أهداف الدرس
- أن يذكر الطالب حالات المادة الأربع، ويحدّد أيّها شائع وأيّها لا يوجد إلا في درجات الحرارة العالية جدًّا.
- أن يفسّر اختلاف حالات المادة بالتجاذب بين الجسيمات ومعدل حركتها.
- أن يقارن بين الحالات الصلبة والسائلة والغازية من حيث الشكل والحجم.
- أن يعرّف اللزوجة والتوتر السطحي ويذكر أمثلة عليهما.
- أن يربط بين معدل التبريد وحجم البلورات المتكوّنة.
شرح الدرس بأسلوب مبسّط
حالات المادة الشائعة ثلاث: الصلبة والسائلة والغازية، أما الحالة الرابعة البلازما فلا توجد إلا في درجات الحرارة العالية جدًّا، كما في النجوم. وتعتمد الاختلافات بين هذه الحالات على التجاذب بين الذرات أو الجزيئات وعلى معدل حركتها، ويتحكّم في هذين العاملين كلٌّ من الضغط ودرجة الحرارة.
الحالة الصلبة والبلورات
للمادة الصلبة شكل محدد وحجم محدد. وعندما تبرد مادة مصهورة تترتّب ذراتها ترتيبًا منتظمًا فتتكوّن البلورات؛ فالقشرة الأرضية تكوّنت من تبريد الصهارة، والجرانيت كان مصهورًا يومًا ما وتظهر فيه بلورات معادن مختلفة الألوان. فإذا كان التبريد بطيئًا نتجت بلورات كبيرة، وإذا كان سريعًا نتجت بلورات صغيرة، أما التبريد السريع جدًّا فلا يمنح الذرات وقتًا لتترتّب بانتظام فتنتج مادة غير متبلورة.
الحالة السائلة: اللزوجة والتوتر السطحي
للسائل حجم محدد، لكنه يأخذ شكل الوعاء الذي يوضع فيه. وتنساب بعض السوائل أسهل من غيرها؛ فالماء ينساب أسرع من العسل. وتُسمّى الخاصية التي تعبّر عن مقاومة السائل للجريان اللزوجة؛ فلزوجة العسل كبيرة ولزوجة الماء أقل، وكلما زادت لزوجة السائل قلّت سرعة جريانه. وتنشأ اللزوجة عن قوى التماسك بين جسيمات السائل، وتزداد لزوجة كثير من السوائل بانخفاض درجة حرارتها؛ ولهذا يصبح العسل في الثلاجة أبطأ انسيابًا.
أما جسيمات سطح السائل فلا توجد فوقها جسيمات تجذبها، فتُشدّ إلى الداخل وعلى امتداد السطح. وتُسمّى هذه القوى غير المتوازنة التوتر السطحي، وهو ما يجعل سطح الماء مشدودًا كغشاء رقيق؛ فيمكن أن تطفو إبرة على الماء بشيء من الحرص، ويتحرّك العنكبوت على سطحه، وتتكوّن القطرات الصغيرة على أوراق النبات.
الحالة الغازية
ليس للغاز شكل محدد ولا حجم محدد، بل ينتشر ليملأ الوعاء الذي يحويه. والماء مثال يجمع الحالات الثلاث: الجليد صلب، والماء سائل، وبخار الماء غاز. ومن طريف ما تلاحظه في كراسة التجارب أن الجليد يطفو على الماء، وأن الكمية نفسها من الماء تشغل حجمًا أكبر عندما تتجمّد.
مصطلحات الدرس
- البلازما: حالة رابعة للمادة لا توجد إلا في درجات الحرارة العالية جدًّا.
- البلورة: مادة صلبة تترتّب ذراتها ترتيبًا منتظمًا.
- المادة غير المتبلورة: مادة صلبة لم تجد ذراتها وقتًا لتترتّب بانتظام بسبب التبريد السريع جدًّا.
- اللزوجة: مقاومة السائل للجريان أو الانسياب.
- التوتر السطحي: القوى غير المتوازنة المؤثرة في جسيمات سطح السائل، وتجعله مشدودًا كالغشاء الرقيق.
أفكار لتقديم الدرس في الفصل
- إبرة تطفو: ضع إبرة خياطة برفق على ورقة منديل فوق سطح الماء في طبق، وانتظر حتى تغوص الورقة وتبقى الإبرة طافية، ثم أضف قطرة صابون ولاحظ ما يحدث. (اطلب من الطلاب التعامل مع الإبرة بحذر.)
- سباق السوائل: اسكب ملعقة ماء وملعقة عسل على لوح مائل، وقارن سرعتيهما؛ ثم كرّر بعسل بارد لربط اللزوجة بدرجة الحرارة.
- مسابقة المليون: راجع الدرس بلعبة «من سيربح المليون» أو جولة سريعة على منصة حروف و دروس، بأسئلة مثل: ما الحالة التي لها حجم محدد وتأخذ شكل الوعاء؟
أخطاء شائعة عند الطلاب
- ظنّ أن السائل ليس له حجم محدد: السائل يتغيّر شكله بحسب الوعاء، لكن حجمه محدد.
- الخلط بين اللزوجة والكثافة: اللزوجة مقاومة الجريان، ولا تعني أن السائل أثقل.
- الاعتقاد أن المواد كلها تنكمش عند التجمّد: الماء يشغل حجمًا أكبر عندما يتجمّد، ولذلك يطفو الجليد.