الدرس الأول: الخصائص الفيزيائية للمادة

الخصائص الفيزيائية هي صفات يمكن ملاحظتها أو قياسها دون أن تتغير طبيعة المادة، مثل الكتلة، والوزن، والحجم، والكثافة، ودرجة الغليان، واللون، والقساوة، والمغناطيسية، والقدرة على التوصيل. الكتلة هي مقدار ما في الجسم من مادة وتقاس بالجرام أو الكيلوجرام، بينما الوزن هو مقدار جذب الأرض للجسم ويقاس بالنيوتن. الحيز الذي يشغله الجسم هو الحجم، ويمكن حساب حجم جسم منتظم الشكل بضرب الطول في العرض في الارتفاع. أما الكثافة فهي نسبة الكتلة إلى الحجم وتقاس بـ (جم/سم^3). كمثال، إذا وضعت مسماراً فولاذياً في الماء فإنه يغرق لأن كثافة الفولاذ أعلى من كثافة الماء، بينما تطفو السفن الضخمة لأنها تحتوي على هواء يجعل كثافتها الكلية أقل من كثافة الماء.

الفكرة الأساسية

الخصائص الفيزيائية هي صفات يمكن ملاحظتها أو قياسها دون أن تتغير في طبيعة المادة، وتساعدنا على تمييز المواد بعضها عن بعض، مثل الكثافة واللون والقساوة والمغناطيسية ودرجة الغليان والملامس وقابلية الطرق والملوصة، إضافة إلى الكتلة والوزن والحجم.

الشرح

الكتلة هي مقدار ما في الجسم من مادة، وكتلة أي جسم لا تتغير، وتقاس بوحدة الجرام أو الكيلوجرام (١ كجم = ١٠٠٠ جم). أما الوزن فهو قياس مقدار جذب الأرض للجسم، ويختلف وزن الأجسام على القمر عنها على الأرض لأن قوة جذب القمر للجسم أقل من قوة جذب الأرض، ويقاس الوزن بوحدة النيوتن (١ نيوتن يساوي قوة جذب الأرض لكتلة مقدارها ١ من ١٠ كجم تقريباً). والحيز الذي يشغله الجسم يسمى الحجم، ويمكن قياس حجم السائل بصب السائل في مخبار مدرج وقراءة التدريج الذي يصل إليه مستوى السائل، ويقاس حجم السائل عادة بالميلتر (١٠٠٠ مل = ١ لتر)، ويقاس حجم الجسم الصلب بوحدات تسمى السنتيمتر المكعب (سم^3)، وحجم سم^3 يساوي حجم مكعب طوله ١ سم وعرضه ١ سم وارتفاعه ١ سم. ولحساب حجم جسم منتظم مثل متوازي مستطيلات صلب، نضرب طوله (ل) في عرضه (ض) في ارتفاعه (ع)، أي (ل * ض * ع). ولحساب حجم جسم غير منتظم، يتم غمره تماماً في ماء موضوع في مخبار مدرج، وقِيس ارتفاع الماء بالميلترات حيث يشير إلى حجم الجسم بالسنتيمترات المكعبة. وللمادة ثلاث حالات شائعة هي: الصلبة والسائلة والغازية. فالأجسام الصلبة لها شكل محدد وتشغل حيزا محددًا بغض النظر عن شكل وحجم الوعاء الذي توجد فيه، وتكون دقائق المادة فيها متراصة جدا تهتز في مكانها. أما السوايل فليس لها شكل محدد وتأخذ شكل الوعاء الذي توضع فيه، وجزيئاتها متباعدة بعض الشيء وتتحرك بحرية أكبر من المواد الصلبة. والغازات ليس لها شكل محدد وتنشغل أي حيز توضع فيه وجزيئاتها في حركة مستمرة وتنتشر في كل اتجاه ومادتها في الحالة الغازية هي الأقل تماسكا وكثافة. أما الكثافة فهي قياس مقدار الكتلة في حجم معين، وتقاس الكثافة بالجرامات في كل سنتيمتر مكعب (جم/سم^3). ولايجاد كثافة جسم صلب نقسم كتلة الجسم بالجرامات على حجمه بالسنتيمترات المكعبة، والكثافة تساوي الكتلة مقسومة على الحجم. ويمكِّن لجسمين لهما الحجم نفسه أن تكون كثافتهما مختلفة، كما أن قوة الطفو تصف قدرة جسم على الانغمار في مائع، والمائع سائل أو غاز، وتنشأ قوة الطفو لأن الجسم أثناء الانغمار يبعد المائع عن طريقه ليحل محله وفي الوقت نفسه يدفع المائع الجسم إلى أعلى، فيطفو الجسم إذا كان أقل كثافة من السائل أو الغاز الذي يحيط به ويغرق إذا كان أكثر كثافة منه.

مثال محلول خطوة بخطوة

أراد أحمد حساب كثافة قطعة من الصلصال كتلتها ٢٢ جم في مخبار مدرج يحتوي على ماء، فارتفع مستوى الماء من ٤٠ إلى ٥٤ مل. ما كثافة الصلصال؟ الخطوة الأولى: نحدد كتلة الصلصال وهي ٢٢ جم. الخطوة الثانية: نحدد حجم الصلصال بطرح حجم الماء الأصلي من الحجم بعد وضع الصلصال: (٥٤ - ٤٠ = ١٤ مل)، وبما أن ١ مل يساوي ١ سم^3، إذن حجم الصلصال يساوي ١٤ سم^3. الخطوة الثالثة: نطبق قانون الكثافة (الكثافة = الكتلة ÷ الحجم). الخطوة الرابعة: نقسم الكتلة على الحجم: (٢٢ ÷ ١٤ = ١.٥٧ جم/سم^3 تقريباً).

أخطاء شائعة

الاعتقاد بأن الكتلة والوزن هما الشيء نفسه، والصحيح أن الكتلة هي مقدار ما في الجسم من مادة ولا تتغير بتغير المكان، بينما الوزن هو مقدار جذب الأرض أو القمر للجسم ويتغير حسب قوة الجاذبية. الخلط بين وحدة قياس الحجم للسوائل وللأجسام الصلبة، حيث تستخدم الميلترات للسوائل والسنتيمترات المكعبة للأجسام الصلبة.

سؤالان للتدريب مع الإجابة

السؤال الأول: ما الفرق بين الكتلة والوزن؟ الإجابة: الكتلة هي مقدار ما في الجسم من مادة وتقاس بالجرام أو الكيلوجرام ولا تتغير بتغير المكان، بينما الوزن هو قياس مقدار جذب الأرض للجسم ويقاس بالنيوتن ويتغير بتغير قوة الجاذبية مثل اختلافه بين الأرض والقمر. السؤال الثاني: لماذا يطفو الثلج فوق الماء بينما يغرق المسمار الفولاذي؟ الإجابة: لأن كثافة الجليد أقل من كثافة الماء، بينما كثافة الفولاذ أعلى من كثافة الماء.