جزوه فصل دوم فیزیک دهم تجربی - فشار و حالتهای ماده
جزوه فصل دوم فیزیک دهم تجربی
فشار و حالتهای ماده (جامد، مایع، گاز)
این جزوه خلاصهای از مفاهیم اصلی فصل دوم کتاب فیزیک دهم تجربی است که شامل تمام نکات مهم، فرمولها و مثالهای کلیدی میباشد.
۱- حالتهای مختلف ماده
ماده به سه حالت اصلی جامد، مایع و گاز وجود دارد.
حالت جامد
شکل و حجم معین
فاصله مولکولی کم
نیروی بین مولکولی قوی
حرکت مولکولی: ارتعاشی
مثال: یخ، فلزات
حالت مایع
شکل نامعین، حجم معین
فاصله مولکولی متوسط
نیروی بین مولکولی متوسط
حرکت مولکولی: انتقالی و ارتعاشی
مثال: آب، روغن
حالت گاز
شکل و حجم نامعین
فاصله مولکولی زیاد
نیروی بین مولکولی ضعیف
حرکت مولکولی: انتقالی آزاد
مثال: هوا، بخار آب
۲- فشار در جامدات
فشار به معنی نیروی عمودی وارد بر واحد سطح است.
فشار (P) = نیروی عمود بر سطح (F) ÷ مساحت سطح (A)
P = F / A
نکات مهم درباره فشار
فشار یک کمیت نردهای است (جهت ندارد)
یکای فشار در سیستم SI پاسکال (Pa) است: ۱ Pa = ۱ N/m²
یکاهای دیگر فشار: اتمسفر (atm)، بار (bar)، میلیمتر جیوه (mmHg)
تبدیل واحدها: ۱ atm = ۱۰۱۳۲۵ Pa ≈ ۱۰۵ Pa = ۷۶۰ mmHg
هرچه سطح تماس کمتر باشد، فشار بیشتر است (مثال: کفش پاشنه بلند)
مثال ۱: محاسبه فشار
مکعبی به جرم ۵۰ کیلوگرم با سطح قاعده ۰.۵ متر مربع روی زمین قرار دارد. فشار وارد بر زمین چقدر است؟ (g = 10 m/s²)
حل:
نیروی وزن: F = mg = 50 × 10 = 500 N
مساحت سطح تماس: A = 0.5 m²
فشار: P = F/A = 500 / 0.5 = ۱۰۰۰ پاسکال
۳- فشار در مایعات (فشار هیدرواستاتیک)
مایعات به دلیل وزن خود فشاری به نام فشار هیدرواستاتیک ایجاد میکنند.
فشار در عمق h از سطح مایع: P = P0 + ρgh
P0: فشار سطح مایع (معمولاً فشار هوا), ρ: چگالی مایع, g: شتاب گرانش, h: عمق
ویژگیهای فشار در مایعات
فشار در یک نقطه از مایع در همه جهات یکسان است
فشار فقط به عمق و چگالی مایع بستگی دارد، نه به شکل ظرف
فشار در نقاط همعمق برابر است
فشار با افزایش عمق افزایش مییابد
در سطح مایع، فشار برابر با فشار هوای بالای آن است
مثال ۲: فشار در مایعات
در یک استخر آب به عمق ۳ متر، فشار در کف استخر چقدر است؟ (چگالی آب = 1000 kg/m³, g = 10 m/s², فشار هوا = ۱۰۵ پاسکال)
حل:
P = P0 + ρgh = 100000 + (1000 × 10 × 3)
P = 100000 + 30000 = ۱۳۰۰۰۰ پاسکال یا ۱.۳ اتمسفر
۴- اصل پاسکال
اصل پاسکال: فشار وارد شده به یک نقطه از سیال تراکمناپذیر، به تمام نقاط سیال و دیوارههای ظرف به یک اندازه منتقل میشود.
در پرس هیدرولیک: F1/A1 = F2/A2
کاربردهای اصل پاسکال
پرس هیدرولیک: برای افزایش نیرو (مثل پرس خودرو)
ترمز هیدرولیک: در خودروها
جک هیدرولیک: برای بلند کردن اجسام سنگین
تجهیزات دندانپزشکی
مثال ۳: پرس هیدرولیک
در یک پرس هیدرولیک، سطح پیستون کوچک ۵ سانتیمتر مربع و سطح پیستون بزرگ ۵۰۰ سانتیمتر مربع است. اگر نیروی ۱۰۰ نیوتن به پیستون کوچک وارد شود، نیروی تولید شده در پیستون بزرگ چقدر است؟
اصل ارشمیدس: هر جسم که به طور کامل یا جزئی در سیال غوطهور شود، به اندازه وزن سیال جابجا شده، نیروی شناوری به سمت بالا تجربه میکند.
نیروی شناوری (Fb) = وزن سیال جابجا شده = ρسیال × Vجابجا شده × g
شرایط شناوری اجسام
شناوری: وقتی نیروی شناوری = وزن جسم (ρجسم < ρسیال)
غرقشدگی: وقتی نیروی شناوری < وزن جسم (ρجسم > ρسیال)
شناوری خنثی: وقتی نیروی شناوری = وزن جسم (ρجسم = ρسیال)
مثال ۴: اصل ارشمیدس
تختهای به حجم ۰.۲ متر مکعب و چگالی ۶۰۰ کیلوگرم بر متر مکعب روی آب شناور است. چه حجمی از تخته در آب فرو رفته است؟ (چگالی آب = 1000 kg/m³, g = 10 m/s²)
حل:
وزن تخته: Fg = ρتخته × Vکل × g = 600 × 0.2 × 10 = 1200 N
نیروی شناوری: Fb = ρآب × Vفرو رفته × g
در حالت شناوری: Fb = Fg
1000 × Vفرو رفته × 10 = 1200
Vفرو رفته = 1200 / 10000 = ۰.۱۲ متر مکعب
۶- فشار در گازها
گازها به دلیل برخورد مولکولهای گاز با یکدیگر و با دیوارههای ظرف، فشار ایجاد میکنند.
ویژگیهای فشار گازها
فشار گاز در یک ظرف بسته در همه جهات یکسان است
فشار گاز با دما رابطه مستقیم دارد (در حجم ثابت)
فشار گاز با حجم رابطه عکس دارد (در دمای ثابت) - قانون بویل
فشار جو با افزایش ارتفاع کاهش مییابد
فشارسنج (بارومتر) برای اندازهگیری فشار هوا استفاده میشود
فشار هوا (اتمسفر)
فشار جو در سطح دریا: ۱ atm = ۱۰۱۳۲۵ Pa ≈ ۱۰۵ Pa = ۷۶۰ mmHg
هر ۱۰ متر افزایش ارتفاع ≈ کاهش ۱ mmHg از فشار هوا
۷- فشارسنجها (مانومتر و بارومتر)
مانومتر (فشارسنج گازها)
برای اندازهگیری فشار گازها
نوع U شکل رایجترین نوع
بر اساس اختلاف ارتفاع ستون مایع کار میکند
Pگاز = Pاتمسفر ± ρgh
بارومتر (فشارسنج هوا)
برای اندازهگیری فشار هوا
بارومتر جیوهای رایج است
فشار هوا ستون جیوه را بالا نگه میدارد
ارتفاع ستون جیوه ≈ ۷۶ cm در سطح دریا
کاربردهای فشارسنج
پیشبینی آب و هوا
اندازهگیری ارتفاع (آلتیمتر)
سیستمهای تبرید و تهویه
کنترل فرآیندهای صنعتی
خلاصه فرمولهای مهم فصل
مفهوم
فرمول
یکا
فشار در جامدات
P = F/A
پاسکال (Pa)
فشار در مایعات
P = P0 + ρgh
پاسکال (Pa)
اصل پاسکال
F1/A1 = F2/A2
نسبت بدون واحد
نیروی شناوری
Fb = ρسیال × Vجابجا × g
نیوتن (N)
تبدیل واحد فشار
۱ atm = ۱۰۱۳۲۵ Pa ≈ ۱۰۵ Pa
---
فشار گاز در عمق h از سطح مایع
P = P0 + ρgh
پاسکال (Pa)
نکات کلیدی برای امتحان
فشار در مایعات فقط به عمق و چگالی بستگی دارد، نه به شکل ظرف
در اصل پاسکال، فشار منتقل میشود نه نیرو (نیرو با توجه به سطح تغییر میکند)
نیروی شناوری همیشه به سمت بالا است و از مرکز ثقل عبور میکند
یکاهای فشار را به درستی تبدیل کنید (Pa, atm, mmHg)
فشار گاز در یک ظرف در همه جهات یکسان است
فشار هوا با افزایش ارتفاع کاهش مییابد
در مسئلههای شناوری، حجم جابجا شده را با دقت محاسبه کنید
سوال ترکیبی نمونه
مکعب چوبی به ضلع ۰.۵ متر و چگالی ۸۰۰ kg/m³ در آب شناور است. الف) چه حجمی از مکعب در آب است؟ ب) فشار در پایین مکعب چقدر است؟ (فشار هوا = ۱۰۵ Pa، چگالی آب = 1000 kg/m³، g = 10 m/s²)
حل:
الف) حجم کل مکعب: V = (0.5)³ = 0.125 m³
وزن مکعب: Fg = ρچوب × V × g = 800 × 0.125 × 10 = 1000 N
نیروی شناوری: Fb = ρآب × Vجابجا × g = 1000 × Vجابجا × 10
Fb = Fg → 10000 × Vجابجا = 1000 → Vجابجا = 0.1 m³
ب) عمق فرو رفتن: V = سطح × ارتفاع → 0.1 = (0.5 × 0.5) × h → h = 0.4 m
فشار در پایین مکعب: P = P0 + ρgh = 100000 + (1000 × 10 × 0.4) = 100000 + 4000 = ۱۰۴۰۰۰ Pa
