جریان‏های همرفتی

توضیح اولیه

با انجام این آزمایش در کلاس درس می توانید با یک روش ساده و خلاقانه جریان همرفتی را در آب نشان دهید وقتی که آب گرم از میان آب سرد بالا می آید، آشفتگی ای به وجود می آورد که در منحرف کردن نور مؤثر است و این نکته به شما امکان می دهد تا نوسان سایه ها را روی پرده ببینید.

اهداف

1. آشنایی با روش های انتقال گرما
2. آشنایی با جریان همرفت
3. یافتن ارتباط بین ضریب شکست و چگالی

وسایل لازم:

1. یک باتری 6 یا 12 ولت یا یک باتری ولتاژ پایین مناسب

   مغز مداد

   یک ظرف شیشه ای یا پلاستیکی شفاف با دیواره های صاف ( یک آکواریوم کوچک خیلی مناسب است. )

   منبع نور ( پروژکتور, فلاش )

   افزودنی های خوراکی رنگی ( در یک بطری کوچک یا به اندازه قطره چکان )

   صفحه نمایش

   دو سیم رسانای جریان برق با کلیپس سوسماری در انتها

   شیر آب

   یک سوئیچ یا کلید برق که از سخت افزار فروشی یا دیگر فروشگاه های لوازم برقی قابل تهیه هستند

طرح درس

انجام آزمایش:

قسمت مثبت باتری را به یک سر سیم و سر دیگر را به مغز کربنی مداد متصل کنید و دومین سوسماری را به قسمت منفی باتری و سر دیگر سوسماری را به سر دیگر مغز مداد متصل کنید. اگر دوست داشته باشید می توانید یک سوئیچ یا کلید برق را به آن متصل کنید. کلید، استفاده از ابزار را راحت تر می کند.

ظرف شیشه ای را از آب پر کنید و دو رشته سیم را از انتها به باتری وصل کنید و منبع را روشن کنید.

پروژکتور را در میان آب روشن کنید و آن را از میان آب به صفحه یا کارت سفید بتابانید.

انجام دهید و یادداشت بردارید:

جریان را مشاهده کنید. اگر کلید برق وصل کرده اید، حالت های مختلف روشن و خاموش را مشاهده کنید. اگر از رئوستا یا دیگر ابزار استفاده می کنید، می توانید همه ی جریان ها را آزمایش کنید و هر کدام را که نتیجه بهتری می دهد، به کار گیرید.

همچنین می توانید نوک مداد را تغییر بدهید یا جهت آن را عوض کنید تا ببینید چه تغییری در الگوهای آزمایش ایجاد می‏شود.

مقداری از رنگ خوراکی را اضافه کنید و تغییر را مشاهده کنید.

شرح علت پدیده:

آب هم مثل هوا، وقتی گرم می شود، منبسط می شود و چگالی آن کم می شود. آبی که توسط جریان گذرنده از کربن عبور می کند، گرم می شود و بنابراین چگالی آن نسبت به آب سردی که آن را احاطه کرده، کم می شود و آب گرم از میان آب سرد جریانی را به سمت سطح ایجاد می کند و به همین خاطر، رنگ خوراکی در جهت جریان حرکت می کند.

چون آب گرم و آب سرد چگالی متفاوتی دارند، ضریب شکست نوری آن ها متفاوت است. وقتی که نور از میان جریان آب سرد به گرم و یا از جریان گرم به سردتر عبور می کند، منحرف یا شکسته می شود. وقتی نور به سمت درون صفحه نمایش منحرف می شود, آن قسمت از صفحه روشن تر می شود و وقتی به سمت بیرون آن می شکند، آن قسمت از صفحه تاریک تر می شود. موقعیت آب سرد و گرم مداوم در حال تغییر است, به خاطر همین تصویر نمایش داده شده روی صفحه دائم روشن خاموش می شود و این جریان دقیقاً مانند جریان امواج گرم در هواست.

مترجم: دنیا گرایلی