الطاقة

بطارية، نابض مشدود وماء دافئ تخزن جميعاً طاقة. يمكن نقل الطاقة وتخزينها، لكن لا يمكن إنشاؤها أو تدميرها. يغطي هذا المرجع فيزياء AQA GCSE 8463، موضوع 4.1 الطاقة.

• كل ورقة اختبار 100 درجة و1 ساعة 45 دقيقة؛ تظهر أفكار الطاقة عبر الورقتين.
• توفر AQA حالياً ورقة معادلات الفيزياء. تحقق من إرفاق سلسلة الاختبار الخاصة بك؛ تدرب على اختيار المعادلات وإعادة ترتيبها وتحويل الوحدات.
• اعرض المعادلة والتعويض والإجابة بالوحدات. اتبع تعليمات الدقة المطلوبة في السؤال؛ تعتمد الدرجات على السؤال والمخطط.

النظام هو جسم أو مجموعة أجسام تختارها للتركيز عليها. عندما يتغير النظام، تنتقل الطاقة بين مخازن الطاقة. المخازن التي يجب أن تذكرها هي:

استخدم اسم المخزن المطلوب، مثل الحراري أو الجاذبي المحتمل أو المرن المحتمل. يقبل مخطط يونيو 2024 رموزاً معينة في أجزاء محددة؛ وهذا ليس قاعدة تقبل فيها كل رمز في كل سؤال تسمية.

وصف التغير

يغادر الطاقة مخزناً وتدخل آخر. اذكر النصفين معاً. تدرب على هذه الحالات التي يذكرها المنهج:

• جسم مقذوف للأعلى: يقل مخزن الحركة ويتزايد مخزن الجاذبية الكامنة لنظام جسم-الأرض. بالنسبة للإطلاق الرأسي، تكون السرعة صفراً عند أعلى نقطة.
• جسم متحرك يصطدم بعائق: ينضب مخزن الحركة؛ يتزايد المخازن الحرارية للجسم والعائق؛ يمكن للصوت حمل الطاقة بعيداً.
• جسم يُسرع بواسطة قوة ثابتة: يقل مخزن المصدر (على سبيل المثال، المخزن الكيميائي للبطارية)؛ ينتقل العمل لطاقة الحركة في المركبة. العمل الكهربائي هو مسار انتقال، وليس مخزناً كهربائياً.
• مركبة تبطئ سرعتها: يفرغ المخزن الحركي؛ تمتلئ المخزن الحراري للمكابح.
• إحضار الماء للغليان في غلاية كهربائية: ينتهي الطاقة الكيميائية في وقود محطة التوليد (أو مورد آخر) لتصبح في المخزن الحراري للماء.

يمكن أن تدخل الطاقة إلى نظام بثلاث طرق: عن طريق التدفق الحراري (يديره فرق درجات الحرارة)، أو عن طريق العمل المبذول بواسطة القوى (قوة تُحرِّك شيئاً)، أو عن طريق العمل عند مرور تيار كهربائي (جهاز كهربائي ينقل الطاقة). يتم تناول الكهرباء في الموضوع 4.2.

مخططات سانكي

يعرض مخطط سانكي الطاقة على مقياس موحد. يتم رسم عرض كل سهم متناسباً مع الطاقة التي يحملها. السهم الأيسر هو المدخل؛ وينقسم إلى مخرج مفيد ومخرجات مهدرة.

• يساوي مجموع العرض الخارج دائماً العرض الداخل. الطاقة محفوظة.
• الطاقة "المهدرة" لا تُفنى. بل تُخزن بطرق أقل فائدة، عادةً بشكل حراري.

تدريب موجه: تسمية مخازن الطاقة والحفاظ عليها

مقدمة — مكتوبة من قبل المعلم. ناقل 60 J في 3.0 s. ما هي قدرته؟

تبرير محلول. القدرة هي معدل نقل الطاقة. المعادلة هي $P=E/t$. بالتعويض نحصل على $P=E/t=60\ \mathrm{J}/(3.0\ \mathrm{s})=20\ \mathrm{W}$. وهذا يعني 20 جول كل ثانية؛ وهو لا يحدد الكفاءة أو المخرجات المفيدة.

نقل للامتحان — مستوحى من AQA يونيو 2024 ورقة 1H Q01.1، Q01.2 و Q06.1. سمِّ المخزن المتزايد عند تسخين الماء، رفع الماء إلى خزان، وتمدد حبال البونجي. حاول قبل التحقق: حراري/داخلي، جاذبية كامنة، مروني كامن. اشرح كل اسم باستخدام تغير درجة الحرارة أو الارتفاع أو الامتداد. قد ينقل العمل الكهربائي الطاقة إلى هذه الأنظمة، لكن الكهرباء ليست مخزناً للطاقة.

توازن المحرك الذي كتبه المعلم. المدخل هو 100 J والطاقة الحركية المفيدة هي 80 J. يتحول الباقي بالكامل إلى مخازن حرارية. احسب هذا الباقي وارسم أسهم سانكي متناسبة قبل التحقق من الرسم البياني.

تبرير محلول. الحفظ يعطي $E_{\mathrm{dissipated}}=E_{\mathrm{input}}-E_{\mathrm{useful}}$. التعويض يعطي $E_{\mathrm{dissipated}}=E_{\mathrm{input}}-E_{\mathrm{useful}}=100\ \mathrm{J}-80\ \mathrm{J}=20\ \mathrm{J}$. نسبة عرضات المدخل/المفيد/المشتت في العمود تساوي 100:80:20 = 5:4:1. الطاقة محفوظة؛ الجزء المشتت أقل فائدة، وليس مدمراً. أطوال الأسهم وأحجام رؤوسها لا تمثل الطاقة.

اختر معادلة المخزن الذي يتغير. استخدم الكتلة بـ kg، السرعة بـ m/s، الامتداد وتغير الارتفاع بـ m، وقوة المجال الجاذبي للسؤال $g$ بـ N/kg.

• $E_k$ الطاقة الحركية بالجول؛ $m$ الكتلة بالكيلوجرام؛ $v$ السرعة بالمتر/ثانية.
• $E_e$ الطاقة الكامنة المرونية بالجول؛ $k$ ثابت الزنبرك بوحدة نيوتن/متر؛ $e$ الاستطالة بالمتر.
• $E_p$ الطاقة الكامنة الجاذبية بـ J؛ $h$ زيادة الارتفاع بـ m؛ $g$ قوة المجال الجاذبي بـ N/kg.

تحذيران يختبانه الامتحان:

• الاستطالة هي التغير في الطول: الطول الممدود ناقص الطول الأصلي. عبارة "استطالة 7.5 متر" تعني بالفعل طول الزيادة.
• $E_e = \tfrac{1}{2}ke^2$ لا يتجاوز حد التناسب: أسفله، مضاعبة الامتداد تُربّع الطاقة المخزنة.

تمرين عملي كتبه المعلم — الامتداد والوحدات. زنبرك متناسب طوله 10 cm غير ممدد وطوله 22 cm ممدد، بمقدار $k=50$ N/m. أوجد الامتداد والطاقة المخزنة؛ تنبأ بتأثير مضاعفة هذا الامتداد بينما يبقى الزنبرك متناسبا.

تبرير محلول. $e=L-L_0=22\ \mathrm{cm}-10\ \mathrm{cm}=12\ \mathrm{cm}=0.12\ \mathrm{m}$. ثم $E_e=\tfrac12ke^2=\tfrac12\times50\ \mathrm{N/m}\times(0.12\ \mathrm{m})^2=0.36\ \mathrm{J}$. مضاعفة الامتداد تعطي $E_{e,2}=\tfrac12k(2e)^2=4E_e=4\times0.36\ \mathrm{J}=1.44\ \mathrm{J}$.

مثال عمل كتبه المعلم. طائرة لعبة كتلتها 0.020 kg تُطلق أفقياً بواسطة زنبرك متناسب قيمته $k = 50$ N/m وامتداد $e = 0.12$ m. يرتخي الزنبرك لطوله الطبيعي. افترض عدم تغير الارتفاع وتحول كل طاقة المرونة المنطلقة إلى طاقة حركية للطائرة. أوجد سرعة الإطلاق المثالية.

• معطيات: بيانات النابض والكتلة. عند الإطلاق، يفرغ المخزن المرن في المخزن الحركي. للسرعة القصوى، افترض وصول كل الطاقة.
  $$E_e = \tfrac{1}{2} k e^2 = \tfrac{1}{2} \times 50\ \text{N/m} \times (0.12\ \text{m})^2 = 0.36\ \text{J}$$
• لماذا $E_k = E_e$: النموذج المثالي المذكور يستبعد الطاقة المنتقلة إلى مخازن أخرى. في الإطلاق الحقيقي، يمكن أن تنقل التحويلات الحرارية جزءاً من الطاقة فتكون الطاقة الحركية أقل والسرعة أدنى.
  $$E_k = \tfrac{1}{2} m v^2 \quad\Rightarrow\quad v = \sqrt{\frac{2 E_k}{m}} = \sqrt{\frac{2 \times 0.36\ \text{J}}{0.020\ \text{kg}}} = 6.0\ \text{m/s}$$
• تحقق: الوحدة هي m/s لأن $\sqrt{\text{J}/\text{kg}} = \sqrt{\text{m}^2/\text{s}^2}$.

نقل للامتحان: حبلان وارتفاع

مستوحى من AQA يونيو 2024 ورقة 1H Q06.2–06.3. تم إطلاق كبسولة كتلتها 240 kg لأعلى بواسطة حبلين يعملان كزنبركين، لكل منهما $k=735$ N/m وامتداد 8.0 m. احسب زيادة الارتفاع المثالية ($g=9.8$ N/kg)، بافتراض تحول كل طاقة المرونة الابتدائية إلى طاقة كامنة جاذبية. اشرح لماذا الارتفاع الفعلي أقل.

• معطيات: حبلان متطابقان، لذا تتضاعف الطاقة المخزنة.
  $$E_{e,1}=\tfrac12 ke^2=\tfrac12\times735\ \mathrm{N/m}\times(8.0\ \mathrm{m})^2=23\,520\ \mathrm{J}$$
  $$E_{e,\mathrm{total}}=2E_{e,1}=2\times23\,520\ \mathrm{J}=47\,040\ \mathrm{J}$$
• في هذا النموذج المثالي، تتحول كل طاقة المرونة الابتدائية إلى طاقة كامنة جاذبية عند أعلى نقطة، حيث تكون السرعة الرأسية صفراً:
  $$E_p = m g h \quad\Rightarrow\quad h = \frac{E_p}{m g} = \frac{47\,040\ \mathrm{J}}{240\ \mathrm{kg}\times9.8\ \mathrm{N/kg}} = 20\ \text{m}$$
• مقاومة الهواء تعيق الحركة الصاعدة. بعض طاقة المرونة الابتدائية تنتقل إلى المحيط بدلاً من زيادة الطاقة الكامنة الجاذبية، لذا تكون زيادة الارتفاع الفعلية أصغر. عبارة "تضيع الطاقة" وحدها لا تفسر الانتقال؛ فالطاقة محفوظة.

احتفظ بالافتراض الفيزيائي وكل مرحلة حسابية مرئية؛ يعتمد توزيع الدرجات على السؤال المحدد.

سخن جسمًا وتزداد مخزونه الحراري. الطاقة المطلوبة تعتمد على الكتلة، والمادة، وارتفاع درجة الحرارة:

• $\Delta E$ التغير في الطاقة الحرارية بالواط·ثانية؛ $m$ الكتلة بالكيلوجرام؛ $\Delta\theta$ التغير في درجة الحرارة بالدرجة المئوية.
• $c$ الحرارة النوعية بالواط·ثانية/(كجم·°C): الطاقة اللازمة لرفع درجة حرارة كيلوجرام واحد من المادة بمقدار درجة مئوية واحدة.

للكتل المتساوية التي تكتسب نفس الطاقة الحرارية، يكون للمادة ذات $c$ الأعلى ارتفاع حرارة أصغر. للماء $c$ حوالي 4200 J/kg °C؛ للنحاس حوالي 385 J/kg °C. تعتمد أيضاً معدل تسخين الملعقة على كتلتها ونقل الطاقة عبر التلامس؛ السعة الحرارية النوعية وحدها لا تحدد المعدل.

مثال عمل كتبه المعلم. كتلة معدنية كتلتها 2.0 kg اكتسبت 26 kJ (26 000 J) من الطاقة الحرارية. ارتفعت درجة حرارة الكتلة من 22 °C إلى 50 °C. أوجد $c$.

• معطيات: الطاقة، والكتلة، ودرجات الحرارة. التغير في درجة الحرارة هو ما يدخل المعادلة: $\Delta\theta = 50 - 22 = 28$ °C.
  $$c = \frac{\Delta E}{m\,\Delta\theta} = \frac{26\,000\ \text{J}}{2.0\ \text{kg} \times 28\ ^\circ\text{C}} = 464\ \text{J/kg °C} \approx 460\ \text{J/kg °C}$$
• تحقق: قسمة Ws على (kg × °C) تعطي J/kg °C.

احتفظ بوحدات متسقة: يجب تحويل 10.5 kJ إلى 10 500 J؛ يجب تحويل الوقت بالدقائق إلى ثوانٍ؛ يجب تحويل الكتلة بالغرام إلى كيلوجرام؛ يجب تحويل القدرة بـ kW إلى W. اكتب عملية التحويل في سطر مستقل.

نقل الامتحان: إعادة الترتيب لتغير درجة الحرارة

مستوحى من AQA يونيو 2024 ورقة 1H السؤال08.3. يكتسب الهواء 0.0130 J؛ كتلته $2.60\times10^{-8}$ كجم وسعتها الحرارية النوعية $c=1.01$ kJ/kg °C. أوجد تغير درجة الحرارة قبل التحقق.

• حول $c=1.01\ \mathrm{kJ/(kg\,{}^\circ C)}=1010\ \mathrm{J/(kg\,{}^\circ C)}$.
• أعد ترتيب $\Delta E=mc\Delta\theta$ لتصبح $\Delta\theta=\Delta E/(mc)$.
  $$\Delta\theta=\frac{\Delta E}{mc}=\frac{0.0130\ \mathrm{J}}{2.60\times10^{-8}\ \mathrm{kg}\times1010\ \mathrm{J/(kg\,{}^\circ C)}}\approx495\,{}^\circ\mathrm{C}$$
• هذا هو الارتفاع وليس القراءة النهائية؛ لإيجاد درجة الحرارة النهائية يُطلَب أيضاً درجة الحرارة الابتدائية.

العملي المطلوب 1: الحرارة النوعية

يجب أن تتذكر هذه التجربة من الحفظ — حيث يُطلب منك في الامتحان وصفها أو تقييمها على المكتب.

الطريقة:

1. قِس كتلة $m$ الكتلة المعدنية باستخدام الميزان.
2. ضع القليل من الماء في ثقب الحرارة لتحسن التلامس الحراري، ثم أدخل المسخن والحرارة.
3. سجّل درجة الحرارة الابتدائية. شغّل مصدر الطاقة.
4. سجّل التيار $I$ وفرق الجهد $V$، والزمن $t$ الذي يعمل فيه المسخن. قدرة المسخن هي $P = VI$ (معطاة في الموضوع 4.2؛ بعض الأسئلة تعطيك فقط $P$).
5. الطاقة المزودة هي $\Delta E = P t$.
6. سجّل درجة الحرارة على فترات منتظمة واحسب الطاقة المزوّدة لكل زمن. ارسم درجة الحرارة مقابل الطاقة المزوّدة؛ قد يكون الجزء الأول منحنيًا بسبب تأخر حراري.
7. احسب $c = \dfrac{\Delta E}{m\Delta\theta}$.

استنتاج القياس:

• عزّ الكتلة (بطبقة عازلة) لتقليل انتقال الطاقة إلى المحيطات. إذا سخّن جزء من الطاقة المزوّدة المحيطات، فإن اعتبار كل الطاقة المزوّدة كزيادة في الطاقة الحرارية للكتلة يُبالغ في تقدير $c$.
• انتظر استقرار الحرارة قبل قراءة درجة الحرارة الابتدائية (لأن التلامس الحراري يستغرق وقتاً).
• استخدم المنطقة المستقيمة لدرجة الحرارة مقابل الطاقة المزوّدة بعد التأخر الحراري الأولي. في النموذج المثالي، ميلها هو $1/(mc)$. التكرارات تساعد في تقييم التباين لكنها لا تزيل فقدان الحرارة المنهجي.
• بيّن كيف يغيّر الخطأ الطاقة المقاسة أو الكتلة أو الارتفاع الحراري. اتصال غير جيد بالحرارة وحده لا يحدد اتجاه الخطأ؛ فالارتفاع الحراري المُقدَّر ناقصًا يُعطي تقديرًا مبالغًا فيه لـ$c$ إذا كانت الطاقة والكتلة ثابتتين.

التحقق من أخطاء RP1: احسب قبل التنبؤ

مثال مكتوب للمعلم. كتلة وزنها 1.0 كجم اكتسبت 6000 جول وارتفعت حرارتها 12 درجة مئوية. احسب $c$ الخاص بها. سجل طالب ارتفاعًا قدره 10 درجة مئوية فقط بنفس الطاقة والكتلة. احسب التقدير الناتج واشرح اتجاه الخطأ.

يعطي الارتفاع المسجل الأصغر مقامًا أصغر ومُقدّرًا مبالغًا فيه لـ$c$. شخّص التغير الحراري المسجل؛ ولا تحدد اتجاه الخطأ من عبارة "الاتصال غير الجيد" وحدها.

يمكن لمحركين رفع نفس الحمل عبر نفس الارتفاع. المحرك الأسرع هو الأكثر قدرة. القدرة هي معدل نقل الطاقة، أو معدل إنجاز الشغل:

• $P$ القدرة بوحدة الواط (W)؛ $E$ الطاقة المنقولة بوحدة الجول (J)؛ $W$ الشغل المبذول بوحدة الجول (J)؛ $t$ الوقت بوحدة الثانية (s).
• نقل طاقة مقدارها 1 جول لكل ثانية يعني قدرة قدرها 1 واط، W.

التحويلات التي يجب أن تحفظها: 1 كيلوواط = 1000 واط، 1 ميجاواط = $10^6$ واط، 1 جيجاواط = $10^9$ واط، 1 كيلو جول = 1000 جول، 1 ميجا جول = $10^6$ جول.

مثال محلول مكتوب للمعلم. رياضي وزنه 60.0 كجم صعد ارتفاعًا عموديًا قدره 175 سم في 1.40 ثانية ($g$ = 9.8 نيوتن/كجم). أوجد متوسط القدرة المفيدة المرتبطة باكتساب طاقة الوضع الجاذبية.

• المعطيات: الكتلة، الارتفاع، الزمن. يجب تحويل الارتفاع إلى: $175\ \text{cm} = 1.75\ \text{m}$.
• الزيادة في طاقة الوضع الجاذبية لها هي الطاقة المنقولة بفعالية.
  $$E_p = m g h = 60.0\ \mathrm{kg} \times 9.8\ \mathrm{N/kg} \times 1.75\ \mathrm{m} = 1029\ \text{J}$$
• القدرة تساوي قسمة الطاقة على الزمن بالثواني.
  $$P = \frac{E_p}{t} = \frac{1029\ \text{J}}{1.40\ \text{s}} = 735\ \text{W}$$
• تحقق: هذا معدل زيادة الطاقة الكامنة الثقالية وليس إجمالي انتقال الطاقة الكيميائية. لأن التسخين وانتقالات أخرى تستهلك طاقة، فإن الطاقة الكيميائية المنقولة أكبر من الفائدة المحققة.

انتقال طاقة مُذكور لكل ثانية هو بالفعل قدرة: 0.343 جول من طاقة الوضع الجاذبية المكتسبة كل ثانية تساوي 0.343 واط من القدرة المفيدة. القيمة لكل ثانية ليست تلقائيًا مخرجًا مفيدًا؛ اقرأ أي انتقال تم وصفه.

مقارنة القدرة ونقل الامتحان

تمرين مكتوب للمعلم. المحركان A وB يرفعان كل منهما كتلة وزنها 20 كجم لمسافة 2.0 متر ($g=10$ نيوتن/كجم). يستغرق A وقتًا قدره 2.0 ثوانٍ، بينما B يستغرق 4.0 ثوانٍ. أوجد مخارجهما المفيدة للقدرة قبل التحقق.

ينقل أ نفس الطاقة المفيدة في نصف الوقت: ضعف القدرة المفيدة. لا يمكن مقارنة الكفاءة بدون بيانات المدخلات.

مقتبس من ورقة AQA يونيو 2024 الورقة 1H السؤال02.2–02.3. محطة طاقة لها مخرج 500 ميجاوات. أوجد طاقتها المخرجة في 3600 ثانية، بالجول. هنا $P=500\ \mathrm{MW}=5.00\times10^8\ \mathrm{W}$، و$P=E/t$ يُعاد ترتيبها لتصبح $E=Pt$.

فحص الوحدات هو: واط × ثوانٍ = جول. المخرج وحده لا يحدد الكفاءة.

يمكن نقل الطاقة بفعالية، أو تخزينها، أو تبديدها، لكنها لا تُخلق ولا تُفنى. الطاقة المبددة تُخزن بطرق أقل فائدة. وغالباً ما تُسمى "مهدرة"، لكنها لا تزال موجودة — وعادةً ما تنتشر في السعات الحرارية للوسط المحيط.

• لهذا التوازن الطاقي، النظام المغلق لا يتبادل الطاقة مع محيطه الخارجي، لذا فإن طاقته الكلية لا تتغير. حدد الأجسام المتضمنة: الطاقة الكامنة الجاذبية تنتمي إلى تفاعل الجسم–الأرض، وليس الكرة وحدها. السقوط المثالي بمقاومة مهملة ينقل الطاقة الكامنة الجاذبية إلى طاقة حركية؛ الفراغ بحد ذاته لا يحدد حدود النظام.

تابع الطاقة خلال السقوط والاصطدام

نموذج مكتوب من قبل المعلم. يتضمن كرة، أرض، أرضية ومحيط قريب. افترض عدم عبور أي طاقة لحدود هذا النظام وتجاهل مقاومة الهواء أثناء السقوط. تبدأ الكرة من السكون بطاقة كامنة جاذبية مقدارها 20 جول بالنسبة للأرضية. عندما تكون تلك المخزن 5 جول، ما هي الطاقة الحركية؟ بعد الاصطدام والاستقرار، أين توجد الطاقة؟

يبلغ مجموع كل صف 20 ج. بعد الاصطدام، تنتشر الطاقة في مخازن حرارية في هذا النموذج المبسط؛ قد تحمل الصوت طاقة داخل المحيط المختار قبل أن تتبدد. عدّ الكرة وحدها يعطي نظامًا مختلفًا، يمكن أن يتبادل الطاقة مع الأرض والأرضية. الطاقة التي تغادر جسمًا ما لم تختفِ.

تفسير إجابة "أقل من المحسوب"

الأسئلة الامتحانية تحب هذا النمط: "الارتفاع/السرعة/درجة الحرارة الحقيقية أقل من إجابتك. اشرح السبب." التبرير المعتمد:

1. حدد السبب: مقاومة الهواء، الاحتكاك بين الأجزاء المتحركة، أو انتقال الطاقة إلى الوسط المحيط عن طريق التسخين.
2. اذكر النتيجة: جزء من الطاقة من سعة الإدخال يُبدد في السعات الحرارية بدلاً من السعة المقصودة.
3. استنتج: لذلك تصل طاقة أقل إلى السعة المفيدة.

تقليل انتقالات الطاقة غير المرغوبة

• التزييت يقلل الاحتكاك بين الأجزاء المتحركة، مما يقلل تبديد الطاقة بالتسخين.
• العزل الحراري يقلل انتقال الطاقة بالتسخين. الجدران السميكة، أو الجدران المصنوعة من مادة ذات موصلية حرارية منخفضة، أو العزل التجويفي تبطئ تبريد المبنى.

قارن عاملًا واحدًا في كل مرة. مع مساواة مساحة الجدار، سماكته وفرق درجات الحرارة، تعطي موصلية حرارية أعلى نقلًا أسرع بالتوصيل. مع نفس المادة والظروف الأخرى، تقل السماكة هذه المعدل. إذا تغيرت كلاهما (السماكة والموصلية) في اتجاهين متعاكسين، فلا تكفي وصفاتها وحدها لإقامة التصنيف.

العملي المطلوب 2 (الفيزياء فقط): المعزلات الحرارية

تحقق من فعالية المواد المختلفة كعوازل حرارية:

1. ضع حجماً ثابتاً من الماء الساخن في كوب زجاجي بغطاء.
2. لف الكوب الزجاجي بمادة واحدة (ورق فقاعي، جريدة، رقائق معدنية، قطن).
3. سجل درجة الحرارة أثناء تبريدها لمدة ثابتة (أو الوقت اللازم لنزولها بمقدار ثابت).
4. كرر ذلك لأسماء مقاسة متساوية ومساحات مغطاة لمواد مختلفة؛ لا يشترط أن تعطي عدد الطبقات المتساوي سماكات متساوية.
5. الجزء 2: كرر للتأكد من سماكات (طبقات) مختلفة لمادة واحدة.

ثوابت التحكم: نفس حجم الماء، درجة حرارة البداية، كوب زجاجي، غطاء، محيط، مساحة مغطاة وأوقات القياس. كرر لتحديد التباين. يشير انخفاض أصغر في درجة الحرارة خلال زمن ثابت إلى تبريد أقل تحت تلك الظروف. حافظ على المادة ثابتة عند investigation السماكة؛ حافظ على السماكة ثابتة عند مقارنة المواد.

RP2: تفسير القراءات المسجلة

الشكل يستخدم دليل التجارب العملية AQA، صفحة PDF 12. النقاط هي قيم مسجلة مربوطة بخطوط، وليست قانون تبريد مُعدَّل. في 15 دقيقة، يتغير مسار صفر طبقات من 85 إلى 57 درجة مئوية، واثنان طبقات من 86 إلى 62 درجة مئوية، وست طبقات من 86 إلى 66 درجة مئوية. احسب الانخفاضات قبل التحقق.

تبرّد ست طبقات بمقدار 4 درجة مئوية أقل من طبقتين خلال نفس الزمن، من نفس درجة الحرارة الأولية. هذا يدعم تبريدًا أقل مع زيادة سماكة الصحف هنا. يبدأ مسار صفر طبقات بدرجة حرارة أبرد بمقدار 1 درجة مئوية. طرح درجات الحرارة الأولية لا يلغي جميع تأثيرات ظروف البداية غير المتساوية؛ قوّمها في تحقيق جديد. تقارن هذه المسارات السماكة، ليست مواد مختلفة.

تقييم مكتوب من قبل المعلم. ماء في كوب زجاجي مغطى بـ 20 مم من القطن يبدأ عند 90 درجة مئوية وينتهي عند 75 درجة مئوية بعد 10 دقائق. ماء في كوب زجاجي مغطى بـ 2 مم من الرقائق يبدأ عند 80 درجة مئوية وينتهي عند 70 درجة مئوية. أي مادة هي العازل الأفضل؟ اشرح الحدود وتحسن الطريقة قبل التحقق.

التبرير. ينخفض القطن $90-75=15$ °C؛ تنخفض الرقائق $80-70=10$ °C. تختلف المادة والسمك ودرجة الحرارة الابتدائية، لذا لا تعزل قراءات النهاية النهائية ولا الانخفاض في درجة الحرارة تأثير المادة وحده. استخدم سمكاً مقاساً متساوياً ومساحة مغطاة متساوية ونفس درجة حرارة البداية وحجم الماء والأجهزة والمحيطات؛ سجّل في نفس الأوقات وأعد. استنتج للظروف المختبرة مع مراعاة التباين.

الكسر من الطاقة المدخلة التي تنتهي في مكان مفيد هو الكفاءة:

• يمكن أن تكون الكفاءة عدد عشري (0 إلى 1) أو نسبة مئوية (0 % إلى 100 %). قد يطلب الامتحان أحدهما؛ لا يمكن أن يكون العدد العشري فوق 1 أو النسبة المئوية فوق 100 % — تحقق من إجابتك مقابل هذا الحد.
• النسبة المئوية المهدرة = $= 100\,\% -$ - النسبة المئوية المفيدة.

مثال محلول مكتوب من المعلم. تأخذ مصباح 4.0 W من الطاقة الكهربائية وهو 0.85 فعال لنقل الضوء المفيد. أوجد طاقة ضوئيه المفيدة والطاقة المتبقية.

• المعطيات: إجمالي الطاقة الداخلة والكفاءة كعدد عشري. أعد الترتيب قبل التعويض.
  $$\text{useful power} = \text{efficiency} \times \text{total input} = 0.85 \times 4.0\ \text{W} = 3.4\ \text{W}$$
• الباقي هو $P_{\mathrm{other}}=P_{\mathrm{input}}-P_{\mathrm{useful}}=4.0\ \mathrm{W}-3.4\ \mathrm{W}=0.6\ \mathrm{W}$. المخرجات تضاف إلى المدخلات؛ لا تُفنى الطاقة. الكفاءة نسبة بدون وحدة.

نقل امتحان — مستوحى من AQA يونيو 2024 ورقة 1H Q01.3. الطريقة A تسخن الماء بـ 80 °C، وتخزن 33 600 kJ لكل 100 kg، وتهدر 40%؛ يمكن تثبيتها في أي مكان في السؤال. الطريقة B تضخ الماء لأعلى على ارتفاع 500 m، وتخزن 490 kJ لكل 100 kg، تهدر 25%، وتتطلب جبالاً شاهقة. قارن الكسور المفيدة والطاقة المفيدة والقيود العملية قبل التحقق.

• النسبة المئوية المفيدة = $= 100 - 40 = 60\ \%$.
  $$E_{useful} = \frac{60}{100} \times 33\,600\ \text{kJ} = 20\,160\ \text{kJ}$$

للطريقة B الكسر المفيد $f_B=1-0.25=0.75$ والطاقة المفيدة $E_{\mathrm{useful,B}}=f_BE_B=0.75\times490\ \mathrm{kJ}=367.5\ \mathrm{kJ}$. هي أكثر كفاءة من A (75% مقابل 60%)، لكن A توفر طاقة مفيدة أكبر لكل 100 kg (20 160 kJ مقابل 367.5 kJ). اشرح الكميتين، قيد الموقع المذكور وضرورة عزل الماء الساخن. استخدم الأدلة الرقمية جنباً إلى جنب مع القيود المذكورة.

الكفاءة: مقارنة نقل مفيد مُعرّف بوضوح

مكتوب من المعلم. كل من جهازي الرفع A وB يأخذان 2000 W من الإدخال الكهربائي. مخرجهما الميكانيكي المفيد هما 1700 W و1500 W. أوجد كفاءتهما وكلاهما الفرق بنقاط مئوية.

الفارق هو $85\%-75\%=10$ نقطة مئوية. ينقل A كسراً أكبر إلى الرفع المفيد؛ تتلاشى وحدات النسبة. لا تخلط بين الفرق بالنقاط المئوية والتغير النسبي بالمئويات.

تبرير المستوى الأعلى. التزليق يقلل التشتت الاحتكاكي في محرك الرفع؛ العزل يقلل النقل الحراري غير المرغوب فيه من تخزين المياه الساخنة. عند إدخال ثابت، يمكن أن يترك تقليل النقل غير المرغوب فيه ناتجاً مفيداً أكبر وكفاءة أعلى. عند ناتج مفيد ثابت، $E_{\mathrm{input}}=E_{\mathrm{useful}}/\eta$، لذا فإن الكفاءة الأكبر تعني إدخالاً مطلوباً أقل. يعتمد "المفيد" على المهمة المقصودة: التسخين مفيد لتدفئة غرفة وقد يكون غير مرغوب فيه في محرك رفع.

الموارد الرئيسية للطاقة هي الوقود الأحفوري (الفحم، النفط، الغاز)، الوقود النووي، الوقود الحيوي، الرياح، الطاقة الكهرومائية، الحرارية الأرضية، المد والجزر، الشمس وموجات الماء.

المتجدد هو مورد يتجدد أثناء استخدامه. الوقود الأحفوري والنووي غير متجدد على النطاق الزمني البشري. التجديد، والتوفر عند الحاجة، والأثر البيئي أسئلة مختلفة. المتجدد لا يعني الاستمرارية أو عدم الإضرار. قارن الاستخدامات في النقل وتوليد الكهرباء والتدفئة. لا يلزم هنا وصف الآلات المولدة.

موارد الوقود: الاستخدامات والمفاضلات

• الفحم والنفط والغاز: للكهرباء أو التدفئة؛ وقود مشتق من النفط يستخدم على نطاق واسع في النقل. يعتمد الإنتاج على إمداد الوقود والصيانة. يحرق الاحتراق ثاني أكسيد الكربون؛ يمكن أن ينتج الكبريت في الوقود ثاني أكسيد الكبريت، مما يساهم في الأمطار الحمضية.
• الوقود النووي: للكهرباء، باستخدام وقود محدود. تؤثر الصيانة والإيقافات على التوفر. لا يوجد احتراق وقود CO$_2$ أثناء الإنتاج، لكن النفايات المشعة تتطلب إدارة آمنة.
• الوقود الحيوي: للنقل أو التدفئة أو الكهرباء. يمكن استبدال مصدره البيولوجي، لكن الإنتاج يتطلب أرضاً وزماناً. يحرق الحريق CO$_2$. يمكن للنباتات الجديدة امتصاص CO$_2$، لكن التوازن الكلي يعتمد أيضاً على الزراعة والمعالجة وتغيير استخدام الأراضي؛ التعادل الكربوني ليس تلقائياً.

ستة موارد متجددة أخرى

تأثير التوربينات الريحية على الحياة البرية وتسبب الضوضاء؛ تحتاج installations الطاقة الشمسية إلى مساحة ومواد. قد تغمر الخزانات الأراضي وتغير موائل الأنهار. يتضمن تطوير الطاقة الحرارية الأرضية الحفر المحلي. يمكن أن تؤثر تركيبات المد والجزر وموجات الماء على الموائل البحرية وهي مكلفة في البناء والصيانة. فرّق بين التأثيرات البيئية والقيد التقني والتكاليف الاقتصادية. لا تعني ادعاءات عدم انبعاث حرق الوقود أثناء التشغيل انعدام التأثير خلال التصنيع والبناء والتخلص منه.

مثال محلول: وقت التشغيل الفعلي

تعطي AQA GCSE Physics June 2024 Paper 1H Q02.5 محطة نووية واحدة تولد لـ 92% من سنة 365-يوم. مع $f$ الكسر المولد:

حوالي 336 يومًا (قبلت خطة هذا السؤال 335 أو 336). لم تولد المحطة طوال السنة؛ لا تعمم نسبتها على كل محطة. يعطي هذا الكسر الزمني وحده neither الطاقة الكهربائية الناتجة nor الكفاءة.

تفسير اتجاه: حاول، ثم تحقق

بيانات خيالية مكتوبة من قبل المعلم، مع فئتين فقط تساهمان في كل إجمالي:

TWh وحدة طاقة. أوجد كل إجمالي وحصار الوقود الأحفوري. هل انخفض مقدار الطاقة الأحفورية؟

تحقق:

انخفض الحصار بنقاط مئوية 20، لكن الطاقة الأحفورية ارتفعت بـ 10 TWh. لا يمكن للحصار المتناقص وحده أن يثبت انخفاض الانبعاثات.

اتخاذ قرار بالأدلة

مهمة مكتوبة من قبل المعلم: عيادة تحتاج كهرباء طوال الليل. الألواح الشمسية لا تنتج أي مخرجات في الليل؛ مولد غازي مصانع يمكنه العمل عند تزويده بالوقود. توليد الطاقة الشمسية لا يحتوي على احتراق CO$_2$؛ يطلق احتراق الغاز CO$_2$. اشرح المقايضة، واقترح إمدادًا محتملاً وحدد الأدلة المفقودة.

تحقق: لا يلبيSOLE الطاقة الشمسية متطلبات الليل. يمكن أن تعمل الطاقة الشمسية مع التخزين المشحون أو احتياطي آخر إذا كانت الطاقة والطاقة المخزنة تلبي الطلب. يمكن للغاز توفير الطاقة ليلاً، مع الوقود والصيانة، لكنه يطلق CO$_2$. تحقق من الطلب، وسعة التخزين، وظروف الشحن، وإمداد الوقود، والتكاليف والموقع قبل الاختيار. التمويل قيد اقتصادي؛ الوصول إلى رعاية موثوقة هو قلق اجتماعي. قواعد التخطيط قيود سياسية، ورفع تساؤل أخلاقي حول مشاركة التكاليف والمنافع بشكل عادل. يحدد العلم ويقيس المشاكل؛ تعتمد القرارات أيضًا على هذه القيود. يجب أن يتبع الاستنتاج الأدلة والأولويات المعلنة؛ لا يضمن جملة نهائية قياسية الحصول على درجات.

استرجاع 1: وصل المعادلات

مكتوب من قبل المعلم: يأخذ محرك 5.0 J في 2.0 s. يبدأ عربة كتلتها 0.50 kg من السكون على مسار أفقي. تكتسب العربة 4.0 J من الطاقة الحركية؛ يتحول الباقي لتسخين النظام والمحيط. أوجد السرعة النهائية، والكفاءة في تسريع العربة، ومتوسط القدرة الداخلة، ونقل الطاقة المتبقي. حاول قبل التحقق.

تحقق: بما أن السرعة الابتدائية صفر، فإن الطاقة الحركية النهائية هي 4.0 J.

تنتقل تلك 1.0 J بالتسخين. الطاقة محفوظة.

الاسترجاع 2: تشخيص ثلاث ادعاءات

1. RP1: يُفترض أن كل مدخلات السخانة تُستخدم كزيادة طاقة الكتلة، رغم أن جزءاً منها يسخّن الغرفة. مع ثبات الكتلة وارتفاع درجة الحرارة المقاسة، ماذا يحدث للحرارة النوعية المحسوبة؟
2. RP2: تتغير طبقتا العزل وحجم الماء معاً. لماذا استنتاج الطبقات غير آمن؟ اذكر المتغيرات الثابتة.
3. تسمى الألواح الشمسية مصدراً مضموناً للطاقة ليلياً لأن الشمس متجددة. ما الخطأ وما الإضافة اللازمة؟

تحقق:

1. $c=E_{\rm gained}/(m\Delta\theta)$. استخدام المدخلات الأكبر يُبالغ في تقدير $c$ في الحالة المذكورة.
2. متغيران متغيران يشوهان النتيجة. حافظ على ثبات الحجم والحوض ودرجة الحرارة الابتدائية والتوقيت والمحيط؛ كرر القياسات وقارن انخفاض درجات الحرارة خلال نفس الفترة الزمنية.
3. التعويض لا يضمن توفر الطاقة عند الحاجة. هناك حاجة لتخزين مشحون كافٍ أو مصدر آخر ليلاً.

استخدم المصطلحات المطلوبة، وعرض المعادلات والوحدات، واتبع تعليمات دقة السؤال. السبب ونتيجته الفيزيائية أكثر فائدة من قائمة حفظ محفوظة.