Grade 10 Unit AP.3 - Properties of Matter Web viewGrade 10 Unit AP.3 - Properties of Matter. ... They understand density, flotation and pressure in solids and fluids, which they apply

PhysicsGrade 10 Advanced Level

Properties of Matter

UNIT 3: Properties of matter

2

Grade 10 Unit AP.3 - Properties of Matter

Core Standards…………………………….…….. 3

Contents

3


Objectives…………………………………....…….. 4

Kinetic particles model…………….........………….... 5

Thermal expansion….……..............................….. 18

Freezing water……...........................................….. 23

Density ……….……..........................................….. 26

Pressure………………….................................….. 34

Hydraulic system……….…….........................….. 41

Buoyancy............................................................….. 46 Questions………………………………............….. 55

References………………………..…………...…..... 61

27.1-

27.2

27.3

27.5

27.6

27.7

27.8

27.9

4


10A.2 7 .1 Describe the kinetic particle model for solids, liquids and gases, and relate the difference in the structures and densities of solids, liquids and gases to the spacing, ordering and motion of particles.

10A.2 7 .2 Use the kinetic particle model to explain fluid pressure, freezing, melting, boiling, evaporation, crystallisation and the Brownian motion.

10A.2 7 .3 Use the kinetic particle model to explain thermal expansion of solids and liquids. List some of the problems this phenomenon can cause and how we solve them, and also list ways in which we make use of this phenomenon.

10A.2 7 .5 Explain how the anomalous expansion of water results in ice forming on the surface of water and not at the bottom, and understand the importance of this to the survival of living things.

10A.2 7 .6 Know and use the concept of density.

10A.27.7 Understand and use the term pressure in the contexts of pressure exerted by a solid object and fluid pressure, and derive and use the relationship p = gh..

10A.27.8 Explain, in terms of the particle model, the hydraulic transmission of a force and know and explain quantitatively some common applications..

10A.27.9 Understand why some objects float on water but others do not, and relate upthrust on a floating body to the weight of the fluid displaced.

5


By the end of the unit, students explain observations such as expansion, freezing, melting, boiling, evaporation, crystallisation, the Brownian motion and fluid pressure in terms of particle interactions. They have knowledge of the anomalous expansion of water and its importance. They understand density, flotation and pressure in solids and fluids, which they apply to hydraulics and pneumatics.

Students who progress further use the concept of expansivity to solve numerical problems. They derive and use the expression p = gh, and relate the upthrust on a floating body to the weight of fluid displaced.

27.1-27.2 Kinetic particles model

الجزيئية الحركة نموذج

6


Matter is anything that has mass and occupies space.

الفراغ من حيز ويشغل كتلة له ما كل هى المادة

All matter is made up of tiny particles (atoms, molecules or ions)

( أيونات ( أو جزيئات أو ذرات تكون قد صغيرة جسيمات من تتكون المواد كل

Matters can exist in 3 states: solid, liquid and gas.

: والغازية والسائلة الصلبة الحالة هي ثالث حاالت في المادة توجد

These three forms of matter are called states of matter.

المادة بحاالت الثالث األشكال هذه وتسمى

As shown here, water (liquid) can exist as ice (solid), or water vapor (gas).

( ثلج ( شكل على توجد أن يمكن والتي سائل الماء لحاالت الرسم في موضح هو كما( ) ( غاز( بخار شكل في أو صلب .

Think

Kinetic theory of matter للمادة الجزيئية الحركة نظرية

7


Why do you smell food from a distance away? What about perfumes? How are the bees attracted to the flowers?

ولماذا العطور؟ عن وماذا بعيدة؟ مسافة من الطعام رائحة تشم أن تستطيع لماذااألزهار؟ إلى النحل ينجذب

The kinetic particle theory is a model used to explain the properties of matter. لتفسير الجزيئية الحركة نظرية تستخدم

المادة .خواص

Kinetic theory of matter states that: الجزيئية الحركة نظرية تنص :على

All matter is made up of tiny particles (the particles are attracted to each other by attractive force)

بقوة ( بينها فيما الجسيمات تتجاذب الصغر في غاية جسيمات من المواد كل تتكونجذب)

8


A gas has no fixed shape or volume, but always spreads out to fill any container.

تنتشر ولكنها ثابت حجم أو شكل للغازات لها ليس الحاوي اإلناء .لتمأل

There are almost no forces of attraction between the particles so they are completely free of each other.

بين تجاذب قوة تقريبا يوجد العن بعيدة الحركة حرة فهي ولذا الجسيمات

بعضها.

The particles are widely spaced and scattered at random throughout the container so there is no order in the system.

بما الحاوي اإلناء في عشوائيا وموزعة الجسيمات بين واسعة مسافات توجد. محدد نظام لها ليس أنه يعني

The particles move rapidly in all directions, frequently colliding with each other and the side of the container.

ببعضها باستمرار وتتصادم االتجاهات جميع في بسرعة الجسيمات تتحرك. الحاوي اإلناء وبجدران

With increase in temperature, the particles move faster as they gain kinetic energy.

The particle model of a Gas

للغازات الجسيمي النموذج

9


حركة طاقة تكتسب وبالتالي الجسيمات سرعة تزيد الحرارة درجة بزيادةإضافية.

Gases have a very low density (‘light’) because the particles are so spaced out in the container (density = mass / volume).

( ) جدا واسعة بينية مسافات تفصلها الجسيمات ألن خفيفة الصغر في غاية الغازات كثافة

( الحجم( = / الكتلة الكثافة

o Density order: solid > liquid >>> gases

o >>> > : الغاز السائل الصلب الكثافة ترتيب

Gases flow freely because there are no effective forces of attraction between the gaseous particles - molecules.

.( جزيئاتها ( جسيماتها بين التجاذب قوى ضعف بسبب بحرية الغازات تتحرك

o Ease of flow order: gases > liquids >>> solids (no real flow in solid unless you powder it!)

o: المواد حركة سرعة الصلبة < <<< ترتيب المواد السوائل الغازات

o( مسحوق(( حالة في تكن لم ما الصلبة المواد لجزيئات انتشار يوجد ال حقيقة

o Because of this gases and liquids are described as fluids.

o الغازات تسمى السابقة الصفة بسبب. بالموائع والسوائل

o

Using the particle model to explain the properties of a Gas

الجسيمي النموذج ضوء في الغازات خواص تفسير

10


Gases have no surface, and no fixed shape or volume, and because of lack of particle attraction, they always spread out and fill any container (so gas volume = container volume).

في الشديد الضعف بسبب ثابت حجم أو شكل وال محدد سطح للغازات ليس( ) . له الحاوي اإلناء حجم هو الغاز حجم جسيماتها بين التجاذب قوى

A liquid has a fixed volume at a given temperature but its shape is that of the container which holds the liquid.

ولكن الغرفة حرارة درجة في ثابت حجم للسوائل. الحاوي اإلناء شكل يأخذ فهو ثابت شكل له ليس

There are much greater forces of attraction between the particles in a liquid compared to gases, but not quite as much as in solids.

الغازات في منها أكبر الجسيمات بين التجاذب قوى. الصلبة المواد بدرجة ليس ولكن

Particles quite close together but still arranged at random throughout the container, there is a little close range order as you can get clumps of particles clinging together temporarily.

ما ولكنها متالصقة كتل شكل على تجدها وأحيانا بعضها من متقاربة الجسيمات. الحاوي اإلناء داخل عشوائيا مرتبة تزال

Particles moving rapidly in all directions but more frequently collisions with each other than in gases due to shorter distances between particles.

تزداد ولكن االتجاهات جميع في الجسيمات تتحرك

The particle model of a Liquid

للسوائل الجسيمي النموذج

11


المسافات لتقارب ذلك ويعزى الغازات حالة في منها أكثر البينية التصادماتالبينية.

With increase in temperature, the particles move faster as they gain kinetic energy, so increased collision rates, increased collision energy and increased rate of diffusion.

أكبر حركة طاقة وتكتسب الجسيمات سرعة تزداد الحرارة درجة بزيادة. االنتشار على السائل قدرة وتزداد التصادم معدل يزداد وبالتالي

Liquids have a much greater density than gases (‘heavier’) because the particles are much closer together because of the attractive forces.

( قوة ( وزيادة الجسيمات تقارب بسبب أثقل الغازات من أكبر كثافة للسوائل. بينها التجاذب

Liquids usually flow freely despite the forces of attraction between the particles but liquids are not as ‘fluid’ as gases.

ولكن جسيماتها بين التجاذب قوة من الرغم على عادة بحرية السوائل تنساب. الغازات درجة بنفس تنساب ال بالطبع

o Note 'sticky' or viscous liquids have much stronger attractive forces between the molecules BUT not strong enough to form a solid.

o ترتقي ال ولكن جسيماتها بين التجاذب بقوة تتميز اللزجة السوائل أن الحظ. صلبة مادة لجعلها القوة تلك

Liquids have a surface, and a fixed volume (at a particular temperature) because of the increased particle attraction, but the shape is not fixed and is merely that of the container itself.

Using the particle model to explain the properties of a Liquid

الجسيمي النموذج ضوء في السوائل خواص تفسير

12


( معينة ( حرارة درجات عند ثابت حجم وكذلك تمييزه يمكن سطح للسوائلوإنما الثابت للشكل تفتقر السوائل لكن الجسيمات، بين التجاذب قوة بسبب

. لها الحاوي اإلناء شكل تأخذ

o Liquids seem to have a very weak 'skin' surface effect which is caused by the bulk molecules attracting the surface molecules disproportionately.

o. السطح جزيئات تجاذب قوة بسبب جدا ضعيف سطح للسوائل

Liquids are not readily compressed because of the lack of ‘empty’ space between the particles.

بين البينية المسافات نقص بسبب بسهولة االنضغاط تقبل ال السوائلالجسيمات.

Liquids will expand on heating but nothing like as much as gases because of the greater particle attraction restricting the expansion (will contract on cooling).

زيادة بسبب الغازات تمدد درجة بنفس ليس ولكن بالتسخين السوائل تتمدد. التمدد عملية تقاوم والتي السوائل جزيئات بين التجاذب قوة

o.

The natural rapid and random movement of the particles means that liquids ‘spread’ or diffuse. Diffusion is much slower in liquids compared to gases because there is less space for the particles to move in and more ‘blocking’ collisions happen.

o Note: When heated, the liquid particles gain kinetic energy and hit the sides of the container more frequently, and more significantly, they hit with a greater force, so in a sealed container the pressure produced can be considerable!

o حركية طاقة تكتسب الجسيمات فإن السوائل تسخين حالة في أنه الحظ فعليا ضغطا يولد مما اإلناء وبجدران ببعضها اصطدامها معدل فيزيد أكبر

الجدران على

13


السوائل انتشار ولكن ينتشر، السائل أن تعني للجسيمات العشوائية الحركةفيها تنتشر التي المسافات قلة بسبب الغازات انتشار من سرعة أقل

. السوائل حالة في الجسيمات

If colored crystals of e.g. the highly colored salt crystals of potassium manganate (VII) are dropped into a beaker of water and covered at room temperature. Despite the lack of mixing, convection etc. the bright purple color of the dissolving salt slowly spreads throughout all of the liquid but it is much slower than the gases.

o ( وليكن ( منها مركز محلول حتى أو ما لمادة ملونة بللورات وضع عندفإنك الماء من حجم به زجاجي إناء في البوتاسيوم برمنجنات مثال

بال السائل ترك من الرغم على تدريجيا فيه ينتشر اللون أن تالحظ.( بالحمل ( انتقال تسخين أو تقليب

The same thing happens with dropping copper sulphate crystals or coffee granules into water and just leaving the mixture to stand.

Evidence for random particle movement in liquids:

السوائل في للجسيمات العشوائية الحركة على :الدليل

14


o أو النحاس كبريتات من بللورات استخدام عند تشاهدها المالحظة نفس . القهوة من حبيبات

When pollen grains are viewed under a microscope they appear to 'dance around' when illuminated with a light beam at 90o to the viewing direction. This is because the pollen grains show up by reflected light and 'dance' due to the millions of random hits from the fast moving water molecules. This is called 'Brownian motion' after a botanist called

Brown first described the effect. At any given instant of time, the hits will not be even all round the pollen grain, so they get a greater number of hits in a random direction.

o طريق عن ماء في الموضوعة اللقاح حبوب مالحظة عندلماليين نتيجة وذلك باستمرار تتحرك أنها تجد الميكروسكوب

يعرف فيما الماء جسيمات من تالقيها التي بالحركةالتصادماتبراون البراونية النبات عالم وصفها .كما الظاهرة وصف من أول ،

A solid has a fixed volume and shape at a particular temperature unless physically subjected to some force.

العادية الحرارة درجات في ثابتين وحجم شكل لها بأن الصلبة األجسام تتميز. خارجية قوة عليها تؤثر لم وما

The greatest forces of attraction are between the particles in a solid and they pack together as tightly as possible in a neat and ordered arrangement.

الجسيمات تنتظم وفيها األشد تعتبر الصلبة المواد جزيئات بين التجاذب قوة.بإحكام مرتب تنظيم في

The particle model of a Solid

الصلبة للمواد الجسيمي النموذج

15


The particles are too strongly held together to allow movement from place to place but the particles vibrate about their position in the structure.

في تهتز وإنما آلخر مكان من تنتقل ال فهي ولذا بشدة متماسكة الجسيماتمكانها.

With increase in temperature, the particles vibrate faster and more strongly as they gain kinetic energy.

. أكبر بسرعة وتهتز تزيد للجسيمات الحركة طاقة فإن الحرارة درجة بزيادة

Solids have the greatest density (‘heaviest’) because the particles are closest together.

. ( كبيرة ( بدرجة جسيماتها تقارب بسبب األثقل تعد كبيرة الصلبة المواد كثافة

Solids cannot flow freely like gases or liquids because the particles are strongly held in fixed positions.

قوة كبر بسبب والسوائل الغازات في كما بحرية الصلبة المواد تنساب ال. الجسيمات بين التجاذب

Using the particle model to explain the properties of a Solid

الجسيمي النموذج ضوء في الصلبة المواد خواص تفسير

16


Solids have a fixed surface and volume (at a particular temperature) because of the strong particle attraction.

الحرارة درجات عند محدد سطح لها أن كما ثابت وشكل حجم الصلبة للمواد. جسيماتها بين التجاذب قوة بسبب العادية

Solids are extremely difficult to compress because there is no real ‘empty’ space between the particles.

. جسيماتها بين الفراغات انعدام بسبب الصلبة المواد ضغط جدا الصعب من

Solids will expand a little on heating but nothing like as much as liquids because of the greater particle attraction restricting the expansion and contraction occurs on cooling.

الغازية المواد بدرجة ليس ولكن الحرارة ارتفاع عند قليال الصلبة المواد تتمدد. التمدد عملية تقاوم والتي جسيماتها بين التجاذب قوة بسبب وذلك السائلة أو

o The expansion is caused by the increased energy of particle vibration, forcing them further apart causing an increase in volume and corresponding decrease in density.

o المكتسبة الحركية الطاقة بسبب الجسيمات اهتزاز يزيد عندما تحدث التمدد عمليةلذلك وتبعا الحجم زيادة على المادة تجبر الطاقة وهذه الحرارة درجة ارتفاع نتيجة

. الكثافة تقل Diffusion is almost impossible in solids because the particles are too

closely packed and strongly held together with no ‘empty space’ for particles to move through.

الجسيمات تقارب بسبب االنتشار على الصلبة المواد قدرة تنعدم تقريباتلك بتحرك تسمح بينية مسافات وجود معه تنعدم مما كبير بشكل وتماسكها

الجسيمات.

On heating particles gain kinetic energy and move faster.

Evaporation and Boiling (liquid to gas)

( الغازية ( للصورة السائلة الصورة من التحول والغليان التبخر

17


. أسرع تتحرك ثم ومن التسخين طريق عن حركية طاقة الجسيمات تكتسب

In evaporation and boiling the highest kinetic energy molecules can ‘escape’ from the attractive forces of the other liquid particles.

قوى من الهروب األكبر الحركية الطاقة ذات الجسيمات تستطيع الغليان عند. الجسيمات باقي على المؤثرة التجاذب

The particles lose any order and become completely free to form a gas or vapor.

حرة وتصبح عليه كانت التي التنظيم الجسيمات تفقد( غاز ( البخار لتكون كامل بشكل الحركة

Energy is needed to overcome the attractive forces in the liquid and is taken in from the

surroundings. من طاقة تمتص السائل في الجسيمات بين التجاذب قوى على للتغلب

. المحيط الوسط

If the temperature is high enough boiling takes place. . الغليان حالة تحدث هنا كافية بدرجة مرتفعة الحرارة كانت إذا

Evaporation takes place more slowly than boiling at any temperature between the melting point and boiling point, and only from the surface, and results in the liquid becoming cooler due to loss of higher kinetic energy particles.

بين ما درجة أي عند الغليان عملية من أبطأ البخر عملية تحدث . سطح من فقط التبخر عملية وتحدث الغليان ودرجة التجمد درجة

الجسيمات السائل هروب بسبب السائل حرارة درجة انخفاض عنها وينتج. األعلى الحرارة ذات

Melting (solid to liquid)

( السائلة ( للحالة الصلبة الحالة من التحول االنصهار

18


When a solid is heated the particles vibrate more strongly as they gain kinetic energy and the particle attractive forces are weakened.

لطاقة اكتسابها نتيجة أكبر بسرعة الجسيمات تهتز الصلبة المادة تسخين عند. بينها التجاذب قوى على لتغلبها يؤدي مما أكبر حركة

Eventually, at the melting point, the attractive forces are too weak to hold the particles in the structure together in an ordered way and so the solid melts.

االنصهار لدرجة الصلبة المادة تصل أضعف وعندما في التجاذب قوى تكونتنصهر وعندها المحكم تنظيمها في الجسيمات على البقاء تستطيع فال حاالتها

المادة.

The particles become free to move around and lose their ordered arrangement.

. المنتظم شكلها وتفقد الحركة حرة االنصهار بعد الجسيمات تصبح

Energy is needed to overcome the attractive forces and give the particles increased kinetic energy of vibration.

وزيادة التجاذب قوى على للتغلب تلزم الحالة هذه في الطاقة. للجسيمات الحركة طاقة

19


On cooling, liquid particles lose kinetic energy and so can become more strongly attracted to each other.

التجاذب قوى تأثير ويصبح الحركية طاقتها الجسيمات تفقد التبريد حالة في. بعضا بعضها من الجسيمات فتتقارب أكبر

Eventually at the freezing point the forces of attraction are sufficient to remove any remaining freedom and the particles come together to form the ordered solid arrangement.

حركة حرية أي إللغاء كافية التجاذب قوى تصبح التجمد لنقطة الوصول وعند. الصلبة الحالة لتكوين منتظم شكل في تتالصق والتي للجسيمات

+

Freezing (liquid to solid)

( الصلبة ( للحالة السائلة الحالة من التجمد

20


.

If you take a large glass flask which has a stopper with a long open-ended glass tube, and you heat the flask gently, what would happen?

أنبوبة بداخلها سدادة على يحتوي زجاجي دورق أخذت إذا يحدث؟ ماذابلطف الدورق بتسخين قمت ثم مفتوحة، طويلة .زجاجية

You will observe that the liquid will rise in the tube. األنبوبة في ارتفع قد السائل أن تالحظ سوف

1- If you pass the brass metal ball through the ring, what would happen?

الحلقة؟ -1 من مرورها عند المعدنية النحاس لكرة يحدث ماذا

The metal ball will pass easily. تمر سوف المعدنية الكرة.بسهولة

27.3 Thermal expansion

الحراري التمدد

Thermal expansion of liquidsللسوائل الحراري التمدد

Thermal expansion of solidsالحراري الصلبة التمدد للمواد

Activity

http://sites.google.com/site/sed695b/projects/demonstration-equipment/expanding-ball--ring--thermal-expansion/Image903.gif?attredirects=0

21


2- If you hold metal ball above flame and heat for a minute and try to put the heated metal ball through the ring, what would happen?

من- 2 تمريرها محاولة ثم دقيقة لمدة تسخينها عند المعدنية للكرة يحدث ماذاالحلقة؟

The metal ball won’t pass through the ring. لن المعدنية الكرة.تمر

3- If you put the heated metal ball in the beaker with the cold water and put the cooled metal ball through the ring again, what would happen?

الكرة- 3 بتمرير قمت ثم بارد ماء فيه كاس في المعدنية الكرة وضعت إذا يحدث ماذا؟ الحلقة خالل المبردة

The metal ball will pass easily again . تمر سوف المعدنية الكرةأخرى مرة

Why matter expands when it is heated? عند المادة تتمدد لماذاتسخينها؟

Thermal expansion of the liquid and the solid can be explained using the kinetic particle model.

الحركة نظرية باستخدام الصلبة والمواد السوائل في الحراري التمدد تفسير يمكنالجزيئية.

The kinetic particle model explains thermal expansion as follows. If a matter is heated, its particles speed up. Their vibrations take up more space, so the matter expands slightly in all directions. If the temperature falls, the reverse happens and the material contracts (gets smaller).

. تتسارع ما، مادة تسخين عند يلي كما الحراري التمدد الجزيئية الحركة نظرية تشرح . في بالتمدد المادة وتبدأ كبيرة مسافات على باالهتزاز الجزيئات وتبدأ الجزيئات حركة

. . المادة تنكمش العكسحيث يحدث الحرارة درجة انخفضت إذا االتجاهات كلComparing expansion التمدد مقارنة

22


Different materials expand by different amounts for the same rise in temperature. When choosing materials for particular jobs, it can be important to know how much they will expand.

المهم من لذلك الحرارة، نفسدرجة عند مختلفة بمقادير المختلفة المواد تتمدد . معينة لوظيفة المادة اختيار عند المادة تمدد مقدار معرفة

Steel rods can be used to reinforce concrete because both materials expand equally.

. المقدار بنفس يتمددان ألنهما االسمنت لتدعيم الصلب قضبان تستخدم

If an ordinary glass dish is put straight into a hot oven, it cracks, but Pyrex wouldn’t crack because it expands much less than ordinary glass.

فإنه ساخن فرن في العادي الزجاج وضع عندأقل تمدده ألن ينكسر ال البايريكس وضع عند لكن ، ينكسر

. العادي الزجاج تمدد من

Why gaps are left at the end of bridges?

الجسور؟ نهاية عند فراغات تترك لماذا

Thermal expansion can be a problemمشاكل يسبب الحراري التمدد

23


Expansion gaps are left to prevent buckling or cracking as temperature changes.

. تكسرها أو القضبان التواء لمنع الفراغات تترك

Why overhead cables are left slack when they suspended from poles?

األعمدة؟ بين تعليقها عند مرتخية الكابالت تترك لماذا

To allow for the contraction that would happen on a very cold day. . الباردة األيام االنكماشخالل تستطيع حتى

Thermal expansion has many useful applications in our daily life such as thermometer and thermostat.

. والترموستات الترمومتر مثل حياتنا في مفيدة عملية تطبيقات له الحراري التمدد

The liquid in the bulb expands when the temperature rises. عند يتمدد للترمومتر الزجاجية األنبوبة داخل الموجود السائل

. الحرارة درجة ارتفاع

Importance of thermal expansionالحراري التمدد أهمية

Thermometer:الترمومتر

Bimetallic strip:المعدن ثنائي الشريط

24


Bimetal strip consist of two different metals are bonded together. When heated, one metal expand more than the other, which makes the bimetal strip bend. Bimetal strips are used in some thermostats devices for keeping a steady temperature.

. الشريط تسخين عند معا مثبتين مختلفين معدنيين من يتكون المعدن ثنائي الشريطالمعدن ثنائي الشريط يجعل مما ، اآلخر من أكثر يتمدد المعدنين أحد ، المعدن ثنائي

ينحني.الحرارة درجة لحفظ الترموستات أجهزة بعض في المعدن ثنائي الشريط يستخدم

. ثابتة حرارة درجة على

Heating devices and air-conditioning are examples of devices that are thermostatically controlled.

الترموستات التكييف وأجهزة التسخين أجهزة تستخدم . ثابت مستوى عند الحرارة درجات في للتحكم

The figure below shows thermostat.الترموستات التالي الشكل يوضح

How bimetal thermostats control the temperature?الحرارة؟ بدرجة التحكم على الترموستات يعمل كيف

25


When the temperature rises, the bimetal strip bends, the contacts separate, and the current to the device is cut off. When the temperature falls, the bimetal strip straightens. And the current is switched again.

فينقطع االتصال، ينقطع المعدن، ثنائي الشريط ينحني الحرارة درجة ترتفع عندما. الجهاز عن التيار

. إلى التيار فيصل االستقامة لوضع الشريط يرجع ، الحرارة تنخفضدرجة عندماالجهاز.

Freezing water can break a container. . يحتويه الذي الوعاء يكسر أن ممكن الماء تجمد

If you fill a bottle with water to the brim and close it firmly. What would happen as the water freezes?

. ماذا تماما وإغالقها حافتها حتى بالماء زجاجة ملء عندالماء؟ يتجمد عندما سيحدث

As water freezes, it will crack the container.. الزجاجة سيكسر المتجمد الماء الماء، يتجمد عندما

27.5 Freezing waterالماء تجميد

26


The force of the expansion can break water pipes and split rocks with rainwater trapped in them.

تجمد عند الصخور وتشقق المياه أنابيب تكسر أن ممكن المتجمدة المياه تمدد قوة . الصخور في المحتجزة األمطار مياه

According to the kinetic particle model, a liquid gradually contract as it cools, solidify with negligible change in volume, and continue to contract after freezing.

االنكماش في ويستمر تبريده عند ينكمش سائل أي ، الجزيئية الحركة لنظرية طبقا. حجمه في يذكر تغير دون تجمده بعد

Water is unusual in that it expands on freezing . The volume of water increases when the temperature decreases from 4 C to 0 C. The volume of water is minimum at 4 C, therefore its density will be maximum at 4 C.

. ويزداد تجمده عند يتمدد أنه حيث السوائل بقية عن يشذ الماءمن الحرارة درجة تنخفض عندما الماء إلى 4حجم مئوية درجة

درجة . عند للماء حجم أقل يكون لذلك مئوية درجة درجة 4صفردرجة عند يمكن ما أعلى الماء كثافة وتكون . 4مئوية مئوية درجة

In liquid water, the water molecules are close together. But in ice, the molecules linkup in a very open structure which takes more space than in liquid.

. تتصل الجليد في ولكن البعض بعضها من قريبة الماء جزيئات السائل الماء فيكانت مما أكبر مساحة تأخذ الجزيئات أن يؤدي والذي جدا مفتوحة بنية في الجزيئات

. السائل في عليه

Anomalous expansion of waterالماء الشاذالتمدد

Why water expands as it freezes?تجمده؟ عند الماء يتمدد لماذا

27


Molecules in water Molecules in ice

What are the effects of anomalous expansion of water?للماء؟ الشاذ التمدد على المترتبة اآلثار هي ما

In a lake or sea, as water is cooled from, higher temperature to 4 it becomes denser and sinks to the bottom but as it cools from 4 to freezing point, its density reduces as it expands and it rises to the top and eventually forms ice. The floating ice acts as insulation preventing the freezing of water below it, ensuring that life survives. So fishes and aquatic life survives due to anomalous nature of water, ice being lighter than water floats and insulates the water below it from freezing.

درجة إلى عالية حرارة درجات من الماء يبرد حيث ، البحر أو البحيرة درجة 4فيأسفل . إلى فيهبط كثافة أكثر يصبح الدرجة هذه عند الماء يصبح وعندما مئوية

من يبرد يبدأ كثافة 4وعندما فتقل السائل الماء يتمدد التجمد، درجة إلى مئوية درجة . يعمل العائم الجليد البحيرة سطح على الجليد ويتشكل أعلى إلى ويرتفع السائل

. بداخله المائية للحياء الحياة وضمان تحته، الماء تجمد ويمنع كعازلأن حيث للماء الشاذ التمدد بسبب الحياة قيد على المائية واألحياء األسماك تبقى

. التجمد من تحته الماء ويعزل يطفو الماء من أخف الجليد

28


Is lead heavier than water? من أثقل الرصاص هلالماء؟

Not necessary. It depends on the volumes of lead and water being compared. However, lead is more dense than water: it has more kilograms packed into every cubic meter.

: متر كل في معبأة أكثر جرامات كيلو للرصاص أن أي الماء من كثافة أكثر الرصاصمكعب.

Density is a measure of the amount of mass in a certain volume.This physical property is often used to identify and classify substances.

. معين حجم في الكتلة لكمية مقياس هي الكثافة. المواد وتصنيف لتحديد الفيزيائية الخاصية هذه تستخدم ما وغالبا

It is often represented by the Greek letter ρ (rho).

27.6 Densityالكثافة

29


اليوناني بالحرف تمثل ما )ρ(وغالبا

The density of a material is calculated like this:: التالية العالقة خالل من المواد كثافة حساب ويمكن

where:

ρ (rho) is the density, m is the mass, V is the volume.

(ρحيث ( و) الكثافة، (mهي و) الكتلة، .Vهي الحجم) هي

The SI unit of density is kilograms per cubic meter (kg/m3).

It is usually expressed in grams per cubic centimeters, or g/cm3.

مكعب ( متر لكل جرام كيلو هي للكثافة الدولي النظام )kg/m3وحدة

مكعب ( سنتيمتر لكل الجرامات بوحدة عنها ر يعب أن أحيانا )g/cm3ويمكن

The chart lists the densities of some common materials.

. الشائعة المواد بعض كثافات فيه الجدول

Gases have much lower densities than solids or liquids.. السائلة أو الصلبة المواد من كثافة أقل الغازات

Density is the key to floating. Ice is less dense than water. This explains why icebergs float in the sea, rather than sinking to the bottom.

. للطفو مفتاح هي . الكثافة جبال تطفو لماذا يفسر ما وهذا الماء من كثافة أقل الثلج. أسفل إلى الغرق من بدال البحر، في الجليد

Notes:

Substance ρ (kg/m3)Hydrogen 0.0899

Helium 0.179Steam )100°C (0.598

Air 1.29Oxygen 1.43

Carbon dioxide 1.98Ethanol 0.806 × 103

Ice 0.917 × 103Fresh water )4°C (1.00 × 103

Sea water )15°C (1.025 × 103

Iron 7.86 × 103

Mercury 13.6 × 103

Gold 19.3 × 103

ρ=mV

density = mass / volume

30


Examples :

1 -You have found a metal that has a mass of 5.8 g and a volume of 2.9 cm3. What is the density of this metal?

كتلته ( معدن وحجمه) (g 5.8لديك ،2.9 cm3 .(كثافته؟ مقدار ما

ρ=mV

ρ=5.82.9

=2 .0 g/cm3

Gases have much lower densities than solids or liquids.. السائلة أو الصلبة المواد من كثافة أقل الغازات

Density is the key to floating. Ice is less dense than water. This explains why icebergs float in the sea, rather than sinking to the bottom.

. للطفو مفتاح هي . الكثافة جبال تطفو لماذا يفسر ما وهذا الماء من كثافة أقل الثلج. أسفل إلى الغرق من بدال البحر، في الجليد

31


A liquid has a density of 1.54 g/mL. What is the mass of 5.00 mL of this liquid?

كثافته ( كتلة) (g/mL 1.54سائل هي ما ،5.00 mL (السائل؟ هذا من

ρ=mV

m=ρ×Vm=1 .54×5 .00=7.70 g

A block of vanadium metal has a density of 5.96 g/mL. What is the volume of 10.0 g of metal?

كثافة ( لها الفانديوم معدن من حجم). (g/mL 5.96كمية هو من) g 10.0ماالمعدن؟

ρ=mV

V=mρ

=10 .05 .69

=1 . 68 mL

It easy to calculate density of a regular solid, but we have to use other methods when we have an irregular solid or even a liquid or a gas.

أن علينا ولكن الشكل، في المنتظمة الصلبة المواد كثافة حساب السهل منمواد أو الشكل في منتظمة غير صلبة مواد لدينا يكون عندما أخرى أساليب نستخدم

غازية حتى أو .سائلة

Measuring density

الكثافة قياس

How do you find the density of a regular solids?

الشكل؟ في منتظمة صلبة مادة كثافة تجد كيف

32


Find the Mass of the solid on a balance.. الميزان خالل من الصلبة المادة كتلة نجد

Measure the three lengths and calculate the Volume.(i.e. V=l×w×h )

. الحجم ونحسب الثالثة أطوال قياس نجد

Calculate the Density.. الكثافة نحسب

Find the Mass of the solid on a balance. الميزان خالل من الصلبة المادة كتلة .نجد

Fill the Measuring Cylinder with Water to a known Volume. معروف حجم إلى بالماء االسطواني المقياس .نعبئ

How do you find the density of an irregular solids?

صلبة مادة كثافة تجد الشكل؟ غيركيف في منتظمة

33


Add the Object. كثافته حساب المراد الجسم .نضيف

Work out the Volume of Water that is displaced. األنبوب في ارتفع الذي أو المزاح الماء حجم .نحسب

Calculate the Density.

. الكثافة نحسب

Find the mass of the solid on a balance. الميزان خالل من الصلبة المادة كتلة نجد

Add water until just overflowing. يفيض حتى الماء .نضيف

Other method to find the density of an irregular solids:

صلبة مادة كثافة إليجاد أخرى الشكل؟ غيرطريقة في منتظمة

34


Place a Measuring Cylinder under the spout. الوعاء مخرج تحت القياس اسطوانة .نضع

Add the Object. كثافته حساب المراد الجسم .نضيف

Collect the Water and read off the Volume. حجمه ونقرأ الماء .نجمع

Calculate Density.. الكثافة نحسب

Find the Mass of an empty Measuring Cylinder.. فارغ اسطواني مقياس كتلة نجد

Add a certain Volume of Liquid.. السائل من محدد حجم نضيف

How do you find the density of liquids?

سائلة؟ مادة كثافة تجد كيف

35


Find the Mass of the Measuring Cylinder and Liquid السائل مع االسطواني المقياس كتلة نجد

Calculate the Mass of Liquid . كتلة نحسب.السائل

(Mass of Liquid = Mass of Measuring Cylinder and Liquid – Mass of empty Measuring Cylinder)

- = )المقياس كتلة السائل مع االسطواني المقياس كتلة السائل كتلة( الفارغ االسطواني

Calculate Density of Liquid.. السائل كثافة نحسب

Remove the air from a flask of a known Volume, using a vacuum pump.

التفريغ مضخة باستخدام الحجم، معروفة قارورة من الهواء .نفرغ

How do you find the density of gases?

غازية؟ مادة كثافة تجد كيف

36


Find its Mass.. القارورة كتلة نجد

Add the gas to be tested. الغاز .نضيف

Re-find its mass. فيها الذي الغاز مع القارورة كتلة .نجد

The difference is the Mass of gas. الغاز كتلة إليجاد الفرق .نحسب

Calculate Density.. الكثافة نحسب

Problem:

Estimate (1) the mass of water in a swimming pool and (2) the total mass of air in all the rooms of your home.

(1احسب ( و) سباحة، بركة في الماء غرف) 2كتلة كل في للهواء الكلية الكتلة .منزلك

27.7 Pressure الضغط

37


The effect that a force has when it acts on a surface depends on two things: the size of the force and the area that it is pressing on. We measure this as pressure.

Pressure is the force (or thrust) acting on unit

area (i.e. 1m2) and is calculated from:

أثرت الذي السطح ومساحة القوة هذه مقدار على تعتمد ما سطح على القوة اثر إنوحدة . على المؤثرة القوة بأنه يعرف والذي الضغط نقيس وبهذا القوة هذه علية

ا

.لمساحة

(F) force is measured in Newton (N) and(A) area in square meters (m2),

(P)pressure is measured in Newton/square meter (N/m2).

1N/m2 is called 1 Pascal (Pa):

/ . نيوتن . بوحدة الضغط ويقاس المربع بالمتر تقاس والمساحة بالنيوتن تقاس القوةباسكال تسمى والتي مربع )Pa(متر

38


Examples:

Increasing the pressure by reducing the area

صغيرة مساحة يوفر القدم كرة حذاءمما األرض على الالعب ضغط ليزيد

ال أثناء جيدة سيطرة عبليوفر .

تكون للسكين الحاد الجزء مساحةالطرف من الضغط ليكون جدا صغيرة

االستخدام عند جدا كبير .الحاد

39


Reducing the pressure by increasing the area

Question:

The wind pressure on the wall on the right is 100 Pa. If the wall has an area of 6 m2, what is the force on it?

يساوي بضغط الرياح حائط 100Paتؤثر علىعلى. 6m2مساحته المؤثرة الرياح قوة مقدار ماالحائط؟

Solution:

كبيرة مساحة ذات الثلج زالجة تكونفال الثلج على المطبق الضغط لتقليل

الثلج داخل .تغوص

مساحة ذات الجدران أساسات تكوناألرض على الضغط لتقليل كبيرة أفقية

األرض داخل الجدار يغوص ال وبالتالي

40


A liquid is held in its container by its weight. This causes pressure on the

container, and pressure on any object in the liquid. The following properties apply to any stationary liquid in an open container.

يمثل . التالي داخله جسم أي وعلى الوعاء على ضغطا يسبب الوعاء في السائل وزنوعاء داخل لسائل الضغط خصائص

1- Pressure at one depth acts equally in all directions.

The can of water in Figure has similar holes all round it at the same level. Water comes out equally fast and equally far from each hole. Hence the pressure exerted by the water at this depth is the same in all directions.

االتجاهات -1 جميع في متساوي واحد عمق على .الضغط

وعلى متساوية ثقوب من البعد نفس والى السرعة بنفس الماء خروج يوضح الشكلالمستوى نفس

2- Pressure in a liquid increases with depth.

The pressure in the liquid is not the same at all depths. It is small just under the surface but increases as you go deeper. This can be shown by drilling small holes in the container as shown in the diagram opposite. The top jet does not travel as far as the jets from the

Pressure in liquids

السوائل في الضغط

41


holes below because the pressure is not so large. Notice that the direction of the pressure causing the jets of liquid is outwards.

Dams are made thicker at the bottom to withstand the higher pressure there.

- . العمق بزيادة الضغط 2يزداد

. العمق بزيادة ويزداد السائل سطح أسفل خفيفا الضغط يكونالعمق بزيادة أبعد لمسافات السائل خروج يوضح .والشكل

Here is an activity to measure the increase of pressure with the height of a liquid:Build the set up for a lab ! Is there a linear relationship between the depth of the funnel and the height of water in the U- tube?

Build a table. X = depth in cm of the funnel = independent variable Y = height of rising water in the U-tube = dependent variable.

Plots The dots (X,Y) on a graph paper and see if you have a relationships between the variables.)

. ثم المرفق الجهاز عمل بعد السائل عمق بزيادة يزداد الضغط أن إلثبات النشاطاألنبوب في الماء وارتفاع السائل داخل القمع عمق بين الجدول ارسم Uيمال

بينهما العالقة واستنتج بينهما العالقةDepth (cm) of the funnel

Height of rising water

Activity

PRESSURE INCREASES WITH DEPTH, IS IT A LINEAR RELATIONSHIP?

42


3- Pressure depends on the density of the liquid.

Dense liquids have a greater weight for the same volume so they press down on the container with greater pressure.

The diagram compares the pressure at the bottom of a beaker of water with the pressure at the bottom of a beaker of the liquid metal mercury.

3 -. السائل كثافة على الضغط يعتمد

وبالتالي السائل لنفسحجم كثافة األقل السوائل من اكبر وزنها الكثيفة السوائل. األخف السوائل عن الوعاء في ضغطها يزداد

4- Pressure doesn’t depend on the shape of the container.

43


It may seem surprising but the pressure in a liquid does not depend on the shape of the container. The

diagram below shows four different ‘containers’ joined together. When you pour in a liquid it rises to the same level in each section. This proves that the pressures at points A, B, C, and D are the same.

شكل- 4 على الضغط يعتمد الاإلناء.

مختلفة بأشكال متصلة أواني يمثل الشكلالنقاط . كل عند الضغط أن يثبت مما منها كل في المستوى نفس يأخذ والسائل

A,B,C,D. العمق نفس على تقع ألنها نفسه هو

The container on the right has a base area A. It is filled to a depth h with a liquid of density ρ (Greek letter ‘rho’). To calculate the pressure on the base due to the liquid, you first need to know the weight of the liquid on it:

volume of liquid = base area x depth = Ah

mass of liquid = density X volume = ρ Ah

weight of liquid = mass x g = ρgAh

(g = 10N/kg)

Calculating the pressure in a liquid.

السائل داخل الضغط حساب

44


So: force on base = ρgAh

This force is acting on an area A.

So :Pressure= forcearea

=ρgAhA

=ρgh

At a depth h in a liquid of density ρ:

Pressure P =ρgh

( مطلوبة ( العالقة أعاله المبينة العالقة استنتاج خالل من ذلك ويتم

Question:

If the density of water is 1000 kg/m3, what is the pressure due to the water at the bottom of a swimming pool 2 m deep?

تساوي الماء كثافة كانت بركة 1000kg/m3اذا قاع على الماء به يؤثر الذي الضغط مقدار ماعمقها ؟2mسباحة

Liquids are very difficult to compress because their particles are very close together. If you apply a force to the surface of a liquid which is trapped inside a container, then the pressure is transmitted throughout the liquid

Blaise Pascal (1623-1662), a French physician, discovered that any change in pressure applied at any point on a confined fluid is transmitted undiminished throughout the fluid this fact became known as Pascal's principle

When fluids are used in machines, such as hydraulic lifts, to multiply forces, Pascal's principle is being applied.

. جزيئاتها لتقارب نظرا السوائل ضغط في صعوبة وضع( هناك باسكال العالم ينتقل محصور لسائل الضغط في تغير أي أن على ينص الذي مبدأ

27.8 Hydraulic systems

45


( السائل أجزاء جميع إلى اآلالت .بتمامه في السوائل استخدام عند يطبق باسكال مبدأ فان القوة لزيادة .الهيدروليكية

In a hydraulic system,

a fluid is confined to two connecting chambers, as shown in Figure. Each chamber has a piston that is free to move. If a force FI, is exerted on the first piston with a surface area of AI' the pressure (p) exerted on the fluid can be determined by using the following equation.

P1=F1

A1

According to Pascal's principle, pressure is transmitted without change throughout a fluid, and therefore, the pressure exerted by the fluid on the second piston, with a surface area A2' can also be determined.

P2=F2

A2

Because the pressure P2 is equal in value to PI' you can determine the force exerted by the hydraulic lift. Because

F1/A1 = F2/A2,

then the force exerted by the second piston is shown by the following equation.

Force exertedby Hidraulic L ift F2=F1 A2

A1

A load is easier to lift if you use a jack. The diagram shows a simple hydraulic jack.

Hydraulic jack الرافعةالهيدروليكية

46


A downward force on the input piston puts pressure on the oil. The pressure is transmitted by the oil. It produces a larger upward force on the output piston.

The calculation of output force assumes that the jack is frictionless.

Force exertedby Hidraulic jack F2=F1 A2

A1

In a

real jack, there is friction to overcome. This reduces the output force.

أعاله بالشكل موضح هو كما صغيرة قوة خالل من كبير ثقل رفع يمكن حيثإلى الزيت عبر الصغيرة المكبس على الصغيرة القوة ضغط ينتقل حيث

الكبير المكبس على كبيرة قوة يولد مما الكبير .المكبس

Question:

The diagram on the right shows a simple hydraulic jack. لرافعة الشكل في هيدروليكية

Assuming that the jack is frictionless: احسب منعدم االحتكاك أن افترض

a) What is the pressure at A? A عند الضغط

b) What is the pressure at B? B عند الضغط

c) What is the output force? B عند الناتجة القوة

47


Solution:

Other examples of Hydraulic system.

1-Hydraulic forces are used in the disc brakes of cars and motor bikes.

2-A steel disc is fixed to the centre of each wheel.

3- As the wheel turns, the disc spins between two brake pads.

Hydraulic car brakes الهيدروليكية المكابح

48


4- When the brake is applied, a piston in the master cylinder presses on the brake fluid.

5- A thick, strong pipe connects the master cylinder with slave cylinders on each side of the disc.

6- The hydraulic pressure is transferred to the pistons in the slave cylinders. These force the brake pads on to the disc. Friction then slows the wheel down.

خالل الرئيسية االسطوانة في المكبس عبر الضغط ينتقل المكابح على الضغط عندالقوة . تؤثر بحيث القرص جانبي على باسطوانات متصل صلب أنبوب عبر السائل

السرعة تخفيف على االحتكاك فيعمل بالعجالت متصلة منصات على الناتجة

A hydraulic press is used for compressing (squashing) things. It is like a hydraulic jack, but with a metal plate fixed rigidly above the output piston, so that the gap closes as the piston moves upwards.

فوق بصالبة مثبتة معدنية قضبان على تحتوي ولكن الهيدروليكية الرافعة تشبهألعلى المكبس تحريك عند الفجوة يقلل وهذا الثاني .المكبس

Hydraulic press (Excavator) الحفارةالهيدروليكية

49


The water exerts force on an object immersed in the water. This force is called buoyant force.

. قوة تسمى القوة هذه الماء في المغمور الجسم على دفع قوة يبذل الماء ألن .الدفع

27.9 Buoyancy

الطفو

Why is it so hard to put a beach ball under water while a piece of small steel sinks in the water?

قطعة تغرق بينما الماء تحت الشاطئ كرة نضع أن الصعب من لماذاالحديد؟ من صغيرة

50


Buoyancy explains why objects float.

The buoyant force works opposite the weight of an object.

الجسم وزن اتجاه عكس في الدفع قوة تكون

The water in the pool exerts an upward force that acts in a direction opposite to the boy’s weight.

عكس تبذل والتي صاعده قوه يمارس البركة في اتجاه الماءالولد .وزن

The strength of the buoyant force on an object in water depends on the volume of the object that is underwater.

حجم على يعتمد الماء في جسم على الدفع قوة مقدار إنالماء تحت الذي . الجسم

Buoyancy is a measure of the upward force a fluid exerts on an object that is submerged.

ألعلى الط الصاعدة للقوة مقياس هو يبذلها فو بالمياه التي مغمور جسم على سائل

51


As you keep pushing downward on the ball, the buoyant force gets stronger and stronger

وأقوى أقوى الدفع قوة تصبح ألسفل، الكرة بدفع تستمر كلما

The greater pressure at greater depths means the net force is greatest pushing upward on a

submerged object

القوة محصلة أن يعني اكبر عمق عند الضغط ازداد كلماألعلى المغمور الجسم دفع في عظمي تكون

• All fluids exert pressure: the amount of force exerted per unit area of a surface.

وحدة : على المبذولة القوة كمية ضغط تبذل الموائع كلالسطح من المساحة

How does the Buoyant force work? الدفع؟ قوة تعمل كيف

Archimedes’ principle

أرشميدس مبدأ

The magnitude of the buoyant force acting on a submerged object is equal to the weight of the fluid the object displaces.

المغمور الجسم بواسطة المزاح السائل وزن يساوي الدفع قوة مقدار

52


Purpose:

Practice Lab:

Archimedes’ principle أرشميدس مبدأ

FB=W fluid

53


We are doing this experiment to prove Archimedes' principle. (When a body is wholly or partly submerged in a fluid the buoyant force equals the weight of fluid displaced)

السائل ( دفع قوة فإن مائع في جزئيا أو كليا جسم غمر عند أرشميدس مبدأ إثبات الهدف( المزاح السائل وزن تساوي

Notice

1-A fluid means either a liquid or a gas. غاز أو سائل يعني المائع2-The increase of pressure with depth has an important consequence. It allows you to swim. That is, it creates an upward force, called the buoyant force, on all objects. By comparing the buoyant force on an object with its weight, you will know if the object will sink or float.Use the key words (spring balance, weight, buoyant force, eureka can, and displaced water) and the figure to set up the experiment.

, , ق ( الوزن الزنبركي الميزان الكلمات , واستخدم , الماء إزاحة إناء السائل دفع ةناجحة) نتيجة على لتحصل ورقة في التجربة خطوات لكتابة الشكل وكذلك المزاح Use the space below to write step by .للتجربةstep procedure of the experiment, to carry it out successfully.

Part One

1- The mass of empty beaker m1 =……….kg. فارغ الدورق كتلة

54


2- The weight of the block hanging from the spring balance (real weight) Fg = ………N. الزنبركي الميزان خالل من للجسم الحقيقي الوزن

3- The weight of the block when it is completely immersed in water (apparent weight) F'

g =………N. بالماء غمرة بعد للجسم الظاهري الوزن

4- The upthrust of the water on the block (buoyant force)

Fb = Fg - F'g =…………N. المبينة العالقة خالل من الماء دفع قوة

5- The mass of beaker with water m2 =……………..kg. الماء مع الدورق كتلة المزاح

6- The mass of displaced water m = m1 –m2 =……………kg. المزاح الماء كتلة

7- The weight of displaced water = m.g =……x 9.8 =……….N الماء وزنالمزاح

8- When you compare between buoyant force Fb and the weight of displaced water m what do you see: ……………………………

تالحظ؟ ماذا المزاح الماء ووزن الماء دفع قوة بين تقارن عندما

9- Write your conclusion based on your observations مالحظاتك اكتبواستنتاجاتك

55


Part Two

1- The volume of displaced water Vw = ………m3 المزاح الماء حجم

2- The volume of the block Vs = …….m3 الجسم حجم

3- The mass of displaced water m = ρ Vw = ρ Vs = ……………

(ρw = 1000 kg/m3) المزاح الماء كتلة لحساب العالقة استخدم

4- The weight of displaced water = mg = ……. x ………. x g

5- Fb =…………….N.

Part Three (prove Archimedes' principle mathematically).

Suppose that a box is immersed in water. It has a height (L), and its top and bottom each have surface area A. Its volume, then, is(V = L A). Water pressure exerts forces on all sides, as shown in Figure. Will the box sink or float? As you know, the pressure on the box depends on its depth (h) to find out if the box will float in the water, you will need to determine how the pressure on the top of the box compares with the pressure from below the box. Compare these two equations.

Ftop = Ptop . A =…………..

Fbottom = Pbottom . A =………

56


On the four vertical sides, the forces are equal in all directions, so there is no net horizontal force. The upward force on the bottom is larger than the downward force on the top, so there is a net upward Force. The buoyant force can now be determined. رياضيا العالقة استنتاج

Fbuoyant = Fbottom _ Ftop

=………………………

=…………………….

Fb =……………………

write your conclusion ورياضيا عمليا أرشميدس مبدأ إثبات حول مالحظاتك اكتب

57


Part Four (Sink or float?)

What are the forces that act on an object that is placed in a fluid?

1- One force is the …………………………………on the object.

2- There is also the …………………………………of the object.

سائل في مغمور جسم على المؤثرة القوى ما

The difference between the buoyant force and the object's weight determines whether an object sinks or floats.

في يغوص أو يطفو الجسم كان إن تحدد السائل ووزن السائل دفع قوة بين الفرقالسائل

Suppose you submerge three items in a tank filled with water (ρ water = 1.00 X 103 kg/m3). They all have the same volume =1.00 X 10-4 m3.

أكمل معلومة الماء وكثافة الحجم نفس لهم الماء في غمروا أجسام ثالث افترضالالحق الجدول .دراسة

One item is an ice cube with a mass of 0.090 kg.

The second is aluminum can of soda with a mass of 0.100 kg.

Fbuoyant = …………………..

Fg = …………………

The third is a block of steel with a mass of 0.90 kg.

Fbuoyant = ………………..

Fg = …………………

How will each item move in the water?

58


Fbuoyant = ………………

Fg = …………………

Compare Fbuoyant and Fg

Compare Fbuoyant and Fg Compare Fbuoyant and Fg

The result the ice cube will ……. Because …………………………….

………………………………

The result the aluminum can will ……. Because …………………………….

……………………………..

The result the block of steel will ……. Because …………………………….

…………………………….

search for Archimedes' principle story and read it to your group. search for some applications used Archimedes' principle.

لزمالئك واقرأه أرشميدس مبدأ قصة عن ابحث

أرشميدس مبدأ التطبيقات بعض في ابحث

59


1- There are 3 syringes filled with air, water, and sand. Students compressed the syringes of each and found the following results:

بضغطهم الطالب قام مختلفة محاقن ثالث في والرمل والماء الهواء من عينات ثالث: النتيجة لكتابة التالي الجدول واستخدموا المحاقن بمكابس

التجربة من تتوقعه بما التالي الجدول امأل

a. Which two substances were not compressible? يقبال لم مادتين أى االنضغاط؟

___________ and _______________

Questions

Compressible Not compressibleAirWaterSand

60


b. Make a hypothesis for this experiment. عنه نتجت لما واضحا مفهوما كون التجربة

____________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________________

2-When a substance changes state (for example from liquid to solid by freezing), does its volume change? Explain this in terms of the particle model.

بذلك؟ الحجم يتأثر هل بالتجمد، الصلبة الحالة إلى السائلة الحالة من مادة تحول عندللمادة الجسيمي النموذج ضوء في ذلك .اشرح

3- When a substance changes state (for example from liquid to solid by freezing), does its mass (or weight) change? Explain this in terms of the particle model.

بذلك؟ الكتلة تتأثر هل بالتجمد، الصلبة الحالة إلى السائلة الحالة من مادة تحول عندللمادة الجسيمي النموذج ضوء في ذلك .اشرح

4- How does the surface area of a body of water effect the rate of evaporation? How can this be explained using the particle model?

الجسيمي النموذج ضوء في التبخر معدل في للماء السطح مساحة يؤثر كيف اشرحللمادة؟

5- What happens to metal when it is heated up? What happens when it is cooled down? What are the particles in these solids doing in each case?

يحدث وماذا تبريدها؟ عند يحدث وماذا تسخينها؟ تم إذا الصلبة للمادة يحدث ماذاحالة؟ كل في للجسيمات

61


6- Explain what would happen if aluminium rods are used to reinforce concrete.

. االسمنت لتدعيم األلمنيوم قضبان استخدمت إذا يحدث سوف ما أشرح

7-If overhead power cables are hung from pylons during the day, it is important that the cables are left slack. By considering what happens to the temperature at night, explain what would happen if the cables were pulled tight during the day.

. لدرجة يحدث ما باعتبار مرتخية تترك فأنها النهار في الكهربائية األسالك علقت إذاعلقت إذا لألسالك يحدث ما الجزيئية الحركة نظرية باستخدام أشرح ليال، الحرارة

. النهار في مشددة

8- What is the density of a billiard ball that has a volume of 100 cm3 and a mass of 250 g?

حجم ( لها التي البلياردو كرة كثافة هو ؟)g 250وكتلة) (cm3 100ما

9- A loaf of bread has a volume of 2270 cm3 and a mass of 454 g. What is the density of the bread?

حجم ( له الخبز من من) (cm3 2270رغيف وكتلة ،454 g .(الخبز؟ كثافة هي ما

10- A liter of water has a mass of 1000 g. What is the density of water? (Hint: 1 mL = 1 cm3)

كتلة ( له الماء من واحد الماء؟) g 1000لتر كثافة هي ما

11- A block of wood has a density of 0.6 g/cm3 and a volume of 1.2 cm3. What is the mass of the block of wood? Be careful!

كثافة ( لها الخشب من وحجم) (g/cm3 0.6قطعة ،1.2 cm3 .(قطعة كتلة هي ماالخشب؟

12- Estimate (1) the mass of water in a swimming pool and (2) the total mass of air in all the rooms of your home.

(1احسب ( و) سباحة، بركة في الماء غرف) 2كتلة كل في للهواء الكلية الكتلةمنزلك.

62


13- The diagram shows an Inuit fisherman walking across soft snow.

Explain why he is wearing snow-shoes. Use the following words in your answer: Force weight pressure area sink

الثلج , حذاء الصياد يلبس لماذا فسر ناعم ثلج سطح فوق سمك صياد يمثل الشكلالواردة الكلمات .مستخدما

14- A tank for storing liquid has a base of area 1.5 m2. What is the pressure on the base of the tank when it contains:

a) water weighing 6000 N

b) oil weighing 4500 N?

قاعدته مساحة القاعدة . m2 1.5وعاء على الواقع الضغط مقدار ما سائل يحتوييحتوي عندما

وزنة- ماء 6000Nاوزنة- زيت 4500Nب

15- What is the pressure 100m below the surface of sea water of density 1150kg/m3?

عمق عند الضغط مقدار كثافة 100ما عرفت إذا م/1150الماء ( م )3كجم

63


16- g = 10 N/kg; density of water = 1000kgfm3; density of paraffin = 800 kg/m3

In the diagram on the right: الشكل في

a) How does the pressure at A compare with the pressure at B? B بالنسبةA ل عند الضغط يكون كيف

b) How does the pressure at B compare with the pressure at D? D بالنسبةB ل عن الضغط يكون كيف

c) How does the pressure at A compare with the pressure at C? C بالنسبةA ل عن الضغط يكون كيف

d) If the water in the system were replaced with paraffin, how would this affect the pressure at B?

عند . الضغط على ذلك يؤثر كيف البارفين بسائل الماء استبدل Bإذا

17- A rectangular storage tank 4m long by 3m wide is filled with paraffin to a depth of 2 m. Calculate :

بطول مستطيالت متوازي شكل على وعرض 4خزان وعمق 3متر يحتوي 2متر متراحسب. البارافين

البارافين . a) the volume of paraffinحجم

b) the mass of paraffin. البارافين كتلة

c) the weight of paraffin. البارافين وزن

d) the pressure at the bottom of the tank due to the paraffin

البارافين من اإلناء قاع على المطبق .الضغط

3 -In the diagram on the right, calculate the pressure at B due to the water.

عند الضغط احسب الشكل Bفي

64


18- In a hydraulic press a force of 20N is applied to a piston of area 0.20 m2. The area of the other piston is 2.0 m2. What is

a- the pressure transmitted through the liquid,

b- the force on the other piston?

بقوة هيدروليكية آلة مكبسمساحته 20Nتضغط مساحة . 0.20m2على كانت فإذاتساوي األخر مقدار . 2m2المكبس فما

. - السائل خالل المطبق الضغط ا

الثاني- المكبس في الناتجة القوة .ب

19- Dentists' chairs are examples of hydraulic-lift systems. If a chair weighs

1600 N and rests on a piston with a cross-section area of 1440 cm2, what force must be applied to the smaller piston with a cross-sectional area of 72 cm2 to lift the chair?

. الكرسي وزن كان فان الهيدروليكية للرافعة مثاال األسنان طبيب كرسي يعتبر1600N مقطعة متصلة مساحة تطبيقها. 1440cm2بمكبس الالزم القوة مقدار فما

مقطعة مساحة الذي الصغير المكبس ؟ 72cm2على

20- Archimedes' principle states that __________.

A) the buoyant force on an object is greater than the weight of the fluid it displaces

B) when the speed of a fluid increases, the pressure exerted by the fluid decreases

C) the buoyant force on an object is equal to the weight of the fluid it displaces

D) pressure applied to a fluid is transmitted unchanged throughout the fluid

21- An object weighing 50 kg is floating in a fluid. What is the buoyant force of the fluid on the object?A) > 50 kg

65


B) 50 kg

C) > 50 kg

D) Not enough information is given.

22- If a cube is submerged in water, where on the cube is the pressure exerted by the water the greatest?

A) on the bottom

B) The pressure is equal on all sides of a cube.

C) on the sides

D) on the top

23- The supporting force exerted by a fluid on an object immersed in it is called __________.A) viscosity

B) density

C) lift

D) buoyant force

Resources:

Books:

1- Complete physics (Stephen Pople)

2- Physics first (George Bethell & David Coppock)

3- GCSE Physics ( Tom Duncan & Heather Kennett)

4-Glencoe Physics (Paul W .Zitzewitz)

5- The World of Physics (John Avison)

66


6- Cambridge IGCSE Physics (David Sang)

Websites: http://www.physics.usyd.edu.au/super/physics_tut/activities/Thermal_Physics/

Thermal_Expansion_of_L.pdf http://sites.google.com/site/sed695b/projects/demonstration-equipment/expanding-

ball--ring--thermal-expansion http://www.physics.usyd.edu.au/super/physics_tut/activities/Thermal_Physics/

Thermal_Expansion_of_S.pdf http://www.beginnerphysics.net/Chapter10HeatExpansion.html http://www.bnl.gov/bnlweb/pubaf/pr/PR_display.asp?prID=08-20 http://www.treehugger.com/files/2007/05/2007_so_far_so.php http://www.bradfordschools.net/hotpot/Unit%208.1/thermostat.gif http://static.howstuffworks.com/gif/therm-bimetallic.gif http://www.physicalgeography.net/fundamentals/8a.html http://www.goalfinder.com/articles-g.asp

http:// www.worldofteaching.com

http://www.worldofteaching.com/

http://www.goalfinder.com/articles-g.asp

http://www.physicalgeography.net/fundamentals/8a.html

http://static.howstuffworks.com/gif/therm-bimetallic.gif

http://www.bradfordschools.net/hotpot/Unit%208.1/thermostat.gif

http://www.treehugger.com/files/2007/05/2007_so_far_so.php

http://www.bnl.gov/bnlweb/pubaf/pr/PR_display.asp?prID=08-20

http://www.beginnerphysics.net/Chapter10HeatExpansion.html

http://www.physics.usyd.edu.au/super/physics_tut/activities/Thermal_Physics/Thermal_Expansion_of_S.pdf

http://www.physics.usyd.edu.au/super/physics_tut/activities/Thermal_Physics/Thermal_Expansion_of_S.pdf

http://sites.google.com/site/sed695b/projects/demonstration-equipment/expanding-ball--ring--thermal-expansion

http://sites.google.com/site/sed695b/projects/demonstration-equipment/expanding-ball--ring--thermal-expansion

http://www.physics.usyd.edu.au/super/physics_tut/activities/Thermal_Physics/Thermal_Expansion_of_L.pdf

http://www.physics.usyd.edu.au/super/physics_tut/activities/Thermal_Physics/Thermal_Expansion_of_L.pdf

Documents

Grade 10 Unit AP.3 - Properties of Matter Web viewGrade 10 Unit AP.3 - Properties of Matter. ... They understand density, flotation and pressure in solids and fluids, which they apply