تجاوز إلى المحتوى الرئيسي

مراجعة مكثّفة

ملخصات الفيزياء توجيهي الأردن: قوانين وأفكار

القوانين والأفكار الأساسية لكل درس في مادة الفيزياء، مبنية من المنهج المقرّر. هذه نظرة سريعة، افتح الملخص كاملاً مع البطاقات والأسئلة داخل TawjihiAI.

الزخم الخطي والتصادمات

الزخم الخطي والدفع

العلاقة بين الزخَم الخطّي والدفع

  • عند ثبات القوّة المُحصّلة المؤثّرة، يزدادُ التغيُّر في الزخَم الخطّي بزيادة زمن تأثير هذه القوّة. فمثلًا؛ عند دفع عربةِ تسوّقٍ ساكنة بقوّةٍ، يزدادُ التغيّر في زخَمها الخطّي بزيادة المدّة الزمنيّة لتأثير القوّة من لحظة تحريك العربة وحتى تركها، كما في الشكل (3/أ).
  • عند ثبات مقدار التغيُّر في الزخَم الخطّي، يتناسبُ مقدار القوّة المُحصّلة المؤثّرة عكسيًّا مع زمن تأثيرها. فمثلًا؛ يثني المظليُّ رجليه لحظةَ ملامسة قدميه سطح الأرض، وهذا يجعلُ تغيّر زخَمه الخطّي يستغرقُ فترةً زمنيّةً أطول، فيقلُّ مقدارُ القوّة المُحصّلة المؤثّرة فيه، كما في الشكل (3/ب). كما أنني أثني رجليَّ تلقائيًّا عند مُلامَسة قدميَّ سطح الأرض بعد القفز.
  • وتعمل الوسادة الهوائيّة على زيادة زمن تأثير القوّة الذي خلاله يتوقّف جسم الراكب عن الحركة، وبالتالي تقليل مقدار القوّة المؤثّرة فيه؛ فيقلّل ذلك من احتمال حدوث الإصابات أو خطورتها.
  • كما تعمل الوسادة الهوائيّة على توزيع القوّة على مساحة كبيرة من جسم الراكب، فيقلّ ضغط هذه القوّة المؤثّر فيه.
  • إذ إنّ القوى الخارجيّةَ المؤثّرةَ فيه، مثلُ قوّة الاحتكاكِ تكونُ صغيرةً مُقارنةً بالقوى الداخليّة المؤثّرة في النظام وهي قوى الفعل وردّ الفعل التي تؤثّر بها كلٌّ من الكرتين في الأُخرى في أثناء التصادُم؛
  • لذا نهمل قوى الاحتكاك الخارجيّة.

تطبيقات على حفظ الزخم الخطي

الطاقة الحركية والزخَم الخطي في الأنظمة المعزولة

  • KE = 1/2 m v²
  • ومع ذلك فإنّ طاقة الحركة للنظام ليست محفوظة.
  • إذ يكتسب النظام مقدارًا كبيرًا من طاقة الحركة بعد الانفجار؛ هذه الزيادة في طاقة الحركة للنظام مصدرها الطاقة الناتجة عن الانفجار نفسه.
  • تختلف طاقة الحركة في التصادمات عن الزخم الخطي؛ إذ إنّها ليست محفوظةً دائمًا، مع أنّ النظام يكون معزولًا والزخم الخطي الكلّي له يكون محفوظًا.
  • عدم حفظ الطاقة الحركية يعني أنّ جزءًا منها تحوّل إلى شكل أو أشكال أخرى من الطاقة، مثل الطاقة الحرارية أو الصوتية أو المرونية، وهذا يُحقّق مبدأ حفظ الطاقة العام عندما تتحوّل من شكل إلى آخر.
  • Σpi = Σpf

الحركة الدورانية

العزم والاتزان السكوني

العزم

  • ولفتح هذا الباب أو إغلاقه نؤثر بقوةٍ في مقبضه (النقطة B)، بدلًا من التأثير بها عند النقطة (A) بالقرب من محور الدوران، للحصول على أكبر مقدار للعزم، وذلك بجعل نقطة تأثير القوّة أبعد ما يمكن عن محور الدوران.
  • ويزداد مقدار العزم عند التأثير بهذه القوّة بزاوية قائمة بالنسبة لمستوى سطح الباب.
  • Στ= τ₁ + τ₂ = F₁ r₁ sin θ₁ + (-F₂ r₂ sin θ₂)
  • هنا لا بد من توافر شرطٍ ثانٍ يحقق الاتّزان، وهذا الشرط مرتبط بالعزم؛
  • فالمسطرة في هذه الحالة غير مُتّزنة على الرغم من أنّ القوة المحصلة تساوي صفرًا؛ لأنّ العزم المحصل المؤثّر فيها لا يساوي صفرًا.
  • عند حدوث عدم تماثل في توزيع كتلة إطار السيارة، نتيجة حدوث تآكل في بعض أجزاء الإطار مثلًا؛ فإنّ مركز كتلة الإطار لا ينطبق مع مركزه الهندسي الذي يمر في محور الدوران، ممّا يسبب اهتزاز إطار السيارة خصوصًا عند السرعات العالية.

ديناميكا الحركة الدورانية

السرعة الزاويّة

  • عند دوران الجسم بعكس اتّجاه حركة عقارب الساعة تكونُ إزاحته الزاويّة موجبةً؛ لذا فإنّ سرعته الزاويّة موجبةٌ أيضًا.
  • أمّا عند دورانه باتّجاه حركة عقارب الساعة؛ فإنّ إزاحتهُ الزاويّة وسرعته الزاويّة سالبتان.
  • عندما يدور جسمٌ حول محورٍ ثابت؛ فإنّ كلّ جُسَيمٍ فيه يدورُ بالزاوية نفسِها خلالَ مدّةٍ زمنيّةٍ مُعيّنة، وبذلك فإنّ لأجزاء الجسم جميعها السرعة الزاويّة نفسَها والتسارُع الزاويّ نفسه.
  • لذا فإنّ السرعة الزاويّة (ω)، والتسارُع الزاويّ (α) تميّز الحركة الدورانية للجسم بأكمله إضافةً إلى الجُسيمات المفردة فيه.

الزخم الزاوي

حفظُ الزخم الزاويّ

  • يمكنُ التعامُل مع المُتزلّج على أنّه نظامٌ معزولٌ، حيثُ وزنه والقوّة العموديّة تؤثّران في الاتّجاه الرأسيّ وعزم كلٍّ منهما حول محور الدوران يساوي صفرًا.
  • إضافةً إلى ذلك؛ فإنّ مقدارَ قوّة الاحتكاك بين الزلاجات والجليد صغيرٌ ويمكنُ إهمال العزم الناتج عنه حول محور الدوران.

الكهرباء السكونية

المجال الكهربائي

التدفّق الكهربائيّ عبر سطح مغلق

  • يبيّن الشكل (4) مكعّبًا موضوعًا في مجال كهربائيّ منتظم. يُعدّ المكعّب مثالًا على سطح مغلق.
  • ويمكن حساب التدفّق عبر أحد أوجه المكعّب باستخدام العلاقة (Φ= EA cos θ)؛ وذلك برسم متّجه المساحة عموديًّا على ذلك السطح نحو الخارج، ثمّ تحديد الزاوية (θ) بين متّجهي المجال والمساحة، ويبيّن الشكل متّجهات المساحة المرسومة على أربعة من أوجه المكعّب الستّة.

الجهد الكهربائي

الربط بالعلوم الحياتية

  • تسمح قنوات خاصة في الغشاء الخلوي لأيونات الصوديوم والبوتاسيوم بالحركة عبر الغشاء الخلوي من داخل الخلية إلى خارجها، لكنّ جزيئات البروتين الأكبر حجمًا لا تتمكن من ذلك؛
  • فينتج عن ذلك أن يصبح داخل الخلية مشحونًا بشحنة سالبة، والسائل خارج الخلية مشحون بشحنة موجبة؛
  • فينشأ فرق في الجهد الكهربائي -بين داخل الخلية وخارجها- يولّد مجالًا كهربائيًا.
  • ويكون فرق الجهد بين أيّ نقطتين على سطح تساوي الجهد مساويًا للصفر.
  • ولا يلزم بذل شغل لنقل شحنة من نقطة إلى أخرى على سطح تساوي الجهد نفسه.

المواسعة الكهربائية

الربط بالطبّ

  • وفي بعض الأجهزة المتطوّرة يجري ذلك تلقائيًّا من دون تدخّل المستعمل.
  • ويجري توفير هذه الأجهزة في الأماكن العامّة مثل القاعات الرياضيّة.

التيار الكهربائي

المقاومة والقوة الدافعة الكهربائية

العوامل المؤثّرة في المقاومة

  • لذلك بعد توليد تيّار كهربائيّ في هذه المواد؛ يستمر سريانه فيها لمدّة طويلة دون الحاجة إلى مصدر فرق جُهد.
  • من استخدامات هذه المواد توليد مجال مغناطيسيّ قويّ في أجهزة، مثل جهاز التصوير بالرنين المغناطيسي.
  • يؤدّي فرق الجُهد إلى سريان تيّار كهربائيّ (I) في الدارة على شكل حركة شحنات موجبة افتراضيّة خارج البطّارية من القطب الموجب الأعلى جُهدًا إلى القطب السالب الأقل جُهدًا، كما هو مبين في الشكل.
  • كي تتابع الشحنات الموجبة الافتراضية حركتها؛ فإنّ البطّارية تبذل عليها شغلًا لتحريكها داخل البطّارية من القطب السالب إلى القطب الموجب الأعلى جُهدًا.

توصيل المقاومات وقاعدتا كيرشوف

المقاومات على التوالي

  • V₁ = IR₁, V₂ = IR₂, V₃ = IR₃
  • يتولد في القرص تيار حثي (ستتعرفه في الوحدة الدراسية القادمة)؛
  • فينشأ عنه مجال مغناطيسي معاكس لمجال المغناطيس ومساوٍ له في المقدار يعمل على رفع المغناطيس في الهواء.

المغناطيسية

القوة المغناطيسية

القوّة المؤثّرة في شحنةٍ متحرّكةٍ في مجالٍ مغناطيسيّ

  • بحيث يشير الإبهام إلى اتّجاه السرعة كما في الشكل (3)، وتشير باقي الأصابع إلى اتّجاه المجال المغناطيسيّ، عندها يُحدَّد اتّجاه القوّة بسهمٍ يخرج من باطن الكفّ ويكون عموديًّا عليه.
  • في حين ينعكس اتّجاه القوّة عندما تكون الشحنة سالبة.
  • فالتيّار الكهربائيّ يتكوّن من شحنات مُتحرّكة، وكلّ شحنة ستتأثّر بقوّة مغناطيسيّة.
  • والقوّة المغناطيسيّة المؤثّرة في الموصل تساوي مُحصّلة القوى المغناطيسيّة المؤثّرة في الشحنات التي تنقل التيّار الكهربائيّ.
  • قطبا مغناطيس متقابلان يولّدان مجالًا مغناطيسيًّا.
  • ملفٌّ من سلك نحاسيّ معزول يوضع بين قطبي المغناطيس، وقابل للدوران حول محور ثابت يقع في مستوى الملفّ.

المجال المغناطيسي الناشئ عن تيار كهربائي

قانون بيو-سافار

  • dB = (μ₀)/4π (I dL sin θ)/(r²)
  • B = (μ₀ I)/2πr
  • B = (μ₀ I N)/2R
  • B = (μ₀ I N)/l
  • N/l = n
  • B = μ₀ I n

الحث الكهرومغناطيسي

القوّة الدافعة الكهربائيّة الحثّيّة

  • في هذه التجربة استُخدم ملفّان ملفوفان حول حلقة حديديّة، الملفّ الابتدائيّ يتّصل ببطارية ومفتاح، والملفّ الثانويّ يتّصل بغلفانوميتر.
  • لحظة إغلاق المفتاح ينحرف مؤشّر الغلفانوميتر باتجاه معيّن، ثمّ يعود إلى الصفر.
  • لتحديد اتجاه التيار الكهربائيّ الحثّيّ المتولّد، أتأمّل الشكل (43/أ) الذي يوضّح تقريب القطب الشماليّ لمغناطيس من أحد طرفي ملفّ.
  • ونتيجة لذلك يزداد التدفّق المغناطيسيّ الذي يخترق الملفّ، فتتولّد قوّة دافعة كهربائيّة حثّيّة بين طرفيه، تؤدّي إلى مرور تيار كهربائيّ حثّيّ في الاتّجاه الذي يولّد مجالًا مغناطيسيًّا يقاوم الزيادة في التدفّق المغناطيسيّ.
  • وهذا يعني أنّ طرف الملفّ القريب من المغناطيس يصبح قطبًا مغناطيسيًّا شماليًّا، فيتنافر مع القطب الشماليّ للمغناطيس.

التيار المتردد والدارات الإلكترونية

دارات التيار الكهربائي المتردد

المعاوقة

  • فالمقاومة Resistance هي خصيصة تعبّر عن الممانعة التي يبديها الموصِل لمرور التيار الكهربائي فيه، وبالمثل أعرف مفهومًا مشابهًا يُسمى المعاوقة Reactance يعبّر عن الممانعة التي تبديها عناصر الدارة (محثّ أو مواسع) لمرور التيار الكهربائي المتردّد فيها.
  • ويُرمز إلى المعاوقة بالرمز (X) وتُقاس بوَحْدة قياس المقاومة نفسها وهي الأوم (Ω).

الدارات الإلكترونية

الموادّ الموصِلة والعازلة وشبه الموصِلة

  • موادّ عازلة Insulators: عدد إلكترونات التكافؤ لها أكثر من أربعة، وترتبط بذرّات المادّة بقوًى كهربائية كبيرة، لذلك لديها عدد قليل من الإلكترونات الحرّة وهذا يجعلها مادّة عازلة للكهرباء، وعادة توجد على هيئة مركّبات، مثل المطاط والمايكا والزجاج.
  • موادّ موصِلة Conductors: عدد إلكترونات التكافؤ لها أقلّ من أربعة، لكن قوى ارتباطها بالذرّات ضعيفة، لذلك لديها كثير من الإلكترونات الحرّة وهذا يجعلها موصِلات جيدة للتيار الكهربائي، مثل الحديد والنحاس والفضة.
  • موادّ شبه موصِلة Semiconductors: عدد إلكترونات التكافؤ لها يساوي أربعة، وتوجد بين الموادّ الموصِلة والموادّ العازلة من حيث قدرتها على توصيل التيار الكهربائي، ومن الأمثلة على الموادّ شبه الموصِلة الجرمانيوم (Ge) والسليكون (Si)، وهما من أهمّ أشباه الموصِلات المستخدمة في التطبيقات الإلكترونية.
  • ولأنّ عدد الإلكترونات أكبر في البلّورة السالبة، فإنّها تُسمّى الناقلات الأغلبيّة Majority carriers، وتُسمّى الفجوات فيها الناقلات الأقليّة Minority carriers.
  • وبالمقابل، فإنّه في البلّورة الموجبة تكون الفجوات هي الناقلات الأغلبيّة، والإلكترونات هي الناقلات الأقليّة.
  • وتجدر الإشارة هنا إلى أنّ الشِّحنة الكلية للبلّورة تساوي صفرًا؛ لأنها تتكون من ذرّات متعادلة.

الفيزياء الحديثة

الطبيعة الجسيمية للضوء

الربط بالتكنولوجيا

  • مثالًا على ذلك الخلايا الشمسية المبيّنة في الشكل أدناه، تحوّل الطاقة الشمسية إلى طاقة كهربائية.
  • وقد تصل فاعليّة الخلايا الشمسية المستخدمة للأغراض التجارية إلى 20% تقريبًا.
  • ومن الجدير بالذكر أنّ الخلايا الشمسية من المصادر البديلة النظيفة للطاقة.

التركيب الذري

نموذج بور لذرّة الهيدروجين

  • يدور الإلكترون حول البروتون (النواة) في مسارات دائرية تحت تأثير قوة التجاذب الكهربائي.
  • توجد مدارات محدّدة (مستويات طاقة) مسموح للإلكترون بأن يحتلّها، وإذا بقي في مستوى الطاقة نفسه فلا يشعّ طاقة ولا يمتصّها.
  • يشعّ الإلكترون طاقة أو يمتصّها فقط إذا انتقل من مستوى طاقة إلى مستوى آخر. فعند انتقال الإلكترون من مستوى طاقة أعلى إلى مستوى طاقة أقلّ، فإنّه يشعّ فوتونًا طاقته تساوي الفرق بين طاقتي المستويين، أتأمّل الشكل (10/أ). ويمكن أيضًا أن يمتص الإلكترون فوتونًا، وينتقل إلى مستوى طاقة أعلى عندما تكون طاقة الفوتون الممتصّ مساوية لفرق الطاقة بين المستويين، أتأمّل الشكل (10/ب).
  • المدارات المسموح للإلكترون أن يحتلها هي تلك التي يكون فيها مقدار زخمه الزاويّ L = me v r يساوي عددًا صحيحًا من مضاعفات ħ حيث ħ= h/2π = 1.05 ×10⁻³⁴ J.s أيْ إنّ: L = nħ= me v r
  • لأنّ الأطوال الموجيّة المحدّدة من الطيف التي تمتصّها ذرات عنصر معيّن هي الأطوال الموجيّة نفسها التي تشعّها؛
  • لذا يُعدّ طيف العنصر صفة مميّزة خاصّة به كالبصمة للإنسان، ولا يمكن لعنصرين أن يكون لهما الطيف الخطّي نفسه.

الفيزياء النووية

تركيب النواة وخصائصها

نطاق الاستقرار

  • وسنكتفي في هذا الكتاب بتسميتها قوة نووية، وهي قوة تجاذب كبيرة بين النيوكليونات، ولا تعتمد على الشحنة الكهربائية؛
  • أيْ أنّها تكون قوة تجاذب بين: بروتون وبروتون، بروتون ونيوترون، نيوترون ونيوترون.

الإشعاع النووي

اضمحلال ألفا

  • ²³⁸₉₂U →²³⁴₉₀Th + ⁴₂He
  • ²²⁶₈₈Ra →²²²₈₆Rn + ⁴₂He
  • AZX →^(A-4)Z-2Y + ⁴₂He
  • ¹⁴₆C →¹⁴₇N + ⁰₋₁e + ν
  • ¹₀n →¹₊₁p + ⁰₋₁e + ν
  • ¹²₇N →¹²₆C + ⁰₊₁e + ν

التفاعلات النووية

المفاعل النوويّ

  • الوقود النووي Nuclear fuel: تكون مادّة الوقود النووي على الغالب من اليورانيوم المخصّب، وهي على هيئة أقراص يوضع بعضها فوق بعض في أنابيب طويلة لتشكيل قضبان الوقود النووي كما في الشكل (13).
  • قضبان التحكّم Control rods: تُصنع من موادّ لديها مقدرة عالية على امتصاص النيوترونات، مثل الكادميوم-113 والبورون-10. فعند إدخال عدد مناسب منها بين حزم الوقود النووي تمتصّ بعض النيوترونات وهذا يُبطئ التفاعل المتسلسل، وبذلك يُتحكَّم في الطاقة الناتجة من المفاعل.
  • المواد المُهدِّئة Moderators: وهي موادّ ذات أعداد كُتليّة صغيرة، مثل: الماء الثقيل، والماء العادي، والغرافيت. وظيفتها إبطاء النيوترونات الناتجة من الانشطار؛ لتتمكّن من إحداث تفاعلات انشطارية جديدة. علمًا أنّ احتماليّة انشطار نواة اليورانيوم (²³⁵₉₂U) تزداد كلّما كانت الطاقة الحركية للنيوترونات الممتصّة أقلّ.
  • نظام التبريد Cooling system: تُستخدم أبراج تبريد لتزويد المفاعل والمكثّف بالماء البارد باستمرار لتبريد المفاعل النووي، كما في الشكل (14).
  • مولّد بخار الماء Steam generator: يُحوّل الماءَ الساخن والمضغوط القادم من قلب المفاعل إلى بخار ماء يُستخدم في إدارة توربينات متّصلة بمولّدات كهربائية لتوليد الطاقة الكهربائيّة.
  • وبالإضافة إلى درجات الحرارة العالية، يجب التأثير بضغط كبير للحصول على كثافة عالية من الأيونات.

أسئلة شائعة

ما هو ملخص الفيزياء للتوجيهي؟

صفحات مراجعة مختصرة لمادة الفيزياء تجمع القوانين والأفكار الأساسية ونصائح الامتحان لكل درس.

هل هي مبنية على المنهج؟

نعم، مبنية من المنهج المقرّر وتغطي وحدات المادة الرسمية. يمكنك معاينة الملخصات داخل TawjihiAI.

أكمل استعدادك في الفيزياء