الفيزياء في المرحلتين الابتدائية والإعدادية · Grades 1–9
45حالات المادة وتغيّراتها
ستّ سنوات من أجسام صلبة تحفظ شكلها، وسوائل تستوي أفقيًّا، وغازات تملأ كل ركن — ولم نسأل مرة واحدة لماذا. وهذه السنة ترفع الفيزياء الغطاء. فتحت الحالات الثلاث تختبئ واحدة من أعظم الأفكار التي خطرت للبشر: أن كل شيء، كل شيء على الإطلاق، مصنوع من جسيمات أصغر من أن تُرى. سلّم بتلك الفكرة الواحدة تفسّر القواعد التي جمعتها منذ الطفولة نفسها بضربة واحدة.
45.1 الفكرة العظيمة
تعريف 45.1 (الجزيئات)
كل مادة مصنوعة من جزيئات: جسيمات دقيقة إلى حدّ لا يُتخيّل، أصغر بكثير ممّا تراه عين أو مجهر مدرسي. فقطرة ماء واحدة تحوي من الجزيئات أكثر ممّا في البحار كلها من قطرات. ولكل مادة نقية نوع جزيئاتها الخاص — فالماء من جزيئات ماء، والحديد من جسيماته الخاصة — وجزيئات المادة الواحدة كلها متماثلة.
ملاحظة 45.2 (التصديق بلا رؤية)
لم يشاهد أحد قطّ جزيئًا واحدًا بالعين المجرّدة — فلماذا نصدّق بالجزيئات؟ لأن الفكرة تستحقّ التصديق: فهي تتوقّع، توقّعًا صحيحًا، كل ما في هذا الفصل، وجبالًا فوقه. وهكذا تقبل الفيزياء ضيفًا خفيًّا: لا على الإيمان، بل على النفع الذي لا ينقطع. (وقد وصلت أخيرًا صور مباشرة من أجهزة حديثة عجيبة قبل قرن — بعد أن كان الفيزيائيون على يقين بزمن طويل.)
قضية 45.3 (النموذج الجسيمي للحالات الثلاث)
الحالات الثلاث ثلاثة ترتيبات للجزيئات نفسها:
- الصلبة: جزيئات محشوّة متراصّة في رصّة منظَّمة، يرتعش كل واحد منها في موضعه محافظًا عليه — ومن هنا الشكل الثابت؛
- السائلة: جزيئات ما زالت متلامسة، لكنها غير منظَّمة وحرّة في الانزلاق بعضها بجوار بعض — ومن هنا الجريان والسطح المستوي؛
- الغازية: جزيئات متباعدة، تطير سريعة في كل الاتجاهات، تتصادم وترتدّ — ومن هنا ملء كل ركن يُعرَض عليها.
مثال 45.4 (ستّ سنوات من القواعد، وتفسير واحد)
أجرِ القواعد القديمة في النموذج. الأجسام الصلبة تحفظ شكلها: فكل جزيء يحفظ موقعه. والسوائل تأخذ شكل الإناء وتستوي أفقيًّا: فالحشد المنزلق ينهار حتى لا يستطيع جزيء أن ينزلق أخفض. والغازات تملأ كل حيّز يُعرَض عليها: فلا شيء يمسك الطائرين. والعطر يعبر الغرفة: جزيئات غاز تطير وتتصادم وتنتشر. والرمل يُسكب كالسائل: لا جزيئات تنزلق، بل حبيبات — وكل حبيبة نفسها جسم صلب دقيق منظَّم من تريليونات الجزيئات.
45.2 اختبار الحيّز الخالي
طريقة 45.5 (محقنتان)
يدّعي النموذج أن جزيئات الغاز تطير متباعدة، وأن جزيئات السائل متلامسة. فينبغي إذن أن ينضغط الغاز وألّا ينضغط السائل. اختبر ذلك:
قضية 45.6 (الغازات تنضغط والسوائل والصلبة لا)
الغاز قابل للانضغاط — يمكن أن يُدفع إلى حيّز أقلّ — لأن أكثر الغاز حيّز خالٍ بين جزيئات طائرة. أما السوائل والأجسام الصلبة فغير قابلة للانضغاط عمليًّا: فجزيئاتها متلامسة أصلًا، والمادة المتلامسة لا يمكن أن تُرصّ أكثر بأي دفع تستطيعه يد — أو مكبس هيدروليكي.
مثال 45.7 (الهواء المضغوط في عمله)
منفاخ الدرّاجة يضغط ملء غرف من الهواء في الإطار — ولا يمكن ذلك إلا لأن أكثر الهواء خواء. والحشد المضغوط، وجزيئاته تطرق جدران الإطار أسرع وأكثف، يحمل الدرّاجة: فدفع الغاز هو عاصفة برَده الجزيئية. وقنّينات الغوّاصين ترصّ تنفّس عصريّة كاملة في قارورة فولاذية؛ أما سائل المكابح غير القابل للانضغاط فينقل دفعة قدمك إلى العجلات بلا نقصان — فكل حالة مستأجَرة لموهبتها.
45.3 تغيّرات الحالة، مقروءةً من جديد
مثال 45.8 (الأبواب، جزيئًا جزيئًا)
سخّن جسمًا صلبًا فترتعش جزيئاته أشدّ؛ وعند درجة الانصهار يفجّر الارتعاش الرصّة المنظَّمة — فيبدأ الحشد بالانزلاق: وهو الانصهار. وسخّن السائل أكثر فتنتزع أسرع الجزيئات نفسها من قبضة الحشد كليًّا وتطير: وهو التبخّر السطحي — وعند درجة الغليان يصير الهرب اندفاعًا جماعيًّا من داخل السائل نفسه. والتبريد يجري الشريط بالمقلوب: فيُمسَك الطائرون (تكاثف)، وينغلق المنزلقون في صفوف (تصلّب). فأبواب السنة الماضية الستّة قصة واحدة: قبضة جزيئية في مواجهة ارتعاش جزيئي.
مثال 45.9 (قوانين قديمة بالمجّان)
قانونان كُسبا بعناء يأتيان الآن بالمجّان. الكتلة تنجو من تغيّرات الحالة: فالانصهار يعيد ترتيب الجزيئات ولا يخلق واحدًا ولا يُفني واحدًا — الجسيمات نفسها والكتلة نفسها. ومسطبات درجة الحرارة: فعند درجة الانصهار يُنفَق الدفء الوارد على كسر قبضة الرصّة، جزيئًا جزيئًا، لا على ارتعاش أسرع — فينتظر ميزان الحرارة حتى ينكسر آخر صفّ. وما اكتشفه القياس يفسّره النموذج.
ملاحظة 45.10 (انتفاخ الماء العجيب)
حتى انتفاخ الماء الغريب عند التجمّد ينضمّ إلى القافلة: فجزيئات الماء يصادف أنها تنغلق في رصّة هوائية غير معتادة — شبكة مفتوحة فيها حيّز خالٍ أكثر ممّا كان في الحشد المنزلق. ورصّة أهوى تعني حيّزًا أكبر وكثافة أدنى: فيطفو الثلج على سائله. وأكثر الموادّ ترصّ أضيق ممّا تنزلق؛ وعمارة الماء هي الاستثناء البديع.
45.4 الحرارة، مرئيةً من الداخل
قضية 45.11 (درجة الحرارة والحركة الجزيئية)
درجة الحرارة تقيس نشاط الحركة الجزيئية: فكلما سخنت المادة ارتعشت جزيئاتها أو انزلقت أو طارت أسرع. وجريان الحرارة من الساخن إلى البارد هو الحشد النشيط يهدأ وهو يحرّك الحشد الخامل — تصادمًا تصادمًا — حتى يتقاسما وتيرة واحدة: أي درجة حرارة واحدة. فقانون الحرارة النازل القديم كرة طاولة جزيئية.
مثال 45.12 (البرودة ليست مادة)
يُقاعد النموذج إغراءً قديمًا إلى الأبد: فلا شيء اسمه “البرودة” يجري أبدًا. إنما هناك حركة جزيئية أبطأ وأسرع لا غير؛ والنشيط يُقرض النشاط، ولا عكس. وعند أبرد ما يُتخيّل — والجزيئات ساكنة بقدر ما تسمح الطبيعة — تقع أرضية حقيقية لدرجة الحرارة، أدنى بكثير من أي مجمّدة؛ وعددها الغريب المشهور يخصّ مجلّد المرحلة الثانوية.
45.5 تمارين
تمرين 45.1 ★
اذكر صورة النموذج الجسيمي لكل حالة من الحالات الثلاث، في سطر واحد لكل واحدة.
تمرين 45.2 ★
لماذا يحفظ الجسم الصلب شكله بينما يأخذ السائل شكل إنائه؟ أجب بالجزيئات لا بالقواعد.
تمرين 45.3 ★
في اختبار المحقنة، لماذا يستجيب الهواء ويرتدّ، بينما يقف الماء كالجدار؟
تمرين 45.4 ★
منفاخ الدرّاجة يرصّ ملء غرف كثيرة من الهواء في إطار واحد. فماذا يثبت هذا عن تباعد جزيئات الغاز؟ وهل يستطيع منفاخ أن يفعل ذلك بالماء؟
حل
حل التمرين 45.4.
يثبت أن جزيئات الغاز تطير متباعدة وبينها خواء عظيم — فيمكن رصّ ملء غرف معًا. أما الماء، وجزيئاته متلامسة أصلًا، فغير قابل للانضغاط: فلا منفاخ يرصّه أضيق.
تمرين 45.5 ★
احكِ قصة الانصهار باللغة الجزيئية: ماذا يفعل الدفء، وما الذي ينكسر عند درجة الانصهار؟
حل
حل التمرين 45.5.
الدفء يجعل الجزيئات المرصوصة ترتعش أشدّ فأشدّ؛ وعند درجة الانصهار يغلب الارتعاش قبضة الرصّة، فتنكسر الصفوف، وتبدأ الجزيئات بالانزلاق: فيصير الصلب سائلًا.
تمرين 45.6 ★
لماذا تنجو الكتلة من كل تغيّر حالة، وفق النموذج؟ وما الذي كان يجب أن يحدث للجزيئات حتى تُفقد كتلة؟
تمرين 45.7 ★
ماذا تقيس درجة الحرارة في النموذج؟ وصِف جريان الحرارة النازل كرةَ طاولة جزيئية.
تمرين 45.8 ★
عطر يُفتح في طرف غرفة ساكنة يُشمّ في الطرف الآخر بعد دقيقة. اشرح الرحلة — ولماذا يسرّعها نسيم.
تمرين 45.9 ★★
التبخّر يبرّد ما يتركه وراءه: فالعرق يقرص جلدك بالبرد، والإصبع المبلولة المرفوعة تحسّ بجهة الريح الباردة. اشرح ذلك بهروب أسرع الجزيئات — أيّ حشد يبقى وراءها؟
تمرين 45.10 ★★
بالون مغلق يُترك في شمس الصيف ينتفخ؛ وفي الثلاجة يترهّل. ولم يتغيّر عدد الجزيئات في داخله قطّ. اشرح التغيّرين بسرعة الجزيئات وبعاصفة البرَد على الجدران.
تمرين 45.11 ★★
لماذا يطفو الثلج، باللغة الجزيئية؟ وما غير المعتاد في الرصّة التي تبنيها جزيئات الماء، وماذا كانت البِرَك ستفعل في الشتاء لو رصّ الماء كما ترصّ الموادّ العادية؟
حل
حل التمرين 45.11.
الماء المتجمّد ينغلق في رصّة هوائية مفتوحة غير معتادة — فيها حيّز خالٍ أكثر ممّا كان في الحشد المنزلق — فيشغل الثلج حيّزًا أكبر للجزيئات نفسها: فكثافته دون كثافة السائل، فيطفو. ولو كان الماء عاديًّا لرصّ الثلج ضيّقًا، ولغرق وهو يتكوّن، ولتجمّدت البِرَك من القاع إلى الأعلى — ولم يبقَ للأسماك ماء محميّ.
تمرين 45.12 ★★★
قطرة حبر أُطلقت برفق في قاع كأس ماء ساكن تنتشر على مهل، عبر ساعات، حتى يصير الماء كله أزرق خافتًا — بلا تحريك ولا تيّارات. اشرح ما يكشفه هذا الانتشار الصبور عن جزيئات السائل — جزيئات الماء وجزيئات الحبر معًا — ولماذا تنتشر القطرة نفسها أسرع في ماء دافئ. (وقد كانت هذه الملاحظة المتواضعة من أوائل الأدلّة العظيمة على الفكرة الجزيئية كلها.)
حل
حل التمرين 45.12.
لم يحرّك الماءَ شيء، ومع ذلك سافر الحبر: فجزيئات السائل نفسه في حركة لا تنقطع، تزاحم جزيئات الحبر خطوةً عشوائية بعد خطوة عبر الحشد — فكلا السائلين حيّ بالحركة في كل لحظة، ولو بدت الكأس ساكنة سكونًا تامًّا. والدفء يسرّع كل مزاحمة، فيتعجّل الانتشار. وهكذا جعل الحبر الصبور الرقصةَ الخفيّة مرئية — دليلًا أقنع المشكّكين في الجزيئات نفسها.
45.6 مسألة: المسرح الجزيئي
مسألة 45.1
مسألة نهاية الأسبوع — الصفّ يمثّل النموذج الجسيمي في الصالة الرياضية؛ التلاميذ جزيئات، والحالات تصميم رقص؛ وأسئلة النقّاد
يمثّل صفّ الفيزياء المادةَ نفسها: ثلاثون تلميذًا يؤدّون دور جزيئات مادة واحدة، والصالة الرياضية هي الإناء.
الجزء الأول — ثلاثة مشاهد.
- المشهد الأول، الحالة الصلبة: كيف ينبغي أن يقف الثلاثون، وأيّ حركة صغيرة يجب أن يواصلها كل واحد؟ وما الذي لا يجوز لأحد منهم فعله؟
- المشهد الثاني، الحالة السائلة: ما الذي يتغيّر في الترتيب، وأيّ حرّية جديدة تظهر؟ وما الذي يجب أن يواصله التلاميذ ممّا سيلغيه مشهد الغاز؟
- المشهد الثالث، الحالة الغازية: صِف تصميم الرقص — وقل لماذا يحتاج هذا المشهد إلى كامل الصالة بينما يتكوّم المشهدان الأولان في ركن.
- ويسأل الجمهور: “أهم التلاميذ الثلاثون أنفسهم في المشاهد الثلاثة؟” فأيّ قانون من قوانين السنة الماضية يمثّله الجواب؟
الجزء الثاني — النقّاد يختبرون المسرحية.
- يدفع ناقد برفق حشد مشهد الغاز، فيسوقه إلى نصف الصالة. أيسمح المشهد بذلك؟ وماذا عن الدفعة نفسها على كومة مشهد السائل؟ سمِّ القضية الممثَّلة.
- ولتمثيل الانصهار يرفع المخرج قرص حرارة متخيَّلًا. فما الذي يجب أن يزيد منه تلاميذ المشهد الصلب، وفي أيّ لحظة يصير المشهد قانونًا مشهدَ السائل؟
- ويجب أن تُظهر المسرحية مسطبة الانصهار: فبينما يحدث التغيّر، على ماذا تُنفَق طاقة قرص الحرارة — وبماذا يجب أن يبلّغ “الناقد ميزان الحرارة” عن نشاط التلاميذ الوسطيّ خلالها؟
- ومثّل التبخّر من مشهد السائل: أيّ التلاميذ يغادرون الكومة — أيّ واحد على غير قاعدة أم نوع بعينه؟ وماذا يحدث لنشاط الكومة الوسطيّ وهم يغادرون، وأيّ قشعريرة يومية يفسّرها هذا؟
الجزء الثالث — المؤثّرات الخاصة.
- مؤثّر البالون: يُسيَّج مشهد الغاز بتلاميذ يمسكون حلقة حبل (وهي غلاف البالون). فماذا يفعل الممثّلون الجزيئيون بالحبل، وماذا يحدث للحلقة حين يتحرّك الممثّلون أسرع؟
- ويجب تمثيل تجمّد الماء العجيب. فأيّ تعليمة غير معتادة عن التباعد يعطيها المخرج لرصّة المشهد الصلب، وأيّ واقعة في الطفو تفسّرها؟
- وختام قطرة الحبر: يبدأ تلميذ بقميص أزرق في ركن من مشهد السائل. فمن غير أي دفعة من المخرج، كيف ينتهي القميص الأزرق بعيدًا عن ركنه — ولماذا أسرع إن رُفع قرص الحرارة؟
- واكتب ملاحظة البرنامج: قل في ثلاث جمل أيّ فكرة واحدة تمثّلها المسرحية كلها، وسمِّ قانونين قديمين تفسّرهما بالمجّان، واعترف بأمانة بما لا يستطيع أي مشهد أن يُظهره (كم هم صغار الممثّلون الحقيقيون وكم هم كثيرون).
حل
حل المسألة 45.1.
1. في صفوف مرتّبة، كتفًا إلى كتف، وكل واحد يهتزّ في موضعه — ولا يجوز لأحد أن يبادل موضعه أو يغادر موقعه. 2. تذوب الصفوف: فيبقى التلاميذ كتفًا إلى كتف (متلامسين!) لكنهم ينسجون وينزلقون بعضهم بجوار بعض. وعليهم أن يحفظوا التماسّ مع الحشد — فلا يجوز لأحد أن يجري طليقًا. 3. يتبعثر التلاميذ، ويجرون سريعًا مستقيمًا حتى يتصادموا أو يصطدموا بجدار، فيرتدّون بلا نهاية — وإذ لا شيء يمسكهم معًا فلا يوقفهم إلا الجدران: فيطالب الحشد بكل ركن تعرضه الصالة. 4. نعم — الثلاثون أنفسهم في كل مشهد: فالكتلة تنجو من تغيّرات الحالة، ممثَّلةً. 5. يسمح مشهد الغاز بذلك — فيتزاحم الراكضون في نصف الصالة (ويطرقون السائقين أشدّ). أما كومة السائل فلا تستطيع أن تنكمش: فالتلاميذ متلامسون أصلًا. والممثَّل: الغازات تنضغط والسوائل لا. 6. أن يهتزّوا في مواقعهم أشدّ فأشدّ؛ ويصير المشهد سائلًا في اللحظة التي يفجّر فيها الاهتزاز الصفوف ويبدأ التلاميذ بالانزلاق بعضهم بجوار بعض. 7. تُنفَق طاقة القرص على كسر قبضة الرصّة — صفًّا صفًّا — لا على حركة أسرع: فعلى الناقد ميزان الحرارة أن يبلّغ بأن النشاط الوسطيّ لم يتغيّر حتى ينكسر آخر صفّ. وهي المسطبة، ممثَّلةً. 8. أسرع التلاميذ — فهم وحدهم من يستطيع الانتزاع. وينخفض نشاط الكومة الباقية الوسطيّ: فالسائل يبرّد نفسه بالتبخّر، وهو بعينه قشعريرة العرق والأصابع المبلولة. 9. يواصل الممثّلون التصادم بالحبل ودفعه إلى الخارج؛ والممثّلون الأسرع يدفعون أشدّ وأكثر، فتنتفخ الحلقة — وهو البالون في الشمس. 10. “ارصّوا على نظام مفتوح — بمسافة ذراع، هوائية”: فصلب الماء يشغل حيّزًا أكبر من سائله، فيطفو طوف مشهد الثلج على حشد مشهد السائل. 11. يُزاحَم القميص الأزرق — ويُدفَع خطوةً عشوائية بعد خطوة عبر الحشد المنزلق حتى يكون قد هام في كل مكان: وهو انتشار الحبر. وارفع القرص تتعجّل كل مزاحمة، فيتعجّل الهيام. 12. مثلًا: “مسرحية الليلة تمثّل فكرة واحدة: أن كل مادة جزيئات في حركة. وبالتسليم بها يأتي قانونان قديمان بالمجّان — نجاة الكتلة من كل تغيّر حالة، ومسطبة الانصهار. وما لا نستطيع تمثيله هو المقياس: فالممثّلون الحقيقيون أصغر من كل رؤية وأكثر من جماهير العالم كلها.”