9. SINIF YAZILIYA HAZIRLIK SORULARI - FİZ.9.3.4
Öğrenme Çıktısı: FİZ.9.3.4. Açık hava basıncına ilişkin çıkarım yapabilme
Aynı ortamda bulunan üç kabın içindeki sıvılar özdeştir. Sıvılar içine daldırılan farklı ebatlardaki cam boruların içindeki sıvıların kabı içindeki sıvı seviyesinden yükseklikleri hK, hL ve hM olarak ölçülüyor. Buna göre, cam borulardaki sıvıların yükseklikleri arasındaki ilişki nasıldır? Gerekçeleriyle yazınız.
Aynı ortamda ve içinde özdeş sıvıların olduğu kaplardaki cam boruların içindeki sıvı yükseklikleri, cam boruların kesit alanlarına ve sıvıya konuluş şekillerine bağlı değildir.
- Kaplar aynı ortamda olduğu için kaplardaki sıvı yüzeyine etki eden açık hava basıncı eşittir.
- Her kaptaki sıvılar da birbirine eşit olduğuna göre, cam borulardaki sıvı yükseklikleri birbirine eşittir.
hK = hL = hM olur.
Yandaki şekildeki gibi açık hava basıncı P0 olan ortamda bulunan üç kapta dK, dL ve dM yoğunlukta farklı sıvılar bulunmaktadır. Kaplardaki sıvıların yükseklikleri hK > hM > hL olduğuna göre,
a) Sıvıların yüzeyindeki K, L ve M noktalarına etki eden açık hava basıncını karşılaştırınız. Gerekçesini belirtiniz.
b) Sıvıların yoğunluklarını karşılaştırınız. Gerekçesini belirtiniz.
a) Basınç Durumu: Sıvılar aynı ortamda olduğundan her kabın sıvı yüzeyine etki eden basınç büyüklükleri de eşit olur. PK = PL = PM = P0
b) Yoğunluk Karşılaştırması: P = h · d · g matematiksel modeline göre açık hava basıncı yoğunlukla doğru orantılıdır. Açık hava basıncının eşit olduğu ortamda sıvının yüksekliği (h) ile yoğunluk (d) ters orantılıdır. Sıvıların yükseklikleri hK > hM > hL olduğuna göre, yoğunlukları; dL > dM > dK olur.
Deniz seviyesinde ve 0 °C'de yapılan deneyde açık hava basıncı yandaki şekildeki gibi 76 cm-Hg olarak ölçülüyor. Deney deniz seviyesinden daha yüksek rakımlı bir dağın zirvesinde ve 0 °C'de yapıldığında açık hava basıncının değişimini gerekçeleriyle açıklayınız.
- Açık hava basıncının (P0 = h · d · g) büyüklüğü derinlik (h), atmosferin yoğunluğu (d) ve yerçekim ivmesi (g) ile doğru orantılı değişir.
- Buradaki "h" değeri atmosferin en üst yüzeyinden yer yüzeyine olan mesafeyi ifade eder. Buna göre yer yüzeyinden yukarı doğru çıkıldıkça hem "h" mesafesi kısalır hem de yerçekim ivmesi (g) azalır. Bu nedenle, deniz seviyesinden yukarı çıkıldıkça açık hava basıncı azalır, yani cam borudaki cıva yüksekliği 76 cm'den daha kısa ölçülür.
Bir meteorolog, rüzgârın oluşum mekanizmasını açıklamak için aşağıdaki iki farklı bölgeyi incelemektedir:
Bölge X: Hava sıcaklığının çevresine göre daha yüksek olduğu bir bölgedir.
Bölge Y: Hava sıcaklığının çevresine göre daha düşük olduğu bir bölgedir.
a) Yukarıdaki bilgilere göre, Bölge X ve Bölge Y'de atmosfer basıncının (açık veya kapalı hava koşullarının) nasıl olması beklenir? Nedenini, hava moleküllerinin hareketi ve yoğunluğu kavramlarını kullanarak açıklayınız.
b) Bu iki bölge arasında, yer seviyesinde rüzgâr hangi bölgeden hangi bölgeye doğru eser? (Sürtünme kuvveti ve Dünya'nın dönüşünü (Coriolis kuvvetini) dikkate almadan, sadece yatay basınç farkına göre cevap veriniz.)
a) Basınç Durumu:
Bölge X (Sıcak Bölge): Alçak basınç alanıdır.
Nedeni: Sıcaklığın artmasıyla birlikte hava moleküllerinin ortalama kinetik enerjisi artar. Moleküller daha hızlı hareket eder ve birbirlerinden uzaklaşır. Bu durum, havanın genleşmesine ve yoğunluğunun azalmasına neden olur. Genleşen hava yükselir. Yükselici hava hareketi nedeniyle yeryüzüne yaptığı basınç (ağırlık) azalır, yani alçak basınç oluşur.
Bölge Y (Soğuk Bölge): Yüksek basınç alanıdır.
Nedeni: Sıcaklığın düşmesiyle hava moleküllerinin kinetik enerjisi azalır. Moleküller yavaşlar ve birbirine yaklaşır. Bu durum, havanın büzüşmesine (sıkışmasına) ve yoğunluğunun artmasına neden olur. Yoğunluğu artan soğuk hava alçalır. Alçalıcı hava hareketi nedeniyle yeryüzüne yaptığı basınç (ağırlık) artar, yani yüksek basınç oluşur.
b) Rüzgar Yönü: Rüzgar, yatay basınç farkından dolayı yüksek basınç alanından (Bölge Y) alçak basınç alanına (Bölge X) doğru eser.
Tırmanış boyunca hava sıcaklığının sabit kaldığı varsayılmaktadır. Dağcının yanında götürdüğü kapalı bir su şişesi, kamp alanında (deniz seviyesinde) iken yumuşak ve esnektir. Dağcı zirveye ulaştığında ise aynı şişenin şişerek daha sert bir hal aldığını gözlemliyor.
Bu gözleme dayanarak, atmosfer basıncının yükseklikle nasıl değiştiğini açıklayınız. Şişenin zirvede şişmesinin nedenini, basınç kavramını kullanarak fiziksel olarak açıklayınız.
- Atmosfer Basıncı: Yükseklik arttıkça atmosfer basıncı azalır. Bunun nedeni, yükseğe çıkıldıkça üzerimizdeki hava sütununun (atmosfer tabakasının) kalınlığının ve dolayısıyla ağırlığının azalmasıdır.
- Şişenin Şişmesi: Kamp alanında (deniz seviyesinde), şişenin içindeki hava basıncı ile dışarıdaki atmosfer basıncı dengededir. Zirveye çıkıldığında dış atmosfer basıncı azalır. Ancak şişenin içindeki hava basıncı, tırmanış sırasında aniden değişmez (şişe kapalı olduğu için içerideki molekül sayısı sabittir). İç basınç, dış basınçtan daha büyük hale gelir. Bu basınç farkı, şişenin esnek yapısını dışarı doğru iterek şişmesine neden olur.
Bir fizik öğretmeni, açık hava basıncının rakımla değişimini göstermek için Torricelli deney düzeneğini kullanarak üç farklı noktada ölçüm yapıyor. Kullandığı düzenek, bir ucu kapalı cam tüp ve içine daldırıldığı bir kaptan oluşmaktadır. Öğretmen, her bir deney düzeneğinde farklı yoğunlukta sıvılar kullanıyor (Sıvıların yoğunlukları: dL > dK > dM). Tüplerdeki sıvıların, kabın içindeki sıvı seviyesine göre ölçülen yükseklikleri (h) deney sonucunda birbirine eşit olarak gözlemleniyor.
K, L ve M deney düzeneklerinin kurulduğu rakımlar (deniz seviyesinden yükseklikleri) hakkında ne söylenebilir?
Açık hava basıncının matematiksel modeline (P0 = h · d · g) göre,
- Açık hava basıncı (P0) arttıkça, sıvı yüksekliği (h) de artar (eğer aynı sıvı kullanılıyorsa).
- Sıvının yoğunluğu (d) arttıkça, aynı basınçta sıvı yüksekliği (h) azalır.
dL > dK > dM ilişkisini tamsayılarla ilişkilendirelim. dL = 3, dK = 2, dM = 1 olsun.
PL = 3d · h · g
PK = 2d · h · g
PM = d · h · g ise, PL > PK > PM olur.
Açık hava basıncı rakım arttıkça azalır. Bu durumda deney düzeneklerinin bulunduğu rakımlar, L > K > M olur.
Bir öğrenci, açık hava basıncını ölçmek için Torricelli deney düzeneğini kullanıyor. Düzenek, içinde cıva bulunan bir kap ve bu kabın içine daldırılmış, ağzı kapalı bir cam tüpten oluşmaktadır.
Öğrenci, özdeş üç düzenek hazırlayıp hepsine aynı cins sıvıyı (cıva) koyuyor. Bu düzenekleri, deniz seviyesinden farklı yükseklikteki (rakım) üç ayrı noktaya (X, Y, Z) kuruyor. Deney sonucunda tüplerdeki cıva yüksekliklerini hX > hY > hZ olarak ölçüyor.
Buna göre, X, Y ve Z noktalarının rakımları arasındaki ilişki nasıldır?
Torricelli deneyinde, tüp içindeki sıvının (cıva) yüksekliği, o ortamdaki açık hava basıncını gösterir. Aralarındaki ilişki şöyledir:
P0 = d · h · g
P0: Açık hava basıncı
d: Sıvının yoğunluğu (sabit)
h: Sıvı yüksekliği
g: Yerçekimi ivmesi (sabit)
Bu formüle göre, aynı sıvı kullanıldığında (d ve g sabit), açık hava basıncı (P0) ile sıvı yüksekliği (h) doğru orantılıdır. Yani, sıvı yüksekliği ne kadar fazla ise açık hava basıncı da o kadar büyüktür.
Rakım arttıkça (yükseldikçe), açık hava basıncı azalır. (Deniz seviyesinde basınç en yüksek, dağların zirvesinde en düşüktür.)
Sonuç: Rakım sıralaması, basınç sıralamasının tersidir. Yani rakımlar arasında RakımZ > RakımY > RakımX ilişkisi vardır. Bu, Z'nin en yüksek, X'in en düşük rakımda olduğu anlamına gelir.
Bir grup öğrenci, açık hava basıncının etkilerini gözlemlemek için aşağıdaki deneyleri yapıyor:
1. Deney: İçi tamamen su dolu bir bardağın ağzını bir karton parçasıyla kapatıp ters çeviriyorlar. Kartonun düşmediğini ve suyun dökülmediğini gözlemliyorlar.
2. Deney: Plastik bir şişenin içindeki havayı bir pipetle çekip şişenin ağzını hızla kapatıyorlar. Şişenin büzüştüğünü (içine çöktüğünü) gözlemliyorlar.
3. Deney: İçecek dolu bir pet şişeyi, kapağı açık bir şekilde derin dondurucuya koyuyorlar. İçecek donduktan sonra şişenin şiştiğini (hatta patladığını) gözlemliyorlar.
Buna göre, hangi deneylerde gözlemlenen durumun temel nedeni açık hava basıncıdır? Gerekçeleriyle yazınız.
1. Deney (Bardak ve Karton): Bu klasik bir açık hava basıncı deneyidir. Bardak ters çevrildiğinde, kartonun alt yüzeyine etki eden açık hava basıncı, kartonun üst yüzeyindeki suyun basıncından (ve kartonun ağırlığından) büyük olduğu için karton yerinde kalır ve su dökülmez. Neden: Açık Hava Basıncı.
2. Deney (Plastik Şişe): Pipetle şişenin içindeki havanın bir kısmı emilip şişenin ağzı kapatıldığında, şişenin içindeki hava miktarı ve dolayısıyla basıncı azalır. Şişenin dışındaki açık hava basıncı, içerideki düşük basınçtan daha büyük olduğu için şişeyi içeri doğru büzer. Neden: Açık Hava Basıncı.
3. Deney (Donan İçecek): Su (veya içecek) donarken hacmi genişler. Şişenin kapağı açık olduğu için donma sırasında genleşen hacim, şişenin esnek yapısını zorlar. Buradaki itici kuvvet, suyun donarken hacminin artması (genleşmesi) özelliğidir. Olayın açık hava basıncı ile doğrudan bir ilgisi yoktur; aksine, maddenin hal değişimi sırasındaki davranışı ile ilgilidir. Neden: Suyun Donarken Genleşmesi.
Bu durumda, 1. ve 2. deneylerdeki gözlemlerin temel nedeni açık hava basıncıdır.