Π.Π.Γ προετοιμασία Α΄γυμνασίου

Το 1820 ο Δανός καθηγητής Hans Christian Oersted κάνοντας πειράματα ηλεκτρισμού τη διάρκεια ενός μαθήματος έκανε τυχαία μια εκπληκτική ανακάλυψη. Η μαγνητική βελόνα μιας πυξίδας, την οποία είχε ξεχάσει κοντά σε έναν αγωγό, μετακινήθηκε, όταν μέσα από τον αγωγό άρχισε να ρέει ηλεκτρικό ρεύμα. Ο Oersted  έβγαλε το συμπέρασμα ότι ένας αγωγός αποκτά μαγνητικές ιδιότητες, όταν μέσα του ρέει ηλεκτρικό ρεύμα.

ονομάζεται ένα καλώδιο ή σύρμα, όταν είναι τυλιγμένο με σχήμα ελατηρίου.

Όταν το πηνίο διαρρέεται από ρεύμα αποκτά μαγνητικές ιδιότητες και ασκεί δυνάμεις σε άλλους μαγνήτες ή σε πηνία που επίσης διαρρέονται από ρεύμα

 του ήχου ονομάζουμε την αλλαγή κατεύθυνσης των ηχητικών κυμάτων, όταν αυτά συναντούν λείες και σκληρές επιφάνειες.

Όσο πιο λεία και στιλπνή είναι η επιφάνεια, τόσο μεγαλύτερη είναι η ενέργεια προς τη νέα κατεύθυνση, τόσο πιο έντονο είναι το φαινόμενο της ανάκλασης. 

Το φαινόμενο της ανάκλασης χρησιμοποιείται στη χαρτογράφηση των βυθών ή για τον εντοπισμό κοπαδιών ψαριών στα αλιευτικά σκάφη.

 Ηχώ

Η ηχώ δημιουργείται, όταν μιλάμε ή φωνάζουμε, ενώ απέναντί μας βρίσκεται μια λεία και στιλπνή επιφάνεια, όπως για παράδειγμα μια βραχώδης πλαγιά. Για να αντιληφθούμε την ηχώ, πρέπει να απέχουμε τουλάχιστον 17 μέτρα από την επιφάνεια στην οποία ανακλάται ο ήχος.

Όταν αυτή η απόσταση (των 17 μ.) είναι διπλάσια (34 μ), ή τριπλάσια (51 μ) τότε συλλαμβάνεται δισύλλαβη ή τρισύλλαβη ηχώς αντίστοιχα.
Αντίθετα όταν η απόσταση είναι μικρότερη των 17 μ. τότε ο απευθείας ήχος συγχέεται με τον εξ ανακλάσεως με συνέπεια να λαμβάνεται αυτός ενισχυμένος οπότε και γίνεται λόγος για αντήχηση.

Δες μια εφαρμογή όλων αυτών ... εδώ (είναι στα αγγλικά, την τελευταία σελίδα μπορείς να την αγνοήσεις)

Ο ήχος απορροφάται όταν συναντάει μια μαλακιά και πορώδη επιφάνεια. Συγκεκριμένα απορροφάται ένα μέρος του (το μεγαλύτερο) κι άλλο ένα μικρότερο μέρος ανακλάται.
Οι επιφάνειες που έχουν μεγάλες προεξοχές, απορροφούν πολύ περισσότερο τον ήχο κατά τη διάρκεια της ανάκλασης.
Τα υλικά που χρησιμοποιούμε για να περιορίσουμε τους ήχους και κατά προτίμηση τους θορύβους ονομάζονται ηχομονωτικά (φελιζόλ, υφάσματα, χαλιά...). Αυτά απορροφούν το μεγαλύτερο μέρος των ηχητικών κυμάτων και ανακλούν ένα πολύ μικρό μέρος.

Από τη σκοπιά του μικρόκοσμου σημαντική είναι η μάζα των μορίων από τα οποία το υλικό αποτελείται αλλά και η μεταξύ τους απόσταση. Υλικά σώματα με μόρια μεγάλης μάζας, όπως για παράδειγμα ο μόλυβδος, απορροφούν το ηχητικό κύμα, καθώς τα μόρια αυτά δεν μπορούν εύκολα να ταλαντωθούν.  Όταν οι αποστάσεις μεταξύ των μορίων είναι μεγάλες, η ταλάντωση δεν είναι εύκολο να μεταδοθεί από το ένα μόριο στο άλλο, οπότε δεν είναι εύκολη η διάδοση του ηχητικού κύματος.

Το αφτί είναι το όργανο ακοής του ανθρώπου. Αποτελείται από το εξωτερικό, το μέσο και το εσωτερικό αφτί. 

Πτερύγιο
Το mερύγιο και ο ακουστικός πόρος αποτελούν το εξωτερικό αφτί. Το πτερύγιο «συγκεντρώνει» το ηχητικό κύμα και «οδηγεί» την ενέργεια στον ακουστικό πόρο.

Ακουστικός πόρος
Μέσα από τον ακουστικό πόρο το ηχητικό κύμα «οδηγείται» προς το τύμπανο.

Τύμπανο
Το τύμπανο είναι μία λεmή, ανθεκτική μεμβράνη. Το ηχητικό κύμα αναγκάζει το τύμπανο να ταλαντωθεί. Ανάλογα με το ηχητικό ερέθισμα η ταλάντωση αυτή είναι διαφορετική. 

Ακουστικά οστίδια
Το τύμπανο και τα οστίδια αποτελούν το μέσο αφτί. Τα τρία μικροσκοπικά οστίδια συνδέουν το τύμπανο με τον κοχλία. Η παλμική κίνηση που κάνει το τύμπανο αναγκάζει τα οστάρια σε κίνηση, που μεταδίδεται προς τον κοχλία.

Κοχλίας
Ο κοχλίας είναι ένας σπειροειδής σωλήνας μέσα στον οποίο υπάρχουν μικροσκοπικές τριχίτσες και ευαίσθητα νευρικά κύπαρα. Το ηχητικό ερέθισμα εδώ μετατρέπεται σε ηλεκτρικό παλμό.

Ακουστικό νεύρο
Το ακουστικό νεύρο συνδέει τα ευαίσθητα νευρικά κύπαρα, που βρίσκονται στον κοχλία, με τον εγκέφαλο. Μέσα από το ακουστικό νεύρο μεταφέρεται το ηχητικό ερέθισμα στον εγκέφαλο.

Δες μια προσομοίωση... εδώ (είναι βέβαια στα αγγλικά, ευκαιρία να τα εμπλουτίσεις)

Ο ήχος για να διαδοθεί χρειάζεται ένα υλικό μέσο (δε διαδίδεται στο κενό). Η μηχανική ενέργεια τηςπηγής του ήχου μεταφέρεται στα γειτονικά μόρια του περιβάλλοντος (αερίου, υγρού ή στερεού), από αυτά στα διπλανά τους κ.ο. κ. Η κίνηση που κάνουν τα μόρια του περιβάλλοντος είναι ίδια με της πηγής, δηλαδή ταλαντώνονται με την ίδια συχνότητα. Έτσι δημιουργούνται ηχητικά κύματα (κύματα ελαστικότητας) που διαδίδουν τον ήχο.

 Δες μια προσομοίωση των κινήσεων αυτών ... εδώ

Δες στην πραγματικότητα τα ηχητικά κύματα ...

Ταχύτητα ηχητικών κυμάτων

 Η ταχύητα διάδοσης των ηχητικών κυμάτων είναι μεγαλύτερη στα στερεά απ΄ ότι στα υγρά  και στα υγρά απ΄ ότι στα στερεά. Στα στερεά τα μόρια βρίσκονται σε πολύ μικρές απσοτάσεις μεταξύ τους οπότε οι συγκρούσεις είναι συχνότερες απ΄ ότι στα υγρά, πόσο μάλλον στα αέρια. Γι΄ αυτό και ο ήχος ταξιδεύει πολύ πιο γρήγορα στα στερεά. 

 Δες μια προσομοίωση που συγκρίνονται οι ταχύτητες του ήχου στον αέρα στο νερό και στο ατσάλι. Βάλε μια απόσταση (distance) από 1 έως 99.999 μ. και πάτα το σφυρί... εδώ. 

ονομάζουμε κάθε υλικό που μπορεί να παράγει ήχο.

Οι ηχητικές πηγές  εκτελούν ταλαντώσεις ορισμένης περιοχής συχνοτήτων, από τα 16Hz έως τα 20.000Hz (αυτό σημαίνει ότι όταν ένα σώμα κάνει από 20 έως 20.000 ταλαντώσεις κάθε δευτερόλεπτο τότε παράγει ήχο, και μάλιστα όσο μεγαλύτερη είναι η συχνότητα τόσο οξύτερος είναι ο ήχος.)  

Το αίτιο που προκαλεί την ταλάντωση μεταφέρει μηχανική ενέργεια (κινητική και δυναμική) στο σώμα που ταλαντώνεται.

Υπόηχοι 

Το αφτί μας δεν μπορεί να ακούσει ήχους, όταν η ηχητική πηγή κάνει λιγότερες από 16 ταλαντώσεις σε ένα δευτερόλεπτο. Συντομότερα λέμε ότι δεν ακούμε ήχους κάτω από τα 16 Hertz. Ήχοι που οφείλονται σε πιο αργές ταλαντώσεις λέγονται υπόηχοι.

Αυτή η περιοχή του ακουστικού φάσματος χρησιμοποιείται στη σεισμολογία για την παρακολούθηση των σεισμών. Οι υπόηχοι μπορούν να διαδοθούν σε μεγάλες αποστάσεις, ειδικά μέσα σε στερεά ή υγρά μέσα και να παρακάμψουν εμπόδια χωρίς σημαντική εξασθένιση.

Υπέρηχοι

Επίσης  δεν ακούμε ήχους πάνω από τα 20.000 Hertz. Ήχοι που οφείλονται σε πιο γρήγορες ταλαντώσεις λέγονται υπέρηχοι. Το ανώτερο όριο ακοής μας πέφτει όσο μεγαλώνουμε. Στην ηλικία των 50 χρόνων ακούμε ήχους μέχρι 12.000 Hertz περίπου.  

Ο υπέρηχος χρησιμοποιείται σε συσκευές απεικόνισης του εσωτερικού ενός ανθρώπου, του γήινου φλοιού και άλλων αντικειμένων. Μια σημαντική εφαρμογή είναι η απεικόνιση του έμβρυου στις έγκυες γυναίκες. Μέσα στο σώμα ο υπέρηχος ανακλάται στις περιοχές όπου υπάρχει μεγάλη αλλαγή στην πυκνότητα. Αξιοποιώντας αυτό το φαινόμενο ο υπερηχογράφος εμφανίζει σε μία οθόνη την εικόνα για το έμβρυο.

Όταν η ένταση του ήχου είναι μεγάλη, το τύμπανο του αφτιού μας ταλαντώνεται με μεγάλο πλάτος. Η συνεχής ταλάντωσή του με μεγάλο πλάτος προκαλεί πόνο. Το τύμπανο χάνει σταδιακά την ευαισθησία του. Άνθρωποι που εργάζονται σε περιβάλλον δυνατών θορύβων χάνουν την ικανότητα να ακούν πιο σιγανούς ήχους. Το πρόβλημα της έντονης ενόχλησης από τους θορύβους ονομάζεται ηχορρύπανση. 

Αντιμετωπίζουμε τους ενοχλητικούς ήχους με την ηχομόνωση, τα ηχοπετάσματα ...

 Βρασμό ονομάζoυμε τη μετατροπή της φυσικής κατάστασης ενός σώματος από υγρή σε αέρια (εξαέρωση), όταν αυτό συμβαίνει σε όλη τη μάζα του σώματος. Κατά τη διάρκεια του βρασμού όσο συνυπάρχουν υγρό και υδρατμοί, η θερμοκρασία μένει σταθερή και το σώμα απορροφά ενέργεια για να εκμηδενιστούν οι διαμοριακές δυνάμεις.

Η θερμοκρασία βρασμού είναι χαρακτηριστική για κάθε καθαρή ουσία.  

Μετατροπές καταστάσεων

 Η διάδοση της θερμότητας με ακτινοβολία γίνεται με ηλεκτρομαγνητικά κύματα που σε αντίθεση με το φως, που και αυτό είναι ηλεκτρομαγνητικό κύμα, δεν είναι ορατά. Η ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία διαδίδεται και στο κενό. Η απορρόφηση του ηλεκτρομαγνητικού κύματος από ένα σώμα προκαλεί αύξηση της θερμικής ενέργειας, άρα και της θερμοκρασίας του σώματος.

 Τα σκουρόχρωμα σώματα απορροφούν περισσότερη ενέργεια απ' ότι τα ανοιχτόχρωμα σώματα.

 Δες ένα σχετικό βίντεο ...

ονομάζουμε τη μετατροπή της φυσικής κατάστασης ενός σώματος από υγρή σε αέρια (εξαέρωση), όταν αυτό συμβαίνει στην επιφάνεια του σώματος. Τα μόρια της επιφάνειας του σώματος απορροφούν ενέργεια από το περιβάλλον υπερνικούν τις διαμοριακές δυνάμεις και διαφεύγουν.

Μετατροπές καταστάσεων

 Όταν σε ένα στερεό σώμα προσφέρεται θερμότητα, οι ταχύτητες των μορίων του μεγαλώνουν. Η θερμοκρασία αυξάνεται και τα μόρια απομακρύνονται όλο και περισσότερο από τις μόνιμες θέσεις τους. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα και την αύξηση των διαστάσεων του σώματος. Αυτή την αύξηση την ονομάζουμε διαστολή. Αντίστροφα, όταν ένα στερεό σώμα αποβάλλει θερμότητα, οι ταχύτητες των μορίων του μικραίνουν. Η θερμοκρασία του πέφτει και οι αποστάσεις μεταξύ των μορίων μειώνονται. Αυτό έχει ως αποτέλεσμα τη μείωση των διαστάσεων του σώματος. Αυτή τη μείωση την ονομάζουμε συστολή. Ανάλογη με αυτή για τα στερεά είναι η εξήγηση της διαστολής και συστολής και για τα υγρά και τα αέρια.

 Στη διαστολή/ συστολή των σωμάτων όταν θερμαίνονται βασίζεται η λειτουργία των θερμομέτρων. Δες ένα σχετικό βίντεο...

 ενός σώματος ονομάζουμε την κινητική ενέργεια των μορίων του λόγω των συνεχών και τυχαίων κινήσεών τους.
Έχει άμεση σχέση με  τη θερμοκρασία του σώματος. Όσο περισσότερη θερμική ενέργεια έχει ένα σώμα, τόσο μεγαλύτερη είναι και η θερμοκρασία του. 

Η θερμοκρασία είναι μια έννοια που μας βοηθά να περιγράψουμε πόσο θερμό ή ψυχρό είναι ένα σώμα. Όταν ένα σώμα είναι θερμό, λέμε ότι έχει υψηλή , όταν είναι ψυχρό, λέμε ότι έχει χαμηλή θερμοκρασία. Τη ετράμε με ειδικά όργανα, τα θερμόμετρα. Η συνηθισμένη μονάδα μέτρησης είναι ο βαθμός Κελσίου (^oC).

Σχετίζεται άμεσα με τη θερμική ενέργεια που περιέχει, όσο μεγαλύτερη είναι η θερμοκρασία του σώματος τόσο περισσότερο ταχέα είναι τα μόρια ή τα άτομά του, τόσο μεγαλύτερη κινητική ενέργεια έχουν.

Σχετίζεται με τα χρώματα του φάσματος του φωτός, και τα δυο έχουν σχέση με την ενέργεια!

 ονομάζουμε την ενέργεια μόνο όταν αυτή ρέει από ένα σώμα σε ένα άλλο λόγω της διαφορετικής τους θερμοκρασίας.

Η θερμότητα ρέει από τα σώματα με υψηλότερη θερμοκρασία στα σώματα με χαμηλότερη. Αυτό έχει σαν αποτέλεσμα η θερμική ενέργεια (κινητική ενέργεια των μορίων) του θερμότερου σώματος να μειώνεται, λόγω της απορροής θερμότητας και η θερμική ενέργεια του ψυχρότερου σώματος να αυξάνεται λόγω της προσθήκης θερμότητας. Αναλογικές είναι και οι μεταβολές στη θερμοκρασία τους. 

Τελικά θα επέλθει ισορροπία δηλαδή οι θερμοκρασίες θα εξισωθούν σε μια ενδιάμεση τιμή όπου οι θερμικές ενέργειες των σωμάτων είναι ίσες. Πλέον παύει και η ροή της θερμότητας.

 Κατά τη μετάδοση της θερμότητας με αγωγή, τα μόρια του σώματος που βρίσκονται σε περιοχές με υψηλότερη θερμοκρασία μεταδίδουν τη θερμότητα σε γειτονικά τους μόρια που βρίσκονται σε περιοχές με χαμηλότερη θερμοκρασία. Η μετάδοση μπορεί να γίνεται και από μόρια ενός σώματος σε μόρια άλλου σώματος χαμηλότερης θερμοκρασίας, όταν τα σώματα είναι σε επαφή.

 Τα θερμομονωτικά σώματα ή αλλιώς κακοί αγωγοί της θερμότητας δεν επιτρέπουν τη μετάδοση της θερμότητας με αγωγή (π.χ. ο αέρας), σε αντίθεση με τους καλούς αγωγούς που την επιτρέπουν (π.χ. τα μέταλλα).

Δείτε ένα σχετικό βίντεο ...

Οι φυσικές καταστάσεις που βρίσκονται τα σώματα είναι τρεις, η στερεά (τα μόρια βρίσκονται πολύ κοντά κι οι δυνάμεις μεταξύ τους είνα πολύ μεγάλες) η υγρή και η αέρια (τα μόρια βρίσκονται σε μεγάλες αποστάσεις κι οι δυνάμεις μεταξύ τους είναι μηδενικές). Όπως φαίνεται και στην εικόνα τα στερεά έχουν σταθερό όγκο και σχήμα, τα υγρά σταθερό όγκο αλλά παίρνουν το σχήμα του δοχείου και τα αέρια καταλαμβάνουν όλο το χώρο που τους διατίθεται.

Τα σώματα μπορούν να περάσουν από τη μια κατάσταση στην άλλη με απορρόφηση ενέργειας (θέρμανση) ή αποβολή ενέργειας (ψύξη). Όπως φαίνεται και στην εικόνα, στις περιοχές όπου συνυπάρχουν οι καταστάσεις η ενέργεια που απορροφάται χρησιμοποιείται για την εξασθένιση των διαμοριακών δυνάμεων, έτσι η θερμοκρασία μένει σταθερή. Όταν υπάρχει μια μόνο κατάσταση η απορρόφηση ενέργειας σχετίζεται με την αύξηση της κινητικής ενέργειας των μορίων.

Στην εικόνα φαίνονται οι μετατροπές των φυσικών καταστάσεων:

•  Εξάτμιση
• Βρασμός (εξαέρωση)
• Συμπύκνωση
• Πήξη
• Τήξη

 Όταν στα υγρά και στα αέρια υπάρχουν περιοχές με διαφορετική θερμοκρασία, τα μόρια μετακινούνται από τις περιοχές με τη μεγαλύτερη προς τις περιοχές με τη μικρότερη θερμοκρασία. Κατά τη μετακίνησή τους αυτή μεταφέρουν ενέργεια. Μακροσκοπικά τη μετακίνηση αυτή την αντιλαμβανόμαστε ως ρεύματα.

 Δείτε ένα σχετικό βίντεο ...

ονομάζουμε τη μετατροπή της φυσικής κατάστασης ενός σώματος από υγρή σε στερεή. Είναι αντίστροφη διαδικασία της τήξης. Κατά τη διάρκειά της η θερμοκρασία μένει σταθερή και το σώμα αποβάλλει ενέργεια.

Η θερμοκρασία πήξης των καθαρών ουσιών είναι ίση με τη θερμοκρασία τήξης τους και χαρακτηριστική για κάθε ουσία.

 Μετατροπές καταστάσεων

 ή υγροποίηση ονομάζουμε τη μετατροπή της φυσικής κατάστασης ενός σώματος από αέρια σε υγρή. Είναι αντίστροφη διαδικασία της εξάτμισης και του βρασμού. Κατά τη διάρκειά της το σώμα αποβάλλει ενέργεια.

 Μετατροπές καταστάσεων