الشغل والطاقة والقوة

هدف التعلم 3.1.A: وصف الطاقة الحركية الانتقالية لجسم ما بدلالة كتلة الجسم وسرعته.

• 3.1.A.1 تُعطى الطاقة الحركية الانتقالية لجسم ما بالمعادلة
  • المعادلة: $K = \dfrac{1}{2}mv^2$
• 3.1.A.2 الطاقة الحركية الانتقالية هي كمية قياسية.
• 3.1.A.3 قد يقيس المراقبون المختلفون قيمًا مختلفة للطاقة الحركية الانتقالية لجسم ما، اعتمادًا على إطار مرجع المراقب.

هدف التعلم 3.2.A: وصف الشغل المبذول على جسم أو نظام بواسطة قوة معينة أو مجموعة من القوى.

• 3.2.A.1 الشغل هو مقدار الطاقة المنقولة إلى داخل النظام أو خارجه بواسطة قوة تُمارَس على ذلك النظام عبر مسافة.
  • 3.2.A.1.i الشغل المبذول بواسطة قوة محتفظة (conservative) مُمارَس على نظام يكون مستقلاً عن المسار ويعتمد فقط على التكوينات الأولية والنهائية لذلك النظام.
  • 3.2.A.1.ii سيكون الشغل المبذول بواسطة قوة محتفظة على نظام—أو التغير في طاقة الوضع للنظام—صفرًا إذا عاد النظام إلى تكوينه الأولي.
  • 3.2.A.1.iii ترتبط طاقات الوضع فقط بالقوى المحتفظة.
  • 3.2.A.1.iv الشغل المبذول بواسطة قوة غير محتفظة يعتمد على المسار.
  • 3.2.A.1.v أمثلة على القوى غير المحتفظة هي الاحتكاك ومقاومة الهواء.
• 3.2.A.2 الشغل هو كمية قياسية قد تكون موجبة أو سالبة أو صفرية.
• 3.2.A.3 يرتبط مقدار الشغل المبذول على نظام بواسطة قوة ثابتة بمكونات تلك القوة وإزاحة النقطة التي تُمارَس عليها تلك القوة.
  • 3.2.A.3.i فقط المكون من القوة المُمارَس على نظام الذي يكون موازيًا لإزاحة نقطة التطبيق سيغير الطاقة الكلية للنظام.
    • معادلة: $W = F_{\parallel}d = Fd\cos\theta$
  • 3.2.A.3.ii يمكن للمكون من القوة المُمارَس على نظام العمودي على اتجاه إزاحة مركز كتلة النظام أن يغير اتجاه حركة النظام دون تغيير الطاقة الحركية للنظام.
• 3.2.A.4 ينص مبدأ الشغل والطاقة على أن التغير في الطاقة الحركية لجسم ما يساوي مجموع الشغل (الشغل الصافي) المبذول بواسطة جميع القوى المُمارَس على الجسم.
  • المعادلة: $\Delta K = \sum_{i} W_i = \sum_{i} F_{\parallel,i}\,d$
  • 3.2.A.4.i قد تغير قوة خارجية تكوين النظام. يعطي حاصل ضرب المكون من القوة الخارجية الموازي للإزاحة في إزاحة نقطة تطبيق القوة التغير في الطاقة الحركية للنظام.
  • 3.2.A.4.ii إذا تحرك مركز كتلة النظام ونقطة تطبيق القوة نفس المسافة عند ممارسة قوة على نظام، فقد يتم نمذجة النظام كجسم واحد، ويمكن حينها أن يتغير فقط الطاقة الحركية للنظام.
  • 3.2.A.4.iii عادةً ما يُساوى الطاقة المبددة بواسطة الاحتكاك بقوة الاحتكاك مضروبة في طول المسار الذي مُمارست عليه القوة.
    • معادلة: $\Delta E_{\text{mech}} = F_f\,d\cos\theta$
• 3.2.A.5 الشغل يساوي المساحة تحت منحنى رسم بياني ل $F_{\parallel}$ بدلالة الإزاحة.

عبارة حدود: يتوقع AP Physics 1 من الطلاب فقط تحليل انتقال الطاقة الميكانيكية (كما تم تعريفها في الوحدة 3، الموضوع 4: حفظ الطاقة)، على الرغم من أنه يجب أن يدرك الطلاب أن الطاقة الميكانيكية قد تُبدد على شكل طاقة حرارية أو صوتية. في AP Physics 2، سيدرس الطلاب أيضًا كيفية انتقال الطاقة الحرارية بين الأنظمة عبر التسخين أو التبريد.

هدف التعلم 3.3.A: وصف طاقة الوضع لنظام ما.

• 3.3.A.1 يمتلك نظام مكون من جسمين أو أكثر طاقة وضع إذا كانت الأجسام داخل ذلك النظام تتفاعل مع بعضها البعض فقط عبر قوى محتفظة.
• 3.3.A.2 طاقة الوضع هي كمية قياسية مرتبطة بموضع الأجسام داخل النظام.
• 3.3.A.3 تعريف صفر طاقة الوضع لنظام معين هو قرار يتخذه المراقب بناءً على الحالة لتبسيط التحليل أو لمساعدة أخرى في التحليل.
• 3.3.A.4 يمكن وصف طاقة الوضع للأنظمة الفيزيائية الشائعة باستخدام الخصائص الفيزيائية لذلك النظام.
  • 3.3.A.4.i تُعطى طاقة الوضع المرنة لنابض مثالي بالمعادلة التالية، حيث $\Delta x$ هي المسافة التي تم فيها تمدد النابض أو انضغاطه من طوله المتزن.
    • معادلة: $U_s = \dfrac{1}{2}k(\Delta x)^2$
  • 3.3.A.4.ii يُعطى الشكل العام لطاقة الوضع الجاذبية لنظام يتكون من توزيعين كتليين كرويين تقريبياً (مثل الأقمار أو الكواكب أو النجوم) بالمعادلة
    • معادلة: $U_g = -G\dfrac{m_1 m_2}{r}$
  • 3.3.A.4.iii نظرًا لأن المجال الجاذبي بالقرب من سطح الكوكب شبه ثابت، فإن التغير في طاقة الوضع الجاذبية في نظام يتكون من جسم كتلته $m$ وكوكب له مجال جاذبي مقداره $g$ عندما يكون الجسم قريبًا من سطح الكوكب يمكن تقريبه بالمعادلة
    • معادلة: $\Delta U_g = mg\Delta y$
• 3.3.A.5 الطاقة الكلية لنظام يحتوي على أكثر من جسمين هي مجموع طاقة الوضع لكل زوج من الأجسام داخل النظام.

هدف التعلم 3.4.A: وصف الطاقات الموجودة في نظام ما.

• 3.4.A.1 النظام المكون من جسم واحد فقط يمكن أن يمتلك طاقة حركية فقط.
• 3.4.A.2 النظام الذي يحتوي على أجسام تتفاعل عبر قوى محتفظة أو يمكنه تغيير شكله بشكل عكسي قد يمتلك كلًا من الطاقة الحركية وطاقة الوضع.

هدف التعلم 3.4.B: وصف سلوك نظام باستخدام مبادئ حفظ الطاقة الميكانيكية.

• 3.4.B.1 الطاقة الميكانيكية هي مجموع طاقات الحركة والطاقة الكامنة للنظام.
• 3.4.B.2 أي تغيير في نوع من أنواع الطاقة داخل نظام ما يجب أن يكون مقابلاً لتغير مساوٍ في أنواع أخرى من الطاقة داخل النظام، أو بتحويل طاقة بين النظام ومحيطه.
• 3.4.B.3 يمكن اختيار نظام بحيث تكون الطاقة الكلية لذلك النظام ثابتة.
• 3.4.B.4 إذا تغيرت الطاقة الكلية لنظام ما، فإن هذا التغير سيكون مساوياً للطاقة المنقولة إلى النظام أو منه.

هدف التعلم 3.4.C: صف كيف يحدد اختيار النظام ما إذا كانت طاقة ذلك النظام تتغير.

• 3.4.C.1 تُحفظ الطاقة في جميع التفاعلات.
• 3.4.C.2 إذا كان الشغل المبذول على نظام مختار يساوي صفرًا ولم تكن هناك تفاعلات غير محافظية داخل النظام، فإن الطاقة الميكانيكية الكلية للنظام تكون ثابتة.
• 3.4.C.3 إذا كان الشغل المبذول على نظام مختار لا يساوي صفرًا، فإن الطاقة تنتقل بين النظام والبيئة المحيطة.

بيان الحدود: يتوقع امتحان الفيزياء AP 1 من الطلاب معرفة أن الطاقة الميكانيكية قد تتبدد على شكل طاقة حرارية أو صوتية بسبب القوى غير المحافظية.

هدف التعلم 3.5.A: صف انتقال الطاقة إلى داخل النظام، أو خارجه، أو داخله بدلالة القدرة.

• 3.5.A.1 القدرة هي معدل تغير الطاقة بالنسبة للزمن، سواء كان ذلك عن طريق نقلها إلى النظام أو منه، أو بتحويلها من نوع إلى آخر داخل النظام.
• 3.5.A.2 القدرة المتوسطة هي كمية الطاقة المنتقلة أو المحولة، مقسومة على الزمن المستغرق لحدوث هذا النقل أو التحويل.
  • المعادلة: $P_{\text{avg}} = \dfrac{\Delta E}{\Delta t}$
• 3.5.A.3 نظرًا لأن الشغل هو تغير طاقة جسم أو نظام نتيجة لقوة، فإن القدرة المتوسطة تساوي إجمالي الشغل المبذول مقسومًا على الزمن الذي استغرقه تنفيذ ذلك الشغل.
  • المعادلة: $P_{\text{avg}} = \dfrac{W}{\Delta t}$
• 3.5.A.4 يمكن وصف القدرة اللحظية المُقدَّمة لجسم بواسطة مركبة قوة ثابتة موازية لمتجه سرعة الجسم باستخدام المعادلة المشتقة.
  • المعادلة: $P_{\text{inst}} = F_{\parallel}v = Fv\cos\theta$