ملخصات الفيزياء الحادي عشر فلسطين: قوانين وأفكار

الكميات المتجهة والحركة في بعدين

• هناك العديد من الكميات الفيزيائية التي نواجهها في حياتنا، كالمسافات التي نسيرها يومياً إلى الأماكن التي نبغي وصولها، والأزمان التي نحتاجها لذلك، وكذلك القوى التي ندفع بها الأشياء من حولنا، كمركبة معطلة، بهدف تحريكها، وغيرها من الكميات.
• وكما مرّ معك سابقاً، فإن هذه الكميات يمكن تصنيفها من حيث ما يلزم لوصفها، والتعبير عنها بشكل كامل؛ حيث نسمي بعضها كميات قياسية، بينما نسمي البعض الآخر كميات متجهة، أو متجهات.
• لقد مرّ بك في الصف العاشر مفهوم الكميات المتجهة، التي تُعرف بأنها الكميات الفيزيائية التي يلزم للتعبير عنها تحديد مقدارها واتجاهها، كالإزاحة، والسرعة المتجهة، والقوة.
• وتعلّمت تمثيلها بيانياً، وإيجاد حاصل جمعها بالطريقة الهندسية.
• ونستخدم الرمز الغامق A أو A للتعبير عن المتجه، بينما نستخدم |A| أو A للتعبير عن مقدار المتجه.
• R = √(A²+B²+2AB cos θ) (1-1)

القوى والعزوم

• القوّة كلمة شائعة الاستخدام في حياتنا اليومية، فقوّتك العضلية تساعدك في تحريك الأشياء، وقوّة محرّك المركبة تساعد في بدء حركتها، والفرامل تؤثّر بقوّة تعمل على إيقافها.
• وحسب مبادئ الميكانيكا، فإنّ القوى المؤثرة في جسم ما قد تغيّر من حالته الحركية، وتمكّننا من التنبؤ بحالته الحركية بدقة، وقد تؤثر القوى في الأجسام فتعمل على تدويرها، أو اتزانها.
• F_g = m g (2-1)
• أحضر القطعة الخشبية، وثبت بها برغي الحلقة في منتصف أحد أطرافها.
• علّق القطعة الخشبية بالميزان النابضي، وقس وزنها.
• ضع ثقلاً معروف الوزن فوق القطعة الخشبية، وحاول ببطء شديد أن تجرّ القطعة الخشبية، والثقل الموجود عليها بواسطة الميزان النابضي، وراقب قراءة الميزان، عندما يصبح الجسم على وشك الحركة.

قوانين نيوتن في الحركة

1-3 قوانين نيوتن في الحركة

• لقد مهّدت أعمال (جاليليو) الطريق أمام العالم (نيوتن) لصياغة القانون الأول، في حين يرتبط القانون الثاني بالتسارع وسببه، أما القانون الثالث فهو قانون الفعل ورد الفعل.
• تُعدّ قوانين نيوتن الثلاثة في الحركة أساس الميكانيكا في الوقت الحاضر، وهي ذاتها القوانين التي أوصلت الإنسان إلى القمر.
• ضع علبة الكبريت على سطح المركبة.
• كرّر الخطوة (2)، ثم ضع حاجزاً أمام العربة، ماذا يحدث لعلبة الكبريت؟ سجّل ملاحظاتك.
• فسّر ما حدث.
• قم بتجهيز السكّة الهوائية، كما في الشكل المجاور.

الشغل والطاقة الميكانيكية

• يتناول هذا الفصل مفهومي الشغل والطاقة اللذين يمكن توظيفهما لدراسة حركة الأجسام في حالات عديدة؛ لما لذلك من أهمية من حيث سهولة معالجتهما؛ كونهما كميتين قياسيتين مقارنة بالكميات الفيزيائية المتجهة؛ ما يتطلب تحليل القوى لمركباتها بالاتجاهات المختلفة، وتطبيق قانون نيوتن الثاني كما مر بك سابقاً. كما يتعرّض هذا الفصل إلى مفهوم القدرة الذي يعبّر عن معدل صرف الطاقة، أو تغيرها واستهلاكها.
• الشكل (1) المجاور يظهر رافعة ميكانيكية ذات قدرة محددة، تقوم بإزاحة الأحمال من مكان إلى آخر في ورشة بناء.
• لا شك أن هناك شغلاً يتم بذله لإنجاز هذه المهام، وأن هناك طاقةً يتم استهلاكها في هذا العمل.
• وأن الرافعة تؤثر بقوة تكفي لتحريك هذه المواد مسافات أفقية، وأخرى عمودية لتضعها في الأماكن المنشودة.
• في الشكل (2) تؤثر قوة ثابتة F في جسم، وتحدث إزاحة d بحيث تصنع F زاوية θ مع d. يمكن حساب الشغل (W) من العلاقة: W = F.d (4-1-A) W = F d cos θ(4-1-B)
• والشغل الكلي لمجموعة من القوى التي تؤثر في جسم ما، هو الجمع العددي لشغل كلٍّ منها، كما في الشكل (3)، وهو كذلك الشغل الذي تبذله محصلة القوى، كما يأتي: Wnet = W₁ + W₂ + W₃ + ..... (4-2-A) Wnet = F_net d cos θ(4-2-B)

الحركة الدائرية

2-5 الموضع الزاوي والسرعة الزاوية

• ما موضع أحمد ورامي بعد 3s؟ (افرض أنَّ الخط الأفقي المار بالنقطة A هو خط الإسناد)
• ما العلاقة بين سرعة الجسم v والزاوية التي دارها المقعد (بالتقدير الدائري)؟ (تعبر الزاوية θ (بالتقدير الدائري) التي قطعها المقعد عن الإزاحة الزاوية، وتحدد الموضع الزاوي).
• التسارع الزاوي للمروحة بفرض أنه ثابت.
• عدد الدورات التي تدورها المروحة قبل أن تصل إلى السكون.
• لا يساوي صفراً، ومع ذلك تسارعه الزاوي يكون مساوياً للصفر = α؛ لأنَّ سرعته الزاوية، مثل سرعته الخطية ثابتة.
• فإذا دار الجسم بسرعة خطية ثابتة ينعدم تسارعه المماسي والزاوي، ويبقى تسارعه المركزي الذي يدل على تغير اتجاه حركته، والمعطى بالمعادلة (10).

الحركة التوافقية البسيطة

1-6 الحركة الاهتزازية في النابض

• ثبت النابض رأسياً وحدد نهاية النابض.
• اربط الكتلة بالنابض رأسياً، وحدد الإزاحة.
• التسارع أكبر ما يمكن.
• السرعة أكبر ما يمكن.
• التسارع صفراً.
• السرعة صفراً.

طبيعة الضوء

1-7 الأمواج الكهرومغناطيسية:

• افترض نيوتن نموذجاً للضوء اعتبر فيه أن الضوء جسيمات متناهية في الصغر. وكان هذا النموذج هو الأساس الذي اعتمد عليه العلماء في تفسير سلوك الضوء مثل: الانعكاس والانكسار، ولكن هذا النموذج لم يفسر التداخل والحيود.
• ثم اقترح العالم (هايجنز) نموذجاً موجياً للضوء، واستطاع من خلاله إثبات وتفسير خاصيتي الانعكاس والانكسار، ثم جاء بعده العالم (ينغ) والذي أثبت بالتجربة الطبيعة الموجية للضوء، ولكن ما طبيعة هذه الأمواج؟ إذا هززت عصاً من طرفها في ماء ساكن، فإنك تولد أمواجاً على سطح الماء.
• وبالمثل إذا هززت ساقاً فلزياً مشحوناً بشحنة كهربائية في الفضاء، فإنك تولد أمواجاً كهرومغناطيسية.
• إن اهتزاز الساق المشحون يُنشئ تياراً كهربائياً متغيراً، فيتولد عنه مجال مغناطيسي متغير. والمجال المغناطيسي المتغير يولد مجالاً كهربائياً.
• c = λf (7-1)
• هناك الكثير من التطبيقات للأمواج الكهرومغناطيسية في حياتنا اليومية؛ كالهواتف الخلوية، وأجهزة التحكم عن بعد، وأفران الميكروويف، وأبراج الهواتف الخلوية، وغيرها.

الشحنة الكهربائية وقانون كولوم

8 - 1 الشحنة الكهربائية وخصائصها

• لقد مرّ تفسير التكهرب في محطات تاريخية مختلفة، ففي عام 1600م أوضح (جلبرت) أنّ الزجاج والشمع وغيرها ذات خواص شبيهة بخواص الكهرمان، وفسّر تكهربها من خلال انتقال نوع من الموائع بين الأجسام.
• وفي عام 1733م وجد (شارل دوفاي) تجاذب بعض الأجسام بعد دلكها وتنافر أجسام أخرى.
• واعتبر أنّ الكهرباء سيلٌ متصل من نوعين من المادة، يتولّد أحدهما عند دلك الزجاج بالحرير، والآخر عند دلك الكهرمان بالصوف، وأنّ النوعين المختلفين يتجاذبان بينما المتماثلان يتنافران.
• وفي عام 1897م اكتشف العالم (جوزيف طومسون) الإلكترون، كما تمكّن العالم (روبرت ميليكان) من قياس شحنته في عام 1909م.
• وتبيّن أنّ أصغر شحنة في الطبيعة هي شحنة الإلكترون؛ لذا سُمّيت الشحنة الأساسية، ويرمز لها بالرمز e، وأنّ مقدارها هو (1.6x10⁻¹⁹ C).
• وبما أنّ المادة التي تنتقل خلال عملية الشحن هي الإلكترونات التي لا يمكن تجزئتها؛ أي أنّ عددها صحيح، فإنّ شحنة أي جسم مشحون ليست كمية متصلة مثل الموائع كما ذكر سابقاً، بل هي عدد صحيح من مضاعفات شحنة الإلكترون.

المجال الكهربائي

9-1 المجال الكهربائي

• E = F/(q₀) (9-1)
• F = k (q ×q₀)/(r²) →E = F/(q₀) = (k (q ×q₀)/(r²))/(q₀) = k q/(r²) (9-2)
• E₁ = E₂₁ + E₃₁ + E₄₁ + …(9-3)
• 3 Fg = FE 3 m g = q_e E
• شدة المجال الكهربائي عند منتصف المسافة بينهما.
• القوة المؤثرة في شحنة مقدارها (10⁻⁹ C × 1) موضوعة في منتصف المسافة بينهما.

الجهد الكهربائي

• تعرفت في الفصل السابق إلى أن الشحنات الكهربائية تولّد مجالاً كهربائياً في الحيز المحيط بها، يُعبّر عنه من خلال القوة المؤثرة في شحنة اختبار موضوعة في هذا الحيز.
• وتعلمت سابقاً أن القوى تبذل شغلاً ميكانيكياً فتغير طاقة الجسم.
• ΔV = ΔU/(q₀) (10-1)
• ومن العلاقة (1) نجد أن الجهد الكهربائي كمية قياسية؛ لأنه ناتج عن قسمة كميتين غير متجهتين هما: طاقة الوضع (الشغل) والشحنة.
• ويقاس في النظام العالمي للوحدات بوحدة (جول/كولوم)، وتُدعى هذه الوحدة بالفولت.
• ويعرف الفولت بفرق الجهد بين نقطتين، تكون المقاومة الكهربائية بينهما 1 اوم، ويسري تيار كهربائي مقداره 1 امبير.

السعة الكهربائية

• تعلمت سابقاً أنّه إذا شُحن موصل معزول بشحنة كهربائية فإنّ جهد الموصل يزداد بمقدار معيّن يتناسب مع مقدار الشحنة التي شُحن بها.
• والسؤال المطروح: إذا تساوت جهود موصلاتٍ عدة (كروية مثلاً) مختلفة الحجم فهل تكون الشحنات عليها متساوية؟ وما النسبة بين الشحنة الكهربائية على الموصل وجهده؟ وما المواسع الكهربائي؟ هذه الأسئلة وغيرها سوف تستطيع الإجابة عنها بعد دراستك هذا الفصل، ويُتوقّع منك أن تكون قادراً على أن:
• فإذا قمت بشحن موصل كروي، فإنّ جهد الموصل يزداد، ولكنّ النسبة بين شحنة الموصل وجهده ثابتة لا تعتمد على مقدار الشحنة أو مقدار الجهد، وهذه النسبة تُعرف بالسعة الكهربائية للموصل؛ أي أنّ: C = q/V (11-1)
• نستنتج من النشاط السابق أنّ جهد الموصل يقلّ عندما نُقرّب منه موصلاً مماثلاً ومعزولاً وموصولاً بالأرض.
• وسبب ذلك هو أنّ الشحنة المتكوّنة على الموصل المشحون بالتأثير تنقص الجهد على الموصل الأول، لماذا؟ لذلك يلزم لإعادته إلى الجهد الأول إضافة شحنات أخرى عليه؛ أي أنّه امتلك القدرة على تخزين كمية أكبر من الشحنات.
• وبالتالي فإنّ النظام المكوّن من موصلين مشحونين بشحنتين مختلفتين نوعاً، بينهما مادة عازلة، لديه القدرة على تخزين الشحنات الكهربائية وهذا النظام يُسمّى المواسع الكهربائي.

التشخيص بالأشعة والأمواج

##…

• تُوظّف مبادئ الفيزياء في تشخيص بعض الأمراض التي لا تظهر أعراضها على جسم الإنسان مثل النزيف الدماغي، أو بعض الأورام، أو الكسور، أو حالة الفقرات وغيرها.
• ولكن كيف يمكننا استخدام الإشعاعات في تشخيص الأمراض تمهيداً لعلاجها؟ هل تعرف أحداً أُصيب بقرحة المعدة؟ أو آخر حقنوه بمادة مشعة ليتم تصويره بعدها على جهاز التصوير البوزتروني PET؟ هذه الأسئلة وغيرها يتوقع منك الإجابة عنها بعد دراستك هذا الفصل، وأن تكون قادراً على أن:
• أنبوب زجاجي مفرغ من الهواء: توجد بداخله جميع أجزاء أنبوبة الأشعة الداخلية الأخرى، ويكون مفرغاً تماماً من الهواء؛ لأن وجود الهواء يؤثر في إنتاج الأشعة السينية.
• المهبط (الكاثود): سالب الشحنة، ووظيفته إنتاج الإلكترونات التي تسهم في إنتاج الأشعة السينية، ويتكون من جزأين رئيسين:
• المصعد (الأنود): موجب الشحنة، وهو الجزء الذي ينتج الأشعة السينية، ويتكون المصعد من جزأين:
• فرق الجهد بين المهبط والمصعد خلال إنتاج الأشعة. وهو يتحكم بطاقة الأشعة السينية فكلما زاد فرق الجهد زادت طاقة الأشعة، وكلما زادت طاقة الأشعة السينية زادت قدرتها على اختراق الأجسام.

العلاج بالأمواج

• تعرّفت في الفصل السابق إلى التقنيات الحديثة المستخدمة في تشخيص الأمراض؛ ما يساعد في وضع الخطط العلاجية الصحيحة، فالأشعة التشخيصية تهدف إلى تشخيص العرض الطبي، كتشخيص كسر في العظام، أما استخدامات الأمواج فلها دور كبير في علاج الأورام، ورتق شبكية العين، وتفتيت الحصى وغيرها.
• ففي كلتا الحالتين يتم استخدام الأشعة، ولكن يختلف الهدف، فما الطرق والتقنيات الحديثة المستخدمة في العلاج؟ وما الأجهزة والمواد المستخدمة في ذلك؟ ويُتوقع منك بعد دراستك هذا الفصل أن تجيب عن هذه الأسئلة وغيرها، وأن تكون قادراً على أن:
• أحدث فتحتين متقابلتين في العبوة على ارتفاع 5 cm من قاعدتها.
• املأ العبوة بالماء.
• سلّط ضوء الليزر من إحدى الفتحتين وباتجاه الأخرى.
• راقب مسار شعاع الليزر. ماذا تلاحظ؟