فعالیت پرسش ۲-۵ فیزیک دهم
الف) توضیح دهید چرا تورریچلی در آزمایش خود ترجیح داد به جای آب از **جیوه** استفاده کند؟ (ممکن است شکل الف بتواند در پاسخ به این پرسش به شما کمک کند.)
ب) در آزمایش تورریچلی از لوله‌های غیر مویین استفاده می‌شود. شکل (ب) این آزمایش را با سه لوله با سطح مقطع و طول متفاوت نشان می‌دهد. توضیح دهید چرا ارتفاع ستون جیوه در سه لوله برابر است.
پ) در قلم خودکار، جوهر از طریق یک لوله‌ی وارد نوک قلم شده و در آنجا توسط یک گوی فلزی ضد زنگ غلتان، روی ورقه‌ی کاغذ پخش می‌شود. در بدنه‌ی لاکی یا درپوش بالای این نوع قلم‌های خودکار، **سوراخ ریز** ایجاد می‌کنند (شکل پ). دلیل این کار را توضیح دهید.
پاسخ تشریحی و گام به گام پرسش ۲-۵ صفحه ۳۷ فیزیک دهم
سلام! این سوال به مفاهیم کلیدی **آزمایش تورریچلی (فشار هوا)** و **فشار مایعات** می‌پردازد. 😊
---
### الف) دلیل استفاده از جیوه به جای آب در آزمایش تورریچلی
تورریچلی با استفاده از رابطه‌ی فشار در عمق مایع ($$P = \rho g h$$)، فشار جو را اندازه گرفت. در این آزمایش، فشار هوا ($$P_{\text{جو}}$$) با فشار ناشی از ستون مایع ($\rho g h$) در تعادل قرار می‌گیرد.
* $$\mathbf{P}_{ ext{جو}} = \mathbf{\rho g h}$$
1. **چگالی بالا ($$\mathbf{\rho}$$):** چگالی جیوه ($$\mathbf{13600 \text{ kg}/\text{m}^3}$$) بسیار بیشتر از چگالی آب ($$\mathbf{1000 \text{ kg}/\text{m}^3}$$) است.
2. **ارتفاع ستون ($$\mathbf{h}$$):** از آنجایی که $$P_{\text{جو}}$$ ثابت است و $$g$$ نیز ثابت است، $\rho$ و $h$ باید **رابطه عکس** داشته باشند ($$h \propto 1/\rho$$).
* اگر از جیوه استفاده شود: $$h_{\text{جیوه}} \approx 76 \text{ cm}$$
* اگر از آب استفاده شود: $$h_{\text{آب}} = h_{\text{جیوه}} \times \frac{\rho_{\text{جیوه}}}{\rho_{\text{آب}}} \approx 76 \text{ cm} \times 13/6 \approx \mathbf{1033 \text{ cm}} \approx 10/33 \text{ m}$$
**نتیجه:** برای اندازه‌گیری فشار هوا با آب، به لوله‌ای به ارتفاع بیش از **$$\text{10 متر}$$** نیاز است که ساخت آن بسیار دشوار است. اما با جیوه، به لوله‌ای به ارتفاع تنها کمی بیش از **$$\text{76 سانتی‌متر}$$** نیاز است (شکل الف).
---
### ب) دلیل برابری ارتفاع ستون جیوه در لوله‌های مختلف
این مورد تأییدکننده‌ی اصل کلیدی فشار در مایعات است.
* **رابطه:** $$\mathbf{P_{\text{جو}} = \rho g h}$$
* **توضیح:** از آنجایی که در این آزمایش:
* **فشار جو ($$P_{\text{جو}}$$)** ثابت است.
* **چگالی جیوه ($$\rho$$)** ثابت است.
* **شتاب گرانش ($$g$$)** ثابت است.
تنها متغیری که می‌تواند تغییر کند **ارتفاع ($$h$$)** است. بنابراین، برای برقراری تعادل، ارتفاع ستون جیوه **باید** مستقل از **سطح مقطع** و **طول** لوله (تا زمانی که به اندازه‌ی کافی بلند باشد تا مایع در آن بالا رود) ثابت بماند. فشار فقط به عمق بستگی دارد، نه شکل ظرف یا لوله.
---
### پ) دلیل سوراخ ریز در خودکار
سوراخ ریز در بدنه‌ی خودکار (شکل پ) یا درپوش آن برای برقراری **فشار هوا** در مخزن جوهر است.
* **وظیفه سوراخ:** این سوراخ به **هوای بیرون** اجازه می‌دهد تا وارد مخزن جوهر شود و روی سطح آزاد جوهر **فشار جو** ($$P_0$$) اعمال کند.
* **نتیجه:** اگر این سوراخ وجود نداشته باشد، با مصرف جوهر، حجم هوا در مخزن افزایش و فشار آن **کاهش** می‌یابد. در نتیجه، اختلاف فشار بین جوهر و خارج از نوک قلم، به تدریج جریان جوهر را **متوقف** می‌کند و قلم نمی‌نویسد.
* **کارکرد:** این سوراخ تضمین می‌کند که فشار داخل مخزن جوهر همواره برابر با فشار هوای بیرون باشد تا جوهر به راحتی و با فشار مناسب، توسط گوی غلتان روی کاغذ جریان یابد.
