| أساسي | تكميلي |
|---|---|
| 1 صف استخدام المساطر وأسطوانات القياس لإيجاد الطول أو الحجم | |
| 2 صف كيفية قياس مجموعة متنوعة من الفترات الزمنية باستخدام الساعات والأجهزة الرقمية | |
| 3 حدد قيمة متوسطة لمسافة صغيرة وفترتا زمنية قصيرة عن طريق قياس مضاعفات (بما في ذلك فترة اهتزاز النواس) | |
| 4 افهم أن الكمية القياسية لها مقدار (حجم) فقط وأن الكمية المتجهة لها مقدار واتجاه | |
| 5 اعرف أن الكميات التالية هي كميات قياسية: المسافة، السرعة، الزمن، الكتلة، الطاقة ودرجة الحرارة | |
| 6 اعلم أن الكميات التالية هي كميات متجهة: القوة، الوزن، السرعة المتجهة، التسارع، الزخم، شدة المجال الكهربائي وشدة المجال الجاذبي | |
| 7 حدد، عن طريق الحساب أو بيانياً، المحصلة لمتجهين متعامدين، مقيداً بالقوى أو السرعات فقط |
Tips
يضم الفيزياء IGCSE (0625) ستة مواضيع: الحركة والقوى والطاقة؛ الفيزياء الحرارية؛ الموجات؛ الكهرباء والمغناطيسية؛ الفيزياء النووية؛ فيزياء الفضاء.
تحقق من مستوى مستواك أولاً. توجد أوراق امتحان لستة مكونات، ويعتمد ما تجتازه على ما إذا كنت مسجلاً في أساسي أو متقدم. المحتوى المتخصص للمستوى المتقدم جزء كبير من المنهج وسيكون مراجعة ضائعة إذا كنت في المستوى الأساسي.
أكثر النقاط المفقودة شيوعاً هي الأرخص للإصلاح: وحدات القياس المفقودة، العدد الخاطئ لـالأرقام المعنوية، والإجابات التي تعطي رقماً دون الصيغة التي أنتجتها. التعريفات تُصحح بناءً على الصياغة الدقيقة — احفظها كما هي مكتوبة، لا كما تتذكرها.
-
1
الحركة، القوى والطاقة
شاهد الدرس1.1
Measurement 测量
المنهج
المصدر: منهج كامبريدج الدولي
Resolving a vector into components Length and volume
Use a ruler 直尺 to measure length. Read the scale with your eye straight in front of the mark to avoid a reading error.
The water an irregular solid pushes up gives its volume 
Read a measuring cylinder at the bottom of the meniscus, with your eye level Use a measuring cylinder 量筒 to measure the volume of a liquid. Read the scale at the bottom of the curved surface (the meniscus 弯月面), with your eye level with it.
Measuring time
Use a stopwatch 秒表 or a digital timer 数字计时器 to measure a time interval. A clock is fine for long times (minutes or hours). A stopwatch is started and stopped by hand, so each reading has a reaction time 反应时间 error of about 0.2 s. To make this error matter less, time a long interval, or time many repeats and divide (see below).
Measuring small amounts
A single small length or a short time is hard to measure well. The trick is to measure many and divide 测多个再相除:
- To find the thickness of one page, measure 100 pages and divide by 100.
- To find the time for one swing of a pendulum 摆, measure the time for 20 swings and divide by 20. One full swing is called the period 周期.
This makes the uncertainty 不确定度 (the size of the error) much smaller.
Scalars and vectors
A scalar quantity 标量 has size (magnitude 大小) only. A vector quantity 矢量 has size and direction.
- Scalars: distance, speed, time, mass 质量, energy 能量, temperature 温度.
- Vectors: force 力, weight 重力, velocity 速度, acceleration 加速度, momentum 动量, electric field strength 电场强度, gravitational field strength 重力场强度.
To add two vectors at right angles (90°), draw them as two sides of a rectangle. The resultant 合矢量 is the diagonal. Find its size with Pythagoras and its direction with trigonometry.
$$R = \sqrt{a^2 + b^2}$$
Two vectors at right angles add to a resultant $R$, the diagonal of the rectangle استكشفكميات قياسية ومتجهات
القوة المحصلة = a + b
اجمع متجهين طرفاً للطرف لإيجاد المحصلة.
مفردات تدريبEnglish العربية ruler/ˈruːlə/ حاكم measuring cylinder/ˈmeʒərɪŋ ˈsɪlɪndə/ مخبار مدرج meniscus/ˈmenɪskəs/ منحنى سطح السائل stopwatch/ˈstɒpwɒtʃ/ ستوب ووتش digital timer/ˈdɪdʒɪtl ˈtaɪmə/ عداد رقمي reaction time/rɪˈækʃn taɪm/ زمن الاستجابة measure many and divide/ˈmeʒə ˈmeni ænd dɪˈvaɪd/ قياس عدد كبير وقسمه pendulum/ˈpendjʊləm/ النواس period/ˈpɪərɪəd/ الدور uncertainty/ʌnˈsɜːtənti/ عدم اليقين scalar quantity/ˈskeɪlə ˈkwɒntɪti/ كمية قياسية magnitude/ˈmæɡnɪtjuːd/ المقدار vector quantity/ˈvektə ˈkwɒntɪti/ كمية متجهة mass/mæs/ الكتلة energy/ˈenədʒi/ طاقة temperature/ˈtemprɪtʃə/ درجة حرارة force/fɔːs/ القوة weight/weɪt/ الوزن velocity/vəˈlɒsɪti/ السرعة acceleration/əkˌseləˈreɪʃn/ التسارع momentum/məʊˈmentəm/ العزم electric field strength/ɪˈlektrɪk fiːld streŋθ/ شدة المجال الكهربائي gravitational field strength/ˌɡrævɪˈteɪʃənl fiːld streŋθ/ شدة المجال الجاذبي resultant/rɪˈzʌltənt/ محصلة 1.2
Motion 运动
المنهج
أساسي تكميلي 1 عرّف السرعة القياسية بأنها المسافة المقطوعة لكل وحدة زمن؛ وتذكر واستخدم المعادلة $$v = \frac{s}{t}$$2 عرّف السرعة المتجهة بأنها سرعة في اتجاه معين 3 تذكر واستخدم المعادلة $$\text{average speed} = \frac{\text{total distance travelled}}{\text{total time taken}}$$9 عرّف التسارع بأنه التغير في السرعة المتجهة لكل وحدة زمن؛ وتذكر واستخدم المعادلة $$a = \frac{\Delta v}{\Delta t}$$4 ارسم وخطط وفسر مخططات المسافة–الزمن ومخططات السرعة–الزمن 5 حدد، بشكل نوعي، من البيانات المعطاة أو شكل مخطط المسافة–الزمن أو مخطط السرعة–الزمن متى يكون الجسم: (أ) ساكناً (ب) يتحرك بسرعة ثابتة (ج) في حالة تسارع (د) في حالة تباطؤ 10 حدد من البيانات المعطاة أو شكل مخطط السرعة–الزمن متى يكون الجسم متحركاً بـ: (أ) تسارع ثابت (ب) تسارع متغير 6 احسب السرعة من ميل جزء مستقيم في مخطط المسافة–الزمن 11 احسب التسارع من ميل مخطط السرعة–الزمن 7 احسب المساحة تحت مخطط السرعة–الزمن لتحديد المسافة المقطوعة لحركة ذات سرعة ثابتة أو تسارع ثابت 12 اعلم أن التباطؤ هو تسارع سالب واستخدم ذلك في الحسابات 8 أذكر أن تسارع السقوط الحر $g$ لجسم قريب من سطح الأرض هو تقريباً ثابت ويقدر بحوالي $9.8\text{ m/s}^2$ 13 صف حركة الأجسام الساقطة في مجال جاذبي منتظم مع وجود مقاومة هواء/سائل ودونها، بما في ذلك الإشارة إلى السرعة النهائية المصدر: منهج كامبريدج الدولي
Speed and velocity
Speed 速率 is the distance travelled per unit time.
$$v = \frac{s}{t}$$Velocity is speed in a stated direction. So velocity is a vector but speed is a scalar.
$$\text{average speed} = \frac{\text{total distance}}{\text{total time}}$$Acceleration
Acceleration is the change in velocity per unit time.
$$a = \frac{\Delta v}{\Delta t}$$Here $\Delta v$ means "the change in velocity". A deceleration 减速 (slowing down) is a negative acceleration.
Worked example. A car speeds up from $8\ \text{m/s}$ to $20\ \text{m/s}$ in $4.0\ \text{s}$. Find its acceleration.
$$a = \frac{\Delta v}{\Delta t} = \frac{20 - 8}{4.0} = 3.0\ \text{m/s}^2$$Motion graphs
A distance–time graph 距离-时间图 shows how far an object has gone:
- A flat (horizontal) line means the object is at rest 静止.
- A straight slope means constant speed. The gradient 斜率 (steepness) is the speed.
- A curve that gets steeper means the object is speeding up.
The shape of a distance–time line: flat is at rest, a straight slope is constant speed, a rising curve is speeding up A speed–time graph 速度-时间图 shows how fast an object is going:
- A flat line means constant speed.
- A straight slope means constant acceleration. The gradient is the acceleration.
- The area under the line 线下面积 is the distance travelled.
On a velocity–time graph the gradient is the acceleration and the area under the line is the distance travelled Falling objects
Near the Earth the gravitational field is uniform 均匀 (the same strength everywhere), so all objects speed up as they fall at the same rate. This is the acceleration of free fall 自由落体加速度, $g \approx 9.8\ \text{m/s}^2$.
When an object falls through air, air resistance 空气阻力 (a drag force) acts upward. As it speeds up, air resistance grows. When air resistance equals the weight, the resultant force is zero and the object stops speeding up. It then falls at a steady terminal velocity 收尾速度.
At first the weight is bigger than the air resistance, so the object speeds up; at terminal velocity the two are equal and the speed is steady استكشفرسم السرعة–الزمن
غيّر u و a. الميل هو التسارع؛ المساحة تحت الخط هي المسافة المقطوعة.
مفردات تدريبEnglish العربية motion/ˈməʊʃn/ الحركة speed/spiːd/ السرعة القياسية deceleration/dɪˌseləˈreɪʃn/ إبطاء distance–time graph/ˈdɪstəns taɪm ɡræf/ رسم مسافة–زمن at rest/æt rest/ ساكن gradient/ˈɡreɪdɪənt/ الميل speed–time graph/spiːd taɪm ɡræf/ رسم سرعة–زمن area under the line/ˈeərɪə ˈʌndə ðə laɪn/ المساحة تحت الخط uniform/ˈjuːnɪfɔːm/ موحد acceleration of free fall/əkˌseləˈreɪʃn ɒv friː fɔːl/ تسارع السقوط الحر air resistance/eə rɪˈzɪstəns/ مقاومة الهواء terminal velocity/ˈtɜːmɪnl vəˈlɒsɪti/ السرعة النهائية 1.3
Mass and weight
المنهج
أساسي تكميلي 1 أذكر أن الكتلة هي مقياس لكمية المادة في جسم ساكن بالنسبة للمراقب 2 أذكر أن الوزن هو قوة جذب تؤثر على جسم له كتلة 5 صف، واستخدم مفهوم، الوزن كنتيجة لمجال جاذبي作用于 كتلة 3 عرّف شدة المجال الجاذبي بأنها القوة لكل وحدة كتلة؛ وتذكر واستخدم المعادلة $$g = \frac{W}{m}$$واعلم أنها تعادل تسارع السقوط الحر4 اعلم أنه يمكن مقارنة الأوزان (والكتل) باستخدام الميزان المصدر: منهج كامبريدج الدولي
Mass is the amount of matter 物质 in an object. It is measured in kilograms (kg) and does not change when you move the object.
Weight is the force of gravity on a mass. It is measured in newtons (N). Weight can change: it is smaller on the Moon because the Moon's gravity is weaker.
Gravitational field strength is the force per unit mass:
$$g = \frac{W}{m}$$This $g$ has the same value as the acceleration of free fall ($\approx 9.8\ \text{N/kg}$). You can compare masses with a balance 天平.
A laboratory balance measures mass; weight is the gravitational force on that mass استكشفالوزن والكتلة
W = mg
الوزن يتناسب طردياً مع الكتلة — الميل هو شدة المجال الجاذبي g (حوالي 10 نيوتن/كجم على الأرض).
مفردات تدريبEnglish العربية matter/ˈmætə/ المادة balance/ˈbæləns/ التوازن 1.4
Density 密度
المنهج
أساسي تكميلي 1 عرّف الكثافة بأنها الكتلة لكل وحدة حجم؛ وتذكر واستخدم المعادلة $$\rho = \frac{m}{V}$$2 صف كيفية تحديد كثافة سائل، وصليب منتظم الشكل، وصليب غير منتظم الشكل يطفو في سائل (الحجم بالتزيح)، بما في ذلك الحسابات المناسبة 3 حدد ما إذا كان الجسم يطفو بناءً على بيانات الكثافة 4 حدد ما إذا كان أحد السوائل يطفو فوق سائل آخر بناءً على بيانات الكثافة بافتراض عدم اختلاط السوائل المصدر: منهج كامبريدج الدولي
Density is the mass per unit volume.
$$\rho = \frac{m}{V}$$The symbol $\rho$ is the Greek letter "rho". The unit is $\text{kg/m}^3$ or $\text{g/cm}^3$.
To find density: measure the mass with a balance, find the volume, then divide.
- Regular solid 规则固体 (like a box): measure the sides and calculate the volume.
- Irregular solid 不规则固体 (a strange shape): lower it into water in a measuring cylinder. The rise in water level is its volume. This is the displacement method 排水法.
- Liquid: put an empty measuring cylinder on the balance and read its mass. Pour in the liquid, read the volume on the cylinder, and read the mass again. The mass of the liquid is the difference between the two mass readings.
An object floats 漂浮 if its density is less than the density of the liquid. It sinks if its density is greater. In the same way, one liquid floats on top of another (if the two do not mix) when its density is lower: oil floats on water.
Worked example. A stone of mass $54\ \text{g}$ is lowered into a measuring cylinder. The water level rises from $20\ \text{cm}^3$ to $40\ \text{cm}^3$. Find the density of the stone.
The volume of the stone is the rise in water level, $40 - 20 = 20\ \text{cm}^3$, so
$$\rho = \frac{m}{V} = \frac{54}{20} = 2.7\ \text{g/cm}^3$$An iceberg floats with most of its volume hidden: ice is slightly less dense than water استكشفالطفو والكثافة
غيّر كثافة الجسم والسائل: يطفو إذا كانت كثافته أقل، وكلما كان أكثر كثافة غاص جزء أكبر منه تحت الماء. يغوص الحديد في الماء لكن يطفو على الزئبق.
مفردات تدريبEnglish العربية density/ˈdensɪti/ الكثافة regular solid/ˈreɡjʊlə ˈsɒlɪd/ جسم منتظم irregular solid/ɪˈreɡjʊlə ˈsɒlɪd/ جسم غير منتظم displacement method/dɪˈspleɪsmənt ˈmeθəd/ طريقة الإزاحة floats/fləʊts/ أكثر كثافة من السائل 1.5
Forces
المنهج
1.5.1 تأثيرات القوى
أساسي تكميلي 1 اعلم أن القوى قد تسبب تغييرات في حجم وشكل الجسم 9 عرّف ثابت الزنبرك بأنه القوة لكل وحدة استطالة؛ وتذكر واستخدم المعادلة $$k = \frac{F}{x}$$2 ارسم وخطط وفسر مخططات الحمل–الاستطالة للمواد الصلبة المرنة ووصف الإجراءات التجريبية المرتبطة بها 10 عرّف واستخدم مصطلح 'حد التناسب' لمخطط الحمل–الاستطالة وحدد هذه النقطة على المخطط (فهم الحد المرن غير مطلوب) 3 حدد المحصلة لقوتين أو أكثر تعملان على خط مستقيم واحد 11 تذكر واستخدم المعادلة $F = ma$ واعلم أن القوة والتسارع في نفس الاتجاه 4 اعلم أن الجسم إما يبقى ساكناً أو يستمر في التحرك في خط مستقيم بسرعة ثابتة إلا إذا أثرت عليه محصلة قوى 5 أذكر أن المحصلة القوى قد تغير سرعة المتجه للجسم بتغيير اتجاه حركته أو سرعته 12 صف، بشكل نوعي، الحركة في مسار دائري بسبب قوة عمودية على الحركة كـ: (أ) تزداد السرعة إذا زادت القوة، مع ثبات الكتلة ونصف القطر (ب) ينقص نصف القطر إذا زادت القوة، مع ثبات الكتلة والسرعة (ج) تتطلب زيادة الكتلة قوة أكبر للحفاظ على ثبات السرعة ونصف القطر ($F = \frac{mv^2}{r}$ غير مطلوب) 6 صف احتكاك المواد الصلبة بأنه القوة بين سطحين قد تعيق الحركة وتنتج حرارة 7 اعلم أن الاحتكاك (السحب) يؤثر على جسم يتحرك خلال سائل 8 اعلم أن الاحتكاك (السحب) يؤثر على جسم يتحرك خلال غاز (مثل مقاومة الهواء) 1.5.2 تأثير العزم للقوى
أساسي تكميلي 1 صف عزم القوة بأنه مقياس لتأثيره الدوار وأعط أمثلة يومية 2 تعريف عزم القوة كـ $\text{moment} = \text{force} \times \text{perpendicular distance from the pivot}$؛ تذكر واستخدام هذه المعادلة 3 طبق مبدأ العزوم على الحالات التي يكون فيها قوة واحدة على كل جانب من نقطة الارتكاز، بما في ذلك موازنة العارضة 5 طبق مبدأ العزوم على حالات أخرى، بما في ذلك تلك التي تحتوي على أكثر من قوة على كل جانب من نقطة الارتكاز 4 أذكر أنه عندما لا توجد محصلة قوى ولا محصلة عزوم، يكون الجسم في حالة توازن 6 صف تجربة لإثبات عدم وجود محصلة عزم على جسم في حالة توازن 1.5.3 مركز الثقل
أساسي تكميلي 1 اشرح المقصود بـمركز الثقل 2 صف تجربة لتحديد موقع مركز ثقل صفيحة مستوية غير منتظمة الشكل 3 صف، بشكل نوعي، تأثير موقع مركز الثقل على استقرار الأجسام البسيطة المصدر: منهج كامبريدج الدولي
The principle of moments Hooke's law & the elastic limit A force is a push or a pull. A force can change the shape 形状, the speed, or the direction of an object.
Stretching (Hooke's law)
When you hang a load on a spring, it stretches. The stretch is called the extension 伸长量.
On a load–extension graph 载荷-伸长图 the line is straight at first: extension is proportional to load. The point where the line stops being straight is the limit of proportionality 比例极限.
Load is proportional to extension until the limit of proportionality, then the line curves The experiment. Hang the spring from a clamp and stand a ruler beside it. Read the position of the bottom of the spring with no load: this is the original length. Add loads one at a time (for example 1 N each) and record the new length each time. The extension is the new length minus the original length. Plot load on the y-axis against extension on the x-axis.
The spring constant 弹簧常数 is the force per unit extension:
$$k = \frac{F}{x}$$A large $k$ means a stiff spring.
Resultant force and Newton's laws
Add forces on a straight line to get the resultant force 合力 (forces one way are positive, the other way negative).
- If the resultant force is zero, the object stays at rest or keeps moving in a straight line at constant speed. (Newton's first law.)
- If the resultant force is not zero, the object accelerates in the direction of the force:
$$F = ma$$
A free-body diagram shows every force on the box as a labelled arrow Worked example. A $1200\ \text{kg}$ car has a $3000\ \text{N}$ driving force and $600\ \text{N}$ of friction. Find its acceleration.
First find the resultant force: $3000 - 600 = 2400\ \text{N}$. Then
$$a = \frac{F}{m} = \frac{2400}{1200} = 2.0\ \text{m/s}^2$$Motion in a circle
A resultant force at right angles to the motion does not change the speed. It changes the direction, so the object moves in a circle at a steady speed. This is circular motion 圆周运动. The force always points towards the centre of the circle: the pull of the string on a whirling ball, or the gravity of the Sun on a planet.
For an object moving in a circle:
- a bigger force is needed to keep the same mass moving at a higher speed in a circle of the same radius 半径;
- a bigger force makes the same mass at the same speed move in a smaller circle (a smaller radius);
- a bigger mass needs a bigger force to keep the same speed and the same radius.
Friction
Friction 摩擦力 is the force between two surfaces that touch. It tries to stop motion and makes things heat up. Drag (friction in a liquid or gas, like air resistance) also slows objects down.
Moments — the turning effect
The moment 力矩 of a force is its turning effect about a pivot 支点.
$$\text{moment} = \text{force} \times \text{perpendicular distance from the pivot}$$The unit is the newton metre (N m).
Principle of moments 力矩原理: when an object is balanced (in equilibrium 平衡),
$$\text{total clockwise moment} = \text{total anticlockwise moment}$$An object is in equilibrium when there is no resultant force and no resultant moment.
The beam balances when the clockwise moment equals the anticlockwise moment Worked example. A $30\ \text{N}$ weight sits $0.20\ \text{m}$ to the left of a pivot. How far to the right must a $20\ \text{N}$ weight sit to balance the beam?
Balanced, so anticlockwise moment $=$ clockwise moment:
$$30 \times 0.20 = 20 \times d \quad\Rightarrow\quad d = \frac{6.0}{20} = 0.30\ \text{m}$$Checking the principle by experiment. Balance a metre rule at its centre on a pivot. Hang a known weight on each side and move them until the rule balances again. Measure each distance from the pivot. Force × distance on the left equals force × distance on the right, within the small errors of measurement, so there is no resultant moment on a balanced object.
Centre of gravity
The centre of gravity 重心 is the single point where all the weight of an object seems to act.
For a flat shape (lamina 薄片), hang it from a pin and let it settle; draw a vertical line down from the pin using a plumb line. Repeat from another point. The centre of gravity is where the lines cross.
The stability 稳定性 of an object depends on where its centre of gravity is. An object is more stable 稳定 when its centre of gravity is low and its base is wide. It tips over when a vertical line down from the centre of gravity passes outside the base.
استكشفالقوى وقوانين نيوتن
F = ma (الحاصل)
القوة المحصلة تحدد التسارع؛ القوى المتوازنة ⇒ لا يوجد تسارع.
مفردات تدريبEnglish العربية measurement/ˈmeʒəmənt/ قياس shape/ʃeɪp/ الشكل extension/ekˈstenʃn/ تمدد load–extension graph/ləʊd ekˈstenʃn ɡræf/ رسم الحمل–التمدد limit of proportionality/ˈlɪmɪt ɒv prəˌpɔːʃəˈnælɪti/ حد التناسب spring constant/sprɪŋ ˈkɒnstənt/ ثابت الزنبرك resultant force/rɪˈzʌltənt fɔːs/ القوة المحصلة circular motion/ˈsɜːkjʊlə ˈməʊʃn/ الحركة الدائرية radius/ˈreɪdɪəs/ نصف القطر friction/ˈfrɪkʃn/ الاحتكاك moment/ˈməʊmənt/ اللحظة pivot/ˈpɪvət/ نقطة المحور principle of moments/ˈprɪnsɪpl ɒv ˈməʊmənts/ العزوم equilibrium/ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm/ الاتزان centre of gravity/ˈsentə ɒv ˈɡrævɪti/ مركز الثقل lamina/ˈlæmɪnə/ رقاقة رقيقة stability/stəˈbɪlɪti/ الاستقرار stable/ˈsteɪbl/ استقراراً 1.6
Momentum
المنهج
أساسي تكميلي 1 عرّف الزخم بأنه كتلة $\times$ السرعة المتجهة؛ وتذكر واستخدم المعادلة $p = mv$ 2 عرّف الدفع على أنه قوة $\times$ زمن تتأثر فيه القوة؛ استذكر واستخدم المعادلة $\text{impulse} = F\Delta t = \Delta(mv)$ 3 طبق مبدأ حفظ الزخم لحل مسائل بسيطة في بُعد واحد 4 عرّف القوة المحصلة على أنها التغير في الزخم لكل وحدة زمن؛ استذكر واستخدم المعادلة $F = \frac{\Delta p}{\Delta t}$ المصدر: منهج كامبريدج الدولي
Conservation of momentum in a collision Momentum is mass times velocity. It is a vector.
$$p = mv$$Impulse 冲量 is the force times the time it acts, and it equals the change in momentum:
$$\text{impulse} = F\,\Delta t = \Delta(mv)$$So the resultant force is the change in momentum per unit time:
$$F = \frac{\Delta p}{\Delta t}$$Conservation of momentum 动量守恒: when objects collide and no outside force acts, the total momentum before equals the total momentum after.
$$m_1 u_1 + m_2 u_2 = m_1 v_1 + m_2 v_2$$(Here $u$ is a velocity before and $v$ is a velocity after.)
Worked example. A $2.0\ \text{kg}$ trolley moving at $3.0\ \text{m/s}$ hits a stationary $1.0\ \text{kg}$ trolley and they stick together. Find their common velocity afterwards.
Total momentum is conserved, so
$$(2.0 \times 3.0) + (1.0 \times 0) = (2.0 + 1.0)\,v \quad\Rightarrow\quad v = \frac{6.0}{3.0} = 2.0\ \text{m/s}$$استكشفالزخم في الاصطدام
حدد الكتل والسرعات واصدم them. زخم إجمالي محفوظ.
مفردات تدريبEnglish العربية impulse/ˈɪmpʌls/ انفعال conservation of momentum/ˌkɒnsəˈveɪʃn ɒv məʊˈmentəm/ حفظ الزخم 1.7
Energy, work and power
المنهج
1.7.1 الطاقة
أساسي تكميلي 1 أذكر أن الطاقة قد تُخزن كـ طاقة حركية، طاقة وضع جاذبية، طاقة كيميائية، طاقة مرنة (إجهاد)، طاقة نووية، كهربائية ساكنة وداخلية (حرارية) 2 صف كيف تنتقل الطاقة بين المخازن أثناء الأحداث والعمليات، بما في ذلك أمثلة على النقل بالقوى (الشغل الميكانيكي المبذول)، والتيارات الكهربائية (الشغل الكهربائي المبذول)، والتسخين، وبواسطة الموجات الكهرومغناطيسية والصوتية والموجات الأخرى 4 استذكر واستخدم معادلة الطاقة الحركية $E_k = \frac{1}{2}mv^2$ 5 استذكر واستخدم معادلة التغير في طاقة الوضع الجاذبية $\Delta E_p = mg\Delta h$ 3 اعرف مبدأ حفظ الطاقة وطبق هذا المبدأ على أمثلة بسيطة بما في ذلك تفسير مخططات التدفق البسيطة 6 اعرف مبدأ حفظ الطاقة وطبقه على أمثلة معقدة تتضمن مراحل متعددة، بما في ذلك تفسير مخططات سانكي 1.7.2 الشغل
أساسي تكميلي 1 افهم أن الشغل الميكانيكي أو الكهربائي المبذول يساوي الطاقة المنقولة 2 استذكر واستخدم معادلة الشغل الميكانيكي $W = Fd = \Delta E$ 1.7.3 موارد الطاقة
أساسي تكميلي 1 صف كيفية الحصول على الطاقة المفيدة أو توليد القدرة الكهربائية من: (أ) الطاقة الكيميائية المخزنة في الوقود الأحفوري (ب) الطاقة الكيميائية المخزنة في الوقود الحيوي (ج) الماء، بما في ذلك الطاقة المخزنة في الأمواج وفي المد والجزر وفي الماء خلف السدود الكهرومائية (د) الموارد الحرارية الأرضية (هـ) الوقود النووي (و) ضوء الشمس لتوليد الكهرباء (الخلايا الشمسية) (ز) الأشعة تحت الحمراء والموجات الكهرومغناطيسية الأخرى من الشمس لتسخين الماء (الألواح الشمسية) ولتكون مصدرًا لطاقة الرياح بما في ذلك الإشارة إلى الغلاية والتوربين والمولد عند استخدامها 4 اعرف أن الإشعاع من الشمس هو المصدر الرئيسي للطاقة لجميع مواردنا الطاقة باستثناء الحرارية الأرضية والنووية والمد والجزر 2 صف مزايا وعيوب كل طريقة من حيث القابلية للتجدد، والتوافر، والموثوقية، والحجم والأثر البيئي 5 اعرف أن الطاقة تنطلق عن طريق الاندماج النووي في الشمس 6 اعرف أن الأبحاث جارية للتحقيق في كيفية استخدام الطاقة المنطلقة عن الاندماج النووي لإنتاج الطاقة الكهربائية على نطاق واسع 3 افهم، بشكل نوعي، مفهوم الكفاءة لنقل الطاقة 7 عرّف الكفاءة على النحو التالي: (أ) $(\%) \text{ efficiency} = \frac{\text{(useful energy output)}}{\text{(total energy input)}} (\times 100\%)$ (ب) $(\%) \text{ efficiency} = \frac{\text{(useful power output)}}{\text{(total power input)}} (\times 100\%)$ استذكر واستخدم هذه المعادلات 1.7.4 القدرة
أساسي تكميلي 1 عرّف القدرة على أنها الشغل المبذول لكل وحدة زمن وأيضًا الطاقة المنقولة لكل وحدة زمن؛ استذكر واستخدم المعادلات (أ) $P = \frac{W}{t}$ (ب) $P = \frac{\Delta E}{t}$ المصدر: منهج كامبريدج الدولي
Energy stores
Energy can be stored 储存 in different ways: kinetic 动能, gravitational potential 重力势能, chemical 化学能, elastic (strain) 弹性势能, nuclear 核能, electrostatic 静电能, and internal (thermal) 内能.
Energy is transferred 转移 between stores by forces (mechanical work), by electric currents, by heating, and by waves (such as light and sound).
Wind turbines transfer energy from the kinetic store of the moving air to electricity Kinetic and potential energy
Kinetic energy is the energy of a moving object:
$$E_k = \frac{1}{2}mv^2$$The change in gravitational potential energy when an object goes up or down by a height $\Delta h$:
$$\Delta E_p = mg\,\Delta h$$Conservation of energy
The principle of conservation of energy 能量守恒定律 says energy is never made or destroyed; it only moves between stores. A falling object turns gravitational potential energy into kinetic energy. A Sankey diagram 桑基图 shows how the input energy splits into useful energy and wasted 浪费 energy.
Energy moves between gravitational potential energy (at the highest points) and kinetic energy (at the lowest point) 
On a roller-coaster, gravitational potential energy stored at the top of the hill becomes kinetic energy as the cars speed down Worked example. A $0.50\ \text{kg}$ ball is dropped from a height of $1.8\ \text{m}$. Ignoring air resistance, find its speed just before it lands. (Take $g = 10\ \text{m/s}^2$.)
All the gravitational potential energy becomes kinetic energy, so $\tfrac{1}{2}mv^2 = mg\,\Delta h$. The mass cancels, leaving $v^2 = 2g\,\Delta h$:
$$v = \sqrt{2 \times 10 \times 1.8} = \sqrt{36} = 6.0\ \text{m/s}$$Because the mass cancels, every object dropped from this height would land at the same speed.
Work
Work done 做功 equals the energy transferred. When a force moves an object:
$$W = Fd = \Delta E$$The unit of work and energy is the joule 焦耳 (J).
Power
Power 功率 is the work done (or energy transferred) per unit time.
$$P = \frac{W}{t} = \frac{\Delta E}{t}$$The unit is the watt 瓦特 (W). $1\ \text{W} = 1\ \text{J/s}$.
Efficiency
Efficiency 效率 tells you how much of the input energy becomes useful energy.
$$\text{efficiency} = \frac{\text{useful energy output}}{\text{total energy input}} \times 100\%$$Efficiency is always less than 100% because some energy is always wasted (usually as heat). The same idea works with power:
$$\text{efficiency} = \frac{\text{useful power output}}{\text{total power input}} \times 100\%$$Worked example. A motor is supplied with $200\ \text{J}$ of electrical energy and lifts a load, giving it $150\ \text{J}$ of gravitational potential energy. Find its efficiency.
$$\text{efficiency} = \frac{150}{200} \times 100\% = 75\%$$
A Sankey diagram for this motor: the band widths are proportional to the energy, so the 200 J input splits into 150 J useful and 50 J wasted as heat Energy resources
We generate electricity from many energy resources. Most spin a turbine that drives a generator – often by boiling water to make steam (fossil fuels, nuclear fuel, geothermal, biofuels), or directly by moving water or air (hydroelectric, waves, tides, wind). Solar cells make electricity from sunlight directly; solar panels heat water.
Resource Renewable? Notes fossil fuels (coal, oil, gas) no reliable, high output, but CO₂ and pollution nuclear fuel no huge output, no CO₂, but radioactive waste biofuels yes roughly carbon-neutral if replanted hydroelectric yes reliable, but a dam floods land wind yes clean, but intermittent solar yes clean, but only in daylight geothermal / tidal yes reliable but limited to certain places When you compare resources, use these five ideas: renewability 可再生性 (will it run out?), availability 可用性 (is it always there? the wind can drop and the Sun sets), reliability 可靠性 (does it give a steady output?), scale 规模 (how much energy can it supply?) and environmental impact 环境影响 (pollution, carbon dioxide, land flooded by a dam).
Most of these trace back to the Sun (fossil fuels are ancient stored sunlight; wind and waves come from solar heating) – the exceptions are geothermal, nuclear, and tidal energy. The Sun itself is powered by nuclear fusion 核聚变, joining hydrogen nuclei into helium. Scientists are researching how to use fusion in power stations on Earth, but no fusion reactor yet gives out more electrical energy than it uses.
استكشفتدفق الطاقة والكفاءة
ينقسم الطاقة المدخلة إلى مخرجات مفيدة وطاقة ضائعة؛ الكفاءة هي الجزء المفيد، والمجموع دائماً محفوظ.
استكشفحفظ الطاقة
أسقط الجسم: تتحول الطاقة الكامنة الجاذبية إلى طاقة حركية، ويبقى الإجمالي ثابتًا عند عدم وجود احتكاك.
مفردات تدريبEnglish العربية stored/stɔːd/ مخزنة kinetic/kɪˈnetɪk/ حركية gravitational potential/ˌɡrævɪˈteɪʃənl pəˈtenʃl/ الجهد الجاذبي chemical/ˈkemɪkl/ كيميائي elastic (strain)/ɪˈlæstɪk/ مرن (انفعال) nuclear/ˈnjuːklɪə/ نووي electrostatic/ɪˌlektrəʊˈstætɪk/ كهرباء ساكنة internal (thermal)/ɪnˈtɜːnl/ داخلي (حراري) transferred/trænsˈfɜːd/ نقلها principle of conservation of energy/ˈprɪnsɪpl ɒv ˌkɒnsəˈveɪʃn ɒv ˈenədʒi/ مبدأ حفظ الطاقة Sankey diagram/ˈsæŋki ˈdaɪəɡræm/ مخطط سانكي wasted/ˈweɪstɪd/ مهدر work done/wɜːk dʌn/ الشغل المبذول joule/dʒuːl/ جول. power/ˈpaʊə/ قدرة watt/wɒt/ واط. efficiency/ɪˈfɪʃənsi/ الكفاءة renewability/rɪˌnjuːəˈbɪlɪti/ الجدوى availability/əˌveɪləˈbɪlɪti/ التوافر reliability/rɪˌlaɪəˈbɪlɪti/ الموثوقية scale/skeɪl/ المقياس environmental impact/enˌvaɪrənˈmentl ˈɪmpækt/ التأثير البيئي nuclear fusion/ˈnjuːklɪə ˈfjuːʒn/ اندماج نووي 1.8
Pressure 压强
المنهج
أساسي تكميلي 1 عرّف الضغط على أنه القوة لكل وحدة مساحة؛ استذكر واستخدم المعادلة $p = \frac{F}{A}$ 2 صف كيف يتغير الضغط مع القوة والمساحة في سياق أمثلة يومية 3 صف، بشكل نوعي، كيف يتغير الضغط أسفل سطح السائل مع العمق وكثافة السائل 4 استذكر واستخدم معادلة التغير في الضغط أسفل سطح السائل $\Delta p = \rho g \Delta h$ المصدر: منهج كامبريدج الدولي
Pressure is the force per unit area.
$$p = \frac{F}{A}$$The unit is the pascal 帕斯卡 (Pa). $1\ \text{Pa} = 1\ \text{N/m}^2$.
A small area gives a large pressure (a sharp knife cuts well). A large area gives a small pressure (snowshoes stop you sinking).
Pressure in a liquid
In a liquid, pressure increases with depth 深度 and with the liquid's density:
$$\Delta p = \rho g \,\Delta h$$This is why a dam is built thicker at the bottom, where the water pressure is greatest. Pressure in a liquid acts in all directions.
The deeper the liquid, the greater the pressure, so the outward push on the wall grows with depth 
A real dam is built much thicker at the bottom, because the water pushes hardest where it is deepest Worked example. Find the extra pressure at a depth of $2.0\ \text{m}$ in water (density $1000\ \text{kg/m}^3$, $g = 10\ \text{N/kg}$).
$$\Delta p = \rho g\,\Delta h = 1000 \times 10 \times 2.0 = 20\,000\ \text{Pa}$$استكشفالضغط
p = ρg·h
ضغط السائل يتناسب طرديًا مع العمق.
مفردات تدريبEnglish العربية pressure/ˈpreʃə/ الضغط pascal/ˈpæskl/ باسكال. depth/depθ/ العمق 1.8
Exam tips
- On a distance–time graph the gradient is the speed; on a speed–time graph the gradient is the acceleration and the area under the line is the distance travelled. Never read one graph as if it were the other.
- Mass (kg) is the amount of matter and is the same everywhere; weight (N) is the force of gravity, $W = mg$. On the Moon your mass is unchanged but your weight is smaller.
- Speed is a scalar; velocity is a vector. Something moving at steady speed around a curve is still accelerating, because its direction keeps changing.
- In Hooke's law, load is proportional to extension only up to the limit of proportionality. Use the extension (stretched length − original length), never the whole length.
- Momentum $p = mv$ is conserved in a collision. Give each velocity a $+$ or $-$ sign for its direction before you add them.
- Convert units first (cm → m, g → kg). Use $p = F/A$ for a solid pressing on a surface, but $p = \rho g h$ for the pressure inside a liquid — they are different formulas.
-
2
الفيزياء الحرارية
شاهد الدرس2.1
حالات المادة
المنهج
2.1.1 حالات المادة
أساسي تكميلي 1 اعرف الخصائص المميزة لـ المواد الصلبة، السوائل والغازات 2 اعرف المصطلحات المتعلقة بالتغيرات في الحالة بين المواد الصلبة والسوائل والغازات (لا يُطلب انتقال الغاز إلى الصلب والصلب إلى الغاز) 2.1.2 نموذج الجسيمات
أساسي تكميلي 1 صف بنية الجسيمات في المواد الصلبة والسوائل والغازات من حيث الترتيب والفصل وحركة الجسيمات وتمثل هذه الحالات باستخدام مخططات جسيمات بسيطة 6 اعرف أن القوى والمسافات بين الجسيمات (الذرات والجزيئات والأيونات والإلكترونات) وحركة الجسيمات تؤثر على خصائص المواد الصلبة والسوائل والغازات 2 صف العلاقة بين حركة الجسيمات ودرجة الحرارة، بما في ذلك فكرة وجود أدنى درجة حرارة ممكنة ($-273\,{}^{\circ}\text{C}$)، تُعرف بـ الصفر المطلق، حيث تكون للجسيمات أقل طاقة حركية 3 صف الضغط والتغيرات في ضغط الغاز من حيث حركة جسيماته وتصادماتها مع سطح ما 7 صف الضغط والتغيرات في ضغط الغاز من حيث القوى التي تبذلها الجسيمات المتصادمة مع الأسطح، مما ينتج عنه قوة لكل وحدة مساحة 4 اعرف أن الحركة العشوائية للجسيمات المجهرية في المعلق هي دليل على النموذج الجزيئي الحركي للمادة 8 اعرف أن الجسيمات المجهرية يمكن تحريكها بواسطة تصادمات مع جزيئات سريعة وسريعة الحركة، واستخدام المصطلحات الذرات أو الجزيئات بشكل صحيح كمصطلحات منفصلة عن الجسيمات المجهرية 5 صف واشرح هذه الحركة (المعروفة أحيانًا بـ الحركة البرونية) من خلال التصادمات العشوائية بين الجسيمات المجهرية في المعلق وجسيمات الغاز أو السائل 2.1.3 الغازات والمقياس المطلق لدرجة الحرارة
أساسي تكميلي 1 صف، بشكل نوعي، من حيث الجسيمات، تأثير تغير درجة الحرارة على ضغط كتلة ثابتة من الغاز في: (أ) تغيير درجة الحرارة عند ثبات الحجم (ب) تغيير الحجم عند ثبات درجة الحرارة 3 استذكر واستخدم المعادلة $pV = \text{constant}$ لكتلة ثابتة من الغاز عند ثبات درجة الحرارة، بما في ذلك تمثيل بياني لهذه العلاقة 2 حول درجات الحرارة بين كلفن ودرجات مئوية؛ استذكر واستخدم المعادلة $T\text{ (in K)} = \theta\text{ (in }^{\circ}\text{C)} + 273$ المصدر: منهج كامبريدج الدولي
النظرية الحركية: ضغط الغاز توجد المادة في ثلاث حالات: صلبة، سائلة و غازية.
الحالة الشكل الحجم الجسيمات صلبة ثابت ثابت متقاربة، بنمط منتظم، تهتز سائلة تأخذ شكل الوعاء ثابت متقاربة، بدون نمط، يمكن أن تمر فوق بعضها غازية تمتلئ الوعاء متغير بعيدة عن بعضها، سريعة، حركة عشوائية تغيرات الحالة هي: الانصهار (صلب ← سائل)، الغليان/التبخر (سائل ← غاز)، التكثف (غاز ← سائل) والتجمد (سائل ← صلب). في التكثف، تتباطأ جزيئات الغاز وتتقارب لتكوين سائل. وفي التجمد، تفقد جزيئات السائل الطاقة وتستقر في مواضع ثابتة.
مفردات تدريبEnglish العربية states of matter/steɪts ɒv ˈmætə/ حالات المادة solid/ˈsɒlɪd/ صلب liquid/ˈlɪkwɪd/ سائل gas/ɡæs/ غاز condensation/kɒndenˈseɪʃn/ تكاثف solidification/səˌlɪdɪfɪˈkeɪʃn/ التصلب / التجمد kinetic particle model/kɪˈnetɪk ˈpɑːtɪkl ˈmɒdl/ نموذج الجسيمات الحركية 2.1
نموذج الجسيمات الحركية
تتكون جميع المواد من جسيمات صغيرة متحركة باستمرار. هذا هو نموذج الجسيمات الحركية.
- في المادة الصلبة، تهتز الجسيمات فقط حول مواضع ثابتة.
- في السائل، لا تزال قريبة لكنها يمكن أن تنزلق فوق بعضها البعض.
- في الغاز، تكون متباعدة وتتحرك بسرعة في اتجاهات عشوائية.
نفس الجسيمات في ثلاث حالات: ثابتة ومنظمة في الصلب، متقاربة لكن غير منتظمة في السائل، متباعدة وسريعة في الغاز درجة الحرارة وطاقة الجسيمات
عند تسخين مادة ما، تتحرك جسيماتها بشكل أسرع، لذا تصبح لديها المزيد من الطاقة الحركية. درجة الحرارة هي مقياس لمتوسط الطاقة الحركية للجسيمات.
أدنى درجة حرارة ممكنة هي الصفر المطلق، $-273\,{}^{\circ}\text{C}$. عند هذه النقطة، تكون لدى الجسيمات أقل طاقة ممكنة.
المقياس الرقمي يقيس درجة الحرارة عن طريق استشعار الطاقة الحركية للجسيمات التي تلمسها ضغط الغاز
تصطدم جسيمات الغاز بجدران وعائها. كل اصطدام هو دفع صغير. ضغط الغاز هو محصلة قوة هذه الاصطدامات لكل وحدة مساحة.
ضغط الغاز هو محصلة قوة ملايين الاصطدامات للجسيمات على كل وحدة مساحة من الجدار - تسخين غاز (عند ثبات الحجم) يجعل الجسيمات تتحرك بشكل أسرع وتصطدم بقوة أكبر وبشكل أكثر تكراراً، مما يؤدي إلى ارتفاع الضغط.
- ضغط غاز داخل حجم أصغر (عند ثبات درجة الحرارة) يعني المزيد من الاصطدامات في الثانية الواحدة على كل وحدة مساحة، مما يؤدي إلى ارتفاع الضغط.
بالنسبة لكتلة ثابتة من الغاز عند درجة حرارة ثابتة:
$$pV = \text{constant}$$لذا إذا انخفض الحجم للنصف، يتضاعف الضغط.
عند ثبات درجة الحرارة يكون منحنى الضغط-الحجم منحنياً: نصف الحجم ويتضاعف الضغط، لذا يبقى $pV$ ثابتاً مثال محلول. غاز له حجم $200\ \text{cm}^3$ عند ضغط $100\ \text{kPa}$. تم ضغطه إلى $50\ \text{cm}^3$ عند درجة حرارة ثابتة. أوجد الضغط الجديد.
بما أن $pV$ يبقى ثابتاً، فإن $p_1 V_1 = p_2 V_2$:
$$100 \times 200 = p_2 \times 50 \quad\Rightarrow\quad p_2 = \frac{20\,000}{50} = 400\ \text{kPa}$$الحركة البراونية
إذا نظرت إلى الدخان في الهواء تحت المجهر، سترى بقعاً صغيرة تتحرك بطريقة متقطعة وعشوائية. هذه هي الحركة البراونية. البقع تدفعها جسيمات هواء سريعة وغير مرئية تصطدم بها. وهو دليل قوي على نموذج الجسيمات الحركية.
اصطدامات عشوائية من جسيمات هواء سريعة تدفع حبيبة دخان على طول مسار متقطع وعشوائي مقياس كلفن
غالباً ما يستخدم العلماء مقياس كلفن (K) لدرجة الحرارة، والذي يبدأ من الصفر المطلق. للتحويل:
$$T\text{ (in K)} = \theta\text{ (in }^{\circ}\text{C}) + 273$$إذن $0\,{}^{\circ}\text{C} = 273\ \text{K}$.
مثال محلول. حول $25\,{}^{\circ}\text{C}$ إلى كلفن، و$200\ \text{K}$ إلى درجات مئوية.
$$25 + 273 = 298\ \text{K}, \qquad 200 - 273 = -73\,{}^{\circ}\text{C}$$استكشفضغط الغاز (قانون بويل)
زوِّد المكبس للداخل لتقليص الحجم. نفس عدد الجزيئات يُضغط في حيز أقل، فتصطدم بالجدران بشكل متكرر أكثر فيرتفع الضغط — بينما يبقى حاصل ضرب الضغط × الحجم ثابتًا.
مفردات تدريبEnglish العربية particle/ˈpɑːtɪkl/ جسيم vibrate/vaɪˈbreɪt/ اهتزاز kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ الطاقة الحركية temperature/ˈtemprɪtʃə/ درجة حرارة absolute zero/ˈæbsəluːt ˈzɪərəʊ/ الصفر المطلق pressure/ˈpreʃə/ الضغط Brownian motion/ˈbraʊnɪən ˈməʊʃn/ الحركة البرونية kelvin/ˈkelvɪn/ كلفن thermometer/θɜːˈmɒmɪtə/ الميزان الحراري insulating material/ˈɪnsjuːleɪtɪŋ məˈtɪərɪəl/ مادة عازلة melting/ˈmeltɪŋ/ الانصهار boiling/ˈbɔɪlɪŋ/ الغليان evaporation/ɪˌvæpəˈreɪʃn/ تبخر cools down/kuːlz daʊn/ يبرد transfer of thermal energy/ˈtrænsfɜː ɒv ˈθɜːml ˈenədʒi/ انتقال الطاقة الحرارية 2.2
التمدد الحراري
المنهج
2.2.1 التمدد الحراري للمواد الصلبة والسائلة والغازات
أساسي تكميلي 1 صف، وصفًا نوعيًا، التمدد الحراري للمواد الصلبة والسائلة والغازات عند ضغط ثابت 3 اشرح، من حيث حركة الجسيمات وترتيبها، الترتيب النسبي لمقدار تمدد المواد الصلبة والسائلة والغازات مع ارتفاع درجات حرارتها 2 صف بعض التطبيقات والتداعيات اليومية للتمدد الحراري 2.2.2 السعة الحرارية النوعية
أساسي تكميلي 1 تعلم أن ارتفاع درجة حرارة جسم ما يزيد من طاقته الداخلية 2 صف ارتفاع درجة حرارة جسم ما من حيث زيادة متوسط الطاقة الحركية لجميع جسيماته 3 عرّف السعة الحرارية النوعية بأنها الطاقة اللازمة لكل وحدة كتلة لكل وحدة ارتفاع في درجة الحرارة؛ استذكر واستخدم المعادلة $$c = \frac{\Delta E}{m\Delta\theta}$$4 صف تجارب لقياس السعة الحرارية النوعية لمادة صلبة وسائلة 2.2.3 الانصهار والغليان والتبخر
أساسي تكميلي 1 صف الانصهار والغليان من حيث إدخال الطاقة دون تغير في درجة الحرارة 6 صف الفروقات بين الغليان والتبخر 2 تعلم درجتي انصهار وغليان الماء عند الضغط الجوي القياسي 3 صف التكثف والتصلب من حيث الجسيمات 4 صف التبخر من حيث هروب الجسيمات الأعلى طاقة من سطح السائل 7 صف كيف تؤثر درجة الحرارة ومساحة السطح وحركة الهواء فوق السطح على التبخر 5 تعلم أن التبخر يسبب تبريد السائل 8 اشرح تبريد جسم في تلامس مع سائل يتبخر المصدر: منهج كامبريدج الدولي
عند تسخين المادة، تتحرك جسيماتها أكثر وتشغل مساحة أكبر، sehingga يتمدد الجسم. يتمدد الغازات أكثر من السوائل، ثم المواد الصلبة. يأتي هذا الترتيب من القوى بين الجسيمات: في المادة الصلبة تكون الجسيمات مقيدة بإحكام في شبكة بلورية (نمط ثابت)، لذا يمكنها الاهتزاز قليلاً فقط؛ في السائل تكون مقيدة بقوة أقل؛ وفي الغاز تكون القوى ضعيفة جداً، لذا تنتشر الجسيمات بشكل كبير.
أمثلة من الحياة اليومية: تُترك فجوات بين قضبان السكك الحديدية؛ تقف الجسور على عجلات دوارة؛ يرخى غطاء معدني ضيق عند تسخينه.
تُترك فجوة صغيرة بين القضبان عندما تكون باردة، بحيث تغلق الفجوة بدلاً من انبعاج المسار عندما تتمدد في الحرارة استكشفالتسخين والسعة الحرارية النوعية
Q = mcΔT
كمية الطاقة الحرارية اللازمة تتناسب طرديًا مع الارتفاع في درجة الحرارة لكل كتلة معينة من المادة.
مفردات تدريبEnglish العربية thermal expansion/ˈθɜːml ekˈspænʃn/ التمدد الحراري lattice/ˈlætɪs/ شبكة 2.2
الطاقة الداخلية والسعة الحرارية النوعية
الطاقة الداخلية للجسم هي مجموع طاقة جميع جسيماته. رفع درجة حرارة جسم ما يزيد طاقته الداخلية وغالباً ما يرفع درجة حرارته.
السعة الحرارية النوعية هي الطاقة اللازمة لرفع درجة حرارة 1 كجم من مادة ما بمقدار 1 درجة مئوية.
$$c = \frac{\Delta E}{m\,\Delta\theta}$$المادة ذات السعة الحرارية النوعية العالية (مثل الماء) تحتاج إلى الكثير من الطاقة لتسخينها وتبرد ببطء.
مثال محلول. كم مقدار الطاقة اللازمة لتسخين $2.0\ \text{kg}$ من الماء من $20\,{}^{\circ}\text{C}$ إلى $70\,{}^{\circ}\text{C}$؟ السعة الحرارية النوعية للماء هي $4200\ \text{J/(kg}\,{}^{\circ}\text{C)}$.
بإعادة ترتيب $c = \frac{\Delta E}{m\,\Delta\theta}$ نحصل على $\Delta E = mc\,\Delta\theta$، مع $\Delta\theta = 70 - 20 = 50\,{}^{\circ}\text{C}$:
$$\Delta E = 2.0 \times 4200 \times 50 = 420\,000\ \text{J} = 420\ \text{kJ}$$قياس السعة الحرارية النوعية. بالنسبة للمواد الصلبة، استخدم كتلة معدنية بها ثقبان: واحد لمصعد كهربائي والآخر لـمقياس حرارة. قِس الكتلة $m$ للكتلة. شغّل المصعد لفترة زمنية محددة $t$ وسجل التيار الكهربائي $I$ والجهد الكهربائي $V$، بحيث تكون الطاقة المزودة هي $E = IVt$ (أو اقرأ الطاقة من جهاز قياس الجول). سجل الارتفاع في درجة الحرارة $\Delta\theta$. حينها $c = \dfrac{E}{m\,\Delta\theta}$. بالنسبة للسوائل، سخّن كتلة محددة من السائل في وعاء وأدهنه، لتكون درجة الحرارة موحدة في جميع أنحاءه. لف الكتلة أو الوعاء بـمواد عازلة لتقليل فقدان الطاقة إلى الهواء.
غليان الماء: الطاقة الداخلية ترتفع مع درجة الحرارة؛ السعة الحرارية النوعية هي الطاقة لكل كجم لكل درجة مئوية مفردات تدريبEnglish العربية internal energy/ɪnˈtɜːnl ˈenədʒi/ الطاقة الداخلية specific heat capacity/spəˈsɪfɪk hiːt kəˈpæsɪti/ السعة الحرارية النوعية heater/ˈhiːtə/ سخّان 2.2
الانصهار والغليان والتبخر
الانصهار والغليان يتطلبان طاقة، لكن درجة الحرارة تبقى ثابتة أثناء تغير الحالة. هذه الطاقة تكسر القوى بين الجزيئات. بالنسبة للماء عند الضغط الجوي العادي، يحدث الانصهار عند $0\,{}^{\circ}\text{C}$ والغليان عند $100\,{}^{\circ}\text{C}$.
بينما تذاب المادة وتغلي تبقى درجة الحرارة مستوية، رغم إضافة الطاقة التبخر هو تحول السائل إلى غاز عند سطحه، تحت درجة غليانه. تهرب أسرع الجزيئات من السطح. وبسبب مغادرة أسرع الجزيئات (الأكثر طاقة)، تنخفض متوسط طاقة ما يتبقى، مما يؤدي إلى تبريد السائل. أي جسم يلامس سائلاً يتبخر يبرد أيضاً، لأن السائل يأخذ الطاقة منه: ولهذا السبب يعرق الجلد.
التبخر أسرع عندما تكون درجة الحرارة أعلى، ومساحة السطح أكبر، ويكون هناك حركة هوائية أكثر فوق السطح.
استكشفمنحنى التسخين — راقب توقف درجة الحرارة مؤقتًا
بينما تتحول المادة أو تغلي، تظل درجة الحرارة ثابتة رغم استمرار إضافة الحرارة — فالطاقة تكسر الروابط بدلاً من رفع الحرارة.
2.3
نقل الطاقة الحرارية
المنهج
2.3.1 التوصيل الحراري
أساسي تكميلي 1 صف تجارب لإظهار خصائص الموصلات الحرارية الجيدة والعازلات الحرارية (العوازل الحرارية) 2 صف التوصيل الحراري في جميع المواد الصلبة من اهتزاز الشبكة الذرية أو الجزيئية، وكذلك من خلال حركة الإلكترونات الحرة (غير الموضحة) في الموصلات المعدنية 3 صف، من حيث الجسيمات، لماذا يكون التوصيل الحراري سيئًا في الغازات ومعظم السوائل 4 تعلم وجود مواد صلبة كثيرة توصل الطاقة الحرارية أفضل من العوازل الحرارية ولكنها أقل كفاءة من الموصلات الحرارية الجيدة 2.3.2 الحمل الحراري
أساسي تكميلي 1 تعلم أن الحمل الحراري طريقة مهمة لنقل الطاقة الحرارية في السوائل والغازات 2 اشرح الحمل الحراري في السوائل والغازات من حيث تغيرات الكثافة وصف تجارب لتوضيح الحمل الحراري 2.3.3 الإشعاع
أساسي تكميلي 1 تعلم أن الإشعاع الحراري هو إشعاع تحت الأحمر وأن جميع الأجسام تشع هذا الإشعاع 2 تعلم أن نقل الطاقة الحرارية بالإشعاع الحراري لا يتطلب وسطًا 4 تعلم أنه لكي يكون الجسم في حالة ثبات حراري، يجب عليه نقل الطاقة منه بنفس معدل استقباله للطاقة 3 صف تأثير لون السطح (أسود أو أبيض) وملمسه (مطفي أو لامع) على انبعاث وامتصاص وانعكاس إشعاع تحت الأحمر 5 تعلم ما الذي يحدث لجسم إذا كان معدل استقباله للطاقة أقل أو أكثر من معدل نقله للطاقة منه 6 تعلم كيف تتأثر درجة حرارة الأرض بالعوامل التي تحكم التوازن بين الإشعاع الداخل والإشعاع المنبعث من سطح الأرض 7 صف تجارب للتمييز بين المشعّات الجيدة والمسيئة لإشعاع تحت الأحمر 8 صف تجارب للتمييز بين الممتصات الجيدة والمسيئة لإشعاع تحت الأحمر 9 صف كيف يعتمد معدل انبعاث الإشعاع على درجة حرارة السطح ومساحة سطح الجسم 2.3.4 تداعيات انتقال الطاقة الحرارية
أساسي تكميلي 1 اشرح بعض التطبيقات والتداعيات الأساسية اليومية للتوصيل والحمل والإشعاع، بما في ذلك: (أ) تسخين أجسام مثل أواني المطبخ (ب) تسخين غرفة بالحمل الحراري 2 اشرح بعض التطبيقات والتداعيات المعقدة للتوصيل والحمل والإشعاع حيث يكون أكثر من نوع واحد من انتقال الطاقة الحرارية ذا أهمية، بما في ذلك: (أ) حريق الخشب أو الفحم (ب) مشع في السيارة المصدر: منهج كامبريدج الدولي
تنقل الطاقة الحرارية من الأماكن الساخنة إلى الباردة بثلاث طرق.
التوصيل الحراري
التوصيل الحراري هو نقل الطاقة الحرارية عبر مادة دون تحرك المادة نفسها. جزيئات المادة الصلبة ترتبط في شبكة بلورية. تهتز الجزيئات المسخنة بشكل أكبر وتنقل الطاقة لجيرانها. في المعادن، تحمل الإلكترونات الحرة (الإلكترونات اللامركزية) الطاقة بسرعة، لذلك تُعد المعادن موصلات حرارية جيدة.
المواد التي توصل الحرارة بشكل سيء (مثل الهواء والخشب والبلاستيك) تُعد عوازل حرارية.
اختبار الموصلات. ثبت دبوس رسم بإصبع من الشمع على أحد طرفي قضبان من النحاس والحديد والزجاج والخشب، وسخّن الأطراف الأخرى بالتساوي. يسقط الدبوس أولاً من قضيب النحاس، ثم من قضيب الحديد، وأخيراً (أو لا يسقط أبداً) من الزجاج والخشب: المعادن هي أفضل الموصلات. يصبح القضيب المعدني ساخناً بسرعة عند وضعه في لهب، بينما لا يسخن القضيب الخشبي.
الغازات ومعظم السوائل رديئة التوصيل لأن جسيماتها متباعدة وتنتقل الطاقة فقط عندما تتصادم صدفةً. لا توجد شبكة بلورية ولا إلكترونات حرة.
في التوصيل، تنقل الجسيمات المهتزة طاقتها إلى جيرانها، sehingga تتدفق الطاقة من الطرف الساخن إلى الطرف البارد الحمل الحراري
الحمل الحراري يحدث في السوائل والغازات. عندما يُسخّن المائع يتمدد ويصبح أقل كثافة ويرتفع. ينخفض المائع الأبرد والأكثر كثافة ليحل محله. هذه الحلقة من المائع المتحرك تسمى تيار الحمل.
يرتفع المائع المُسخّن وينخفض المائع البارد، مما يُنشئ تيار حمل إظهار الحمل الحراري. ألقِ بلورة من برمنجنات البوتاسيوم البنفسجية في كأس زجاجي به ماء وسخّن الكأس بلطف أسفل البلورة. يرتفع تيار ملون فوق منطقة التسخين، وينتشر عبر الأعلى وينخفض عند الجوانب. في الهواء، شمع مشتعل أسفل أحد مدخلات صندوق الدخان يسحب الدخان إلى الداخل من المدخل الآخر ويصعد فوق اللهب.
لا يمكن أن يحدث الحمل الحراري في المواد الصلبة لأن جسيماتها لا تستطيع التحرك من مكان إلى آخر.
الإشعاع
الإشعاع الحراري هو طاقة تُحمل بواسطة موجات الأشعة تحت الحمراء. تشعّه جميع الأجسام، ولا يحتاج إلى وسط مادي للانتقال — بل يمكنه عبور الفراغ (وهكذا تصل إلينا الطاقة من الشمس).
السطح الداكن والأسود هو مشعّ جيد وممتصّ جيد للأشعة تحت الحمراء. السطح اللامع والأبيض هو مشعّ ضعيف وعاكس جيد.
السطح الداكن غير اللامع يشعّ (ويمتص) الأشعة تحت الحمراء بشكل أفضل بكثير من السطح اللامع الأبيض مقارنة الأسطح. املأ علبتين، إحداهما سوداء داكنة والأخرى فضية لامعة، بالماء الساخن عند نفس درجة الحرارة، وضع مقياس حرارة في كل منهما. تبرد العلبة السوداء أسرع، لذا فهي المشعّ الأفضل. ثم ضع نفس العلبتين، مليئتين بالماء البارد، على مسافات متساوية من مصدر تسخين. تسخن العلبة السوداء أسرع، لذا فهي الممتصّ الأفضل. يُظهر مكعب ليزلي (صندوق معدني بوجه واحد لكل نوع من الأسطح) نفس النتيجة.
تحول الكاميرا الحرارية (تحت الحمراء) الأشعة المنبعثة من يد دافئة إلى صورة؛ كلما كانت الصورة أكثر سطوعاً دل ذلك على ارتفاع درجة الحرارة تبقى الجسم عند درجة حرارة ثابتة عندما يشعّ الطاقة بنفس معدل امتصاصه لها. يكون معدل الإشعاع أعلى عندما تكون السطح أكثر سخونة وكبراً. إذا امتص الجسم طاقة أسرع مما يشعّه، ترتفع درجة حرارته؛ وإذا شعّ أسرع مما يمتصه، تنخفض درجة حرارته.
درجة حرارة الأرض. تمتص الأرض الإشعاع من الشمس وتُشع إشعاعاً تحت الحمراء إلى الفضاء. تبقى درجة حرارتها المتوسطة ثابتة فقط عندما تتساوى معدلان الامتصاص والإشعاع. أي تغيير في هذا التوازن يُغير درجة الحرارة. تمتص الغازات في الغلاف الجوي مثل ثاني أكسيد الكربون جزءاً من الإشعاع المنبعث وتعيد جزءاً منه نحو الأسفل، مما يؤدي إلى ارتفاع درجة حرارة الأرض مع زيادة هذه الغازات. تعكس الغيوم والجليد ضوء الشمس الوارد، لذا فإن انخفاض الجليد يعني امتصاص طاقة أكبر، وارتفاع درجة حرارة الأرض أكثر.
أمثلة يومية
- تحتوي مقلاة المطبخ على قاعدة معدنية توصل الطاقة بسرعة إلى الطعام، ومقبض بلاستيكي أو خشبي يعمل كمادة عازلة، مما يسمح لك بحملها بأمان.
- يسخن المشع الغرفة عن طريق الحمل الحراري: تسخن الهواء المجاور له، فيتصاعد ويحل محله هواء أبرد، مما يؤدي لتسخين الغرفة بأكملها.
- عند الجلوس قرب موقد النار، تشعر بإشعاعه على وجهك فوراً؛ لأن الهواء بينك وبين النار موصل ضعيف للحرارة.
- يحافظ الزجاجة المعقبة على مشروب ساخن عن طريق منع جميع عمليات النقل الثلاث: يعيق الفراغ بين الجدران المزدوجة التوصيل والحمل الحراري، بينما تمنح الأسطح الفضية اللامعة الإشعاع.
استكشفمختبر نقل الحرارة
قارن الطرق التي تنتقل بها الطاقة الحرارية.
مفردات تدريبEnglish العربية conduction/kənˈdʌkʃn/ التوصيل delocalised electrons/dɪˈlɒkəlaɪzd ɪˈlektrɒnz/ إلكترونات غير موزعة thermal conductor/ˈθɜːml kənˈdʌktə/ ناقل حراري thermal insulator/ˈθɜːml ˈɪnsjuːleɪtə/ عازل حراري convection/kənˈvekʃn/ الحمل potassium permanganate/pəˈtæsɪəm pəˈmæŋɡəneɪt/ برمنغنات البوتاسيوم thermal radiation/ˈθɜːml ˌreɪdɪˈeɪʃn/ الإشعاع الحراري infrared/ˌɪnfrəˈred/ الأشعة تحت الحمراء dull/dʌl/ باهت emitter/ɪˈmɪtə/ المُرسِل absorber/əbˈsɔːbə/ امتصاصي reflector/rɪˈflektə/ عاكس Leslie cube/ˈlesli kjuːb/ مكعب ليزلي atmosphere/ˈætməsfɪə/ الغلاف الجوي radiator/ˈreɪdɪeɪtə/ مشع vacuum flask/ˈvækjuːm flæsk/ قارورة فاراداي 2.3
نصائح للامتحان
- في النموذج الحركي للجسيمات، يؤدي تسخين الغاز إلى زيادة سرعة جسيماته وضربها للجدران بقوة أكبر وبشكل متكرر، مما يرفع الضغط. لا تكبر الجسيمات نفسها.
- يحدث التبخر فقط عند السطح وعند أي درجة حرارة؛ بينما يحدث الغليان عبر كامل السائل عند درجة حرارة ثابتة. يُبرد التبخر السائل المتبقي لأن أسرع الجسيمات تهرب.
- أثناء الذوبان والغليان تظل درجة الحرارة ثابتة رغم استمرار تزويد الطاقة — هذه الطاقة تُكسر القوى بين الجسيمات.
- لحساب السعة الحرارية النوعية استخدم $\Delta E = mc\,\Delta\theta$، حيث $\Delta\theta$ هو التغير في درجة الحرارة، وليس درجة الحرارة النهائية.
- الأسطح السوداء المطفأة هي أفضل المشعّعات والممتصات للأشعة تحت الحمراء؛ أما الأسطح اللامعة والفاتحة فهي أفضل العاكسات. يحتاج الحمل الحراري إلى سائل أو غاز لتدفقه، لذا لا يمكن أن يحدث في المادة الصلبة.
-
3
الموجات
شاهد الدرس3.1
الخصائص العامة للموجات
المنهج
أساسي تكميلي 1 تعلم أن الموجات تنقل الطاقة دون نقل المادة 2 صف ما يُقصد بحركة الموجات كما يظهر في الاهتزازات في الحبال والزنبركات، وفي التجارب باستخدام موجات الماء 3 صف ميزات الموجة من حيث وجه الموجة، الطول الموجي، التردد، القمة (الذروة)، الوتد، السعة وسرعة الموجة 4 استذكر واستخدم معادلة سرعة الموجة $v = f \lambda$ 5 تعلم أنه بالنسبة للموجة العرضية، يكون اتجاه الاهتزاز عموديًا على اتجاه الانتشار، وت understands أن الإشعاع الكهرومغناطيسي وموجات الماء وموجات الزلزال S (الثانوية) يمكن نمذجتها كموجات عرضية 6 تعلم أنه بالنسبة للموجة الطولية، يكون اتجاه الاهتزاز موازيًا لاتجاه الانتشار، وت understands أن موجات الصوت وموجات الزلزال P (الأولية) يمكن نمذجتها كموجات طولية 7 صف كيف يمكن للموجات أن تخضع لـ: (أ) الانعكاس على سطح مستوٍ (ب) الكسر بسبب تغير السرعة (ج) الحيود عبر فتحة ضيقة 9 صف كيف يؤثر الطول الموجي وحجم الفتحة على الحيود عبر فتحة 8 صف استخدام خزان الأمواج لإظهار: (أ) الانعكاس على سطح مستوٍ (ب) الكسر بسبب تغير السرعة الناتج عن تغير العمق (ج) الحيود بسبب فتحة (د) الحيود بسبب حافة 10 صف كيف يؤثر الطول الموجي على الحيود عند الحافة المصدر: منهج كامبريدج الدولي
موجات مستعرضة مقابل موجات طولية تحمل الموجة طاقة من مكان إلى آخر دون نقل مادة. على سبيل المثال، تجعل موجة الماء فلينًا عائمًا يرتفع وينخفض، لكن الفلين لا يتحرك مع الموجة. يمكنك توليد موجة على حبل بهز طرفه لأعلى ولأسفل، أو على نابض طويل بدفع أحد طرفيه ذهابًا وإيابًا. في حوض الأمواج (صحن ضحل مليء بالماء مع ضوء فوقه) يمكنك مشاهدة موجات الماء على شاشة أسفلها.
وصف الموجة
- وجه الموجة: خط يربط نقاطًا على الموجة تتحرك معًا (مثل قمم تموج واحد).
- طول الموجة ($\lambda$): المسافة بين وجهي موجتين متجاورين (موجة كاملة واحدة).
- التردد ($f$): عدد الموجات التي تمر بنقطة ما كل ثانية، ويُقاس بالهرتز (Hz).
- القمة (تُسمى أيضًا الرأس، الجزء العلوي) والقاع (الجزء السفلي).
- السعة: أقصى مسافة يتحركها نقطة ما عن وضعها الطبيعي.
- سرعة الموجة ($v$): مدى سرعة تحرك وجه الموجة.
أجزاء الموجة: الطول الموجي، السعة، القمة والذروة ترتبط هذه الكميات بـ معادلة الموجة:
$$v = f\lambda$$
طول الموجة هو المسافة بين قمتين؛ والسعة هي الارتفاع من الوضع الطبيعي إلى القمة مثال محلول. تنتقل موجة صوتية بسرعة $340\ \text{m/s}$ وترددها $170\ \text{Hz}$. أوجد طول موجتها.
إعادة ترتيب $v = f\lambda$ يعطي $\lambda = \dfrac{v}{f}$:
$$\lambda = \frac{340}{170} = 2.0\ \text{m}$$نوعان من الموجات
- في الموجة العرضية تهتز الجسيمات بزاوية قائمة (90°) على اتجاه انتشار الموجة (انتشارها). الضوء وموجات الماء وموجات Z地震ية (الاهتزاز الجانبي في الزلازل) هي موجات عرضية.
- في الموجة الطولية تهتز الجسيمات على نفس اتجاه انتشار الموجة. الصوت وموجات P地震ية موجات طولية.
في الموجة العرضية تهتز الجسيمات عبر اتجاه الحركة؛ وفي الموجة الطولية تهتز على امتدادها، مكونة مناطق انضغاط وتخلخلاً سلوك الموجات
يمكن لجميع الموجات إظهار ثلاثة سلوكيات، يمكنك رؤيتها في حوض الأمواج:
- الانعكاس: ترتد الموجة عن سطح ما.
- الانكسار: تتغير سرعة الموجة (وعادةً اتجاهها) عند دخولها مادة مختلفة أو عمقًا مختلفًا.
- الحيود: تمتد الموجة بعد المرور عبر فتحة أو حول حافة. يكون الامتداد أعظم عندما تكون الفتحة بحجم مقارب لطول الموجة.
الموجات المستوية التي تمر عبر فتحة ضيقة تنتشر إلى موجات منحنية — الحيود هو الأقوى عندما تكون الفتحة بعرض طول موجي واحد تقريباً 
الموجات المستوية في حوض الأمواج تنعكس عن حاجز مستقيم: تخرج وجوه الموجة المنعكسة بنفس الزاوية التي وصلت بها. استكشفخصائص الموجات
y = a sin(bx + c)
الموجة: a تمثل السعة، وb تحدد الطول الموجي.
استكشفموجات مستعرضة وطولية
انتقل بين موجة مستعرضة (جسيمات تهتز للأعلى والأسفل، كالماء والضوء) وموجة طولية (جسيمات تنزلق يميناً ويساراً، متجمعة في انضغاطات، كالصوت). تتحرك الموجة، لكن الجسيمات تبقى في مكانها.
استكشفموجتان تتراكبان
غيّر الموجة الثانية. حيث يلتقي الموجان يتراكبان — أحيانًا يعززان بعضهما، وأحيانًا يلغيان بعضهما.
مفردات تدريبEnglish العربية wave/weɪv/ موجة energy/ˈenədʒi/ طاقة ripple tank/ˈrɪpl tæŋk/ حوض الأمواج wavefront/ˈweɪvfrʌnt/ واجهة الموجة wavelength/ˈweɪvleŋθ/ الطول الموجي frequency/ˈfriːkwənsi/ التردد crest/krest/ قمة peak/piːk/ قمة trough/trɒf/ القاع amplitude/ˈæmplɪtjuːd/ السعة wave speed/weɪv spiːd/ سرعة الموجة transverse wave/trænsˈvɜːs weɪv/ موجة مستعرضة propagation/ˌprɒpəˈɡeɪʃn/ التوسع longitudinal wave/ˌlɒŋɡɪˈtjuːdɪnl weɪv/ موجة طولية diffraction/dɪˈfrækʃn/ التشتير light/laɪt/ ضوء normal/ˈnɔːml/ العادي angle of incidence/ˈæŋɡl ɒv ˈɪnsɪdəns/ زاوية السقوط angle of reflection/ˈæŋɡl ɒv rɪˈflekʃn/ زاوية الانعكاس plane mirror/pleɪn ˈmɪrə/ مرآة مستوية angle of refraction/ˈæŋɡl ɒv rɪˈfrækʃn/ زاوية الانكسار ray box/reɪ bɒks/ صندوق الأشعة refractive index/rɪˈfræktɪv ˈɪndeks/ معامل الانكسار 3.2
الضوء
المنهج
3.2.1 انعكاس الضوء
أساسي تكميلي 1 عرّف واستخدم المصطلحات العمودي وزاوية السقوط وزاوية الانعكاس 2 صف تكون صورة بصرية بواسطة مرآة مستوية وأعطِ خصائصها، أي نفس الحجم، نفس المسافة من المرآة، وهمية 3 بيّن أنه بالنسبة للانعكاس، زاوية السقوط تساوي زاوية الانعكاس؛ تذكر هذه العلاقة واستخدمها 4 استخدم بنى بسيطة وقياسات وحسابات للانعكاس بواسطة المرايا المستوية 3.2.2 انكسار الضوء
أساسي تكميلي 1 عرّف واستخدم المصطلحات العمودي، زاوية السقوط وزاوية الانكسار 2 صف تجربة لإظهار انكسار الضوء بواسطة كتل شفافة ذات أشكال مختلفة 6 عرّف معامل الانكسار، $n$، كنسبة سرعات موجة في منطقتين مختلفتين 3 صف مرور الضوء عبر مادة شفافة (مقتصرًا على الحدود بين وسطين فقط) 7 تذكر واستخدم المعادلة $$n = \frac{\sin i}{\sin r}$$4 بيّن معنى الزاوية الحرجة 8 تذكر واستخدم المعادلة $$n = \frac{1}{\sin c}$$5 صف الانعكاس الداخلي والانعكاس الكلي الداخلي باستخدام أمثلة تجريبية وعملية يومية 9 صف استخدام الألياف البصرية، لا سيما في الاتصالات 3.2.3 العدسات الرقيقة
أساسي تكميلي 1 صف تأثير العدسات الرقيقة المجمعة والعدسات الرقيقة المبثرة على شعاع ضوئي موازٍ 2 عرّف واستخدم المصطلحات البعد البؤري والمحور الرئيسي والبؤرة الرئيسية (النقطة البؤرية) 3 ارسم واستخدم مخططات الأشعة لتكوين صورة حقيقية بواسطة عدسة مجمعة 6 ارسم واستخدم مخططات الأشعة لتكوين صورة وهمية بواسطة عدسة مجمعة 4 صف خصائص الصورة باستخدام المصطلحات مكبرة/نفس الحجم/منقصة، قائمة/مقلوبة وحقيقية/وهمية 7 صف استخدام عدسة مفردة كمكبر 5 عرّف أن الصورة الوهمية تتكون عندما تُمدد الأشعة المبثرة إلى الخلف ولا تشكل مسقطًا مرئيًا على شاشة 8 صف استخدام العدسات المجمعة والمبثرة لتصحيح طول النظر وقصر النظر 3.2.4 تشتت الضوء
أساسي تكميلي 1 صف تشتت الضوء كما هو موضح عن طريق انكسار الضوء الأبيض بواسطة منشور زجاجي 2 اعرف الألوان السبعة التقليدية للمجال المرئي مرتبة حسب التردد ومرتبة حسب الطول الموجي 3 تذكّر أن الضوء المرئي ذو تردد واحد يُوصف بأنه أحادي اللون المصدر: منهج كامبريدج الدولي
عدسة مجمعة تُكوّن صورة الانعكاس الكلي الداخلي الانعكاس
عند اصطدام الضوء بمرايا، ينعكس. نقيس الزوايا بالنسبة لـ العمودي (خط بزاوية 90° على السطح).
قانون الانعكاس: زاوية السقوط تساوي زاوية الانعكاس.
تُكوّن المرايا المستوية صورة بنفس حجم الجسم، على نفس المسافة خلف المرآة، وهي وهمية (لا يمكن التقاطها على شاشة).
عند المرآة المستوية زاوية السقوط $i$ تساوي زاوية الانعكاس $r$، وكلاهما يُقاس من العمودي الانكسار
عمر مرور الضوء من مادة إلى أخرى، يتغير سرعته وينحني. الزاوية في المادة الثانية هي زاوية الانكسار.
من الهواء إلى الزجاج، يقل سرعة الضوء وينحني نحو العمودي، لذا $i > r$ رؤية الانكسار. وجه شعاعًا ضيقًا من صندوق الأشعة إلى كتلة زجاجية مستطيلة موضوعة على ورقة. ضع علامة للشعاع الداخل والشعاع الخارج، أزل الكتلة، وصِل العلامات لرسم الشعاع داخل الزجاج. ارسم العمودي عند دخول الشعاع وقيِّم زاوية السقوط وزاوية الانكسار باستخدام منقلة. كرر ذلك مع كتلة نصف دائرية أو منشور: الشعاع ينحني دائمًا نحو العمودي عند الدخول للزجاج وبعيدًا عنه عند الخروج.
معامل الانكسار $n$ يقارن سرعة الضوء في المادتين:
$$n = \frac{\sin i}{\sin r}$$مثال محلول. يمر شعاع ضوء من الهواء إلى الزجاج. زاوية السقوط 60° وزاوية الانكسار 35°. أوجد معامل انكسار الزجاج. (استخدم $\sin i = 0.87$ و$\sin r = 0.57$.)
$$n = \frac{\sin i}{\sin r} = \frac{0.87}{0.57} = 1.5$$عندما يحاول الضوء الخروج من الزجاج أو الماء ويكون الزاوية كبيرة جداً، لا يستطيع الخروج بل ينعكس كلياً. هذه هي الانعكاس الكلي الداخلي. يحدث هذا عندما تكون الزاوية الداخلية أكبر من الزاوية الحرجة $c$:
$$n = \frac{1}{\sin c}$$
أسفل الزاوية الحرجة ينكسر الضوء للخارج؛ فوقها يتم الانعكاس الكلي الداخلي للضوء يُستخدم هذا التأثير في الألياف الضوئية، وهي خيوط زجاجية رقيقة تنقل إشارات ضوئية للهواتف والإنترنت.
يحافظ الانعكاس الكلي الداخلي على ارتداد الضوء على طول كل ليف حتى يضيء من الطرف العدسات
العدسة المجمعة (سميكة من المنتصف) تحني الأشعة الموازية نحو الداخل إلى نقطة تسمى البؤرة الرئيسية. المحور الرئيسي هو الخط المستقيم الذي يمر بمنتصف العدسة وعمودياً عليها؛ تقع البؤرة الرئيسية على هذا المحور. المسافة من منتصف العدسة إلى البؤرة الرئيسية هي البعد البؤري. العدسة المشتتة (رفيعة من المنتصف) تبث الأشعة الموازية للخارج، وكأنها نابعة من بؤرة في الجانب الذي تأتي منه الأشعة.
العدسة المجمعة تحني الأشعة الموازية لتلتقي عند البؤرة الرئيسية؛ البعد البؤري $f$ هو مسافة العدسة إلى البؤرة يمكن للعدسة المجمعة تكوين صورة حقيقية (تلتقي فيها الأشعة حقاً؛ يمكن عرضها على شاشة) أو، عندما يكون الجسم قريباً جداً، صورة وهمية (تبدو الأشعة وكأنها نابعة منها). تُستخدم العدسة المجمعة عن قرب العين لتكون عدسة مكبرة.
وصف الصورة بثلاث أزواج من الكلمات: مكبرة أو مصغرة (أو بنفس الحجم)، مستقيمة أو مقلوبة (مقلوبة رأساً على عقب)، وحقيقية أو وهمية. يعطي جسم بعيد beyond البؤرة صورة مصغرة ومقلوبة وحقيقية (كما في الكاميرا). يعطي جسم بين البؤرة والعدسة صورة مكبرة ومستقيمة وهمية (عدسة مكبرة).
تصحيح النظر. الشخص المصاب بـ قصر النظر يرى الأشياء القريبة بوضوح لكن الأشياء البعيدة تبدو مشوشة: يركز العين الضوء أمام الشبكية (الخلف من العين). تُشتت العدسة المشتتة الموجودة أمام العين الأشعة أولاً، بحيث تتركز على الشبكية. الشخص المصاب بـ طول النظر يرى الأشياء البعيدة بوضوح لكن الأشياء القريبة تبدو مشوشة: يركز العين الضوء خلف الشبكية. تجتمع العدسة المجمعة الأشعة قليلاً قبل دخولها العين.
عند حملها بعيداً عن العين، تشكل العدسة المجمعة صورة حقيقية – هنا تظهر المنازل الخلفية مقلوبة رأساً على عقب التشتت
يفصل المكعب الزجاجي الضوء الأبيض إلى ألوان الطيف. يسمى هذا الفصل بـ التشتت.
ينكسر الضوء البنفسجي أكثر والأحمر أقل بواسطة المكعب، لذا ينتشر الضوء الأبيض في طيف من الألوان ترتيب الألوان هو الأحمر، البرتقالي، الأصفر، الأخضر، الأزرق، النيلي، البنفسجي. ضوء الأحمر له أطول طول موجي وأقل تردد؛ البنفسجي هو العكس. ضوء بتردد واحد (لون نقي واحد) هو أحادي اللون.
يدخل الضوء الأبيض مكعباً زجاجياً حقيقياً وينتشر في كامل الطيف من الألوان استكشفثني شعاع الضوء
أضئ الضوء داخل الماء أو الزجاج أو الألماس وغيّر الزاوية. يتباطأ الشعاع وينحرف نحو العمودي — كلما كان المادة أكثر كثافةً (معامل n أعلى)، زادت زاوية الانحناء. وهذا الانحناء هو سبب ظهور قصبة المشروب مكسورة في الكأس، ولمعان الألماس.
استكشفتكوين الصورة بواسطة عدسة مقربة
تتبع الأشعة الثلاثة الخاصة من الجسم — حيث تتقاطع هي الصورة. حرك الجسم closer than the focal point (أقرب من البؤرة) لتحويله إلى زجاج مكبر.
مفردات تدريبEnglish العربية reflection/rɪˈflekʃn/ انعكاس refraction/rɪˈfrækʃn/ انكسار total internal reflection/ˈtəʊtl ɪnˈtɜːnl rɪˈflekʃn/ الانعكاس الكلي الداخلي critical angle/ˈkrɪtɪkl ˈæŋɡl/ أرق (هواء) optical fibre/ˈɒptɪkl ˈfaɪbə/ ليف بصري converging lens/kənˈvɜːdʒɪŋ lenz/ عدسة محدبة principal focus/ˈprɪnsɪpl ˈfəʊkəs/ البؤرة الرئيسية principal axis/ˈprɪnsɪpl ˈæksɪs/ المحور الرئيسي focal length/ˈfəʊkl leŋθ/ البعد البؤري diverging lens/daɪˈvɜːdʒɪŋ lenz/ عدسة مقعرة real image/rɪəl ˈɪmɪdʒ/ صورة حقيقية virtual image/ˈvɜːtʃuːəl ˈɪmɪdʒ/ صورة وهمية magnifying glass/ˈmæɡnɪfaɪɪŋ ɡlæs/ عدسة مكبرة enlarged/enˈlɑːdʒd/ مُكَبَّر diminished/dɪˈmɪnɪʃt/ مصغرة upright/ˈʌpraɪt/ عمودية inverted/ɪnˈvɜːtɪd/ مقلوبة short-sightedness/ʃɔːt ˈsaɪtɪdnəs/ قصر النظر retina/ˈretɪnə/ شبكية long-sightedness/lɒŋ ˈsaɪtɪdnəs/ طول النظر prism/ˈprɪzəm/ هرم مستقيم dispersion/dɪˈspɜːʃn/ تشتت monochromatic/ˌmɒnəʊkrəʊˈmætɪk/ أحادية اللون electromagnetic spectrum/ɪˌlektrəʊməɡˈnetɪk ˈspektrəm/ الطيف الكهرومغناطيسي vacuum/ˈvækjuːm/ فراغ radio waves/ˈreɪdɪəʊ weɪvz/ موجات الراديو microwave/ˈmaɪkrəʊweɪv/ ميكروي infrared/ˌɪnfrəˈred/ الأشعة تحت الحمراء ultraviolet/ˌʊltrəˈvaɪəlɪt/ الأشعة فوق البنفسجية X-rays/eks reɪz/ أشعة إكس gamma rays/ˈɡæmə reɪz/ أشعة غاما artificial satellites/ˌɑːtɪˈfɪʃl ˈsætəlaɪts/ أقمار اصطناعية low orbit/ləʊ ˈɔːbɪt/ مدار منخفض geostationary orbit/ˌdʒiːəʊˈsteɪʃənəri ˈɔːbɪt/ مدار جيوستاشوني analogue/ˈænəlɒɡ/ تماثلي digital/ˈdɪdʒɪtl/ رقمي 3.3
الطيف الكهرومغناطيسي
المنهج
أساسي تكميلي 1 اعرف المناطق الرئيسية لـالطيف الكهرومغناطيسي مرتبة حسب التردد ومرتبة حسب الطول الموجي 2 اعرف أن جميع الموجات الكهرومغناطيسية تسير بنفس السرعة العالية في الفراغ 6 اعرف أن سرعة الموجات الكهرومغناطيسية في الفراغ هي $3.0 \times 10^8\text{ m/s}$ وهي مقاربة جدًا في الهواء 3 صف الاستخدامات النموذجية لمناطق الطيف الكهرومغناطيسي المختلفة بما في ذلك: (أ) موجات الراديو؛ بث الراديو والتلفزيون، علم الفلك، تحديد الهوية بتردد الراديو (RFID) (ب) الموجات الدقيقة؛ تلفزيون الأقمار الصناعية، الهواتف المحمولة (الهواتف الخلوية)، أفران الميكروويف (ج) الأشعة تحت الحمراء؛ الشواوي الكهربائية، الاتصالات قصيرة المدى مثل أجهزة التحكم عن بعد للتلفزيون، كاشفات التسلل، التصوير الحراري، الألياف البصرية (د) الضوء المرئي؛ الرؤية، التصوير الفوتوغرافي، الإضاءة (هـ) الأشعة فوق البنفسجية؛ العلامات الأمنية، كشف الأوراق النقدية المزيفة، تعقيم المياه (و) أشعة إكس؛ التصوير الطبي، كاشفات الأمن (ز) أشعة غاما؛ تعقيم الطعام والمعدات الطبية، كشف السرطان وعلاجه 4 صف الآثار الضارة على البشر الناتجة عن التعرض المفرط للإشعاع الكهرومغناطيسي، بما في ذلك: (أ) الموجات الدقيقة؛ التسخين الداخلي لخلايا الجسم (ب) الأشعة تحت الحمراء؛ حروق الجلد (ج) الأشعة فوق البنفسجية؛ تلف الخلايا السطحية والعينين، مما يؤدي إلى سرطان الجلد وأمراض العين (د) أشعة إكس وأشعة غاما؛ طفرات أو تلف في خلايا الجسم 5 اعرف أن الاتصال مع الأقمار الصناعية الاصطناعية يتم بشكل رئيسي بواسطة الموجات الدقيقة: (أ) تستخدم بعض هواتف الأقمار الصناعية أقمارًا اصطناعية في مدار منخفض (ب) تستخدم بعض هواتف الأقمار الصناعية وتلفزيون البث المباشر بالأقمار الصناعية أقمارًا جغوستيونارية 7 اعرف أن العديد من أنظمة الاتصالات الهامة تعتمد على الإشعاع الكهرومغناطيسي بما في ذلك: (أ) الهواتف المحمولة (الخلوية) والإنترنت اللاسلكي يستخدمان الموجات الدقيقة لأن الموجات الدقيقة يمكنها اختراق بعض الجدران وتتطلب فقط هوائي قصير للإرسال والاستقبال (ب) البلوتوث يستخدم موجات الراديو لأن موجات الراديو تمر عبر الجدران ولكن الإشارة تضعف عند فعل ذلك (ج) تُستخدم الألياف البصرية (الضوء المرئي أو الأشعة تحت الحمراء) لتلفزيون الكابل والإنترنت عالي السرعة لأن الزجاج شفاف للضوء المرئي وبعض الأشعة تحت الحمراء؛ الضوء المرئي والأشعة تحت الحمراء ذات الطول الموجي القصير يمكنها نقل معدلات بيانات عالية 8 اعرف الفرق بين الإشارة الرقمية والإشارة التناظرية 9 اعرف أن الصوت يمكن إرساله كإشارة رقمية أو تناظرية 10 اشرح فوائد الإشارات الرقمية بما في ذلك زيادة معدل نقل البيانات وزيادة النطاق بسبب إعادة توليد الإشارة بدقة المصدر: منهج كامبريدج الدولي
الطيف الكهرومغناطيسي هو عائلة من الموجات تسير جميعها بنفس السرعة العالية في الفراغ، $3.0 \times 10^8\ \text{m/s}$. بالترتيب من أطول طول موجي (أقل تردد) إلى أقصر:
المنطقة استخدام نموذجي خطر الإفراط فيها موجات الراديو إشارات الراديو والتلفزيون، الفلك، علامات RFID — الميكرووي夫 الهواتف المحمولة، تلفزيون الأقمار الصناعية، الطهي تسخين خلايا الجسم الأشعة تحت الحمراء أزرار التحكم عن بُعد، التصوير الحراري، المشاوي، الألياف الضوئية حروق الجلد الضوء المرئي الرؤية، التصوير الفوتوغرافي — الأشعة فوق البنفسجية تعقيم المياه، التحقق من الأوراق النقدية سرطان الجلد، تلف العين الأشعة السينية X الفحوصات الطبية والأمنية تلف الخلايا أشعة غاما تعقيم المعدات، علاج السرطان طفرات خلوية مع الانتقال من موجات الراديو إلى أشعة غاما، يرتفع التردد، ويقل الطول الموجي، ويزداد الطاقة (والخطر). سرعة الموجات الكهرومغناطيسية في الهواء تقارب تلك الموجودة في الفراغ تقريباً.
الأقمار الصناعية. الاتصال مع الأقمار الصناعية الاصطناعية يستخدم بشكل رئيسي الميكرووي夫، لأنها تمر عبر الغلاف الجوي. تستخدم بعض هواتف الأقمار الصناعية أقماراً في مدار منخفض، قريبة من الأرض. تستخدم هواتف الأقمار الصناعية الأخرى وتلفزيون البث المباشر بالأقمار الصناعية أقماراً في مدار جغوستيوناري، والتي تبقى فوق نفس النقطة على الأرض.
من موجات الراديو إلى أشعة غاما يقل الطول الموجي بينما يرتفع التردد والطاقة الإشارات الرقمية والتناظرية
تحمل موجات الراديو والميكرووي夫 المعلومات كإشارات، والإشارة إما تناظرية أو رقمية. الإشارة التناظرية تتغير بشكل مستمر ويمكن أن تأخذ أي قيمة؛ الإشارة الرقمية هي تدفق من قيمتين فقط، تشغيل أو إيقاف (
1أو0). يمكن إرسال الصوت كنوع من نوعين من الإشارات: يعطي الميكروفون إشارة تناظرية، يمكن تحويلها إلى رقمية.تفضل الاتصالات الحديثة الإشارات الرقمية لسببين يطلبهما الامتحان:
- معدل أعلى لنقل البيانات;
- نطاق أوسع: يمكن إعادة توليد الإشارة الرقمية الضعيفة إلى
1/0نظيف تمامًا، لأن المستويين فقط هما ما يجب التمييز بينهما، لذا يتم إزالة الضوضاء التي تُكتسب على طول المسار. لا يمكن تنظيف الإشارة التناظرية بهذه الطريقة، لذا تتراكم ضوضاؤها.
استكشفمرر عبر الطيف
الموجات الراديوية والضوء المرئي وأشعة غاما كلها نفس الموجة — يتغير فقط الطول الموجي، ومع ذلك يتغير التردد وطاقة الفوتون والاستخدام اليومي.
مفردات تدريبEnglish العربية spectrum/ˈspektrəm/ طيف 3.4
الصوت
المنهج
أساسي تكميلي 1 صف إنتاج الصوت بواسطة مصادر مهتزة 2 صف الطبيعة الطولية لموجات الصوت 10 صف التضاغط والتخفيف 3 بيّن النطاق التقريبي لترددات الصوت المسموعة للبشر كـ 20 هرتز إلى 20000 هرتز 4 اعرف أن وسطًا ما مطلوبًا لنقل موجات الصوت 5 اعرف أن سرعة الصوت في الهواء تقارب 330–350 متر/ثانية 11 اعرف أنه بشكل عام، يسافر الصوت بسرعة أكبر في المواد الصلبة منها في السوائل وأسرع منه في الغازات 6 صف طريقة تتضمن قياس المسافة والزمن لتحديد سرعة الصوت في الهواء 7 صف كيف تؤثر التغيرات في السعة والتردد على الضوضاء ونبرة موجات الصوت 8 صف الصدى كانعكاس لموجات الصوت 9 عرّف الموجات فوق الصوتية بأنها صوت بتردد أعلى من 20kHz 12 صف استخدامات الموجات فوق الصوتية في الفحص غير المدمج للمواد، والمسح الطبي للأنسجة الرخوة والسونار بما في ذلك حساب العمق أو المسافة بناءً على الزمن وسرعة الموجة المصدر: منهج كامبريدج الدولي
الصوت ينتج عن جسم مهتز. وهو موجة طولية: يُضغط الهواء في تكثف (جسيمات متقاربة) ويتمدد في تخلخل (جسيمات متباعدة).
- يحتاج الصوت إلى وسط (مواد) لينتشر خلاله، لذا لا يمكنه السفر عبر الفراغ.
- يمكن للبشر سماع الترددات من حوالي $20\ \text{Hz}$ إلى $20\,000\ \text{Hz}$.
- يسافر الصوت ببطء أكبر بكثير من الضوء (حوالي $340\ \text{m/s}$ في الهواء)، وأسرع في السوائل والصلب مقارنةً بالغازات.
- السعة الأكبر تجعل الصوت أعلى (كبر الشدة)؛ والتردد الأعلى يجعل النبرة أعلى. لذلك نقرات الدلفين السريعة ذات نبرة عالية، وضربة الطبل القوية (اهتزاز كبير) تكون صاخبة.
الصوت المنعكس هو صدى.
قياس سرعة الصوت. يقف طالبان على مسافة معروفة بينهما، على سبيل المثال 500 متر، مقاسة باستخدام شريط قياس أو عجلة قياس. يضرب أحدهما كتلي خشب معًا. يبدأ الآخر بإيقاف المؤقت عند رؤية الاصطدام ويوقفه عند سماع الصدى. يصل الضوء تقريبًا فورًا، لذا فإن الوقت المقاس هو الوقت الذي يستغرقه الصوت، والسرعة = المسافة ÷ الزمن. أعد العملية وأخذ المتوسط لتقليل خطأ وقت الاستجابة. يتطلب طريقة الصدى شخصًا واحدًا: تصفيق على مسافة معروفة من جدار كبير وتوقيت الصوت المنعكس، مع تذكر أن الصوت يقطع ذهابًا وإيابًا.
مثال محلول. يقف طالب على بُعد 85 مترًا من جدار كبير ويصفق مرة واحدة. يعود الصدى بعد 0.50 ثانية. أوجد سرعة الصوت.
يسافر الصوت إلى الجدار وعائدًا، بمسافة $2 \times 85 = 170\ \text{m}$، في $0.50\ \text{s}$:
$$v = \frac{s}{t} = \frac{170}{0.50} = 340\ \text{m/s}$$الموجات فوق الصوتية هي صوت يتجاوز $20\,000\ \text{Hz}$ – مرتفع جدًا ولا يستطيع البشر سماعها. تعتمد استخداماتها على الانعكاس: الرادار الصوتي يقيع عمق الماء، التصوير الطبي يصور الجنين أو الأنسجة الرخوة، والفحص غير المدمر يكشف الشقوق داخل المعادن دون فتحها. مثل الصدى، تنتقل نبضة الموجات فوق الصوتية ذهابًا وإيابًا، لذا نقسم المسافة الكلية للوصول إلى الجسم.
مثال محلول. تعود نبضة رادار صوتي من قاع البحر $0.10\ \text{s}$ بعد إرسالها؛ يسافر الصوت بسرعة $1500\ \text{m/s}$ في الماء. تغطي النبضة مسافة $s = v\times t = 1500\times0.10 = 150\ \text{m}$ ذهابًا وإيابًا، لذا يكون عمق البحر $150/2 = 75\ \text{m}$.
يحول الميكروفون اهتزازات الصوت في الهواء إلى إشارة كهربائية استكشفالصوت
y = a sin(bt + c)
أكثر ضوضاءً = سعة أكبر؛ نبرة أعلى = تردد أعلى.
مفردات تدريبEnglish العربية sound/saʊnd/ صوت compression/kəmˈpreʃn/ ضغط rarefaction/ˌreərɪˈfækʃn/ تخلخل medium/ˈmiːdɪəm/ الوسط loudness/ˈlaʊdnəs/ الشدة الصوتية pitch/pɪtʃ/ النبرة echo/ˈekəʊ/ echo Ultrasound/ˌʊltrəˈsaʊnd/ الموجات فوق الصوتية 3.4
نصائح للامتحان
- احفظ $v = f\lambda$ وكن مستعدًا لإعادة ترتيبها. قِس جميع زوايا السقوط والانعكاس والانكسار بالنسبة للـ عمودي (الخط العمودي على السطح بزاوية 90°)، وليس بالنسبة للسطح نفسه.
- الموجات المستعرضة تهتز بشكل عرضي تجاه اتجاه السفر (الضوء، الماء)؛ الموجات الطولية تهتز على امتداد اتجاهها (الصوت). يحتاج الصوت إلى وسط، لذا لا يمكنه عبور الفراغ؛ بينما الضوء يستطيع ذلك.
- يحدث الانعكاس الكلي الداخلي فقط عندما يسفر الضوء من مادة أكثر كثافة إلى أقل كثافة و تكون الزاوية الداخلية أكبر من الزاوية الحرجة.
- تعرف المطياف الكهرومغناطيسي بالترتيب — موجات الراديو، الميكروية، تحت الحمراء، المرئية، فوق البنفسجية، أشعة إكس، غاما. جميعها تسافر بنفس السرعة في الفراغ؛ ترتفع التردد والطاقة من موجات الراديو نحو غاما.
- عند الدخول في مادة أكثر كثافة (هواء → زجاج) يتباطأ الضوء وينحني نحو العمودي؛ وخروج منه (زجاج → هواء) يتسارع الضوء وينحني بعيدًا عنه.
-
4
الكهرباء والمغناطيسية
شاهد الدرس4.1
المغناطيسية
المنهج
أساسي تكميلي 1 صف القوى بين الأقطاب المغناطيسية وبين المغناطيس والمواد المغناطيسية، بما في ذلك استخدام مصطلحات القطب الشمالي (القطب N)، القطب الجنوبي (القطب S)، الجذب والتنافر، والمغناطيس المُغنَطَط وغير المُغنَطَط 10 اشرح أن القوى المغناطيسية ناتجة عن تفاعلات المجالات المغناطيسية 2 صف المغناطيسية المستحثة 3 اذكر الفروقات بين خصائص المغناطيسات المؤقتة (المصنوعة من الحديد الناعم) وخصائص المغناطيسات الدائمة (المصنوعة من الصلب 4 اذكر الفرق بين المواد المغناطيسية وغير المغناطيسية 5 صف المجال المغناطيسي بأنه منطقة يخضع فيها القطب المغناطيسي لقوة 6 ارسم نمات واتجاه خطوط المجال المغناطيسي حول مغناطيس قضيبى 11 تعرف أن القوة النسبية للمجال المغناطيسي يتم تمثيلها بمسافة خطوط المجال المغناطيسي 7 اذكر أن اتجاه المجال المغناطيسي عند نقطة هو اتجاه القوة المؤثرة على القطب الشمالي لمغناطيس عند تلك النقطة 8 صف رسم خطوط المجال المغناطيسي باستخدام بوصلة أو رقائق الحديد واستخدام البوصلة لتحديد اتجاه المجال المغناطيسي 9 صف استخدامات المغناطيسات الدائمة والمغناطيسات الكهربية المصدر: منهج كامبريدج الدولي
يمكن للمغناطيس جذب بعض المعادن. لكل مغناطيس طرفان، يُسمَّيان قطبين: قطب شمال (قطب N) وقطب جنوب (قطب S).
الأقطاب المتشابهة تتنافر؛ الأقطاب المختلفة تتجاذب القاعدة لقطبين تشبه قاعدة الشحنات:
- الأقطاب المتشابهة (N و N، أو S و S) تتنافر (تدفع بعيدًا): هذا هو التنافر.
- الأقطاب المختلفة (N و S) تتجاذب (تسحب معًا): هذا هو التجاذب.
يجذب المغناطيس المواد المغناطيسية، مثل الحديد والفولاذ والكوبالت والنيكل. المواد الأخرى (النحاس، البلاستيك، الخشب) غير مغناطيسية ولا تشعر بأي قوة.
المغناطيسية المستحثة
ضع قطعة حديد بالقرب من مغناطيس أو تلامسه، ويصبح الحديد مغناطيسًا بحد ذاته. هذه هي المغناطيسية المستحثة. يكتسب الطرف الأقرب للحديد للمغناطيس القطب المقابل، sehingga يتجاذبان معًا.
المغناطيسات المؤقتة والدائمة
- الحديد الناعم سهل المغنطة ولكنه يفقد مغناطيسيته بسرعة. يُستخدم كـ مغناطيس مؤقت.
- الفولاذ أصعب في المغنطة لكنه يحافظ على مغناطيسيته. يُستخدم كـ مغناطيس دائم.
لذلك فإن قطعة من الحديد الناعم غير المُمغنط هي أفضل نواة للمغناطيس الكهربائي، بينما الفولاذ هو الأفضل للمغناطيس الشريطي.
الحقول المغناطيسية
الحقل المغناطيسي هو منطقة يشعر فيها قطب مغناطيسي بقوة. نرسمه باستخدام خطوط الحقل المغناطيسي:
- الخطوط تخرج من قطب N وتدخل إلى قطب S.
- اتجاه الحقل عند نقطة معينة هو اتجاه القوة المؤثرة على قطب N لمغناطيس اختبار صغير موضوع هناك.
- حيث تكون الخطوط متقاربة يكون الحقل قويًا؛ حيث تكون متباعدة يكون الحقل ضعيفًا.
خطوط حقل المغناطيس الشريطي تخرج من قطب N وتدخل إلى قطب S يمكنك إظهار النمط برش مساحيق الحديد على ورقة فوق المغناطيس، أو بتحريك بوصلة رسم صغيرة حوله (تشير الإبرة على طول الحقل).
مساحيق الحديد تصطف على طول خطوط الحقل، مما يظهر نمط الحقل للمغناطيس الشريطي استخدامات المغناطيس
- المغناطيسات الدائمة: أقفال أبواب الثلاجات، إبر البوصلة، مكبرات الصوت.
- المغناطيسات الكهربية (تعمل كمغناطيس فقط عند مرور تيار كهربائي): الرافعات التي ترفع حديد الخردة، الجرس الكهربائي، المرحلات. يمكن تشغيل وإيقاف المغناطيس الكهربي وتكثيف قوته، وهو ما لا يمكن فعله مع المغناطيس الدائم.
تحدث القوى المغناطيسية لأن حقول المغناطسين تتنافر وتتجاذب مع بعضهما البعض.
استكشفاجعل المجال المغناطيسي مرئيًا
إبر البوصة تتبع الحقل من N إلى S؛ غيّر بين الجذب والتنافر وشاهد إعادة تنظيم النمط بالكامل، مع ظهور نقطة متعادلة للأقطاب المماثلة.
مفردات تدريبEnglish العربية magnet/ˈmæɡnɪt/ مغناطيس poles/pəʊlz/ أقطاب north pole/nɔːθ pəʊl/ القطب الشمالي south pole/saʊθ pəʊl/ القطب الجنوبي repel/rɪˈpel/ تتنافر repulsion/rɪˈpʌlʃn/ التنافر attract/əˈtrækt/ تتجاذب attraction/əˈtrækʃn/ جذب magnetic material/mæɡˈnetɪk məˈtɪərɪəl/ مادة مغناطيسية induced magnetism/ɪnˈdjuːst ˈmæɡnɪtɪzəm/ المغناطيسية المستحثة soft iron/sɒft ˈaɪən/ الحديد الناعم magnetise/ˈmæɡnɪtaɪz/ يُغطّس temporary magnet/ˈtemprəri ˈmæɡnɪt/ مغناطيس مؤقت steel/stiːl/ الفولاذ permanent magnet/ˈpɜːmənənt ˈmæɡnɪt/ مغناطيس دائم unmagnetised/ʌnˈmæɡnɪtaɪzd/ غير مُغَطَّس magnetic field/mæɡˈnetɪk fiːld/ المجال المغناطيسي region/ˈriːdʒn/ منطقة magnetic field lines/mæɡˈnetɪk fiːld laɪnz/ خطوط المجال المغناطيسي iron filings/ˈaɪən ˈfaɪlɪŋz/ برادة الحديد compass/ˈkʌmpəs/ البوصلة electromagnet/ɪˌlektrəʊˈmæɡnɪt/ مغناطيس كهربائي electric charge/ɪˈlektrɪk tʃɑːdʒ/ الشحنة الكهربائية positive charge/ˈpɒzɪtɪv tʃɑːdʒ/ شحنة موجبة negative charge/ˈneɡətɪv tʃɑːdʒ/ شحنة سالبة electron/ɪˈlektrɒn/ الإلكترون charging by friction/ˈtʃɑːdʒɪŋ baɪ ˈfrɪkʃn/ الشحن بالاحتكاك conductor/kənˈdʌktə/ موصل insulator/ˈɪnsjuːleɪtə/ عازل coulomb/ˈkuːlɒm/ كولوم 4.2
الكهرباء الساكنة
المنهج
4.2.1 الشحنة الكهربائية
أساسي تكميلي 1 اذكر وجود شحونات موجبة وسالبة 7 اذكر أن الشحنة تقاس بالكولوم 2 اذكر أن الشحونات الموجبة تتنافر مع الشحونات الموجبة الأخرى، والشحونات السالبة تتنافر مع الشحونات السالبة الأخرى، لكن الشحونات الموجبة تجذب الشحونات السالبة 8 صف المجال الكهربائي بأنه منطقة تخضع فيها شحنة كهربائية لقوة 3 صف تجارب بسيطة لإظهار إنتاج الشحنات الكهروستاتيكية بالاحتكاك ولإظهار كشف الشحنات الكهروستاتيكية 9 اذكر أن اتجاه المجال الكهربائي عند نقطة هو اتجاه القوة المؤثرة على شحنة موجبة عند تلك النقطة 4 اشرح أن شحن الأجسام الصلبة بالاحتكاك يتضمن فقط نقل الشحنة السالبة (الإلكترونات) 10 صف نماط المجال الكهربائي البسيطة، بما في ذلك اتجاه المجال: (أ) حول شحنة نقطية (ب) حول كرة موصلة مشحونة (ج) بين صفيحتين معدنيتين متوازيتين مشحونتين بشحنتين متعاكستين (لن يتم امتحان تأثيرات الأطراف) 5 صف تجربة للتمييز بين الموصلات الكهربائية والعوازل 6 استرجع واستخدم نموذجاً إلكترونياً بسيطاً لشرح الفرق بين الموصلات الكهربائية والعوازل وأعط أمثلة نموذجية 4.2.2 التيار الكهربائي
أساسي تكميلي 1 تعرف أن التيار الكهربائي مرتبط بتدفق الشحنة 5 عرّف التيار الكهربائي بأنه الشحنة التي تمر عبر نقطة في وحدة زمنية؛ استرجع واستخدم المعادلة $I = \frac{Q}{t}$ 2 صف استخدام الأميتر (التناظري والرقمي) بنطاقات مختلفة 3 صف التوصيل الكهربائي في المعادن بدلالة حركة الإلكترونات الحرة 6 اذكر أن التيار التقليدي يتدفق من الموجب إلى السالب وأن تدفق الإلكترونات الحرة يتدفق من السالب إلى الموجب 4عرف الفرق بين التيار المستمر (d.c.) والتيار المتردد (a.c.) 4.2.3 القوة الدافعة الكهربائية وفرق الجهد
أساسي تكميلي 1 عرّف القوة الدافعة الكهربائية (e.m.f.) بأنها الشغل الكهربائي الذي تقوم به المصدر في تحريك شحنة وحدة حول دائرة كاملة 6 استرجع واستخدم معادلة القوة الدافعة الكهربائية $E = \frac{W}{Q}$ 2 تعرف أن القوة الدافعة الكهربائية تقاس بالفولت (V) 3 عرّف فرق الجهد (p.d.) بأنه الشغل المبذول بواسطة شحنة وحدة تمر خلال مكون 7 استرجع واستخدم معادلة فرق الجهد $V = \frac{W}{Q}$ 4 تعرف أن فرق الجهد بين نقطتين يقاس بالفولت (V) 5 صف استخدام الفولتيمتر (التناظري والرقمي) بنطاقات مختلفة 4.2.4 المقاومة
أساسي تكميلي 1 استرجع واستخدم معادلة المقاومة $R = \frac{V}{I}$ 4 ارسم واشرح منحنيات التيار–الجهد لمقاومة ذات مقاومة ثابتة، ولمصباح خيطي، ولثنائي 2 صف تجربة لتحديد المقاومة باستخدام فولتيمتر وأميتر وإجراء الحسابات المناسبة 3 اذكر، بشكل نوعي، علاقة مقاومة سلك معدني بطوله وبمساحته المقطعية 5 استرجع واستخدم العلاقة التالية لموصل كهربائي معدني: (أ) المقاومة متناسبة طردياً مع الطول (ب) المقاومة متناسبة عكسياً مع المساحة المقطعية 4.2.5 الطاقة الكهربائية والقوة الكهربائية
أساسي تكميلي 1 افهم أن الدوائر الكهربائية تنقل الطاقة من مصدر للطاقة الكهربائية، مثل الخلية الكهربائية أو تزويد الشبكة، إلى مكونات الدائرة ثم إلى المحيط 2 استرجع واستخدم معادلة القدرة الكهربائية $P = IV$ 3 استرجع واستخدم معادلة الطاقة الكهربائية $E = IVt$ 4 عرّف الكيلوواط-ساعة (kWh) وحسب تكلفة استخدام الأجهزة الكهربائية حيث الوحدة هي كيلوواط-ساعة المصدر: منهج كامبريدج الدولي
يوجد نوعان من الشحنة الكهربائية: الشحنة الموجبة والشحنة السالبة. القاعدة تشبه قاعدة الأقطاب — الشحنات المتشابهة تتنافر، والشحنات المختلفة تتجاذب.
كل خيط شعر يحمل نفس الشحنة من القبة، والشحنات المتشابهة تتنافر — لذلك يتباعد الشعر الشحن بالاحتكاك
عند فرك مادتين مختلفتين معًا، تنتقل الإلكترونات (جسيمات سالبة صغيرة) من مادة إلى أخرى. هذا يسمى الشحن بالاحتكاك.
- المادة التي تكتسب إلكترونات تصبح سالبة.
- المادة التي تفقد إلكترونات تصبح موجبة.
الإلكترونات السالبة فقط هي التي تتحرك؛ بينما تبقى الشحنة الموجبة في مكانها. على سبيل المثال، يصبح قضيب بلاستيكي مفروك بقطعة قماش سالبًا لأن الإلكترونات تنتقل من القماش إلى القضيب، مما يجعل القماش موجبًا.
كشف الشحنة. قضيب مشحوب يرفع قصاصات ورق صغيرة، وينحني تدفق رقيق للماء من صنبور. علّق قضيبًا مشحوبًا بخيط وأقرب منه قضيبًا آخر مشحوبًا: إذا كان لكليهما نفس نوع الشحنة، يتحرك القضيب المعلق بعيدًا. التنافر هو الاختبار الوحيد المؤكد للشحنة، لأن التجاذب يحدث أيضًا مع الأجسام غير المشحونة.
الموصلات والعوازل
- الموصل (النحاس والمعادن الأخرى) يسمح بتدفق الشحنة خلاله بسهولة، لأنه يحتوي على إلكترونات حرة قابلة للحركة.
- العازل (البلاستيك، المطاط، الزجاج) لا يسمح بتدفق الشحنة، لأن إلكتروناته لا يمكنها الحركة بحرية.
لختبار مادة، قم بتوصيلها في دائرة مع مصباح وبطارية: المصباح يضيء فقط للموصل.
الحقول الكهربائية والأيونات
تُقاس الشحنة بوحدة الكولوم (C). الحقل الكهربائي هو منطقة يشعر فيها شحنة كهربائية بقوة. اتجاهه عند نقطة معينة هو اتجاه القوة المؤثرة على شحنة موجبة. أنماط الحقول البسيطة (الأسهم تظهر الاتجاه):
- حول شحنة نقطية: خطوط مستقيمة، تتجه بعيدًا عن الشحنة الموجبة ونحو الشحنة السالبة;
- حول كرة مشحونة (كرة): نفس الشيء، تمتد بالتساوي في جميع الاتجاهات حولها;
- بين لوحتين متوازيتين بشحنتين متضادتين: خطوط مستقيمة ومتساوية المسافة من اللوحة الموجبة إلى اللوحة السالبة.
خطوط الحقل الكهربائي تتجه بعيدًا عن الشحنة الموجبة ونحو الشحنة السالبة؛ بين اللوحات المتوازية يكون الحقل منتظمًا ذرة الذرة عادةً ما تكون متعادلة. إذا فقدت إلكترونات تصبح أيونًا موجبًا؛ وإذا اكتسبت إلكترونات تصبح أيونًا سالبًا.
استكشفافرك بالون وشاهده يتشحن
الاحتكاك ينقل الإلكترونات إلى البالون، فيصبح سالبًا — ثم يجذب جدارًا متعادلًا أو شعرك، لكن يبعد بالونًا آخر سالب.
مفردات تدريبEnglish العربية electric field/ɪˈlektrɪk fiːld/ مجال كهربائي point charge/pɔɪnt tʃɑːdʒ/ شحنة نقطية 4.2
التيار الكهربائي
التيار الكهربائي هو تدفق للشحنة الكهربائية. يُقاس بوحدة الأمبير (A) باستخدام أمبيرمتر، يتم توصيله على التوالي في الدائرة.
أمبيرمتر تحليلي له إبرة تتحرك فوق مقياس؛ أمبيرمتر رقمي يعرض القراءة كرقم. كلاهما يأتي بنطاقات مختلفة. اختر النطاق الذي أعلى قليلاً من أكبر تيار تتوقعه، لضمان دقة القراءة: نطاق 0–1 أمبير لتيار حوالي 0.4 أمبير، أو نطاق 0–100 مللي أمبير لبضع مللي أمبير.
التيار هو الشحنة التي تمر عبر نقطة كل ثانية:
$$I = \frac{Q}{t}$$هنا $I$ هو التيار (A)، $Q$ هو الشحنة (C) و$t$ هو الزمن (s). بإعادة الترتيب، $Q = It$.
مثال محلول. يمر تيار قدره $3.0\ \text{A}$ خلال مصباح لمدة $20\ \text{s}$. كم مقدار الشحنة الذي يمر خلاله؟
$$Q = It = 3.0 \times 20 = 60\ \text{C}$$في المعدن، التيار هو تدفق لـالإلكترونات الحرة. هناك "اتجاهان" يجب معرفتهما:
- التيار التقليدي يُعتبر أنه يتدفق من + إلى − حول الجزء الخارجي من البطارية.
- الإلكترونات الحرة تتحرك فعليًا في الاتجاه المعاكس، من − إلى +.
التيار المستمر (d.c.) يتدفق دائمًا في اتجاه واحد، كما في حالة البطارية. التيار المتردد (a.c.) يغير اتجاهه مرارًا وتكرارًا عدة مرات في الثانية الواحدة، كما في حالة مصدر الطاقة الرئيسي.
التيار المستمر ثابت في اتجاه واحد؛ بينما التيار المتردد يغير اتجاهه باستمرار، متقاطعًا الصفر مرات عديدة كل ثانية 4.2
القوة الدافعة الكهربائية وفرق الجهد
تعطي البطارية طاقة للشحنات التي تمر خلالها. كميتان تصفان ذلك، وكلاهما يُقاس بوحدة الفولت (V).
- القوة الدافعة الكهربائية (e.m.f.) للمصدر هي الشغل الكهربائي الذي يقوم به لدفع وحدة الشحنة حول دائرة كاملة.
- فرق الجهد (p.d.) عبر عنصر هو الشغل المبذول بواسطة وحدة الشحنة أثناء مرورها داخل ذلك العنصر.
فولتميتر يقيس القوة الدافعة الكهربائية أو فرق الجهد. يتم توصيله على التوازي (عبر العنصر). مثل الأمبيرمترات، الفولتمترات تحليلية أو رقمية ولها نطاقات مختلفة: اختر النطاق الذي أعلى قليلاً من أكبر جهد تتوقعه.
فولتميتر متصل عبر البطارية يقرأ القوة الدافعة (الطاقة التي تُعطى لكل كولوم)؛ فولتميتر متصل عبر المصباح يقرأ فرق الجهد (الطاقة التي يُنفقها كل كولوم هناك). كلاهما يمثل الشغل المبذول لكل وحدة شحنة:
$$E = \frac{W}{Q}, \qquad V = \frac{W}{Q}$$حيث $W$ هو الطاقة المنقولة (J) و$Q$ هي الشحنة (C). على سبيل المثال، إذا بذلت بطارية $120\ \text{J}$ من الشغل لنقل $60\ \text{C}$ من الشحنة حول دائرة، فإن قوتها الدافعة هي $120 / 60 = 2\ \text{V}$.
4.2
المقاومة
المقاومة تقيس مدى صعوبة مرور التيار. المقاومة الأكبر تعطي تيارًا أصغر. تُقاس بوحدة أوم (Ω).
$$R = \frac{V}{I}$$قياس المقاومة. قم بتوصيل المكون على التوالي مع خلية، مفتاح، أميتر ومقاومة متغيرة، وقم بتوصيل فولتميتر عبر المكون. أغلق المفتاح، واقرأ $I$ و$V$، ثم غيّر المقاومة المتغيرة للحصول على عدد آخر من أزواج القراءات. إما احسب $R = V/I$ لكل زوج وأخذ المتوسط، أو ارسم $V$ مقابل $I$: بالنسبة لسلك معدني عند درجة حرارة ثابتة، يكون الرسم البياني خطاً مستقيماً يمر بنقطة الأصل، وميله يساوي $R$.
مثال محلول. بطارية $12\ \text{V}$ تدفع تياراً مقداره $0.50\ \text{A}$ خلال مصباح. أوجد مقاومة المصباح.
$$R = \frac{V}{I} = \frac{12}{0.50} = 24\ \Omega$$بالنسبة لسلك معدني عند درجة حرارة ثابتة:
- السلك الأطول له مقاومة أكبر — المقاومة تتناسب طردياً مع الطول، $R \propto l$;
- السلك الأكثر سماكة له مقاومة أقل — المقاومة تناسب عكسياً مع مساحة المقطع العرضي، $R \propto \dfrac{1}{A}$.
لذلك مضاعفة الطول تضاعف المقاومة؛ ومضاعفة المقطع减半ه. (يعتمد المقطع على مربع القطر، لذا فإن تغييراً صغيراً في القطر يغير المقاومة كثيراً.)
تُظهر رسوم التيار–الجهد سلوك ثلاثة مكونات:
المكون شكل رسم I–V ما يخبرك به مقاومة (ثابتة) خط مستقيم يمر بنقطة الأصل المقاومة ثابتة، لذا $I \propto V$ مصباح خيط التوهج على شكل S، يصبح أكثر مسطحية كلما ارتفع $V$ يسخن السلك، فتزداد مقاومته ثنائي التيار في اتجاه واحد فقط مقاومة عالية جداً في الاتجاه "الخاطئ" تعطي المقاومة خطاً مستقيماً؛ وينحني مصباح خيط التوهج عندما يسخن؛ ويسمح الثنائي بمرور التيار في اتجاه واحد فقط استكشفقانون أوم
V = IR
بالنسبة للموصل الأومي، التيار يتناسب طرديًا مع الجهد — والميل يساوي 1/المقاومة.
استكشفخصائص I–V
المقاومة تعطي خطًا مستقيمًا؛ أما المصباح المتوهج والصمام ثنائي القطية فلا يعطيان ذلك. اختر مكونًا واقرأ قيم I و R من المنحنى.
استكشفالمقاومة
V = R·I
قانون أوم: الجهد متناسب طردياً مع التيار — الميل هو المقاومة R.
4.2
الطاقة الكهربائية والقدرة
النقل الدائرة الطاقة من مصدر (خلية أو الكهرباء المنزلية) إلى المكونات، ثم إلى المحيط (غالباً كحرارة، ضوء أو صوت).
القدرة الكهربائية هي الطاقة المنتقلة كل ثانية، تقاس بـ واط (W):
$$P = IV$$الطاقة الكهربائية المنتقلة في زمن $t$، تقاس بـ جول (J)، هي:
$$E = IVt$$مثال محلول. محرك $12\ \text{V}$ يسحب تياراً مقداره $2.0\ \text{A}$. أجد قدرته، والطاقة التي ينقلها في $30\ \text{s}$.
$$P = IV = 2.0 \times 12 = 24\ \text{W}$$$$E = Pt = 24 \times 30 = 720\ \text{J}$$الكيلوواط-ساعة
فواتير الكهرباء المنزلية تستخدم وحدة طاقة أكبر وهي الكيلوواط-ساعة (kWh). الكيلوواط-ساعة الواحدة هي الطاقة المستهلكة بواسطة جهاز $1\ \text{kW}$ كهربائي لمدة $1$ ساعة.
$$\text{energy (kWh)} = \text{power (kW)} \times \text{time (h)}$$$$\text{cost} = \text{energy (kWh)} \times \text{price per kWh}$$على سبيل المثال، استخدام جهاز تسخين $2\ \text{kW}$ لمدة $3$ ساعات يستهلك $2 \times 3 = 6\ \text{kWh}$. إذا كان سعر كيلوواط-ساعة واحدة $20$ سنتات، فإن التكلفة هي $6 \times 20 = 120$ سنتات.
عداد الكهرباء المنزلي يحسب الطاقة المستهلكة، بالكيلوواط-ساعة (kWh) — الرقم الذي يعرضه هو ما تدفع ثمنه مفردات تدريبEnglish العربية energy/ˈenədʒi/ طاقة volt/vəʊlt/ فولت electromotive force/ɪˌlektrəʊˈməʊtɪv fɔːs/ القوة الدافعة الكهربائية 4.3
الدوائر
المنهج
4.3.1 مخططات الدوائر ومكونات الدائرة
أساسي تكميلي 1 ارسم وفسّر مخططات الدوائر التي تحتوي على خلايا، ومجموعات خلايا، ومصادر طاقة، ومولدات، ومقسمات جهد، ومفاتيح، ومقاومات (ثابتة ومتغيرة)، وسخانات، ومقاومات حرارية حساسة للحرارة (NTC فقط)، ومقاومات حساسة للضوء (LDRs)، ومصباح، ومحرك، وجرس، وأمبيرمترات، وفولتميترات، وملفات مغناطيسية، ومحولات كهربائية، وصوارق، ومُشغِّلات (relays) وتعرف على سلوك هذه المكونات في الدائرة 2 ارسم وفسّر مخططات الدوائر التي تحتوي على ثنائيات (diodes) وثنائيات ضوئية مشعة (LEDs) وتعرف على سلوك هذه المكونات في الدائرة 4.3.2 الدوائر المتسلسلة والموازية
أساسي تكميلي 1 اعرف أن شدة التيار عند كل نقطة في دائرة متسلسلة تكون متساوية 8 استذكر واستخدم في الحسابات حقيقة: (أ) مجموع التيارات الداخلة إلى عقدة في دائرة موازية يساوي مجموع التيارات الخارجة من العقدة (ب) الجهد الكلي عبر المكونات في دائرة متسلسلة يساوي مجموع الجهود الفردية عبر كل مكون (ج) الجهد عبر مجموعة مقاومات موازية هو نفسه الجهد عبر أي فرع واحد من مجموعات المقاومات الموازية 2 تعرف على كيفية بناء واستخدام الدوائر المتسلسلة والموازية 3 احسب القوة الدافعة الكهربائية الإجمالية لمصدرين أو أكثر متصلة على التوالي 4 احسب المقاومة الإجمالية لمقاومتين أو أكثر متصلة على التوالي 5 بيّن أنه بالنسبة لـالدائرة الموازية، فإن التيار القادم من المصدر أكبر من تيار كل فرع 9 اشرح أن مجموع التيارات الداخلة إلى عقدة يساوي مجموع التيارات الخارجة منها 6 بيّن أن المقاومة الإجمالية لمقاومتين متصلتين على التوازي أقل من مقاومة أي منهما بمفردها 10 احسب المقاومة الإجمالية لمقاومتين متصلتين على التوازي 7 بيّن مزايا توصيل المصابيح على التوازي في دائرة إضاءة 4.3.3 عمل ومكونات الدوائر الكهربائية
أساسي تكميلي 1 اعرف أن الجهد عبر موصل كهربائي يزداد كلما زادت مقاومته عند ثبات شدة التيار 2 صف عمل مقسم الجهد المتغير 3 استذكر واكتب معادلة مقاومتين مستخدمتين كمقسم للجهد $$\frac{R_1}{R_2} = \frac{V_1}{V_2}$$المصدر: منهج كامبريدج الدولي
مكونات الدائرة
يجب أن تعرف هذه المكونات وكيفية عملها:
المكون وظيفته خلية / بطارية تدفع التيار حول الدائرة (البطارية هي خليةان أو أكثر) مزود طاقة مصدر لتيار مستمر أو متردد مفتاح يفصل أو يكمل الدائرة مقاومة (ثابتة) تعطي مقاومة ثابتة مقاومة متغيرة مقاومة يمكنك تغييرها، للتحكم في التيار صمام أمان يذوب ويفصل الدائرة إذا كان التيار كبيراً جداً مصباح / جهاز تسخين يحول الطاقة الكهربائية إلى ضوء / إلى حرارة مقاومة حرارية تقل مقاومتها كلما أصبحت أكثر سخونة مقاومة ضوئية (LDR) تقل مقاومتها كلما أصبح الضوء أكثر سطوعاً ثنائي / صمام ثنائي مضيء (LED) يسمح بمرور التيار في اتجاه واحد فقط؛ كما يصدر الصمام الثنائي المضيء ضوءاً ريليه مفتاح يعمل بمغناطيس كهربائي (تيار صغير يتحكم في تيار كبير) محرك يحول الطاقة الكهربائية إلى حركة جرس يُصدر صوتاً محول يغير مقدار جهد متردد الرموز القياسية المستخدمة لرسم مخططات الدوائر 
مقاومات حقيقية: الأشرطة الملعة تعطي مقاومة كل منها بالأوم التوالي والتوازي
في دائرة توالي تتشكل الأجزاء في حلقة واحدة:
- يكون التيار نفسه عند كل نقطة؛
- يتم توزيع فرق الجهد المزود بين المكونات؛
- تضاف الخلايا الموصولة على التوالي قوتها الدافعة (عندما تكون في نفس الاتجاه)؛
- تضاف المقاومات الموصولة على التوالي: $R_{\text{total}} = R_1 + R_2 + \dots$
في دائرة توازي تكون الأجزاء على فروع منفصلة:
- تحصل كل فرع على فرق الجهد المزود الكامل؛
- ينقسم التيار، لذا يكون التيار القادم من المصدر أكبر من التيار في أي فرع واحد؛
- المقاومة الكلية أقل من أصغر مقاومة فردية.
تُوصَل المصابيح في المنزل على التوازي: يحصل كل منها على الجهد الكامل، وإذا تعطل أحدها تبقى الأخرى مضاءة.
في دائرة التوالي تشترك المكونات في حلقة واحدة؛ وفي دائرة التوازي يمتلك كل مصباح فرعاً خاصاً به للحسابات (مع القواعد أعلاه):
- عند العقدة، يساوي مجموع التيارات الداخلة مجموع التيارات الخارجة؛
- في التوالي، يساوي فرق الجهد المزود مجموع فروق الجهد عبر المكونات؛
- في التوازي، يكون فرق الجهد عبر كل فرع هو نفسه؛
- مقاومتان متصلتان على التوازي تُجمعان كـ
$$\frac{1}{R_{\text{total}}} = \frac{1}{R_1} + \frac{1}{R_2}$$مثال محلول. مقاومة $6\ \Omega$ ومقاومة $3\ \Omega$ متصلتان على التوازي. أوجد مقاومتهما المركبة.
$$\frac{1}{R_{\text{total}}} = \frac{1}{6} + \frac{1}{3} = \frac{1}{6} + \frac{2}{6} = \frac{3}{6} = \frac{1}{2} \quad\Rightarrow\quad R_{\text{total}} = 2\ \Omega$$لاحظ أن المقاومة الكلية ($2\ \Omega$) أصغر من أصغر مقاومتين.
مجزئات الجهد
المقاومتان المتصلتان على التوالي تقسمان جهد المصدر. هذا يُسمى مجزئ الجهد. بالنسبة لنفس التيار، تكون فرق الجهد عبر مقاومة أكبر أكبر، لذا تأخذ المقاومة الأكبر حصة أكبر:
$$\frac{R_1}{R_2} = \frac{V_1}{V_2}$$يُتيح مجزئ الجهد المتغير (أو المقاومة المتغيرة) تغيير جهد الخرج بسلاسة، على سبيل المثال من $0\ \text{V}$ حتى جهد المصدر الكامل. إذا استخدمت مقياس حرارة أو مستشعر ضوء كإحدى المقاومتين، يتغير جهد الخرج مع درجة الحرارة أو الضوء — وهو مفيد للتشغيل والإيقاف التلقائي للمدفأة أو المصباح.
استكشفابني التيار باستخدام قانون أوم
زيادة الجهد تجعل الإلكترونات تسرع ويضيء المصباح بشكل أقوى؛ زيادة المقاومة تقلل التيار. I = V/R، السطوع = القدرة.
مفردات تدريبEnglish العربية circuit/ˈsɜːkɪt/ دائرة كهربائية potential difference/pəˈtenʃl ˈdɪfrəns/ فرق الجهد voltmeter/ˈvəʊltmiːtə/ فولتميتر resistance/rɪˈzɪstəns/ المقاومة ohm/əʊm/ أوم variable resistor/ˈveərɪəbl rɪˈzɪstə/ مقاومة متغيرة directly proportional/daɪˈrektli prəˈpɔːʃənl/ يتناسب طردياً inversely proportional/ɪnˈvɜːsli prəˈpɔːʃənl/ يتناسب عكسياً cross-sectional area/krɒs ˈsekʃənl ˈeərɪə/ المقطع العرضي resistor/rɪˈzɪstə/ مقاومة filament lamp/ˈfɪləmənt læmp/ مصباح خيطي diode/ˈdaɪəʊd/ ثنائي electrical power/ɪˈlektrɪkl ˈpaʊə/ القدرة الكهربائية watt/wɒt/ واط. electrical energy/ɪˈlektrɪkl ˈenədʒi/ الطاقة الكهربائية joule/dʒuːl/ جول. kilowatt-hour/ˈkɪləwɒt ˈaʊə/ كيلوواط-ساعة appliance/əˈplaɪəns/ جهاز كهربائي heater/ˈhiːtə/ سخّان cell/sel/ خلية battery/ˈbætəri/ بطارية power supply/ˈpaʊə səˈplaɪ/ مزود الطاقة switch/swɪtʃ/ مفتاح fuse/fjuːz/ صمام أمان (فيوز) thermistor/ˈθɜːmɪstə/ ثرمستور light-dependent resistor/laɪt dɪˈpendənt rɪˈzɪstə/ مقاومة حساسة للضوء light-emitting diode/laɪt ɪˈmɪtɪŋ ˈdaɪəʊd/ ثنائي فلومينيسنتي relay/ˈriːleɪ/ relay (قالب/مُبدّل) series/ˈsɪəriːz/ التوالي parallel/ˈpærəlel/ التوازي total resistance/ˈtəʊtl rɪˈzɪstəns/ المقاومة الكلية junction/ˈdʒʌŋkʃn/ العقدة potential divider/pəˈtenʃl dɪˈvaɪdə/ مقسم جهد hazard/ˈhæzəd/ خطر insulation/ˌɪnsjuːˈleɪʃn/ العزل الحراري overheating/ˌəʊvəˈhiːtɪŋ/ السخن الزائد damp/dæmp/ رطب / مبلل overloading/ˌəʊvəˈləʊdɪŋ/ إعادة التحميل socket/ˈsɒkɪt/ مقبس live wire/laɪv ˈwaɪə/ السلك الحار neutral wire/ˈnjuːtrəl ˈwaɪə/ السلك المتعادل earth wire/ɜːθ ˈwaɪə/ سلك الأرض fuse rating/fjuːz ˈreɪtɪŋ/ تصنيف الصمام trip switch/trɪp swɪtʃ/ مفتاح قاطع (trip switch) casing/ˈkeɪsɪŋ/ الغلاف earthed/ɜːθt/ مؤرض double-insulated/ˈdʌbl ˈɪnsjuːleɪtɪd/ مزدوج العزل 4.4
السلامة الكهربائية
المنهج
أساسي تكميلي 1 بيّن مخاطر: (أ) تلف العزل (ب) ارتفاع حرارة الكابلات (ج) الظروف الرطبة (د) زيادة التيار الناتجة عن التحميل الزائد للمقبسات، والأسلاك الممتدة، والمقابس المفردة والمتعددة عند استخدام مصدر الكهرباء الرئيسي 2 اعرف أن دائرة الكهرباء الرئيسية تتكون من سلك حار (خط)، وسلك محايد، وسلك أرضي واشرح سبب ضرورة توصيل المفتاح بالسلك الحار لإيقاف الدائرة بأمان 3 اشرح استخدام وتشغيل المفاتيح الآلية والصوارق واختر ratings الصوارق وإعدادات المفاتيح الآلية المناسبة 4 اشرح لماذا يجب أن يكون الغلاف الخارجي لجهاز كهربائي إما غير موصل (عازل مزدوج) أو مؤرض 5 بيّن أن الصارق بدون سلك أرضي يحمي الدائرة والكابلات الخاصة بالجهاز المعزول بشكل مزدوج المصدر: منهج كامبريدج الدولي
يتم تغذية المنزل بشبكة الكهرباء الرئيسية. الشبكة الرئيسية خطيرة إذا تم استخدامها بشكل خاطئ.
المخاطر
هذه هي المخاطر (الأخطار) المرتبطة بكهرباء الشبكة الرئيسية:
- تلف العزل — الأسلاك المكشوفة قد تسبب صدمة كهربائية أو اشتعال حريق;
- السخن الزائد للكابلات — مرور تيار كبير يجعل الكابل ساخنًا، مما قد يسبب حريقًا;
- ظروف رطبة — الماء يسمح بمرور التيار إلى الجسم، مما يزيد خطر الصدمة الكهربائية;
- الإجهاد الكهربائي — توصيل أجهزة كثيرة في مقبس واحد يسحب تيارًا كبيرًا.
السلك النشط والمحايد والأرضي
كابل الشبكة الرئيسية يحتوي على ثلاثة أسلاك:
- السلك النشط يحمل الجهد العالي;
- السلك المحايد يكمل الدائرة عند جهد يقارب الصفر;
- سلك الأرضي هو سلك أمان متصل بالأرض.
يجب تركيب مفتاح (وصمام أمان) في السلك النشط. وهكذا، عندما يكون المفتاح مغلقًا، يتم فصل الجهاز عن الجهد العالي ويصبح آمنًا للمس.
في المقبس ثلاثي الأقطاب، يحمل النشط (البني) والمحايد (الأزرق) التيار، بينما الأرضي (الأخضر/الأصفر) هو سلك الأمان، ويوضع صمام الأمان دائمًا في السلك النشط. صوامع الأمان ومفاتيح القاطع والأرضي
صمام الأمان هو سلك رفيع ينصهر إذا أصبح التيار كبيرًا جدًا، مما يقطع الدائرة قبل أن يسخن الكابل. اختر تصنيف صمام الأمان أعلى قليلاً من تيار العمل الطبيعي — على سبيل المثال صمام قدرته $13\ \text{A}$ لجهاز يستهلك عادةً حوالي $10\ \text{A}$.
يقوم مفتاح القاطع (قاطع الدائرة) بنفس الوظيفة ولكنه يعمل بسرعة أكبر ويمكن إعادة ضبطه بدلاً من استبداله.
يجب جعل الغلاف المعدني للجهاز آمناً بإحدى الطريقتين:
- متصل بالأرض: يكون الغلاف متصلاً بسلك الأرضي. إذا لمس السلك النشط الغلاف، يتدفق تيار كبير نحو الأرض ويحرق صمام الأمان.
- ذو عزل مزدوج: يكون الغلاف مصنوعًا من البلاستيك، لذا لا يمكن أن يصبح نشطًا. لا يحتاج مثل هذا الجهاز إلى سلك أرضي؛ ما يزال صمام الأمان يحمي الكابل.
وحدة الاستهلاك المنزلية: كل قاطع MCB هو مفتاح قطع يقطع دوائره عند ارتفاع التيار بشكل كبير؛ وقاطع RCD (80 أمبير، 30 مللي أمبير) يقطع بسرعة أكبر إذا اكتشف عطلًا للأرض استكشفمسار السلامة الكهربائية
تابع تيار العطل لترى كيف تحمي الأجهزة الأشخاص.
4.5
التأثيرات الكهرومغناطيسية
المنهج
4.5.1 الحث الكهرومغناطيسي
أساسي تكميلي 1 اعرف أن موصلًا يتحرك عبر مجال مغناطيسي أو مجالًا مغناطيسيًا متغيرًا يرتبط بموصل يمكن أن يحفز قوة دافعة كهربائية (e.m.f.) في الموصل 4 اعرف أن اتجاه القوة الدافعة الكهربائية المحفزة يعاكس التغير الذي تسببه 2 صف تجربة لتوضيح الحث الكهرومغناطيسي 5 صغ واستخدم الاتجاهات النسبية للقوة، والمجال، والتيار المحفز 3 بيّن العوامل المؤثرة في مقدار القوة الدافعة الكهربائية المحفزة 4.5.2 مولد التيار المتردد
أساسي تكميلي 1 صف شكلاً بسيطًا لـمولد التيار المتردد (ملف دوار أو مغناطيس دوار) واستخدام حلقات الانزلاق والفرش حيثما لزم الأمر 2 ارسم وفسر منحنيات القوة الدافعة الكهربائية مقابل الزمن لمولدات التيار المتردد البسيطة وارتبط موقع ملف المولد بقمم وقيعان وصفر القوة الدافعة الكهربائية 4.5.3 التأثير المغناطيسي للتيار
أساسي تكميلي 1 صف نمط واتجاه المجال المغناطيسي الناجم عن تيارات في أسلاك مستقيمة وبوابات (solenoids) 4 بيّن التغير النوعي في قوة المجال المغناطيسي حول الأسلاك المستقيمة والبوابات 2 صف تجربة لتحديد نمط المجال المغناطيسي (بما في ذلك الاتجاه) الناجم عن تيارات في أسلاك مستقيمة وبوابات 3 صف كيف يُستخدم التأثير المغناطيسي للتيار في المُشغِّلات (relays) ومكبرات الصوت وعطِ أمثلة على تطبيقاتها 5 صف تأثير تغيير مقدار واتجاه التيار على المجال المغناطيسي حول الأسلاك المستقيمة والبوابات 4.5.4 القوة المؤثرة على موصل يحمل تيارًا
أساسي تكميلي 1 صف تجربة تُظهر أن قوةً تؤثر على موصل يحمل تيارًا في مجال مغناطيسي، بما في ذلك تأثير عكس: (أ) التيار (ب) اتجاه المجال 2 استذكر واستخدم الاتجاهات النسبية للقوة، والمجال المغناطيسي، والتيار 3 حدد اتجاه القوة المؤثرة على حزم الجسيمات المشحونة في مجال مغناطيسي 4.5.5 محرك التيار المستمر
أساسي تكميلي 1 اعرف أن ملفًا يحمل تيارًا في مجال مغناطيسي قد يتعرض لقوة دوران وأن قوة الدوران تزداد بزيادة: (أ) عدد لفات الملف (ب) شدة التيار (ج) قوة المجال المغناطيسي 2 صف عملية المحرك الكهربائي، بما في ذلك عمل المبدل الحلقي المقسوم والفرش 4.5.6 المحول الكهربائي
أساسي تكميلي 1 صف بناء المحول البسيط ذو القلب الحديدي الناعم، كما يُستخدم في تحويل الجهد 6 اشرح مبدأ عمل محول حديدي بسيط 2 استخدم مصطلحات الأولي، الثانوي، رفع الجهد وخفض الجهد 3 استذكر واستخدم المعادلة $$\frac{V_p}{V_s} = \frac{N_p}{N_s}$$حيث p و s يشيران إلى الابتدائي والثانوي7 استذكر واستخدم معادلة الكفاءة المئوية 100 في المحول $$I_p V_p = I_s V_s$$حيث p و s يشيران إلى الابتدائي والثانوي4 صف استخدام المحولات في نقل الكهرباء بجهد عالي 5 اذكر مزايا نقل الكهرباء بجهد عالي 8 استذكر واستخدم المعادلة $$P = I^2 R$$لتوضيح سبب صغر الفقدان في الطاقة في الكابلات عندما يكون الجهد أكبرالمصدر: منهج كامبريدج الدولي
المحول: نسبة اللفات الحث الكهرومغناطيسي التأثير المغناطيسي للتيار
التيار في سلك يولد مجالًا مغناطيسيًا حوله.
- حول سلك مستقيم تكون خطوط المجال دوائر حول السلك؛ ويكون المجال أقوى قرب السلك. اقلب اتجاه التيار وسيقلب اتجاه المجال.
- الملف الحلزوني (سلك ملفوف طويل) يولد مجالًا مشابهًا لمغناطيس قضيب، مع قطب شمال N في أحد الطرفين وقطب جنوب S في الطرف الآخر. المجال الداخلي قوي ومتساوي.
يمكنك إظهار كلا النمطين باستخدام رقائق الحديد أو بوصلة رسم. يصبح المجال أقوى إذا زدت التيار، أو أضفت لفات أكثر، أو وضعت نواة حديدية ناعمة داخله.
التيار يولد خطوط مجال دائرية حول سلك مستقيم، ومجالًا شبيهًا بمغناطيس القضيب للملف الحلزوني يُستخدم التأثير المغناطيسي في الريليه والسماعة. في الريليه، يقوم تيار صغير في ملف بـ مغنطة نواة حديدية ناعمة، تسحب مفتاحًا لإغلاق دائرة ثانية. يمكن للدائرة الثانية حمل تيار كبير، لذا يمكن لمفتاح صغير أو مستشعر التحكم بأمان في محرك أو مدفأة (على سبيل المثال، مفتاح تشغيل السيارة يبدأ محركاتها عبر ريليه). في السماعة، يولد تيار متغير في الملف دفعًا وسحبًا لمخروط ورقي، مما يحرك الهواء وينتج الصوت.
الحث الكهرومغناطيسي
عندما يتحرك سلك عبر مجال مغناطيسي، أو يتغير المجال عبر ملف، يُحْدَث توتر حثي في السلك. إذا كان السلك جزءًا من دائرة مغلقة،则该 e.m.f. يدفع تيارًا. هذا يسمى الحث الكهرومغناطيسي.
لإثبات ذلك: حرك مغناطيسًا ذهابًا وإيابًا داخل ملف متصل بعداد حساس، ولاحظ اهتزاز الإبرة. يكون التوتر الحثي أكبر عندما تستخدم مغناطيسًا أقوى، أو تتحرك أسرع، أو تستخدم لفات أكثر على الملف. يعمل التوتر الحثي دائمًا لـ معارضة التغيير الذي يسببه. يُعطى اتجاه التيار المحرض بواسطة قاعدة اليد اليمنى لفلمنج: ضع إصبع الإبهام وأصبع السبابة وإصبع الوسطى لليد اليمنى بزاوية قائمة على بعضها البعض؛ يشير الإبهام في اتجاه حركة السلك، ويشير إصبع السبابة في اتجاه المجال (من N إلى S)، ويعطي إصبع الوسطى بعد ذلك اتجاه التيار المحرض.
المولد المتردد
يحول المولد المتردد الحركة إلى كهرباء. يدور ملف في مجال مغناطيسي (أو يدور مغناطيس بالقرب من ملف). أثناء الدوران، يستمر تغير المجال عبر الملف، لذا يُحْدَث توتر متردد.
- الأطواق الانزلاقية وفرش الكربون تنقل التيار إلى الدائرة بينما يبقى الملف دوارًا.
- تكون القوة الدافعة الكهربائية (e.m.f.) أكبر ما يمكن عندما يكون الملف مسطحاً (يتحرك بأقصى سرعة عبر المجال) وتكون صفراً عندما يكون الملف عمودياً (يتحرك موازياً للمجال). لذا فإن الرسم البياني للقوة الدافعة الكهربائية-الزمن هو موجة: ذروة، صفر، ذروة عكسية، صفر، لكل دورة.
يدوران الملف يولد قوة دافعة كهربائية متناوبة؛ تنقل الحلقات الانزلاق التيار المتردد إلى الدائرة القوة المؤثرة على موصل يمر به تيار
عندما يكون سلك يمر فيه تيار في مجال مغناطيسي، يتنافر مجال السلك مع مجال المغناطيس، مما يجعل السلك يشعر بقوة. هذا هو تأثير المحرك.
- اقلب اتجاه التيار، أو اقلب اتجاه المجال، وتتغير اتجاه القوة.
- زيادة التيار أو تقوية المجال يؤدي إلى زيادة القوة.
القوة والمجال والتيار تكون عمودية على بعضها البعض. يمكنك تحديد اتجاه القوة باستخدام قاعدة اليد اليسرى لفلمنج: الإبهام = القوة (الحركة)، الإصبع الأول = المجال (من N إلى S)، الإصبع الثاني = التيار.
إظهار القوة. ضع سلك نحاسي صلب (أو شريحة من ورق الألمنيوم) بين قطبي مغناطيس على شكل U وصله ببطارية عبر مفتاح. عند مرور التيار، يقفز السلك لأعلى أو لأسفل. اقلب البطارية ويقفز السلك في الاتجاه المعاكس؛ قلب المغناطيس ويتغير الاتجاه مرة أخرى. تيار أكبر أو مغناطيس أقوى يعطي قفزة أكبر.
سلك يمر به تيار في مجال مغناطيسي يشعر بقوة عمودية على كل من المجال والتيار تيار الجسيمات المشحونة المتحركة هو تيار، لذا يدفعه المجال المغناطيسي جانبياً أيضاً — فهو يحرف الشعاع. (تذكر أن الإلكترونات تتدفع عكس اتجاه التيار التقليدي.)
المحرك المستمر (d.c. motor)
الملف الذي يمر فيه تيار في مجال مغناطيسي يشعر بـ تأثير دوران، لأن القوى المؤثرة على جانبيه تعمل في اتجاهين متعاكسين. هذا هو المحرك المستمر. تأثير الدوران يكون أكبر مع عدد دورات أكثر في الملف، أو تيار أكبر، أو مجال أقوى.
المبدل ذو الحلقة المقسومة (split-ring commutator) يغير اتجاه التيار في الملف كل نصف دورة. يحافظ هذا على دوران الملف في نفس الاتجاه بدلاً من توقفها بعد نصف دورة.
القوى المؤثرة على جانبي الملف تشكل زوجاً عزمياً؛ المبدل ذو الحلقة المقسومة يحافظ على دورانه في اتجاه واحد 
في الآلة الحقيقية d.c.، تضغط فرش الكربون على قضبان المبدل النحاسية لتغذية التيار إلى الملف الدوار المحول الكهربائي
المحول يغير حجم جهد التيار المتردد. يحتوي على ملفين ملفوفين على نواة حديد ناعم:
- الملف الابتدائي يستقبل جهد التيار المتردد;
- الملف الثانوي يعطي الجهد المتغير.
التيار المتردد في الملف الابتدائي يولد مجالاً مغناطيسياً متغيراً في النواة. تحمل النواة هذا المجال إلى الملف الثانوي، حيث تحرض قوة دافعة كهربائية متناوبة. ترتبط الجهود وعدد الدورات بالعلاقة التالية:
$$\frac{V_p}{V_s} = \frac{N_p}{N_s}$$مثال محلل. يحتوي المحول على $1200$ لفّة في الملف الابتدائي و$100$ لفّة في الملف الثانوي. تم توصيل الملف الابتدائي بمصدر تيار متردد $240\ \text{V}$. أوجد جهد الملف الثانوي.
$$\frac{240}{V_s} = \frac{1200}{100} = 12 \quad\Rightarrow\quad V_s = \frac{240}{12} = 20\ \text{V}$$عدد دورات أقل في الثانوي، لذا فهذا محول خفض للجهد.
المجال المتغير في النواة يربط بين الملفين؛ نسبة الجهد تساوي نسبة عدد الدورات 
المحول الحقيقي على عمود الطاقة يخفض الجهد العالي في الكابلات إلى جهد آمن للمنازل إذا كان الثانوي يحتوي على دورات أكثر فهو محول رفع للجهد (يرتفع الجهد)؛ عدد دورات أقل يجعله محول خفض للجهد (ينخفض الجهد). على سبيل المثال، المحول الذي يغير $240\ \text{V}$ إلى $12\ \text{V}$ هو من نوع خفض الجهد، ويكون للابتدائي $20$ ضعف عدد دورات الثانوي.
إذا كان المحول بكفاءة 100%، فإن القدرة الداخلة تساوي القدرة الخارجة:
$$I_p V_p = I_s V_s$$لذا فإن محول رفع الجهد يرفع الجهد ولكن يقلل التيار.
لماذا نستخدم الجهد العالي لنقل الطاقة
تُرسل الكهرباء عبر البلاد عن طريق نقل عالي الجهد. القدرة المفقودة كحرارة في الكابلات هي
$$P = I^2 R$$حيث $R$ هي مقاومة الكابلات. يرفع محول رفع الجهد الجهد وبالتالي يقلل التيار لنفس القدرة ($P = IV$). التيار الأصغر يعني فقد طاقة أقل بكثير في الكابلات. ثم يقوم محول خفض الجهد بخفض الجهد مرة أخرى إلى قيمة آمنة قبل وصوله للمنازل.
الأبراج تمسك الكابلات التي تنقل الكهرباء بجهد عالٍ جداً، مما يبقي التيار - والطاقة المفقودة - منخفضاً استكشفالقوة التي تدور المحرك
التيار في مجال مغناطيسي يُدفع بشكل عمودي على كلاهما — عكّس التيار أو قلب المغناطيس وسيُدفع في الاتجاه الآخر. هذا هو ما يحرك المحرك.
استكشفالمولد
V = a sin(bt)
الملف الدوار يحث جهداً جيبياً — وهو خرج التيار المتردد.
استكشفالمحول الكهربائي
أضف لفات إلى الثانوي لرفع الجهد، وقللها لخفضه — Vs/Vp = Ns/Np، تماماً كما تنقل الشبكة الطاقة بكفاءة.
مفردات تدريبEnglish العربية ion/ˈaɪɒn/ أيون electric current/ɪˈlektrɪk ˈkʌrənt/ شدة التيار الكهربائي ampere/ˈæmpeə/ أمبير ammeter/ˈæmiːtə/ أميتر analogue/ˈænəlɒɡ/ تماثلي digital/ˈdɪdʒɪtl/ رقمي ranges/ˈreɪndʒɪz/ نطاقات free electrons/friː ɪˈlektrɒnz/ إلكترونات حرة conventional current/kənˈvenʃənl ˈkʌrənt/ تيار تقليدي direct current/daɪˈrekt ˈkʌrənt/ تيار مستمر alternating current/ˈɔːltəneɪtɪŋ ˈkʌrənt/ تيار متردد mains supply/meɪnz səˈplaɪ/ تزويد الكهرباء الرئيسية motor/ˈməʊtə/ حركي bell/bel/ جرس transformer/trænsˈfɔːmə/ محول كهربائي solenoid/ˈsəʊlənɔɪd/ ملف لولبي coil/kɔɪl/ ملف loudspeaker/ˈlaʊdspiːkə/ مكبر صوت electromagnetic induction/ɪˌlektrəʊməɡˈnetɪk ɪnˈdʌkʃn/ الحث الكهرومغناطيسي Fleming's right-hand rule/ˈflemɪŋz raɪt hænd ruːl/ قاعدة اليد اليمنى لفلمنج a.c. generator/ˌeɪ ˈsiː ˈdʒenəreɪtə/ مولد تيار متردد (a.c. generator) slip rings/slɪp rɪŋz/ خواتم انزلاق (slip rings) brushes/ˈbrʌʃɪz/ فرش كربونية (brushes) Fleming's left-hand rule/ˈflemɪŋz left hænd ruːl/ قاعدة اليد اليسرى لفلمنج deflect/dɪˈflekt/ يحرف / يحوّل turning effect/ˈtɜːnɪŋ ɪˈfekt/ تأثير الدوران d.c. motor/ˌdiː ˈsiː ˈməʊtə/ محرك تيار مستمر (d.c. motor) split-ring commutator/splɪt rɪŋ ˈkɒmjuːteɪtə/ مبدل الحلقات المجزأة soft-iron core/sɒft ˈaɪən kɔː/ نواة حديدية ناعمة primary coil/ˈpraɪməri kɔɪl/ ملف ابتدائي secondary coil/ˈsekəndəri kɔɪl/ ملف ثانوي step-up/step ʌp/ رفع الجهد (step-up) step-down/step daʊn/ خفض الجهد (step-down) high-voltage transmission/haɪ ˈvəʊltɪdʒ trænˈsmɪʃn/ نقل الطاقة عالية الجهد 4.5
نصائح للامتحان
- التيار نفسه في جميع أنحاء دائرة متسلسلة؛ في دائرة متوازية ينقسم بين الفروع. الجهد (p.d.) يُوزَّع بالتساوي في المتسلسلة، ولكنه نفسه عبر كل فرع متوازي.
- إضافة مقاومات في التسلسل تزيد المقاومة الكلية ($R_1 + R_2$)؛ إضافتها في التوازي تجعل الكلية أقل من أصغر مقاومة فردية.
- الأمبيرمتر يوضع في تسلسل ومقاومته منخفضة جداً؛ الفولتميتر يوضع في توازي عبر مكون ومقاومته عالية جداً.
- في المحول $\dfrac{V_p}{V_s} = \dfrac{N_p}{N_s}$: دورات أكثر في الثانوي ترفع الجهد أعلى، وأقل تخفضه أسفل. المحولات تعمل فقط على التيار المتردد.
- تُرسل الكهرباء عبر البلاد بجهد عالي بحيث يكون التيار — والحرارة المفقودة في الكابلات، $P = I^2R$ — صغيراً.
- قم بتوصيل المفتاح والصمام الأمان في السلك الحي، واختر تيار صمام أمان أعلى قليلاً من التيار التشغيلي العادي للجهاز.
-
5
الفيزياء النووية
شاهد الدرس5.1
الذرة
المنهج
5.1.1 الذرة
أساسي تكميلي 1 صف بنية الذرة بدلالة نواة موجبة الشحنة وإلكترونات سالبة الشحنة تدور حول النواة 3 صف كيف يدعم تشتت جسيمات ألفا ($\alpha$) عبر رقة معدنية النموذج النووي للذرة، من خلال تقديم أدلة على: (أ) نواة صغيرة جداً محاطة بمساحة فارغة في الغالب (ب) نواة تحتوي على معظم كتلة الذرة (ج) نواة موجبة الشحنة 2 اعرف كيف يمكن للذرات أن تكون أيونات موجبة بفقدان الإلكترونات أو أيونات سالبة باكتسابها للإلكترونات 5.1.2 النواة
أساسي تكميلي 1 صف تركيب النواة بدلالة البروتونات والنيوترونات 6 صف عمليتي الانشطار النووي والاندماج النووي كانشطار أو اندماج للنوى، بما في ذلك معادلة النويدات والوصف النوعي للتغيرات في الكتلة والطاقة بدون قيم 2 اذكر الشحنات النسبية للبروتونات والنيوترونات والإلكترونات وهي +1 و 0 و –1 على الترتيب 3 عرّف مصطلحي العدد البروتوني (العدد الذري) $Z$ والعدد النووي (العدد الكتلي) $A$ وقادر على حساب عدد النيوترونات في النواة 7 اعرف العلاقة بين العدد البروتوني والشحنة النسبية للنواة 8 اعرف العلاقة بين العدد النووي والكتلة النسبية للنواة 4 استخدم رموز النويدات $^{A}_{Z}\text{X}$ 5 اشرح ما يُقصد بـالنظائر وأذكر أن العنصر قد يكون له أكثر من نظير المصدر: منهج كامبريدج الدولي
تتكون الذرة من نواة مركزية صغيرة تحيط بها إلكترونات تدور حولها (في مدار، مثل الكواكب حول الشمس).
- للنواة شحنة موجبة.
- للإلكترونات شحنة سالبة.
- تكون الذرة بأكملها متعادلة، لأن الشحنات الموجبة والسالبة متساوية.
معظم الكتلة توجد في النواة، لكن النواة صغيرة جداً مقارنة بالذرة بأكملها. لذا فإن الذرة تتكون في الغالب من فراغ.
الذرة النووية: نواة صغيرة وكثيفة من البروتونات والنيوترونات، مع إلكترونات في مدارات حولها الأيونات
الذرة متعادلة، لكنها قد تكتسب أو تفقد إلكترونات لتصبح أيوناً.
- فقدان إلكترون واحد أو أكثر → أيون موجب (هناك الآن بروتونات أكثر من الإلكترونات).
- اكتساب إلكترون واحد أو أكثر → أيون سالب.
تجربة تشتت ألفا
قدمت هذه التجربة الدليل على النموذج النووي. تم إطلاق جسيمات ألفا α (صغيرة، سريعة، موجبة) نحو رقاقة ذهبية رقيقة جداً، وتم مراقبة التشتت (طريقة ارتدادها).
النتائج وما تخبرنا به:
- مرّ معظم جسيمات ألفا بشكل مستقيم. ← الذرة تتكون في الغالب من فراغ.
- انحرف القليل منها (انحنى) بزوايا صغيرة. ← النواة تحمل شحنة موجبة، مما يدفع جسيمات ألفا الموجبة بعيداً.
- ارتد القليل جداً تقريباً بشكل مستقيم عكسياً. ← النواة صغيرة جداً وثقيلة، وتحمل معظم كتلة الذرة.
معظم جسيمات ألفا تمر بشكل مستقيم؛ القليل ينحرف والقليل جداً يرتد عن النواة الصغيرة والكثيفة استكشفداخل الذرة
نواة صغيرة وكثيفة تقع في المركز مع إلكترونات في مدارات حولها — اسحب العدد البروتوني وشاهد كيف تمتلئ المدارات خارجياً.
مفردات تدريبEnglish العربية atom/ˈætəm/ ذرة nucleus/ˈnjuːklɪəs/ النواة scattering/ˈskætərɪŋ/ تشتت deflected/dɪˈflektɪd/ منحرف nucleon/ˈnjuːklɪən/ نيوكليون 5.1
داخل النواة
تتكون النواة من نوعين من الجسيمات، يُطلق عليهما مجتمعة اسم النوكليونات:
- البروتونات، التي تحمل شحنة نسبية قدرها $+1$;
- النيوترونات، التي تحمل شحنة نسبية قدرها $0$ (وهي متعادلة).
لإلكترون شحنة نسبية قدرها $-1$. ولكل من البروتون والنيوترون كتلة نسبية تبلغ حوالي $1$؛ بينما الإلكترون شبه عديم الكتلة بالمقارنة.
يصف عددان النواة:
- عدد البروتونات $Z$ (يُسمى أيضاً العدد الذري) — وهو عدد البروتونات;
- عدد النوكليونات $A$ (يُسمى أيضاً العدد الكتلي) — وهو مجموع عدد البروتونات والنيوترونات.
إذن عدد النيوترونات هو $A - Z$.
نكتب النواة باستخدام رمز النظير:
$$^{A}_{Z}\text{X}$$حيث X هو الرمز الكيميائي. على سبيل المثال، $^{197}_{\ 79}\text{Au}$ يحتوي على $79$ بروتون و$197 - 79 = 118$ نيوترون. الشحنة النسبية للنواة بأكملها هي $+Z$ فقط (هنا $+79$)، وكتلتها النسبية حوالي $A$.
النظائر
النظائر هي ذرات لنفس العنصر (نفس $Z$) ولكن بأعداد مختلفة من النيوترونات (أعداد مختلفة لـ $A$). تتصرف بنفس الطريقة في الكيمياء ولكن differently في النواة. على سبيل المثال، $^{12}_{\ 6}\text{C}$ و$^{14}_{\ 6}\text{C}$ كلاهما كربون.
نظائر الكربون تحتوي على نفس الستة بروتونات لكن بأعداد مختلفة من النيوترونات، لذا فهي نفس العنصر بكتلة مختلفة الانشطار والاندماج النووي
في الانشطار النووي، تمتص نواة ثقيلة نيوتروناً ثم تنقسم إلى نواتين أصغر، مما يحرر نيوترونين أو ثلاثة ويخرج كمية كبيرة من الطاقة:
$$^{235}_{\ 92}\text{U} + ^{1}_{0}\text{n} \rightarrow\ ^{141}_{\ 56}\text{Ba} + ^{92}_{36}\text{Kr} + 3\,{}^{1}_{0}\text{n}$$
نيوترون يقسم نواة U-235 إلى نواتين أصغر، محرراً المزيد من النيوترونات والطاقة الأرقام العلوية (أعداد النوكليونات) متوازنة في كلا الطرفين، وكذلك الأرقام السفلية (أعداد البروتونات). يمكنك استخدام ذلك لإيجاد رقم مفقود — على سبيل المثال، كم عدد النيوترونات المحررة.
في الاندماج النووي، ترتبط نواتان خفيفتان لتكوين واحدة أثقل، وتحرر أيضاً طاقة. هذه هي الطريقة التي تصنع بها الشمس طاقتها، بربط نوى الهيدروجين لتكوين الهيليوم. التفاعل أدناه — ارتباط شكلين ثقيلين من الهيدروجين (الدوتيريوم والتريتيوم) لتكوين الهيليوم — هو التفاعل المستخدم في مفاعلات الاندماج على الأرض:
$$^{2}_{1}\text{H} + ^{3}_{1}\text{H} \rightarrow\ ^{4}_{2}\text{He} + ^{1}_{0}\text{n}$$
*في الاندماج تندمج نواتان خفيفتان في واحدة أثقل، محررة نيوترون وطاقة — تفاعل الدوتيريوم-التريتيوم المستخدم في مفاعلات الاندماجفي كل من الانشطار والاندماج، تُفقد كمية صغيرة من الكتلة وتتحول إلى طاقة.
تستخدم محطة الطاقة النووية طاقة الانشطار لتوليد الكهرباء؛ وتطلق الأبراج الحرارة الزائدة على شكل بخار استكشفتفاعل الانشطار المتسلسل
نيوترون يشق نواة اليورانيوم، مما يطلق الطاقة AND المزيد من النيوترونات — تلك تشق نوياً أخرى، وهكذا.
مفردات تدريبEnglish العربية ion/ˈaɪɒn/ أيون alpha particle/ˈælfə ˈpɑːtɪkl/ جسيم ألفا gold foil/ɡəʊld fɔɪl/ رقاقة الذهب isotope/ˈaɪsətəʊp/ النظائر nuclear fission/ˈnjuːklɪə ˈfɪʃn/ انشقاق نووي energy/ˈenədʒi/ طاقة nuclear fusion/ˈnjuːklɪə ˈfjuːʒn/ اندماج نووي hydrogen/ˈhaɪdrədʒn/ الهيدروجين helium/ˈhiːlɪəm/ هيليوم unstable/ʌnˈsteɪbl/ غير مستقر radiation/ˌreɪdɪˈeɪʃn/ الإشعاع 5.2
الإشعاع
المنهج
5.2.1 كشف الإشعاع
أساسي تكميلي 1 اعرف ما يُقصد بـالإشعاع الخلفي 2 اعرف المصادر التي تساهم بشكل كبير في الإشعاع الخلفي بما في ذلك: (أ) غاز الرادون (في الهواء) (ب) الصخور والمباني (ج) الطعام والشراب (د) الأشعة الكونية 3 اعرف أن الإشعاع النووي المؤين يمكن قياسه باستخدام كاشف متصل بعدّاد 4 استخدم معدل العد المقاس بوحدات عد / ثانية أو عد / دقيقة 5 استخدم قياسات الإشعاع الخلفي لتحديد معدل عد مُصحَّح 5.2.2 أنواع الإشعاع النووي الثلاثة
أساسي تكميلي 1 صف انبعاث الإشعاع من النواة بأنه تلقائي وعشوائي الاتجاه 2 حدد انبعاثات ألفا ($\alpha$)، بيتا ($\beta$) وغاما ($\gamma$) من النواة بتذكّر: (أ) طبيعتها (ب) تأثيراتها التأينية النسبية (ج) قدراتها الاختراقية النسبية ($\beta^+$ غير مدرجة، وستُعتبر جسيمات $\beta$ أنها تشير إلى $\beta^-$) 3 صف انحراف جسيمات $\alpha$ وجسيمات $\beta$ وإشعاع $\gamma$ في المجالات الكهربائية والمغناطيسية 4 اشرح تأثيراتها التأينية النسبية بالإشارة إلى: (أ) الطاقة الحركية (ب) الشحنة الكهربائية 5.2.3 التحلل الإشعاعي
أساسي تكميلي 1 اعرف أن التحلل الإشعاعي هو تغيير في نواة غير مستقرة قد يؤدي إلى انبعاث جسيمات $\alpha$ أو جسيمات $\beta$ و/أو إشعاع $\gamma$ ويعرف أن هذه التغيرات تلقائية وعشوائية 3 اعرف أن النظائر للعنصر قد تكون مشعة بسبب فائض النيوترونات في النواة و/أو ثقل النواة الزائد 2 اذكر أنه خلال تفكك $\alpha$ أو تفكك $\beta$، يتغير النواة إلى نواة لعنصر مختلف 4 صف تأثير التفكك $\alpha$، التفكك $\beta$ والإشعاع $\gamma$ على النواة، بما في ذلك زيادة الاستقرار وتقليل عدد النيوترونات الزائدة؛ يحدث التغير التالي في النواة أثناء الإشعاع $\beta$ نيوترون $\rightarrow$ بروتون + إلكترون 5 استخدم معادلات التحلل، باستخدام رموز النويدات، لإظهار انبعاث جسيمات $\alpha$ وجسيمات $\beta$ وإشعاع $\gamma$ 5.2.4 عمر النصف
أساسي تكميلي 1 عرّف عمر النصف لنظير معين بأنه الوقت اللازم لنصف نوى هذا النظير في أي عينة أن تتحلل؛ استذكر واستخدم هذا التعريف في الحسابات البسيطة، والتي قد تتضمن معلومات من جداول أو منحنيات التحلل (لن تشمل الحسابات الإشعاع الخلفي) 2 احسب عمر النصف من البيانات أو منحنيات التحلل التي لم يُطرح منها الإشعاع الخلفي 3 اشرح كيف يحدد نوع الإشعاع المنبعث وعمر النصف للنظير النظير المستخدم في التطبيقات بما في ذلك: (أ) كواشف الدخان المنزلية (ب) تعقيم الطعام لقتل البكتيريا (ج) تعقيم المعدات باستخدام أشعة غاما (د) قياس والتحكم في سماكة المواد باختيار الإشعاعات المرتبطة بالاختراق والامتصاص (هـ) تشخيص وعلاج السرطان باستخدام أشعة غاما 5.2.5 احتياطات السلامة
أساسي تكميلي 1 اذكر تأثيرات الإشعاعات النووية المؤينة على الكائنات الحية، بما في ذلك موت الخلايا، الطفرات، وسرطان 2 صف كيفية نقل المواد المشعة واستخدامها وتخزينها بطريقة آمنة 3 اشرح احتياطات السلامة لجميع الإشعاعات المؤينة بدلالة تقليل وقت التعرض، وزيادة المسافة بين المصدر والأنسجة الحية، واستخدام الحواجز لامتصاص الإشعاع المصدر: منهج كامبريدج الدولي
التناضح الإشعاعي وعمر النصف النواة غير المستقرة ستتحلل وتصدر إشعاعاً عاجلاً أم آجلاً. هذا هو التحلل الإشعاعي. قد تكون النواة غير مستقرة بسبب وجود الكثير من النيوترونات، أو لأنها ثقيلة جداً.
التحلل تلقائي (يحدث من تلقاء نفسه، ولا يمكن تسريعه أو إبطائه) وعشوائي (لا يمكنك تحديد أي نواة ستتحلل التالية، أو متى بالضبط).
الإشعاع الخلفي
بعض الإشعاع موجود حولنا طوال الوقت. هذا هو الإشعاع الخلفي. sourcesه الرئيسية هي:
- غاز الرادون في الهواء (عادة أكبر مصدر);
- الصخور والمباني;
- الطعام والشراب;
- الأشعة الكونية من الفضاء.
قياس الإشعاع
يمكن قياس الإشعاع باستخدام كاشف متصل بـ عداد. معدل العد هو عدد العدادات في كل ثانية (أو كل دقيقة).
لإيجاد معدل العد الحقيقي من مصدر، قس أولاً معدل العد الخلفي بمفرده، ثم اطرحه. النتيجة هي معدل العد المصحح:
$$\text{corrected count rate} = \text{measured count rate} - \text{background count rate}$$مثال محلول. كاشف موضوع بجانب مصدر يسجل $250$ عدد/دقيقة. عند إزالة المصدر، تكون معدل الخلفية $30$ عدد/دقيقة. أوجد معدل العدد المصحح.
$$250 - 30 = 220\ \text{counts/min}$$عداد جايجر محمول يكشف الإشعاع المؤين ويعرض معدل العد على شاشته استكشفالتحلل الإشعاعي
N = N₀·bᵗ
عدد الأنوية غير المستقرة يتحلل بشكل أسي.
مفردات تدريبEnglish العربية radioactive/ˌreɪdɪəʊˈæktɪv/ مشع decay/dɪˈkeɪ/ تحللًا spontaneous/spɒnˈteɪnɪəs/ تلقائي random/ˈrændəm/ عشوائي background radiation/ˈbækɡraʊnd ˌreɪdɪˈeɪʃn/ الإشعاع الخلفي radon/ˈreɪdɒn/ رادون cosmic rays/ˈkɒzmɪk reɪz/ أشعة كونية detector/dɪˈtektə/ الكاشف counter/ˈkaʊntə/ مضاد count rate/kaʊnt reɪt/ معدل العد corrected/kəˈrektɪd/ مُصحَّح ionising/ˈaɪənaɪzɪŋ/ مؤين aluminium/ˌæljʊˈmɪnɪəm/ الألمنيوم electromagnetic wave/ɪˌlektrəʊməɡˈnetɪk weɪv/ موجة كهرومغناطيسية lead/liːd/ رصاص / lead penetrating/ˈpenɪtreɪtɪŋ/ اختراق / نفوذ absorbed/əbˈsɔːbd/ امتصّ beta particle/ˈbiːtə ˈpɑːtɪkl/ جسيم بيتا gamma radiation/ˈɡæmə ˌreɪdɪˈeɪʃn/ إشعاع جاما kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ الطاقة الحركية electric field/ɪˈlektrɪk fiːld/ مجال كهربائي magnetic field/mæɡˈnetɪk fiːld/ المجال المغناطيسي stable/ˈsteɪbl/ استقراراً sample/ˈsæmpl/ العينة 5.2
الأنواع الثلاثة للإشعاع
الإشعاع يمكن أن يكون من ثلاثة أنواع. كل نوع مؤين، مما يعني أنه يمكنه نزع الإلكترونات من الذرات في طريقه.
النوع ما هو التأثير المؤين يوقفه ألفا (α) نواة هيليوم: 2 بروتونات + 2 نيوترونات، شحنة $+2$ الأقوى ورقة أو بضعة سنتيمترات من الهواء بيتا (β) إلكترون سريع الحركة، شحنة $-1$ متوسط بضعة مليمترات من الألمنيوم غاما (γ) موجة كهربائية مغناطيسية عالية الطاقة، لا شحنة الأضعف رصاص سميك أو خرسانة (يُخفف فقط، ولا يُوقف كلياً أبداً) لذا فإن جسيم ألفا هو الأكثر تأثيراً مؤيناً لكن الأقل اختراقاً (يتم امتصاصه بسهولة). جسيم بيتا β يقع في المنتصف. إشعاع غاما γ هو الأقل تأثيراً مؤيناً لكن الأكثر اختراقاً.
الورق يوقف ألفا، بضعة مليمترات من الألمنيوم توقف بيتا، والرصاص السميك يُخفض غاما فقط يمكننا تفسير التأثيرات المؤينة بناءً على الشحنة والطاقة الحركية: جسيم ألفا له شحنة كبيرة ($+2$) وهو بطيء وثقيل، لذا يسحب بقوة الإلكترونات التي يمر بها ويؤين الكثير. جسيم بيتا له شحنة أصغر ويتحرك أسرع، لذا يؤين أقل.
الانحراف في المجالات
بما أن جسيمات ألفا وبيتا مشحونة، فإنها تنحرف بسبب المجال الكهربائي والمجال المغناطيسي. تنحني في اتجاهين متعاكسين، لأن شحناتها ذات إشارات متعاكسة، وجسيم بيتا الأخف ينحني أكثر. أشعة غاما ليس لها شحنة، لذا لا تنحرف على الإطلاق.
ألفا وبيتا ينحنيان في اتجاهين متعاكسين؛ بيتا الأخف ينحني أكثر، وغاما غير المشحون لا ينحرف 5.2
معادلات التحلل
عند تحلل النواة، يجب أن تتوازن أعداد النيوكليونات والبروتونات في كلا الطرفين.
تحلل ألفا — تفقد النواة 2 بروتون و2 نيوترون، لذا $A$ تنقص بمقدار $4$ و$Z$ تنقص بمقدار $2$. تصبح عنصراً جديداً:
$$^{A}_{Z}\text{X} \rightarrow\ ^{A-4}_{Z-2}\text{Y} + ^{4}_{2}\alpha$$مثال محلول. نواة راديوم $^{226}_{\ 88}\text{Ra}$ تشع جسيم ألفا. أوجد عدد النيوكليونات وعدد البروتونات للنواة الجديدة.
تحلل ألفا يخفض $A$ بمقدار $4$ و$Z$ بمقدار $2$:
$$^{226}_{\ 88}\text{Ra} \rightarrow\ ^{222}_{\ 86}\text{Rn} + ^{4}_{2}\alpha$$لذا النواة الجديدة (راديون) لها عدد نيوكليونات $222$ وعدد بروتونات $86$.
تحلل بيتا — داخل النواة يتحول نيوترون إلى بروتون بالإضافة إلى إلكترون:
$$\text{neutron} \rightarrow \text{proton} + \text{electron}$$يخرج الإلكترون السريع كجسيم بيتا. لذا $A$ يبقى كما هو لكن $Z$ يرتفع بمقدار $1$، مما يعطي عنصراً مختلفاً:
$$^{24}_{11}\text{Na} \rightarrow\ ^{24}_{12}\text{Mg} + ^{\ \ 0}_{-1}\beta$$انبعاث غاما — تفقد النواة الطاقة فقط، لذا $A$ و$Z$ لا يتغيران. يترك تحلل ألفا وبيتا النواة أكثر استقراراً؛ غالباً ما يُطلق غاما في نفس الوقت لنقل الطاقة الزائدة.
مفردات تدريبEnglish العربية electron/ɪˈlektrɒn/ الإلكترون orbit/ˈɔːbɪt/ مدار charge/tʃɑːdʒ/ شحنته mass/mæs/ الكتلة proton/ˈprəʊtɒn/ بروتون relative/ˈrelətɪv/ نسبية neutron/ˈnjuːtrɒn/ نيوترون proton number/ˈprəʊtɒn ˈnʌmbə/ العدد البروتوني nucleon number/ˈnjuːklɪən ˈnʌmbə/ رقم النوكليون nuclide/ˈnjuːklaɪd/ نوكلييد 5.2
عمر النصف
بما أن التحلل عشوائي، لا يمكننا تتبع نواة واحدة. بدلاً من ذلك نصف عينة كبيرة باستخدام عمر النصف الخاص بها.
عمر النصف للنظير هو الزمن اللازم لتحلل نصف النوى غير المستقرة في العينة. بعد كل عمر نصف، ينخفض معدل العد (أو عدد النوى غير المستقرة المتبقية) إلى النصف.
على سبيل المثال، إذا كان للمصدر معدل عد قدره $800$ عدّ/دقيقة وعمر نصف قدره $3$ ساعة:
الوقت / ساعات 0 3 6 9 معدل العد / (عدّ/دقيقة) 800 400 200 100 بعد $6$ ساعات (عمرين نصف) انخفض معدل العد مرتين: $800 \to 400 \to 200$. يمكنك قراءة عمر النصف من منحنى التحلل بإيجاد الزمن الذي يستغرقه معدل العد ليهبط من أي قيمة إلى نصفها. إذا شملت القراءات الإشعاع الخلفي، اطرح معدل العد الخلفي من كل قراءة أولاً، ثم أوجد عمر النصف من القيم المصححة.
مثال محلول. نشاط مصدر ينخفض من $800$ عدّ/دقيقة إلى $100$ عدّ/دقيقة. عمر النصف هو $5$ أيام. كم استغرق هذا الوقت؟
احسب مرات النصف: $800 \to 400 \to 200 \to 100$ هي ثلاثة أعمار نصف، لذا الوقت هو $3 \times 5 = 15\ \text{days}$.
كل عمر نصف $T$ ينخفض معدل العد للنصف: $N_0 \to N_0/2 \to N_0/4 \to N_0/8$ استكشفعمر النصف — راقب تناضح الأنوية
لكل نواة فرصة ثابتة للتناضح، بشكل عشوائي. قم بتقدم الوقت: يتناضح حوالي نصف الأنوية المتبقية في كل عمر نصف — لذا يتناقص العد، ثم يتناقص مرة أخرى.
مفردات تدريبEnglish العربية half-life/hɑːf laɪf/ النصف عمر smoke alarm/sməʊk əˈlɑːm/ كاشف الدخان bacteria/bækˈtɪərɪə/ البكتيريا sterilise/ˈsterəlaɪz/ تعقيم medical tracer/ˈmedɪkl ˈtreɪsə/ مسار طبي cancer/ˈkænsə/ السرطان living cells/ˈlɪvɪŋ selz/ خلايا حية mutation/mjuːˈteɪʃn/ طفرة dose/dəʊs/ جرعة exposure/ekˈspəʊʒə/ التعريض shielding/ˈʃiːldɪŋ/ التظليل 5.2
استخدامات النشاط الإشعاعي
النظير المختار لعمل معين يعتمد على نوع إشعاعه وعمر نصفه:
- كواشف الدخان تستخدم مصدراً ألفياً (ألفا يُحجب بسهولة، لذا فهو آمن خارج الكاشف، وعمر نصف طويل يعني أنه يدوم لسنوات)؛
- استخدام الإشعاع على الطعام أو على المعدات يقتل البكتيريا والميكروبات — هذا يحتاج أشعة غاما الاختراقية لـتعقيم العنصر المحكم الإغلاق؛
- قياس والتحكم في سماكة أوراق الورق أو الصفائح المعدنية يستخدم مصدراً بيتياً (الكمية التي تمر تتغير مع السماكة)؛
- المُتتبع الطبي هو كمية صغيرة من نظير يشع غاما بعمر نصف قصير، تُحقن في الجسم: عتّاد خارج الجسم يتتبع مساره، وأشعة غاما تخرج من الجسم بسهولة، وينخفض النشاط بسرعة إلى مستوى آمن؛
- تُستخدم أشعة غاما لإيجاد وعلاج سرطان داخل الجسم، لأنها تستطيع الخروج من (أو الدخول إلى) الجسم.
العلاج الإشعاعي: قناع شبكي يثبت المريض بينما توجه ليزرات المحاذاة أشعة غاما بدقة نحو الورم لعلاج السرطان 5.2
السلامة
الإشعاع المؤين يضر بالخلايا الحية. يمكن أن يسبب موت الخلايا، طفرات (تغيرات في الجينات) وسرطان.
عند العمل مع المصادر المشعة، حافظ على الجرعة (كمية الإشعاع المستقبلة) منخفضة عن طريق:
- تقليل زمن التعرض — أمضِ أقل قدر ممكن من الوقت بالقرب من المصدر;
- زيادة المسافة بينك وبين المصدر;
- استخدام الحواجز، مثل الرصاص، بين المصدر وجسمك.
يجب التعامل مع المصادر المشعة بملاقط (وليس بالأيدي العارية)، وتوجيهها بعيدًا عن الأشخاص، وتخزينها في صندوق مبطن بالرصاص.
5.2
نصائح للامتحان
- العدد النوكليوني (الأعلى) هو البروتونات + النيوترونات؛ العدد البروتوني (الأدنى) هو البروتونات فقط. عدد النيوترونات = العدد النوكليوني − العدد البروتوني.
- النظائر لها نفس العدد البروتوني لكن أعداد نوكلونية مختلفة — نفس العنصر بعدد مختلف من النيوترونات.
- رتب الإشعاعات بطريقتين: ألفا هو الأكثر تأييناً لكنه الأقل اختراقاً (يوقفه الورق)؛ جاما هو الأقل تأييناً لكنه الأكثر اختراقاً (يتطلب رصاصاً سميكاً). بيتا في المنتصف (يوقفه بضعة مم من الألمنيوم).
- في كل معادلة تحلل يجب أن تتساوى الأرقام العلوية والأرقام السفلية. تحلل ألفا: $A-4$، $Z-2$. تحلل بيتا: $A$ لا يتغير، $Z+1$.
- اطرح دائماً معدل الخلفية قبل استخدام قراءات المصدر. بعد $n$ نصف عمر، انخفض معدل العد $n$ مرات — عَدّ الانخفاضات بدلاً من التخمين من إجمالي الوقت.
-
6
فيزياء الفضاء
شاهد الدرس6.1
الأرض والشمس والقمر
المنهج
6.1.1 الأرض
أساسي تكميلي 1 عرّف أن الأرض كوكب يدور حول محوره الذي يميل، دورة واحدة كل حوالي 24 ساعة، واستخدم ذلك لشرح ملاحظات الحركة اليومية الظاهرية للشمس والدورة الدورية لليل والنهار 2 عرّف أن الأرض تدور حول الشمس دورة واحدة كل حوالي 365 يوماً، واستخدم ذلك لشرح الطبيعة الدورية للفصول 4 عرّف السرعة المدارية المتوسطة من المعادلة $v = \frac{2\pi r}{T}$ حيث $r$ هو نصف القطر المتوسط للمدار و$T$ هو الفترة المدارية؛ تذكر هذه المعادلة واستخدمها 3 عرّف أن القمر يحتاج حوالي شهر واحد لإكمال دورة حول الأرض، واستخدم ذلك لشرح الطبيعة الدورية لدورة أطوار القمر 6.1.2 النظام الشمسي
أساسي تكميلي 1 صف النظام الشمسي على أنه يحتوي على: (أ) نجم واحد وهو الشمس (ب) الكواكب الثمانية المسمّاة وعرف ترتيبها من الشمس (ج) الكواكب الصغيرة التي تدور حول الشمس، بما في ذلك الكواكب القزمة مثل بلوتو والكويكبات في حزام الكويكبات (د) الأقمار التي تدور حول الكواكب (هـ) أجسام النظام الشمسي الأصغر، بما في ذلك المذنبات والأقمار الطبيعية 7 عرّف أن الكواكب والكواكب الصغيرة والمذنبات لها مدارات إهليلجية، وتذكر أن الشمس ليست في مركز المدار الإهليلجي، إلا عندما يكون المدار دائرياً تقريباً 8 حلّل وفسّر بيانات الكواكب المتعلقة بالمسافة المدارية، والمدة المدارية، والكثافة، ودرجة حرارة السطح، وقوة المجال الجاذبي المنتظم عند سطح الكوكب 2 عرّف أنه مقارنة ببعضها البعض، فإن الكواكب الأربعة الأقرب إلى الشمس صخرية وصغيرة، والكواكب الأربعة الأبعد عن الشمس غازية وكبيرة، واشرح هذا الفرق بالإشارة إلى نموذج التجمع لتكوين النظام الشمسي، بما في ذلك: (أ) اعتماد النموذج على الجاذبية (ب) وجود عناصر عديدة في السحب بين النجمية من الغاز والغبار (ج) دوران المادة في السحبة وتشكيل قرص تجمع 3 عرّف أن قوة المجال الجاذبي (أ) عند سطح كوكب تعتمد على كتلة الكوكب (ب) حول كوكب تتناقص كلما ابتعدت المسافة عن الكوكب 4 احسب الوقت الذي تستغرقه الضوء لقطع مسافة كبيرة مثل المسافات بين الأجسام في النظام الشمسي 5 عرّف أن الشمس تحتوي على معظم كتلة النظام الشمسي وهذا يفسر لماذا تدور الكواكب حول الشمس 6 عرّف أن القوة التي تحافظ على جسم في مدار حول الشمس هي التجاذب الجاذبي للشمس 9 عرّف أن قوة المجال الجاذبي للشمس تتناقص وأن سرعات مدار الكواكب تتناقص كلما زادت المسافة عن الشمس 10 عرّف أن الجسم في مدار إهليلجي يتحرك بسرعة أكبر عندما يقترب من الشمس واشرح ذلك باستخدام مبدأ حفظ الطاقة المصدر: منهج كامبريدج الدولي
تدور الأرض (تدور) حول محورها مرة واحدة في حوالي $24$ ساعات. المحور مائل (ليس عمودياً تماماً). هذا الدوران يعطينا النهار والليل، ويجعل الشمس تبدو وكأنها تتحرك عبر السماء كل يوم.
تتحرك الأرض أيضاً حول الشمس في مدار، مرة واحدة في حوالي $365$ يوماً (سنة واحدة). وبسبب ميل المحور، تنحرف أجزاء مختلفة من الأرض نحو الشمس في أوقات مختلفة من السنة. وهذا يعطي الفصول: يكون الصيف في نصف الكرة الذي ينحرف نحو الشمس.
المحور يحافظ على نفس الميل طوال العام، لذا ينحرف كل نصف كرة نحو الشمس لنصف المدار ويبعد عن الآخر للنصف المتبقي يدور القمر حول الأرض مرة واحدة في حوالي شهر واحد. أثناء دورانه، نرى كميات مختلفة من جانبه المضاء، مما يعطي أطوار القمر (القمر الجديد، القمر النصف، القمر الكامل).
النصف المضاء للقمر يواجه الشمس دائماً، لذا أثناء دورانه نرى كميات مختلفة منه: قمر جديد بيننا وبين الشمس، وقمر كامل مقابل الشمس، وأقمار نصفية بينهما لذا، من الأقصر إلى الأطول: يوم واحد (دوران الأرض) < شهر واحد (مدار القمر) < سنة واحدة (مدار الأرض).
القمر الكامل، قمر الأرض الطبيعي استكشفلماذا يتغير شكل القمر
الشمس تضيء دائماً نصف القمر؛ الطور هو ببساطة مقدار هذا النصف المضاء الذي يواجهنا أثناء دوران القمر — إنه ليس ظل الأرض.
مفردات تدريبEnglish العربية seasons/ˈsiːznz/ فصول السنة Moon/muːn/ القمر phases/ˈfeɪzɪz/ أطوار القمر circumference/sɜːˈkʌmfrəns/ محيط الدائرة orbital speed/ˈɔːbɪtl spiːd/ سرعة مدارية period/ˈpɪərɪəd/ الدور 6.1
السرعة المدارية
لجسم يدور في دائرة، المسافة لدورة كاملة هي محيط $2\pi r$، حيث $r$ هو نصف قطر المدار. السرعة المدارية هي هذه المسافة مقسومة على الفترة $T$ (الوقت لدورة واحدة):
$$v = \frac{2\pi r}{T}$$ينطبق نفس المعادلة على الكواكب والأقمار والأقمار الصناعية.
مثال محلول. تدور محطة فضائية حول الأرض على نصف قطر $r = 7000\ \text{km}$ وتأخذ $T = 5800\ \text{s}$ لدورة واحدة. أوجد سرعتها المدارية.
أولاً حوّل نصف القطر إلى أمتار: $7000\ \text{km} = 7.0 \times 10^6\ \text{m}$. ثم
$$v = \frac{2\pi r}{T} = \frac{2\pi \times 7.0 \times 10^6}{5800} \approx 7600\ \text{m/s}$$محطة ISS المدارية: السرعة المدارية هي السرعة التي تبقي قمر صناعي في حركة دائرية سقوط حر مفردات تدريبEnglish العربية orbit/ˈɔːbɪt/ مدار 6.1
المجموعة الشمسية
تحتوي المجموعة الشمسية على نجم واحد، وهو الشمس، في مركزها. حولها تدور الكواكب الثمانية. بالترتيب من الشمس هي: عطارد، الزهرة، الأرض، المريخ، المشتري، زحل، أورانوس ونبتون.
- الكواكب الأربعة الأقرب للشمس صغيرة وصخرية.
- الكواكب الأبعد عن الشمس كبيرة وغازية — تتكون أساساً من الغاز، بدون سطح صلب يمكن الوقوف عليه.
- العملاقان الأقربان، المشتري وزحل، هما عمالقة غازية. العملاقان الخارجيان، أورانوس ونبتون، هما عمالقة جليدية: يحتويان على الكثير من الجليد، لذا فهما ليسا عمالقة غازية حقيقية.
الشمس وكواكبها الثمانية بالترتيب: أربعة كواكب صخرية صغيرة، ثم حزام الكويكبات، ثم أربعة كواكب غازية كبيرة — العمالقة الغازية المشتري وزحل والعمالقة الجليدية أورانوس ونبتون (غير مقياس) 
المريخ، الكوكب الأحمر، أحد الكواكب الداخلية الصخرية 
المشتري، أكبر كوكب، مع أحزامه الغازية الدوارة 
زحل وحلقاته، مصورة بواسطة مركبة كاسيني الفضائية تحتوي المجموعة الشمسية أيضاً على:
- كواكب صغيرة، مثل الكواكب القزمة مثل بلوتو، والكويكبات (معظمها يقع في حزام الكويكبات بين المريخ والمشتري);
- أقمار (أقمار طبيعية) تدور حول الكواكب;
- مذنبات وأجسام صغيرة أخرى.
المدارات والجاذبية
تمتلك الشمس معظم كتلة المجموعة الشمسية. جاذبيتها (قوة الجذب الثقالي) تمتد وتحافظ على الكواكب في مداراتها. هذه القوة هي التجاذب الثقالي للشمس.
قوة المجال الثقالي تخبرك بمدى قوة الجاذبية:
- عند سطح الكوكب تكون أكبر للكوكب الذي له كتلة أكبر;
- حول الكوكب تصبح أضعف كلما ابتعدت.
وبالمثل، تصبح جاذبية الشمس أضعف كلما ابتعدنا عنها، لذلك تتحرك الكواكب الخارجية ببطء أكبر (سرعة مدارية أقل) من الكواكب الداخلية.
بيانات كوكبية
غالبًا ما تقدم أسئلة الامتحانات جدولًا مثل هذا وتطلب منك قراءة نمط منه.
الكوكب المسافة عن الشمس / مليون كم الفترة المدارية الكثافة / جم/سم³ درجة حرارة السطح / °C شدة الحقل الجذب $g$ / N/kg عطارد 58 88 يومًا 5.4 170 3.7 الزهرة 108 225 يومًا 5.2 460 8.9 الأرض 150 365 يومًا 5.5 15 9.8 المريخ 228 687 يومًا 3.9 −60 3.7 المشتري 779 11.9 سنة 1.3 −110 23 زحل 1430 29.5 سنة 0.7 −140 9.0 أورانوس 2870 84 سنة 1.3 −195 8.7 نبتون 4500 165 سنة 1.6 −200 11 أنماط يجب ملاحظتها: كلما ابتعد كوكب عن الشمس، زادت فترته المدارية وانخفضت درجة حرارة سطحه. الكواكب الأربعة الداخلية كثيفة (صخر ومعدن)، بينما الكواكب الأربعة الخارجية ذات كثافات منخفضة (غاز وجليد). تعتمد شدة الحقل الجذب على السطح على كتلة الكوكب وحجمه، وليس على مسافته عن الشمس.
المدارات الإهليلجية
معظم المدارات ليست دوائر مثالية بل إهليلجات (دائرة ممدودة)، والشمس لا تكون في مركز الإهليلج. لدى المذنب مدار ممدود جدًا. يتحرك الجسم في مدار إهليلجي بشكل أسرع عندما يكون أقرب إلى الشمس. نشرح ذلك باستخدام حفظ الطاقة — فالطاقة الكلية تظل ثابتة، لذا فإن انخفاض الطاقة الكامنة الجذب للجسم (قربه) يؤدي إلى زيادة طاقته الحركية (زيادة سرعته).
تقع الشمس عند أحد بؤرتي الإهليلج؛ يسارع الكوكب عند الاقتراب ويشتت عند الابتعاد زمن سفر الضوء
المسافات في الفضاء ضخمة، لذا نحسب غالبًا الوقت الذي يستغرقه الضوء ليقطعها. يسافر الضوء بسرعة $3.0 \times 10^8\ \text{m/s}$. باستخدام $\text{time} = \dfrac{\text{distance}}{\text{speed}}$، يستغرق الضوء الصادر عن الشمس (على بعد نحو $1.5 \times 10^{11}\ \text{m}$) حوالي $500\ \text{s}$، وهو ما يعادل تقريبًا $8$ دقائق، ليصل إلى الأرض.
استكشفشاهد سباق الكواكب
كلما كان الكوكب أقرب إلى الشمس، كان أسرع في مداره — عطارد في 88 يوماً، المشتري في 12 عاماً — لأن جاذبية الشمس أقوى بالقرب منها.
مفردات تدريبEnglish العربية Solar System/ˈsəʊlə ˈsɪstəm/ المجموعة الشمسية 6.1
كيفية تشكل النظام الشمسي
تشكلت الكواكب من سحابة عملاقة من الغاز والغبار في الفضاء، تحتوي على العديد من العناصر الكيميائية. هذا هو نموذج التراكم:
- جذبت الجاذبية السحابة نحو بعضها البعض;
- كانت السحابة تدور، مما جعلها تسطح لتصبح قرص تراكم دواراً;
- سقط معظم المادة في المركز وأصبحت الشمس، بينما نشأت الكواكب من المواد المتبقية في القرص.
بالقرب من الشمس الشابة الساخنة، لم يتمكن سوى الصخر والمعدن من البقاء صلبين، لذا كانت الكواكب الداخلية صخرية. بعيدًا في الخارج، حيث كان الجو باردًا، يمكن أيضًا تجمع الغازات، لذا كبرت الكواكب الخارجية وأصبحت غازية.
قرص تراكم حقيقي حول النجم الصغير HL Tauri: الفجوات الداكنة هي حيث تجمع الكواكب الجديدة الغبار — بدأ نظامنا الشمسي بنفس الطريقة مفردات تدريبEnglish العربية planet/ˈplænɪt/ كوكب rocky/ˈrɒki/ صخرية gaseous/ˈɡeɪsɪəs/ غازي gas/ɡæs/ غاز gas giant/ɡæs ˈdʒaɪənt/ عملاق غازي ice giant/aɪs ˈdʒaɪənt/ عملاق جليدي dwarf planet/dwɔːf ˈplænɪt/ كوكب قزم asteroid/ˈæstərɔɪd/ كويكب satellite/ˈsætəlaɪt/ قمر اصطناعي comet/ˈkɒmɪt/ مذنب gravity/ˈɡrævɪti/ الجاذبية gravitational field strength/ˌɡrævɪˈteɪʃənl fiːld streŋθ/ شدة المجال الجاذبي ellipse/ɪˈlɪps/ القطع الناقص conservation of energy/ˌkɒnsəˈveɪʃn ɒv ˈenədʒi/ حفظ الطاقة energy/ˈenədʒi/ طاقة gravitational potential energy/ˌɡrævɪˈteɪʃənl pəˈtenʃl ˈenədʒi/ الطاقة الكامنة الجاذبية kinetic energy/kɪˈnetɪk ˈenədʒi/ الطاقة الحركية dust/dʌst/ غبار / تراب element/ˈelɪmənt/ عنصر accretion/əˈkreʃn/ التراكم accretion disc/əˈkreʃn dɪsk/ قرص تراكمي 6.2
الشمس كنجم
المنهج
6.2.1 الشمس كنجم
أساسي تكميلي 1 عرّف أن الشمس نجم متوسط الحجم، يتكون بشكل رئيسي من الهيدروجين والهيليوم، إشعاع معظم طاقته في مناطق الأشعة تحت الحمراء والضوء المرئي والأشعة فوق البنفسجية من الطيف الكهرومغناطيسي 2 عرّف أن النجوم تعمل بفاعلية بسبب تفاعلات نووية تطلق طاقة، وفي النجوم المستقرة تتضمن التفاعلات النووية اندماج الهيدروجين إلى هيليوم 6.2.2 النجوم
أساسي تكميلي 1 نصّ على ما يلي: (أ) المجرات تتكون كل منها من عشرات المليارات من النجوم (ب) الشمس نجم في المجرة المعروفة بـ التبانة (ج) نجوم أخرى构成 التبانة تبعد عن الأرض مسافات أكبر بكثير مما تبعد عنه الشمس (د) يمكن قياس المسافات الفلكية بـ السنة الضوئية، حيث السنة الضوئية هي المسافة التي يقطعها الضوء في (فراغ) الفضاء خلال سنة واحدة 2 عرّف أن السنة الضوئية تساوي $9.5 \times 10^{15}$ متر 3 صف دورة حياة النجم: (أ) يتشكل النجم من سحابات بين نجمية من الغاز والغبار تحتوي على الهيدروجين (ب) النجم الأولي هو سحابة بين نجمية تنهار وترتفع حرارتها نتيجة لجاذبيتها الداخلية (ج) يصبح النجم الأولي نجماً مستقراً عندما تتوازن قوة التجاذب الجاذبي الداخلة مع قوة خارجية ناتجة عن الحرارة العالية في مركز النجم (د) جميع النجوم تنهي مخزون الهيدروجين كوقود للتفاعل النووي في النهاية (هـ) تتمدد معظم النجوم لتصبح عمالقة حمراء وتتوسع النجوم الأكثر كتلة لتصبح عمالقة حمراء عملاقة عندما يتم تحويل معظم الهيدروجين في مركز النجم إلى هيليوم (و) تتشكل العملاقة الحمراء الناتجة عن نجم أقل كتلة سحابة كوكبية مع نجم قزم أبيض في مركزها (ز) تنفجر العملاقة الحمراء العملاقة كمستعر أعظم، مكونة سحابة كوكبية تحتوي على هيدروجين وعناصر أثقل جديدة، تاركة وراءها نجمة نيوترونية أو ثقب أسود في مركزها (ح) قد تُكوّن السحابة الكوكبية الناتجة عن المستعر الأعظم نجوماً جديدة ذات كواكب تدور حولها 6.2.3 الكون
أساسي تكميلي 1 يُعرف أن درب التبانة هي واحدة من عدة مليارات المجرات المكونة للكون وأن قطر درب التبانة يقارب 100 000 سنة ضوئية 2 صف الانزياح الأحمر على أنه زيادة في الطول الموجي المُراقَب للإشعاع الكهرومغناطيسي المنبعث من نجوم ومجرات مبتعدة 3 عرّف أن الضوء المنبعث من المجرات البعيدة يبدو انزياحاً أحمر مقارنة بالضوء المنبعث من الأرض 4 عرّف أن الانزياح الأحمر في ضوء المجرات البعيدة هو دليل على توسع الكون ويدعم نظرية الانفجار العظيم 5 عرّف أن الإشعاع الميكروي بتردد معين يُراقَب في جميع نقاط الفضاء حولنا ويُعرف بـ إشعاع الخلفية الميكروي الكوني (CMBR) 6 اشرح أن إشعاع الخلفية الكونية الميكروية (CMBR) قد نتج بعد فترة وجيزة من نشأة الكون وأن هذا الإشعاع قد تمدد إلى نطاق الموجات الدقيقة في الطيف الكهرومغناطيسي مع تمدد الكون 7 عرّف أن سرعة $v$ التي تبتعد بها مجرة عن الأرض يمكن إيجادها من خلال التغير في طول موجة ضوء نجوم المجرة بسبب الانزياح الأحمر 8 عرّف أن مسافة $d$ مجرة بعيدة يمكن تحديدها باستخدام سطوع مستعر أعظم في تلك المجرة 9 عرّف ثابت هابل $H_0$ كنسبة سرعة ابتعاد المجرة عن الأرض إلى مسافتها منها؛ تذكر واستخدم المعادلة $$H_0 = \frac{v}{d}$$10 عرّف أن التقدير الحالي لـ $H_0$ هو $2.2 \times 10^{-18}$ لكل ثانية 11 عرّف أن المعادلة $$\frac{d}{v} = \frac{1}{H_0}$$تمثل تقديراً لعمر الكون وأن هذا دليل على الفكرة القائلة بأن كل المادة في الكون كانت موجودة عند نقطة واحدةالمصدر: منهج كامبريدج الدولي
الشمس نجمة متوسطة الحجم، تتكون أساسًا من الهيدروجين والهيليوم. تشع معظم طاقة في الجزء الأشعة تحت الحمراء والضوء المرئي والأشعة فوق البنفسجية من الطيف الكهرومغناطيسي.
تعمل النجوم عبر تفاعلات نووية في قلبها. في النجم المستقر، التفاعل هو الاندماج النووي: تندمج أنوية الهيدروجين لتكوين الهيليوم، محررة كميات هائلة من الطاقة.
الشمس، أقرب نجومنا، كما تظهر في الضوء فوق البنفسجي مفردات تدريبEnglish العربية rotate/rəʊˈteɪt/ تدور axis/ˈæksɪs/ محور tilted/ˈtɪltɪd/ مُمال Sun/sʌn/ الشمس 6.2
النجوم والمجرات والكون
المجرة هي مجموعة تضم مليارات النجوم متماسكة بواسطة الجاذبية. شمسينا هي نجمة واحدة في المجرة التي تُسمى التبانة. جميع النجوم الأخرى في التبانة تبعد عن الأرض مسافات أبعد بكثير مما تبعد عنه الشمس.
مجرة لولبية: مليارات النجوم متماسكة بالجاذبية المسافات بين النجوم كبيرة جدًا لذا نقيسها بـالسنوات الضوئية. السنة الضوئية هي المسافة التي يقطعها الضوء في سنة واحدة (في فراغ الفضاء)، وهي تساوي تقريبًا $9.5 \times 10^{15}\ \text{m}$.
المجرّة الدائرية ممتدة بحوالي $100\,000$ سنة ضوئية عبرها (قطرها). إنها واحدة فقط من بين مليارات المجرات العديدة. كل هذه المجرات مجتمعة تُشكل الكون.
تلسكوب عملاق يدرس السماء الليلية؛ يساعد الشعاع الليزري على التقاط صور حادة للنجوم البعيدة مفردات تدريبEnglish العربية galaxy/ˈɡæləksi/ مجرة Milky Way/ˈmɪlki weɪ/ درب التبانة light-year/laɪt jɪə/ سنة ضوئية diameter/daɪˈæmɪtə/ القطر 6.2
دورة حياة النجم
يولد النجم ويعيش ويموت خلال وقت طويل جدًا:
- يتشكل النجم من سحابة بين نجمية من الغاز والغبار تحتوي على الهيدروجين.
- تجذب الجاذبية السحابة للداخل، فتسخن. تُسمى هذه السحابة المنهارة والمسخنة النجم الأولي.
- يصبح النجم الأولي نجماً مستقراً عندما يتوازن سحب الجاذبية الداخلي مع الدفع الخارجي الناتج عن درجات الحرارة العالية جداً في مركزه.
- مع مرور الوقت، ينتهي كل نجم من وقود الهيدروجين اللازم للاندماج.
ما يحدث بعد ذلك يعتمد على كتلة النجم:
- النجم المتوسط (مثل الشمس) ينتفخ ليصبح عملاقاً أحمر. ثم يطرد طبقاته الخارجية كسحابة مضيئة تُسمى سديم كوكبي، تاركاً قزماً أبيض صغيراً وساخناً في المنتصف.
- النجم الأثقل بكثير ينتفخ ليصبح عملاقاً أحمر عملاق ثم ينهار كـمستعر أعظم. ينتشر هذا الانفجار سديماً يحتوي على الهيدروجين وعناصر أثقل جديدة، ويترك وراءه نجماً نيوترونياً أو ثقباً أسود.
يبدأ كل نجم في سديم؛ يعتمد نهايته على كتلته يمكن للسديم الناتج عن انفجار مستعر عظيم أن يُكوّن نجومًا جديدة لاحقًا، مع كواكب تدور حولها — لذا نشأ نظامنا الشمسي من نجوم سابقة.
استكشفدورة حياة النجم
تجمع الجاذبية سحابة الغاز؛ تضيء الانصهار النجم؛ وعندما ينتهي وقوده ينتفخ أخيراً ويختفي.
استكشفالدورة الحياتية لنجم شبيه بالشمس
مرر عبر كيفية ولادة نجم مثل شمسنا وعيشه وموته.
مفردات تدريبEnglish العربية star/stɑː/ نمط نجمي (star) hydrogen/ˈhaɪdrədʒn/ الهيدروجين helium/ˈhiːlɪəm/ هيليوم ultraviolet/ˌʊltrəˈvaɪəlɪt/ الأشعة فوق البنفسجية electromagnetic spectrum/ɪˌlektrəʊməɡˈnetɪk ˈspektrəm/ الطيف الكهرومغناطيسي nuclear reaction/ˈnjuːklɪə rɪˈækʃn/ تفاعل نووي nuclear fusion/ˈnjuːklɪə ˈfjuːʒn/ اندماج نووي 6.2
الكون المتوسع
عندما يبتعد نجم أو مجرة عنا (هو يتراجع)، يكون الضوء الذي نستقبله منه له طول موجي أطول من المعتاد — حيث ينحرف نحو الطرف الأحمر للمطياف. هذا هو الانزياح الأحمر.
الخطوط الداكنة في طيف مجرة بعيدة تنحرف نحو الطرف الأحمر — هذا هو الانزياح الأحمر ضوء المجرات البعيدة مُزاح أحمر، وكلما كانت المجرة أبعد، كان انزياحها الأحمر أكبر. هذا يخبرنا أن المجرات تبتعد عن بعضها: الكون متوسع. عند عكس ذلك، كان كل شيء معًا في نقطة واحدة في الماضي — وهذا هو الدليل على نظرية الانفجار العظيم.
كل مجرة تبتعد عنا، والمجرات الأبعد تبتعد أسرع — الكون يتوسع أدلة إضافية وعمر الكون
يوجد إشعاع ميكروي خافت يأتي من كل اتجاه في الفضاء. هذا هو إشعاع الخلفية الميكروية الكونية (CMBR). نتج كإشعاع عالي الطاقة قريبًا من الانفجار العظيم، وتمدد إلى جزء الميكروويو من الطيف مع توسع الكون.
تصوير السماء بأكملها بالميكروويو: هذا التوهج الخفيف يصل إلينا من كل اتجاه كحرارة متبقية من الكون الصغير — دليل قوي على الانفجار العظيم لمجرة بعيدة:
- سرعتها $v$ في الابتعاد يمكن إيجادها من انزياح ضوء النجوم فيها؛
- مسافتها $d$ يمكن إيجادها من سطوع مستعر عظيم مرصود فيها.
ثابت هابل $H_0$ يربط بين هذين العاملين:
$$H_0 = \frac{v}{d}$$قيمته اليوم حوالي $2.2 \times 10^{-18}$ لكل ثانية. وعكس هذه القيمة يعطي تقديرًا لعمر الكون:
$$\frac{d}{v} = \frac{1}{H_0}$$مثال محلول. ثابت هابل حوالي $H_0 = 2.2 \times 10^{-18}$ لكل ثانية. قدر عمر الكون.
$$\frac{1}{H_0} = \frac{1}{2.2 \times 10^{-18}} \approx 4.5 \times 10^{17}\ \text{s}$$هذا يساوي تقريبًا $14$ مليار سنة.
يعمل هذا لأن كل مجرة تبدو وكأنها بدأت من نفس النقطة الواحدة في نفس الوقت — دعم أكثر للانفجار العظيم.
استكشفالكون المتمدد
v = H₀·d
تبتعد المجرات أسرع كلما كانت أبعد — السرعة متناسبة مع المسافة.
مفردات تدريبEnglish العربية Universe/ˈjuːnɪvɜːs/ الكون interstellar cloud/ˌɪntəˈstelə klaʊd/ سحابة بين-نجمية protostar/ˈprəʊtəʊstɑː/ نجمة أولية stable/ˈsteɪbl/ استقراراً fuel/ˈfjuːəl/ وقود red giant/red ˈdʒaɪənt/ عملاق أحمر nebula/ˈnebjʊlə/ سديم white dwarf/waɪt dwɔːf/ قزم أبيض red supergiant/red ˈsuːpədʒaɪənt/ عملاق أحمر supernova/ˌsuːpəˈnəʊvə/ مستعر أعظم (supernova) neutron star/ˈnjuːtrɒn stɑː/ نجمة نيوترونية black hole/blæk həʊl/ ثقب أسود receding/rɪˈsiːdɪŋ/ متراجع wavelength/ˈweɪvleŋθ/ الطول الموجي redshift/ˈredʃɪft/ ازاحة حمراء expanding/ekˈspændɪŋ/ متوسعة Big Bang/bɪɡ bæŋ/ الانفجار العظيم microwave/ˈmaɪkrəʊweɪv/ ميكروي radiation/ˌreɪdɪˈeɪʃn/ الإشعاع cosmic microwave background radiation/ˈkɒzmɪk ˈmaɪkrəʊweɪv ˈbækɡraʊnd ˌreɪdɪˈeɪʃn/ إشعاع الخلفية الميكروي الكوني Hubble constant/ˈhʌbl ˈkɒnstənt/ ثابت هابل 6.2
نصائح للامتحان
- في $v = \dfrac{2\pi r}{T}$، $r$ هو نصف قطر المدار و$T$ هو الزمن لدورة كاملة بالثواني — حول الكيلومتر إلى متر والساعة إلى ثوانٍ أولاً.
- الكواكب الأقرب للشمس تشعر بجاذبية أقوى، لذا تدور بسرعة وتأخذ وقتًا أقل. في مدار إهليجي، يتسارع الجسم عندما يقترب من الشمس (تحول الطاقة الكامنة الجاذبية إلى طاقة حركية).
- السنة الضوئية هي مسافة، وليست زمنًا — المسافة التي يقطعها الضوء في سنة واحدة.
- النجم مستقر عندما تتوازن قوة الجذب inward للجاذبية مع الدفع outward الناتج عن الاندماج في جوفه. ما سيصبح عليه عند نفاد وقوده يعتمد على كتلته.
- الانزياح الأحمر — الضوء من المجرات البعيدة المنحرف إلى أطوال موجية أطول (أكثر حمرة)، مع انزياح أكبر كلما ابتعدت — هو الدليل على أن الكون متوسع، مما يدعم الانفجار العظيم.