ملخصات الفيزياء الحادي عشر الأردن: قوانين وأفكار

الشغل والقدرة

الشغل الذي تبذله قوة ثابتة

• تؤثر قوة ثابتة (F) في جسم وتحركه إزاحة أفقية (d) كما هو موضح في الشكل (2/أ).
• يساوي الشغل (W) ناتج الضرب القياسي لمتجه القوة في متجه الإزاحة كما يأتي: W_F = F ·d = F d cos θ
• تمثل هذه المعادلة الصيغة العامة لحساب الشغل.
• تعبر (θ) عن الزاوية المحصورة بين اتجاه القوة واتجاه الإزاحة.
• تمثل (F cos θ) مركبة متجه القوة في اتجاه الإزاحة التي تحركها الجسم تحت تأثير هذه القوة كما هو موضح في الشكل (2/ب).
• تُحلل متجه القوة المؤثرة إلى مركبتين هما مركبة أفقية موازية لاتجاه الإزاحة (Fx = F cos θ) ومركبة عمودية على اتجاه الإزاحة (Fy = F sin θ).

الطاقة الميكانيكية

الشغل والطاقة

• تؤثر قوة خارجية في جسم وتبذل عليه شغلاً.
• يؤدي الشغل إلى تغيير طاقة الجسم كما في الشكل (15).
• تُعرف الطاقة بأنها مقدرة الجسم على بذل شغل.
• تُعد الطاقة كمية قياسية تُقاس بوحدة الجول (J) بحسب النظام الدولي للوحدات.
• تمتلك الرياح طاقة حركية تمكّنها من بذل شغل على شفرات المراوح عند الاصطدام بها.
• يُعرّف الشغل بأنه إحدى طرائق نقل الطاقة بين الأجسام.

الشغل وحفظ الطاقة الميكانيكية

القوى المحافظة

• شغلها المبذول على جسم لتحريكه بين أي موقعين، لا يعتمد على المسار الذي يسلكه الجسم بين الموقعين.
• شغلها المبذول على جسم لتحريكه عبر مسار مغلق يساوي صفرًا.
• تُعدّ أي قوّة لم تُحقّق خصيصتي القوى المحافظة السابقتين قوّة غير محافظة.
• يعتمد الشغل الذي تبذله هذه القوة على جسم ما على المسار الذي يسلكه الجسم.
• يوضّح الشكل (28) اعتماد شغل القوّة غير المحافظة على المسار.
• يكون الشغل الذي تبذله قوّة الاحتكاك في أثناء حركة الكتاب بين الموقعين (A) و(B) على سطح الطاولة الخشن أكبر عبر المسار المنحني؛ لأنّه أطول من المسار المستقيم.

الإثراء والتوسع: طاقة الرياح

طاقة الرياح

• بُنيت مشاريع عدّة لتوليد الطاقة الكهربائية في سياق التوجيهات الملكية السامية للحكومات المتعاقبة بتبنّي مشاريع الطاقة البديلة لتخفيف حجم الفاتورة النفطية.
• توضّح صورة بداية الوحدة إحدى مزارع الرياح في الأردن لتوليد الطاقة الكهربائية.
• تولّد توربينات الرياح طاقة كهربائية عن طريق تحويل الطاقة الحركية للرياح إلى طاقة كهربائية باستعمال مولّدات كهربائية.
• تولّد مزرعة رياح الطفيلة طاقة كهربائية بمعدل (117 MW) تقريبًا.
• تمسح شفرة التوربين التي طولها (l) عند دورانها دائرة نصف قطرها (l).
• تبلغ مساحة الدائرة التي تمسحها الشفرة: A = πl²

تبادل الطاقة الحرارية

درجة الحرارة

• تعجز الحواس عن تحديد التفاوت في سخونة الأجسام وبرودتها بدقة.
• يقتصر استخدام الحواس على الوصف النوعي.
• يصف الناس الطقس في أثناء تساقط المطر بالبرودة.
• يصف الناس الماء الذي يغلي بأنه ساخن.
• يلاحظ الطالب الشكل (1).
• لا يُظهر الوصف النوعي نتائج دقيقة.

حالات المادة

تغير الحالة الفيزيائية

• يحدث غالبًا تغير في درجة حرارة المادة عند حدوث تبادل في الطاقة بينها وبين محيطها الخارجي.
• ترتفع درجة حرارة الماء عند تسخينه بسبب انتقال طاقة حرارية إليه من مصدر التسخين.
• توجد حالات لا يؤدي فيها نقل الطاقة إلى تغير في درجة الحرارة.
• يحدث هذا عندما تتغير الحالة الفيزيائية للمادة وهو ما يعرف باسم تغير الحالة (Phase Change).
• الحالات الفيزيائية الثلاث المعروفة للمادة هي: السائلة، والصلبة، والغازية.
• توجد حالة رابعة تسمى البلازما عند درجات الحرارة العالية جدًا.

التمدد الحراري

التمدد الحراري للمواد الصُّلبة والسائلة والغازية

• يحدث تبادل حراري بين الجسم ومحيطه الخارجي.
• تتغير الحالة الفيزيائية للجسم نتيجة التبادل الحراري.
• يؤدي تبادل الطاقة إلى تغير درجة حرارة الجسم في حال عدم تغير حالته الفيزيائية.
• يؤدي تغير درجة الحرارة إلى تمدد الجسم أو تقلصه طولياً أو سطحياً أو حجمياً.
• تزداد أبعاد المواد بارتفاع درجة حرارتها.
• تتقلص أبعاد المواد بانخفاض درجة حرارتها.

الإثراء والتوسع: الثلاجة

تتكوّن عملية التبريد من أربع مراحل

• المرحلة الأولى: تكون درجة حرارة سائل التبريد أقل من درجة حرارة الهواء داخل الثلاجة.
• يكتسب سائل التبريد طاقة من داخل الثلاجة وترتفع درجة حرارته.
• تستمر هذه العملية إلى أن يتحول سائل التبريد إلى الحالة الغازية.
• المرحلة الثانية: يدخل الغاز إلى المحرك الضاغط.
• يعمل المحرك الضاغط على زيادة ضغط الغاز ونقصان حجمه دون حدوث تبادل حراري.
• المرحلة الثالثة: ينتقل الغاز ذو الضغط المرتفع عبر الأنابيب في الجزء الخارجي من الثلاجة.

الشحنة الكهربائية وقانون كولوم

تكمية الشحنة

• الشحنة الكهربائية كمية فيزيائية تُقاس وفق النظام الدولي للوحدات بوحدة كولوم، ورمزه C.
• شحنة الإلكترون الواحد تساوي: 1.6 ×10⁻¹⁹ C
• تُعد هذه القيمة أقل كمية من الشحنة الكهربائية يُمكن أن توجد على انفراد، وتُسمّى الشحنة الأساسية.
• مقدار شحنة البروتون يساوي مقدار شحنة الإلكترون مع اختلاف الإشارة.
• يحمل الإلكترون شحنة سالبة ورمزه -e.
• يحمل البروتون شحنة موجبة ورمزه +e.

المجال الكهربائي

المجال الكهربائي لشحنة نقطية

• يبيّن الشكل (14) شحنة نقطية (Q+) تولّد في الحيّز المحيط بها مجالاً كهربائياً.
• نضع شحنة اختبار (q+) عند نقطة قريبة من الشحنة مثل النقطة (a) للكشف عن المجال الكهربائي.
• تُعد شحنة الاختبار شحنة كهربائية موجبة صغيرة المقدار مقارنة بالشحنة المولّدة للمجال.
• تتأثر شحنة الاختبار بقوّة كهربائية (F) بالاتجاه المبيّن على الشكل.
• يُحسب المجال الكهربائي الذي تولّده الشحنة (Q+) عند موقع شحنة الاختبار (q) بإيجاد ناتج قسمة مقدار القوة المؤثرة في شحنة الاختبار على مقدار شحنة الاختبار.
• يُعرّف المجال الكهربائي عند نقطة بأنّه القوة الكهربائية التي تؤثر في وحدة الشحنة الموجبة الموضوعة في تلك النقطة.

الجهد الكهربائي

• يبين الشكل (28) شحنة (Q+) تولد حولها مجالًا كهربائيًا يتناقص مقداره كلما ابتعدنا عن الشحنة.
• يصبح مقدار المجال الكهربائي صفرًا عند نقطة اللانهاية.
• تعد نقطة اللانهاية النقطة المرجعية التي اصطلح أن تكون عندها طاقة الوضع الكهربائية صفرًا.
• نفترض أن شحنة اختبار (q+) كانت في اللانهاية.
• تؤثر قوة خارجية في شحنة الاختبار وتنقلها بسرعة ثابتة إلى نقطة مثل (a).
• يختزن شغل القوة الخارجية (W) في نظام (المجال الكهربائي - الشحنة q) على شكل طاقة وضع كهربائية (Electric Potential Energy).

الحركة التوافقية البسيطة

الربط بالرياضيات

• يُعرَّف الراديان (rad) بأنه زاوية مركزية في دائرة تقابل قوساً طوله مساوٍ لطول نصف قطر الدائرة، كما هو مبيّن في الشكل (6).
• يُضرب المقدار في (2π) وهو مقياس لمدى سرعة حدوث الذبذبات.
• يزداد مقدار التردد الزاوي (ω) كلما زاد عدد الذبذبات في وحدة الزمن.
• يُقاس التردد الزاوي بوحدة (rad/s).
• يُحسب التردد الزاوي بالعلاقة: ω= 2π/T = 2πf
• يبيّن الشكل (7) منحنى (الإزاحة - الزمن) للحركة التوافقية بدءاً من اللحظة (t = 0).

التداخل والموجات الموقوفة

الحركة الموجية

• تُعدّ الحركة الموجية من الظواهر الطبيعية التي نشاهدها كثيرًا في الحياة.
• يبين الشكل (15/أ) إحدى أبسط الطرق لتوليد الموجات بتثبيت نابض من أحد طرفيه وتحريك طرفه الآخر إلى الأعلى وإلى الأسفل.
• يتولّد في النابض موجات دورية تتكرر بانتظام إذا كان طرف النابض متصلًا بمولّد ذبذبات يهتز بانتظام بحركة توافقية بسيطة.
• يهتز الجسيم إلى الأعلى وإلى الأسفل حول موقع اتزانه عند انتقال نبضة موجية من اليمين إلى اليسار كما يبين الشكل (15/ب).
• يكون اهتزاز الجسيم بحركة توافقية بسيطة لأن مصدر الموجات يهتز بحركة توافقية بسيطة.
• يمكن تمثيل الموجة بيانيًا باقتران الجيب Sine Wave في هذه الحالة.

التداخل والحيود لموجات الضوء

طبيعة الضوء

• افترض العالم نيوتن أن الضوء سيل من الجسيمات الصغيرة.
• استخدم نيوتن نموذجه الجسيمي في تفسير ظاهرتي انعكاس الضوء وانكساره.
• اقترح العالم هيغنز أن الضوء موجات.
• أثبت هيغنز أن النموذج الموجي للضوء يمكنه أيضًا أن يفسر ظاهرتي الانعكاس والانكسار.
• قدمت تجربة العالم يانغ دليلًا قاطعًا على أن للضوء طبيعة موجية.
• أثبت يانغ أن الأشعة الضوئية يمكنها أن تتداخل، وهو سلوك لا يمكن تفسيره باستخدام النموذج الجسيمي.