. در نتیجه افزایش چگالی نارنگی، یا کاهش نیروی ارشمیدس وارد بر نارنگی، موجب پایین رفتن آن می‌شود.

یک سوال سخت از بحث شناوری و وزن

در ظرف B آب بیشتر جابه‌جا شده، چون چوب بیشتر در آب فرو رفته، در نتیجه مقدار آب این ظرف از همه کمتر است. اما ارتفاع آب در هر سه ظرف یکسان است؛ در نتیجه فشار و نیروی وارد بر کف ظرف از طرف آب در هر سه یکسان است، و این به معنی یکسان بودن وزن هر سه ظرف است.

تاثیر افزایش دمای آب بر فشار وارد بر کف ظرف

مطابق شکل درون یک ظرف به شکل مخروط ناقص، مقداری آب در دمای ۲ درجه داریم. اگر دمای آب را به ۴ درجه برسانیم، با صرف نظر از انبساط ظرف، فشار وارد از طرف آب به کف ظرف چگونه تغییر می‌کند؟

با افزایش دمای آب، چگالی مایع زیاد شده اما حجم مایع و در نتیجه ارتفاع مایع درون ظرف کاهش می‌یابد. اما از آنجایی که می‌دانیم فشار آب وارد بر کف ظرف با ارتفاع و چگالی رابطه‌ی مستقیم دارد، باید ببینیم تاثیر کدام یک در فشار در این حالت بیشتر است.

فشار آب وارد بر کف ظرف را به صورت زیر می‌نویسیم:

P=ρgh=(m/V)gh

حال اگر به جای V فرمول حجم مخروط ناقص را بنویسیم، خواهیم داشت:

V=(1/3)πh(R²+r²+Rr) → P=(3mg)/π(R²+r²+Rr)

در این رابطه، r شعاع قاعده‌ی کوچک و R شعاع قاعده‌ی بزرگ مخروط ناقص هست. پس فشار فقط به r وابسته است. با افزایش دمای آب از ۲ به ۴ درجه، مقدار r افزایش خواهد یافت (چون حجم مایع کم میشه)؛ پس فشار آب وارد بر کف ظرف کاهش خواهد یافت.

اندازه‌گیری چگالی یک سنگ نامعلوم

فرض کنید می‌خواهید چگالی یک قطعه سنگ نامعلوم را تنها به کمک یک نیروسنج اندازه‌گیری کنید. چکار می‌کنید؟

کافی هست که دو بار مطابق شکل وزن سنگ را اندازه بگیرید: یک بار در هوا و یک بار در آب. حال کافی هست که از رابطه‌ی زیر چگالی را حساب کنید:

ρ=F₁/ΔF

که F₁ وزن سنگ در هوا و ΔF اختلاف وزن سنگ در هوا و آب هست. واحد عدد بدست آمده گرم بر سانتیمتر مکعب خواهد بود. این رابطه حالت خاصی از رابطه‌ی کلی زیر است:

ρ=ρ'(F₁/ΔF)

که ‘ρ چگالی مایع استفاده شده است.

 

یخچال نفتی

شاید در مورد یخچال نفتی شنیده‌اید و ندیده‌اید. متن کتاب درسی دهه‌ی ۵۰ را درباره‌ی یخچال‌های نفتی در ادامه ببنید.

حباب هوا داخل لوله‌ی آب

در شکل زیر چند حباب هوا در داخل لوله‌ی آبی در قسمت پهن آن در حرکت هستند. اگر این حباب‌ها وارد قسمت باریک لوله شوند، چه اتفاقی برای آنها خواهد افتاد؟!

 سرعت جریان آب در قسمت باریک لوله بیشتر از قسمت پهن آن است؛ در نتیجه بنا به اثر برنولی، فشار داخلی مایع در قسمت باریک کاهش خواهد یافت. نتیجه آن که از فشار وارد به حباب‌ها کاسته شده و اندازه‌ی حباب‌ها بزرگتر خواهد شد.

میدان الکتریکی در اطراف ورقه‌های باردار

این روابط با قانون گاوس قایل اثبات هستند.

حواستان باشه کی ضریب ۱/۲ دارد و کی ندارد!

تجمع بار بر روی سطح محدب رسانا

نیروی مماسی‌ای که بارها بر روی سطوح محدب (برآمده) به هم وارد می‌کنند، کمتر از سطوح صاف و آن هم کمتر از سطوح مقعر (گود) است. به همین دلیل تجمع بار بر روی سطوح محدب از سطوح صاف و مقعر بیشتر است. در سطوح مقعر چگالی سطحی بار از همه کمتر است.

عکسی زیبا که نحوه‌ی توزیع بار را بر روی سطح اجسام رسانا به زیبایی نشان می‌دهد.

منبع : ریاضی صد