دنیای فیزیک

تمام صفحه

تمام صفحه

اول دبیرستان 91-90

اول دبیرستان 92-91

|

امتیاز مطلب : 0

|

تعداد امتیازدهندگان : 0

|

مجموع امتیاز : 0

موضوعات مرتبط: نمونه سوال , ,

چهارمین مسابقه ملی دانش آموزی شریف

تمام صفحه

دستگاه مرجع يعني محورهاي مختصاتي كه حركت جسم نسبت به آنها سنجيده مي شود. يعني ناظر روي مركز اين چهارچوب مختصات نشسته و حركت جسم را نگاه مي كند.

دستگاه مرجع لخت یعنی مرجعی که شتاب نداشته باشد (سرعت حرکت دستگاه مختصات ثابت باشد) از آنجا که حرکت نسبی است، یکی از مشکلات در فیزیک انتخاب مرجع لخت است.

به تعریف دیگر: دستگاههاي مرجعي كه در آنها قانون اول نيوتن مشاهده مي شود، دستگاههاي مرجع اينرسيال يا لخت ناميده مي شوند.

دستگاه لَخت

 دستگاه لخت دستگاهی است که قوانین نیوتن در آن برای ما صادق است.بطور کلی هر سیستمی که با سرعت یکنواخت و مستقیم حرکت کند می تواند پایه ای برای دستگاه لخت ما باشد.فرض کنیم در یک قطار یا ماشینی قرار داریم که بسیار نرم و راحت حرکت می کند و هیچ روزنه ای به بیرون نداشته باشد که بتوانیم بر اساس منظره بیرون تشخیص دهیم که متحرک ما در حال حرکت است.در این حال از ما پرسیده شود که آیا متحرک در حال حرکت است یا خیر، هیچ جوابی نمی توانیم  بدهیم چون ما بر اساس حرکت نسبی است که تشخیص می دهیم که در حال حرکتیم یا نه و در متحرک با شرایط گفته شده این امکان وجود ندارد.اگر در این قطار روی میز روبرویمان توپی قرار داشته باشد طبق قانون اول نیوتن اگر نیرویی به این توپ وارد نشود،تا ابد ثابت باقی خواهد ماند. وبه همین ترتیب قوانین دیگر نیوتن نیز برقرارند.

شرایط دیگری را در نظر می گیریم و آن اینکه ناگهان قطار شتاب تندشونده بگیرد،ناظر درون قطار چه وضعیتی را برای توپ روی میز مشاهده خواهد کرد؟چند لحظه روی این موضوع تمرکز کنید ....

خواهید دید که توپ خودبخود به سمت شما حرکت میکند بدون اینکه هیچ نیرویی به آن وارد آمده باشد درست مثل وقتی که هنگام شتاب گرفتن ماشین لیوان آب درون ماشین خودبخود می ریزد.در این حالت قانون اول نیوتن نقض می شود زیرا بدون اعمال هیچ نیرویی حرکت رخ داده است.پس برای بر پا کردن دستگاههای فیزیکی می بایست درون سیستمی قرار داشته باشیم که یا ساکن باشد و یا در حال حرکت مستقیم الخط یکنواخت ، به همین دلیل قانون اول نیوتن را قانون لختی نیز می گویند.البته دستگاه لخت به این راحتیها پیدا نمی شود چرا که اکثر سیستمهایی که می شناسیم همه دارای حرکت شتابدار هستند،حتی ماشینی که با سرعت یکنواخت و در راستای مستقیم حرکت می کند،باز دارای حرکت شتابدار است چون این ماشین روی زمینی قراردارد که خود زمین دارای حرکت شتابدار می باشد.اما با تقریب می توان بعضی سیستم ها را بعنوان یک دستگاه لخت انتخاب کرد و دستگاههای ریاضیمان را در این سیستم ها بنا کنیم.یکی از سیستمهای لختی که در فیزیک بسیار مورد استفاده قرار می گیرد خود زمین است.اگرچه زمین دارای حرکت شتابدار است ولی چون حرکت آن خیلی روی مشاهدات زمینیمان تاثیر نمی گذارد بنابراین می توانیم آن را به عنوان یک دستگاه لخت در نظر بگیریم.

چارچوب لخت، چارچوبی است که در آن قانون های نيوتون برقرارند:

اگر از حرکت های نجومی زمين (مانند چرخش آن) چشم پوشی کنيم، آن گاه می توان زمين را يک چارچوب لخت در نظر گرفت. اين فرض زمانی معتبر است که مسير حرکت يک جسم کوتاه باشد و بتوان از اصطکاک صرف نظر کرد. مثلاً يک حلقه يا قرص روی يک منطقه ی يخ زده در مسيری کوتاه بلغزد. در اين صورت قرص از قانون های نيوتون پيروی می کند. حال فرض کنيد قرص روی زمين يخ زده از قطب شمال به طرف جنوب بلغزد اگر از چارچوبی ساکن در فضا به قرص نگاه کنيم، مسير حرکت قرص خط مستقيم خواهد بود زيرا فرض بر اين است که زمين يخ زده و اصطکاک ندارد و حرکت زمين صرفاً يخ را زير قرص می لغزاند. ولی اگر از يک نقطه واقع روی سطح زمين بنگريم چون ما با کره زمين می چرخيم مسير حرکت يک خط مستقيم نخواهد بود. زيرا وقتی قرص به طرف جنوب حرکت می کند، بزرگی سرعت خطی آن افزايش می يابد و از ديد ناظر روی زمين که به زمين کاملاً متصل است مسير حرکت قرص به طرف غرب منحرف می شود. البته اين انحراف ظاهری به علت وارد شدن يک نيروی لازم بر اثر قانون های نيوتون نيست. بلکه به علت آن است که ناظر قرص را از ديد يک چارچوب در حال چرخش می بيند. در اين حالت است که زمين يک چارچوب نالخت محسوب می شود. اغلب زمين را چارچوب لخت در نظر می گيريم و نيرو و شتاب را از ديد اين چارچوب اندازه گيری می کنيم.

اگر به طور مثال اندازه گيری ها در بالابری که نسبت به زمين حرکت شتاب دار دارد انجام شود، آن گاه اندازه گيری در
چارچوب نالخت صورت گرفته است.

محققان به تازه‌گی ماده‌ای را کشف کرده‌اند که می‌تواند دوربین فروسرخ را فریب داده و در عین حال که گرم است طیف حرارتی مواد سرد را داشته باشد.


همان‌طور که در کتاب‌های درسی فیزیک توضیح داده شده، هر چه جسمی گرم‌تر شود، نور بیشتری از خود گسیل می‌کند. سربازان بر مبنای همین اصل می‌توانند با استفاده از نور فروسرخ دشمنان را حتی در تاریکی مطلق نیز شناسایی کنند. محققان به تازه‌گی ماده‌ای را کشف کرده‌اند که رفتار ترمودینامیکی عجیبی از خود نشان می‌دهد. این ماده در عین حالی که گرم می‌شود طوری به نظر می‌رسد که گویا در حال سردشدن است. این ماده به دلیل تعامل غیرمعمولی که با نور فروسرخ دارد می‌تواند پوشش مقاومی در برابر دوربین‌های حساس به حرارت باشد و همچنین در بهینه‌کردن ابزارهای سرمایشی و گرمایشی به کار برده شود. نتایج این یافته‌ها در تاریخ 21 اُکتبر در Physical Review X منتشر شد.

دی‌اکسیدِوانادیوم با گرم شدن (چپ به راست)، نور فروسرخی که از خود گسیل می‌کند مانند این است که نمونه سرد شده باشد. نور قرمز به طور معمول نشان‌دهنده مواد گرم و نور آبی نشان‌دهنده مواد سرد است.

اما دانشمندان در تلاش‌اند موادی را طراحی کنند که با گرم‌ شدن، نور بیشتری از خود گسیل نکنند. آنها برای دست‌یابی به این هدف سعی دارند موادی را بیابند که در دمای مشخصی تعامل خود با نور و الکتریسته را تغییر می‌دهند. ترکیب دی‌اکسیدِوانادیوم چنین گذاری را در حدود دمای 70 درجه سلسیوس از خود نشان می‌دهد، به طوری که به طور ناگهانی از حالت عایق به رسانا تغییر حالت می‌دهد.

میکائیل کتس(Mikhail Kats) ، دانشجوی کارشناسی ارشد در دانشگاه هاروارد، رفتار دی‌اکسیدوانادیوم با نور را در دماهای بالای دمای گذار بررسی کرده است. کتس و همکارانش به این منظور لایه باریکی از دی‌اکسید وانادیوم به ضخامت 150 نانومتر را بر روی لایه‌ای از یاقوت کبود لایه نشانی کردند.

آنها سپس نمونه دی‌اکسیدوانادیوم-یاقوت کبود را حرارت داده و با استفاده از دوربین فروسرخ مشخص کردند که چه مقدار نور فروسرخ با گرم شدن نمونه از آن گسیل می‌شود. آنها دریافتند که با گرم شدن نمونه از 60 درجه سلسیوس تا 74 درجه سلسیوس، رنگ نمونه به تدریج از آبی به قرمز تغییر می‌کند. اما ناگهان اتفاق عجیبی می‌افتد: با افزایش دمای نمونه تا 100 درجه سانتی‌گراد، نمونه نور آبی از خود ساطع کرده و در همان وضعیت باقی می‌ماند.

کتس می‌گوید «به نظر ما این واقعا پدیده جالب توجهی است». او می‌افزاید «شما جسمی دارید که در 90 درجه سلسیوس دقیقا مانند دمای 50 درجه سلسیوس به نظر می‌رسد».

کتس و همکارانش بر این باورند که چون این ماده به طور موثری دما را پنهان می‌کنند، از این رو به سربازان و هواپیماهای نظامی این امکان راخواهد داد تا از شناسایی شدن توسط حسگرهای حرارتی مصون بمانند. چنین ماده‌ای همچنین می‌تواند به دستگاه‌های تولیدکننده گرما این امکان را دهد تا با گسیل تابش کمتر در شرایط سرد و تابش بیشتر در شرایط گرم در دمای ثابتی باقی بمانند. کتس می‌گوید چنین فن‌آوری می‌تواند انرژی را در ماهواره‌های فضایی که دمایشان را تنها از طریق جذب و گسیل نور کنترل می‌کنند، ذخیره کند.

محققان همچنین در تلاش‌اند تا بفهمند چگونه دی‌اکسید وانادیوم با گرم شدن ساختار درونی‌اش را از نو می‌چیند تا برهم‌کنش غیرطبیعی با نور و الکتریسته داشته باشد. کتس و همکارانش امیدوارند با فهم ثابت ساختار ریز دی‌اکسید وانادیوم بتوانند چگونگی کنترل تابش توسط این ماده را دریابند.

دنیل وِسِرمن (Daniel Wasserman) مهندس برق در دانشگاه الینویس نیز که این موضوع برایش بسیار جالب است می‌گوید «این مقاله می‌تواند دریچه‌ای را به فیزیک بسیار جالبی بگشاید.»

منبع هوپا

ترموکوپل چیست انواع و کاربرد آن کدام است :

ترموکوپل یکی از پر مصرف ترین سنسورهای اندازه گیری دما محسوب می گردد . این سنسورهای ساده با استفاده از اتصال یک فلز و آلیاژ آن و با توجه به اثر سیبک تولید می شوند و با همین مکانیزم ساده قادر به اندازه گیری دما به راحتی در رنج وسیعی از زیر صفر تا حدود 1700 درجه می باشند . با توجه به پدیده سیبک اتصال هر دو فلز از نوع مختلف باعث ایجاد ترموکوپل شده و تولید میلی ولتی متناسب با دمای اعمال شده می کند از این رو انواع مختلفی از ترموکوپل می توان تولید کرد در حالی که در استانداردهای متداول می توان از انواع 10 یا 12 ترموکوپل یاد کرد که در مدلهای های مختلف و با اشکال گوناگون تولید می شود . با توجه به کاربرد ، محیط اندازه گیری دما ،رنج دما ، اندازه گیری دقیق از انواع ترموکوپل می توان به انواع زیر اشاره کرد :

(CHROMEL-ALUMEL) ترموکوپل تیپ K

ترموکوپل نوع K از سیم فلزی Ni-Cr (به نام تجاری کرومل Chromel) و Ni-Al (به نام تجاری آلومل Alumel) ساخته می شود.این ترموکوپل ارزان قیمت است و یکی از پرکاربردترین ترموکوپل ها می باشد. رنج عملکرد دمایی آن بین ° 200-و °1350 +و حساسیت آن تقریبا 41  µV/°C است و معمولا در دماهای بالا مورد استفاده قرار می گیرد. ترموکوپل نوع K بخاطر استفاده از مس خاصیت ضد اکسیداسیون دارد لذا در کوره ها که اکسیداسیون رخ می دهد مناسب تر می باشد

(IRON-CONSTANTAN) ترموکوپل تیپ J

این ترموکوپل از فلز آهن Fe و آلیژهای مس - نیکل Cu-Niساخته می شود. رنج دمایی این ترموکوپل بین −180 °C و +750 °C است. به دلیل احتمال اکسید شدن آهن این ترموکوپل ، در صنایع قالب ریزی پلاستیک استفاده می شود. حساسیت ترموکوپل نوع J ، به اندازه ی 55 µV/°Cاست و برای طرح های جدید توصیه می شود. در ترموکوپل نوع J به علت وجود آهن در مکانهایی که امکان اکسیداسیون وجود دارد استفاده نمی شود

(CHROMEL-CONSTANTAN ) ترموکوپل تیپ E

ترموکوپل نوع E با استفاده از فلزات Ni-Cr (کرومل) و Cu-Ni (کنستانتان Constantan) ساخته می شود. محدوده ی عملکرد دمایی آن ، بین −40 °C و +900 °C است. این ترموکوپل با 68 µV/°C بیشترین حساسیت را دارد و می توان از آن در کاربردهای خلاء و مواردی که حسگر در آن حفاظت نشده است ، استفاده کرد.

(COPPE-CONSTANTAN) ترموکوپل تیپ T

ترموکوپل نوع T از مس Cu و آلیاژ نیکل - مس Cu-Ni (کنستانتان Constantan) ساخته می شود. محدوده ی عملکرد دمایی این نوع ترموکوپل ، بین −250 °C و +400 °C است. این ترموکوپل نسبتا ارزان و برای کاربردهای با دمای پایین مناسب است و در برابر رطوبت مقاومت خوبی دارد. حساسیت این ترموکوپل ، 46 µV/°C است.ترموکوپل نوع T در صنعت به دلیل اینکه نسبت به تمام انواع ترموکوپل خطیتر است و رنج درجه حرارت مناسبی دارد و همچنین از حساسیت خوبی برخوردار است در صنعت بیشتر مورد استفاده می گیرد

(NICROSIL-NISIL) ترموکوپل تایپ N

ترموکوپل نوع N از فلزهای Ni-Cr-Si (به نام تجاری نیکروسیل) و Ni-Si-Mg (به نام تجاری نیسیل Nisil) ساخته می شود. محدوده دمائی آن بین−270 °C و +1300 °C است. حساسیت این ترموکوپل ، به اندازۀ 30 µV/°C است و معمولا در دماهای بالا مورد استفاده قرار می گیرد.

(PLATINUM/13% RHODIU-PLATINUM ) ترموکوپل تیپ R

(PLATINUM-PLATINUM /10%RHODIUM ) ترموکوپل تیپ S

( PLATINUM/30% RHODIUM-PLATINUM/6% RHODIUM) ترموکوپل تایپ B

ترموکوپل نوع B ، ترموکوپل نوع S و ترموکوپل نوع R که با استفاده از Pt-Rh (پلاتین - رادیوم) با ترکیبات مختلف ساخته می شود.قیمت آنها بالا و حساسیت آن بسیار کم و در حدود 10 µV/°C و محدوده دمایی آن تقریبا +0 °C و +1750 °Cاست. انواع این ترموکوپل ها در اندازه گیری با دمای بالا مثلا در صنعت شیشه و فولاد به کار می رود.