تمرین ۳ آخر فصل دوم فیزیک دهم
هنگام پاک کردن تخته سیاه، ذرات گچ به طور نامنظم در هوای اطراف پراکنده شده و حرکت میکنند. این حرکت نامنظم ذرات گچ، مطابق شکل زیر مدلسازی شده است.
الف) چه عاملی باعث **حرکت نامنظم** ذرههای گچ میشود؟
ب) مولکولهای هوا بسیار کوچکتر و سبکتر از ذرههای گچ هستند و توسط میکروسکوپ هم دیده نمیشوند. توضیح دهید چگونه این تجربه ساده، شاهدی بر **وجود مولکولهای هوا** است؟
پاسخ تشریحی و گام به گام تمرین ۳ آخر فصل دوم فیزیک دهم
سلام! این سوال به پدیدهای به نام **حرکت براونی (Brownian Motion)** میپردازد که یکی از محکمترین شواهد تجربی برای اثبات وجود اتمها و مولکولها است. 😊
### الف) عامل حرکت نامنظم ذرههای گچ
عامل اصلی این حرکت نامنظم، **برخورد مداوم و نامتقارن مولکولهای هوا** با ذرهی گچ است.
1. **جنبش گرمایی:** مولکولهای هوا (مانند هر گازی) در حال **جنبش گرمایی** هستند؛ یعنی با سرعت زیاد و در جهات تصادفی حرکت میکنند.
2. **برخورد نامتقارن:** ذرهی گچ بسیار بزرگتر از مولکولهای هوا است. در هر لحظه، تعداد زیادی مولکول هوا از جهات مختلف به ذرهی گچ برخورد میکنند. با این حال، چون این برخوردها **تصادفی و نامنظم** هستند، احتمالاً در یک لحظهی خاص، نیروی خالص ناشی از برخوردها در یک جهت (مثلاً به سمت راست) قویتر از جهت مخالف است.
3. **حرکت کاتورهای:** این نیروی خالص نامتعادل، هرچند که لحظهای و کوچک است، باعث میشود ذرهی گچ در جهت آن نیرو **هل داده شود** و مسیر حرکت آن به طور ناگهانی تغییر کند. این تغییرات پیاپی مسیر، همان **حرکت زیگزاگی و نامنظم** است که مشاهده میشود.
---
### ب) این تجربه چگونه شاهدی بر وجود مولکولهای هوا است؟
اگر هوا یک محیط **پیوسته** (و بدون ذرات متحرک) میبود، ذرهی گچ پس از افتادن یا رها شدن، یا باید به صورت مستقیم به پایین میرفت یا به دلیل مقاومت آرام هوا متوقف میشد.
اما مشاهدهی حرکت:
* **شاهد:** حرکت نامنظم و ناگهانی ذرهی گچ (که در واقع یک ذرهی **مرئی** است) فقط میتواند نتیجهی **برخورد با ذرات دیگری** باشد که خودشان **نامرئی** و **بسیار کوچک** و **در حال حرکت** هستند.
* **نتیجهگیری:** چون نیروی خالصی که ذرهی گچ را حرکت میدهد، از برخورد با مولکولهای هوا ناشی میشود، این حرکت نامنظم، **اثبات تجربی غیرمستقیم** وجود مولکولهای هوا است که با چشم غیرمسلح دیده نمیشوند. این آزمایش، **واقعیت اتمی/مولکولی ماده** را تأیید میکند.
تمرین ۴ آخر فصل دوم فیزیک دهم
الف) توضیح دهید چرا **پدیدهی پخش در گازها، سریعتر از مایعها** انجام میشود. در توضیح خود به چند مثال نیز اشاره کنید.
ب) یک بادکنک پُر از باد، حتی اگر دهانهی آن نیز کاملاً بسته شده باشد، باز هم رفتهرفته **کم باد** میشود.
پاسخ تشریحی و گام به گام تمرین ۴ آخر فصل دوم فیزیک دهم
سلام! این تمرین بر مفهوم **پخش (Diffusion)** و تفاوتهای جنبشی مولکولها در گازها و مایعات تمرکز دارد. 😊
### الف) دلیل سریعتر بودن پخش در گازها
سرعت پخش به **فاصلهی بین مولکولها** و **نیروهای بین مولکولی** بستگی دارد:
1. **فاصلهی زیاد (تراکم کم):** در گازها، مولکولها **فاصلهی بسیار زیادی** از هم دارند و فضای خالی زیادی برای حرکت وجود دارد. این باعث میشود که یک مولکول بتواند مسافت طولانیتری را بدون برخورد طی کند، در نتیجه پخش **سریعتر** است.
2. **نیروهای بین مولکولی ضعیف:** در گازها، نیروهای جاذبهی بین مولکولی تقریباً وجود ندارند، بنابراین مولکولها بهراحتی از کنار هم عبور میکنند.
* **در مقایسه با مایعات:** در مایعات، مولکولها تقریباً در تماس دائم هستند و نیروهای همچسبی قویتر است. بنابراین، مولکولها باید برای جابهجایی، مولکولهای مجاور خود را هل دهند یا از میان آنها عبور کنند، که این امر فرآیند پخش را **کُند** میکند.
* **مثالها:**
* **گاز:** انتشار بوی عطر در یک اتاق چند ثانیه طول میکشد.
* **مایع:** پخش جوهر در یک لیوان آب میتواند چندین ساعت یا حتی روز طول بکشد تا به طور کامل یکنواخت شود.
---
### ب) دلیل کم باد شدن بادکنک
کم باد شدن تدریجی بادکنک، نمونهای از پدیدهی **پخش (Diffusion)** و **اندازهی مولکولی** است.
1. **جنبش مولکولی:** مولکولهای گاز داخل بادکنک در حال حرکت سریع و نامنظم (جنبش گرمایی) هستند و به دیوارهی لاستیکی بادکنک برخورد میکنند.
2. **نفوذ (Permeation):** دیوارهی لاستیکی بادکنک (حتی اگر بهخوبی بسته شده باشد) **کاملاً جامد نیست**، بلکه ساختاری نیمهتراوا با **منافذ یا فضاهای بین زنجیرههای پلیمری** دارد که برای مولکولهای کوچکتر قابل نفوذ هستند.
3. **انتشار به بیرون:** مولکولهای گاز (به خصوص مولکولهای کوچکتر مانند هلیم یا حتی نیتروژن و اکسیژن هوا) به دلیل برخورد و اختلاف غلظت، بهآرامی میتوانند از این فضاهای مولکولی عبور کرده و از داخل به بیرون بادکنک **نفوذ** کنند.
* **نتیجه:** با گذشت زمان، تعداد مولکولهای داخل بادکنک کم شده و در نتیجه **فشار داخلی کاهش** مییابد و بادکنک کم باد میشود.