قائمة مواد مقررات العلوم والتكنولوجيا والهندسة والرياضيات: التركيز على المعادن

الخلفية

يعد التجريب العملي أمرًا ضروريًا في تعليم العلوم والتكنولوجيا والهندسة والرياضيات، وخاصة الفيزياء، حيث تكون الأفكار المجردة مثل القوة والتوصيلية والخصائص الحرارية ملموسة. ولكي نتعلم بفعالية عن الميكانيكا والكهرومغناطيسية والبصريات، فإن وجود مواد فعلية تمثلها أمر لا يقدر بثمن. إحدى مجموعات المواد ذات التطبيقات المتنوعة هي العينات المعدنية مثل النحاس والألومنيوم وسبائك التيتانيوم. ويمكن الاستفادة منها لتوضيح التباين في الكثافة والقوة والتوصيل الكهربائي والتوصيل الحراري، وربط النظرية بالتطبيق العملي.

نظرة عامة على الموضوع

نظرًا لأن الفيزياء تهيمن على تعليم العلوم والتكنولوجيا والهندسة والرياضيات في هذه الحالة، يجب أن يكون لدى الطلاب معلومات جيدة عن خواص المواد. باستخدام عينات معدنية، يمكن للطلاب:

-إجراءمقارنات للكثافات للتنبؤ بكيفية أداء المواد تحت ظروف الوزن والحجم.

-إجراءاختبارات على القوة الميكانيكية ودراسة الإجهاد والإجهاد في المعادن.

-تجربةالتوصيلية الكهربائية وسبب استخدام الأسلاك النحاسية في الإلكترونيات.

-اختبارالتوصيل الحراري، وتوضيح سبب استخدام الألومنيوم في المشتتات الحرارية.

من خلال ربط هذه الخصائص بالتطبيقات اليومية - مثل الفضاء والإلكترونيات والبناء - يمكن للطلاب رؤية أهمية مبادئ الفيزياء الأساسية.

المواد المطلوبة

اختياري: المشابك والحصائر العازلة وقفازات السلامة للتعامل مع العينات المعدنية أثناء التجارب. لمزيد من المواد المتقدمة، يرجى مراجعة Stanford Advanced Materials (SAM).

تعليمات خطوة بخطوة

1- قياس الكثافة

من أجل تحديد كثافة عينات المعادن ومقارنتها بالقيم النظرية، ستحتاج إلى ميزان رقمي وفرجار أو مسطرة وأسطوانة متدرجة (لقياس إزاحة الماء) وعيناتك المعدنية (الألومنيوم والنحاس وTi-6Al-4V). الكثافة هي الكتلة على الحجم.

الخطوة 1: قياس الكتلة

قم بتشغيل الميزان الرقمي وتصفيره.

ضع كل عينة معدنية على الميزان وحدد كتلتها ((m)) بالجرام (g).

خذ القياس مرتين لضمان الدقة.

الخطوة 2: قياس الحجم

بالنسبة للعينات ذات الشكل المنتظم (مكعبات، أسطوانات):

-تسجيلالقياسات (الطول أو العرض أو الارتفاع أو القطر) باستخدام الفرجار أو المسطرة.

-تطبيقالصيغة الهندسية المناسبة لإيجاد الحجم (V).

بالنسبة للعينات غير منتظمة الشكل

-وضعكمية معلومة من الماء في أسطوانة مدرجة.

-اغمرالعينة بالكامل واقرأ التغير في الحجم.

-الفرقهو حجم العينة بالسنتيمتر المكعب (سم³).

الخطوة 3: إيجاد الكثافة

استخدم المعادلة:

ρ= m/V

حيث ρ هي الكثافة بوحدة g/سم³، m هي الكتلة بوحدة الجرام، وV هي الحجم بوحدة cm³.

احسب لكل عينة معدنية.

الخطوة 4: المقارنة مع القيم النظرية

قارن الكثافات المقيسة بالكثافات النموذجية:

- النحاس: ~ 8.96 جم/سم مكعب تقريبًا

- الألومنيوم: ~ 2.70 جم/سم مكعب

- سبائك التيتانيوم (Ti-6Al-4V): ~حوالي 4.43 جم/سم مكعب

اشرح أي اختلافات ومصادر الخطأ المحتملة (دقة القياس، فقاعات الهواء، إلخ).

2- توضيح القوة الميكانيكية

لاستكشاف القوة الميكانيكية والمرونة الميكانيكية، استخدم نظام ذراع أو زنبرك بسيط وكتل ومسطرة أو مقياس قرص لقياس قراءات التشوه. توضح هذه التجربة كيفية استجابة المواد لإضافة الإجهاد.

الخطوة 1: إعداد المعدات

قم ببناء نظام رافعة بسيطة أو استخدام عارضة مدعومة من كلا الطرفين.

ضع العينة المعدنية في المنطقة التي ينبغي تطبيق القوة عليها وثبتها بقوة.

الخطوة 2: الزيادة التدريجية للقوة

قم بإضافة الوزن تدريجياً أو الضغط على النقطة الوسطى من العارضة.

راقب وسجل كلما كان هناك انحناء أو تشوه واضح.

الخطوة 3: تسجيل البيانات

قم بقياس القوة (F) والانحراف المقابل (ΔL) عند كل خطوة.

كرر الاختبار على كل عينة من العينات المعدنية.

الخطوة 4: مراقبة النتائج

علّق على علاقة الإجهاد-الإجهاد وقارن الصلابة من خلال معامل يونغ (E):

- النحاس: 110-130 جيجا باسكال تقريبًا

- الألومنيوم: ~ 69 جيجا باسكال

- Ti-6Al-4V: ~110 جيجا باسكال

اشرح سبب سهولة ثني بعض المواد ومقاومة بعضها الآخر للتشوه.

اقرأ المزيد: أقوى 10 مواد عرفها الإنسان

3. اختبار التوصيلية الكهربائية

لإجراء اختبار التوصيلية الكهربائية ومقارنة العينات، ستحتاج إلى مصدر طاقة تيار مستمر، ومقياس (مقاييس) متعدد، وأسلاك مشبك تمساح، وعيناتك المعدنية. تُشتق التوصيلية من الجهد والتيار المقيس وهندسة العينة.

الخطوة 1: توصيل الدائرة

- قم بإنشاء دائرة متسلسلة: ضع مصدر الطاقة والعينة المعدنية والمقياس المتعدد في حلقة واحدة.

- لقياس التيار (I)، يجب أن يكون جهاز القياس المتعدد في دائرة متسلسلة.

- لقياس الجهد (V)، ضع المجسات موازية لبعضها البعض عبر العينة.

إذا كان هناك مقياس متعدد واحد فقط متاح، قم بقياس الجهد والتيار في قياسات منفصلة.

الخطوة 2: قياس التيار والجهد

- ضع جهاز القياس المتعدد على الوضع الصحيح (جهد التيار المستمر أو التيار).

- قم بقياس التيار عبر الدائرة وانخفاض الجهد على العينة.

الخطوة 3: حساب التوصيلية

1. استخدم قانون أوم لحساب المقاومة:

R = V/I

2. استخدم معادلة التوصيلية:

σ = L/(R*A)

حيث (L) = طول العينة، (A) = مساحة المقطع العرضي، (R) = المقاومة.

الخطوة 4: مقارنة النتائج

الموصلية المتوقعة:

- النحاس: ~ 5.96 × 10 × 10⁷ S/م (عالية جدًا)

- الألومنيوم: ~ 3.5 × 10⁷ S/م

- Ti-6Al-4V: ~ 1.8 × 10 × 10⁶ S/م (أقل بكثير)

ناقش سبب اختلاف التوصيلية - باستخدام التركيب الذري وحركة الإلكترونات.

4. ملاحظة التوصيلية الحرارية

توضح هذه التجربة سرعة انتقال الحرارة في المعادن المختلفة. ستحتاج إلى مصدر للحرارة (على سبيل المثال، صفيحة ساخنة) ومقياس حرارة أو مسبار حراري وقضبان معدنية من نفس الحجم.

الخطوة 1: تحضير العينات

ضع عينات من النحاس والألومنيوم وTi-6Al-4V من نفس الحجم تقريبًا على منطقة مقاومة للحرارة.

أدخل مستشعرات درجة الحرارة على طولها.

الخطوة 2: إدخال الحرارة

قم بتسخين أحد طرفي كل عينة ببطء مع إبقاء الطرفين الآخرين في درجة حرارة الغرفة.

توفير وقت وشدة تسخين متساويين.

الخطوة 3: قياس توزيع درجات الحرارة

قم بقياس درجات الحرارة على طول القضبان على فترات زمنية متساوية (على سبيل المثال، 10 ثوانٍ).

لاحظ مدى سرعة ارتفاع درجة حرارة الطرف البعيد من كل عينة.

الخطوة 4: قارن وحلل

اشرح التوصيل الحراري وكفاءة نقل الطاقة:

-النحاس: ~ 401 واط/م كلفن تقريبًا

-الألومنيوم: ~ 237 وات/كلفن

-Ti-6Al-4V: ~ 6.7 واط/كلفن

اشرح لماذا يسخن النحاس بسرعة أكبر وسبائك التيتانيوم ببطء أكبر من حيث اهتزاز الشبكة والترابط

الأسئلة المتداولة

س: ما الذي يجعل المعادن ذات قيمة للتطبيقات المختبرية والصناعية؟

ج: إن قوتها وتوصيلها وكثافتها تجعلها مناسبة للأسلاك والأجهزة الجراحية والمفاعلات الكيميائية.

س: ما علاقة التوصيلية الكهربائية والحرارية بالتركيب الذري؟

ج: تُعد المعادن ذات الإلكترونات الحرة (مثل النحاس والألومنيوم) موصّلات للحرارة والكهرباء وتُظهر مبادئ فيزياء الكم والحالة الصلبة.

س: هل يمكن أن تؤثر هذه الخواص على تصميم الأدوية أو المعدات الكيميائية؟

ج: نعم، يتم استخدام الفولاذ المقاوم للصدأ أو التيتانيوم بشكل روتيني في المفاعلات والأنابيب على أساس الاستقرار الحراري والقوة ومقاومة التآكل.

الخلاصة

يوفر استخدام عينات المعادن في مقررات العلوم والتكنولوجيا والهندسة والرياضيات القائمة على الفيزياء تجربة تعليمية تعتمد على البيانات. يمكن للطلاب قياس ومقارنة واختبار خصائص المواد المهمة المؤثرة في التطبيقات الهندسية والصناعية واختبارها. في هذه التجارب، لم تعد مفاهيم مثل الكثافة والقوة والتوصيلية مفاهيم مجردة - بل أصبحت ملموسة وقابلة للقياس وملموسة. يجعل التعلم العملي التعلم العملي التعلم أكثر رسوخًا وجاهزًا للتطبيق في حل المشكلات في الهندسة والكيمياء والفيزياء التطبيقية.

مصادر إضافية

Stanford Advanced Materials (SAM) – قاعدة بيانات خصائص المعادن

- كاليستر، دبليو دي، علوم وهندسة المواد: مقدمة، الطبعة العاشرة

- كتيبات المختبرات لبرامج العلوم والتكنولوجيا والهندسة والرياضيات في المدارس الثانوية وبرامج الفيزياء الجامعية

- دروس تعليمية عبر الإنترنت: تجارب الكثافة والتوصيلية والتوصيلية الحرارية