تجربه علميه

فكرة عمل الليزر


دخلت أشعة الليزر في العديد من المنتجات التكنولوجية فتجدها عنصر اساسي في أجهزة تشغيل الأقراص المدمجة أو في ألات طبيب الأسنان أو في معدات قطع ولحام الحديد أو في أدوات القياس وغيرها من المجالات. كل تلك الأجهزة تستخدم الليزر ولكن ما هو الليزر وما الذي يجعل الليزر مميز عن غيره من المصادر الضوئية. في هذه المقالة سوف نقوم بشرح كل ما يتعلق بالليزر بشكل مبسط وواضح.

مختبر أبحاث يستخدم شعاع الليزر.
جاءت تسمية كلمة ليزر LASER من الأحرف الأولي لفكرة عمل الليزر والمتمثلة في الجملة التالية :

Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation
وتعني تكبيرالضوء Light Amplification بواسطة الانبعاث الاستحثاثي Stimulated Emission للإشعاع الكهرومغناطيسي Radiation. وقد تنبأ بوجود الليزرالعالم البرت اينشتاين في 1917 حيث وضع الأساس النظري لعملية الانبعاث الاستحثاثيstimulated emission وتم تصميم أول جهاز ليزر في 1960بواسطة العالم ميمانT.H. Maiman باستخدام بلورة الياقوت ويعرفبليزر الياقوت Ruby laser.

اساسيات فيزيائية حول الذرة
يوجد في الكون 100 نوع مختلف من الذرات وكل شيء حولنا هو مكون من الـ 100 ذرة تلك، ولكن كيف تتحد وتترابط الذرات مع بعضها البعض لتكون المواد مثل الماء المكون من ذرتين هيدروجين وذرة اكسجين أو كيف تكونت قطعة من الحديد أو النحاس. إن الذرات في حركة مستمرة حيث تتذبذب الذرات حول موضع استقرارها في المادة كما أن الذرات لها حركة دائرية أو حركة انتقالية أيضاً. فلو نظرت إلى طاولة خشبية مثلاً وبالرغم من أنها ثابتة في مكانها إلى أنها ذراتها التي كونت الخشب في حركة مستمرة.
نتيجة لحركة الذرات التي تكتسبها من الطاقة الحرارية فإنها تتواجد في حالات مختلفة من الأثارة أو بمعنى آخر أن الذرات لها طاقات مختلفة، فلو زودت ذرة ما بكمية من الطاقة فإن الذرة تنتقل من المستوى الأرضي ground state الذي تتواجد فيه إلى مستوى طاقة أعلى يسمى بمستوى الإثارة excited state. يعتمد مستوى الإثارة على كمية الطاقة التي ذودت بها الذرة ومصدر الطاقة إما حرارة أو ضوء أو كهرباء.
في الشكل التالي نموذج توضيحي لمكونات الذرة


نموذج بسيط لتمثيل شكل الذرة يتكون من النواة والالكترونات التي تدور في مدارات حول النواة.
تحتوي الذرة على النواة (المكونة من البروتونات والنيوترونات) والإلكترونات التي تدور حول النواة في مدارات مختلفة كل مدار هو عبارة عن مستوى طاقة.

امتصاص الطاقة Absorbing Energy
إذا ذودت الذرة بطاقة حرارية لأو طاقة من مصدر ضوئي أو كهربائي فإن بعض الإلكترونات في الذرة سوف تنتقل من المدار ذو مستوى الطاقة الأدنى إلى مدار طاقته أعلى وابعد من النواة.



امتصاص الطاقة
تمتص ذرة الطاقة من الحرارة أو الضوء أو الكهرباء. تنتقل الإلكترونات من مستوى الطاقة الأقل إلى مستوى طاقة أعلى.

هذه افكرة السابقة هي مبسطة عن امتصاص الطاقة في الذرة ولكن تعتبر الأساس في دور الذرة لانتاج الليزر.
عندما ينتقل الإلكترون إلى المدار ذو مستوى الطاقة الأعلى فإنه ما يلبث إلا أن يعود وينتقل إلى المستوى الطاقة الأدنى، وعندها فإن الإلكترون يحرر طاقة في صورة فوتون (ضوء).
تصدر الإلكترونات الفوتونات عند اثارتها وعلى سبيل المثال عند تسخين معدن مثل سلك السخان الكهربي فإنه يتحول لونه من اللون المعتم إلى اللون المتوهج وهذا التوهج ناتج من الفوتونات التي انطلقت بعد اثارة ذرات مادة سلك السخان الكهربي. كذلك لو فكرنا في فكرة عمل شاشة التلفزيون فهي تعطي الصورة من خلال الفوتونات التي تنتجها مادة الشاشة (الفوسفور) عند اثارتها بشعاع إلكتروني.
إذا نستنتج أن الضوء ينتج من الفوتونات المنبعثة من إثارة إلكترونات الذرة وتعتمد لون الفوتون (لون الضوء) على طاقة الفوتون.

علاقة الذرة بالليزر
لتعريف مبسط لليزر نقول معتمدين على الشرح السابق أنه جهاز يقوم بالتحكم في كيفية تحرير الذرات للفوتونات.
وكما ذكرنا فإن كلمة ليزر هي اختصار للجملة light amplification by stimulated emission of radiation والتي معناها يشرح بالتفصيل فكرة عمل الليزر والذي يعتمد على إن الليزر ماهو إلا ضوء مكبر بواسطة عملية تسمى الإنبعاث الإستحثاثي للإشعاع وهذا ما قصدنا به التحكم بكيفية تحرير الذرة للفوتون.

بالرغم من وجود عدة أنواع من الليزر إلا انهم جميعاً يشتركون في نفس الخصائص. ففي الليزر يوجد المادة التي تنتج الليزر يتم اثارتها بواسطة عملية ضخ pumping للإلكترونات من المستوى الأرضي إلى مستوى الإثارة. يستخدم للضخ الإلكتروني ضوء فلاش قوي أو بواسطة التفريغ الكهربي ويساعد هذا الضخ على تزويد أكبر قدر ممكن من الإلكترونات لتنتقل إلى مستويات الطاقة الأعلى فتصبح مادة الليزر مكونة من ذرات ذات إلكترونات مثارة ونسميها بالذرة المثارة. ومن الجدير بالذكر أن أنه من الضروري جداً إثارة عدد كبير من الذرات للحصول على ليزر وتسمى هذه العملية بإنقلاب التعداد population inversion أي جعل عدد الذرات المثارة في مادة الليزر أكبر من عدد الذرات الغير مثارة.
قلب التعداد هو الذي يجعل الضوء الذي تنتجه المادة ليزراً وإذا لم نصل إلى مرحلة انقلاب التعداد نحصل على ضوء عادي.
وكما امتصت الإلكترونات طاقة كبيرة من خلال عملية الضخ فإن الإلكترونات هذه تطلق الطاقة التي امتصتها في صورة فوتونات أي ضوء.
الفوتونات المنبعثة لها طول موجي محدد (ضوء بلون محدد) يعتمد على فرق مستويات الطاقة التي انتقل بينها الإلكترونات المثارة. وإذا كان الإنتقال لكافة الإلكترونات بين مستويين طاقة محددين كما هز موضح غب الشكل أدناه فإن كل القوتونات المنبعثة سيكون لها نفس الطول الموجي.




الإلكترون باللون الأحمر مثار ينتقل إلى مستوى طاقة أدنى (الإلكترون باللون الأزرق) ويفقد طاقته في صورة فوتون
ضوء الليزر
ضوء الليزر يختلف عن الضوء العادي حيث يكون له الخصائص التالية:
الضوء المنبعث أحادي اللون monochromatic أي أن له طول موجي واحد. يحدد الطول الموجي لون الضوء الناتج وكذلك طاقته.
الضوء المنبعث من الليزر يكون متزامن coherent أي ان الفوتونات كلها في نفس الطور مما يجعل شدة الضوء كبيرة فلا تلاشي الفوتونات الضوئية بعضها البعض نتيجة لاختلاف الطور بينها.
الضوء المنبعث له اتجاه واحد directional حيث يكون شعاع الليزر عبارة عن حزمة من الفوتونات في مسار مستقيم بينما الضوء العادي يكون مشتت وينتشر في أنحاء الفراغ.
المسؤول عن هذه الخصائص هي عملية الانبعاث الإستحثاثي stimulated emission بينما في الضوء العادي يكون الإنبعاث تلقائي حيث يخرج كل فوتون بصورة عشوائية لا علاقة له بالفوتون الآخر.

عملبة الإنبعاث التلقائي عملية الإنبعاث الإستحثاثي
العامل المهم في انتاج الليزر هو المرايا المثبتة على جانبي مادة انتاج الليزر. تساعد المرايا على عكس بعض الفوتونات إلى داخل مادة الليزر عدة مرات لتعمل هذه الفوتونات على استحثاث الكترونات مثارة أخرى لتطلق مزيدا من الفوتونات بنفس الطول الموجي ونفس الطور، وهذه هي عملية التكبير للضوء light amplification. تصمم إحدى هتين المرأتين لتكون عاكسيتها اقل من 100% لتسمح لبعض الفوتونات من الخروج عبرها وهو شعاع الليزر الذي نحصل عليه.

في الشرح التالي سنرى مكونات الليزر من خلال شرح عمل ليزر الياقوتruby laser .

ليزر الياقوت Ruby Laser
مكونات ليزر الياقوت عبارة عن مصدر ضوء فلاش وساق من الياقوت ومرأتين مثبتتين على طرفي الساق احدى هاتين المرأتين لها مقدار انعكاس 90%. يعتبر المصدر الضوئي مسؤولاً عن عملية الضخ وساق الياقوت هو مادة انتاج الليزر.


(1) مكونات ليزر الياقوت

(2) فرق جهد عالي يعمل على تزويد الفلاش بالطاقة الكافية لتوليد ضوء ذو شدة عالية ولفترة زمنية قصيرة. هذا الضوء يعمل على اثارة الذرات في بلورة الياقوت إلى مستويات الطاقة الأعلى.

http://www.hazemsakeek.com/QandA/Laser/laser7.jpg

3) تطلق بعض الذرات فوتونات


تنطلق الفوتونات بموازاة محور ساق الياقوت لتصطدم بالمرآة وتنعكس إلى داخل الياقوت عدة مرات لتستحث إلكترونات أخرى لتطلق فوتونات.


(5) فوتونات بطول موجي واحد وفي تفس الطور ومتجمعة في حزمة تعبر من المرآة لتعطي ضوء اليزر.


نظام ليزر ثلاثي المستويات
الشكل التالي يوضح تفاصيل عملية انتاج الليزر من خلال نظام ذو ثلاث مستويات للطاقة

أولاً: تجارب مختلفة مع التيار الكهربائي

بطارية من البطاطس:ـ

أغرز قطعة من سلك نحاس و قطعة من الزنك ( التوتياء) في حبة بطاطس عادية نيئة ، و الأن لو أخذت سماعة تلفون عادي و جعلت طرفي السلك الموجود فيها يلامسان قطعتي السلك المغروزتين في البطاطس لسمعت صوت طقة واضحة عند اجراء التلامس ـ

التفسير :ـ هذا الصوت ناجم عن وجود تيار كهربائي حاصل في حبة البطاطس تماماً كما يحدث في البطارية الصغيرة عند ضعفها خاصة و نعلل ذلك كيميائياً بتأثير عصير أو سائل حبة البطاطس على كل من قطعتي السلكين المعدنيين مما يسبب حصول طاقة كهربائية ـ و تسمى هذه العملية بعملية غلفنة أو طلي العناصر كهربائياً ـ

تيار من المعادن :

خذ قطعة معدنية عملة ( عملة نقدية ما مثلاً) من معدن النحاس و كذا قطعاً مناسبة من معدن الزنك ثم قص قطع من ورق النشاف المغموس بالماء المالح و رتب القطع النحاسية و قطع الزنك و ورق النشاف بحيث يكون بين قطعتين مختلفتين و بذلك تحصل على طاقة كهربائية ـ

و يتبين لنا ذلك إذا أخذنا سلك نحاس رفيع و لفيناه حول بوصلة ( 50 لفة تقريبا) و أخذنا الطرف الأول منه ليلامس قطعة الزنك في الأعلى و الطرف الثاني ليلامس قطعة النحاس في الأسفل نلاحظ تحرك ابرة البوصلة دليل على وجود تيار كهربائي في السلك تحت تأثير السائل الملحي على المعادن و منه ينتج مرور التيار الكهربائي في طرفي السلك ـ

هل للتيار أثر مغناطيسي:ـ

خذ سلك معدني رفيع ناقل للكهرباء و ثبته على قاعدة كأس زجاجي بواسطة شريط لاصق بحيث يشكل منحنياً أو قوس و ضع تحت القوس بوصلة و الأن حرك الكأس حتى تكون ابرة البوصلة موازية لسلك القوس تماماً ، فإذا وصلت طرفي السلك المعدني ببطارية جافة فإنك تلاحظ فوراً تحرك ابرة البوصلة لتصبح بوضع متعامد على الوضع السابق ـ

التفسير :ـ عند مرور التيار الكهربائي في السلك تتشكل قوة مغناطيسية تكون من طرف القوس قطباً مغناطيسياً شمالياً و أخر جنوبي فتنتج حركة البوصلة عن وجود مجال ( حقل ) مغناطيسيامصدره التيار الكهربائي ـ

المغناطيس الكهربائي:ـ

لف سلك نحاسي رفيع و معزول بطول (1 أو 2 م ) على محور من الحديد (مسمار) ثم أوصل قطبي السلك ببطارية و عندها تلاحظ بأن المحور الحديدي يجذب الأشياء العدنية ـ و السبب هو أن مرور التيار الكهربائي في السلك و خاصة حول المحور ينتج مجال مغناطيسي يكسب المحور خاصية المغنطة فيتكون فيه قطباً شمالياً و أخر جنوبي ـ فإذا كان المحور من الحديد الخفيف النوعية فإن المغنطة تزول منه بسرعة فور قطع التيار الكهربائي ، أما إذا كان المحور مصنوع من الفولاذ فإن المغنطة تبقى فيه رغم قطع التيار الكهربائي ـ

الناقل الجرافيتي:ـ

خذ قلماً رصاصياً و ثبت في عقبه لمبه صغيرة و أوصل رأس القلم بقطب بطارية ثم أحضر مقصاً و أوصل طرفه الأول بجسم اللمبة المعدني و الطرف الآخر للمقص بقطب البطارية الثاني ، و عندها تضيء اللمبة حيث يمر التيار الكهربائي عبر فحم الجرافيت إلى اللمبة مسبباً اضاءتها حيث أن مادة الجرافيت ناقل جيد للكهرباء فلو أنك رسمت على ورقة كتابة عادية خطاً ثقيلاً بقلم الرصاص الغرافيتي فإن هذا الخط ينقل التيار الكهربائيكأنه سلك و يمكن التحقق من ذلك باستخدام سماعة هاتف ـ

المذياع المصغر:ـ

خذ علبة كبريت فارغة ( الدرج الذي يحتوي على العيدان فقط) و أدخل فيها قضيبين من قلم رصاص بحيث تكونان متوازيتان و ضع قضيب آخر صغير بصور عرضية فوقهما ثم أوصل القضيب الأول بقطب بطارية و القضيب الثاني بسماعة هاتف و الطرف الثاني من السماعة بقطب البطارية الثاني ، و الأن إذا وضعت السماعة في غرفة بعيدة ثم تكلمت في علبة الكبريت لسمع كلامك في السماعة ـ

التفسير :ـ أن اهتزازات الصوت توثر على حركة القضيب العرضي الذي يوصل التيار بذبذبات و اهتزازات تتناسب مع ذبذبات و اهتزازات الكلام التي تتحول بالتالي إلى كلام مماثل في سماعة المكبر ـ

اشكال المجال المغناطيسي:ـ

ضع قطعة من الورق المقوى (الكرتون) و مرر من منتصفه سلكاً نحاسياً ثم ضع الطبق المذكور أفقياً بالاستعانة بكأسين متماثلين مثلاً ـ وصل طرفي السلك ببطارية و رش على أعلى الورقة برادة حديدية فنجدها قد شكلت دوائر عجيبة و جميلة متداخلة مركزها الثقب الذي يمر منه السلك ـ

ثانياً: الكهرباء الساكنة :ـ

البالون المكهرب:ـ

انفخ عدة بوالين هوائية و اربط فوهتها باحكام و قم بدعكها بقطعة قماش صوفية ثم قربها من زاوية سقف الغرفة فتلاحظ أنها تبقى في مكانها فترة طويلة و كأنها عالقة . و السبب في ذلك أنه عند دعك البالونات بقطعة الصوف تكتسب شحنات كهربائية و هذا يعني بأن البالونات قد حصلت على شحنات كهربائية سالبة من قطعة الصوف ، هذه الشحنات تسمى الإلكترونات و بقاء البالونات في زاوية سقف الغرفة عالقة سببه هو اجتماع الإلكترونات السالبة من البالونات بالبروتونات الموجبة في سقف الغرفةو التي تجذب الإلكترونات السالبة .و الإلكترونات الموجودة في سقف الغرفة تتجول فيها حتى تتعادل إلكتروناته و تتوازن و يكون السقف سيء أو رديء التوصيل الكهربائي لعدة ساعات عندما يكون هواء الغرفة جافاً

التجاذب و التنافر:ـ

انفخ بالونين هوائيين و أغلق فوهة كل منهما بخيط ثم ادعك البالونين بقطعة قماش صوفية و أمسك طرفي خيطي البالونين فتلاحظ أنهما قد تباعدا عن بعضهما البعض بدلاً من اقترابهما من بعضهما كما هو متوقع . و بسبب الدعك اكتسب البالونان إلكترونات سالبة من القماش الصوفي الذي أصبح يحتوي على إلكترونات موجبة و لهذا تجد أن البالونان قد تباعدا عن بعضهما البعض لإحتوائهما على شحنتين متشابهتين بينما نجد أن البالونات تقترب و تنجذب إلى القماش الصوفي الذي يحتوي على البروتونات الموجبة و هكذا

انحناء مسار سيلان الماء :ـ

خذ ملعقة من البلاستيك و ادعكها عدة مرات على قطعة قماش صوفية ثم افتح حنفية الماء قليلاً حتى يسيل منها الماء سيلاناً خفيفاً و حاول أن تقرب الملعقة البلاستيكية يعد دعكها كما ذكرنا من مسيل الماء فتلاحظ فوراً كيف ينحني سيلان الماء و يميل مقترباً من الملعقة . فالشحنات الكهربائية التي اكتسبتها الملعقة نتيجة الدعك أثرت على جزيئات الماء و سببت في جذبها نحوها . و إذا وصل سيلان المياه إلى الملعقة تحررت شحناتها فوراً و تلاشت وعاد سيلان المياه إلى التساقط عمودياً كالمعتاد و السبب في ذلك هو ان المياه افقدت الملعقة من شحناتها المكتسبة

فرز الملح عن الفلفل المطحون:ـ

أخلط قليلاً من الملح المطحون غير الناعم مع قليل من الفلفل الناعم . فكيف نعمل لفرز الفلفل عن الملح ؟

خذ ملعقة صغيرة من البلاستيك المستعملة عادة في الأكل و ادعكها على قطعة صوف و ضع الملعقة المدعوكة فوق الخليط فتلاحظ فوراً قفز و ارتفاع الفلفل ليلتصق بالملعقة . و السبب في ذلك هو ان الدعك يكسب الملقة شحنات كهربائية تؤدي إلى جذب الخليط إلى الملعقة . و إذا وضعت الملعقة على بعد كافي غير قريبة من الخليط تلاحظ أن الفلفل الناعم هو الذي ينجذب إلى الملعقة لأنه اخف من الملح و إذا رغبت بجذب الملح أيظاً فما عليك إلا أن تقرب الملعقة من الخليط أكثر فأكثر

الكتروسكوب بسيط :ـ

خذ قارورة فارغة و أثقب غطاءها من منتصفه و أدخل في هذا الثقب قضيباً نحاسياً مطعوجاً على شكل خطاف و أحكم سد الثقب الذي يمر منه القضيب أو السلك بصورة جيدة بواسطة مادة عازلة تفصل السلك عن الغطاء و تعزله عنه و علق على الخطاف صفيحة رقيقة مستطيلة معدنية من الألمنيوم مثنية من منتصفها بشكل متماثل . و الأن قم بشحن قلم ذو غلاف بلاستيكي بدعكه على قماش صوفي دعكاً جيداً كي يكتسب الشحنات الكهربائية الكافية و إذا لم يتيسر لديك قلم استعمل مشط بلاستيكي أو ما شابه و قرب القلم من رأس القضيب أو السلك فتلاحظ على الفور تباعد قسمي الصفيحة الألمنيوم عن بعضها البعض فعند ملامسة القلم لطرف السلك تنتقل الإلكترونات عن طريق السلك إلى قسمي صفيح الألمنيوم حيث يتم شحن قسميها بصورة متساوية مما يؤدي إلى تباعد القسمين عن بعضهما تبعاً لقوة الشحنات التي يتمتع بها القلم

لزوجة السوائل


للسوائل المختلفة خواص مختلفة. وإحدى هذه الخواص هي اللزوجة، مقاومة السائل للتدفق. يعتبر الماء والحليب وعصير الفاكهة خفيف نسبياً ويتدفق أسهل من السوائل الأكثر كثافة ولزوجة، مثل العسل وشراب الذرة والشامبو والصابون السائل.
تعتبر اللزوجة خاصية هامة لسوائل الحفر. فالسائل الأكثر لزوجة أفضل لإيقاف قطع الصخر ونقلها إلى السطح. لكن، نحتاج إلى ضغط أكثر لضخ السوائل اللزجة جداً، مما يؤدي إلى ثقوب وشقوق إضافية في معدات الحفر. والسوائل اللزجة أكثر صعوبة أيضاً لفصل القطع الصخرية.
وإحدى طرق فحص لزوجة سائل هي معرفة الوقت الذي يستغرقه جسم ما ليغرق فيه. يمكن أيضاً مقارنة اللزوجة بواسطة مقارنة أوقات الغرق لسوائل مختلفة.

الأدوات والمواد

• 
  الماء
  
• 
  زيت أطفال (أو أي زيت خفيف من السهل الحصول عليه)
  
• 
  شامبو شفاف أو فاتح اللون
  
• 
  قنينة بلاستيكية سعتها 444 ملم (15 أونصة) أو أكبر بقليل، مع غطاء شديد الإحكام
  
• 
  علبة فيلم حجمها 35 ملم أو جسم صغير مشابه
  
• 
  ساعة توقيف تقيس إلى 0.1 أو 0.01 جزء من الثانية
  
• 
  قطعة رخام زجاجية صغيرة تلائم فتحة القنينة
  
• 
  قلم حبر جاف
  
• 
  نظارات وقاية للسلامة
  
• 
  جدول مثل الذي في الأسفل لتسجيل نتائجك
  

ماذا نفعل
1. ارسم خطين على جاني القنينة بمسافة 3 سم من كل طرف باستخدام قلم حبر جاف.
2. أدخل قطعة الرخام في القنينة، املأ القنينة إلى نهايتها بالماء، وأغلق الغطاء بإحكام.



3. اقلب القنينة وراقب قطعة الرخام أثناء سقوطها في الماء.(إنها تسقط بسرعة جداَ)
4. باستخدام ساعة توقيف، حاول قياس الوقت الذي تستغرقه قطعة الرخام لتسقط من الخط الأول على القنينة إلى الخط الثاني عندما تقلبها. (من المستحيل القيام بهذا، لأن قطعة الرخام تسقط بسرعة كبيرة جداً. فالماء ليس لزجاً جداً .)

5. دعنا نجرب طريقة أخرى. ضع القنينة على جانبها بحيث يكون غطاؤها على علبة الفلم أو على جسم صغير. وهذا يؤدي إلى تحرك خفيف لقطعة الرخام حتى تتحرك للأسفل. إذا كانت الحركة غير منحدرة تماماً، ستتحرك قطعة الرخام عبر الماء ببطء بقدر كافي حتى تقوم بتدوين الوقت.
6. ارفع نهاية القنينة حتى تنحدر قطعة الرخام إلى نهاية الغطاء.


7. ضع نهاية القنينة في الأسفل بسرعة ولكن بلطف. استخدم ساعة التوقيف لقياس الوقت الذي تستغرقه قطعة الرخام لتنحدر من الخط الأول على القنينة إلى الخط الثاني.



8. سجل الوقت في عمود الماء في جدول البيانات مقابل التجربة 1.
9. كرّر العملية أربع مرات واحسب معدل الوقت للماء.
10. استبدل الماء في القنينة بزيت الأطفال. (أو، صب زيت الأطفال في قنينة مشابهة وضع علامات في نفس المكان). أدخل قطعة رخام وأقفل الغطاء بإحكام. كرر الخطوات من 5-9 للحصول على النتائج لزيت الأطفال.


انظر إلى نتائجنا.

11. اختياري: مقارنة مع سوائل أكثر لزوجة، جرّب هذه التجربة مع قطعة رخام في قنينة شامبو. اقلب القنينة وقم بقياس الوقت الذي تستغرقه قطعة الرخام لتسقط. بناء على نوع الشامبو الذي تستخدمه، قد يستغرق هذا 30 ثانية أو حتى أكثر! الشامبو أكثر لزوجة من الماء. (إذا قمت بعمل حركة خفيفة بالقنينة وتجعل قطعة الرخام تسقط للأسفل عبر الشامبو، فربما تحضر كتابك المفضل لتقرأه في هذه الأثناء! لأنه يبدو أن هذه العملية ستدوم إلى الأبد!)

اللزوجة ودرجة الحرارة


للسوائل المختلفة خواص مختلفة. وإحدى هذه الخواص هي اللزوجة، مقاومة السائل للتدفق. يعتبر الماء والحليب وعصير الفاكهة خفيف نسبياً ويتدفق أسهل من السوائل الأكثر كثافة ولزوجة، مثل العسل وشراب الذرة والشامبو والصابون السائل.
تعتبر اللزوجة خاصية هامة لسوائل الحفر. فالسائل الأكثر لزوجة أفضل لإيقاف قطع الصخر ونقلها إلى السطح. لكن، نحتاج إلى ضغط أكثر لضخ السوائل اللزجة جداً، مما يؤدي إلى ثقوب وشقوق إضافية في معدات الحفر. والسوائل اللزجة أكثر صعوبة أيضاً لفصل القطع الصخرية.
تؤثر درجةالحرارة على لزوجة معظم السوائل. تركز هذه التجربة على لزوجة الشامبو في قنينة عند تبريده وتسخينه.

الأدوات والمواد

• شامبو شفاف اللون أو ذو لون فاتح (على درجة حرارة الغرفة)
• قنينة بلاستيك شفافة سعتها 444 ملم (15 أونصة)أو أكبر قليلاً، مع غطاء مغلق بإحكام (ملاحظة: ربما نستخدم قنينتان البلاستيك من الشامبو الرخيص، انظر الخطوة 2)
• ساعة توقيف تقيس إلى 0.1 أو 0.01 جزء من الثانية
• قطعة رخام زجاجية صغيرة تمر عبر فتحة القنينة
• قلم حبر ناشف
• مسطرة
• ماء ساخن (يمكن استخدام ماء ساخن من الصنبور)
• حوض كبير يتسع للقنينة بشكل ممدد
• ماء بارد
• مكعبات ثلج
• ورق تواليت
• نظارات وقاية للسلامة
• ميزان حرارة (اختياري)
• جدول مثل الوارد في الأسفل لتسجيل نتائجك

ماذا نفعل
1- على جانب القنينة ارسم خطين حول القنينية بالكامل باستخدام قلم حبر جاف تقريباً 3 سم بين الخطين. قم بالقياس ثم سجل المسافة بين الخطوط.
2- انزع غطاء القنينة، أدخل قطعة الرخام الصغيرة، املأ القنينية بشامبو بدرجة حرارة الغرفة حتى نهايتها، وأغلقها بأحكام. (ملاحظة: إذا كانت لديك قنينتين من الشامبو، يمكنك إدخال قطعة الرخام في واحدة منهما، ثم صبّ الشامبو فيها من الأخرى لملأها بالكامل).
3- اقلب القنيننة رأساً على عقب وراقب قطعة الرخام وهي تغرق للأسفل. يجب أن تستقر قطعة الرخام في الغطاء. هذا يضمن أن قطعة الرخام ستسقط منتصف القنينية إلى الأسفل عند قلبها مرة أخرى.



4- اقلب القنينة مرة أخرى واستخدم ساعة التوقيف لقياس الوقت الذي تستغرقه قطعة الرخام حتى تغرق وسط القنينة من الخط الأعلى إلى الخط الأسفل . سجل الوقت في عمود درجة حرارة الغرفة في جدول البيانات مقابل التجربة 1.


5- قم بإعادة الخطوة 3 والخطوة 4 أربع مرات أخرى، للحصول على قياسات خمس مرات. ثم قم بحساب معدل وقت غوص قطعة الرخام في الشامبو على درجة حرارة الغرفة.


6- ثم، اكتشف لزوجة الشامبو على درجة حرارة أعلى من درجة حرارة الغرفة. املأ الحوض بماء ساخن من الصنبور أو من مصدر آخر. أقفل غطاء القنينة بإحكام وضعها في الحوض حتى يسخن حمام الماء الشامبو. اترك القنينة في ماء ساخن لمدة 15 دقيقة. واقلب القنينة بحذر كل خمس دقائق لتسخين الشامبو.
ملاحظة: اتبع اجراءات السلامة عند التعامل مع الماء الساخن، لا ترش الماء الساخن حولك أو تضع أصابعك فيه. رجاء اطلب مساعدة من الكبار في ذلك.
7- أعد الخطوة الثالثة والرابعة خمس مرات وسجل البيانات في عمود الشامبو الساخن من الجدول. ثم قم بحساب معدل وقت غرق قطعة الرخام في الشامبو الساخن.
8- ماذا تعتقد انه سيحدث في الشامبو البارد؟ دعنا نكتشف ذلك. املأ الحوض بماء بارد وضع قنينة الشامبو فيه. أضف 12 مكعب أو أكثر من الثلج وحرك الماء بلطف. اترك القنينة في الماء البارد لمدة 15 دقيقة. وحرك القنينة بحذر كل خمس دقائق لتبريد الشامبو.
9- أعد الخطوة الثالثة والرابعة خمس مرات وسجل البيانات في عمود الشامبو البارد في الجدول. ثم قم بحساب معدل وقت غرق قطعة الرخام في الشامبو البارد.



انظر إلى نتائجنا.
10- اختياري: قم بقياس وتسجيل درجة حرارة الشامبو باستخدام ميزان حرارة أثناء مجموعات القياس الثلاث. وقارن أيضاً درجة حرارة الشامبو بدرجة حرارة حمام الماء.

هل هو سائل أو صلب ؟

في موضوع مائع الحفر : ماء الحياة للبئر يمكنك أن تقرأ شيئا عن فيسبلكس (Visplex*) وهي مادة تستخدم في مائع الحفر وتنقل الجُذاذات من قاع حفرة البئر إلى السطح . ولهذه المادة القدرة على تغيير شكلها ، حيث تكون عند استقرارها في صورة هلام (جيل)، وعندما تتحرك تصبح سائلاً حر الحركة .

ويغير مزيج نشا الذرة والماء أيضا من لزوجته طبقا لما إذا كان قد تم رجه أم لا ، ولكن ذلك يحدث بطريقة مختلفة . ابحث بنفسك وشاهد ما يحدث .

المعدات والمواد

لإجراء هذه التجربة سوف تحتاج إلى الآتى:

• صندوق من نشا الذرة عبوة نصف كيلو (500جم)
• (2- كأس ) من الماء حوالى 400ملي لتر.
• وعاء.
  
• معلقة معدنية.
  
• مجموعة من المعدات والأشياء الصغيرة التي سنستخدمها في عملية الاستكشاف مثل:
  
  • قطعة عملة معدنية صغيرة.
  • صخرة صغيرة.
  • عصا مصاصة .
  • ملعقة معدنية .
  • ملعقة من البلاستيك .
• دفتر وقلم رصاص أو حاسب آلى لتسجيل نتائجك.

التجربة

إليك ما يجب عمله

1. إخلط نشا الذرة بالماء ، وذلك بأن تضع نشا الذرة في الوعاء ثم صب عليه الماء . إخلط المادتين ببعضهما برفع الخليط من قاع الوعاء إلى أعلى باستخدام أصابعك حتى يصبح الخليط متجانسا .
2. حرك المزيج باستخدام يدك أو باستخدام معلقة أو عصا .
   
3. دون ملاحظاتك عن بعض الخواص مثل الحجم والشكل والقوام والوزن والصلابة.a
   
4. ضع في اعتبارك الأسئلة الآتية ثم ابحث لها عن أجوبة .
   
   • ماذا يحدث عندما تغمس أصبعك فيه وتخرجه بسرعة؟
     
   • هل يمكنك التقاطه ؟
     
   • هل يمكنك صبه ؟
     
   • متى يبدو كمادة صلبة ؟
     
   • متى يبدو كمادة سائلة؟
     
   • هل يمكنه حمل مادة صلبة ، مثل صخرة صغيرة ، أو قطعة عملة ، أو قطعة من الخشب ؟ هل تطفو تلك الأشياء فوق ذلك الخليط أم تغوص فيه ؟

سجل ملاحظاتك بالكلام والرسم . ومن الأمور الجيدة أن يشاركك في القيام بهذا العمل شخص آخر ، بحيث أنه عندما يلعب أحدكما بهذا المزيج ، يقوم الآخر بالتسجيل لأنه الصعب أن تكتب بالقلم أو بالحاسب وهذا المزيج اللزج ملتصق بيديك.

اصنع معدة تسجيل كهربائية


تسجيل البيانات هي عملية جمع وتسجيل المعلومات الجيولوجية من أعماق الأرض . وأثناء حفر بئر بترول، يمكن إنزال معدة تسجيل في حفرة البئر لجمع البيانات التي يتم استخدامها بعد ذلك لعمل نوع من الرسم البياني يعرف باسم السجل .

معدات التسجيل

معدات تسجيل على وشك إنزالها إلى البئر
في عام 1927قام الاخوة في شلمبرجير بأول تسجيل بيانات كهربي في فرنسا . وهناك توضيح لعملية تسجيل كهربي بدائية في تجربة معمل العلوم : المقاومة الكهربائية النوعية للمواد وهي توضح المقاومة الكهربية للأرض عند أعماق مختلفة، ويمكن أن تعطينا تلك المعلومات فكرة عما هو موجود في باطن الأرض . وللصخور المنغمسة في البترول مقاومة كهربية أعلى بصفة عامة من الصخور المنغمسة في الماء، وتلك معلومة مفيدة لمن يبحثون عن البترول، ولكنها ليست كل القصة. وفي مقال رنين النوى المغناطيسى على عمق ستة أميال يمكنك أن تتعلم شيئا عن تقنية أخرى من تقنيات التسجيل تعطينا المزيد من المعلومات عما يوجد تحت السطح.
ويمكن الحصول على فكرة جيدة عن كيفية تنفيذ عملية تسجيل البيانات بإنشاء واستخدام نموذج لمعدة تسجيل بيانات كهربية لقياس مقاومة الأرض ثم استخدام تلك المعلومات في إنشاء سجل حفر، وإليك ما قمنا بعمله :
التصميم الذي قمنا بعمله
معدة التسجيل الصغيرة الخاصة بنا مصنوعة من قلم رصاص وسلك وشريط كهربائى عازل، وقد قمنا بتثبيت قطعتين من سلك معزول على جانبى القلم الرصاص.
وقررنا استخدام الأسلاك كمستشعرات بإزالة الطبقة العازلة من مساحة صغيرة من كل سلك
وحتى يكون لدينا وسيلة لقياس بُعد المستشعرات التي نستخدمها عن السطح قمنا باستخدام سكينة صغيرة لعمل ثلمات في جانب القلم بينها مسافات 1سم بدءا من 1سم فوق المستشعرات . ولقياس المقاومة قمنا بتوصيل أطراف الأسلاك بأطراف مقياس المقاومة.
استخدام المعدة التي قمنا بتجهيزها
قمنا بلصق معدة تسجيل البيانات في التربة الموجودة في إحدى أصُص النبات .
وقد أنزلناها بحيث كانت علامة 1سم الموجودة فوق المستشعرات تحت سطح التربة مباشرة . وقمنا باختبار مقياس المقاومة ولاحظنا قراءته ثم دفعنا المعدة إلى أسفل بحيث كانت العلامة التالية عند السطح وقمنا بتسجيل المقاومة عند 2سم تحت السطح. وواصلنا خفض المعدة 1سم آخر في كل مرة ثم سجلنا المقاومة حتى أصبحت المستشعرات على عمق 10سم . وفيما يلي جدول يوضح نتائجنا .
Share
Share this post on
DiggDel.icio.usTechnoratiTwitter

بسم الله الرحمن الرحيم

السلام عليكم ورحمة الله وبركاته
اقدم لكم بعض التجارب العملية والمسلية والتي يمكن لكم اجرائها في المنزل بسهولة
اخليكو مع التجارب
اتمنى تنبسثطوا وتعجبكم الفكرة
وطلب
اتمنى التقيم

شمعة لا تنطفئ

هل تعلم أنه توجد طريقة لصنع شمعة لا تنطفئ بنفخ لهبها ، والطريقة الوحيدة لإطفائها هي منع الأكسجين عنها !!! ولكي تقوم بهذه التجربة الرائعة عليك بإحضار قطعة قطنية أو كتانية وملح طعام وشمعة ، الآن اجعل القطعة القطنية أو الكتانية تتشبع بالملح ، ثم لف هذه القطعة المشبعة بشمعة عادية ثم أشعل شمعتك الرائعة وحاول إطفائها ؟!



كيف تشعل السكر من دون نار؟

من المعروف أن السكر لا يشتعل ولكن بعض الأشخاص الذين يقومون بالألعاب السحرية يشعلون السكر بل يشعلونه من دون نار ، وهذه العملية بسيطة للغاية عند الكيميائيين ، فالذي يقوم بهذه اللعبة السحرية يقوم بإحضار صحن نصفه يحتوي 25 جرام سكر ونصفه الآخر يحتوي 50 جرام بلورات كلورات البوتاسيوم ، ويخدع المتفرجين بأن يثبت لهم أن الصحن يحتوي سكر وذلك بأن يقدم لهم نصف الصحن الأول ليتذوقوه ، وبعد ذلك يحرك عصاه المبللة مسبقاً بحمض الكبريتيك المركز ويقربها من بلورات كلورات البوتاسيوم ، فيشتعل السكر من دون نار!

ملاحظة مهمة : هذه التجربة خطرة بعض الشيء ، فلكي تقوم بها عليك بالذهاب إلى ساحة كبيرة ولا تقوم بتجربتها داخل المختبر.




الكلمة النارية

هل تعلم أنك تستطيع كتابة كلمة على لوح من الورق الأبيض غير المصقول بمحلول مركز من نترات البوتاسيوم ؟ ولكن ما فائدة هذه الكلمة ؟ إنَّ الكلمة التي تكتبها بهذه الطريقة تكون غير مرئية ، ولكن إذا جعلت سلك مسخن للاحمرار يلمس أول حرف من هذه الكلمة فإنَّ النار سوف تشتعل لتشكل كلمة من نار!



صحيفة لا تحترق بالنار

كلنا يعرف أن الصحيفة مصنوعة من الورق ، وأن الورق يحترق إذا أضرمت النار فيه ، ولكن طريقتنا الكيميائية هذه تجعل الصحيفة لا تحترق ! إننا نحتاج فقط لمحلول الشبة للقيام بهذه التجربة المسلية ، في البداية قم بإحضار محلول الشبة المشبع ، ثم اغمس الصحيفة في هذا المحلول عدة مرات ، ثم قم بتجفيفها وتنشيفها إلى أن تعود إلى حالتها العادية ، الآن حصلنا على صحيفتنا العجيبة ، إذا كنت تشك في مفعول هذه التجربة فعليك بتجربتها والتأكد من النتيجة!




بركان قرب بيتك

هل تريد عمل بركان صناعي قرب بيتك ، إذاً عليك أولاً أن تحفر حفرة في تربة جافة بعمق 25 سم ، ثم اصنع مزيجاً من مسحوق الكبريت وبرادة الحديد الناعمة والماء العادي حتى يصبح شكل المزيج كالمعجون ، ثم قم بدفن هذا المزيج في الصباح الباكر في الحفرة التي حفرناها قبل قليل – ولكن هذه التجربة تحتاج طقس حار – ثم بعد عشر ساعات تقريباً سوف ترى أن الأرض سوف تنشق محدثة فوهة بركانية تخرج منها النار والدخان الأصفر المائل إلى السواد وكأنه بركان حقيقي مصغر جداً !



بيضة تطير من دون أجنحة!َ!

هذه التجربة رغم بساطتها إلاَّ أنَّها ممتعة ، نحن نحتاج لهذه التجربة إلى ماء مقطر وبيضة فقط ، الآن عليك إحضار البيضة وعمل ثقب صغير جداً بها ، ثم فرغ البيضة من محتوياتها عن طريق هذا الثقب ، ثم أملأ البيضة بالماء المقطر عن طريق هذا الثقب ، والآن عليك بسد هذا الثقب وتلوينه بلون يشبه لون البيضة وذلك لإخفاء الثقب عن الآخرين ، الآن عرض البيضة لأشعة الشمس الساطعة ، وما هي إلاَّ لحظات حتى ترتفع البيضة في الجو وتطير !



تنظيف الحديد من الصدأ!!

إنَّ صدأ الحديد مزعج ، وعملية إزالته مهمة للغاية ، وهنا وضعنا طريقة بسيطة لإزالة هذا الصدأ ، أولاً أحضر حمض الكبريتيك المخفف بالماء بنسبة 10 : 1 - أي كل جزء من حمض الكبريتيك يقابله عشرة أجزاء من الماء – ثم البس قفازات واقية على يديك ، والآن امسح السطح الصدئ من الحديد بحمض الكبريتيك المخفف عدة مرات ، وسوف ترى أن الصدأ قد اختفى !