A.3 · الشغل والطاقة والقدرة

يتناول هذا المستند موضوعات مختارة من المرحلة HL للمادة التي تم تقييمها لأول مرة في 2025؛ وهو لا يمثل المنهج الدراسي بأكمله.

المؤهلات السابقة: قراءة الكميات والوحدات المحددة، واستخدام العمليات الحسابية وشروط النموذج أدناه.

الأمثلة أصيلة ومخترعة: فهي ليست قياسات حقيقية أو تحقيقات طلابية فعلية.

ما الذي قد يفسر هذه الملاحظة؟

• يمكن للمحرك تحويل جزء من الطاقة المدخلة إلى رفع، والباقي إلى التسخين. المخرجات المفيدة هي جزء من إجمالي نقل الطاقة.

بنِ النموذج

• الشغل المبذول بواسطة قوة ثابتة موازية للإزاحة هو القوة مضروبة في المسافة.
• الطاقة الحركية تعتمد على مربع السرعة.
• تُحفظ الطاقة عندما يتم تضمين جميع النقلات والمخازن.
• القدرة: الطاقة المنقولة لكل وحدة زمنية.
• الكفاءة: المخرجات المفيدة مقسومة على المدخلات الكلية.

اختر الأدلة القادرة على اختبار النموذج

• عرّف النظام والمخرجات المفيدة قبل حساب الكفاءة.
• مضاعفة السرعة تربّع الطاقة الحركية عند ثبات الكتلة.
• القدرة تصف معدل نقل الطاقة بالنسبة للزمن، وليس إجمالي الطاقة.

في المختبر: قِس ارتفاع الرفع والحمل، وقيِّم الوقت المستغرق، وسجّل الإدخال الكهربائي باستخدام أدوات مناسبة. كرر التجارب وحسّب التسخين أو الاحتكاك كانتقالات للطاقة، لا لطاقة مفقودة.

اعمل من الكميات المعروفة

• معلوم: جهاز يستقبل 600 جول وينقل 420 جول بشكل مفيد.
• الكفاءة = المخرج المفيد / المدخل الكلي.
• الكفاءة = 420/600 = 0.70 = 70٪.
• خلال 3 ثانية، القدرة المفيدة = الطاقة المفيدة/الزمن = 420/3 = 140 واط.

دورك الآن: جهاز يستقبل 250 جول ويعطي 150 جول مخرجاً مفيداً. احسب الكفاءة كنسبة مئوية.

تحقق من الاستنتاج وحدوده

• لا يمكن أن تتجاوز الكفاءة 100٪ في موازنة طاقة مُعرَّفة بشكل صحيح.
• الطاقة المشتتة عبر التسخين لا تزال محفوظة.

غير صحيح: الطاقة المشتتة تُدمَّر. الطاقة دائماً محفوظة. "المشتت" يعني الانتشار في المحيط على شكل تسخين، حيث يصبح من الصعب إعادة استخدامها - لا تُدمَّر.

المفتاح:

• الشغل المبذول بواسطة قوة ثابتة موازية للإزاحة هو القوة مضروبة في المسافة.
• عرّف النظام والمخرجات المفيدة قبل حساب الكفاءة.
• انتبه: لا يمكن أن تتجاوز الكفاءة 100٪ في موازنة طاقة مُعرَّفة بشكل صحيح.

اكتب انطلاقاً من كفاءة قدرها 45 بالمئة

• جهاز يستقبل 200 جول ويعطي 90 جول من المخرجات المفيدة.
• احسب الكفاءة. الطاقة الأخرى تُشتت ولا تُفنى.

اكتب انطلاقاً من خرج مفيد قدره 750 جول

• آلة تستقبل 1,200 جول بكفاءة 62.5 بالمئة.
• الخرج المفيد = 0.625 × 1,200 = 750 ج، المتبدد 450 ج — الطاقة محسوبة ولا تُفنى أبداً.

اكتب انطلاقاً من كفاءة قدرها 25 بالمئة

• محرك مصعد يسحب 4,000 ج لكل طابق ويوفر 1,000 ج من رفع مفيد.
• الكفاءة = 1,000 ÷ 4,000 = 25 بالمئة، والـ 3,000 الجول الأخرى تسخن المحرك والكابل — حدد أين تذهب.

اكتب بناءً على مخطط سانكي

• يُظهر المخطط 100 J في: سهم مفيد بقيمته 70 J وسهم ضائع بقيمته 30 J.
• الكفاءة تساوي 70 بالمائة — وعرض السهم الضائع يمثل الكمية؛ فمخطط سانكي هو محاسبة طاقة مرسومة بمقياس رسم.