الخواص والتغيرات الفيزيائية
الدرس 1: الخواص والتغيرات الفيزيائية
في هذا الدرس
الأهداف
- تعرف الخواص الفيزيائية للمادة.
- تفسر سبب اختلاف الكثافة بين المواد التي تختلف في كتلتها.
- تلاحظ كيفية استخدام طريقة الإزاحة لتحديد حجم الأجسام.
- تصف حالات المادة المختلفة.
- تحدد أثر تغير درجة الحرارة على المواد.
- تصنف المواد بناءً على خواصها الفيزيائية.
الأهمية
تساعد ملاحظة الخواص الفيزيائية للمادة على فهم العالم من حولك.
مراجعة المفردات
الكتلة: كمية المادة في الجسم.
المفردات الجديدة
- الخاصية الفيزيائية.
- حالات المادة.
- اللون والشكل.
- درجة الغليان.
- التغير الفيزيائي.
- الكثافة.
استخدم الحواس
يمكنك أن تستخدم حواسك في ملاحظة المواد والأشياء. وأي خاصية للمادة يمكن ملاحظتها أو قياسها دون إحداث تغيير في تركيب المادة الأصلي، هي خاصية فيزيائية.
ولكن من المهم جدًا عدم لمس أي مادة في المختبر أو تذوقها أو شمها دون وجود إرشادات تسمح بذلك.
الشكل 1
من أجل السلامة في المختبر، تستخدم لإجراء التجارب عادة حاستين فقط من حواسك، هما:
- النظر.
- السمع.
والعديد من المواد الكيميائية تكون خطرة عند لمسها أو تذوقها أو شمها.
الخواص الفيزيائية
اللون والشكل
المادة هي كل ما له كتلة ويشغل حيزًا، وللمادة خواص محسوسة أو يمكن رؤيتها أو شمها أو لمسها أو تذوقها.
وعادة ما يكون اللون هو أول خاصية نلاحظها في المادة؛ فأنت تشاهد أكثر من لون لعلب مواد التنظيف مثلًا، وربما تحاول ترتيبها حسب ألوان قوس المطر.
ولربما لكل قارورة أو علبة شكل مختلف؛ فبعضها مكعب، وبعضها أسطواني، وبعضها ليس له شكل محدد، ويمكنك ترتيبها حسب شكلها.
عند تشكيل البلاستيك المستخدم في عملية التغليف يتغير شكله، لكن المادة تبقى هي نفسها البلاستيك. هذا النوع من التغير يسمى تغيرًا فيزيائيًا.
والتغير الفيزيائي تغير الخواص الفيزيائية، ولكن هوية المادة الأصلية تبقى دون تغيير.
لاحظ في الشكل 2، فعبوتا مواد التنظيف صنعتا من المادة البلاستيكية نفسها على الرغم من الاختلاف في بعض خواصها الفيزيائية كاللون والشكل.
الشكل 2
هوية المادة لا تعتمد بالضرورة على لونها. كل من العبوتين في الصورة مصنوعة من المادة البلاستيكية نفسها.
صف
تغيرًا فيزيائيًا من الممكن إحداثه للعبوتين.
ماذا قرأت؟
ما المادة؟
الطول والكتلة
يمكن تحديد بعض الخواص الفيزيائية للمادة باستخدام الحواس أو عن طريق القياس.
فخاصية الطول من الخواص الفيزيائية المفيدة، والتي يمكن قياسها باستخدام المسطرة أو الشريط المتري، كما في الشكل 3.
بينما الكتلة من الخواص الفيزيائية التي تصف كمية المادة في جسم ما.
الشكل 3
يمكن قياس طول أي جسم باستخدام أدوات مناسبة.
صف
كيف تقيس طول بناء مدرستك؟
الحجم والكثافة
ليست الخاصية الفيزيائية الوحيدة التي تعبر عن مقدار المادة، فهناك أيضًا خاصية الحجم التي تعبر عن مقدار الفراغ الذي يشغله الجسم.
وهناك خاصية فيزيائية أخرى تربط بالحجم والكتلة، وهي الكثافة.
وتعرف بأنها كتلة المادة الموجودة في وحدة الحجوم، وتساوي ناتج قسمة كتلة الجسم على حجمه.
قانون الكثافة
الكثافة = الكتلة ÷ الحجم
بالرموز:
ك = ك ÷ ح
ويمكنك أن تلاحظ هذه الخاصية عند محاولتك رفع شيئين متساويين في الحجم ومختلفين في الكتلة.
يظهر الشكل 4 كرتين متشابهتين في الحجم ومختلفتين في الكتلة، فكرَة البولينج أكثر كثافة من الكرة الأخرى المجاورة في الصورة.
وتبقى كثافة المواد ثابتة عند ثبات الضغط ودرجة الحرارة. فكثافة الماء مثلًا عند درجة حرارة الغرفة تساوي 1 جم/سم³.
وعند تغير الضغط أو درجة الحرارة تستمر كثافته، فعندما يتحول الماء إلى جليد مثلًا عند درجة صفر تصبح كثافته 0.92 جم/سم³.
ماذا قرأت؟
ما الخاصيتان المرتبطتان بقياس الكثافة؟
الشكل 4
هاتان الكرتان تشغلان الحيز نفسه، لكن كتلة كرة البولينج على اليسار أكبر من كتلة الكرة الثانية على اليمين، لذلك فكرة البولينج أكثر كثافة.
تجربة: تحديد الحجم
الخطوات
- اختر ثلاثة أجسام مختلفة في حجومها ومتلائمة، مثل قطعة نقدية، وكرة زجاجية، وكرة خشبية.
- ضع 50 مل من الماء في مخبار مدرج سعته 100 مل.
- اغمر جسمًا واحدًا في المخبار المدرج، وسجل المستوى الجديد للماء.
- كرر الخطوتين 2، 3 للجسمين الآخرين.
التحليل
- أي الأجسام الثلاثة السابقة أزاح أكبر كمية من الماء في المخبار المدرج؟ وأيها أزاح الأقل؟
- ماذا تستدل من ذلك بالنسبة إلى حجم الأجسام؟
- ما الكميات الأخرى التي تحتاج إلى قياسها لحساب كثافة كل جسم؟
حالات المادة
كيف تتغير حالة الماء عندما تتغير درجة حرارته من 20°س إلى ما دون صفر °س؟
سوف يتحول من حالة السيولة إلى حالة الصلابة.
حالات المادة أربع، هي:
- الصلبة.
- السائلة.
- الغازية.
- البلازما.
وتعتمد حالة المادة على درجة حرارتها ومقدار الضغط الواقع عليها.
ثلاث من هذه الحالات ألفت على معرفتها ودرايتها بها من خلال خبراتك اليومية.
أما حالة البلازما فتحدث عندما درجات حرارة عالية جدًا، كما في ألسنة اللهب، وحسينات الاضوية النيون، وفي الغلاف الجوي عند حدوث البرق.
ويمكن الاعتماد على حالات المادة في تصنيف المواد، فحالة المادة خاصية فيزيائية أخرى للمادة.
حركة الدقائق
تتكون المادة من دقائق أو جسيمات متحركة، وتحدد حالة المادة من خلال حركة دقائقها.
دقائق المادة الصلبة تهتز في مكان محدد، بحيث تبقى قريبة بعضها من بعض. لذلك، يحتفظ الجسم الصلب بشكل وحجم ثابتين.
أما دقائق المادة السائلة، فتتحرك بسرعة أكبر، وتمتلك طاقة كافية لتنزلق بعضها فوق بعض، وهذا يجعل السائل يحتفظ بحجم ثابت، إلا أنه يأخذ شكل الوعاء الذي يوضع فيه.
أما دقائق المادة الغازية، فتتحرك بسرعة عالية لدرجة أنها تمتلك طاقة كافية لتتحرك بحرية بعيدًا عن الدقائق الأخرى، وتتشغل بذلك أكبر حيز ممكن، وتنتشر لتملأ أي وعاء توضع فيه.
والشكل 5 يوضح هذه الاختلافات بين حالات المادة.
لاحظ أن دقائق المادة تتحرك بسرعة أكبر عند ارتفاع درجة الحرارة.
الشكل 5
يتواجد الماء في ثلاث حالات: الصلبة، والسائلة، والغازية.
والجزيئات في الجليد متراصة مع بعضها البعض، وتهتز في مكانها، ولكنها في الماء السائل تنزلق بعضها فوق بعض؛ لأنها تمتلك طاقة حركية أكبر.
وفي حالة بخار الماء، تتحرك الجزيئات بحرية داخل الوعاء، لأن طاقتها أكبر بكثير.
درجة الانصهار
سوف تلاحظ التغيرات في حالة المادة عندما تنصهر مكعبات من الجليد موضوعة في كأس، وكذلك تحول الماء من حالة السيولة إلى حالة الصلابة عند وضعه في مجمد الثلاجة.
تسمى درجة الحرارة التي يحدث عندها تحول المادة من حالة الصلابة إلى الحالة السائلة درجة الانصهار.
لاحظ أنه في جسم الحالات لا يحدث تغير في تركيب المادة الأصلي ولكن تتغير حالته.
والرصاص مثلًا ينصهر عند درجة 327°س، وعندما ينصهر يتحول من الحالة الصلبة إلى السائلة، وهذا تغير فيزيائي، بينما تعد درجة انصهاره خاصية فيزيائية.
درجة الغليان
عند أي درجة حرارة يتحول الماء من الحالة السائلة إلى الحالة الغازية؟
تعد درجة الغليان هي النقطة التي يثبت عندها درجة الحرارة عند تحول المادة من حالة السيولة إلى الحالة الغازية.
في الحالة الغازية، كل مادة نقية لها درجة غليان ثابتة عند ضغط جوي معين.
فدرجة غليان الماء تساوي 100°س عند ضغط جوي معين.
ودرجة غليان النيتروجين تساوي -195.8°س؛ ولذلك يتحول إلى غاز عند وضعه في الهواء كما في الشكل 6.
ودرجة الغليان مثل درجة الانصهار لا تعتمد على كمية المادة، بل تعتمد على نوعها.
الشكل 6
يتحول النيتروجين السائل إلى غاز فور تعرضه لحرارة الغرفة، فدرجة غليان النيتروجين -195.8°س أقل بكثير من درجة حرارة الغرفة.
ماذا قرأت؟
ما التغير الفيزيائي الذي يحدث عند درجة الغليان؟
يمكن الاستفادة من درجة الغليان ودرجة الانصهار في تعريف المواد.
فمثلًا، إذا كانت درجة غليان سائل شفاف ما تساوي 100°س عند ضغط جوي واحد، فهو ليس ماءً نقيًا؛ لأن الماء النقي يغلي عند 100°س عند ضغط جوي واحد.
الربط مع فنون اللغة: وصف المعادن
يستخدم علماء الأرض مصطلحات محددة وواضحة يفهمها كل العلماء الآخرين.
ولوصف مظهر المعادن يستعملون مصطلحات مثل:
- فلزي.
- ماسي.
- زجاجي.
- صمغي.
- راتنجي.
- لؤلؤي.
- حريري.
- شمعي.
اكتب هذه المصطلحات، واذكر مثالًا لكل واحد منها، واكتبه في دفتر العلوم.
خواص الفلزات واستعمالاتها
هناك خواص فيزيائية أخرى يمكن استخدامها لتصنيف المواد إلى فلزات ولا فلزات.
ما خواص الفلزات؟ وكيف تبدو؟
غالبًا ما يكون أول شيء تلاحظه على الفلز مظهره اللامع، وهذا ينتج عن انعكاس سطح الفلز للضوء الساقط عليه.
أما الأجسام غير الفلزية فيبدو لونها لؤلؤيًا أو حريريًا أو حديثًا أو معتمًا.
كما أن معظم الفلزات لها قابلية التشكيل، فهي من الممكن أن تصير صفائح رقيقة عندما تطرق أو تضغط.
وتسمى هذه الخاصية قابلية الطرق.
وهذه الخاصية جعلت عنصر النحاس عنصرًا مناسبًا للتشكيل في الأعمال الفنية.
كما أن العديد من الفلزات يمكن سحبها على شكل أسلاك، وتسمى هذه الخاصية قابلية السحب، كما في الشكل 7.
وتستخدم الأسلاك المصنوعة من النحاس في التمديدات الكهربائية في المباني، والأجهزة الكهربائية.
وكذلك تصنيع إبر، وشبيكيات الصوت من الفلزات.
وبعض الفلزات لها خواص مغناطيسية، فيمكن جذبها بواسطة المغناطيس كما في الشكل 8، حيث يستخدم المغناطيس لرفع بعض الأجسام الفلزية الثقيلة التي لها خاصية الانجذاب نحوه.
الشكل 7
استغل الفنانون خاصية السحب التي تمتاز بها الفلزات، فاستخدموا الأسلاك في عمل هذا النموذج.
الشكل 8
يستخدم المغناطيس لرفع الأجسام الفلزية التي لها قابلية الانجذاب للمغناطيس.
مراجعة الدرس
الخلاصة
الخواص الفيزيائية
- تضم الخواص الفيزيائية كلًا من اللون والشكل والطول والكتلة والحجم والكثافة.
حالات المادة
- للمادة أربع حالات هي: البلازما، الغازية، السائلة، الصلبة.
- يمكن للمادة أن تتغير من حالة إلى أخرى.
- تحدد حالة المادة بمقدار طاقة الجسيمات فيها.
أهمية الخواص الفيزيائية
- يمكن تصنيف مواد تبعًا لخواصها الفيزيائية.
اختبر نفسك
- اذكر الخواص الفيزيائية في هذا الكتاب.
- سم حالات المادة الأربع، وصف كل واحدة منها، وأعط أمثلة عليها.
- اشرح كيف يمكن أن يكون للمادتين كثافتان مختلفتان.
- التفكير الناقد: أيهما يتبخر بسرعة أكبر، كحول مبرد أم كحول غير مبرد؟
تطبيق الرياضيات
- حل المعادلات: كثافة الشكل 8.9 جم/سم³، وكثافة الرصاص 11.3 جم/سم³. إذا كانت لديك عينتان منهما حجم الواحدة 4 سم³، فما كتلة كل منهما؟
جاري تحضير الدرس المعاد صياغته وبناء الأنماط
نحافظ على المعنى العلمي ونربط كل فقرة بنواتجها ومفاهيمها.
إعادة إنتاج الدرس حسب نمط التعلم
طلب واحد ينتج المسارات البصري والسمعي والحركي والقرائي معًا، بصياغة تراعي سياق المناهج السعودية.
اختر نمط التعلم
تُنتج الأنماط الأربعة دفعة واحدة، ثم تُستدعى الحزمة المحفوظة في الزيارات التالية.