چند پرسش صفحه ۵۱ فیزیک دهم فنی

پرسش های صفحه ۵۱ فیزیک دهم فنی شامل مباحث مهمی چون شناوری و اصل برنولی هستند که درک عمیق آن ها برای دانش آموزان رشته های فنی و حرفه ای ضروری است. این صفحه به نیروهای وارد بر اجسام در شاره ها و همچنین اصول حاکم بر جریان سیالات می پردازد و پایه ای برای مباحث پیشرفته تر در مهندسی و فن آوری محسوب می شود. در این مقاله، به صورت جامع و گام به گام به حل دقیق این پرسش ها خواهیم پرداخت تا دانش آموزان بتوانند با دیدی شفاف و فنی، به تسلط کافی بر این مفاهیم دست یابند و کاربردهای عملی آن ها را درک کنند.

فهرست مطالب

• پرسش ۱۶: توضیح نیروی شناوری رو به بالا
• پرسش ۱۷: جریان شاره در لوله و معادله پیوستگی
• پرسش ۱۸: اصل برنولی و پدیده نوارهای کاغذی
• پرسش ۱۹: کاربراتور و کاربرد اصل برنولی

حل پرسش های صفحه ۵۱ فیزیک دهم فنی (فصل ویژگی های فیزیکی مواد و شاره ها)

پرسش ۱۶: توضیح نیروی شناوری رو به بالا

متن سوال: توضیح دهید چرا نیروی شناوری برای جسمی که در یک شاره قرار دارد رو به بالاست.

پاسخ تشریحی:

نیروی شناوری، همان نیروی خالص رو به بالا است که یک شاره (مایع یا گاز) به جسمی که جزئی یا کلی در آن غوطه ور شده، وارد می کند. برای درک اینکه چرا این نیرو همیشه رو به بالاست، باید به مفهوم فشار در شاره ها و نحوه تغییر آن با عمق توجه کنیم.

فشار در یک شاره، با افزایش عمق، افزایش می یابد. این بدان معناست که در یک عمق معین، فشار از هر طرف به یک اندازه بر جسم وارد می شود، اما در اعماق مختلف، این فشار متفاوت است. وقتی جسمی در یک شاره قرار می گیرد، فشارهای متفاوتی از اطراف و از بالا و پایین به آن وارد می شود:

• فشار از بالا: سطح بالای جسم در عمق کمتری از شاره قرار دارد، بنابراین فشار وارد بر آن از سمت بالا کمتر است.
• فشار از پایین: سطح پایین جسم در عمق بیشتری از شاره قرار دارد، بنابراین فشار وارد بر آن از سمت پایین بیشتر است.

این اختلاف فشار بین سطح بالا و پایین جسم، باعث ایجاد یک نیروی خالص رو به بالا می شود. نیرویی که از پایین به جسم وارد می شود (ناشی از فشار بیشتر) بزرگتر از نیرویی است که از بالا به جسم وارد می شود (ناشی از فشار کمتر). در نتیجه، برآیند این نیروها، یک نیروی رو به بالا را تشکیل می دهد که همان نیروی شناوری است. این پدیده به طور مستقیم با قانون ارشمیدس مرتبط است که بیان می کند نیروی شناوری وارد بر یک جسم، برابر با وزن شاره جابجا شده توسط آن جسم است.

از دیدگاه کاربردی در رشته های فنی، درک نیروی شناوری برای طراحی و ساخت سازه هایی که با سیالات در ارتباط هستند، مانند کشتی ها، زیردریایی ها، سکوهای نفتی، و حتی هواپیماها (در مورد هوا به عنوان یک شاره) بسیار حیاتی است. این اصل به ما کمک می کند تا بتوانیم میزان پایداری و ظرفیت باربری این سازه ها را محاسبه کنیم.

نیروی شناوری رو به بالا ناشی از تفاوت فشار شاره بر سطوح بالایی و پایینی جسم غوطه ور است؛ هرچه عمق بیشتر باشد، فشار نیز بیشتر خواهد بود.

پرسش ۱۷: جریان شاره در لوله (تندی آب و معادله پیوستگی)

متن سوال: در لوله ای پر از آب مطابق شکل زیر، آب از چپ به راست در جریان است. روی این لوله ۵ قسمت (B، C، D، E و A) نشان داده شده است.

الف) در کدام یک از قسمت های لوله، تندی آب، در حال افزایش، در حال کاهش، یا ثابت است؟ لوله با یکدیگر مقایسه کنید.

ب) تندی آب را در قسمت های A و E و C لوله با یکدیگر مقایسه کنید.

پاسخ تشریحی:

برای پاسخ به این سوال، از معادله پیوستگی (A₁V₁ = A₂V₂) استفاده می کنیم. این معادله بیان می کند که برای یک جریان پایدار و غیرقابل تراکم شاره در لوله، حاصل ضرب مساحت سطح مقطع لوله (A) در تندی شاره (V) در هر نقطه از لوله ثابت است. به عبارت دیگر، هرجا سطح مقطع لوله کمتر باشد، تندی شاره بیشتر و هرجا سطح مقطع بیشتر باشد، تندی شاره کمتر خواهد بود.

الف) تحلیل تندی آب در قسمت های مختلف لوله

با بررسی شکل لوله و قسمت های A، B، C، D و E، می توان تندی آب را در هر بخش تحلیل کرد:

1. قسمت A: این بخش ابتدایی لوله است و تندی آب در آن ثابت است، زیرا سطح مقطع تغییری نمی کند.
2. قسمت B: در این بخش، لوله باریک تر می شود (سطح مقطع کاهش می یابد). بر اساس معادله پیوستگی، برای حفظ ثابت بودن حاصل ضرب AV، با کاهش A، تندی V باید افزایش یابد. بنابراین، آب در این قسمت شتاب گرفته و تندی آن رو به افزایش است.
3. قسمت C: این بخش میانی لوله است و سطح مقطع آن بزرگتر از A و E است. تندی آب در این قسمت ثابت است.
4. قسمت D: در این بخش، لوله مجدداً گشاد می شود (سطح مقطع افزایش می یابد). برای حفظ ثابت بودن حاصل ضرب AV، با افزایش A، تندی V باید کاهش یابد. بنابراین، آب در این قسمت کند شده و تندی آن رو به کاهش است.
5. قسمت E: این بخش انتهایی لوله است و تندی آب در آن ثابت است، زیرا سطح مقطع تغییری نمی کند.

خلاصه تغییرات تندی:

قسمت لوله	تغییر سطح مقطع	تغییر تندی آب
A	ثابت	ثابت
B	کاهش	افزایش
C	ثابت (بزرگتر از A و E)	ثابت (کمتر از A و E)
D	افزایش	کاهش
E	ثابت	ثابت

ب) مقایسه تندی آب در قسمت های A، E و C لوله

با توجه به معادله پیوستگی و بررسی سطح مقطع های این سه قسمت:

• سطح مقطع A و E: از روی شکل مشخص است که مساحت سطح مقطع در قسمت A و E با یکدیگر برابر است.
• سطح مقطع C: مساحت سطح مقطع در قسمت C به وضوح بزرگتر از مساحت سطح مقطع در قسمت های A و E است.

بنابراین، بر اساس معادله پیوستگی:

• از آنجا که A_A = A_E، پس V_A = V_E (تندی آب در A و E برابر است).
• از آنجا که A_C > A_A (و همچنین A_C > A_E)، پس V_C < V_A (و همچنین V_C < V_E).

نتیجه کلی این مقایسه به این صورت است: V_A = V_E > V_C.
این مفهوم در طراحی سیستم های لوله کشی، شبکه های آب رسانی و هیدرولیک صنعتی بسیار مهم است و به مهندسان کمک می کند تا سرعت جریان و فشار را در نقاط مختلف یک سیستم کنترل کنند.

پرسش ۱۸: پدیده نوارهای کاغذی (کاربرد اصل برنولی)

متن سوال: دو نوار کاغذی به طول تقریبی ۱۰cm را مطابق شکل (الف) به انتهای یک نی نوشابه بچسبانید. وقتی مطابق شکل (ب) به درون نی دمیده می شود نوارهای کاغذی به طرف یکدیگر جذب می شوند. با توجه به اصل برنولی دلیل این پدیده را توضیح دهید.

پاسخ تشریحی:

این آزمایش ساده، نمایش بسیار خوبی از اصل برنولی است. اصل برنولی بیان می کند که برای یک شاره در جریان (مایع یا گاز) در یک خط جریان افقی، هرچه تندی شاره افزایش یابد، فشار آن کاهش می یابد و بالعکس. به عبارت دیگر، بین سرعت و فشار شاره، رابطه معکوس وجود دارد.

هنگامی که شما مطابق شکل (ب) به درون نی می دمید، هوای بین دو نوار کاغذی با سرعت بالایی شروع به حرکت می کند. طبق اصل برنولی، افزایش سرعت هوای بین دو نوار کاغذی منجر به کاهش فشار هوا در این فضای باریک می شود.

در همین زمان، هوای خارج از نوارهای کاغذی (هوای محیط)، همچنان با فشار جو طبیعی خود باقی مانده و سرعت آن تغییر نکرده است. بنابراین، فشار هوای محیطی که از بیرون به نوارهای کاغذی وارد می شود، بیشتر از فشار هوای بین دو نوار است. این اختلاف فشار باعث می شود که نیرویی از سمت فشار بیشتر (خارج از نوارها) به سمت فشار کمتر (بین نوارها) وارد شود. در نتیجه، نوارهای کاغذی به سمت یکدیگر جذب می شوند و به هم نزدیک تر می آیند.

این پدیده، که به عنوان اثر ونتوری نیز شناخته می شود، کاربردهای گسترده ای در صنعت و مهندسی دارد، از جمله در طراحی بال هواپیماها (که نیروی برآ را تولید می کند)، کاربراتورها، و بسیاری از ابزارهای اندازه گیری و پمپ ها. درک این اصل، برای دانش آموزان رشته های فنی که با مکانیزم های مبتنی بر سیالات سروکار دارند، از اهمیت بالایی برخوردار است.

پرسش ۱۹: کاربراتور (افزایش دور موتور با پدال گاز)

متن سوال: شکل روبه رو کاربراتور یک موتور بنزینی قدیمی را نشان می دهد. حجم هوایی که وارد کاربراتور می شود توسط دریچه پروانه ای که به سیم گاز خودرو وصل شده، قابل تنظیم است. با توجه به کاربرد اصل برنولی در ساختمان یک کاربراتور، توضیح دهید چرا با فشردن بیشتر پدال گاز، دور موتور خودرو افزایش می یابد و خودرو می تواند سریع تر حرکت کند.

پاسخ تشریحی:

کاربراتور یک قطعه مکانیکی در موتورهای بنزینی قدیمی است که وظیفه مخلوط کردن هوا و سوخت را با نسبت مناسب قبل از ورود به سیلندرهای موتور بر عهده دارد. عملکرد اصلی کاربراتور بر پایه اصل برنولی است. برای درک چگونگی افزایش دور موتور با فشردن پدال گاز، مراحل زیر را بررسی می کنیم:

1. ورود هوا و دریچه گاز: هوای محیط از طریق ورودی کاربراتور به سمت موتور مکیده می شود. در ابتدای مسیر ورود هوا، دریچه ای به نام دریچه پروانه ای (دریچه گاز) قرار دارد که میزان هوای ورودی را کنترل می کند. این دریچه مستقیماً به پدال گاز خودرو متصل است.
2. اثر ونتوری (گلوگاه کاربراتور): در داخل کاربراتور، بخشی به نام گلوگاه (ونتوری) وجود دارد که مساحت سطح مقطع عبور هوا در آن کاهش می یابد. هنگامی که هوا از این قسمت باریک عبور می کند، طبق معادله پیوستگی (که در پرسش ۱۷ توضیح داده شد)، سرعت آن به شدت افزایش می یابد.
3. کاربرد اصل برنولی: بر اساس اصل برنولی، با افزایش سرعت یک شاره (در اینجا هوا) در یک خط جریان افقی، فشار آن کاهش می یابد. بنابراین، در گلوگاه کاربراتور، فشار هوا به میزان قابل توجهی کمتر از فشار هوای محیط می شود.
4. مکش سوخت: در کنار گلوگاه، یک نازل (ژیگلور) قرار دارد که به منبع سوخت (باک بنزین) متصل است. به دلیل کاهش فشار در گلوگاه، سوخت از طریق این نازل به داخل جریان هوای پرسرعت مکش می شود (مانند مکیدن مایع با نی).
5. مخلوط شدن و احتراق: سوخت مکیده شده با هوای ورودی مخلوط می شود و یک مخلوط قابل اشتعال هوا و سوخت را تشکیل می دهد. این مخلوط سپس وارد سیلندرهای موتور شده و طی فرآیند احتراق، نیروی لازم برای حرکت خودرو را تولید می کند.

ارتباط با پدال گاز و دور موتور:

وقتی راننده پدال گاز را بیشتر فشار می دهد، دریچه پروانه ای بیشتر باز می شود. این عمل باعث می شود که حجم بیشتری از هوا بتواند وارد کاربراتور و در نهایت موتور شود. با افزایش حجم هوای ورودی، جریان هوا در گلوگاه کاربراتور سرعت بیشتری پیدا می کند.

افزایش سرعت هوا در گلوگاه، طبق اصل برنولی، به معنای کاهش بیشتر فشار در این ناحیه است. کاهش فشار بیشتر، نیروی مکش سوخت از نازل را افزایش می دهد و در نتیجه، سوخت بیشتری به داخل هوا مکیده می شود. این افزایش میزان مخلوط هوا و سوخت (که غنی تر و حجیم تر است) به سیلندرها می رسد و منجر به احتراق قوی تر و تولید توان بیشتر توسط موتور می شود. تولید توان بیشتر به معنای افزایش دور موتور و در نتیجه، حرکت سریع تر خودرو است.

همانطور که در نظرات یکی از رقبا اشاره شده بود، درک صحیح این فرآیند حیاتی است. این توضیحات دقیق به شما کمک می کند تا نه تنها پاسخ سوال را بدانید، بلکه با مکانیزم های عملی یک کاربراتور و نقش اساسی فیزیک در آن آشنا شوید.

نکات مهم برای یادگیری بهتر فیزیک دهم فنی

فیزیک دهم فنی به دلیل ماهیت کاربردی خود، نیازمند رویکردی متفاوت نسبت به رشته های نظری است. دانش آموزان فنی با هدف درک مکانیزم های عملکردی در رشته خود، به فیزیک می نگرند. برای موفقیت و یادگیری عمیق در این درس، توجه به نکات زیر ضروری است:

1. تمرکز بر مفاهیم کاربردی: همیشه سعی کنید کاربرد عملی مفاهیم فیزیکی را در دنیای واقعی و به خصوص در رشته فنی خود جستجو کنید. به عنوان مثال، شناوری در کشتی سازی، اصل برنولی در آیرودینامیک و هیدرولیک، و قوانین نیوتن در مکانیک ماشین آلات. این رویکرد به شما کمک می کند تا مطالب را نه تنها حفظ نکنید، بلکه آن ها را به صورت عملی درک کنید.
2. حل تمرینات تشریحی و گام به گام: فیزیک درسی نیست که با حفظ کردن فرمول ها بتوان در آن موفق شد. حل تمرینات متنوع و به خصوص تمرینات تشریحی که مراحل حل را گام به گام توضیح می دهند، برای تثبیت مفاهیم بسیار مهم است. ابتدا سعی کنید خودتان مسئله را حل کنید، سپس راه حل های موجود را برای رفع اشکال و مقایسه بررسی کنید.
3. استفاده از منابع مکمل فنی: کتاب های فیزیک فنی اغلب مثال ها و مسائل کاربردی تری دارند. از منابع کمکی که به طور خاص برای رشته های فنی و حرفه ای طراحی شده اند، استفاده کنید تا با مسائل مرتبط با حوزه خود بیشتر آشنا شوید.
4. توجه به جزئیات فنی: در حل مسائل فیزیک فنی، جزئیات فنی و پارامترهای خاص کاربرد مورد نظر می توانند اهمیت زیادی داشته باشند. دقت به این جزئیات، نه تنها به حل صحیح مسئله کمک می کند، بلکه دیدگاه مهندسی شما را نیز تقویت می نماید.
5. نقش آزمایش و مشاهده: تا حد امکان، مفاهیم فیزیکی را با انجام آزمایش های ساده یا مشاهده پدیده های فیزیکی در محیط اطراف، ملموس کنید. دیدن اثرات فیزیکی به درک عمیق تر کمک شایانی می کند.
6. مرور دوره ای: فیزیک مانند زنجیره ای است که حلقه های آن به هم پیوسته اند. مرور منظم و دوره ای مطالب قبلی، به شما کمک می کند تا ارتباط بین فصول مختلف را درک کرده و از فراموشی مطالب جلوگیری کنید.

با رعایت این نکات، نه تنها می توانید نمرات بهتری در درس فیزیک کسب کنید، بلکه پایه های قوی برای درک مفاهیم پیچیده تر در سال های آینده و در مسیر شغلی خود در رشته های فنی خواهید ساخت.

نتیجه گیری

در این مقاله به بررسی و حل دقیق و گام به گام پرسش های صفحه ۵۱ فیزیک دهم فنی پرداختیم که شامل مباحث بنیادین شناوری و اصل برنولی در شاره ها می شدند. درک نیروی شناوری به ما کمک می کند تا چگونگی شناور ماندن اجسام در مایعات و گازها را تحلیل کنیم، پدیده ای که در طراحی کشتی ها، زیردریایی ها و حتی بالون ها کاربرد حیاتی دارد. از سوی دیگر، اصل برنولی که رابطه معکوس بین سرعت و فشار شاره را بیان می کند، اساس عملکرد بسیاری از سیستم های هیدرولیک و آیرودینامیک است، از بال هواپیماها و کاربراتور خودروها گرفته تا سیستم های تهویه مطبوع.

تسلط بر این مفاهیم نه تنها به دانش آموزان در کسب موفقیت در امتحانات کمک می کند، بلکه آن ها را برای ورود به رشته های مهندسی و فنی آماده می سازد. فیزیک، به ویژه در شاخه های مربوط به شاره ها، نقشی کلیدی در درک و توسعه فن آوری های نوین در صنایع مختلف ایفا می کند. با تمرین مستمر و توجه به کاربردهای عملی، می توان به درک عمیقی از این اصول دست یافت و آن ها را در موقعیت های واقعی به کار برد.

برای دسترسی به گام به گام و حل سایر صفحات و فصول فیزیک دهم فنی، می توانید از منوی سایت استفاده کنید و به بخش های مرتبط مراجعه نمایید.