رپیتیچ > بلاگ > آموزش درس 5 فصل 4 فیزیک دهم + تدریس ویدیویی

آموزش درس 5 فصل 4 فیزیک دهم + تدریس ویدیویی

آنچه در این پست میخوانید

آموزش درس 5 فصل 4 فیزیک دهم به‌صورت تست‌بیس، همراه با تدریس ویدیویی «شهاب نصیری» را، در این پست از رپیتیچ ببینید.

در جلسه قبل با تغییر حالات جامد-مایع و مایع-بخار آشنا شدیم. درس پنجم این فصل به روش‌های انتقال گرما اختصاص دارد.

برای دسترسی به کل مباحث فصل چهارم، روی لینک زیر کلیک کنید.

خب، اول از همه بریم که ویدیوی آموزشی این بخش رو ببینیم.

آموزش ویدیویی درس 5 فصل 4 فیزیک دهم

در این قسمت، بخشی از «آموزش درس پنجم فصل چهارم فیزیک دهم» را به‌صورت ویدیویی می‌توانید ببینید. مدرس این قسمت، جناب مهندس شهاب نصیری، مولف برتر آزمون‌های موسسات معتبر هستند.

فرم دریافت آموزش های ویدئویی فیزیک:

اگه تو هم میخوای کل فیزیکت رو تو کمترین زمان و با تدریس انیمیشنی مفهومی تستی مهندس شهاب نصیری جمع کنی؛ کافیه این فرم رو پر کنی و منتظر تماسمون باشی:

روی نمره 20 و درصد بالای 70 فیزیکت (مثل رتبه های برتر هر سالمون) حساب کن!

گرما به سه روش عمده می‌تواند منتقل بشود. این سه روش «رسانش گرمایی»، «همرفت» و «تابش گرمایی» نام دارند. همرفت و تابش گرمایی می‌توانند در اشکل متفاوتی رخ بدهند که در این مقاله به بررسی آنها می‌پردازیم. در بخشی از این درس، حتی پدیده‌های طبیعی را نیز در این باره مطالعه می‌کنیم.

روش‌های انتقال گرما؛ درس پنجم فصل چهارم فیزیک دهم

در کتاب علوم هفتم یاد گرفتیم که شارش گرما، به سه صورت متفاوت انجام می‌شود. این سه روش همان‌طور که اشاره شد عبارت‌اند از: رسانش گرمایی، همرفت و تابش گرمایی. در هر فرایند انتقال گرما، ممکن است هر سه این سازوکارها دخالت داشته‌ باشند.

اختلاف دما باعث شارش گرما از جسم با دمای بالاتر به جسم با دمای پایین‌تر می‌شود. انتقال گرما، از جسم گرم به جسم سرد تا وقتی ادامه می‌یابد که دو جسم هم‌دما شوند. به اصطلاح، به تعادل گرمایی برسند. در ادامه به بررسی دقیق‌تر سازوکار هر یک از این روش‌ها می‌پردازیم.

رسانش گرمایی

تا حالا شده‌ قاشقی فلزی که درون ظرف غذای روی اجاق روشن است را با دست بردارید؟ بدون شک از انتهای قاشق بلافاصله داغی را حس کرده‌اید. اجسامی دیگر مانند شیشه، چوب و … نیز می‌توانند گرما را تا حدودی انتقال دهند. رسانش گرمایی در این اجسام، به دلیل ارتعاش اتم‌ها و گسترش این ارتعاش‌ها در طول آنهاست.

به جهت نبودِ الکترون‌های آزاد، این اجسام رساناهای گرمایی خوبی نیستند. به همین دلیل از برخی از این مواد در دیوارها و سقف بناها استفاده می‌کنند. در این صورت تا جای ممکن از خروج گرما در زمستان و ورود آن در تابستان جلوگیری می‌شود.

در فلزات افزون بر ارتعاش‌های اتمی، الکترون‌های آزاد نیز در انتقال گرما نقش دارند. بنابراین، نسبت به سایر اجسام، رساناهای گرمایی بسیاز بهتری هستند. الکترون‌های فلزها بسیار کوچک‌اند و به سرعت حرکت می‌کنند. از همین‌رو، با برخورد با سایر الکترون‌ها و اتم‌ها سبب رسانش گرما می‌شوند.

بنابراین، در رساناهای فلزی سهم الکترون‌های آزاد در رسانش گرما بیشتر از اتم‌هاست.

فعالیت 4-12

موهای خرس قطبی تو خالی هستند. تحقیق کنید این موضوع چه نقشی در گرم نگه‌داشتن‌ بدن خرس در سرمای قطب دارد؟

پاسخ: از آنجا که هوا رسانای خوبی برای گرما نیست، می‌توانیم یک نتیجه بگیریم. تو خالی بودن‌ موهای بدن خرس باعث می‌شود که گرمای بدن این جاندار به محیط بیرون منتقل نشود.

همرفت

وقتی ظرف بزرگی از آب را روی اجاق می‌گذاریم چگونه همه آب آن در مدت نه چندان زیادی گرم می‌شود؟ بخاری چگونه هوای داخل اتاق را گرم می‌کند؟

مایعات و گازها معمولا رساناهای گرمایی خوبی نیستند. انتقال گرما در آنها عمدتا به روش همرفت، یعنی همراه با جابه‌جایی بخشی از خود ماده، انجام می‌گیرد. این پدیده بر اثر کاهش چگالی شاره با افزایش دما صورت می‌گیرد. انتقال گرما به روش همرفت را می‌توان به سادگی با انجام آزمایش نشان داد.

مثال‌های طبیعی همرفت

همرفت می‌تواند در همه شاره‌ها، چه مایع و چه گاز، به وقوع بپیوندد. در همرفت برخلاف رسانش گرمایی، انتقال گرما با انتقال بخش‌هایی از خود ماده صورت می‌گیرد. تصور کنید که شاره در تماس با جسمی گرم‌تر از خود قرار می‌گیرد. در این حالت فاصله متوسط مولکول‌ها در بخشی از شاره که در تماس با جسم گرم است، افزایش می‌یابد و حجمش زیاد می‌شود. در نتیجه چگالی این قسمت از شاره کاهش می‌یابد. دلیلش این است که اکنون چگالی این شاره انبساط‌یافته‌ کمتر از شاره سردتر اطراف خود است. نیروی شناوری (بنا به اصل ارشمیدس) موجب بالا رفتن‌ آن می‌شود. آنگاه مقداری از شاره سردتر اطراف آن، جایگزین شاره گرم‌تر می‌شود که بالا رفته‌ است. این فرایند، به همین ترتیب ادامه می‌یابد.

گرم‌شدن هوای داخل اتاق به وسیله بخاری و رادیاتور شوفاژ نمونه‌ای از فرایند همرفت است.

از دیگر مثال‌های پدیده همرفت می‌توان به موارد زیر اشاره کرد:

گرم‌شدن آب درون قابلمه
جریان‌های باد ساحلی
انتقال گرما از مرکز خورشید به سطح آن

همه این مثال‌ها، نمونه‌هایی از همرفت طبیعی است.

پرسش 4-6

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

پاسخ: ضریب انبساط حجمی مایعات بالاست. این امر باعث می‌شود که اختلاف چگالی بین قسمت‌های سرد و گرم مایع بیشتر شود. در نتیجه، همرفت با سرعت بیشتری رخ می‌دهد.

همرفت واداشته‌

ممکن است شاره به کمک یک تلمبه (طبیعی یا مصنوعی) به حرکت واداشته‌ شود. اگر به این صورت گرما منتقل بشود، از همرفت واداشته‌ استفاده کرده‌ایم.

از مثال‌های عینی انتقال گرما به روش همرفت واداشته‌ می‌توان به موارد زیر اشاره داشت:

سیستم گرم‌کننده مرکزی در ساختمان‌ها
سیستم خنک‌کننده موتور اتومبیل
گرم و سرد شدن‌ بخش‌های مختلف بدن بر اثر گردش جریان خون در بدن جانوران خونگرم

فعالیت 4-13

چهار بطری شیشه‌ای یکسان در دو رنگ جوهر قرمز و آبی تهیه کنید. همراه آنها باید دو کارت ویزیت مقوایی و آب بسیار سرد و بسیار گرم نیز باشد. 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 دهانه یک بطری قرمز را با کارت ویزیت بگیرید. سپس، آن را دقیقا بر روی دهانه یک بطری آبی قرار دهید. پس از این مورد، کارت را بیرون بکشید. همین آزمایش را به طور معکوس نیز انجام دهید. یعنی یک بطری آبی رنگ که دهانه آن با کارت پوشیده‌ شده‌ است را روی دهانه بطری قرمز رنگ قرار دهید. پس از آن، کارت را بیرون بکشید. مشاهدات خود را توضیح دهید. از این آزمایش، چه نتیجه‌ای می‌گیرید؟

پاسخ: در حالتی که آب گرم در بطری بالایی قرار دارد، پس از برداشتن‌ کارت ویزیت، شرایط تغییری نمی‌کند.

حال بیایید موقعی را بررسی کنیم که آب گرم در بطری پایینی قرار دارد. پس از برداشتن‌ کارت ویزیت، آب گرم به دلیل همرفت به سمت بالا حرکت می‌کند. آب سرد هم به سمت پایین می‌رود. در نتیجه، آب در دو بطری به شکل مخلوطی از رنگ‌های قرمز و آبی خواهد بود.

تابش گرمایی

همه ما تجربه گرم‌شدن در آفتاب را داریم. این تجربه را با نزدیک‌کردن دست‌مان به اجسام زیر نیز می‌توانیم داشته‌ باشیم:

رادیاتور گرم شوفاژ
لامپ رشته‌ای روشن
و سایر اجسام گرم مشابه

آیا با نزدیک‌کردن دست‌تان به زیر لامپ رشته‌ای، گرما با روش رسانش، یا همرفت به دست‌تان می‌رسد؟

می‌دانیم که هوا رسانای خوبی نیست. وقتی دست زیر لامپ است، انتقال گرما به روش همرفت نمی‌تواند رخ بدهد. خورشید، لامپ داغ، کتری، رادیاتور شوفاژ و .. از خود پرتوهایی گسیل می‌کنند. دست ما با جذب کردن‌ آنها گرم می‌شود. این پرتوها از نوع امواج الکترومغناطیسی هستند. آنها شامل امواج رادیویی، تابش فروسرخ، نور مرئی، تابش فرابنفش، پرتوهای x و پرتوهای γ هستند. هرکدام از این امواج چشمه‌های تولید‌کننده‌ مربوط به خود را دارد. ما در این بخش، به تابش الکترومغناطیسی گسیل‌شده‌ از مواد بر اثر دمای آنها سروکار داریم. در واقع هر جسم در هر دمایی تابش الکترومغناطیسی گسیل می‌کند. به این نوع تابش، تابش گرمایی می‌گویند.

دمانگار و دمانگاشت

نشان داده‌ می‌شود که تابش گرمایی در دماهای زیر حدود 500 درجه سانتی‌گراد عمدتا به‌صورت تابش فروسرخ است. این تابش نامرئی است. برای آشکارسازی تابش‌های فروسرخ از ابزاری موسوم به دمانگار استفاده می‌کنیم. به تصویر به‌دست آمده‌ از این ابزار، دمانگاشت می‌گوییم. در پایین، تصویر دمانگاشتی از بدن یک شخص را مشاهده می‌کنید.

توجه کنید که رنگ‌ها نمادین است. ناحیه‌های گرم‌تر با رنگ قرمز و ناحیه‌های سردتر با رنگ آبی مشخص شده‌ است.

تابش گرمایی از سطح هر جسم علاوه بر دما، به موارد زیر نیز بستگی دارد:

مساحت
میزان صیقلی‌بودن
و رنگ سطح آن

سطوح صاف و درخشان با رنگ‌های روشن، تابش گرمایی کمتری دارند. تابش گرمایی سطوح تیره، ناصاف و مات بیشتر است.

تابش گرمایی در پدیده‌های زیستی

در پدیده‌های زیستی نیز تابش گرمایی کاربردهای فراوانی دارد. قرار است در ادامه به دو نمونه از آنها اشاره کنیم.

شکار تابش فروسرخ

نوعی از مارهای زنگی اندام‌هایی حفره‌ای بر روی پوزه خود دارند. این اندام‌ها نسبت به تابش فروسرخ حساس‌اند.

این مارها اغلب در سیاهی شب شکار می‌کنند. آنها می‌توانند طعمه‌های خونگرم خود را به واسطه تابش فروسرخ‌شان در تاریکی و سرمای شب مشاهده کنند. این امر به کمک اندام‌های حفره‌ای امکان‌پذیر است.

کلم اسکانک

کلم اسکانک یکی از چندین گیاهی است که می‌تواند دمایش را تا بیشتر از دمای محیط بالا ببرد.

این نوع کلم به خاطر بالا رفتن‌ دمایش، انرژی خود را از طریق تابش فروسرخ از دست می‌دهد. بنابراین می‌تواند برف اطرافش را در زمستان آب کند.

فعالیت 4-14

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

پاسخ: شاید در نگاه اول، دلیل چرخش پره‌ها را شدت نور درنظر بگیریم؛ ولی اینطور نیست. شدت نور، قدرت کافی برای چرخاندن پره‌ها را ندارد. دلیل اصلی چرخش پره‌ها این است که در سمت سیاه پره، نور بیشتر از قسمت سفید جذب می‌شود. در نتیجه، دمای قسمت سیاه افزایش یافته‌ و مولکول‌های هوا را هم گرم‌تر خواهد کرد. با افزایش دما، جنب‌و‌جوش مولکول‌ها در سمت سیاه افزایش می‌یابد. در نتیجه نیروی وارد به پره‌ها در سمت سیاه، بیشتر از سمت سفید خواهد شد. پره‌ها نیز در سمتی خواهند چرخید که قسمت سیاه تعیین کند.

تف‌سنج و تف‌سنجی

از تابش گرمایی می‌توان به عنوان مبنایی برای اندازه‌گیری دمای اجسام استفاده کرد. به روش‌های اندازه‌گیری دما مبتنی بر تابش گرمایی، تف‌سنجی می‌گویند. ابزارهای اندازه‌گیری دما به این روش نیز، تف‌سنج نام دارند.

شیوه کار تف‌سنج برخلاف سایر دماسنج‌هاست. این ابزار بدون تماس با جسمی که می‌خواهیم دمای آن را اندازه بگیریم، دمای جسم را اندازه می‌گیرد. تف‌سنجی، به‌خصوص در اندازه‌گیری دماهای بالای 1100 درجه سانتی‌گراد اهمیت ویژه‌ای دارد. تف‌سنج تابشی و تف‌سنجِ نوری، تف‌سنج‌هایی برای اندازه‌گیری این دماها هستند. برای اندازه‌گیری این دماها، تف‌سنج نوری را به عنوان دماسنج معیار انتخاب کرده‌اند.