الفيزياء في المرحلتين الابتدائية والإعدادية · Grades 1–9
2الساخن والبارد
الحساء يتصاعد منه البخار، والمثلّجات تُوجع أسنانك، ومقعد السيارة في الصيف يلسع ساقيك. الساخن والبارد في كل مكان. في هذا الفصل نتعلّم كيف نقارن بينهما، وما الذي يُدفئ الأشياء — ونراقب ما يحدث لمكعّب الثلج حين ينتصر الدفء.
2.1 أدفأ وأبرد
تعريف 2.1 (الساخن والبارد)
ساخن وبارد كلمتا مقارنة، مثل كبير وصغير. فالحساء ساخن بالقياس إلى يدك؛ والثلج بارد بالقياس إلى يدك. وبين الاثنين سلّم كامل من الكلمات: متجمّد، بارد، منعش، فاتر، دافئ، ساخن، حارق.
مثال 2.2 (ترتيب ثلاثة مشروبات)
على الطاولة: شوكولاتة ساخنة، وكأس ماء من الصنبور، وكأس عصير برتقال خارج من الثلاجة توًّا. من الأبرد إلى الأسخن: العصير، ثم ماء الصنبور، ثم الشوكولاتة الساخنة. فماء الصنبور بارد إلى جانب الشوكولاتة ودافئ إلى جانب العصير — كلمات المقارنة تعمل دائمًا مثنى مثنى.
ملاحظة 2.3 (اللمس يُخدع)
تذكّر أوعية الماء الثلاثة في الفصل الماضي: الماء الفاتر نفسه بدا دافئًا ليد وباردًا للأخرى. والمِس ملعقة معدنية وملعقة خشبية باتتا الليلة في المطبخ نفسه: المعدنية تبدو أبرد، مع أنه ليس في المطبخ شيء أبرد من شيء. اللمس حارس نافع، لكنه ليس قاضيًا عادلًا — وسنحتاج قريبًا إلى جهاز لا يُخدع: ميزان الحرارة، ويأتي في فصل لاحق.
طريقة 2.4 (مقارنة عادلة بين الساخن والبارد)
لتقرّر أيّ وعاءي ماء أدفأ:
- استعمل اليد نفسها للاثنين — فاليدان قد تختلفان؛
- المِس أحدهما ثم الآخر في الحال — فالانتظار يغيّر الأشياء؛
- ولمزيد من اليقين، اطلب من صديق أن يجرّب أيضًا، من غير أن تخبره بجوابك قبل ذلك.
إذا اتفقت أنت وصديقك كانت الملاحظة متينة.
2.2 ما الذي يُدفئ الأشياء
مثال 2.5 (أشياء تُدفئ)
بعض الأشياء تُدفئ ما حولها: الشمس تُدفئ المقعد في الحديقة، واللهب يُدفئ المقلاة، والمدفأة تُدفئ الغرفة، وجسمك أنت يُدفئ البطانية. بل الدلك يُدفئ أيضًا: اضغط راحتيك إحداهما على الأخرى وادلكهما بسرعة وأنت تعدّ حتى — ستحسّ بهما تسخنان.
مثال 2.6 (جرّب: الشمس والظلّ)
في يوم مشمس، ضع إحدى يديك على جدار في الشمس والأخرى على الجدار نفسه في الظلّ. الجدار نفسه واليوم نفسه — ومع ذلك فالجهة المشمسة أدفأ بوضوح. الشمس هي المدفئة الكبرى لكل ما في الخارج؛ وسيكون لها فصل كامل قريبًا.
ملاحظة 2.7 (المعطف لا يصنع الحرارة)
المعطف لا يُدفئك كما تفعل المدفأة. جسمك هو الذي يصنع الدفء؛ والمعطف يمنع ذلك الدفء من الهرب فحسب، مثل غطاء على قِدر الحساء. ولهذا يبقى المعطف الملقى وحده على كرسيّ باردًا من الداخل — فليس فيه ما يصنع دفئًا ليحفظه.
2.3 حين ينتصر الدفء: انصهار الثلج
مثال 2.8 (حياة مكعّب ثلج)
ضع مكعّب ثلج في صحن في المطبخ. إنه صلب بارد. فيدفئه هواء الغرفة الدافئ شيئًا فشيئًا: يصغر المكعّب ويصغر، وتكبر بركة حوله، وبعد حين لا يبقى إلا ماء. لقد حوّل دفء الغرفة الثلج الصلب إلى ماء سائل — ونقول إن الثلج انصهر.
مثال 2.9 (البرد ينتصر أيضًا)
المجمّدة تقوم بالعمل المعاكس: ضع فيها كوبًا صغيرًا من الماء في المساء، وستجده في الصباح صلبًا كالحجر — ثلجًا. الدفء يصهر الثلج ماءً؛ والبرد الشديد يعيد الماء ثلجًا. وسيظلّ الماء يتقلّب هكذا ذهابًا وإيابًا في الكتاب كله.
2.4 تمارين
تمرين 2.1 ★
رتّب من الأبرد إلى الأسخن: ماء الحمّام؛ مكعّب ثلج؛ حساء خارج من القِدر توًّا؛ هواء غرفة نومك.
حل
حل التمرين 2.1.
مكعّب الثلج، ثم هواء غرفة النوم، ثم ماء الحمّام، ثم الحساء الخارج من القِدر توًّا.
تمرين 2.2 ★
جِد كلمة المقارنة: ماء الصنبور … بالقياس إلى الشوكولاتة الساخنة، لكنه … بالقياس إلى عصير البرتقال الخارج من الثلاجة.
حل
حل التمرين 2.2.
ماء الصنبور بارد (أو أبرد) بالقياس إلى الشوكولاتة الساخنة، لكنه دافئ (أو أدفأ) بالقياس إلى العصير.
تمرين 2.3 ★
سمِّ أربعة أشياء تُدفئ ما حولها. وأيّها يُدفئ الحديقة كلها؟
حل
حل التمرين 2.3.
مثلًا: الشمس، واللهب، والمدفأة، وجسمك أنت (أو دلك اليدين). والشمس تُدفئ الحديقة كلها.
تمرين 2.4 ★
ادلك راحتيك بسرعة وأنت تعدّ حتى ، ثم المِس بهما خدّك. بمَ تحسّ؟ وما الذي فعله الدلك؟
حل
حل التمرين 2.4.
تحسّ الراحتان دافئتين على الخدّ: الدلك أدفأهما.
تمرين 2.5 ★
خرج مكعّبا ثلج من المجمّدة معًا. فوُضع أحدهما في صحن في الشمس، والآخر في صحن في الظلّ. أيّهما ينصهر أولًا، ولماذا؟
حل
حل التمرين 2.5.
المكعّب الذي في الشمس ينصهر أولًا: الشمس تُدفئه، والدفء هو الذي يصهر الثلج. أما الذي في الظلّ فينال دفئًا أقلّ ويدوم أطول.
تمرين 2.6 ★
ما الذي في البركة الباقية في الصحن بعد انصهار مكعّب الثلج؟ وأين ذهب الثلج الصلب؟
حل
حل التمرين 2.6.
البركة ماء — الماء نفسه الذي كان مكعّب الثلج. فالثلج الصلب لم يختفِ؛ بل صهره دفء الغرفة فصار ماءً سائلًا.
تمرين 2.7 ★
بقي مِزلج معدني ومقعد خشبي في الظلّ طوال الصباح. يلمس توم الاثنين ويقول إن المِزلج أبرد. استعمل الملاحظة 2.3 لتشرح ما يجري حقًّا.
حل
حل التمرين 2.7.
بعد صباح كامل في الظلّ نفسه، يكون المِزلج والمقعد باردين على السواء. والمعدن يبدو أبرد لليد فقط — فاللمس ليس قاضيًا عادلًا، كما بيّنت الملعقتان المعدنية والخشبية.
تمرين 2.8 ★
باستعمال الطريقة 2.4، اشرح كيف تعرف أيّ وعاءي ماء أدفأ. ولماذا ينبغي أن تستعمل اليد نفسها للاثنين؟
حل
حل التمرين 2.8.
المِس أحد الوعاءين ثم الآخر في الحال، باليد نفسها، واطلب من صديق أن يتحقّق من غير أن يسمع جوابك. واليد نفسها لازمة لأن حيلة الأوعية الثلاثة بيّنت أن اليدين قد تختلفان في الماء عينه.
تمرين 2.9 ★★
تبني ليا رجل ثلج، وإشفاقًا عليه تلفّه في معطفها الدافئ. يقول أخوها إن المعطف سيصهره أسرع. وتقول ليا إن المعطف سيبقيه باردًا مدة أطول. مَن المصيب، ولماذا؟ (فكّر في الملاحظة 2.7: ما الذي يفعله المعطف حقًّا؟)
حل
حل التمرين 2.9.
ليا مصيبة. فالمعطف لا يصنع حرارة: إنما يمنع الدفء من العبور خلاله فحسب. ورجل الثلج ليس لديه دفء يُحفظ — بل المعطف يُبقي هواء النهار الدافئ خارجًا، فينصهر رجل الثلج الملفوف على مهل ويدوم أطول.