أ. مقدمة

يمكن قياس الوقت باستخدام عمليات فيزيائية دورية أو مستمرة.

قبل ظهور الساعات الذرية الحديثة، كانت تُستخدم طرق مختلفة لقياس الوقت، مثل الساعات الشمسية وساعات البندول والساعات المائية.

تقيس الساعة المائية الوقت من خلال التدفق المنظم للماء. في هذه التجربة، ستقوم بدراسة المبادئ الفيزيائية التي تحكم تدفق الماء وتطبيقها لإنشاء ساعة مائية.

ب. أدوات التجربة

تتوفر الأدوات التالية:

1. خزان A (خزان سفلي، مزود بصمام وسدادتين)

2. خزان B (خزان علوي، لإمداد الماء، ومزود بسدادة)

3. حامل الخزان

4. وعاء لتجميع الماء

5. زجاجتان ماء (2L للواحدة منهما، غير موضحة في الصورة)

6. مضخة سيفون

7. ساعة توقيت

8. دورق

9. مسطرة

10. ميزان ماء (لقياس الاستواء)

11. قاعدة، قابلة لتعديل المستوى

12. منشفة (غير موضحة في الصورة)

*المنشفة هي هدية من المنظمين، يرجى أخذها بعد انتهاء الامتحان.

None

ضبط مستوى القاعدة

يوجد أربعة مسامير تحت القاعدة. يمكنك تغيير ارتفاع كل مسمار عن طريق تدويره.

None

مضخة السيفون

إذا امتلأ وعاء الماء بكمية كبيرة من الماء، يمكنك إزالته باستخدام مضخة السيفون. أدخل الخرطوم المستقيم في الماء، ثم أدخل الخرطوم المرن في زجاجة الماء. بعد ذلك، اضغط على المقبض الأحمر لنقل الماء.

لاحظ:

تأكد من أن القاعدة والخزانات مستوية قبل بدء أي قياسات حتى تتمكن من قياس الارتفاعات بشكل صحيح.أفرغ وعاء التجميع بانتظام لمنع طفو الجهاز.

جفف يديك قبل الكتابة على ورقة الإجابات أو القيام بتجربة أخرى.

أبلغ المشرف فورًا في حالة حدوث تسرب أو عطل أو عند

فقدان سدادة الفتحة.

ج. التجربة

تصريف الماء من خلال الصمام

1. ضع القاعدة في وعاء تجميع الماء.

2. اضبط القاعدة لتكون أفقية عن طريق ضبط مسامير القاعدة.

3. ضع حامل الخزان على القاعدة.

4. ضع الخزان A على حامل الخزان.

يحتوي الخزان A على ثلاثة مخارج: فتحة بقطر 5mm، وفتحة بقطر 4mm

وصمام بقطر 4mm.

في الجزء أ، استخدم الصمام فقط.

A1  ^0.50 قِس الأبعاد الداخلية للخزان A. أي قِس العرض والطول والمسافة بين العلامات على الخزان.

لاحظ أن العلامات تبدأ من مركز الصمام والفتحات.

A2  ^1.00 املأ الخزان A بالماء حتى يصل مستوى الماء إلى ارتفاع 5.0cm. افتح الصمام لأقصى حد. قم بقياس الوقت اللازم لانخفاض مستوى الماء من 5.0cm إلى 4.0cm مع نسبة الخطأ. استخدم العلامات على الخزان لحساب الارتفاع.

A3  ^1.50 كرر عملية القياس التي قمت بها في A.2 لارتفاعات مختلفة (على الأقل أربعة) تكون على الأقل 3cm.

في الارتفاعات الابتدائية المنخفضة من 1cm إلى 3cm يكون الزمن طويلا جدا للقياس.

سجل بياناتك المقاسة والمتوسط الحسابي للزمن الذي يستغرقه مستوى الماء لينخفض 1.0cm.

A4  ^1.00 أوجد متوسط السرعة $v_v$ التي يتدفق بها الماء كلما انخفض ارتفاعه بمقدار 1 سم عن كل ارتفاع أولي.

ملاحظة: يمكنك استخدام الآلة الحاسبة المعطاة لك.

A5  ^1.00 افترض أنه يمكن التعبير عن متوسط السرعة بالمعادلة

$$v_v = C_1 h^x$$
ارسم منحنىً مناسبًا لتحديد الأس $x$. ما هو الأس$x$الذي حصلت عليه من المنحنى؟

يرجى ملاحظة أنه من الأفضل استخدام القيمة المتوسطة بين الارتفاعين الأولي والنهائي لتحديد الأس $x$.

تصريف الماء من خلال الفتحة

في هذا الجزء، استخدم الفتحةالأصغر في الخزان (A)، التي يبلغ قطرها 4mm.

ويجب إغلاق الصمام المستخدم في الجزء A.

B1  ^1.50 قم بقياس الزمن اللازم لسطح الماء لينخفض مسافة 1.0cm مع تغيير الارتفاع الابتدائي لسطح الماء h خمس مرات على الأقل.

B2  ^0.50 أوجد متوسط سرعة تدفق الماء الخارج من الفتحة $v_h$ لكل ارتفاع ابتدائي للماء.

استخدم الطريقة المستخدمة في A-4.

B3  ^1.00 قارن بين متوسط سرعة التدفق عبر الصمام $v_v$وعبر الفتحة $v_h$.

لنفترض أن، $v_v = C_2 v_h$

حدد الثابت $C_2$.

بناء ساعة مائية

اصنع ساعة مائية باستخدام الخزانين A و B.

رتب الخزانات على النحو التالي:

يُوضع الخزان A (المزود بصمام) في الأسفل.

بينما الخزان B (المزود 5mm بفتحة) يُوضع في الأعلى.

الخزان B يزود الخزان A بالماء.

الخزان A يصرف الماء عبر الصمام الذي يجب أن يفتح كليا.

لعملية مستقرة، الخزان A يجب أن يبقى ممتلئا دائما أو يفيض بسبب الماء القادم من الخزان B.

C1  ^1.00 افترض أن $h_c$ هو أدنى ارتفاع للماء من مركز الفتحة الموجودة في الخزان B اللازم للحفاظ على الخزان A ممتلئًا أو فائضا.

صمم تجربة وقم بإجرائها لتقدير هذا الارتفاع. سجل البيانات وقدر $h_c$ بناءً على النتيجة التي توصلت إليها.

C2  ^1.00 يجب إعادة ملء الخزان ب بشكل كامل لتشغيل الساعة المائية. صمم تجربة بنفسك. ارسم مخططًا لتجربتك واكتب ما قمت بقياسه.

حدد الفاصل الزمني الأقصى بين عمليات إعادة التعبئة تجريبياً مع الحفاظ على التشغيل المستمر للساعة المائية.

الخزان B يجب إعادة ملئه بالكامل بشكل دوري لتشغيل الساعة المائية.

صمم التجربة بنفسك (و سجل ما قمت بقياسه) لتحديد الفاصل الزمني الأقصى بين عمليات إعادة التعبئة مع الحفاظ على استمرارية تدفق الماء في الساعة المائية.