الفيزياء ال�صف الحادي ع�شر -كتاب ا ألن�شطة والتجارب العملية الف�صل الدرا�سي ا ألول 11 فريـق التأليـف موسى عطا الله الطراونة (رئي ًسا) خلدون سليمان المصاروه أ.د .محمود إسماعيل الجاغوب يحيـى أحمـــد طــواهــا موسـى محمـود جـرادات الناشر :المركز الوطني لتطوير المناهج يسر المركز الوطني لتطوير المناهج ،استقبال آرائكم وملحوظاتكم على هذا الكتاب عن طريق العناوين الآتية: 06-5376262 / 237 06-5376266 P.O.Box: 2088 Amman 11941 @nccdjor [email protected] www.nccd.gov.jo
بنـا ًء على قـرار المجلس الأعلى،قـ ّررت وزارة التربيـة والتعليـم تدريـس هذا الكتـاب في مدارس المملكـة الأردنية الهاشـمية جميعها )2021/116( وقرار مجلـس التربية والتعليم رقـم، م2021/6/10 تاريـخ،)2021/3( للمركـز الوطنـي لتطويـر المناهج في جلسـته رقم . م2022 / 2021 م بـد ًءا من العام الـدراسي 2021/6/30 تاريـخ © Harper Collins Publishers Limited 2021. - Prepared Originally in English for the National Center for Curriculum Development. Amman - Jordan - Translated to Arabic, adapted, customised and published by the National Center for Curriculum Development. Amman - Jordan ISBN: 978 - 9923 - 41 - 171 - 1 المملكة الأردنية الهاشمية رقم الإيداع لدى دائرة المكتبة الوطنية )2021/6/3305( 373,19 المركز الوطني لتطوير المناهج.الأردن المركز الوطنـي لتطوير/ كتاب الانشـطة والتجـارب العلميـة الفصـل الأول:الصـف الحـادي عشـر الفـرع العلمـي:فيزياء 2021 ، المركز: عمـان-.المناهـج .) ص56( 2021/6/3305 :.إ.ر / التعليم الثانوي//المناهج// الفيزياء/ :الواصفات .يتحمل المؤلف كامل المسؤولية القانونية عن محتوى مصنفه ولا يع ّبر هذا المصنف عن رأي دائرة المكتبة الوطنية All rights reserved. No part of this publication may be reproduced, sorted in retrieval system, or transmitted in any form by any means, electronic, mechanical, photocopying, recording or otherwise , without the prior written permission of the publisher or a license permitting restricted copying in the United Kingdom issued by the Copyright Licensing Agency Ltd, Barnard's Inn, 86 Fetter Lane, London, EC4A 1EN. British Library Cataloguing -in- Publication Data A catalogue record for this publication is available from the Library. م2021 / هـ1442 )الطبعة الأولى (التجريبية
رقم الصفحة قائمة المتحويات 4 الموضوع 7 12 الوحدة الأولى :الشغل والطاقة 22 تجربة استهلالية :حساب الشغل التجربة :1مبرهنة (الشغل -الطاقة الحركية) 25 28 تجربة إثرائية :بناء ُأفعوانية 32 أسئلة تفكير 35 39 الوحدة الثانية :المجال الكهربائي تجربة استهلالية :قياس قوة التنافر الكهربائية بين شحنتين بطريقة عملية 40 التجربة :1استقصاء العلاقة بين القوة الكهربائية والبعد بين الشحنتين في قانون كولوم 43 46 التجربة :2تخطيط المجال الكهربائي المنتظم بطريقة عملية 49 تجربة إثرائية :اكتشاف الإلكترون 53 أسئلة تفكير 55 الوحدة الثالثة :الجهد الكهربائي والمواسعة تجربة استهلالية :العلاقة بين فرق الجهد الكهربائي والمجال الكهربائي التجربة :1رسم خطوط تساوي الجهد عمل ًّيا التجربة :2قياس مواسعة مواسع عمل ًّيا التجربة :3المواسعة المكافئة لع ّدة مواسعات ت ّتصل على التوالي ،أو التوازي تجربة إثرائية :استقصاء العوامل المؤ ّثرة في مواسعة المواسع ذي الصفيحتين المتوازيتين أسئلة تفكير
حساب الشغل تجربة استهلالية الخلفية العلمية :لرفع جسم رأس ًّيا إلى أعلى بسرعة ثابتة؛ لا ب ّد من التأثير فيه بق ّوة خارجية ( )Fextمقدارها مسا ٍو لمقدار وزن الجسم واتجاهها بعكس اتجاه الوزن ،وعندها تكون القوة المح ّصلة المؤ ّثرة فيه صف ًرا ،وحسب القانون الأول لنيوتن ،يتح ّرك الجسم بسرعة م ّتجهة ثابتة. ∑F = Fext - F = 0 Fext = F وتبذل الق ّوة المؤ ّثرة ( )Fextفي الجسم شغ ًل ( )WFعليه عند تحريكه إزاحة (ُ )d = ∆xيعطى مقداره بالعلاقة: WF = Fext d cos θ حيث ( )θالزاوية المحصورة بين ا ّتجاهي الق ّوة المؤ ّثرة والإزاحة .وعند رفع الجسم رأس ًّيا إلى أعلى يكون مقدار هذه الزاوية صف ًرا ،و ُيحسب الشغل المبذول لتحريك الجسم إزاحة رأسية مقدارها ( )dبسرعة م ّتجهة ثابتة كما يأتي: WF = Fext d cos θ = F d = mgd الهدف: -تع ّرف مفهوم الشغل. -حساب الشغل الذي تبذله ق ّوة ثابتة مقدا ًرا وا ّتجا ًها. -استنتاج العلاقة بين وزن جسم ،ومقدار الشغل المبذول لرفعه بسرعة ثابتة. الموا ّد والأدوات: ميزان نابضي )3( ،أثقال مختلفة ( ،)100 g, 200 g, 300 gمسطرة مترية ،شريط لاصق ،حامل أثقال. إرشادات السلامة: ارتداء المعطف ،واستعمال الن ّظارات الواقية للعينين ،والحذر من سقوط الأجسام والأدوات على القدمين. 4الوحدة :1الشغل والطاقة Work and Energy
خطوات العمل: SPRING بالتعاون مع أفراد مجموعتي؛ ُأن ّفذ الخطوات الآتية: BALANCE 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 52 53 54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90 91 92 93 94 95 96 97 98 99100 gN 00 100 1 .1أضب ُط المتغ ّيراتُ :أح ّدد علامتين على المسطرة المترية باستعمال الشريط اللاصق، 200 2 300 3 400 4 500 5 600 6 700 7 800 8 900 9 1000 10 المسافة بينهما ( ،)50 cmو ُأد ّونها في جدول البيانات للمحاولات الثلاث .ثم ُيث ّبت أحد أفراد مجموعتي المسطرة المترية رأس ًّيا على سطح الطاولة. .2أقيسُ :أمسك الميزان النابض ّي رأس ًّيا في الهواء مواز ًيا للمسطرة المترية ،و ُأع ّلق حامل الأثقال في خ ّطافه ،ثم أضع الثقل ( )100 gعلى الحامل ،بحيث يكون بجانب العلامة السفلية على المسطرةُ .أد ّون قراءة الميزان في المكان المخ ّصص في جدول البيانات للمحاولة (.)1 ُ . 3ألاحظ :أرفع الثقل رأس ًّيا إلى أعلى إزاحة مقدارها ( )50 cmبسرعة ثابتة تقري ًبا ،و ُيلاحظ أحد أفراد مجموعتي قراءة الميزان في أثناء ذلكُ .أد ّون قراءة الميزان تحت عمود الق ّوة اللازمة في جدول البيانات للمحاولة (.)1 ُ .4أك ّرر الخطوتين ( )2 – 3بتعليق الثقلين ( )200 gو( )300 gك ّل على حدة في حامل الأثقال ،و ُأد ّون نتائجي في جدول البيانات. البيانات والملاحظات: المسافة ( )dوزن الحامل وثقل التعليق القوة اللازمة الشغل رقم المحاولة ()J( )N ()N ()m 1 2 0.5 3 0.5 0.5 الوحدة :1الشغل والطاقة 5 Work and Energy
التحليل والاستنتاج: .1أحس ُب الشغل المبذول لرفع ك ّل ثقل؛ بضرب مقدار الق ّوة اللازمة لرفعه في مقدار الإزاحة التي تح ّركها ،و ُأد ّونه في جدول البيانات. ............................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................... ُ . 2أقارن :أ ّي الأثقال لزم لرفعه بذل شغل أكبر؟ ُأف ّسر إجابتي. ............................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................... .3أستنت ُج العلاقة بين وزن الثقل ومقدار الشغل المبذول لرفعه بسرعة ثابتة. ............................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................... ُ .4أح ّلل البيانات و ُأف ّسرها :لماذا رفع ُت الثقل بسرعة ثابتة؟ ُأف ّسر إجابتي. ............................................................................................................................................................... ............................................................................................................................................................... 6الوحدة :1الشغل والطاقة Work and Energy
مبرهنة (الشغل -الطاقة الحركية) التجربة 1 الخلفية العلمية: عندما تبذل ق ّوة مح ّصلة خارجية شغ ًل على جسم ،تتغ ّير طاقته الحركية ،ويكون مقدار التغ ّير في طاقته الحركية مساو ًيا لشغل القوة المح ّصلة الخارجية المؤ ّثرة فيه .و ُيع ّبر عن ذلك بالمعادلة الآتية: = WF = ∆KE 1 ˗ mvf 2 1 mvi 2 ………………………………… 1 2 2 ُتس ّمى هذه المعادلة مبرهنة (الشغل ˗ الطاقة الحركية). في هذه التجربة ،سأستقصي ص ّحة هذه المبرهنة؛ إذ يو ّضح الشكل أدناه كيفية ترتيب الموا ّد والأدوات لتنفيذ هذه التجربةُ .ألاحظ أ ّن المدرج الهوائي في وضع ُأفقي تما ًما ،وكتلة العربة ،)m (cartوكتلة ثقل التعليق (الحامل والأثقال التي عليه) ) m (hangتؤ ّثر بق ّوة الشد في الخيط الذي يبذل شغ ًل على العربة. لحساب شغل الق ّوة المح ّصلة الخارجية المبذول على العربةُ ،ألاحظ أ ّنه لا توجد ق ّوة احتكاك بين العربة والمدرج .والخيط الواصل بين البكرة والعربة خفيف مهمل الكتلة ،كما أ ّنه ُأفقي تما ًما؛ لضمان الع ّداد الزمني الرقمي أن تكــون القــ ّوة المح ّصلــة الخارجيــة المؤ ّثــرة فــي العربــة بوابة ضوئية بكرة فــي ا ّتجــاه الإزاحــة نفســه. وبتطبيـق القانـون الثانـي لنيوتـن بطاقة d = ∆x مدرج هوائي xf علــى العربــة وثقــل التعليــق حامل أثقال ك ّل علــى حــدة ،أحصــ ُل علــى S المعـــادلتين الآتيتيــن: cart xiعربة F = m cart a ………………………………….…………… 2 T –F m hang T …………= m hang a …….............................. 3 وبجمع المعادلتين ( )2و( ،)3أحص ُل على معادلة حساب تسارع العربة وثقل التعليق: a = m hang …….......................................………… 4 m hang + m cart حيث ،)∑F = F = mcart (a العربة في المؤ ّثرة المح ّصلة الق ّوة تكون لنيوتن، الثاني القانون حسب T القوة المحصلة مساوية لق ّوة الشد في الخيط ،وأحس ُب شغلها الذي تبذله في تحريك العربة إزاحة WF = ∑Fd = F d = m cart ad مقدارها ( )dفي ا ّتجاهها بالعلاقة: T وبتعويض التسارع من المعادلة ( )4في معادلة حساب الشغل ،أحص ُل على المعادلة الآتية: = ( m )m mW cart hang d .........................…....……… 5 mF hang + cart الوحدة :1الشغل والطاقة 7 Work and Energy
ُتعطي المعادلة السابقة الشغل الذي تبذله ق ّوة مح ّصلة خارجية عند تحريكها العربة إزاحة ( )dفي ا ّتجاهها. وبحساب التغ ّير في الطاقة الحركية للعربة؛ أستطيع ال ُحكم على ص ّحة مبرهنة (الشغل – الطاقة الحركية). و ُيمكنني استعمال ب ّوابات ضوئية لقياس سرعة العربة عند مواقع مختلفة في أثناء حركتها؛ إذ ُأث ِّبت بطاقة خاصة فوق العربة طولها ( ،)Sوتقيس كل بوابة الفترة الزمنية ( )∆tالتي تستغرقها هذه البطاقة في عبورها. = .) vf S ( ومن ثمُ ،يمكنني حساب سرعة العربة عند تلك اللحظة بالعلاقة: ∆t وبافتراض الطاقة الحركية الابتدائية للعربة صف ًرا ()KEi = 0؛ لأ ّنها انطلقت من السكون ،يكون التغ ّير في الطاقة الحركية للعربة مساو ًيا طاقتها الحركية النهائية بعد قطعها إزاحة مقدارها ( )dمن موقعها الابتدائي .وأحس ُب التغ ّير في طاقتها الحركية.)∆KE = KEf - KEi = KEf ( : الهدف: -استقصاء العلاقة بين الشغل الذي تبذله ق ّوة مح ّصلة خارجية ثابتة على جسم ،والتغ ّير في طاقته الحركية. -إصدار حكم على ص ّحة مبرهنة (الشغل – الطاقة الحركية). -اكتساب مهارة تصميم التجارب ،وتنفيذها. الموا ّد والأدوات: مدرج هوائي وملحقاته ،مسطرة مترية ،بكرة ،خيط ،حامل أثقال 10 ،أثقال كتلة ك ّل منها ( ،)10 gميزان. إرشادات السلامة: ارتداء المعطف واستعمال الن ّظارات الواقية للعينين ،والحذر من سقوط الأجسام والأدوات على القدمين. 8الوحدة :1الشغل والطاقة Work and Energy
خطوات العمل: بالتعاون مع أفراد مجموعتي؛ ُأن ّفذ الخطوات الآتية: ُ . 1أث ّبت المدرج الهوائي أفق ًّيا على سطح الطاولة ،ث ّم ُأث ّبت البكرة في نهايته كما في الشكل ،ثم ُأث ّبت المسطرة المترية على سطح الطاولة ،بحيث يكون صفرها عند بداية المدرج. . 2أقيس طول البطاقة ( )Sالخا ّصة بالعربة ثم ُأث ّبتها عليها ،وأد ّون طولها للمحاولات جميعها في الجدول (.)1 . 3أقيس كتلة العربة المنزلقة ) m (cartو ُأد ّونها أعلى الجدول ،ث ّم أضع العربة عند بداية المدرج عند الموقع (.) xi = 0 m . 4أقيس :أضع أثقا ًل مناسبة ( 50 gمث ًل) على حامل الأثقال ،ث ّم أقيس كتلة الحامل وأثقاله ) m (hang و ُأد ّونها أعلى الجدول. .5أرب ُط أحد طر َفي الخيط بمق ّدمة العربة ،ث ّم أربط طرفه الآخر بحامل الأثقال مرو ًرا بالبكرة ،مراع ًيا وصول العربة إلى نهاية المسار على المدرج قبل ملامسة حامل الأثقال أرضية الغرفةُ .أث ّبت حاجز الاصطدام في نهاية المسار؛ لمنع اصطدام العربة بالبكرة. ُ .6أث ّبت الب ّوابة الضوئية عند الموقع ( ،)xf = 40 cmثم أصلها بالع ّداد الزمني الرقمي ،ثم أصله بمصدر الطاقة الكهربائية ث َّم ُأش ّغلهُ .أد ّون ُبعد البوابة الضوئية عن مق ّدمة العربة ( ) d = xf -x iللمحاولة ()1 في الجدول. ُ .7أج ّربُ :أش ّغل مض ّخة الهواء ،ث ّم ُأفلت العربة لتتح ّرك من السكون ،و ُألاحظ قراءة العداد الزمني الرقمي ( )∆tالذي ُيم ّثل الزمن الذي تستغرقه البطاقة التي على العربة في عبور البوابة الضوئيةُ .أد ّون هذا الزمن في الجدول للمحاولة (.)1 ُ . 8أك ّرر الخطوتين ( )7 - 6م ّرتين مع تغيير موقع البوابة الضوئية في كل م ّرة ،و ُأد ّون في الجدول القياسات الجديدة لك ّل من ،)d( :و(.)∆t ُ .9أك ّرر التجربة م ّرة ُأخرى بزيادة الأثقال على الحامل. ......................................................................................................... الوحدة :1الشغل والطاقة 9 Work and Energy
البيانات والملاحظات: m hang = kg m cart = kg v i = m/s KE i = J vf 2 vf الجدول ()1 S رقم المحاولة )m/s(2 ()m/s ()m ∆t d = xf -xi 1 0.1 2 ()s( )m 0.1 3 0.1 الجدول ()2 WF _ ∆KE ∆KE WF رقم المحاولة ()J ()J ()J 1 2 3 التحليل والاستنتاج: .1أحس ُب مقدار السرعة النهائية للعربة لكل محاولة ،باستعمال العلاقة: S = ، )vfث ّم أجد مر ّبع هذه السرعة ،و ُأد ّون الحسابات في الجدول (.)1 ∆t ( ......................................................................................................... ......................................................................................................... 10الوحدة :1الشغل والطاقة Work and Energy
.2أحس ُب مقدار شغل الق ّوة المح ّصلة الخارجية المؤ ّثرة في العربة لكل محاولة ،باستعمال العلاقة: m mcart hang ،)WFث ّم ُأد ّونه في الجدول (.)2 (= m mhang + ) (d cart ......................................................................................................... ....................................................................................................... .3أحس ُب مقدار التغ ّير في الطاقة الحركية للعربة لكل محاولة باستعمال العلاقة: ( ،) ∆KE = KEf - KEiث ّم ُأد ّونه في الجدول (.)2 ......................................................................................................... ....................................................................................................... ُ .4أقارن بين ( ،)WFو( )∆KEلك ّل محاولة .ما العلاقة بينهما؟ هل يوجد أي اختلاف بينهما؟ ُأف ّسر إجابتي. ......................................................................................................... ......................................................................................................... ...................................................................................................... ُ .5أح ّلل :هل د ّعمت نتائجي التجريبية التي حصلت عليها مبرهنة (الشغل -الطاقة الحركية)؟ ُأو ّضح سبب وجود أي اختلاف بينهما. ......................................................................................................... ....................................................................................................... ُ .6أح ّلل وأستنت ُج :هل ُيب َذل شغل على العربة عند ملامسة حامل الأثقال لأرضية الغرفة؟ ُأو ّضح إجابتي. ......................................................................................................... ......................................................................................................... ...................................................................................................... .7أتو ّقع مصادر الخطأ المحتملة في التجربة. ......................................................................................................... .. ....................................................................................................... ......................................................................................................... ..................................................................................................... الوحدة :1الشغل والطاقة 11 Work and Energy
بناء ُأفعوانية STEAM تجربة إثرائية الخلفية العلمية: الطاقـة الميكانيكيـة لأ ّي نظـام محفوظـة عندمـا تكـون القـــوى التـــي تبـــذل شـــغ ًل فيـــه محافظـــة ،وبذلـــك تبقـــى الطاقـــة الميكانيكيـــة للنظـــام ثابتـــة .وجـــرت الاســـتفادة مـــن حفـــظ الطاقـــة الميكانيكيـــة فـــي تصميــم كثيــر مــن الأجهــزة والأنظمــة الميكانيكيــة والألعـــاب ،ومنهـــا :لعبـــة الأُفعوانيـــة. تعتمد عربات الأُفعوانية في عملها على طاقة الوضع الناشئة عن الجاذبية؛ إذ ُتع ّد ق ّوة الجاذبية هي الق ّوة المح ّركة للعربات في أغلب الأُفعوانيات .بداي ًةُ ،تج ّر عربات الأُفعوانية إلى الت ّل الأول الذي يكون أعلى ت ّل (منحدر) في مسار حركتها ،وعندها تكون الطاقة الميكانيكية للعربات طاقة وضع ناشئة عن الجاذبية ،وتكون قيمتها عظمى؛ إذ الطاقة الحركية صفر. وعندما تبدأ عربات الأُفعوانية هبوطها إلى أسفل الت ّل الأول ،تتح ّول طاقة الوضع المختزنة فيها إلى طاقة حركية .وعندما تعاود العربات الصعود إلى أعلى ت ّل آخر ارتفاعه أق ّل فإ ّنها تتباطأ ،ويتح ّول جزء كبير من طاقتها الحركية إلى طاقة وضع ناشئة عن الجاذبية .ولا ُيمكن للعربات أن تصعد ت ًّل له الارتفاع نفسه للت ّل الأول؛ لأ ّنها تفقد جز ًءا من طاقتها الميكانيكية نتيجة تأثير قوى الاحتكاك من الهواء ومسار الحركة في الأُفعوانية ،وهو ما يتس ّبب في التباطؤ التدريجي لحركة العربات .تتوالى عملية تح ّول الطاقة بين طاقة الوضع وطاقة الحركة في أثناء حركة العربات صعو ًدا ونزو ًل ،عبر التلال والمنعطفات في مسار حركتها ،حتى تعود إلى نقطة البداية. يكون مجموع طاق َتي الوضع والحركة والطاقة المفقودة نتيجة الاحتكاك لنظام (العربة والمسار والأرض) دائ ًما مساو ًيا الطاقة الميكانيكية الابتدائية (طاقة الوضع الناشئة عن الجاذبية الابتدائية عندما تبدأ العربات حركتها من السكون) ،ولا ُيمكن أن يكون المجموع أكبر منها؛ لذاُ ،يراعي مص ّممو الأُفعوانيات أن يكون للعربات ما يكفي من طاقة الوضع الابتدائية؛ كي تتم ّكن من قطع مسار الحركة المخ ّصص لها كام ًل .وهذا بدوره يضع بعض القيود والمح ّددات على التصميم؛ فمث ًل ،لا ُيمكن لعربات الأُفعوانية أن تتح ّرك عبر مسار حلقي رأسي أو تصعد ت ًّل يزيد ارتفاعهما عن ارتفاع التل الأول الذي انطلقت منه؛ لأ ّن ذلك يتط ّلب طاق ًة تفوق الطاقة التي تمتلكها العربات .أي ًضا ،إذا كان 12الوحدة :1الشغل والطاقة Work and Energy
مسار حركة العربات طوي ًل للغاية؛ فإ ّن ق ّوة الاحتكاك المؤ ّثرة فيها قد تؤدي إلى تو ُّقفها قبل بلوغها نقطة النهاية .في هذا الاستقصاء ،تؤخذ هذه القيود والمح ّددات في الحسبان في أثناء تصميم نموذج لعبة الأُفعوانية ،وسيواجه الطلبة ع ّدة مشكلات وتحديات وقيود ،هي نفسها التي يواجهها مهندسو الأُفعوانيات ويعالجونها عند تصميمهم ُأفعوانية وبنائها .ولتصميم أفعوانية تعمل جي ًدا وبنائها؛ يجب بداي ًة التع ّرف إلى :القيود والمح ّددات المفروضة على التصاميم ،وتصميم نموذج ُأفعوانية وف ًقا للقوانين الأساسية في الفيزياء .ويتع ّلم الطلبة أ ّن قدرتهم على فهم هذه القيود والعمل ضمنها أمر بالغ الأهمية لنجاح نموذج الأُفعوانية. يهدف هذا الاستقصاء إلى تصميم ناجح ومبتكر لنماذج ُأفعوانيات ُتح ّركها ق ّوة الجاذبية وبنائها. و ُيق ّوم الطلبة فاعلية هذه التصاميم محاكا ًة لما يفعله المهندسون الميكانيكيون عند تطبيقهم علوم الهندسة والفيزياء والموا ّد ،في أثناء تصميم الأنظمة الميكانيكية وتحليلها وتصنيعها وصيانتها. المعرفة المسبقة: معرفة أساسية عن القوى ،وخا ّصة ق ّوة الجاذبية وق ّوة الاحتكاك ،وإلمام بالطاقة الحركية وطاقة الوضع الناشئة عن الجاذبية والتح ّولات بينهما ،وحفظ الطاقة الميكانيكية ،وتوافر معرفة وفهم للقانون الثاني لنيوتن في الحركة ،والمفاهيم الأساسية اللازمة لوصف الحركة ،مثل :الموقع والسرعة والتسارع. الهدف: -استنتاج أه ّمية فهم المهندسين لآلية عمل الأُفعوانيات. -استقصاء القيود والمح ّددات التي لها علاقة بعمل الأُفعوانية. -تصميم ناجح ومبتكر لنماذج ُأفعوانيات ُتح ّركها ق ّوة الجاذبية ،ضمن معايير وشروط ُمع ّينة. -مناقشة تأثيرات قوى الجاذبية والاحتكاك في حركة عربات الأُفعوانية في سياق تصاميمهم. -استعمال حفظ الطاقة الميكانيكية لشرح تصاميم ُأفعوانياتهم. -بناء نموذج ُأفعوانية ناجح ومبتكر ،يتض ّمن الإثارة و ُيراعي اشتراطات الأمان والسلامة. -جمع البيانات المتع ّلقة بحركة الكرات في نموذج الأفعوانية ،وتنظيمها. -توضيح كيفية عمل نماذج الأُفعوانيات الخاصة بهم؛ مستخدمين مصطلحات فيزيائية. -تقويم التصميم بنا ًء على نتائج التجربة. الوحدة :1الشغل والطاقة 13 Work and Energy
الموا ّد والأدوات: مجرى بلاستيكي مرن طوله ( )2 mفيه تجويف على شكل حرف ( ،)Uكرة خشبية ،كرة زجاجية ،كرة فولاذية ،كوب ورقي أو بلاستيكي ،شريط لاصق ،مجموعة من أقلام التخطيط أو الطباشير الملون أو أقلام الرصاص ،ساعة إيقاف ،مسطرة مترية ،حوامل فلزية أو دعامات لتثبيت نموذج الأُفعوانية. إرشادات السلامة: -لبس الن ّظارة الواقية ،وارتداء الق ّفازين ومريول المختبر. -الحذر عند استعمال الكرات ،وجمع أ ّي كرات تسقط على الأرض؛ لأ ّن الانزلاق عليها خطير. -التأكيد على الطلبة بعدم اللعب بالكرات برميها أو بلعها. خطوات العمل: الجزء الأول: بالتعاون مع أفراد مجموعتي؛ ُأجيب عن الأسئلة الآتية: ُ . 1أح ّدد بعض القيود والمح ّددات التي يجب على المهندسين أخذها في الحسبان عند تصميمهم نموذج الأُفعوانية. 14الوحدة :1الشغل والطاقة Work and Energy
ُ .2أح ّدد المفاهيم الفيزيائية التي تع ّلمتها ،التي ستكون مفيدة ومهمة ج ًّدا لتطبيقها عند تصميم نموذج الأُفعوانية. .3كيف ُأو ّظف هذه المفاهيم و ُأترجمها؛ للتغ ّلب على التحديات التي تواجهني عند تصميم نموذج ُأفعوانية يو ّفر تجربة مثيرة وآمنة للركاب؟ الجزء ا لثاني: بالتعاون مع أفراد مجموعتي؛ ُأن ّفذ الخطوات الآتية: : . 1قبل البدء بتصميم نموذج الأُفعوانية ،أنظ ُر إلى معايير تقييم نموذج الأُفعوانية المو ّضحة في الجدولين ( )1و( ،)2والتي ُتح ّدد أكثر نماذج الأُفعوانيات نجا ًحا وابتكا ًرا. .2في نموذج الأفعوانيةُ ،تم ّثل الكرة الخشبية عربة فارغة من الر ّكاب ،و ُتم ّثل الكرة الزجاجية عربة غير ممتلئة بالر ّكاب ،و ُتم ّثل الكرة الفولاذية عربة ممتلئة بالر ّكاب. ُ .3أناقش :تبدأ كل مجموعة في تصميم نموذج ُأفعوانيتها بعد عمل جلسة عصف ذهني داخل المجموعة الوحدة :1الشغل والطاقة 15 Work and Energy
وتبادل الأفكار والمناقشة من أجل الاتفاق على التصميمُ .يمكن الرجوع إلى شبكة الإنترنت للا ّطلاع على بعض تصاميم الأُفعوانيات. ُ .4أص ّمم :أرسم نموذج الأفعوانية في الفراغ أدناه ،ثم أعرض التصميم المقترح على المع ِّلم؛ للتأ ّكد من أ ّنه صحيح وممكن فيزيائ ًّيا ،وإذا لم يكن كذلك فأتلقى تغذية راجعة من المع ّلم عن طريق الإشارة إلى جوانب تصميم الأُفعوانية التي تحتاج إلى تحسين أو تعديل .ثم ُأعيد رسم التصميم أو ُأع ّدله حسب توجيهات المع ّلم. ُ .5أناقش أفراد مجموعتي في كيفية تحويل التصميم إلى واقع ،وبناء نموذج ُأفعوانية قابل للعمل والتطبيق. .6أبني نموذج الأُفعوانية ،و ُأد ّون مواصفات ُأفعوانيتي في الجدول (.)3 .7تضع ك ّل مجموعة نموذج ُأفعوانيتها في المنطقة ال ُمخ ّصصة لعمل الاختبارات في المختبر. . 8تختبر ك ّل مجموعة نموذج ُأفعوانيتها أمام بقية المجموعات؛ بوض ِع الكرات ك ّل على حدة عند بداية مسار حركة الأفعوانية ،ثم إفلاتها وملاحظة حركتها .أستعم ُل الكوب عند نهاية مسار حركة الأفعوانية لالتقاط الكرات. . 9عمل تقييم لتع ّرف فاعلية نموذج الأُفعوانية لك ّل مجموعة ،بنا ًء على معايير تقييم نموذج الأُفعوانية المو ّضحة في الجدولين ( )1و(.)2 16الوحدة :1الشغل والطاقة Work and Energy
البيانات والملاحظات: الجدول ( :)1قائمة نقاط الإبداع وعلاماتها. العلامة المستحقة العلامة لكل نقطة إبداع نقاط الإبداع عددها 1 ك ّل ارتفاع ()0.5 m 1 انعطاف بمقدار (˚)90 2 انعطاف بمقدار (˚)180 3 انعطاف بمقدار (˚)270 3 4 حلقة رأسية مسار لولبي الجدول ( :)2قائمة نقاط الأداء وعلاماتها. العلامة المستحقة العلامة نقاط الأداء أكملت الكرة الخشبية مسارها بنجاح 3 أكملت الكرة الزجاجية مسارها بنجاح 3 أكملت الكرة الفولاذية مسارها بنجاح 3 الجدول ( :)3مواصفات الأُفعوانية. العلامة نقاط الأداء ارتفاع الأفعوانية ()m عدد الحلقات عدد المنعطفات عدد المسارات اللولبية الوحدة :1الشغل والطاقة 17 Work and Energy
التحليل والاستنتاج: الجزء الثاني: .1أحس ُب طاقة الوضع الناشئة عن الجاذبية ،لك ّل كرة في نموذجي عند بداية مسارها. .2أحس ُب سرعة حركة ك ّل كرة عند أدنى موقع في مسارها في نموذجي بإهمال قوة الاحتكاك .ماذا أستنت ُج؟ ُ .3أقارن بين مقدار طاقة الوضع الناشئة عن الجاذبية لك ّل كرة في نموذجي عند بداية مسار حركتها، وطاقتها الحركية عند أخفض موقع في مسار حركتها .ماذا أستنت ُج؟ ُ . 4أب ّين :لماذا اندفع الكوب بعد اصطدام الكرات به؟ . 5أستنت ُج :أ ُّي الكرات سرعتها أكبر عند نهاية مسار الأُفعوانية؟ 18الوحدة :1الشغل والطاقة Work and Energy
ُ .6أناقش :إذا لم تعمل الأُفعوانية جي ًدا ،بحيث لم تصل الكرات إلى نهاية مسار الأفعوانية ،أو سقطت عن مسارها عند المسار الحلقي الرأسي أو المسار اللولبي ،ف ُأح ّدد المشكلة أو المشكلات في التصميم. ُأناقش أفراد مجموعتي عن رأيهم بها. ُ .7أصدر حك ًما على تصميمي لل ُأفعوانية؛ استنا ًدا إلى المعايير الواردة في الجدولين ( )1و(.)2 ُ .8أناقش :بنا ًء على نتائج التجربة ،إذا كن ُت مهند ًسا فكيف ُأع ّدل تصميم ُأفعوانية بحيث أزيد سرعة عرباتها عند أخفض مواقع مسارها؟ .9أ ّي نماذج الأفعوانيات أكثر إثارة؟ وأ ّيها أكثر أما ًنا؟ الوحدة :1الشغل والطاقة 19 Work and Energy
.10أ ّي نماذج الأُفعوانيات فازت نتيجة الإبداع في تصميمها؟ وأ ّيها فازت نتيجة أدائها ومراعاتها شروط الأمان والسلامة؟ .11أي نماذج الأفعوانيات واجه التحديات بأفضل طريقة لكل من التصميم المثير ومراعاة شروط الأمان والسلامة؟ . 12ماذا تع ّلم ُت من اختبار نموذجي؟ . 13إذا ُأتيحت لي الفرصة لإعادة تصميم نموذج الأُفعوانية ،فما التحسينات والتعديلات التي س ُأدخلها عليه؟ لماذا؟ 20الوحدة :1الشغل والطاقة Work and Energy
ُ . 14أناقش :ماذا سيحدث إذا تجاهل المهندسون القوانين الأساسية في الفيزياء في تصميماتهم؟ .15تفكير ناقد :ما مدى ارتباط عملي في هذا الاستقصاء بعمل المهندسي َن الميكانيكيي َن؟ .16تفكير ناقدُ :أح ّدد خطوات التصميم الهندسي وتقنياته ،التي استخدمتها في هذا الاستقصاء؟ الوحدة :1الشغل والطاقة 21 Work and Energy
أسئلة تفكير أينما يلزم أفترض تسارع السقوط الحر ( ، ( = 10 m/s2ما لم ُيذكر غير ذلك. ُ -1أف ّسر :الشغل الذي تبذله قوة مركزية لتحريك كرة حركة دائرية منتظمة دورة واحدة ،يساوي الشغل الذي تبذله القوة نفسها لتحريك الكرة 10دوراتُ .أف ّسر إجابتي. -2أستعم ُل المتغ ّيرات :ز ّلجة كتلتها ( )3 kgتنزلق على سطح جليدي ُأفقي نحو اليمين ،بسرعة مقدارها ( .)2 m/sإذا أ ّثرت فيها ق ّوة مح ّصلة ُأفقية مقدارها ( )20 Nفي اتجاه حركتها نفسه ،إزاحة مقدارها ( ،)5 mفأحس ُب مقدار: أ -الشغل الذي بذلته الق ّوة المح ّصلة الخارجية على الز ّلجة. ب -الطاقة الحركية الابتدائية للز ّلجة. جـ -التغ ّير في الطاقة الحركية للز ّلجة. د -السرعة النهائية للز ّلجة. هـ -شغل القوة العمودية خلال هذه الإزاحة. 22الوحدة :1الشغل والطاقة Work and Energy
A -3يو ّضح الشكل أدناه ُأفعوانية الكتلة الكلية لعربتها ( )2 × 102 kgتتح ّرك من السكون من ت ّل ارتفاعه C 80 m B (( )80 mالموقع )Aإلى أسفل الت ّل مرو ًرا بالموقع ( ،)Bو ُتكمل مسارها ما ّرة بالموقع (60 m ،)C 20 m على مسار مهمل الاحتكاك .أستعي ُن بالشكل المجاور لأحس َب مقدار ما يأتي: أ -سرعة عربة الأُفعوانية عند الموقع (.)B ب -الطاقة الميكانيكية للعربة عند الموقع (.)C جـ -الشغل الذي تبذله ق ّوة الجاذبية على عربة الأُفعوانية في أثناء حركتها من الموقع ( )Aإلى الموقع (.)C الوحدة :1الشغل والطاقة 23 Work and Energy
-4التفكير الناقد :تتسارع س ّيارة كتلتها ( )1.5 ×103 kgعلى طريق ُأفقي من السكون إلى سرعة ( )25 m/sخلال إزاحة مقدارها ( ،)2.25 ×102 mإذا كانت قوة الاحتكاك الحركي المؤ ّثرة في السيارة ( ،)2 ×103 Nفأحس ُب مقدار ما يأتي: أ -شغل ق ّوة الاحتكاك الحركي. ب -الشغل الذي يبذله مح ّرك السيارة عليها. جـ -القدرة المتو ّسطة لمح ّرك السيارة. 24الوحدة :1الشغل والطاقة Work and Energy
قياس ق ّوة التنافر الكهربائية بين تجربة شحنتين بطريقة عملية استهلالية الخلفية العلمية: تنشأ ق ّوة كهربائية بين الأجسام المشحونة ،وتكون على شكل كرة فلزية تنافر إن كانت شحنتا الجسمين متشابهتين ،وعلى شكل تجاذب إن كانت شحنتا الجسمين مختلفتين .ويتناسب مقدار الق ّوة B طرد ًّيا مع مقدار ك ّل من الشحنتين ،وعكس ًّيا مع مر ّبع البعد بين مرك َزي الجسمين المشحونين. حزام مطاطي في هذه التجربة ،نستعمل كرتين خفيفتين من البولسترين ،كي عازل يكون أثر الق ّوة واض ًحا عند قياسها مقارنة بوزن الكرة .مع مراعاة عازل التدريج المب ّين على الميزان الح ّساس إن كان يقيس كتلة أو ق ّوةA . وس ُتغلف الكرتان بورق الالمنيوم ل ُتصبح الكرة موصلة و ُيمكن شحنها. تأريض مولد فان دي غرافThe Van de Graff Generator : جهاز كهربائي ُيستعمل في الأبحاث والتجارب العلمية ،إضافة إلى استعماله لتوضيح بعض تطبيقات وظواهر الكهرباء الساكنة .والنسخة الأولى من هذا الجهاز ُصنعت في عام 1931على يد عالم الفيزياء الأمريكي روبرت فان دي غراف ،من أجل استعماله في أبحاث الفيزياء النووية؛ عن طريق توليد ك ّمية كبيرة من الكهرباء الساكنة ذات الجهد المرتفع. يتك ّون الجهاز من مصدر للشحنات ،وفرشاة فلزية ذات رؤوس مد ّببة ( ،)Aتنقل الشحنة الموجبة إلى حزام عازل يحملها إلى أعلى الجهاز؛ إذ توجد فرشاة فل ّزية ثانية ( ،)Bتلتقط الشحنات الموجبة من الحزام وتنقلها إلى موصل فل ّزي كروي الشكل ومعزول ،ح ّتى تتجمع على هذا الموصل ك ّمية كبيرة من الشحنة الكهربائية الموجبة ،تعمل على رفع جهده إلى مقدار كبير .وبما أ ّن الفرشاة ()B تلامس الموصل الكروي من الداخل؛ فإ ّن الشحنات لا تستقر على الفرشاة ولا على السطح الداخلي للموصل ،بل تنتشر على سطحه الخارجي. نستعمل كرات من البولسترين ،أو أ ّية ما ّدة خفيفة أخرى ،كي تتح ّرك بسهولة بتأثير القوة الكهربائية. و ُنغ ّلفهما بالألمنيوم كي ُتصبح موصلة ،وعند شحنها نستعمل أداة مرافقة للمو ّلد ،هي موصل كروي صغير له مقبض عازل ،تجري ملامسته لكرة مو ّلد فان دير غراف ثم ملامسته للكرة المراد شحنها. الوحدة : 2المجال الكهربائي 25 Electric Field
الهدف: -الحصول على أجسام مشحونة باستعمال مو ّلد فان دي غراف. -قياس قوة التنافر بين شحنتين متماثلتين. منصب فلزي الموا ّد والأدوات: مقبض عازل ميزان رقمي ح ّساس )3( ،كرات بولسترين (أقطارها5, 5, 10 cm : تقري ًبا) ،ورق ألمنيوم ،منصب فلزي ،معجون ،مقبض عازل عدد ( ،) 3مو ّلد فان دي غراف .كرتين ميزان حساس مقبض عازل إرشادات السلامة: قطعة تحذير جهد عا ٍل -عدم لمس كرة مو ّلد فان دي غراف وهو يعمل. معجون خطوات العمل: بالتعاون مع أفراد مجموعتي؛ ُأن ّفذ الخطوات الآتية: . 1أغر ُز مقب ًضا عاز ًل في ك ّل كرة بولسترين ،ث ّم ُأغ ّلف الكرة جي ًدا بورق الألمنيوم (لماذا؟). ُ .2أش ّغل الميزان و ُأث ّبت إحدى الكرتين الصغيرتين ومقبضها العازل فوق الميزان باستعمال قطعة معجون ،أو بأ ّية طريقة مناسبة ،و ُألاحظ قراءته بوحدة ،kgثم أض ِر ُب القراءة في تسارع السقوط الحر؛ لحساب وزن الكرة والمقبض م ًعا ( ،)W1و ُأد ّونه. ُ .3أث ّبت الكرة الصغيرة الثانية ومقبضها العازل في المنصب الفلزي ،كما في الشكل. ُ . 4أش ّغل مو ّلد فان دير غراف بمساعدة المع ّلم ،وأشحن به ك ًّل من الكرتين ،بملامسة كرة المو ّلد للكرتين م ًعا في اللحظة نفسها. ُ . 5أق ّرب المنصب الفلزي من الميزان الح ّساس ل ُتصبح كرة المنصب فوق كرة الميزان ،من دون أن تتلامسا. ُ .6ألاحظ قراءة الميزان بوحدة kgو ُأد ّونها ،وأض ِر ُب القراءة في تسارع السقوط الحر لحساب الوزن ( ،)W2عل ًما بأ ّن :الق ّوة الكهربائية = فرق الوزنين (.)W2 – W1 ُ . 7أغ ّير إحدى الكرتين بالكرة الكبيرة ث ّم ُأعيد شحنهما ،و ُأك ّرر الخطوات السابقة جميعها. 26الوحدة : 2المجال الكهربائي Electric Field
التحليل والاستنتاج: . 1أستنت ُج أه ّمية المقبض العازل الذي ُتث ّبت به ك ّل كرة. .................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................. ُ .2أف ّسر كيف حصل ُت على شحنتين متماثلتين على الكرتين الصغيرتين ،وكيف حصل ُت على شحنتين غير متساويتين؛ عند استعمال كرة كبيرة و ُأخرى صغيرة. .................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................. .3بنا ًء على قراءات الميزانُ ،أح ّدد ا ّتجاه الق ّوة الكهربائية المؤ ّثرة في الشحنة السفلى في كل محاولة ومقدارها. .................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................. .4أتو ّقع :كيف سيكون تأثير زيادة المسافة الرأسية بين الكرتين ،أو إنقاصها؟ .................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................. ُ . 5أع ّلل لماذا ُتصنّف الق ّوة الكهربائية بأ ّنها قوة تأثير عن ُبعد. .................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................. الوحدة : 2المجال الكهربائي 27 Electric Field
استقصاء العلاقة بين القوة الكهربائية التجربة 1 والبعد بين الشحنتين في قانون كولوم الخلفية العلمية: يصف قانون كولوم العلاقة الرياضية بين مقدار الق ّوة الكهربائية الناشئة بين جسمين مشحونين ،وكتلة ك ّل منهما ،والمسافة بين مرك َزي الجسمين المشحونين .وفي هذه التجربة ،سيكون التركيز على أثر التغ ّير في المسافة على مقدار القوة ،إذ تتناسب القوة الكهربائية عكس ًّيا مع مربع المسافة؛ لذا ،توصف العلاقة الرياضية لقانون كولوم بالتربيع العكسي. تجدر الإشارة إلى أ ّن التجربة تتض ّمن مسافتين مختلفتين؛ الأولى هي البعد بين مرك َزي الكرتين المشحونتين ( ،)rوهذه المسافة ُتع ّوض في قانون كولوم ،حسب العلاقة: F= k Q1 Q2 r2 أ ّما المسافة الثانية المم ّثلة على الشكل بالرمز ( )dفهي البعد بين الموقع النهائي للكرة المتح ّركة ()B عند تأ ّثرها بالقوة الكهربائية ،والموقع الابتدائي لها وهي مع ّلقة رأس ًّيا عندما لا تتأ ّثر بقوة كهربائية ،وهذه المسافة ُتش ّكل الضلع المقابل للزاوية ( )θفي مثلث قائم الزاوية ،وتفيد في معرفة قياس هذه الزاوية. عند حدوث التنافر ،تستق ّر الكرة ( )Bلحظ ًّيا؛ فتتزن سكون ًّيا تحت تأثير T 3قوى؛ هي وزن الكرة ( )mgوالذي يمكن قياسه باستعمال ميزان T cos θ θ حساس ،وق ّوة الشد في الخيط ( ،)Tوق ّوة التنافر الكهربائي ( ،)Fالتي T sin θ نسعى لمعرفتها. m يؤ ّثر وزن الكرة رأس ًّيا نحو الأسفل ،با ّتجاه محور ( ،)-yفي حين تؤ ّثر F القوة الكهربائية ُأفق ًّيا با ّتجاه محور ( ،)+xأ ّما الش ّد ( )Tفي الخيط فيلزم تحليله إلى ُمر ّكبتين (كما في الشكل) ،هما: T cos θ, T sin θ ونتيجة الاتزان السكوني؛ فإ ّن: T sin θ=F T cos θ=m بقسمة المعادلة الأولى على المعادلة الثانية ،نحصل على العلاقة الآتية: T sin θ F = m T cos θ F=m tan θ 28الوحدة : 2المجال الكهربائي Electric Field
من الشكل نلاحظ أ ّن: d =sin θ L وبما أ ّن الزاوية θصغيرة؛ ف ُيمكننا كتابة: d أي إ ّن: =tan θ=sin θ L F=mg d L وبما أ ّن ك ًّل من ( )m, g, Lمقادير ثابتة؛ فإ ّن قياس المسافة ( )dفي كل خطوة ،يؤ ّدي إلى معرفة مقدار القوة الكهربائية (.)F الهدف: قياس المسافة بين مرك َزي الكرتين المشحونتين، وحساب القوة الكهربائية ،ثم التو ّصل إلى علاقة AB التربيع العكسي بينهما. d الموا ّد والأدواتr : كرتان من البولسترين ،ورق ألمنيوم ،ساق بلاستيكية ،خيط نايلون رفيع طوله ( ،)50 cmمو ّلد فان دي غراف ،منصب فلزي ،طبق كرتون مد ّرج بوحدة (.)cm إرشادات السلامة: تحذير جهد عا ٍل -عدم لمس كرة مو ّلد فان دي غراف وهو يعمل. خطوات العمل: بالتعاون مع أفراد مجموعتيُ ،أن ّفذ الخطوات الآتية: ُ . 1أغ ّلف كر ّتي البولسترين بورق الألمنيوم ،ثم أقيس كتلة الكرة ( )Bو ُأع ّلقها على المنصب باستعمال خيط النايلون ،و ُأث ّبت الثانية في الساق البلاستيكية كما في الشكل ،و ُأث ّبت طبق الكرتون المد ّرج خلف الكرتين بشكل رأسي. . 2بمساعدة المع ّلمُ ،أش ّغل مو ّلد فان دي غراف وأستعمله لشحن الكرتين بشحنتين متشابهتين. الوحدة : 2المجال الكهربائي 29 Electric Field
ُ . 3أق ّرب الكرة ( )Aالم ّتصلة بالساق بشكل تدريجي من الكرة المع ّلقة ( )Bو ُألاحظ ما يحدث للكرة (.)B ُ .4أحافظ على إبقاء مركز ك ّل كرة على الخط الأفقي الواصل بينهما. . 5أقيس ك ًّل من طول الخيط ( )Lوالإزاحة الأُفقية التي حدثت للكرة المع ّلقة ( )dوالمسافة الفاصلة بين مركزي الكرتين ( ،)rو ُأد ّون النتائج في جدول خا ّص. ُ .6أح ّرك الكرة ( )Aوالساق الأُفقية با ّتجاه الكرة ( )Bالمع ّلقة ،ث ّم ُأك ّرر القياسات في الخطوة السابقة. ُ . 7ألاحظ التغ ّير في ك ّل من ( ،)r, dو ُأد ّون ملاحظاتي. ُ .8أك ّرر التجربة ( )3م ّرات ُأخرى مع تغيير موقع الكرة ( )Aفي ك ّل مرة ،ث ّم ُأد ّون القياسات. البيانات والملاحظات: أحس ُب مقدار الق ّوة الكهربائية بمعرفة وزن الكرة وك ّل من القياسات السابقة؛ باستعمال قوانين الم ّتجهات والا ّتزان السكوني. القوة ()F المسافة ()r طول الخيط ( )Lالمسافة ()d الكتلة ()m رقم ()N ()m ()m( )m ()kg المحاولة 1 2 3 4 5 30الوحدة : 2المجال الكهربائي Electric Field
التحليل والاستنتاج: .1أرس ُم مخ ّطط الجسم الحر للكرة (.)B . 2أحس ُب :بمعرفة زاوية الميل ( )θووزن الكرة ،واعتماد العلاقة ( sin θ = tan θلأ ّن الزاوية صغيرة القياس)؛ أحس ُب الق ّوة الكهربائية. .................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................. . 3أرس ُم العلاقة البيانية بين الق ّوة الكهربائية والمسافة الفاصلة بين مرك َزي الكرتين (.)r الوحدة : 2المجال الكهربائي 31 Electric Field
التجربة 2تخطيط المجال الكهربائي المنتظم بطريقة عملية الخلفية العلمية: للمجال الكهربائي المنتظم استعمالات كثيرة في تطبيقات تكنولوجية وحياتية ،وفي الأبحاث العلمية. وللحصول على المجال الكهربائي المنتظم ُيستعمل قطبان كهربائيان متقابلان ،على شكل صفيحتين متوازيتين تحملان شحنتين مختلفتين .في هذه التجربة ُتستعمل بذور نباتات خفيفة الوزن في تخطيط المجال الكهربائيُ ،يغمر القطبان بزيت نباتي خفيف ،وتوضع البذور بين القطبين المشحونين فتطفو على سطح الزيت ،وتتأ ّثر البذور بالمجال الكهربائي القوي فيحدث استقطاب لكل بذرة ،بحيث يصبح لها طرفان أحدهما موجب والثاني سالب ،ثم ُتعيد البذور ترتيب نفسها بحيث ي ّتجه الطرف الموجب نحو القطب السالب ،وبالعكس .وعند اصطفاف البذور جميعها بهذه الطريقة ،فإ ّنها ُتش ّكل خطوط المجال الكهربائي. ُيمكن استعمال أقطاب مختلفة لتخطيط المجال الكهربائي لشحنتين نقطيتين متشابهتين أو مختلفتين. لشحن القطبين ُيمكن استعمال مو ّلد فان دي غراف في شحن أحدهما بشحنة موجبة ،وتوصيل القطب الثاني بالأرض ل ُتصبح شحنته سالبة .و ُيمكن استعمال مصدر طاقة عالي الجهد لشحنهما ،عل ًما بأ ّن كلا الطريقتين تنطوي على خطورة كبيرة في التع ّرض لصعقة كهربائية عند لمس بعض الأجزاء التي تحمل الجهد المرتفع. الهدف: -استعمال البذور في تكوين خطوط المجال الكهربائي المنتظم. الموا ّد والأدوات: مصدر كهربائي عالي القدرة ( )0–3 kVأو مو ّلد فان دي غراف ،طبق بتري زجاجي ،قطبان كهربائيان من الألمنيومِ ،ق َطع بلاستيكية عازلة لتثبيت القطبين ،زيت الخروع أو أ ّي زيت نباتي قليل اللزوجة ،بذور أعشاب صغيرة الحجم (مثل بذور البقدونس). إرشادات السلامة: الحذر عند استعمال مو ّلد فان دي غراف ،وعدم لمس التوصيلات الكهربائية ومصدر الجهد. -تحذير :جهد كهربائي عا ٍل ج ًّدا ُيس ّبب صعقة كهربائية 32الوحدة : 2المجال الكهربائي Electric Field
خطوات العمل: بالتعاون مع أفراد مجموعتيُ ،أن ّفذ الخطوات الآتية: .1أضـع ك ّمية مـن الزيت فـي الطبق الزجاجي حتـى ارتفاع ( )0.5 cmتقري ًبـا ،ثـ ّم أنثـ ُر فوقهـا ك ّميـة قليلـة مـن بذور الأعشـاب ،و ُأحـ ّرك الزيـت بقضيـب زجاجـي رفيـع كي تنتشـر جيـ ًدا فـوق الزيت. ُ .2أث ّبت القطبين الكهربائيين في العازل بحيث ينغمس طرفاهما في الزيت كما في الشكل ،ثم أوصلهما بمصدر الطاقة الكهربائية أو بمو ّلد فان دي غراف (عند استعماله بد ًل عن مصدر الطاقة عالي الجهد). . 3بمساعدة معلمي أضب ُط مصدر الطاقة على جهد يقع بين ( ،)2,000 to 3,000 voltsأو ُأش ّغل مو ّلد فان دي غراف (عند استعماله بد ًل عن مصدر الطاقة عالي الجهد). ُ .4ألاحظ اصطفاف البذور بترتيب ُيشبه خطوط المجال الكهربائي المنتظم. . 5بمساعدة مع ّلمي ُأطفئ مصدر الطاقة ،أو أوقف مو ّلد فان دي غراف و ُأف ّرغ شحنته ،ث ّم ُأغ ّير المسافة بين القطبين داخل الزيت ،و ُأك ّرر خطوات التجربة. التحليل والاستنتاج: ُ . 1أف ّسر سبب استعمال زيت نباتي ،وعدم استعمال الماء في الطبق الزجاجي. .................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................. الوحدة : 2المجال الكهربائي 33 Electric Field
.2أرس ُم :أصف شكل البذور عند توصيل الجهد ،ثم أرس ُم الشكل الناتج وأكت ُب عليه ملاحظاتي. .................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................. ُ . 3أف ّسر سبب تأ ّثر بذور الأعشاب بقوى كهربائية؛ على الرغم من أ ّنه لم ُتشحن قبل التجربة. .................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................. ملحوظة :عند تع ّذر تنفيذ التجربةُ ،يمكنني الرجوع إلى مواقع الإنترنت لمشاهدة عرض فيديو للتجربة. 34الوحدة : 2المجال الكهربائي Electric Field
اكتشاف الإلكترون تجربة إثرائية الخلفية العلمية: أثبت عالم الفيزياء البريطاني ثومسون في عام 1897أ ّن الذ ّرة ليست هي المك ّون الأساس للما ّدة ،عندما لاحظ أ ّن الأش ّعة المهبطية تنحرف عن مسارها المستقيم داخل أنبوب زجاجي منخفض الضغط، عندما تتأثر بأ ّي من المجالين الكهربائي أو المغناطيسي ،وبذلك يكون قد أثبت أ ّن الاش ّعة المهبطية تتك ّون من دقائق مادية مشحونة بشحنات كهربائية ،كما ُيب ّين الشكل أدناه .وهذه الدقائق تنبعث من القطب السالب (المهبط) وتتجه نحو القطب الموجب (المصعد) ،فهي تحمل شحنة كهربائية سالبة، وهذه الدقائق التي اكتشفها ثومسون تسمى الآن (إلكترونات). مجال كهربائي منتظم الإزاحة الرأسية صفيحة سالبة مصعد فرق جهد مهبط أنبوب مفرغ صفيحة موجبة طلاء متوهج الأشعة المهبطية تم ّكن ثومسون من قياس مقدار انحراف الأش ّعة المهبطية تحت تأثير كل من المجال الكهربائي والمجال المغناطيسي ،ثم حساب نسبة كتلة الإلكترون إلى شحنته .وبتكرار هذه التجربة ،واستعمال فل ّزات مختلفة لما ّدة المهبط ،وغازات مختلفة في الأنبوب ،تب ّين أ ّن الإلكترون لا يختلف من ما ّدة إلى أخرى؛ فهو مك ّون أساس لذ ّرات الموا ّد جميعها. مك ّونات أنبوب الأش ّعة المهبطية: .1أنبوب زجاجي ش ّفاف في داخله غاز منخفض الضغط ،متسع من إحدى نهايتيه ومطلي بما ّدة متوهجةُ ،تضيء عند سقوط الأشعة المهبطية عليها. .2القطب السالب (المهبط) ،الذي يوصل مع القطب السالب لمصدر الطاقة الكهربائية ،وتنبعث منه الأش ّعة المهبطية. . 3القطب الموجب (المصعد) ،الذي يوصل مع القطب الموجب لمصدر الطاقة الكهربائية ،فيعمل على تسريع دقائق الأش ّعة المهبطية وإكسابها طاقة حركية. الوحدة : 2المجال الكهربائي 35 Electric Field
.4وحدة توجيه الأش ّعة المهبطية ،وتتك ّون من مجال كهربائي ومجال مغناطيسي خارج ّيين يتح ّكمان بانحراف الأش ّعة المهبطية ،عن طريق التغيير في مقدار أي منهما. أنشأ ثومسون مجالين كهربائي ومغناطيسي متعامدين ،يؤ ّثران في الح ّيز الذي يعبر خلاله مسار الأش ّعة المهبطية ،بحيث يعمل المجال الكهربائي على انحرافها نحو الأعلى ،ثم يعمل المجال المغناطيسي على إعادتها لمسارها الأُفقي المستقيم ،وبذلك تكون الق ّوة الكهربائية المؤ ّثرة في الإلكترون نحو الأعلى مساوية في مقدارها للق ّوة المغناطيسية المؤ ّثرة فيه نحو الأسفل ،كما هو مو ّضح في الشكل أدناه. ﳎﺎل ﻣﻐﻨﺎﻃﻴﴘ FE S ﻣﻨﺘﻈﻢ B e أﺷﻌﺔ N FB ﻣﻬﺒﻄﻴﺔ ﳎﺎل ﻛﻬﺮﺑﺎﺋﻲ ﻣﻨﺘﻈﻢ E في المرحلة الأولى ،ط ّبق ثومسون المجال الكهربائي وحده فانحرف مسار ال ُجسيمات إلى الأعلى، فقاس مقدار الانحراف وزاويته ( ،)θثم ط ّبق المجالين م ًعا ،ثم استعمل العلاقة الرياضية الآتية لحساب نسبة كتلة الإلكترون إلى شحنته: m = B2 l e Eθ إذ ُتم ّثل الرموز )m( :كتلة الإلكترون )e( ،شحنة الإلكترون )B( ،مقدار المجال المغناطيسي)E( ، مقدار المجال الكهربائي )l( ،طول أحد اللوحين الفلزين للمجال الكهربائي )θ( ،زاوية الانحراف في حالة تأثير المجال الكهربائي وحده. الهدف: -اسـتقصاء خصائـص الأشـ ّعة المهبطيـة (حزمـة الإلكترونـات) ،وهـي :لهـا كتلـة وتمتلـك طاقـة حركيـة ،تسـير فـي خطـوط مسـتقيمة ،مشـحونة بشـحنة سـالبة. -اسـتعمال أنابيـب الأشـ ّعة المهبطيـة للتح ّكـم فـي مسـار الإلكترونـات خـال المجـال الكهربائي المنتظـم ،لاسـتقصاء العلاقـة بيـن شـ ّدة المجـال والإزاحة الرأسـية للجسـيمات. 36الوحدة : 2المجال الكهربائي Electric Field
الموا ّد والأدوات : مجموعة أنابيب الأش ّعة المهبطية (أنبوب لك ّل خا ّصية) ،ملف ح ّثي (رومكورف) لتوليد الجهد المرتفع أو مصدر جهد مستمر مرتفع ،أسلاك توصيل. إرشادات السلامة: -الحذر عند التعامل مع مصدر الطاقة الكهربائية عالي الجهد وما ي ّتصل به من أسلاك وأدوات؛ إذ إ ّن الجهد المرتفع ُيحدث تفري ًغا كهربائ ًّيا وصعقة ،من دون حدوث لمس للأجزاء. خطوات العمل: بالتعاون مع أفراد مجموعتي؛ ُأن ّفذ الخطوات الآتية: . 1أصل قط َبي أنبوب الأش ّعة المهبطية الذي يحتوي على صفيحة فل ّزية بشكل صليب ،مع قط َبي الملف الح ّثي. .2أصل الملف الح ّثي مع جهد منخفض ،ثم ُأش ّغله وأراقب مسار الأش ّعة المهبطية والظ ّل المتك ّون على طرف الأنبوب للقطعة الفلزية ،ثم ُأد ّون ملاحظاتي واستنتاجاتي. ُ . 3أق ّرب قطب مغناطيس قوي من مسار الأش ّعة المهبطية ،و ُألاحظ ما يحدث و ُأد ّونه. . 4أفصل الطاقة عن الملف الح ّثي ،ثم ُأب ّدل أنبوب الأش ّعة المهبطية بآخر يحتوي في داخله على دولاب قابل للدوران ،ثم ُأش ّغل الملف و ُأد ّون ملاحظاتي. ُ .5أك ّرر الخطوة الرابعة باستعمال أنبوب يحتوي على صفيحتين فل ّزيتين متقابلتين ،وأصلهما بمصدر جهد مستمر مناسب ( ،)500 Vو ُأك ّرر فصل الصفيحتين ووصلهما بوجود حزمة الأش ّعة المهبطية ،و ُألاحظ ما يحدث و ُأد ّون ملاحظاتي. البيانات والملاحظات: عند استمعال الأنبوب الذي يحتوي على قطعة فل ّزية على شكل صليب ،لاحظ ُت: .................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................. عند تقريب أحد قط َبي المغناطيس من مسار الأش ّعة المهبطية ،لاحظ ُت: .................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................. الوحدة : 2المجال الكهربائي 37 Electric Field
عند استعمال الأنبوب الذي يحتوي على دولاب قابل للدوران ،لاحظ ُت: .................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................. عند استعمال الأنبوب الذي يحتوي على صفيحتين ُتش ّكلان مجا ًل كهربائ ًّيا منتظ ًما ،لاحظ ُت: .................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................. التحليل والاستنتاج: . 1ما الذي أستنتجه من تك ّون ظ ّل مشابه للجسم في الخطوة الثانية؟ .................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................. .2ما الذي أستنتجه من انحراف مسار الأش ّعة المهبطية ،عند تقريب قطب المغناطيس منها؟ .................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................. .3ما الذي أستنتجه من دوران الدولاب ،عند اصطدام الأش ّعة المهبطية فيه؟ .................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................. .4ما الذي أستنتجه من انحراف مسار الأش ّعة المهبطية ،عند تطبيق مجال كهربائي منتظم؟ .................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................. 38الوحدة : 2المجال الكهربائي Electric Field
أسئلة تفكير . 1تتج ّمع دقائق الغبار بصورة مستم ّرة على شاشات أجهزة التلفاز والحواسيب ،ويحدث ذلك بسبب الكهرباء الساكنة وفق الآلية الآتية: أ -تكون دقائق الغبار مشحونة بشحنة سالبة؛ فتتجاذب مع الشحنة الموجبة على الشاشة وتتر ّسب عليها. ب -ينشأ أمام الشاشة مجال كهربائي يعمل على إحداث استقطاب لدقائق الغبار العالقة في الهواء؛ فينجذب طرفها المخالف في شحنته نحو الشاشة. ج -يتس ّبب الضوء الصادر عن الشاشة في شحن دقائق الغبار عن طريق تأيينها وفقدها للإلكترونات؛ فتنجذب نحو الشاشة. د -يحتوي الهواء على إلكترونات حرة تلتصق بدقائق الغبار وتح ّولها إلى أيونات سالبة تنجذب نحو الشاشة الموجبة. .2بينما كان أحمد يقود سيارته ( )Aوصديقه حسن يقود سيارته ( ،)Bتع ّرضا لتغ ّير مفاجئ في حالة الجو وخطر متو ّقع لحدوث صاعقة؛ فتذ ّكرا ما درساه في مبحث الفيزياء عن المجالات الكهربائية ،فق ّرر ك ّل منها أن يبقى داخل س ّيارته لتحميه من خطر الصاعقة .هل كان قرارهما صائ ًبا؟ أ -القرار غير صائب؛ فكلا الس ّيارتين مصنوعتان من الحديد وهو موصل للكهرباء ،فلا تستطيع الس ّيارتان حماية السائ َقين من الخطر. ب -القرار صائب بالنسبة لكلا السائ َقين ،فس ّيارتاهما لا تلامسان الأرض بسبب العجلات العازلة ،ولا يمكن أن يحدث تفريغ للشحنات ،فكلا السائقين في وضع آمن. ج -سائق السيارة ( )Aسيكون في مأمن؛ لعدم وجود سقف لس ّيارته ،ما يجعل الشحنات الكهربائية ت ّتجه إلى مق ّدمة السيارة ومؤ ّخرتها من دون أن تصل إليه ،أ ّما السائق الآخر فقد يكون مع ّر ًضا للخطر. د -سائق السيارة ( )Bسيكون في مأمن؛ لأ ّن هيكل سيارته موصل للكهرباء ،فيحدث تفريغ الشحنات من الصاعقة إلى جسم الس ّيارة الف ّلزي ،ثم إلى الأرض من دون أن يتأ ّثر سائقها ،بينما قد يحدث تفريغ في جسم السائق الآخر؛ فالعجلات العازلة لا تمنع تفريغ الشحنة. الوحدة : 2المجال الكهربائي 39 Electric Field
تجربة العلاقة بين فرق الجهد الكهربائي استهلالية والمجال الكهربائي الخلفية العلمية: يرتبط المجال الكهربائي المنتظم Eبفرق الجهد الكهربائي بين نقطتين موضوعتين في ذلك المجال ∆Vبالعلاقة مقدار الآتية: E = ∆V d حيث dالمسافة بين النقطتين ،فك ّلما ازدادت المسافة بين النقطتين زاد فرق الجهد بينهما بافتراض المجال ثابت بالمقدار والاتجاه (منتظم) ،وإذا م ّثلت تلك العلاقة بيان ًّيا؛ فإ ّن ميل المنحنى الناتج ُيم ّثل المجال الكهربائي بين النقطتين. حوض بلاستيكي A B V C d محلول كبريتات النحاس 30 cm 0 cm مسطرة بلاستيكيةطولها 30cmمثبتة في قعر الحوض الهدف: -استقصاء العلاقة بين فرق الجهد الكهربائي والمجال الكهربائي عمل ًّيا الموا ّد والأدوات: مصدر طاقة (تيار مستمر ،)DCفولتميتر ،أسلاك توصيل )3( ،لواقط فلزية ،مسطرة بلاستيكية ( ،)30 cmحوض بلاستيكي ،محلول كهرلي قليل التركيز(محلول كبريتات النحاس) )3( ،مسامير. إرشادات السلامة: -الحذر في التعامل مع محلول كبريتات النحاس. 40الوحدة :الجهد الكهربائي والمواسعة 3Voltage and Capacitance
خطوات العمل: بالتعاون مع أفراد مجموعتي؛ ُأن ّفذ الخطوات الآتية: ُ . 1أث ّبت ك ًّل من المسطرة البلاستيكية أسفل الحوض ،ومسما ًرا عند كل طرف من طر َفي المسطرة في النقطتين ( Aو ،)Cث ّم أسكب محلول كبريتات النحاس بحذر في الحوض بحيث تبقى قاعدة المسمارين بارزة فوق المحلول كما في الشكل. . 2أصل أجزاء الدارة الكهربائية؛ بحيث ُأث ّبت طرف السلك الم ّتصل بالقطب الموجب للفولتميتر بقاعدة مسمار عند النقطة Bقابل للحركة بين النقطتين ) Aو .(C . 3أتو ّقع كيف تتغ ّير قراءة الفولتميتىر ك ّلما تح ّرك المسمار Bنحو النقطة Aبعد إغلاق الدارة. ُ .4ألاحظُ :أغل ُق الدارة و ُأح ّرك رأس المسمار Bأفق ًّيا بخ ّط مستقيم إلى نقطة تبعد ( )3 cmعن النقطة (d = 3 cm) C و ُأد ّون ك ًّل من قراءة الفولتميتر والإزاحة dفي الجدول. ُ .5أك ّرر الخطوة ( )4ع ّدة مرات؛ بزيادة الإزاحة dمقدار ( )3 cmفي كل مرة (d= 6,9,…27 cm)،و ُأد ّون نتائجي في الجدول. فرق الجهد (قراءة الفولتميتر) البيانات والملاحظات: ()V الإزاحة)(d ()m 0.03 0.06 0.09 0.12 0.15 0.18 0.21 0.24 0.27 الوحدة :الجهد الكهربائي والمواسعة 41 3Voltage and Capacitance
التحليل والاستنتاج: . 1أرس ُم بيان ًّيا العلاقة بين الجهد الكهربائي (قراءة الفولتميتر) على محور yوالإزاحة dعلى محور x؛ بحيث يكون الجهد بوحدة (Volt) Vوالإزاحة بوحدة .(meter) m )V (V )d ( x 10 -2 m و()d = 21 cm؛ إذ ُيمكن افتراض المجال بينهما ) بين النقطتين ()d = 9 cm ∆V ( الخط ميل أحس ُب .2 ∆d منتظ ًما ،والعلاقة بين الجهد والإزاحة خ ّطية تقري ًبا. .................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................. .3أتن ّبأ :ما العلاقة بين ميل الخط ومقدار المجال الكهربائي؟ .................................................................................................................................................................. .4أتو ّقع مصادر الخطأ المحتملة في التجربة. .................................................................................................................................................................. ُ .5أف ّسر اختيار مسطرة بلاستيكية وليس فل ّزية. .................................................................................................................................................................. ُ . 6أح ّلل :ما سبب استبعاد بداية الخط في الرسم البياني ونهايته؟ .................................................................................................................................................................. 42الوحدة :الجهد الكهربائي والمواسعة 3Voltage and Capacitance
رسم خطوط تساوي الجهد عمل ًّيا التجربة 1 الخلفية العلمية: خطوط تساوي الجهد الناشئة عن شحنة نقطية أو موصل كروي مشحون ،هي خطوط على شكل دوائر م ّتحدة المركز مع الشحنة النقطية أو مركز الموصل الكروي ،أ ّما خطوط تساوي الجهد بين صفيحتين مشحونتين متوازيتين فتكون مستقيمة ومتوازية ،ويكون الجهد عند النقاط جميعها على أ ّي من تلك الخطوط متساو ًيا ،و ُتش ّكل خطوط تساوي الجهد في أبعادها الثلاثة سطوح تساوي الجهد ،وتكون هذه السطوح متعامدة مع خطوط المجال الكهربائي. الهدف: -رسم خطوط تساوي الجهد الكهربائي (في ُبعدين) والناشئة عن أشكال مختلفة من الموصلات عمل ًّيا. -رسم خطوط المجال الكهربائي بنا ًء على خطوط تساوي الجهد. الموا ّد والأدوات: لوح رسم خرائط المجال الكهربائي ،ورق رسم بياني ،قلم رصاص ،فولتميتر رقمي ،مصدر طاقة (ت ّيار مستم ّر )DCرقمي ،كرتان فل ّزيتان صغيرتان ،صفيحتان فل ّزيتان ،أسلاك توصيل. إرشادات السلامة: الحذر في التعامل مع التوصيلات الكهربائية أو تطبيق جهد كبير. الوحدة :الجهد الكهربائي والمواسعة 43 3Voltage and Capacitance
0.00 V Model 359 - Power Supply خطوات العمل: Vo l t m e t e r 40.00 Coarse Fine بالتعاون مع أفراد مجموعتي؛ ُأن ّفذ الخطوات الآتية: CONDUCTIVE PAPER Voltage Adjust . 1أصل الأدوات كما في الشكل من دون غلق الدارة الكهربائية إ ّل بعد التأ ّكد منها من ِق َبل ﳎﺲ centimeter grid 0.00V ﺧﻂ 40.00V اﳌﺠﺎل 10.02V ﺧﻄﻮط ﺻﻔﻴﺤﺔ المع ّلم. ﺗﺴﺎوي اﳉﻬﺪ ﻣﻮﺟﺒﺔ .2أقيسُ :أث ّبت مصدر الجهد على جهد معين 20.00V ﺻﻔﻴﺤﺔ ﺳﺎﻟﺒﺔ ( ،)40 Vوأتأ ّكد من أ ّن قراءة الفولتميتر تساوي صف ًرا عند اتصال المج ّس بقطبه الموجب كما في الشكل ،ث ّم ُأح ّرك المج ّس الم ّتصل بالقطب الموجب للفولتميتر مبتع ًدا عن الصفيحة السالبة حتى يقرأ الفولتميتر جه ًدا مح ّد ًدا ( 10 Vمث ًل) ،و ُأح ّدد موقع تلك النقطة باستعمال ورقة الرسم البياني. .3أرس ُمُ :أح ّدد مواقع ( )4نقاط أخرى مساوية لجهد النقطة السابقة ،ثم أرس ُم الخط الما ّر بالنقاط الخمس والتي ُيم ّثل خ ًّطا من خطوط تساوي الجهد. ُ .4أك ّرر الخطوتين ()2 - 3ع ّدة م ّرات؛ باستعمال قراءات أخرى للفولتميتر (.)20 V,30 V ُ .5أك ّرر الخطوات ()2 - 4؛ باستعمال كرة فل ّزية بد ًل من إحدى الصفيحتين. البيانات والملاحظات .................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................. 44الوحدة :الجهد الكهربائي والمواسعة 3Voltage and Capacitance
التحليل والاستنتاج: . 1أتو ّقع قراءة الفولتميتر عند وضع المج ّس على الصفيحة السالبة ،ثم أتأ ّكد من ذلك عمل ًّيا. .................................................................................................................................................................. ُ .2أف ّسر :أصف خطوط تساوي الجهد التي رسمتها ،مف ّس ًرا إجابتي. .................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................. .3أرس ُم خطوط المجال الكهربائي بنا ًء على خطوط تساوي الجهد. .................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................. .4أحس ُب مقدار المجال الكهربائي بين الصفيحتين؛ باستعمال فرق الجهد والمسافة بينهما. .................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................. . 5أتن ّبأ بشكل خطوط تساوي الجهد؛ عند استعمال كرتين فل ّزيتين صغيرتين بد ًل من الصفيحتين. .................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................. الوحدة :الجهد الكهربائي والمواسعة 45 3Voltage and Capacitance
قياس مواسعة مواسع عمل ًّيا التجربة 2 الخلفية العلمية: المواسع جهاز ُيستعمل لتخزبن الطاقة الكهربائية ،وتوجد ع ّدة أشكال من المواسعات ،ولك ّن المواسع الأكثر شيو ًعا هو المواسع ذو الصفيحتين المتوازيتين ،وعند وصل طر َفي مصدر طاقة DC مع صفيح َتي مواسع؛ فإ ّن المصدر يبذل شغ ًل لنقل الشحنات من إحدى الصفيحتين إلى الأخرى؛ إذ يزداد جهد المواسع بزيادة الشحنات عليه .وعند تمثيل العلاقة بين جهد المواسع (قراءة الفولتميتر) على محور +xوشحنته Qعلى محور +yبيان ًّيا ،ينتج خط مستقيم ميله يساوي مواسعة المواسع على النحو الآتي: =C ∆Q ∆V ويُستعمل لقياس شحنة المواسع جهاز يُس ّمى مقياس الشحنة (.)coulomb meter الهدف: -استعمال مقياس الشحنة لقياس شحنة المواسع. -إيجاد مواسعة مواسع بطريقة عملية عن طريق قياس كل من شحنته وجهده. الموا ّد والأدوات: مصدر طاقة (ت ّيار مستم ّر ،)DCفولتميتر ،مج ّزئ جهد ،مواسع ،مقياس الشحنة( )coulomb meterيقيس لغاية ( ،)2000 nCأسلاك توصيل. إرشادات السلامة: الحذر من تطبيق جهد أعلى من الجهد المكتوب على المواسع ،ومن لمس طر َفي المواسع بعد شحنه. 46الوحدة :الجهد الكهربائي والمواسعة 3Voltage and Capacitance
خطوات العمل: AB بالتعاون مع أفراد مجموعتي؛ ُأن ّفذ الخطوات الآتية: ُ .1أعاير ك ًّل من الفولتميتر ومقياس الشحنة ،ثم أصل V C أجزاء الدارة الكهربائية كما في الشكل؛ باستعمال ﻣﺼﺪر ﻃﺎﻗﺔ 100 nF جهد مح ّدد (مث ًل )0.5 Vمع إبقاء الطرف الحر )DC( 10V للمواسع غير م ّتصل بأ ّي طرف. . 2أقيس :أصل الطرف الحر للمواسع مع الطرف A ﻣﻘﻴﺎس اﻟﺸﺤﻨﺔ حتى ُيشحن المواسع ،ثم ُأد ّون قراءة الفولتميتر في الجدول ،والتي ُتم ّثل فرق الجهد بين طر ّفي digital coulombmeter المواسع. .3أقيس :أفصل الطرف الحر للمواسع مع الطرف ،Aثم أصله مع الطرف Bلم ّدة زمنية كافية لتفريغ شحنة المواسع خلال مقياس الشحنة ،ث ّم ُأد ّون قراءته في الجدول والتي ُتم ّثل مقدار الشحنة المختزنة في المواسع. .4أستعم ُل مصدر الطاقة لتغيير قراءة الفولتميتر لع ّدة ِق َيم ( ،)1V,1.5V,2V,2.5V,3Vو ُأك ّرر الخطوتين الثانية والثالثة عند كل قراءة ،و ُأد ّون نتائجي في الجدول. شحنة المواسع (قراءة مقياس الشحنة) البيانات والملاحظات: ()C جهد المواسع (قراءة الفولتميتر) ()V 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 الوحدة :الجهد الكهربائي والمواسعة 47 3Voltage and Capacitance
التحليل والاستنتاجQ (C) : .1أرس ُم بيان ًّيا العلاقة بين جهد المواسع (قراءة الفولتميتر) بوحدة ( )Vعلى محور + xوشحنته (مقياس الشحنة) بوحدة ( )Cعلى محور ، + yث ّم أرس ُم أفضل خ ّط مستقيم يم ّر بمعظم النقاط. )V (V .................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................. ) .ما الك ّمية الفيزيائية التي ُيم ّثلها الميل؟ ∆Q .2أحس ُب ميل الخ ّط المستقيم ( ∆V .................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................. ُ . 3أقارن النتيجة التي حصلت عليها للمواسعة مع مقدار المواسعة المكتوب على المواسع .ما سبب الاختلاف إن ُوجد؟ .................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................. .................................................................................................................................................................. 48الوحدة :الجهد الكهربائي والمواسعة 3Voltage and Capacitance
المواسعة المكافئة لع ّدة مواسعات التجربة 3 ت ّتصل على التوالي ،أو التوازي الخلفية العلمية: من الطرائق الشائعة والبسيطة لتوصيل المواسعات م ًعا في الدارات الكهربائية ،طريقة التوصيل على التوازي والتوصيل على التوالي أو الجمع بينهما ،والمواسعة الكلية لمجموع تلك المواسعات ُتس ّمى المواسعة المكافئة. لحساب المواسعة المكافئة لمجموعة مواسعات تتصل م ًعا على التوازي؛ ُنط ّبق العلاقة: C = C1 + C2 + C3 + .. ولحساب المواسعة المكافئة لمجموعة مواسعات تتصل م ًعا على التوالي؛ ُنط ّبق العلاقة: 1 = 1 + 1 + 1 + ... C C1 C2 C3 الهدف: -إيجاد المواسعة المكافئة لع ّدة مواسعات ت ّتصل م ًعا على التوازي عمل ًّيا. -إيجاد المواسعة المكافئة لع ّدة مواسعات ت ّتصل م ًعا على التوالي عمل ًّيا. الموا ّد والأدوات: ( )3مواسعات متماثلة وجهدها صغير (مث ًل ،)3μF,10V :مصدر طاقة (ت ّيار مستم ّر ،)DCفولتميتر ،أسلاك توصيل ،لواقط فل ّزية. إرشادات السلامة: الحذر من رفع جهد المصدر إلى جهد عا ٍل ،ما يؤ ّدي إلى تلف المواسعات إضافة إلى خطورته. الوحدة :الجهد الكهربائي والمواسعة 49 3Voltage and Capacitance
خطوات العمل: بالتعاون مع أفراد مجموعتي؛ ُأن ّفذ الخطوات الآتيةDC DC : C1 C2 C3 . 1أتأ ّكد من أ ّن المواسعات غير مشحونة ()V=0؛ C1 عن طريق توصيل سلك سميك بين طر َفي C2 V C3 المواسع. . 2أصل المواسعات الثلاثة على التوازي كما في V الدارة المب ّينة في الشكل ،ثم ُأغلق الدارة. .3أقيس :أرفع جهد مصدر الطاقة حتى ُتصبح قراءة الفولتميتر (جهد البطارية) أقل من الجهد المكتوب على المواسع ( 10 Vمث ًل) ،ثم أفصل الفولتميتر وأستعم ُله لقياس جهد ك ّل مواسع من المواسعات الثلاثة ،و ُأد ّون نتائجي في الجدول. .4أفصل الدارة و ُأف ّرغ المواسعات من شحنتها ،ثم ُأعيد توصيلها على التوالي كما في الشكل و ُأغلق الدارة. ُ .5أك ّرر الخطوة ( ،)3و ُأد ّون نتائجي في الجدول. البيانات والملاحظات: )C (F )V measured (V Q (C) = C V = C1 = C2 = C3 C =measured Q tot = V batt = Q tot V batt = 1/Cpredicted = 1/C1 + 1/C2 +1/C3 50 الوحدة :الجهد الكهربائي والمواسعة 3Voltage and Capacitance
Search
