الفيزياء فصل أول

الصفحة 25
أتحقَّق
الطاقة الحركية، والطاقة الكامنة (طاقة الوضع).

الصفحة 26
أتحقَّق:
الطاقة الحركية هي الطاقة المرتبطة بحركة جسم، رمزها ?? ، وتعتمد على كلٍّ من: كتلة الجسم ( ? )

ومقدار  مربع سرعته( ? )، ويُعبّر عنها بالمعادلة الآتية:   

                                                      ^{$KE= \frac{1}{2}m{v}^2$}

الصفحة 27
التجربة 1 : مبرهنة (الشغل – الطاقة الحركية).
إجابات أسئلة التحليل والاستنتاج
1 . ستختلف الإجابات بحسب مقدار الثقل المعلّق في حامل الأثقال، وبُعد مقدمة العربة عن البوابة الضوئية .
2 . ستختلف الإجابات بحسب مقدار الثقل المعلّق في حامل الأثقال، وبُعد مقدمة العربة عن البوابة الضوئية .
3 . ستختلف الإجابات بحسب النتائج التي يحصل عليها الطالب في الفرع 1 .
4 . تكونان متساويتين، وإن وُ جد أي اختلاف بينهما فقد يرجع سببه إلى التقريب عند إجراء الحسابات المتعلقة بالسرعة وتربيعها، ودقة قياس المسافات وكتل الأثقال.
5 . ستختلف الإجابات، إجابة محتملة: نعم، لقد دعمت النتائج التجريبية التي حصلت عليها مبرهنة (الشغل – الطاقة الحركية). وإذا كان هنالك أي اختلافات فيعود سبب ذلك إلى وجود أخطاء في القياسات وعدم دقتها.
6 . لا يُبذل شغل على العربة عند ملامسة حامل الأثقال لأرضية الغرفة؛ لأنه عندئذٍ تنعدم قوة الشد في الخيط؛ أي تكون القوة المحصلة الخارجية المؤثرة في العربة صفرا .

7 . مصادر الخطأ المحتملة: قياس كتلة العربة وكتلة حامل الأثقال والأثقال التي عليه، قياس بُعد البوابة الضوئية عن مقدمة العرببة، خطبأ في

   إجراء الحسابات، وخطأ ناتج عن التقريب، التقريب عند إجراء الحسابات المتعلقة بالسرعة وتربيعها، ....

الصفحة 28
أفكِّر
الطاقة الحركية النهائية للسيارة تساوي صفرا. أحسب مقدار الإزاحة التي تتحركها السيارة عندما يكون مقدار سرعتها ( ?) كما يأتي :

                                                                                  ?_Total=Σ?_ext

                                     Δ?=−?_s ?= ??_f−??_i = −??_i ?_s ?₁= 1/2??i²

                                                                     ?_s ?₁=1/2??² ……………………………1

  أحسب مقدار الإزاحة التي تتحركها السيارة عندما يكون مقدار سرعتها ( 2? ) بالطريقة نفسها:

                                                  ?_Total=Σ?_ext Δ?=−?_k ?= ??_f−??_i = −??_i

                                                                    ?_s ?₂= 1/2?(2?)²
                                           ?s ?₂= 2??² ……………………………2

             بقسمة المعادلة 2 على المعادلة 1 ، أحصل على ما يأتي:

                                                                     $$\begin{gathered} \frac{{𝑓}_s {𝑑}_2}{{𝑓}_s {𝑑}_1}=\frac{ 2𝑚{𝑣}^2}{{\displaystyle \frac{1}{2}}𝑚{𝑣}^2} \\ {𝑑}_2=4 {𝑑}_1 \end{gathered}$$       

    يتضاعف fمقدار الإزاحة 4 مرات.

 

الصفحة 29
أتحقق
تنص على أن: "الشغل الكلي المبذول على جسم يساوي التغير في طاقته الحركية". ويزداد مقدار سرعة جسم عندما يكون الشغل الكلي المبذول عليه موجبًا .
أبحث
مسافة الأمان هي المسافة القانونية التي يجب أن تكون بين سيارة والسيارة التي أمامها، والتي تمنح السائق الوقت الكافي للتوقف بأمان عند التوقف المفاجئ للسيارة التي أمامه أو حدوث أي طارئ على الطريق.
أسباب وجوب ترك مسافة الأمان بين السيارات: لأنه يوجد زمن رد فعل لكل شخ ص وهو الزمن المستغرق بين مشاهدة حدث والاستجابة له وخلال هذا ال زمن تقطع السيارة مسافة تسمى مسافة رد الفعل، يترتب على المحافظة عليها تجنب العديد من الحوادث الخ طرة والمميتة، تمنح السائق الزمن الكافي للتوقف بأمان عند التوقف المفاجئ للسيارة التي أمامه أو عند حدوث أي طارئ على الطريق، عدم الالتزام بترك مسافة أمان يشكل خطرًا يداهم جميع مستخدمي الطريق، الالت ا زم بها يؤدي إلى المحافظة على أرواحهم وأرواح مستخدمي الطريق الآخرين من الحوادث المرورية الجسيمة، وما ينتج عنها من خسائر بشرية ومادية .
العوامل التي يعتمد عليها مقدار مسافة الأمان: يختلف مقدار مسافة الامان حسب ظروف القيادة وسرعة السيارة (طاقتها الحركية)، وحالة سطح الطريق، وحالة السيارة الميكانيكية، وكتلة السيارة، اولظروف الجوية (مطر، ضباب، غبار، ....)، والحالة النفسية للسائق، وإرهاقه، وتوتره، وحالته الصحية، وعمره، وخبرته في القيادة، وتناوله بعض أنواع العلاجات، ... .
وعمومًا، تزداد المسافة الآمنة بزيادة السرعة التي يتم القيادة بها على الطريق.

الصفحة 30
تمرين:

أ. لحساب الطاقة الحركية النهائية للسيارة يلزم معرفة سرعتها النهائية .

       ?_f= ?_i  +?? = 28 +(−1.6) ×5 = 28 +(−1.6) ×5 = 20 m/s

          ثم احسب الطاقة الحركية النهائية:

              $𝐾{𝐸}_f= \frac{1}{2}𝑚{𝑣}_f^2 = \frac{1}{2}\times 6\times {10}^2 \times {\left(20\right)}^2 = 1.2\times {10}^5 J$
  ب.
                                          $$\begin{gathered} \Delta 𝐸𝐾={𝐾𝐸}_f-{𝐾𝐸}_i=1.2\times {10}^5-\frac{1}{2}𝑚{𝑣}_i^2 \\ \Delta 𝐾𝐸=1.2\times {10}^5-\frac{1 }{2}\times 6\times {10}^2 \times {\left(28\right)}^2 \\ =1.2\times {10}^5 -2.352\times {10}^5 = -1.152\times {10}^5 J \end{gathered}$$

   ج. شغل القوة المحصلة الخارجية المبذول على السيارة خلال فترة تباطؤها يساوي التغير في طاقتها الحركية خلال الفترة نفسها .

                                                             $W_{Total}=∆KE =-1.152\times {10}^{5}J$

الصفحة 32
إجابة سؤال الشكل:

 يكون مقدار طاقة الوضع الناشئة عن الجاذبية سالبًا؛ لأن موقع الجسم أسفل موقع الإسناد، فتكون y سالبة؛

                  ??=??(−?)=−??? 
أتحقَّق
طاقة الوضع الناشئة عن الجاذبية هي الطاقة المختزنة في نظام (جسم – الأرض) نتيجة موقع الجسم في مجال الجاذبية، رمزها ?? ،

 يُعبّر عنها بالعلاقة: ??=??? .ويلزم مستوى إسناد لحسابها؛ لأنه يلزم تحديد ارتفاع الجسم الرأسي ( ? ) عن مستوى الإسناد،

الذي تُعد طاقة الوضع الناشئة عن الجاذبية لأي جسم عنده تساوي صفرًا.

الصفحة 33
أتحقَّق
شغل قوة الجاذبية المبذول على جسم يساوي دائمًا سالب التغير في طاقة وضع الجسم الناشئة عن الجاذبية .

             $W_g =-∆PE$

الصفحة 35
تمرين:

أ. أختار سطح الأرض مستوى إسناد لطاقة الوضع، وأحسب طاقة وضع الإصّيص الابتدائية باستخدام معادلة طاقة الوضع

 الناشئة عن الجاذبية، كما يأتي:

$$\begin{gathered} {𝑃𝐸}_i= 𝑚𝑔{𝑦}_i \\ = 0.8 \times 10 \times 2.5 =20 J \end{gathered}$$

ب.  التغير  في  طاقة وضعه الناشئة عن الجاذبية الأرضية عند سقوطه:

         $$\begin{gathered} \Delta 𝑃𝐸={𝑃𝐸}_f - {𝑃𝐸}_i \\ = 𝑚𝑔 ({𝑦}_f-{𝑦}_i) \\ = 0.8 \times 10 \times (0-2.5) =-20 J \end{gathered}$$

ج. شغل قوة الجاذبية المبذول على الإصّيص يساوي سالب التغير في طاقة وضعه الناشئة عن الجاذبية .

                              ?_? = −Δ??=−(−20)=20 J
أبحث:
الآثار الإيجابية: تعد المنظم للغلاف الجوي وبسببها يحدث الكثير من الظواهر الجوية؛ فهي تعمل على موازنة درجات الحرارة والرطوبة والضغط الجوي بين مكان أوخر. نقل حبوب اللقاح بين الأزهار والنباتات المختلفة، ونقل البذور ولا سيما البذور ذات الأهداب والشعيرات التي تساعد الرياح على حملها ونقلها من مكان إلى أخر. استخدام الرياح في عملية التذرية لفصل البذور عن سيقانها كما هو الحال بالنسبة للقمح والشعير. وسيلة غير مكلفة لرفع المياه من المستويات المنخفضة والآبار عن طريق المراوح الهوائية، الاستفادة من الرياح في توليد الطاقة الكهربائية، ... .
الآثار السلبية: دورها في التلوث البيئي سواء أكان بالعوامل الطبيعية (العواصف الترابية مثلًا)، أو تلوث كيماوي نقلها للغازات والأدخنة الناتجة عن عمليات الاحتراق المختلفة إلى مناطق مختلفة تبعًا لاتجاه هبوبها. لها تأثير كبير على المحاصيل الزراعية في المناطق الجبلية والسهول المفتوحة التي تتعرض باستمرار للرياح الشديدة، فتؤثر في براعم  الأشجار، والأوراق، وتؤدي إلى تساقط الأزهار والثمار أو تكسر الفروع الحاملة للثمار، واقتلاع الأشجار أو التدمير الكامل للمزارع عندما تصل سرعتها إلى اكثر من 160 km/h . وتسبب الدمار للكثير من المحاصيل الحقلية أثناء مراحل نموها، إذ  تعمل على ضمور  بعض المحاصيل وتكسيرها واضطجاع بعضها الأخر، ولا سيما محاصيل الحبوب كالقمح والشعير والأرز، إذ تنكسر سنابلها أو تصاب ببعض الأمراض الناتجة عن اضطجاعها في الماء بعد ريها الخاطئ. وقد يصاحب الرياح الأتربة التي تعمل على تلف ثمار الأشجار والنباتات وتغطية أوراقها بالأتربة مما يؤثر في عملية البناء الضوئي. وتؤثر في عمل الحشرات الملقحة. وصعوبة رش المبيدات والمواد الكيمياوية لمكافحة الآفات والأمراض عندما تشتد سرعتها. تؤثر في عملية التبخر/ النتح. وتعمل الرياح الشديدة السرعة ولا سيما في المناطق الجافة على تعرية التربة وتكوين الكثبان الرملية وتؤدي إلى تصحر. وتؤثر في درجة حرارة الهواء التي تؤثر بدورها في درجة حرارة الجسم؛ إذ يؤثر ارتفاعها أو انخفاضها الشديدين في التوازن الحراري لجسم الإنسان، فتؤثر بالنتيجة في مزاجه ومدى نشاطه وقدرته على العمل.

الصفحة 36
أتحقَّق

 الطاقة الميكانيكية لجسم هي مجموع الطاقة الحركية وطاقة الوضع، يُعبر عنها بالمعادلة الآتية:

                                                 ?? = ?? + ??
الصفحة 37
إجابة سؤال الشكل:
الطاقة الميكانيكية للكرة عند الموقع ?_f تساوي:

                                                                        ${𝑀𝐸}_f = {𝐾𝐸}_f + {𝑃𝐸}_f= \frac{1}{2}𝑚{𝑣}_f^2 +𝑚𝑔{𝑦}_f$

الطاقة الميكانيكية للكرة مباشرة قبل ملامستها سطح الأر ض تساوي:

                   ${𝑀𝐸}_{Reference level }= {𝐾𝐸}_{Reference level} + {𝑃𝐸}_{Reference level}= \frac{1}{2}𝑚{𝑣}^2 +0 = \frac{1}{2}𝑚{𝑣}^2$

الصفحة 38
أتحقَّق

القوة المحافظة	القوة غير المحافظة
الشغل المبذول على جسم لتحريكه بين أي موقعين لا يعتمد على المسار الذي يسلكه الجسم بينهما .	الشغل المبذول على جسم لتحريكه بين أي موقعين يعتمد على المسار الذي يسلكه الجسم بينهما .
الشغل المبذول على جسم لتحريكه عبر مسار مغلق يساوي صفرًا .	الشغل المبذول على جسم لتحريكه عبر مسار مغلق لا يساوي صفرًا .
الطاقة الميكانئكية محفوظة لجسم يتحرك  في  مجالها	الطاقة الميكانيكية غير  محفوظة

* تكون الطاقة الميكانيكية لنظام محفوظة في ظل وجود قوى محافظة فقط تبذل شغلًا .

الصفحة 40
تمرين:
أ. أختار سطح الأرض مستوج إسناد لطاقة الوضع، فتكون i=0 ، وأحسب الطاقة الحركية

   الابتدائية للكرة كما يأتي :

                                ${𝐾𝐸}_i = {𝑀𝐸}_i = \frac{1}{2}𝑚{𝑣}_i^2=\frac{ 1}{2}\times 0.3 \times {\left(15\right)}^2 = 33.75 J$

ب. الطاقة الميكانيكية للكرة عند أقصى تكون ارتفاع طاقة وضع فقط، وتكون عظمى، وهي تساوي الطاقة

      الميكانيكية الابتدائية؛ حيث الطاقة الميكانيكية محفوظة:

                                                                  ??_f =??_f + ??_f= 0 + 33.75 =33.75 J

ج. بما أن الطاقة الميكانيكية محفوظة، والطاقة الميكانيكية للكرة لحظة قذفها طاقة حركية، فيكون مقدار

 سرعة الكرة لحظة قذفها مساويًا لمقدار سرعتها لحظة عودتها إلى المستوج الذي قُذفت منه؛ ويساوي 15m/s

أبحث:
من مصادر الطاقة المتجددة:
الطاقة الكهرومائية (ydro powerH)، والطاقة الشمسية ( solar energy)، و الطاقة الحيوية (الوقود المشتق من الكتلة الحيوية) ( Biomass )، وطاقة الرياح (Wind energy)، والطاقة الحرارية الأرضية ( Geothermal energy )، طاقة المد ، ... .
قد يتضمن العرض التقديم ي المصادر الآتية الأكثر استخدامًا في المملكة:
طاقة الرياح: طاقة مجانية، تستخدم في المناطق المرتفعة ذات المناطق المفتوحة التي لا يوجد فيها حواجز طبيعية أو بنايات مرتفعة. الرياح متوافرة على مدار العام بسرعات مناسبة، ... .
الطاقة الشمسية: طاقة مجانية، تستخدم في المناطق الغنية بالإشعاع الشمسي، ومتوسط الإشعاع الشمسي المباشر مناسب في المناطق البعيدة عن خطوط الشبكة الكهربائية، ... .
الطاقة الكهرومائية: مناطق فيها أنهار تجري فيها المياه بشكل مستمر وبمعدلات تدفق مناسبة، ترتبط ارتباطًا وثيقًا بحقوق المياه السطحية والحصة الدولية المخصصة للدولة، ... .

الصفحة 41
أتحقَّق
للمحافظة على حركته؛ إذ تعمل قوة الاحتكاك الحركي بين سطحي الجسم والمسار على تحويل جزء كبير من الطاقة الحركية للجسم إلى طاقة حرارية ترفع درجة حرارة السطحين المتلامسين؛ لذا يلزم بذل شغل لتعويض الطاقة المبذولة في التغلب على قوة الاحتكاك .

أفكِّر
أن النظام يتضمن قوى غير محافظة تبذل شغلًا سالبا على الجسم. الشغل الموجب المبذول زوّد الجسم بطاقة استخدمها لتعويض الطاقة المبددة بواسطة القوى غير المحافظة التي تعمل على تقليل طاقة  الجسم، وتحوّلها إلى شكل آخر من أشكال الطاقة (طاقة حرارية) مثلًا نتيجة قوة الاحتكاك الحركي.

الصفحة 44
تمرين
أ.
                                                      ??_A =??_B

                               ???_A+0=???_B+ 1/2??_B²

                 ?_B²=2? (?_A−?_B)=2 ×10 ×(5−3.2)=36

                                                         ?_B=6 m/s
ب.
                                                     ??_C =??_A

                                     ???_C+??_C=???_A+ 0

       ??_C=??(?_A− ?_C)=25 ×10 ×(5 − 2) =750 J

 ج. الشغل الذي بذلته قوة الجاذبية على الطفل في أثناء انزلاقه من A إلى C يساوي التغير في طاقته الحركية،

  ويساوي سالب التغير في طاقة وضعه الناشئة عن الجاذبية .
                               ?_?(?−?) =Δ?? = −Δ?? = ??_C − ??_A = 750 −0 =750 J

الصفحة 45
مراجعة الدر س

   1. الفكرة الرئيسة: ما المقصود بالطاقة الميكانيكية؟ وعلامَ تنص مبرهنة )الشغل - الطاقة الحركية?

        الجواب:  الطاقة الميكانيكية هي مجموع الطاقة الحركية وطاقة الوضع، ويُعبر عنها بالمعادلة الآتية:

                  ?? = ?? + ?? . تنص مبرهنة (الشبغل – الطاقة الحركية) على أنّ : "الشبغل الكلي المبذول على

                      جسم يساوي التغير في طاقته الحركية".

2 . أُحلّل: في أيّ الحالات الآتية أُطبّق حفظ الطاقة الميكانيكية؟ وفي أيّها لا أُطبّقه؟

       أ. قذف كرة تنس في الهواء.

       ب. رمي كرة سلة نحو السلة.

        ج. حركة سيّارة على طريق رملي.

        د. انزلاق قرص فلزي على سطح جليدي أملس.

 الجواب:
          أ. كرة التنس خفيفة ولا يمكن إهمال تأثير مقاومة الهواء في حركتها، لذا لا أطبّق حفظ الطاقة الميكانيكية.

          ب. لأن كتلة كرة السلة كبيرة فإن تأثير مقاومة الهواء في حركتها يكون مهملًا، وبالتالي أطبّق حفظ الطاقة الميكانيكية.

          ج. لا يُمكن إهمال تأثير الرمل في إعاقة حركة السيارة، لذا لا أطبّق حفظ الطاقة الميكانيكية.

          د. السطح الجليدي أملس، لذا أطبّق حفظ الطاقة الميكانيكية .

3 .أتوقّع: هل يمكن أن تتغيّر سرعة جسم؛ إذا كان الشغل الكلّي المبذول عليه صفرًا

 الجواب:

 لا، لأن أي تغير في السرعة يعني بالضرورة تغيرًا في طاقة الحركة، وهذا لا يتم من دون شغل كلي مبذول على الجسم .

   وأعلم أن: 

                                         $W_{Total} =∆KE$      (  أذا الشغل الكلي =0 ، لا بد أن تكون السرعة ثابتة.)

4. أستعملُ المتغيّرات: كرتان متماثلتان، قُذفت الأولى بسرعة مقدارها ( 3m/s)، وقُذفت الثانية بسرعة مقدارها ( 9m/s ).

 أجد نسبة الطاقة الحركية للكرة الثانية إلى الطاقة الحركية للكرة الأولى. ماذا أستنتجُ؟

  الجواب:

                                    $\frac{{𝐾𝐸}_2}{{𝐾𝐸}_1}= \frac{1/2𝑚{𝑣}_2^2}{1/2𝑚{𝑣}_1^2}= \frac{{𝑣}_2^2}{{𝑣}_1^2} = \frac{{\left(9\right)}^2}{{\left(3\right)}^2}=\frac{ 81}{9} = 9$

 

  5. أحسبُ: إذا علمتُ أن كتلة سوسن ( 50kg)، وتسارع السقوط الحر ( 10m/s² )؛ فأحسبُ مقدار:

         أ. طاقتها الحركية؛ عندما تركض بسرعة مقدارها ( 3m/s ).

         ب. طاقة وضعها الناشئة عن الجاذبية؛ عندما تجلس في شرفة منزلها التي يبلغ ارتفاعها (8m ) عن سطح الأرض.

            ملحوظة: أفترض سطح الأرض مستوى إسناد.

    الجواب:
        أ.     الطاقة الحركية    $𝐾𝐸= \frac{1}{2}𝑚{𝑣}^2 = \frac{1}{2} \times 50 \times {\left(3\right)}^2=225 J$

           ب.  طاقة الوضع الناشئة عن الجاذبية:      ??= ??? = 50 ×10 ×8 =4000 J =4 kJ
 

 6.التفكير الناقد: يرمي خالد 3 كرات متماثلة من أعلى بناية.إذا رمى الكرات الثلاث بمقدار السرعة الابتدئية نفسه،

بالاتّجاهات الموضّحة في الشكل المجاور، فأُرتّب الكرات الثلاث حسب مقادير سرعاتها لحظة وصولها إلى سطح

 الأرض بإهمال مقاومة الهواء. أُوضّح إجابتي.

 الجواب: 

 

    

الإزاحات الرأسية للكرات الثلاث متساوية لحظة وصولها إلى سطح الأر ض؛ لذا للكرات الثلاث التغير نفسه في طاقة الوضع.

والطاقات الحركية الابتدائية للكرات الثلاث متساوية؛ لأنها رُميت بمقدار السرعة الابتدائية نفسه. وبما أنه لا يوجد قوى غير محافظة

تبذل شغلًا على الكرات فتكون طاقاتها الميكانيكية متساوية، وبذلك فإن طاقاتها الحركية لحظة وصولها سطح الارض متساوية،

فتكون سرعاتها أيضًا متساوية .
الصفحة 46
أبحث:
تعتمد مصادر الطاقة المتجددة التي يمكن استخدامها في دولة ما على جغرافية هذه الدولة ومناخها، فما يناسب دولة معينة قد لا يناسب أخرى. ومن مصادر الطاقة المتجددة المناسبة لأغلب الدول: الطاقة الشمسية، طاقة الرياح، الطاقة المائية من الأنهار، طاق ة المد والجزر من المحيطات، وغيرها .

إيجابيات (مزايا) مزارع الرياح: طاقة الرياح طاقة متجدّدة، مجانية، منخفضة التكلفة، ولا تحتاج إلى الحفر والتنقيب لاستخراجها، وغير ملوّثة للبيئة، وتُساهم في خفض معدلات انبعاث غاز ثاني أكسيد الكربون عند الاعتماد على طاقة الرياح وتقليل الاعتماد على الوقود الأحفوري ، ... .
سلبيات مزارع الرياح: الرياح لا تهب على مدار العام بالسرعة المناسبة، الضوضاء الناتجة من دوران التوربينات، الطاقة الناتجة تحتاج إلى النقل إلى شبكة الكهرباء لأنها عادة ما يتم تركيبها بعيدًا عن المناطق المأهولة بالسكان، المساهمة في التلوث البصري، تعريض الحياة البرية للخطر (شفرات التوربينات تشكل خطرًا على الطيور)، مناسبة لمناطق معينة التي تهب فيها الرياح على مدار العام، ....
سأبني حساباتي على توربينات رياح الطفيلة ذات شفرات طولها ( 55 m )، وهذا يساوي نصف طول ملعب كرة القدم. بداية أحسب مساحة المنطقة التي تمسحها شفرات التوربين كما يأتي: 

?= ??²= ?×(55)²=9.503 ×10³ m²
ثم أحسب مقدار الطاقة الحركية التي تمر عبر أحد التوربينات كل ثانية :
??=1/2???³ = 1/2 ×1.2 × 9.503 ×10³ ×(20)³ =4.56144 ×10⁷ J/s = 4.56144 ×10⁷ W =45.6144 MW
لحساب الطاقة الكهربائية الناتجة من توربين واحد، أضرب الطاقة الحركية الناتجة منه في كفاءته، كما يأتي:

Output energy of one turbine =50% × 45.6336 MW =22.8072 MW