الفيزياء والتكنولوجيا

للصف التاسع

تأليف: د. رافع صفدي

حافا بن حورين

ترجمة: جميل غنايم

حسب المنهج التعليمي

2015

لصفوف السابعة والتاسعة

في المدارس الرسمية

والرسمية الدينية

صفحات بخط عادي 4-197

الناسخة: تقوى عيسى

المكتبة المركزية للمكفوفين

وذوي عسر القرائي

نتانيا  اسرائيل  2018م

نسخ أو نقل النسخة الملائمة معارضة لأوامر قانون تنسيق الأعمال، تنفيذ وبث للأشخاص ذوي الاحتياجات الخاصة 2014 تشكل خرقا لحقوق المنتجين.

فهرس الكتاب

الفصل 1: مقدمة صفحة 7

الفصل 2: طاقة الارتفاع واستغلالها صفحة 23

الفصل 3: طاقة الحركة وتطبيقها صفحة 53

الفصل 4: الطاقة في الأنظمة الكهربائية صفحة 77

الفصل 5: الحرارة واستغلالها صفحة 113

الفصل 6: طاقة الأشعة واستعمالها صفحة 141

الفصل 7: الطاقة النووية صفحة 171

مشروع؛ زيادة نجاعة الطاقة في المدرسة صفحة 189

قاموس مصطلحات صفحة 194

وحدات قياس، رموز متفق عليها وقوانين صفحة 195

افتتاحية

يتناول كتاب الفيزياء والتكنولوجيا للصف التاسع مصطلحات وجوانب فيزيائية وتكنولوجية ذات صلة بموضوع الطاقة، وبشكل خاص بموضوع الطاقة بكل أنواعها وبالطرق التي تظهر بها في ظواهر مختلفة. يتألف الكتاب من سبعة فصول:

الفصل الأول: مقدمة

يعتبر هذا الفصل مدخلا لكل موضوع الطاقة، فيه ينكشف التلاميذ على مصطلحات سيتعلمونها بشكل متوسع فيما يلي من الكتاب، منها: الطاقة، وتغيرات الطاقة، وتحولات الطاقة إلى حرارة، ووحدات قياس الطاقة وحفظ الطاقة.

الفصل ‏الثاني: طاقة الارتفاع واستغلالها

يتناول هذا الفصل العوامل التي تؤثر ﻋﻠﻰ طاقة الارتفاع والعلاقات بينها، نحسب طاقة الارتفاع وﻧﺘﻌﺮف ﻋﻠﻰ تطبيقات تكنولوجية تستغل هذه الطاقة لفائدة الإنسان كذلك نتدرب على مهمة تكنولوجية - هندسية تستند على المبادئ التي تعلمناها ﻓﻲ هذا الفصل.

الفصل الثالث: طاقة الحركة وتطبيقها

يتناول هذا الفصل العوامل التي تؤثر ﻋﻠﻰ طاقة الحركة والعلاقات بينها، نحسب طاقة الحركة ونتعرف على تطبيقات تكنولوجيه تستغل هذه الطاقة لفائدة الإنسان. ونمارس فعالية تصميم تكنولوجية - هندسية. نولي اهتماما خاصا لطاقة الحركة على الشارع.

الفصل الرابع: الطاقة في الأنظمة الكهربائية

سنتعرف ﻓﻲ هذا الفصل على اﻟﺪواﺋﺮ الكهربائية نقيس ونحسب شدة التيار الكهربائي، واﻟﺠﻬد الكهربائي، وﻣﻘﺎوﻣﺔ مكونات ﻓﻲ اﻟﺪاﺋﺮة سنتعرف ﻋﻠﻰ قانون أوم، ونتناول قدرة وكفاءة أجهزة كهربائية وسنبرمج نظام التلغراف الذي يستند ﻋﻠﻰ اﻟﻤﺒﺎدئ التي تعلمناها ﻓﻲ هذا الفصل.

الفصل الخامس: الحرارة واستغلالها

يتناول هذا الفصل مصطلح الحرارة والفرق بينه وبين مصطلح درجة الحرارة، نبحث العوامل التي تؤثر ﻋﻠﻰ كمية الحرارة التي يستوعبها الجسم اﻭ يطلقها. سنفهم مصطلح الحرارة النوﻋﻴﺔ، والحرارة الكامنة، وسنتعرف ﻋﻠﻰ طرق لاستغلالهما ﻓﻲ أنظمة تكنولوجية، وسنبرمج جهاز تبريد دون استعمال الطاقة الكهربائية.

الفصل السادس: طاقة الأشعة واستعمالها

يتناول هذا الفصل أنواع الأشعة الإلكترومغناطيسية ومميزاتها. نتعرف ﻋﻠﻰ ظواهر متنوعة ذات صله بطاقة الأشعة، وفي التفاعل بينها وبين المادة واستعمالها ﻓﻲ أنظمة تكنولوجية، ونكتسب خبره من خلال بناء فرن شمسي.

الفصل السابع: الطاقة النووية

يتناول هذا الفصل كمية الطاقة الهائلة التي تنطلق خلال عمليتي الانشطار والاندماج النووي وطرق استغلال الطاقة لفائدة الإنسان. كما يتعرفون ﻋﻠﻰ مخاطر التعرض للنشاط الإشعاعي على وسائل للتخفيف ﻣﻦ أضراره.

مشروع اجمال: زيادة نجاعة الطاقة في المدرسة

مشروع تعاوني مبني ﻋﻠﻰ استعمال المصطلحات واﻟﻤﺒﺎدئ التي تم تعليمها ﻓﻲ مجال زيادة نجاعة الطاقة. يدمج المشروع مهارات بحث، والمعلوماتية وﺣﻞ مشاكل هندسية وتكنولوجية ويلخص الكتاب بعمل حقيقي مهم للفرد وللمجتمع.

*5*

وسائل الحذر في المختبر

فيما يلي قائمه بوسائل حذر عامه للحذر في المختبر، وبالإضافة إليها، تجدون إلى جانب كل تجربه في الكتاب وسائل الحذر الخاصة بها.

قبل بدء العمل في المختبر اقرءوا جيدا مجرى التجربة، وتعرفوا على الأجهزة والمواد التي ستستعملونها ووسائل الحذر المطلوب التقيد بها. لا تبدأوا العمل إلا بعد أن تكونوا قد فهمتم مجرى التجربة، واتخذتم جميع وسائل الحذر المطلوبة.

قواعد تتعلق بالمظهر وبالسلوك الشخصي في المختبر.

1. في جميع التجارب في المختبر يطلب منك لبس نظارات واقية.

في كل تجربه يلزم التلاميذ الذين يضعون عدسات لاصقة بتركيب نظارات واقية.

2. اعملوا وشعركم مربوط.

3. تعالوا إلى المختبر بحذاء مغلق وبنطلون طويل من المحبذ لبس مريول مختبر أو قميص قديم فوق الملابس العادية لتفادي توسيخها.

4. لا تأكلوا ولا تشربوا في المختبر لا تذوقوا المواد المستعملة في التجربة ولا المواد التي تؤكل في الحياة اليومية من لحظة دخولها إلى المختبر.

5. لا تشموا عن قرب، مواد في المختبر ولا حتى مأكولات أدخلت للمختبر!

6. إذا تطلبت التجربة تتطلب استعمال قفازات و / أو العمل في مكان ماص للروائح الكريهة أو مكان مع تهوية، فاحرصوا على التقيد بهذه التعليمات.

*6*

7. يجب العمل حسب تعليمات التجربة بالضبط، دون تغييرات ودون ارتجالات.

8. اقرأوا بتمعن ما كتب على العلب أو القناني التي تحتوي على المواد.

9. إذا لاحظتم وجود خلل في أداه أو جهاز (مثل: وعاء زجاجي فيه شق أو كسر) فلا تستعملوه وأخبروا المعلم بذلك.

10. من المفضل العمل على صينية وليس على طاولات المختبر المباشرة.

11. يجب أن تكون طاولة المختبر نظيفة ومرتبة وخالية من أي أغراض لا صلة لها بالتجربة.

12. اعملوا في أماكنكم بهدوء ولا تركضوا ولا تتحركوا بشكل مفاجئ.

13. إذا حدث شيء غريب أو شاذ (مثلا: انكسر وعاء أو انسكبت مادة) فأخبروا المعلم بذلك فورا، وتصرفوا بموجب تعليماته.

14. إذا لامست يدك المكشوفة ماده من مواد المختبر، فاغسل يديك بالماء والصابون وأخبر المعلم فورا.

15. لا تتركوا محطة العمل دون مراقبة.

16. لا تخرجوا من المختبر قبل أن يسمح لكم المعلم بذلك.

17. اغسلوا أيديكم بالماء والصابون قبل مغادرة المختبر.

قواعد الحذر عند تسخين المواد

18. يحظر إشعال موقد غاز أو موقد كحول على طاولة التلميذ. يقوم باستعمال موقد الغاز أو موقد الكحول المعلمون أو عاملون المختبر، ويتم ذلك على طبق من نيروستا أو الالومنيوم.

19. عند تسخينك لماده ما بواسطة أنبوب اختبار امسك به بواسطة ملقط من الثلث العلوي للأنبوب. يجب أن يكون الأنبوب مائلا بزاوية 45 درجة، بحيث لا تكون فتحة الأنبوب موجهة نحوك أو نحو أي شخص أخر. انتبهوا! في المختبر أنتم مسؤولون أيضا عن سلامة زملائكم.

20. عند تسخين سائل في أنبوب اختبار لا تملأ أكثر من ثلث ارتفاع الأنبوب.

21. لا تضعوا أدوات ساخنة على الطاولات، بل على مسطح يتحمل درجات حرارة عالية فقط.

22. ابعدوا المواد القابلة للاشتعال عن اللهب وعن مصدر الحرارة.

قواعد الحذر عند استعمال الكهرباء

23. لا تلمسوا الأجهزة الكهربائية بيدين مبلولتين.

24. شغلوا الأجهزة الكهربائية حسب التعليمات فقط.

25. يمنع لمس أسلاك الكهرباء المكشوفة كما يمنع فتح خزائن الكهرباء. أخبروا المعلم فورا بكل خلل يتعلق باستعمال الأجهزة الكهربائية.

*7*

الفصل الأول: مقدمه

*7*

سنتعلم في هذا الفصل أن...

- الفيزياء هي علم يتناول بحث ظواهر طبيعة أساسية.

- الهندسة هي مجال يتناول التطبيقات التكنولوجية للمعرفة العلمية بغية تحسين جودة حياتنا.

- تغير الطاقة يظهر في العمليات التي يحدث فيها تغيير في مقادير مثل: الارتفاع، السرعة ودرجة الحرارة.

- الطاقة تظهر بأشكال مختلفة - هذه هي أنواع الطاقة المختلفة.

- التغير في الطاقة يمكن أن يكون تغييرا في نوع الطاقة، أو انتقال طاقة من جسم إلى أخر أو كليهما.

- عند حدوث عمليات تغير في الطاقة في نظام معزول فان كمية الطاقة الإجمالية له تحفظ، أي لا تتغير.

مصطلحات سنتعرف عليها:

فيزياء

تكنولوجيا

طاقة

تحوّل طاقة

انتقال طاقة

قانون حفظ الطاقة

جول

*8*

مقدمة

يتناول كتاب الفيزياء والتكنولوجيا للصف التاسع مصطلحات وظواهر وقوانين في مجال الفيزياء ذات الصلة بالطاقة، وبالجوانب الهندسية - التكنولوجية المتعلقة بهذا المجال وبتأثير التكنولوجيا على المجتمع وعلى البيئة.

الفيزياء هي علم يتناول بحث ظواهر طبيعة أساسية. مثلا: جسم يسقط من ارتفاع، حركة الأجرام السماوية مثل الكواكب السيارة الأقمار، أشعه الشمس، النشاط الإشعاعي وغيرها. تتناول الفيزياء أسئلة كهذه: كيف تتغير سرعة جسم يسقط من علو؟ كيف تؤثر الأشعة التي تصل من الشمس على تسخين الكرة الأرضية؟ ما هو الضوء؟ ما الذي يؤثر على شدة التيار في الدائرة الكهربائية؟

يصوغ الباحثون في مجال الفيزياء قوانين تصف بشكل عام ظواهر مختلفة. بواسطة هذه القوانين يمكن التنبؤ بسلوكيات أنظمة كثيرة في ظروف معينة. مثلا: صاغ العالم جي اورج اوم قبل حوالي 200 سنة قانون اوم، بواسطة هذا القانون يمكن حساب كم ستكون شدة التيار الكهربائي في دوائر مختلفة إذا عرفنا ما هي قوة المصدر في الدائرة وما هي مقاومة المكونات المختلفة فيها.

يتناول مجال الهندسة تطبيقات فيزيائية ومجالات علمية أخرى بغية سد حاجات الإنسان. مثلا، محرك السيارة هو تطوير تكنولوجي يستخدم المعرفة العلمية حول عمليات الاحتراق وتحولات الطاقة الضرورية لعمل السيارة. أما جهاز رنتجن فهو تطوير تكنولوجي يستخدم المعرفة العلمية في موضوع الأشعة وتفاعلها مع المادة، ويستخدم لأغراض طبية وأغراض أمنية وغيرها.

تهدف التكنولوجيا إلى حركة الإنسان وتحسين جودة الحياة. من الصعب أن نتصور العالم بدون هواتف محمولة، وسيارات، ومكيفات ومصابيح يرتبط استعمال كل هذه المنتجات وحتى عمليات إنتاج كل واحد منها بمصادر الطاقة.

كلما ازداد عدد سكان العالم وكلما زاد النمو الاقتصادي العالمي، ازداد أيضا الطلب على مصادر الطاقة. بناء على مديرية المعلومات الأمريكية فان استهلاك الطاقة سيتضاعف بعد حوالي 25 سنة مقارنة بما هو عليه في الوقت الحاضر!

(رسم بياني استعن المعلم)

استهلاك طاقة عالمية.

يعرض الرسم استهلاك الطاقة بوحدات نسبية في السنوات - 1990، 2000، 2010، 2020، 2030، 2040 في المجالات التالية: نفط خام، فحم، غاز طبيعي، مصادر متجددة، طاقة نووية.

*9*

إلا أنه يمكن أن تكون للتطورات التكنولوجية ولاستعمالها تأثيرات على صحتنا وعلى جودة البيئة. لذلك، من المهم أن نطور وسائل تكنولوجية وان نستعملها بشكل يخضع للمراقبة انطلاقا من الوعي بتأثيراتها. فمثلا: استعمال أجهزه كهربائية مقتصدة في الكهرباء يساعد على خفض تلويث البيئة الناجم عن استعمال الكهرباء. منذ زمن، أصبح استعمال الهواتف الخلوية جزءا من روتين حياتنا، إلا انه من المحتمل ان تكون لذلك تأثيرات ضارة بصحتنا، ولذلك، علينا أن نتبنى وسائل حذر تحول دون إصابتنا بضرر محتمل. كذلك السفر بالسيارة يمكن أن يكون خطرا، ولذلك علينا السفر بالسرعة المناسبة لكي نتمكن من الفرملة بأمان عند الحاجة.

الطاقة

العالم الذي نعيش فيه هو عالم من مادة ومن طاقة. فمثلا: الحجر الذي نمسكه بيدنا على ارتفاع معين فوق الأرض هو مادة، ولكن في الوقت نفسه توجد له طاقة أيضا - طاقة داخلية ناتجة عن الجسيمات التي يتركب منها، وطاقة ارتفاع نتيجة قوة الجاذبية التي تعمل بينه وبين الكرة الأرضية. يتكون جسم الإنسان من مواد كثيرة وتحدث داخلة عمليات فيها تغييرات للطاقة. مثل هذه التغيرات في الطاقة تظهر في جميع الخلايا التي تبني الجسم.

من الأسهل علينا أن نفهم عالم المادة، لأننا نستطيع رؤية المواد وان نلمسها وما شابة، بيد أن الطاقة هي مصطلح مجرد - للحجر الذي في يدنا طاقة ولكننا لا نستطيع أن نراها أو أن نلمسها.

*10*

تغيرات ﻓﻲ الطاقة: تحولات طاقة وانتقالات طاقة

ﻓﻲ كثير ﻣﻦ الأحيان نستعمل مصطلح طاقة عندما نتحدث عن استعمال موارد مختلفة (نفط، فحم، غاز، أشعة الشمس وما شابه) لحاجات الإنسان: سفر، تسخين، إﺿﺎءة وما شابه. ﻓﻲ هذه العمليات تحدث تغيرات معينة، مثلا: ﻓﻲ سرعة الأجسام، ﻓﻲ ارتفاعها، ﻓﻲ درجة حرارتها وغيرها، تنطوي هذه التغيرات دائما ﻋﻠﻰ تغير ﻓﻲ نوع الطاقة.

وبالفعل، فإن الطاقة تتكشـف أمام ناظرينا ﻓﻲ ظواهر الطبيعية وكذلك ﻓﻲ ظواهر ﻣﻦ صنع يد الإنسان، ﻓﻲ العمليات التي يحدث فيها تغير. ﻓﻲ هذه العمليات تحدث تحولات طاقة - يتغير نوع الطاقة، ﺃﻭ انتقال طاقة - تنتقل الطاقة ﻣﻦ ﺟﺴﻢ إلى ﺟﺴﻢ ﺃﻭ ﻣﻦ مكان إلى مكان دون أن يتغير نوعها.

فمثلا، نستطيع ﺗﻤﻴﻴﺰ طاقة الحجر إذا سقط ﻣﻦ يدنا. التغير الذي طرأ ﻋﻠﻰ الحجر الساقط هو تغير ﻓﻲ نوع ﻃﺎﻗته - تبدأ طاقة الارتفاع للحجـر بالتناقص وتتحول تدريجيا إلى طاقة حركة آخذة ﻓﻲ التزايد. مثال آخر، هي طاقة الأشعة التي تصل ﻣﻦ الشمس. نستطيع ﺗﻤﻴﻴﺰ طاقة الأشعة التي تنتقل ﻣﻦ الشمس إلينا بصورة ضوء. عندما تصطدم هذه الأشعة بــأجــســام مثل السيارة تسخنها، ونحن نشعر بذلك عندما نلمس السيارة الواقفة ﻓﻲ الشمس. ﻓﻲ هذه العملية طاقة الأشعة التي وصلت ﻣﻦ الشمس تحولت ﻓﻲ السيارة إلى حرارة.

لفهم موضوع تحولات الطاقة أهمية كبيرة جدا بالنسبة إلينا، نحن البشر. نحن موجودون ﻓﻲ عصر يتزايد فيه استهلاك الطاقة ﻓﻲ العالم بشكل متواصل، وعلينا أن نجد حلولا تضمن لنا ولأولادنا تزويدا متواصلا للطاقة بكميات ضرورية لبقائنا. تصل إلى الكـرة الأرضية أشعة ﻣﻦ الشمس بكميات يمكن أن تكفي جميع حاجات البشر.

تتحول هذه الطاقة إلى أنواع كثيرة ﻣﻦ الطاقة، مثل طاقة حركة الرياح والأمواج طاقة كيميائية ﻓﻲ مواد الوقود وطاقة كيميائية ﻓﻲ الكائنات الحية. علينا أن ﻧﻄﻮر تقنيات مناسبة تمكننا ﻣﻦ تحويل أنواع الطاقة المختلفة بنجاعة وتكاليف معقولة، لكي يتوفر لنا المزيد ﻣﻦ الطاقة لاستخداماتنا. بحث موضوع الطاقة وتطوير مصادر طاقة بديلة ﻳﺤﺘﻞ رأس سلَّم الأولويات لدول كثيرة ﻓﻲ العالم، والتي تمنح ميزانيات بحث وتطوير ﻟﻌﻠﻤﺎء ولمهندسين يعملون بهذا الموضوع.

(في الكتاب صوره: الشمس هي مصدر الطاقة الرئيس للكره الأرضية).

قانون ﺣﻔﻆ الطاقة

تستطيع الطاقة الانتقال ﻣﻦ ﺟﺴﻢ إلى آخر كما تستطيع تغيير نوعها، إلا أن الكمية الإجمالية للطاقة تبقى ثابتة دائما. لا يمكن استحداث طاقة ﻣﻦ العدم كما أنها لا تفنى. صيغة هذه الحقيقة ﻋﻠﻰ شكل قانون ﺣﻔﻆ الطاقة: الكمية الإجمالية للطاقة ﻓﻲ ﺃﻱ نظام معزول (ﺃﻱ ﻓﻲ نظام لا يوجد بينه وبين بيئته تـبـادل طاقة) ثابتة.

قوانين اﻟﺤﻔﻆ، مثل قانون ﺣﻔﻆ الطاقة وقانون ﺣﻔﻆ المادة (الكتلة)، هي قوانين أساسية ﻓﻲ الطبيعة بشكل عام وفي الفيزياء بشكل خاص. قانون ﺣﻔﻆ الطاقة هو قانون تجريبي ﻳﺴﺘﻨﺪ ﻋﻠﻰ معطيات جمعت خلال مشـاهدات. ومن ﺗﺠﺎرب أجراها علماء طوال عشرات السنين.

*11*

فعّاليّة

إلى الشبكة

فحص قانون ﺣﻔﻆ الطاقة خلال حركة كرة ﻓﻲ تجويف.

زوروا موقع الإنترنت الحقيبة الرقمية للمرحلة الإعدادية - علوم وتكنولوجيا. واختاروا مجال الفيزياء. ادخلوا إلى موضوع الطاقة، واختاروا الموضوع الثانوي "تحول الطاقة وحفظها". وزوروا الوحدة التعليمية "كرة ﻓﻲ تجويف".

(في الكتاب صورة من الحاسوب لمخطط أعمده: أنواع الطاقة (طاقة ارتفاع، طاقة حرارية، طاقة حركة) والمجموع الكلي للطاقة بالجول)

قسم ﺃ: دون احتكاك.

1 .شغلوا المحـاكاة (دون احتكاك) وشاهدوا المخططات المرافقة لها (أعمدة ودائري).

2. صفوا حركة الكرة.

.3ﺃﻱ أنواع الطاقة تظهر خلال حركة الكرة؟

4. صفوا بواسطة مخطط انسيابي تحولات الطاقة التي تحدث خلال حركة الكـرة.

.5هل الطاقة الإجمالية ﻟﻠﻨﻈﺎم تحفظ (تبقى كما هي) خلال حركة الكرة؟ عللوا إجابتكم بواسطة المعطيات المعروضة ﻓﻲ المحاكاة.

قسم ب: مع احتكاك (توسع)

1. اختاروا إمكانية احتكاك، شغلوا المحـاكاة مرة أخرى وشاهدوا المخططات المرافقة لها.

2. صفوا حركة الكـرة ﻓﻲ حالة وجود احتكاك.

3. ﺃﻱ أنواع الطاقة تظهر خلال حركة الكرة؟ ما نوع الطاقة الذي يظهر ﻓﻲ حالة. وجود احتكاك ولا يظهر ﻓﻲ حالة عدم وجود احتكاك؟

4 .صفوا بواسطة مخطط انسيابي تحولات الطاقة التي تحدث خلال حركة الكـرة.

5. هل كمية طاقة الكـرة (طاقة حركة وطاقة ارتفاع) تحفظ خلال حركتها؟ عللوا إجابتكم بواسطة المعطيات المعروضة ﻓﻲ المحـاكاة.

6. هل كمية الطاقة الإجمالية ﻟﻠﻨﻈﺎم تحفظ خلال حركة الكرة؟ عللوا إجابتكم بواسطة المعطيات المعروضة ﻓﻲ المحـاكاة.

*12*

وحدات قياس الطاقة

لكي ﻧﻌﺮض كمية ﺃﻭ ﻣﻘﺪار فيزيائي مثل طول، وزمن، وكتلة. نحتاج إلى تعريف وحدات قياس خاصة به. فمثلا، المتر هو وحدة قياس الطول، والثانية هي وحدة قياس الزمن والكيلوغرام هي وحدة قياس الكتلة. ﻣﻦ المألوف أن نقول بأن طول الطاولة هو ‏5.‏1 متر. وبأن المحادثة التلفونيـة استمرت حوالي ‏أربعين ثانية. وبأن كتلة الحجر هي ‏نصف كيلوغرام. هذه القيم: الطول، والزمن والكتلة تعبر عن كمية هذه المقادير الفيزيائية. بنفس الطريقة وﻟكي ﻧﻌﺮض كمية الطاقة يجب أن نعرف وحدات قياس خاصة بها. وحدة قياس الطاقة بكل أنواعها هي جول. وﺳميت هذه الوحدة بجول ﻋﻠﻰ اسم عالم الفيزياء جيمس بريسكوت ﺟﻮل الذي عاش ﻓﻲ القرن التاسع عشر.

- عندما يغير جسم وزنه 1 نيوتن ارتفاعه بمقدار 1 متر تتغير طاقته ب 1 جول.

وحدات قياس أخرى لقياس الطاقة هي: سعر حراري) كالوري)، كيلو كالوري، كيلوواط ساعة وغيرها.

تحولات الطاقة إلى حرارة (حرارة - الطاقة تنتقل من جسم درجة حرارته مرتفعة إلى جسم درجة حرارته أقل ارتفاعًا.)

ﻓﻲ حياتنا اليومية نصادف الكثير ﻣﻦ تحول الطاقة ﻣﻦ أنواعها المختلفة إلى حرارة. فمثلا، تسخن السيارة التي تقف ﻓﻲ الشمس نتيجة تحول طاقة أشعة الشمس إلى حرارة ومن الموقد المشـتعل ينبعث ضوء وحرارة ﻣﺼﺪرهما تحول ﻓﻲ الطاقة الكيميائية; ويسخن الماء ﻓﻲ إبريق التسخين الكهربائي نتيجة لتحول الطاقة الكهربائية إلى حرارة. هل يمكن تحويل أنواع أخرى من الطاقة مثل طاقة الحركة وطاقة الارتفاع إلى حرارة.

(في الكتاب صورتان:

في الصورة الأولى: طاقة كيميائية تتحول إلى حرارة وطاقة ضوء.

في الصورة الثانية: طاقه كهربائية تتحول إلى حرارة.)

*13*

جيمس بريسكوت ﺟﻮل - ثائر علمي.

(في الكتاب صورة لجيمس بريسكوت جول)

قبل حوالي 200 سنة ﺗﻌﺎﻣﻞ العلماء مع كل واحد ﻣﻦ أنواع الطاقة ﻋﻠﻰ انفراد، واعتقدوا بأن الحرارة هي نوع مادة غير مرئي يجري ﻣﻦ ﺟﺴﻢ درجة حرارته مرتفعة إلى ﺟﺴﻢ درجة حرارته أقل ارتفاعا. سميت هذه المادة "كلوريك."

أﺣﺪﺛﺖ أبحاث عالم الفيزياء الإنجليزي، جيمس بريسكوت ﺟﻮل الذي عاش ﻓﻲ القرن ‏ال 19 تغييرا كبيرا ﻓﻲ التفكير ﻓﻲ هذا الموضوع.

انحدر ﺟﻮل ﻣﻦ عائلة إنـجـلـيـزيـة ثرية. تربى ﻓﻲ صغره ﻓﻲ حضن أﺳﺮته وبعدها تعلم الطريقة العلمية والكيمياء، والرياضيات، والفيزياء ﻣﻦ أفضل المعلمين الخصوصيين ومن بينهم عالم الكيمياء المشهور جـون دالتون (المعروف لنا ﻣﻦ النموذج الذي اقترحه لمبنى الذرة). بموازاة عملة ﻓﻲ الورشة العائلية أقام ﺟﻮل مختبرا ﻓﻲ بيته وفي كل يوم قبل ذهابه إلى العمل وبعـده أﺟﺮى ﺗﺠﺎرب حول الحرارة والكهرباء وغيرهما.

استنادا ﻋﻠﻰ قياسات دقيقة أﺛﺒﺖ ﺟﻮل بأن الطاقة بكل أنواعها - هي واحدة وبأنه ﻓﻲ ظروف ملائمة يمكن تحويل كل نوع ﻣﻦ أنواع الطاقة إلى حرارة. بـكـلـمـات أخرى، نجح ﺟﻮل ﻓﻲ إثبات أن الحرارة هي شكل ﻣﻦ أشكال الطاقة.

تجربة ﺟﻮل - هل يمكن لتحوي كل طاقة إلى حرارة؟

أﺟﺮى ﺟﻮل، ﻓﻲ سنة ‏1843 تجربة حاول فيها تسخين سائل ﺑﺎﺳﺘﻌﻤﺎل طاقة ارتفاع وطاقة حركة.

ﻓﻲ هذه التجربة ﺳﻤﺢ لثقالة بالسقوط ﻣﻦ ارتفاع معين. كانت الثقالة موصولة بعجلة ذات أجنحة وموجودة داخل وعاء مليء بسـائل لزج. دارت عجلت الأجنحة داخل السائل فارتفعت درجة حرارته.

أﺛﺒﺘﺖ تجربة ﺟﻮل بأنه ﻓﻲ ظروف مناسبة يمكن تحويل طاقة ارتفاع ﺃﻭ طاقة حركة إلى حرارة.

لم يكن ﺟﻮل صاحب ثقافة أكاديمية رسمية وربما كان هذا السبب الذي جعل اﻟﻤﺆﺳﺴﺔ العلمية ﻓﻲ البداية ﺗﺘﺠﺎهل اكتشافاته. إلا أن ﺟﻮل لم ﻳﻴﺄس وﺗﺎﺑﻊ إجراء أبحاثـه ﻓﻲ مجال الحرارة والطاقة حتى حظيت ﺑاﻋﺘﺮاف رﺳمي. تم قبول ﺟﻮل عضوا ﻓﻲ الجمعية الملكية البريطانية وفي فترة متأخرة نال أعلى وسام شـرف ﺗﻤﻨﺤﻪ هذه الجمعية.

واصل ﺟﻮل أبحاثـه، وفي هذه المرة كعالم مرمـوق ﻣﻦ قبل المجمع العلمي. ﻓﻲ سنة ‏1852 أجرى بحثا مع زميله وليم طومسون واكتشفا بأنه عندما ينتشر غاز تنخفض درجة حرارته. هذا الاكتشاف العلمي اﻟﻬﺎم والمعروف باسم عامل ﺟﻮل - طومسون ما زال يستعمل حتى اليوم ﻓﻲ تكنولوجيا التبريد ويمكننا ﻣﻦ تبريد البيت بواسطة المكيف وتبريد الغذاء بواسطة الثلاجة.

كان ﺟﻮل صاحب قدرة تقنية عالية وفي العديد ﻣﻦ المرات أﺟﺮى بيديه ﺗﺠﺎرب علمية ﻓﺤﺼﺖ ﻓﺮﺿﻴﺎت طومسون. لقد بلورة ﺗﺠﺎرب ﺟﻮل آراءه وأفكاره التي كانت ﻣﻨﺎﻗﻀﺔ للنظرية العلمية المعتمدة ﻓﻲ تلك الفترة. لم يكن ﺟﻮل مجربا ممتازا فقط، بل وقف بشـجاعة ضد الفهم العلمي السائد ﻓﻲ ذلك الوقت، وأصبحت آراؤه مقبولة عند باقي العلماء.

( في الكتاب صوره: المجموعة التي أجرى عليها جول تجربته سنة 1843)

*14*

فعّاليّة

إلى الشبكة

محاكاة لتجربة جول

زوروا موقع الانترنيت الحقيبة الرقمية للمرحلة الإعدادية - علوم وتكنولوجيا واختاروا مجال الفيزياء. ادخلوا إلى موضوع الطاقة، واختاروا الموضوع الثانوي "تحول الطاقة وحفظها" وزوروا الوحدة التعليمية تجربة جول.

فيما يلي محاكاة تستعيد تجربة جول. جسدت التجربة بأنه في ظروف مناسبة يمكن تحويل طاقة ارتفاع أو طاقة حركة إلى حرارة.

(في الكتاب صورتان من النشاط في الانترنت وفي كل صورة رسم بياني، استعن بالمعلم.

الرسم الأول: أنواع الطاقة والمجموع الكلي للطاقة

الرسم البياني الثاني: تغيرات درجة الحرارة)

اختاروا إمكانيه تحولات الطاقة، ارفعوا الثقالة واتركوها تسقط كرروا العملية بتحرك بطيء.

1. صفوا ما الذي يحدث في محاكاة تجربة جول. في إجابتكم تطرق والى تحولات الطاقة التي تحدث في التجربة.

2. ما الفرق بين كمية طاقة المجموعة قبل سقوط الثقالة وبين كمية الطاقة في نهاية السقوط؟

اختاروا إمكانية تغيرات درجة الحرارة. ارفعوا الثقالة واتركوها تسقط عدة مرات. في كل مره اتركوا الثقالة تسقط من ارتفاع مختلف.

3. صوغوا قاعدة تمثل العلاقة بين ارتفاع الثقالة في بداية السقوط وبين درجة حرارة الماء في نهاية السقوط.

*15*

أسئلة

1. كيف أثبتت تجربة جول بأنه يمكن تحويل طاقة ارتفاع وطاقة حركة إلى حرارة؟

2. صفوا بمخطط انسيابي تحولات الطاقة في تجربة جول.

3. أعطوا مثالين من الحياة اليومية على تحول طاقة حركة لحرارة.

4. اقرءوا في مصادر معلومات إضافية عن جول وعن سيرة حياته. حسب رأيكم ما هي الصفات التي تحلى بها جول والتي حبذا لو تحلى بها العلماء؟ كيف تساعد هذه الصفات العلماء في عملهم العلمي؟

هل تعلم؟

كم يساوي جول واحد؟

أجرى جول قياسات دقيقة، إذ قام بإسقاط أجسام ذات كتلة معروفة من ارتفاعات مختلفة لتدور عجلة أجنحة داخل سائل لزج، وحسب التغيرات في درجة حرارة السائل الناجمة عن ذلك. في أعقاب هذه التجارب تسمى الوحدة التي تقاس بها الطاقة حتى يومنا هذا باسم جول.

فيما يلي بعض الأمثلة من الحياة اليومية تدخل فيها طاقة بقيمة 1 جول.

جول واحد يساوي تقريبا:

- كمية الطاقة اللازمة لرفع حبة تفاح صغيرة لارتفاع متر واحد تقريبا.

- كمية الحرارة التي يطلقها جسم إنسان في حالة استراحة في كل 60/1 من الثانية (أي أن هذا الجسم يطلق في كل ثانية حرارة مقدارها 60 جول).

- كمية طاقة حركة كرة تنس تتحرك بسرعة 23 كم / ساعة.

فعالية

تجربة

كيف نسخن الماء؟

في كل يوم نقوم بتسخين ماء لحاجات مختلفة: للطبخ، للاغتسال، وغيرها.

بشكل عام نسخن الماء بالكهرباء أو على لهب موقد الغاز أو بواسطة أشعة الشمس.

هل يمكن تسخين المياه بوسائل أخرى؟

في الفعالية التالية ستجرون تجربة فيها يطلب منكم تسخين ماء بوسائل مختلفة - باستعمال أنواع مختلفة من الطاقة. لقياس مدى سخونة الماء ستقيسون درجة حرارة الماء في بداية كل تجربة وفي نهايتها. وستبحثون كذلك ما الذي يؤثر على مدى سخونة الماء.

كما يطلب منكم أن تخططوا بأنفسكم قسما من التجارب. لتخطيط التجربة وتلخيصها يمكنكم الاستعانة بمولد الكتابة "تجربة"، الموجود في الحقيبة الرقمية للمرحلة الإعدادية - علوم وتكنولوجيا في زاوية "أدوات ومختبرات" في البند "أدوات لبناء مهارات".

*16*

فّعاليّة

تجربة (تتمة)

تجربة 1.

أجهزة:

أنبوبا اختبار زجاجيان (الأول مشار له بالرقم 1 والآخر كأنبوب ضابط)، سدادة، ماء، ثيرمومتر (مقياس حرارة).

مجرى التجربة:

أ. اسكبوا 2 ملل ماء في كل أنبوب اختبار.

ب. قيسوا درجة حرارة الماء في الأنبوبين في بداية التجربة.

بداية التجربة.

ج. سدوا الأنبوبين. أمسكوا الأنبوب رقم 1 بحيث لا يلتف كف اليد حوله وبهدف تقليص سطح تلامس اليد للأنبوب إلى أدنى درجة ممكنة.

د. خضوا الأنبوب رقم 1 لمدة 5 دقائق. إذا تعبتم أعطوا الأنبوب لزملاء آخرين في المجموعة.

ه. إنهاء التجربة: انزعوا السدادتين وقيسوا درجة حرارة الماء في أنبوب التجربة وفي الأنبوب الضابط.

- وسائل حذر: قفازات، نظارات واقية، شعر مربوط.

(في الكتاب صورة لأجهزة التجربة)

نتائج:

أ. سجلوا نتائج القياسات.

ب. صفوا ما حدث لدرجة حرارة الماء في أعقاب خض الأنبوب؟

إجمال واستنتاجات:

1. كيف تغيرت درجة حرارة الماء في أعقاب خض الأنبوب؟

.2 ما هو العامل المؤثر في هذه التجربة على درجة حرارة الماء؟ استعملوا في إجابتكم مصطلح الطاقة.

.3 ما هو العامل الثابت في التجربة التي أجريتموها؟

.4 اختاروا أحد العوامل الثابتة وخططوا تجربة تفحص تأثيره على التغيير في درجة حرارة الماء. في تخطيط التجربة اكتبوا بالتفصيل: سؤال البحث، والفرضية، والعامل المؤثر، والعامل المتأثر، والعوامل الثابتة ومجرى التجربة.

.5 انسخوا إلى دفتركم المخطط الانسيابي التالي، اكتبوا له عنوانا وأكملوا عليه تغير الطاقة الذي حدث خلال العملية.

طاقة ال -- - اليد (سهم للشمال) انتقلت طاقه أل-- - الماء (سهم للشمال) تحولت --.

*17*

تجربة 2.

أجهزة:

أنبوبا اختبار زجاجيان (الأول مشار له بالرقم 2 والآخر أنبوب ضابط)، دورقان، مياه حنفية (بدرجة حرارة الغرفة)، مياه ساخنة، ثيرمومتر.

مجرى التجربة:

أ. اسكبوا 2 ملل ماء حنفية في كل أنبوب اختبار.

ب. قيسوا درجة حرارة الماء الذي في الأنبوبين في بداية التجربة.

ج. ضعوا الأنبوب رقم 2 داخل الدورق الذي فيه مياه ساخنة جدا لمدة 5 دقائق.

د. ضعوا الأنبوب الضابط داخل الدورق الذي فيه مياه حنفية لمدة 5 دقائق.

ه. قيسوا درجة حرارة الماء في الأنبوبين في نهاية التجربة.

وسائل حذر: قفازات، نظارات واقية، شعر مربوط.

(تنبيه! يجب التركيز على الاستعمال الصحيح لوسائل التسخين والحذر من حرارة الماء).

(في الكتاب صورة لأجهزة التجربة)

نتائج:

أ. سجلوا نتائج القياسات.

ب. صفوا التغيير في درجة حرارة الماء في الأنبوبين أثناء التجربة.

إجمال واستنتاجات:

1. كيف تغيرت درجة حرارة الماء في الأنبوبين أثناء مجرى التجربة؟

.2 أي تغيرات طاقة حدثت في العملية، هل حدث انتقال طاقة أم حدث تحول طاقة؟ اشرحوا.

.3وضع تلاميذ أنبوبي اختبار متماثلين جنبا إلى جنب. كان في الأنبوب الأول 2 ملل ماء بدرجة حرارة 30 درجة مئوية وفي الأنبوب الثاني 2 ملل ماء بدرجة حرارة90 درجة مئوية. بعد 5 دقائق انخفضت درجة حرارة الماء الساخن إلى 60 درجة مئوية.

حسب التلاميذ ووجدوا بأن الطاقة التي فقدها الماء الساخن تعادل 250 جولا.

أ. خمنوا: كم من الطاقة أضيف إلى الماء البارد؟

1. أكثر من 250 جولا.

.2 أقل من 250 جولا.

.3250 جولا بالضبط.

ب. عللوا إجابتكم.

*18*

فّعاليّة

تجربة (تتمة)

(وسائل حذر: قفاّزات، نظارات واقية، شعر مربوط

تنبيه! يجب الحرص على قواعد تسخين أنبوب الاختبار كما وُصفت في صفحة 6.)

تجربة 3.

أجهزة:

أنبوبا اختبار زجاجيان (الأول مشار له بالرقم 3 والآخر أنبوب ضابط)، ملقط، ماء، موقد كحول، ثيرمومتر.

مجرى التجربة:

أ. اسكبوا 2 ملل ماء في كل أنبوب اختبار.

ب. قيسوا درجة حرارة الماء الذي في الأنبوبين في بداية التجربة.

ج. أشعلوا موقد الكحول.

د. أمسكوا الأنبوب رقم 3 بواسطة ملقط بشكل مائل، بحيث تكون قاعدة الأنبوب فوق اللهب (لا بداخله) مدة نصف دقيقة.

ه. أطفئوا اللهب.

و. قيسوا درجة حرارة الماء في الأنبوبين في نهاية التجربة، مباشرة بعد إطفاء اللهب.

نتائج:

أ. سجلوا نتائج القياسات.

ب. صفوا التغيير في درجة حرارة الماء في الأنبوبين خلال التجربة.

إجمال واستنتاجات:

1. كيف تغيرت درجة حرارة الماء في الأنبوبين؟

.2 ما هو العامل المؤثر في هذه التجربة على تغيير درجة حرارة الماء؟

.3 ما هو العامل الثابت في التجربة التي أجريتموها؟

.4 اختاروا أحد العوامل الثابتة وخططوا تجربة فيها تفحصون تأثير العامل الذي اخترتموه على التغيير في درجة حرارة الماء.

في تخطيط التجربة اكتبوا بالتفصيل: سؤال البحث، الفرضية، العامل المؤثر، العامل المتأثر، العوامل الثابتة ومجرى التجربة.

.5انسخوا إلى دفتركم المخطط الانسيابي التالي، أكملوا عليه تغيرات الطاقة التي حدثت خلال العملية.

الطاقة -- في الكحول (سهم للشمال) تحولت -- في اللهب (سهم للشمال) انتقلت --.

*19*

تجربة 4

أجهزة:

أنبوبا اختبار زجاجيان (الأول عادي والآخر مطلي بلون غامق أو ملفوف بغطاء غامق ومشار له بالرقم 4؛ أو أنبوب عادي مع مسطح غامق يمكن وضعه خلف الأنبوب)، مصباح طاولة قوي، ثيرمومتر.

مجرى التجربة:

أ. اسكبوا 2 ملل ماء في كل أنبوب اختبار.

ب. قيسوا درجة حرارة الماء الذي في الأنبوبين في بداية التجربة.

ج. تمعنوا في الأجهزة التي تحت تصرفكم واقترحوا طريقة لتسخين الماء.

د. قرروا ما هو الضابط في تجربتكم.

ه. نفذوا العملية حسب اقتراحكم.

(وسائل حذر: قفازات، نظارات واقية، شعر مربوط).

نتائج:

أ. سجلوا نتائج القياسات.

ب. صفوا التغيير في درجة حرارة الماء خلال التجربة.

إجمال واستنتاجات:

1. لماذا، حسب رأيكم، يستعملون اللون الغامق في هذه التجربة؟

2. ما هو العامل المؤثر في هذه التجربة على درجة حرارة الماء؟ استعملوا في إجابتكم مصطلح الطاقة.

3. اذكروا عاملين ثابتين على الأقل في التجربة التي أجريتموها؟

.4 اختاروا أحد العوامل الثابتة وخططوا تجربة تفحصون فيها تأثير العامل الذي اخترتموه على التغيير في درجة حرارة الماء.

في تخطيط التجربة اكتبوا بالتفصيل؛ سؤال البحث، الفرضية، العامل المؤثر، العامل المتأثر، العوامل الثابتة ومجرى التجربة.

.5 انسخوا إلى دفتركم المختلط الانسيابي التالي، أكملوا عليه تغيرات الطاقة التي حدثت خلال العملية.

طاقة -- (سهم للشمال) تحولت طاقة -- في المصباح (سهم للشمال) تحولت -- في الماء.

*20*

فّعاليّة

تجربة (تتمة)

تجربة 5

أجهزة:

كأسان صغيران (الأولى مشار لها بالرقم 5 والأخرى ضابطة)، ماء، ثيرمومتر، جسم تسخين موصول بدائرة كهربائية.

مجرى التجربة:

أ. اسكبوا 40 ملل ماء في كل كأس.

ب. قيسوا درجة حرارة الماء الذي في الكأسين في بداية التجربة.

ج. أدخلوا جسم التسخين الموصول بالدائرة الكهربائية إلى داخل الماء ثم أغلقوا الدائرة الكهربائية.

د. بعد 5 دقائق افصلوا الدائرة الكهربائية وبعدها مباشرة قيسوا درجة حرارة الماء في الكأسين.

وسائل حذر: قفازات، نظارات واقية، شعر مربوط.

(تنيبه! يجب الحرص على استعمال صحيح لوسائل التسخين والحذر من الماء الساخن).

نتائج:

أ. سجلوا نتائج القياسات.

ب. صفوا التغيير في درجة حرارة الماء خلال التجربة.

إجمال واستنتاجات:

1. كيف تغيرت درجة حرارة الماء في أعقاب التسخين؟

.2 ما هو العامل المؤثر في هذه التجربة على تغيير درجة حرارة الماء؟ استعملوا في إجابتكم مصطلح الطاقة.

.3اذكروا عاملين ثابتين على الأقل في التجربة التي أجريتموها؟

.4 اختاروا أحد العوامل الثابتة وخططوا تجربة تفحصون فيها تأثير العامل الذي اخترتموه على التغيير في درجة حرارة الماء.

في تخطيط التجربة اكتبوا بالتفصيل؛ سؤال البحث، الفرضية، العامل المؤثر، العامل المتأثر، العوامل الثابتة ومجرى التجربة.

.5 انسخوا إلى دفتركم المخطط الانسيابي التالي، أكملوا عليه تغيرات الطاقة التي حدثت خلال العملية.

الطاقة -- في جسم التسخين (سهم للشمال) تحولت -- في جسم التسخين (سهم للشمال) انتقلت -- الماء.

*21*

إجمال الفعالية:

1. انسخوا إلى دفتركم الجدول الملخص التالي، ثم أكملوا عليه النواقص بناء على النتائج التي حصلتم عليها من كل المجموعات. اكتبوا عنوانا للجدول.

(جدول في الكتاب مكون من 4 أعمدة و - 6 صفوف)

.2 اكتبوا استنتاجا يمكن التوصل إليه من المعطيات في الجدول.

3. اكتبوا سؤالي بحث إضافيين ينبثقان عن المعطيات في الجدول.

.4 اختاروا إحدى طرق تسخين الماء الموصوفة في الجدول واقترحوا طريقة لزيادة نجاعة عملية التسخين. استعينوا بقانون حفظ الطاقة في نظام معزول.

.5 ادعى العالم جول بأنه يمكن تحويل كل نوع للطاقة إلى طاقة حرارة. كيف تعزز التجارب التي قمتم بها ادعاءه.

في هذا الكتاب سنعمق معرفتنا بطاقة الارتفاع، طاقة الحركة، الحرارة، طاقة الأشعة، الطاقة الكيميائية، الطاقة الكهربائية والطاقة النووية. سنفهم كيف يمكننا استخدام أنواع الطاقة لفائدة الإنسان.

سنتعلم كيف نحسب كمية الطاقة بأنواعها المختلفة، وأن نفحص بالحساب كيف يتحقق قانون حفظ الطاقة في العمليات التي فيها تتحول الطاقة من نوع إلى نوع آخر.

سنتناول عمليات بحث علمية في مجالات الطاقة، أنظمة تكنولوجية وعمليات تصميم، وحالات يبحث فيها مهندسون ويقدمون اقتراحات كحلول لمشاكل تكنولوجية، مثل، زيادة توفر الطاقة من أنواع مختلفة ومن مصادر متنوعة.

كذلك سنناقش مصطلح زيادة نجاعة الطاقة، ونقترح طرقا لتقليص تأثير استعمال الطاقة على البيئة، مثل استعمال مصادر طاقة متجددة وتقليص كمية الطاقة اللازمة لإنتاج منتج معين أو لتقديم خدمة معينة.

إجمال:

- تظهر الطاقة في أشكال مختلفة في أنواع الطاقة المختلفة.

- تظهر الطاقة في عمليات تغير. في عملية التغير تنتقل الطاقة من جسم إلى آخر، أو تتحول من نوع طاقة معين إلى نوع أخر أو إلى عدة أنواع.

- في جميع العمليات التي فيها تتغير الطاقة في نظام معزول يبقى المجموع الكلي للطاقة ثابتا.

- يمكن تحويل كل نوع طاقة إلى حرارة.

*22*

أسئلة

1. نخلط ماء بمعالج أغذية (خلاط) بسرعة عالية. ماذا يحدث للماء؟ عللوا إجابتكم.

أ. يتبخر الماء.

ب. يسخن الماء.

ج. يبدأ الماء بالتجمد.

د. يتغير لون الماء.

2. أي ادعاء من الادعاءات التالية هو الصحيح؟

أ. أثبت قانون حفظ الطاقة بشكل حسابي ولا يستند على تجارب.

ب. يتلاءم قانون حفظ الطاقة مع مشاهدات وتجارب كثيرة.

ج. قانون حفظ الطاقة ما زال فرضية لم تفحص بعد.

د. قانون حفظ الطاقة هو فرضية لا يمكن فحصها بواسطة التجارب.

3. جول هو وحدة قياس ل:

أ. طاقة ارتفاع فقط.

ب. طاقة حركة فقط.

ج. طاقة ارتفاع وطاقة حركة فقط.

د. جميع أنواع الطاقة.

.4 بناء على قانون الطاقة:

أ. كمية الطاقة في العالم تبقى ثابتة، فقط إذا لم نستعملها.

ب. مصادر الطاقة في العالم محدودة ولذلك علينا أن نحافظ عليها.

ج. كمية الطاقة الإجمالية في نظام معزول ثابتة.

د. لا يمكن استغلال الطاقة بسرعة أكبر من وتيرة تكونها.

.5 أجرى تلاميذ تجربة: خضوا أنبوب اختبار فيه ماء لمدة 5 دقائق. كان الأنبوب الضابط لهذه التجربة أنبوب اختبار مماثل بقي في حالة سكين. في نهاية العملية ارتفعت درجة حرارة الماء المخصوص، بينما لم تتغير درجة حرارة الماء الساكن. أي استنتاج يمكن للتلاميذ استنتاجه من التجربة التي أجروها؟

أ. كلما خضضنا الأنبوب بسرعة أكبر ارتفعت درجة حرارة الماء أكثر.

ب. ارتفاع درجة حرارة الماء متعلق بكمية الماء في الأنبوب.

ج. ارتفعت درجة حرارة الماء بسبب انتقال حرارة من البيئة إليه.

د. يمكن تحويل طاقة حركة إلى حرارة.

.6 اذكروا 4 انواع طاقة يمكن أن تستعمل لتسخين الماء.

.7 أي نوع تغير طاقة يتم في الأحداث التالية (تحول، انتقال أو كلاهما) ؟

أ. إضاءة مصباح كهربائي.

ب. رياح تحرك دوارة الرياح.

ج. طنجرة فيها ماء تسخن على لهب نار.

د. سقوط كرة.

*23*

الفصل الثاني: طاقة الارتفاع واستغلالها

*23*

- طاقة الارتفاع مرتبطة بوزن الجسم.

- طاقة الارتفاع مرتبطة بارتفاع الجسم عن المستوى المرجعي.

- طاقة الارتفاع مساوية لحاصل ضرب الوزن في الارتفاع.

- طاقة الارتفاع قابلة للتحول إلى طاقة حركة وإلى أنواع طاقة أخرى وبالعكس.

- طاقة الارتفاع مستغلة لحاجاتنا، مثل: لإنتاج كهرباء في محطة توليد كهرومائية.

مصطلحات سنتعرف عليها:

طاقة ارتفاع

طاقة حركه

طاقة ميكانيكية

مستوى مرجعي (مسطح تناسب).

*24*

مقدمة

هل قضيتم أحد أيام الصيف في" متنزه مياه"؟ إذا أجبتم بنعم فمن شبه المؤكد أنكم انزلقتم إلى البركة على إحدى زلاقات المياه. هل انتبهتم إلى ما يحدث عندما يصطدم المنزلقون بالماء؟ كلما كان ارتفاع الزلاقة عاليا، أكثر تناثرت مياه البركة إلى ارتفاع أكبر.

وماذا يحدث عندما يقفز شخص من منصة قفز مرتفعة إلى البركة؟ كلما كانت المنصة عالية أكثر كان الغطس في الماء عميقا أكثر. وإذا قفز شخصان من نفس المنصة يغطس الذي وزنه أكبر عميقا أكثر.

لم ينتبه الإنسان وحده إلى هذه الظواهر. توجد من أفريقيا قرود تعلمت رمي حبات جوز الهند من أعالي قمم الأشجار إلى الأرض بغية كسر قشرتها السميكة. تعلمت هذه القرود بأنه من المفضل رمي حبة جوز الهند من فوق شجرة عالية قدر الإمكان، لأنه إذا لم تكن الشجرة عالية بما يكفي لا تنكسر الحبة وتبقى القرود جائعة...

ما المشترك بين هذه الظواهر وكيف نفسرها؟ في كل واحدة منها يوجد جسم (المنزلق، الغطاس، حبة جوز الهند) موجود على ارتفاع معين ويسقط إلى أسفل. الطاقة التي في الأجسام المرفوعة فوق مستوى ما هي طاقة ارتفاع (طاقة ارتفاع - طاقة الأجسام المرفوعة عن مستوى ما - مستوى مرجعي). يمكن وصف عملية سقوط الجسم كتحول طاقة: تتحول طاقة الارتفاع بشكل تدريجي إلى طاقة حركة. في كل لحظة خلال العملية، التغير (النقصان) في طاقة الارتفاع يساوي التغير (الزيادة) في طاقة الحركة.

هذا ما يحدث أيضا، مثلا، عندما يتزلجون بواسطة الزلاجة على مستوى مائل. التغير في طاقة الارتفاع يرافقه تغير في طاقة الحركة: عندما تنقص طاقة الارتفاع تزداد في الوقت نفسه طاقة الحركة.

في جميع هذه الحالات نتيجة سقوط الأجسام متعلقة بالفرق بين طاقة الارتفاع في بداية السقوط وبين طاقة الارتفاع في نهايته.

سنتعمق في هذا الفصل في فهم مصطلح طاقة الارتفاع. سنتعرف على العوامل التي تؤثر على طاقة الارتفاع، ونبحث عن العلاقة بينها ونصف هذه العلاقة بواسطة معادلة. سنتعلم كيف تساعد هذه المعادلة في تفسير ظواهر طبيعة وممارسات يومية، كما أنها تمكن من معرفة مسبقة للنتائج المتوقعة من هذه الظواهر وبأحداث مختلفة.

كذلك، سنتعلم قياس وحساب الفروق في طاقة الارتفاع ونتعرف على تطبيقات تكنولوجية تستغل طاقة الارتفاع في مصلحة الإنسان، مثل، محطة توليد كهرومائية.

(في الكتاب 3 صور وتحتها السؤال التالي: ما المشترك بين الصور الثلاث؟ استعن بالمعلم)

العوامل التي تؤثر على طاقة الارتفاع.

القفز للماء (من منصة قفز) هو أحد فروع الرياضة الأولمبية. من المؤكد إنكم أدركتم بأنه عند صعود الرياضيين إلى المنصة والقفز منها إلى البركة، تتغير طاقة ارتفاعهم.

- ما هي العوامل المؤثرة على طاقة ارتفاع القافزين إلى البركة ولأجسام أخرى؟

- ما هي العلاقة بين طاقة الارتفاع وبين كل واحد من هذه العوامل؟

للإجابة عن هذه الأسئلة قوموا بالفعاليات التالية.

- ما المشترك بين الصور الثلاث؟

*25*

فعالية - تجربة

العلاقة بين طاقة الارتفاع وبين ارتفاع السقوط.

هدف التجربة: فحص العلاقة بين تغير طاقة الارتفاع للجسم وبين الارتفاع الذي سقط منه.

أجهزة: جهاز لإلقاء ثقالة، ثقالة على شكل أسطوانة معدنية، خيط، مسطرة، معجونة.

فرضية: خمنوا كيف يتغير عمق التجويف الذي سيتكون في المعجونة إذا أسقطتم الثقالة من ارتفاعات مختلفة على المعجونة في الأسفل.

مجرى التجربة:

أ. اربطوا الثقالة بخيط.

ب. ضعوا الأنبوب الزجاجي فوق إحدى كتل المعجونة التي في قاعدة نظام التجربة.

ج. أدخلوا بمساعدة الخيط الثقالة إلى داخل أنبوب الزجاج بحيث يكون ارتفاع قسمها السفلي بارتفاع 10 سم تقريبا فوق سطح المعجونة. قيسوا هذا الارتفاع بالمسطرة.

د. أسقطوا الثقالة من الارتفاع الذي حددتموه. ارفعوا الثقالة بحذر وتمعنوا في التجويف الذي تكون في كتلة المعجونة بعد أن أصابتها الثقالة.

ه. كرروا البنود ب-د ثلاث مرات إضافية، وفى كل مرة اجعلوا الثقالة فوق كتلة معجونة أخرى، وزيدوا الارتفاع الذي تسقطون منه الثقالة.

وسائل حذر: نظارات واقية، شعر مربوط.

نتائج:

حضروا جدولا تلخصون فيه نتائج التجربة. اكتبوا عنوانا للجدول.

اذكروا في الجدول عمق التجويف في كل مرة إذا كان صغيرا، متوسطا، كبيرا أو كبير جدا.

إجمال واستنتاجات:

1. كيف تغير عمتي التجويف الذي تكون في المعجونة كتما زاد الارتفاع الذي سقطت منه الثقالة؟

.2 هل نتائج التجربة تدعم فرضيتكم؟ اشرحوا.

3. ما الذي يمثله عمق التجويف في المعجونة؟

.4 ما هو العامل المؤثر وما هو العامل المتأثر في هذه التجربة؟

.5 اشرحوا لماذا نستعمل في كل الإسقاطات نفس الثقالة.

.6 ما هو الاستنتاج من هذه التجربة فيما يتعلق بالعلاقة بين طاقة ارتفاع جسم وبين ارتفاعه فوق مستوى ما؟ اشرحوا لماذا.

*26*

في هذه التجربة سطح المعجونة هو جزء من المستوى الذي بالنسبة إليه يقاس ارتفاع الثقالة. يسمى هذا المستوى مستوى مرجعي (أو سطح التناسب) (مستوى مرجعي - السطح المستوي الذي بالنسبة إليه يقاس الارتفاع عند حساب طاقة الارتفاع). يمكننا قياس ارتفاع الجسم عن المستوى المرجعي من حساب طاقة ارتفاع الجسم بالنسبة إلى هذا المستوى.

(في الكتاب صورة فيها رجل في يديه الثقالة على ارتفاع 1 متر عن الأرض ورجل يرفع الثقالة في يديه الى ارتفاع 2 متر عن الأرض)

أسئلة:

1. يبدأ حجر موجود على ارتفاع 2 متر عن المصطبة بالسقوط باتجاه المصطبة (مستوى مرجعي).

طاقة ارتفاع الحجر بالنسبة إلى المصطبة في لحظة بداية السقوط هي 20 جول (تذكروا بأن وحدة قياس الطاقة بكل أنواعها هي الجول).

أ. ما هي طاقة ارتفاع الحجر عند وصوله إلى المصطبة؟ اشرح السبب.

ب. ما هو التغير في طاقة ارتفاع الحجر من اللحظة التي يبدأ فيها السقوط حتى اللحظة التي يصل فيها إلى المصطبة؟ اشرحوا.

.2 الجملة التالية غير دقيقة: "طاقة ارتفاع تفاحة تسقط عن الشجرة عن ارتفاع 3 أمتار بالنسبة إلى الأرض هي 200 جول" كيف نصحح هذه الجملة؟

- كلما كان ارتفاع الجسم بالنسبة إلى المستوى المرجعي عاليا أكثر، كانت طاقة ارتفاعه أكبر.

- طاقة ارتفاع الجسم الموجود على ارتفاع معين بالنسبة إلى المستوى المرجعي هي عمليا التغير في طاقة ارتفاعه عندما ينتقل من هذا الارتفاع إلى المستوى المرجعي.

*27*

فعالية - تجربة

العلاقة بين طاقة الارتفاع وبين الوزن.

هدف التجربة: فحص العلاقة بين طاقة الارتفاع لأجسام موجودة على ارتفاع ما فوق مستوى مرجعي وبين وزنها.

أجهزة: جهاز لإسقاط الثقالات، 3 ثقالات أسطوانية متشابهة لكن أوزانها مختلفة، خيط، مسطرة، مقياس قوة، معجونة.

(وسائل حذر: نظارات واقية، شعر مربوط).

فرضية: خمنوا كم سيكون عمق التجويفات التي ستتكون في المعجونة إذا أسقطتم عليها أجساما بأوزان مختلفة ولكن من نفس الارتفاع.

مجرى التجربة:

أ. اربطوا كل واحدة من الثقالات بخيط. إذا كان وزن الثقالة غير معروف، قيسوا وزن كل واحدة من هذه الثقالات.

ب. ضعوا الأنبوب الزجاجي فوق إحدى كتل المعجونة التي في قاعدة نظام التجربة.

ج. أدخلوا بواسطة الخيط الثقالة داخل أنبوب الزجاج بحيث يكون قسمها السفلي على ارتفاع 30 سم تقريبا فوق سطح المعجونة. قيسوا هذا الارتفاع بالمسطرة.

د. أسقطوا الثقالة عن الارتفاع الذي حددتموه. ارفعوا الثقالة بحذر وتمعنوا في التجويف الذي تكون في كتلة المعجونة بعد أن أصابتها الثقالة.

ه. كرروا البنود ب-د مرتين إضافيتين، وفى كل مرة افحصوا ثقالة أخرى واجعلوها فوق كتلة معجونة أخرى.

نتائج:

حضروا جدولا تلخصون فيه نتائج التجربة. اكتبوا عنوانا للجدول.

اذكروا في الجدول إذا كان عمق التجويف في كل مرة أسقطت فيها الثقالة صغيرا، متوسطا، أو كبيرا.

إجمال واستنتاجات:

1. صفوا كيف تغير عمق التجويف الناتج كلما زاد وزن الجسم الذي سقط على المعجونة.

.2 هل نتائج التجربة تدعم فرضيتكم؟ اشرحوا.

.3 ما الذي يمثله عمق التجويف في المعجونة؟

.4 ما هو العامل المؤثر وما هو العامل المتأثر في هذه التجربة؟

.5 اشرحوا لماذا أسقطت الثقالات الثلاث عن نفس الارتفاع؟

.6 ما هو الاستنتاج من هذه التجربة فيما يتعلق بالعلاقة بين طاقة ارتفاع الجسم على ارتفاع ما بالنسبة لمستوى مرجعي ووزنه؟

*28*

- كلما كان وزن الجسم الموجود على ارتفاع معين من المستوى المرجعي كبيرا أكثر، كانت طاقة ارتفاعه كبيرة أكثر.

أسئلة

1. يقفز ولد وبنت وزنهما متماثل على طبقة سميكة من الرمل الرطب الذي يغطي المصطبة. قفز الولد عن ارتفاع درجة واحدة وقفزت البنت عن ارتفاع 5 درجات. صفوا واشرحوا التغيير في شكل طبقة الرمل في كل حالة من هاتين الحالتين.

.2 يقفز ولدان وزنهما مختلف عن ارتفاع مترين إلى ترمبولينا. صفوا التغيير في شكل الترمبولينا في كل حالة من هاتين الحالتين. اشرحوا إجابتكم.

.3 صوروا ظاهرة توضح أن ارتفاع الجسم الساقط يؤثر على طاقة ارتفاعه. اشرحوا الظاهرة التي صورتموها واذكروا ما هو المستوى المرجعي في هذه الحالة.

هل تعلم؟

في ولاية اريزونا في الولايات المتحدة الأمريكية يوجد جرن مشهور، جرن بارنجر (Barringer) قطره حوالي 1.5 كم وعمقه حوالي 230 مترا. تكون هذا الجرن قبل زمن طويل بسبب اصطدام نيزك بالأرض. بناء على حجم الجرن يقدر قطر النيزك الذي كون هذا الجرن في اريزونا ب 45 مترا.

(في الكتاب صورة للجرن ومكتوب تحت الصوة: الطاقة الكبيرة للنيزك الذي اصطدم بالأرض تسببت في تكون الجرن العملاق).

*29*

الكتلة، الوزن وطاقة الارتفاع.

لقد اكتشفتم في التجربة السابقة بأن وزن الجسم هو أحد العوامل التي تؤثر على طاقة ارتفاعه. تعلمتم في الماضي بأن الوزن متعلق بكتلة الجسم وبالجرم السماوي الذي يقع الجسم بقربه. في اللغة الدارجة في حياتنا اليومية نخلط بين المصطلحين (الكتلة والوزن) غير أن الكتلة والوزن في لغة العلم هما مصطلحان مختلفان. لذلك، من المهم أن تتذكروا ما تعلمتموه عن هذين المصطلحين.

في لغة العلم يصف المصطلح وزن قوة الجاذبية التي تفعلها الكرة الأرضية، أو جرم سماوي آخر على جسم ما، وتقاس بوحدات نيوتن. بالمقابل، يصف مصطلح الكتلة كمية المادة في الجسم وتقاس بوحدات كيلوغرام.

أظهرت قياسات كثيرة بأن قوة الجاذبية التي تفعلها الكرة الأرضية على جسم كتلته 1 كغم تساوى 10 نيوتن تقريبا. من المألوف الإشارة لهذه القيمة بالحرف g (أي أن g يساوي 10 نيوتن لكل كيلوغرام) ويسجل على النحو التالي:

g=نيوتن/كغم 10

فمثلا، إذا وزنا على سطح الكرة الأرضية كيس بداخله رمل كتلته 1 كغم، نجد أن وزنه هو 10 نيوتن. كيس رمل كتلته 2 كغم يزن على الكرة الأرضية 20 نيوتن وهكذا. أي يوجد تناسب طردي بين الوزن وبين الكتلة. عندما تزداد الكتلة يزداد الوزن بنفس النسبة.

انتبهوا إلى أن النسبة بين الوزن والكتلة تساوي مقدار g. هذه النسبة يمكن وصفها أيضا بواسطة معادلة. إذا رمزنا إلى كتلة جسم بالحرف m وإلى وزنه بالحرف W فالمعادلة التي نحصل عليها:

W=m*g

إذا وزنا كيسي الرمل المذكورين على القمر حيث قوة الجاذبية هناك أصغر ب 6 مرات تقريبا من جاذبية الكرة الأرضية، نكتشف بأن وزن الكيسين سيكون أصغر ب 6 مرات مع أن كمية الرمل في كل واحد من الكيسين لم تتغير. أي، عندما ينتقل جسم من جرم سماوي إلى أخر، فإن كتلته (كمية المادة) لا تتغير أما الوزن فيتغير حسب قوة الجاذبية في كل مكان.

(في الكتاب صورتان:

في الصورة الأولى: وزن (بالنيوتن) لجسم كتلته 2 كغم على سطح الكرة الأرضية

في الصورة الثانية: وزن (بالنيوتن) لجسم كتلته 2 كغم على القمر).

*30*

أسئلة

1. كتلة مكعب حديد 24 كغم. ما هو وزنها على سطح الكرة الأرضية؟ وما وزنها على سطح القمر؟

2. أ. وزن كرة فولاذ على سطح الكرة الأرضية 6 نيوتن. ما هي كتلتها؟

ب. تخيلوا أن سفينة فضاء نقلت هذه الكرة إلى سطح القمر. احسبوا وزن هذه الكرة وكتلتها هناك.

.3 أ. من المعروف أن قوة الجاذبية التي يفعلها كوكب المشتري على جسم كتلته 1 كغم هي 23 نيوتن تقريبا. ما هو وزن صخرة كتلتها 100 كغم على سطح هذا الكوكب؟

ب. تخيلوا أن سفينة فضاء نقلت هذه الصخرة إلى الكرة الأرضية. كم سيكون وزن هذه الصخرة وكتلتها عندما تصل إلى سطح الكرة الأرضية؟

(يوجد صورة عنوانها: الفعالية "كتلة ووزن" من "الحقيبة الرقمية للمرحلة الإعدادية - علوم وتكنولوجيا"، استعن بالمعلم)

تعلمتم حتى الآن ما هي العلاقة بين المصطلحين، كتلة ووزن، وما الفرق بينهما. لماذا يعتبر الوزن (وليس الكتلة) أحد العوامل المؤثرة على طاقة ارتفاع الجسم؟

تنبع طاقة الارتفاع من قوة الجاذبية التي تعمل بين الكرة الأرضية (أو أي جرم سماوي آخر). وبين جسم ما. هذه الطاقة يحددها الوزن، الذي هو قوة الجاذبية التي تعمل على الجسم.

تخيلوا أن جسما موجود على ارتفاع ما فوق سطح الكرة الأرضية وينقل بواسطة سفينة فضاء إلى ارتفاع مشابه فوق سطح القمر. على القمر وزن هذا الجسم أصغر ولذلك فإن طاقة ارتفاعه بالنسبة لسطح القمر أصغر أيضا، لكن كتلة الجسم لا تتغير.

سؤال

سقطت كأس زجاجية عن طاولة إلى المصطبة وتحطمت إلى شظايا. لو أن هذه الكأس سقطت عن نفس الطاولة ولكن، على سطح المريخ، الذي قوة جاذبيته أقل بالثلث منها على سطح الكرة الأرضية، لبقيت سليمة، اشرحوا السبب.

في إجابتكم استعملوا المصطلحات: طاقة الارتفاع، كتلة ووزن.

*31*

حساب طاقة الارتفاع.

لقد اكتشفتم في التجربتين السابقتين اللتين أجريتموهما، بأن ارتفاع الجسم فوق مستوى مرجعي ووزنه يؤثران على طاقة ارتفاعه. الارتفاع والوزن هما العاملان اللذان يحددان طاقة الارتفاع لجسم ما.

إليكم العلاقة بين طاقة ارتفاع الجسم وبين وزنه وارتفاعه:

- يوجد تناسب طردي بين طاقة ارتفاع الجسم وبين ارتفاعه عن مستوى مرجعي. معنى ذلك، أنه كلما كان الجسم عاليا، أكثر فوق مستوى مرجعي ارتفعت طاقة ارتفاعه بنفس النسبة.

فمثلا، إذا كان وزن جسمين متماثلا، وكان ارتفاع أحدهما ثلاثة أضعاف ارتفاع الجسم الآخر عن المستوى المرجعي فإن طاقة ارتفاع الجسم العالي تكون أكبر ثلاث مرات من طاقة ارتفاع الجسم المنخفض.

(في الكتاب صوره لمجسمان، الأول على ارتفاع 3 أمتار والثاني على ارتفاع 1 متر)

- يوجد تناسب طردي بين طاقة ارتفاع الجسم وبين وزنه. معنى ذلك، أنه إذا كان جسمان على نفس الارتفاع فوق مستوى مرجعي، فإذ طاقة ارتفاع الجسم الأكثر وزنا تكون أكبر بنفس المدى.

مثلا، إذا كان وزن جسم ما ضعف جسم آخر ويقع كلاهما على نفس الارتفاع فوق مستوى مرجعي، فإن طاقة ارتفاع الجسم الأثقل تكون ضعف طاقة الجسم الأخف.

(في الكتاب صوره لمجسمان، المجسمان على ارتفاع 1 متر، وزن الأصغر - 1 نيوتن ووزن الأكبر - 2 نيوتن).

*32*

حتى الآن تعلمتم بأن طاقة الارتفاع لجسم ما تتناسب طرديا مع ارتفاع الجسم فوق مستوى مرجعي ووزنه.

يمكننا أن نصوغ هذا التناسب في معادلة أيضا:

طاقة الارتفاع = الوزن * الارتفاع فوق مستوى مرجعي.

إذا رمزنا إلى طاقة الارتفاع للجسم بالرمز E[h] وزنه بالحرف W وإلى ارتفاعه فوق المستوى المرجعي بالحرف h نحصل على هذه المعادلة:

E[h]=W*h

تمكننا هذه المعادلة من المقارنة بين طاقة الارتفاع لأجسام مختلفة، تختلف في وزنها وكذلك في ارتفاعها فوق مستوى مرجعي. ولكي نحصل على طاقة الارتفاع بوحدات جول يجب أن نعوض في المعادلة الوزن بوحدات نيوتن والارتفاع عن مستوى مرجعي بوحدات المتر.

مثلا، طريقة حساب طاقة الارتفاع لحجر وزنه 2 نيوتن وموجود على ارتفاع 1 متر فوق الأرض (مستوى مرجعي) هي:

E[h]=w*h=2 جول=1 متر

*2*

نيوتن

كما سبق وتعلمتم فإن وحدة قياس الطاقة هي جول. تستعمل هذه الوحدة أيضا لتحديد طاقة الارتفاع وتعرف في هذا السياق كالتالي:

1 -جول هو طاقة الارتفاع لجسم وزنه 1 نيوتن وموجود على ارتفاع 1 متر فوق مستوى مرجعي.

نحصل على طاقة الارتفاع بواسطة ضرب الوزن في الارتفاع عن مستوى مرجعيW*h:

أحيانا تكون كتلة الجسم (m) بالذات معروفة وليس وزنه. في هذه الحالة تكون طاقة الارتفاع هي حاصل ضرب الكتلة في g وفي الارتفاع.

E[h]=W*h=m*g*h

أسئلة:

1.علبة وزنها 10 نيوتن موجودة على ارتفاع 5 أمتار فوق الأرض. ما هي طاقة ارتفاعها بالنسبة إلى الأرض؟ في إجابتكم اعرضوا طريقة الحساب.

*33*

.2صخرة كتلتها 24 كغم موجودة على جرف ارتفاعه 2 متر فوق الشارع الأمر الذي يشكل خطرا للمسافرين تحتها على الشارع. احسبوا طاقة ارتفاع الصخرة بالنسبة للشارع. اعرضوا طريقة الحساب.

3. دخل شخص كتلته 50 كغم إلى مصعد في عمارة ليصعد من الطابق الثاني إلى الطابق الخامس. ارتفاع كل طابق 3 أمتار. ما هو التغير في طاقة ارتفاع هذا الشخص عندما يصعد من الطابق الثاني إلى الطابق الخامس؟ اعرضوا طريقة الحساب.

.4 تقفز سباحة من طرف منصة قفز إلى بركة السباحة الموجودة تحت المنصة. كتلة السياحة 75 كغم، وطاقة ارتفاعها بالنسبة إلى سطح الماء قبل القفز كانت 1,500 جول. ما هو ارتفاع منصة القفز عن سطح الماء في البركة؟ اعرضوا طريقة الحساب.

.5في سنة 2013 هبطت على المريخ مركبة الفضاء كيوريوسيتي (Curiosity - وتعني في الإنجليزية حب الاستطلاع) والتي أرسلت لدراسة سطح المريخ. كوكب المريخ أصغر من الكرة الأرضية وقوة جاذبيته أصغر 2.6 مرة من كوكبنا.

مركبة الفضاء هي في الحقيقة مختبر متنقل كتلتها 900 كغم، وعليها معدات كثيرة هدفها فحص التراب والصخور التي يتكون منها سطح المريخ.

خلال قيامها بمهامها اقتربت مركبة الفضاء من قمة جبل ارتفاعه 5,500 متر.

أ. كم تكون طاقة ارتفاع مركبة الفضاء وهي في قمة الجبل بالنسبة إلى أسفل الجبل؟ اعرضوا طريقة الحساب.

ب. لو تسلقت مركبة الفضاء قمة جبل بنفس الارتفاع على سطح الكرة الأرضية، كم ستكون طاقة ارتفاعها بالنسبة إلى أسفل الجبل؟ اعرضوا طريقة الحساب.

*34*

مهمة - تنور

الهبوط على القمر.

في 20 تموز سنة 1969 حبست الإنسانية أنفاسها: هبط إنسان على القمر!

في حملة مذهلة والأولى من نوعها وصلت سفينة الفضاء الأمريكية أبولو 11 إلى القمر وأنزلت عليه رجلي فضاء.

نقلت معدات وأجهزة التصوير والاتصالات للسفينة الفضائية ببث مباشر إلى الكرة الأرضية صورا للهبوط وأصوات رجلي الفضاء. انفعل ملايين الناس في جميع أرجاء العالم وهم يشاهدون على التلفزيون رجلي الفضاء يمشيان على سطح القمر.

وضعت برنامج أبولو والذي كانت غايته تحقيق الحلم بالهبوط على القمر وكالة ناسا (NASA = وكالة الفضاء الأمريكية) في سنة 1961 وفى إطاره تم إرسال 17 سفينة فضاء حتى سنة 1972. كان البرنامج أكبر مشروع مدني في الولايات المتحدة منذ حفر قناة بنما، وشغل في ذروة نشاطه 370,000 عاملا في الصناعة وفي مؤسسات البحث وفي الجامعات.

حقق البرنامج غايته عندما كان طاقم سفينة الفضاء أبولو 11 نيل ارمسترونج وباز الدرين أول شخصين وطأت أقدامهما سطح القمر. بثت صور الهبوط والأصوات إلى قاعدة ناسا NASA في فلوريدا، ومنها إلى جميع أرجاء العالم. شاهد الملايين ارمسترونج ينزل من مركبة الهبوط وتطأ قدمه لأول مرة سطح القمر قائلا: "هذه خطوة واحدة صغيرة لإنسان وانطلاقه عملاقة للإنسانية".

أحضرت سفن الفضاء أبولو إلى الكرة الأرضية مئات الكيلوغرامات من صخور القمر وترابه. تم تحليل ودراسة هذه المكتشفات بدقة متناهية في مختبرات كثيرة في أرجاء العالم، وبعض هذه الصخور معروضة حاليا في متاحف كشاهد على هذه الحملة العظيمة. أثرت هذه الاكتشافات معرفتنا حول مبنى القمر وتركيبه، وساهمت مساهمة هامة في فهم تكون القمر وتطوره.

اعتبر الهبوط على القمر والإقلاع منه أحد أكبر تحديات البرنامج. كانت مركبة الهبوط التي طورت لهذه المهمة مؤلفة من مركبة هبوط كتلتها 10 أطنان، ومن مركبة إقلاع كتلتها حوالي 5 أطنان. كان هدف مركبة الإقلاع إعادة رجلي الفضاء إلى السفينة الأم التي كانت تدور حول القمر على ارتفاع 110 كم من سطحه، في حين بقيت مركبة الهبوط على القمر.

كان لهذا المشروع تحد آخر وهو تطوير بدله فضاء خاصة تمكن لابسها من التأقلم والبقاء على قيد الحياة خارج الغلاف الجوي للكرة الأرضية. كانت كتلة هذه البدلة 91 كغم، واشتملت على طبقة داخلية للجسم لحفظ الحرارة والرطوبة، وطبقة خارجية للعزل وحفظ الضغط، وأجهزة دعم للوحدة في ظهر البدلة.

أسئلة

1. في الصورة أعلاه يظهر باز ألدرين وهو ينزل بواسطة سلم من مركبة الهبوط إلى سطح القمر. افترضوا أن ارتفاع الدرجة الأخيرة في السلم النازل من مركبة الهبوط كان 30 سم، وبأن كتلة جسم رائد الفضاء بدون البدلة كان 80 كغم.

أ. احسبوا وزن رائد الفضاء مع بدلة الفضاء على سطح الكرة الأرضية.

ب. احسبوا وزن رائد الفضاء مع بدلة الفضاء على سطح القمر (1.6 نيوتن/كغم على القمر = g على القمر)

ج. احسبوا كم كان التغير في طاقة الارتفاع عندما نزل ألدرين من الدرجة الأخيرة إلى سطح القمر. لا تنسوا تحويل الارتفاع من سنتيمترات إلى أمتار.

د. احسبوا كم كان التغير في طاقة الارتفاع عندما نزل ألدرين من الدرجة الأخيرة إلى سطح الكرة الأرضية.

*35*

.2 أ. احسبوا ما هو وزن مركبة الإقلاع والتي هي جزء من مركبة الهبوط على سطح القمر.

ب. احسبوا ما هو التغير في طاقة ارتفاع المركبة عند رفعها عن سطح القمر إلى السفينة الأم.

ج. الوقود الصاروخي الذي استعمل في مركبة الهبوط يسمى "أروزين 50". عند احتراق كتلة 1 كغم من هذا الوقود يمكن إنتاج طاقة مقدارها 15,000,000 جول. قدروا ما هي كمية الوقود المطلوبة بغية رفع مركبة الإقلاع من سطح القمر إلى السفينة الأم.

.3حدث رجل الفضاء تشارلي ديوك من سفينة الفضاء أبولو 16 بأنه في الدقائق التي بقيت له ولزميله تشارلي يانغ حتى الإقلاع من القمر قررا القيام ب "أولمبياد قمر"، وتحديد رقم قياسي في القفز إلى أعلى على القمر. نجح ديوك بالقفز إلى أعلى مسافة 1.20 م (مع أنه في هذا الارتفاع فقد توازنه وسقط على ظهر بدلة الفضاء).

احسبوا كم كانت طاقة ارتفاع ديوك في أعلى ارتفاع له فوق سطح القمر إذا علمتم أن كتلته مع بدلة الفضاء كانت 170 كغم.

توسع

التغير في طاقة الارتفاع

كثيرا ما نتحدث عن حالات فيها تنتقل الأجسام من ارتفاع معين إلى ارتفاع آخر. في هذه الحالة نحن مطالبون بحساب التغير في طاقة الارتفاع dlta(E[h]) (في الكتاب مثلث نسميه dlta) (الرمز dlta هو الحرف الرابع في الأبجدية اليونانية واسمه "دلتا" ويشير الحرف دلتا الى الفرق). التغير في طاقة الارتفاع متعلق بالفرق بين الارتفاع الأول h[1] والارتفاع h[2] بالنسبة إلى مستوى مرجعي معطى. نشير إلى الفرق في الارتفاع ب dlta[h] وعندها:

.dlta(h)=h[2]-h[1]

أي أن المعادلة التي تصف التغير في طاقة الارتفاع هي:

dlta(E[h])=W*dlta(h)=W*(h[2]-h[1])

مثلا، يسقط حجر وزنه 2 نيوتن عن ارتفاع 3 أمتار إلى ارتفاع 1 متر فوق الأرض (مستوى مرجعي).

طريقة حساب التغير في طاقة ارتفاع هذا الحجر هي:

dlta(E[h])=W*dlta(h)=W*(h[2]-h[1])=4 جول=(1 متر-3 متر)

*2*

نيوتن

*36*

فعالية - إلى الشبكة

قسم أ: بندول متحرك - تأثير الارتفاع

زوروا موقع الإنترنت الحقيبة الرقمية للمرحلة الإعدادية - علوم وتكنولوجيا واختاروا مجال الفيزياء. ادخلوا موضوع الطاقة، واختاروا الوحدة التعليمية وزن، ارتفاع وطاقة البندول.

(في الكتاب تصوير للفعالية في الحاسوب - مخطط أعمدة لأنواع الطاقة والمجموع الإجمالي للطاقة.)

هدف الفعالية:

بحث العلاقة بين طاقة ارتفاع البندول وبين ارتفاعه.

مجرى الفعالية:

أ. حددوا وزنا ما للبندول، ثم ادفعوه إلى أقصى ارتفاع له واتركوه.

ب. قيسوا الارتفاع بالنسبة إلى المستوى المرجعي وطاقة ارتفاع البندول في أعلى ارتفاع له (من جهة اليمين ومن جهة اليسار).

ج. لكي تشاهدوا الارتفاع وطاقة الارتفاع في أعلى ارتفاع، يمكنكم إيقاف حركة البندول بواسطة الضغط على زر الانتظار ثم العودة إلى مواصلة حركة.

د. كرروا البندين ب و - ج 6 مرات إضافية على الأقل، ولكن في كل مرة ارفعوا البندول إلى ارتفاع ابتدائي مختلف.

نتائج:

حضروا جدولا واكتبوا فيه ارتفاع البندول بالنسبة للمستوى المرجعي وطاقة ارتفاعه (في ذروة حركته). صوغوا عنوانا للجدول.

إجمال واستنتاجات:

1. ما هو العامل المؤثر وما هو العامل المتأثر في هذه التجربة؟

.2 اشرحوا لماذا اختير وزن واحد للبندول ولم يطرأ عليه تغيير أثناء سير التجربة؟

*37*

3. لماذا نقيس طاقة ارتفاع البندول في نقاط ذروة حركته؟ هل طاقة الارتفاع في هذه النقاط كانت متساوية؟ اشرحوا السبب.

.4 ارسموا رسما بيانيا يعرض العلاقة بين طاقة ارتفاع البندول (في ذروة حركته) وبين ارتفاعه بالنسبة إلى مستوى مرجعي. تنبيه، من المألوف رسم العامل المتأثر على المحور العمودي والعامل المؤثر على المحور الأفقي.

.5 صوغوا استنتاجا حول العلاقة بين طاقة ارتفاع البندول وبين ارتفاعه بالنسبة إلى المستوى المرجعي. اشرحوا كيف توصلتم إلى هذا الاستنتاج.

قسم ب: بندول متحرك - تأثير الوزن

هدف الفعالية؛ بحث العلاقة بين طاقة ارتفاع البندول وبين وزنه.

مجرى الفعالية:

ا. حددوا وزنا ما للبندول، ثم ارفعوه إلى أقصى ارتفاع له واتركوه.

ب. قيسوا طاقة ارتفاع البندول في أعلى ارتفاع حركته.

ج. كرروا البندين أ - ب 6 مرات إضافية على الأقل، ولكن في كل مرة حددوا للبندول وزن مختلفا.

نتائج:

حضروا جدولا واكتبوا فيه وزن البندول وطاقة ارتفاعه (في ذروة حركته) صوغوا عنوانا للجدول.

إجمال واستنتاجات:

.1 ما هو العامل المؤثر وما هو العامل المتأثر في هذه التجربة؟

.2 اشرحوا لماذا تم تحرير البندول من نفس الارتفاع في جميع المرات التي تكررت فيها التجربة.

.3 لماذا نقيس طاقة ارتفاع البندول في أعلى ارتفاع له. هل طاقة الارتفاع في هذه النقاط كانت متساوية في كل المرات التي تكررت فيها التجربة؟ اشرحوا السبب.

.4 ارسموا رسما بيانيا، يعرض العلاقة بين طاقة ارتفاع البندول (في ذروة حركته) وبين وزنه.

.5 صوغوا استنتاجا حول العلاقة بين طاقة ارتفاع البندول وبين وزنه.

)في الكتاب تصوير من الحاسوب وفيه مخطط أعمدة عنوانه: كتلة، ارتفاع وطاقة البندول)

*38*

-يوجد تناسب طردي بين طاقة ارتفاع الجسم وبين ارتفاعه فوق مستوى مرجعي.

- يوجد تناسب طردي بين طاقة ارتفاع الجسم بالنسبة إلى مستوى مرجعي وبين وزنه.

تحول طاقة الارتفاع وقانون حفظ الطاقة.

الزلاجون على الزلاجات والمنزلقون على الزلاقات في مدينة الملاهي والمتأرجحون على الأراجيح والقافزون إلى الماء من صخرة أو من منصة قفز - في جميع هذه الحالات يطرأ تغير على طاقة الارتفاع. إذا تمعنا في جميع العمليات التي تحدث عندما يسقط جسم نحو الأسفل، نلاحظ بان التغير في طاقة ارتفاع الجسم يلازمه دائما تغير إضافي - تغير في نوع أخر من الطاقة (أو تغير في عدة أنواع من الطاقة) وبالفعل، في الوقت الذي تقل فيه طاقة ارتفاع الجسم الساقط تزداد طاقة حركته. طاقة ارتفاع الجسم الساقط تتحول إلى طاقة حركة. من المألوف تسمية حاصل جمع طاقة ارتفاع جسم مع طاقة حركته بالطاقة الميكانيكية.

(طاقة ميكانيكية - مجموع طاقة الارتفاع وطاقة الحركة لجسم ما)

(في الكتاب صورة لقطار الموت - الأفعوانية في مدينة الملاهي، على السكة سهم من اليمين للشمال من أعلى لأسفل - تنخفض طاقه الارتفاع وتزيد طاقه الحركة وسهم من اليمين للشمال من أسفل لأعلى - تزيد طاقة ارتفاع وتنخفض طاقه الحركة.)

طاقة ارتفاع وطاقة حركه قطار الموت (الأفعوانية).

تشاهدون نموذجا لنظام تحدث فيه عمليات تحول طاقة. نحن نفترض بأن النظام في عزلة وفيه يتحقق قانون حفظ الطاقة.

أحد الأجهزة المفضلة في مدينة الملاهي هو قطار الموت. في هذا الجهاز تسير عربات قطار خفيفة على مسار ملتو كما يظهر في المخطط. تبدأ العربات حركتها من النقطة الأعلى (A) وتهبط على السكة الملتوية. النقاط D، B و F موجودة على مستوى سطح الأرض.

عجلات العربات والسكة مصنوعتان من مواد تقلل كثيرا من الاحتكاك بينهما حتى أنه يمكننا تجاهله. تعاملوا على أن سطح الأرض هو المستوى المرجعي.

على أساس هذه الظروف أجيبوا عن الأسئلة التالية.

*39*

(في الكتاب رسم لسكة القطار وعليها مرسومة 6 نقاط - F، E، D، C، B، A وعربة التي هي موجودة بعد نقطة A، استعن بالمعلم)

أسئلة

1. في أي نقطة من النقاط المحددة على المخطط طاقة ارتفاع العربة هي الأعلى؟

2. في أي النقاط طاقة ارتفاع العربة هي الأوطأ؟

3. في أي النقاط طاقة حركة العربة عالية؟ وفي أي نقطة هي الأوطأ؟

4. صفوا سفرة العربة بمصطلحات تغير الطاقة.

5. الرسم البياني التالي يبين كميات طاقة العربة في ثلاثة أماكن مختلفة على السكة. اكتبوا أي نقطة في المخطط يمثل كل واحد من هذه الأماكن. اشرحوا كيف تعرفتم على النقاط.

(في الكتاب يوجد مخطط أعمدة عنوانه: كميات طاقه العربة في أماكن مختلفة على السكة، في المخطط 3 امكنة - مكان 1، مكان 2، مكان 3 وطاقة الارتفاع، الحركة والطاقة الاجمالية في كل منها، استعن بالمعلم)

*40*

6. معطى أن كتلة العربة هي 300 كغم. احسبوا ارتفاع كل واحدة من النقاط الثلاث الموجودة فوق سطح الأرض.

7. بدأت العربة السفر من النقطة A. فيما يلي ثلاثة رسوم بيانية من النوع الدائري تبين كميات طاقة العربة في النقاط الموصوفة في سؤال 5 (E،C ،A ).لائموا بين كل رسم بياني ونقطته على السكة.

(في الكاتب 3 رسومات دائرية، استعن بالمعلم)

طاقة ارتفاع، طاقة حركة وحرارة في الأرجوحة.

في الواقع تحدث تغيرات إضافية عند تحول طاقة ارتفاع إلى طاقة حركة.

تذكروا الأرجوحة التي تأرجحتم عليها في صغركم، كما في الرسم التوضيحي. عندما نرفع الأرجوحة ونتركها تتأرجح (دون أن ندفعها مرارا)، تأخذ حركتها بالتضاؤل (أي ترتفع في كل مرة إلى ارتفاع أقل) حتى تتوقف في النقطة الأوطأ في مسار حركتها.

نتعامل مع المستوى الذي يمر في هذه النقطة على أنه هو المستوى المرجعي. في هذه الحالة طاقة الحركة وطاقة الارتفاع تساويان صفرا. أي أن الطاقة الميكانيكية تساوي صفرا. أين اختفت الطاقة - حسب قانون حفظ الطاقة، الكمية الإجمالية للطاقة في النظام تبقى ثابتة دائما - الطاقة لا يمكن أن تنتج من العدم كما أنها لا تستهلك أو تنفد و"تختفي"؟

لو لامستم المحور الذي تتحرك عليه الأرجوحة لاكتشفتم الجواب: لشعرتم بأن منطقة محور الأرجوحة قد سخنت. تحتك الأرجوحة بالمحور خلال حركتها، ويسخن المحور والهواء الذي حوله. أي أن الطاقة الميكانيكية (طاقة الارتفاع وطاقة الحركة) تحولت إلى حرارة. كما أن جزءا صغيرا من الطاقة الميكانيكية تحول إلى طاقة صوت (صوت احتكاك في المحور)، إلا أن الطاقة الإجمالية للنظام (مجموع الطاقة الميكانيكية وطاقة الحرارة وطاقة الصوت) لم تتغير لأن النظام يحتوي على محور الأرجوحة والهواء اللذين سخنا.

حسب قانون حفظ الطاقة، الطاقة في نظام معزول يمكن أن تتحول من نوع إلى أخر ويمكن أن تنتقل من جسم لآخر، إلا أن الطاقة الإجمالية تبقى ثابتة.

(في الكتاب صورة لولد يتأرجح على أرجوحة ومكتوب تحت الصورة "في عملية احتكاك الارجوحة بمحورها تتحول طاقة ميكانيكية الى حرارة)

*41*

أسئلة

1. تتأرجح بنت على أرجوحة.

أ. صفوا تحولات الطاقة التي تحدث في الأرجوحة المتأرجحة.

ب. لماذا، من أجل الاستمرار في التأرجح وقتا طويلا، هناك حاجة إلى دفع الأرجوحة مرارا؟ في إجابتكم اعتمدوا اعتبارات تخص الطاقة.

2. وزن أرجوحة وبنت تجلس عليها هو 400 نيوتن.

نفرض أنكم رفعتم الأرجوحة إلى ارتفاع متر واحد فوق النقطة الأوطأ التي تصل إليها (المستوى المرجعي) وتركتموها.

أ. احسبوا كم كانت طاقة الارتفاع التي أضفتموها للأرجوحة برفعها أم فوق المستوى المرجعي.

ب. تحركت الأرجوحة ذهابا مرة واحدة ورجعت إلى ارتفاع 40 سم فوق المستوى المرجعي (هذا الارتفاع هو الأعلى عند عودتها). احسبوا طاقة الأرجوحة التي تحولت إلى حرارة في هذه النقطة.

ج. ما هي كمية الحرارة الناتجة في النظام بعد أن توقفت الأرجوحة؟ عللوا.

3. قذفت كرة سلة كتلتها 600 غرام من المصطبة إلى أعلى. كان الارتفاع الأعلى الذي وصلت إليه بالنسبة للمصطبة 3 أمتار. على افتراض إهمال الاحتكاك بين الكرة والهواء، احسبوا:

أ. ما هي طاقة ارتفاع الكرة في أقصى ارتفاع لها، وما هي الطاقة الإجمالية للكرة في هذه النقطة؟

ب. ما هي طاقة ارتفاع الكرة وطاقة حركتها عندما مرت من نقطة منتصف الارتفاع الأعلى؟

ج. ماذا كانت طاقة ارتفاع الكرة وطاقة حركتها في اللحظة التي قذفت فيها إلى أعلى؟

د. على افتراض عدم إهمال الاحتكاك بين الكرة والهواء، هل طاقة الحركة التي تحتاجها الكرة لحظة قذفها إلى أعلى لكي تصل الارتفاع الأعلى هي أصغر أو مساوية أو أكبر من طاقة الحركة التي حسبتموها في البند ج (بدون احتكاك)؟ عللوا إجابتكم.

4. قفز ولد وزنه 500 نيوتن عن سلم ارتفاعه 2 متر على طبقة من الرمل الرطب. نتيجة لذلك غارت قدماه في الرمل. افترضوا أن أنواع الطاقة الوحيدة التي تظهر في هذه العملية هي طاقة ارتفاع الولد، طاقة حركته وحرارته.

أ. احسبوا الحرارة التي نتجت في منطقة القدمين والرمل في أعقاب الاحتكاك بينها.

ب. تخيلوا بأن الولد والسلم انتقلا إلى القمر بسفينة فضائية، وبأن الولد يقوم بقفزة مشابهة. احسبوا الحرارة التي نتجت في منطقة القدمين والرمل الذي على القمر.

ج. صفوا بواسطة مخططات دائرية سلسلة تحولات الطاقة من اللحظة التي قفز فيها الولد على طبقة الرمل وحتى غارت رجلاه تماما داخل الرمل.

(يوجد صوره لكرة سلة وصلت الى ارتفاع 3 أمتار)

*42*

فعالية

إلى الشبكة

بندول متحرك - مع احتكاك وبدونه.

زوروا موقع الإنترنت الحقيبة الرقمية للمرحلة الإعدادية - علوم وتكنولوجيا واختاروا مجال الفيزياء. ادخلوا موضوع الطاقة، واختاروا الوحدة التعليمية وزن، ارتفاع وطاقة البندول.

(في الكتاب تصوير من الفعالية في الحاسوب وفيه مخطط أعمدة لأنواع الطاقة والمجموع الإجمالي للطاقة)

أهداف الفعالية:

فحص قانون حفظ الطاقة وتحولات الطاقة في نظام بدون احتكاك وفي نظام مع احتكاك.

مجرى الفعالية:

يتم تنفيذ الفعالية على مرحلتين.

مرحلة ا: نظام بدون احتكاك.

1. اختاروا بندولًا وزنه 9 نيوتن ثم شغلوا المحاكاة.

2. تمعنوا في مخطط الأعمدة وفي الرسم البياني الدائري. أي أنواع الطاقة تظهر خلال حركة البندول؟

3. فيما يلي ثلاثة رسوم بيانية تصف حالات مختلفة للبندول.

أ. احسبوا في أي ارتفاع موجود البندول بالنسبة للمستوى المرجعي في كل واحدة من هذه الحالات.

ب. ما الذي بقي ثابتا في كل واحدة من هذه الحالات؟ كيف يظهر ذلك في الرسوم البيانية؟ ما الاستنتاج من ذلك فيما يتعلق بقانون حفظ الطاقة؟ اشرحوا إجابتكم.

ج. أي عمود يصف طاقة البندول الميكانيكية؟ ما هي الطاقة الميكانيكية للبندول (مجموع طاقة الارتفاع وطاقة الحركة) في كل واحدة من هذه الحالات؟

*43*

(في الكتاب 3 مخططات أعمدة لأنواع الطاقة والمجموع الإجمالي للطاقة - استعن بالمعلم)

د. فيما يلي ثلاثة رسوم بيانية دائرية تلائم الارتفاعات التي حسبتموها في بند 3أ.

لائموا بين كل رسم بياني وارتفاعه.

(في الكتاب 3 رسوم بيانية دائرية للجزء النسبي لكل نوع طاقة، استعن بالمعلم)

مرحله 2: نظام مع احتكاك.

1. اختاروا إمكانية احتكاك وشغلوا المحاكاة. يحتك البندول خلال حركته في الأساس مع محوره ولكنه يحتك أيضا مع الهواء الذي حوله، ونتيجة لذلك فإن جزءا من الطاقة الميكانيكية يتحول إلى حرارة.

2. تمعنوا في مخطط الأعمدة وفي الرسم البياني الدائري. وتعرفوا على أنواع الطاقة التي تظهر خلال حركة البندول؟ اذكروا أي نوع طاقة يظهر في نظام مع الاحتكاك ولا يظهر في نظام بدون احتكاك.

(في الكتاب تصوير للفعالية من الحاسوب - مخطط أعمدة لأنواع الطاقة والمجموع الإجمالي للطاقة)

*44*

3. فيما يلي ثلاثة رسوم بيانية تصف حالات مختلفة للبندول.

أ. احسبوا في أي ارتفاع موجود البندول بالنسبة للمستوى المرجعي في كل واحدة من هذه الحالات.

ب. قدروا كمية الحرارة في كل حالة، وحددوا كيف تتغير كلما مضى الوقت. اشرحوا السبب.

ج. افحصوا في الرسوم البيانية ما هي الطاقة الميكانيكية للبندول في كل حالة: هل تتضاءل، أم لا تتغير أم تتزايد كلما مضى الوقت؟ هل حصلتم على نتيجة مماثلة في حالة عدم وجود احتكاك؟

د. ما الذي بقي ثابتا في كل واحد من هذه الرسوم البيانية؟ اشرحوا السبب. هل هذا يدعم قانون حفظ الطاقة؟

4. فيما يلي ثلاثة رسوم بيانية تصف ثلاث حالات للبندول خلال نزوله إلى أسفل بعد تحريره.

(في الكتاب رسم بياني دائري أ، ب، ج وعنوانها: الجزء النسبي لكل نوع طاقة)

أ. رتبوا الرسوم البيانية حسب ارتفاع البندول فوق المستوى المرجعي من الأعلى إلى الأوطأ. اشرحوا السبب.

ب. كيف تتغير الطاقة الميكانيكية كلما انخفض البندول أكثر؟ إذا كانت الطاقة الميكانيكية تنخفض صفوا الى أي نوع طاقة تتحول.

5. بعد مرور وقت معين يتوقف البندول الذي في المحاكاة. هل هذا يتناقض مع قانون حفظ الحركة؟ اشرحوا.

إجمال الفعالية واستخلاص استنتاجات

1. هل يتحقق قانون حفظ الطاقة في الحالتين (مع احتكاك وبدون احتكاك)؟ هل الطاقة الإجمالية تبقى ثابتة أم أنها تتغير؟

2. ماذا حدث للطاقة الميكانيكية في الحالتين؟

*45*

استغلال طاقة الارتفاع لحاجات الإنسان.

منذ القدم عرف الإنسان كيف يستغل الطاقة لحاجاته المختلفة.

أحد أنواع الطاقة الأكثر استعمالا هو طاقة الارتفاع. في الماضي السحيق وقبل قرون من معرفته للمصطلحات: طاقة ارتفاع، طاقة حركة، طاقة حرارية وتحول طاقة، عرف الإنسان كيف يستغل طاقة الارتفاع ويسخرها لفائدته.

مطحنة الحبوب

أحد أبرز الأمثلة على ذلك هو استعمال الإنسان طاقة ارتفاع المياه المتدفقة لتشغيل مطاحن الحبوب. عرف الإنسان كيف يستغل مياه الوادي ومياه الشلالات الطبيعية ومياه السدود الساقطة من فوق إلى أسفل وتحويلها بواسطة قنوات خاصة إلى ساقية.

(يوجد صورتان:)

تحت الصورة الأولى مكتوب: تنقل ألقناه المياه إلى الساقية حيث تسقط المياه على ألواح الدولاب الخشبي فتجعله يدور، محور الدولاب مربوط بحجر الرحى الموجود داخل المطحنة.

تحت الصورة الثانية مكتوب: حجرا الرحى: حجر الطاحونة العلوي مربوط بمحور دولاب الساقية ويدور داخل المطحنة.

أسئلة.

1. صفوا بواسطة مخطط انسيابي تحولات الطاقة وانتقالات الطاقة التي تحدث في عملية تشغيل مطحنة الحبوب التي في الصورة.

2. مطحنة الحبوب هي نوع من نظام تكنولوجي. صفوا الأقسام المختلفة (الأجزاء الثانوية) التي تتكون منها مطحنة الحبوب.

3. ما هو المدخل وما هو المخرج في هذا النظام التكنولوجي؟

*46*

نشر قطع خشب بالمنشار

مثال أخر على استغلال طاقة ارتفاع المياه هو الآلية المعدة لنشر قطع خشب.

على نحو ما رأيناه في مطحنة الحبوب، هنا أيضا تتدفق المياه وتدير الدولاب الخشبي وبواسطة آلية خاصة يحرك الدولاب منشارا ذهابا وإيابا. تؤدي حركة المنشار هذه إلى نشر القطع الخشبية.

(يوجد صوره سيتم شرحها بواسطة المعلم، عنوان الصورة: نظام لنشر قطع خشب، في الصورة دولاب مياه، مجموعه تروس مسننة ومنشار ينشر قطع خشب).

أسئلة

1. تمعنوا في الرسم التوضيحي على اليمين، وصفوا بكلماتكم آلية النظام والأجزاء التي تتكون منها هذه الآلية.

2. صفوا بواسطة مخطط انسيابي تحولات الطاقة وانتقالات الطاقة التي تحدث في عملية نشر قطع الخشب.

ساعة البندول

ساعة البندول هي مثال آخر على استعمال طاقة الارتفاع لحاجات الإنسان. أحد المركبات الأساسية لمثل هذه الساعة هو بندول. تذكروا: البندول مكون من خيط ربطت في طرفة كتلة ما. الوقت الذي يستغرقه البندول ليتحرك من أعلى نقطة في الجهة الأولى إلى أعلى نقطة في الجهة الأخرى والعودة إلى نقطة الانطلاق يسمى زمن الدورة.

أثبتت تجارب كثيرة بأن زمن دورة الرقاص الموجود في مكان ما على سطح الكرة الأرضية يبقى ثابتا إلى حد كبير حتى أنه لا يكاد يتغير أثناء حركته ذهابا وإيابا. هذه الصفة الخاصة بالبندول تمكننا من قياس الوقت، مثلا عن طريق عد المرات التي يتحرك فيها الرقاص ذهابا وإيابا.

في ساعات البندول توجد آلية خاصة تسمى ميزان. وظيفة هذا الميزان هي نقل حركة بندول الساعة إلى حركة دائرية لعقارب الساعة لكي تشير إلى الوقت الصحيح على الساعة. في هذه العملية أيضا قسم من طاقة ارتفاع البندول يتحول إلى طاقة حركة عقارب الساعة، وقسم آخر يتحول إلى حرارة بسبب الاحتكاك ومقاومة الهواء.

نتيجة لذلك، طاقة البندول الميكانيكية تتناقص بشكل تدريجي ومن المحتمل أن تتوقف وتحول دون استمرار عمل الساعة.

ولكي لا يحدث ذلك، يجب تزويد البندول بالطاقة التي يفقدها خلال حركته. لهذا الغرض يضيفون سلسلة إلى ميزان الساعة. هذه السلسلة ملفوفة حول محور الساعة وبطرفها توجد ثقالة. بين الحين والآخر يجب شد السلسلة إلى أسفل وجعل الثقالة ترتفع إلى أعلى.

بواسطة الميزان طاقة ارتفاع الثقالة تنتقل بشكل تدريجي إلى طاقة حركة البندول. وهكذا لا يتوقف البندول بل يواصل حركته ذهابا وإيابا، وبالمقابل تأخذ الثقالة بالنزول إلى أسفل بوتيرة بطيئة، وبذلك تفقد من طاقة ارتفاعها لصالح حركة البندول.

(يوجد صورة لساعة البندول - تحت الصورة مكتوب: طاقة ارتفاع الثقالة تتحول في ساعة البندول إلى طاقة حركة لآلية الساعة والعقارب).

*47*

أسئلة

1. لميزان ساعة البندول وظيفتان مركزيتان. صفوهما واشرحوا ما هي غاية كل وظيفة.

2. حسب رأيكم، لماذا، عندما تنزل الثقالة إلى أسفل يجب شدها إلى أعلى ثانية بواسطة السلسلة؟ اشرحوا إجابتكم.

محطة توليد كهرباء كهرومائية

استعمال أخر لطاقة ارتفاع المياه التي تتدفق نحو الأسفل يمكن أن نجده في المحطات الكهرومائية المستخدمة لتوليد الكهرباء. هذه المحطات موجودة بجانب شلالات ماء طبيعية أو بجانب سدود. تدير المياه المتدفقة إلى أسفل تربينا هو جزء من المحطة الكهرومائية. في هذه العملية طاقة ارتفاع المياه المتدفقة إلى أسفل الشلال أو من السد، تتحول إلى طاقة حركة للمياه، وطاقة الحركة هذه تنتقل إلى طاقة حركة للتربين. يدور التربين ويشغل المولد والذي هو الآخر جزء من المحطة الكهرومائية. في هذه العملية حركة التربين تتحول إلى طاقة كهربائية يستغلها الانسان لحاجات كثيرة.

(في الكتاب صوره سيتم شرحها بواسطة المعلم - في الصورة محطة كهرومائية فيها الأجزاء التالية: مجمع مياه، تدفق الماء، سد، مولد، تربين)

أسئلة:

1. المحطة الكهرومائية هي نظام تكنولوجي مركب. ما هو مدخل هذه المحطة وما هو مخرجها؟

2. أين تحدث عملية توليد الكهرباء؟

3. صفوا بواسطة مخطط انسيابي تحولات الطاقة وانتقالاتها التي تحدث في عملية توليد الكهرباء في محطة كهرومائية تشغل بواسطة شلالات مياه طبيعية أو مياه سدود تتدفق إلى أسفل.

4. لماذا تعتبر طريقه توليد الكهرباء هذه طريقه "خضراء"؟

5. ما هي حسنات وسيئات المحطة الكهرومائية؟

*48*

فعالية

مهمة تصميم

تصميم قطار موت.

في مدينة "خضراء" في شمال البلاد تقرر إقامة مدينة ملاه. أجمل ما في هذه المدينة المنوي إقامتها هو قطار موت تسير عليه عربات في مسارات ملتوية ترتفع وتنخفض. مديرو المشروع يدعونكم لتصميم هذا القطار. عليكم تصميم نموذج بسيط لهذا القطار وعرضه. يجب أن يرافق النموذج رسم. من أجل تصميم قطار الموت اعملوا بموجب المراحل التالية:

مرحلة أ: تشخيص الحاجة لإقامة قطار الموت.

شخصوا الحاجة لإقامة منتزه الملاهي في المدينة، وبشكل خاص الحاجة إلى بناء قطار موت. يمكنكم تحديد أكثر من حاجة واحدة.

مرحلة ب: المتطلبات التي يجب مراعاتها عند تصميم قطار الموت.

قرر مديرو المشروع تعيينكم خبراء لتنفيذ المشروع. وقد وضعوا أمامكم قائمة المتطلبات التي يجب أن تتوفر في تصميم قطار الموت.

أ. أن يكون الاحتكاك بين العربات والهواء أقل ما يمكن.

ب. أن لا يكون للعربات محرك كهربائي.

ج. أن تكون مسارات أكثر لذوي الجرأة العالية، ولذوي الجرأة الأقل مسارات أقل.

د. أن يكون الارتفاع في نقطة البداية وفي الارتفاعات المختلفة في المسار بحيث يسمح للعربات التحرك على طول المسار دون أن تنفصل عن السكة.

ه. أن تتوفر في المنشأة أنواع مختلفة من العربات حيث تتسع إلى ركاب من 2 وحتى 10.

و. أن تمر السكة من أماكن جميلة مختلفة في المتنزه.

ز. أن يكون مصدر الطاقة الوحيد من لحظة انطلاق العربة هو طاقة ارتفاع وطاقة حركة العربة.

ح. أن تكون المنشأة أمنة.

ط. أن تستخدم فيها المواد المتوفرة محليا.

*49*

مرحله ج: جمع المعلومات وتنظيمها.

توزعوا إلى مجموعات، ابدأوا بتقصي المعلومات وجمعها في المواضيع التالية:

أ. قطار موت آمن: افحصوا ما هي وسائل الأمان المتبعة في البلاد وفي العالم مثل أحزمة الأمان للركاب - سمك حزام الأمان ونوع المادة التي يصنع منها.

استعينوا بالإنترنت أو قوموا بزيارة للمتنزهات التي يوجد فيها قطار موت.

ب. مسار القطار: اعتمدوا على قانون حفظ الطاقة وعلى معادلة حساب طاقة الارتفاع واقترحوا ارتفاعات مناسبة للمسارات الملتوية.

ج. تقليص الاحتكاك بين عجلات العربات والسكة: اقترحوا طرقا لتقليل الاحتكاك (عجلات، مواد وإلخ).

د. تقليص الاحتكاك مع الهواء: افحصوا كيف يتحقق هذا الهدف في وسائل النقل المختلفة، مثلا بواسطة شكل إيروديناميّ.

ه. الناحية الجمالية: اجمعوا معلومات وصورا تتعلق بالأشكال المختلفة لقطارات الموت.

مرحلة د: تصميم القطار.

أ. بناء على طلب مديري المشروع وعلى ما قمتم به من تقصي للمعلومات ارسموا قطار الموت الذي ترغبون في اقتراحه. اكتبوا أكثر ما يمكن من المعطيات العددية عن القطار المبرمج (مثل ارتفاع السكة في نقطة الانطلاق، ارتفاع النقاط العالية على امتداد السكة وإلخ).

ب. اعرضوا رسم قطاركم وأجروا عليه تعديلات وتحسينات على ضوء اقتراحات التلاميذ والمعلم.

ج. أعدوا نموذجا بسيطا لقطار الموت. يمكن بناء النموذج من أنابيب بلاستيك، أو من أنابيب بلاستيك مخفوق، الاستعانة بكرتون لتثبيت السكة واستعمال البنانير أو الكريات المعدنية كعربات قطار.

إجمال

- كلما كان ارتفاع الجسم عن مستوى مرجعي عاليا أكثر كانت طاقة ارتفاع الجسم أكبر.

- يوجد تناسب طردي بين طاقة ارتفاع الجسم وبين ارتفاعه عن مستوى مرجعي.

- كلما كان وزن الجسم الموجود على ارتفاع معين فوق مستوى مرجعي أثقل كانت طاقة ارتفاع هذا الجسم اكبر.

- يوجد تناسب طردي بين طاقة ارتفاع الجسم وبين وزنه.

- طاقة ارتفاع الجسم الموجود على ارتفاع ما من مستوى مرجعي هي في الحقيقة التغير في طاقة ارتفاعه عندما ينتقل من هذا الارتفاع إلى المستوى المرجعي.

- حسب قانون حفظ الطاقة يمكن أن تتحول الطاقة من نوع إلى آخر كما أنها يمكن أن تنتقل من جسم إلى آخر إلا أن الطاقة الإجمالية تبقى ثابتة.

(في الكتاب صوره سيتم شرحها بواسطة المعلم، في الصورة: نموذج لقطار الموت بناه تلاميذ المدرسة الإعدادية "الأوائل" في غني تكفا، في إطار مشروع "فيزياء بالكرتون").

*50*

أسئلة

1. أفلتت يسرى من يدها كرة فسقطت على سطح زنبركي. اصطدمت الكرة بالسطح الزنبركي فقفزت راجعة إلى أعلى.

عندما وصلت الكرة إلى أقصى ارتفاع لها خلال حركتها إلى أعلى، كانت طاقة ارتفاعها:

أ. أكبر من طاقة الارتفاع التي كانت لها في النقطة التي أفلتت منها.

ب. أصغر من طاقة الارتفاع التي كانت لها في النقطة التي أفلتت منها.

ج. مساوية لطاقة الارتفاع التي كانت لها في النقطة التي أفلتت منها.

2. فيما يلي رسم توضيحي لنظام تجربة يشمل ثلاث كرات متساوية في الحجم، ومعلقه على ارتفاع 3 أمتار فوق مستوى من المعجونة. الكرة الأولى مصنوعة من الخشب وكتلتها 70 غراما، والثانية مصنوعة من الرصاص وكتلتها 1130 غراما، والثالثة مصنوعة من الحديد وكتلتها 780 غراما. (في الكتاب الرسم التوضيحي)

أ. احسبوا طاقة ارتفاع كل واحدة من هذه الكرات الثلاث بالنسبة إلى مستوى المعجونة.

ب. إذا سقطت هذه الكرات أي منها تغور أكثر في المعجونة؟ اشرحوا.

3. كتلة عمر 90 كغم. تسلق عمر سلما حتى أعلى درجة فيه. في هذه الحالة كانت طاقة ارتفاع عمر 2,700 جول.

أ. احسبوا الارتفاع الذي تسلق إليه عمر.

ب. على كوكب الزهرة تعمل على الأجسام قوة جاذبية مقدارها 0.9 من الجاذبية التي تعمل على الكرة الأرضية (أي أن g على كوكب الزهرة يساوي 9 نيوتن / كغم). كم تبلغ طاقة ارتفاع عمر لو أنه تسلق حتى أعلى درجة في السلم على كوكب الزهرة؟

4. في بطولة العالم للقفز إلى الماء منصتان: واحدة للرياضيين (ذكور) والثانية للرياضيات (الإناث). يقفز الرياضيون من صخرة ارتفاعها 27 مترا فوق سطح البحر، وتقفز الرياضيات من صخرة ارتفاعها 20 مترا فوق سطح البحر. وزن إحدى الرياضيات هو 600 نيوتن. قفزت هذه الرياضية إلى الماء في الوقت الذي قفز فيه أحد الرياضيين أيضا. كانت طاقة ارتفاع كل منهما متساوية بالنسبة إلى سطح الماء. ما هو وزن هذا الرياضي؟

*51*

5. وجد أولاد بنورتين من الزجاج في بيت الدرج. فجأة سقطت البنورتان إلى الطابق الأرضي.

البنورة أ تدحرجت من درجة إلى أخرى حتى توقفت في الطابق الأرضي، أما البنورة ب فسقطت مباشرة على المصطبة في الطابق الأرضي. نتيجة لذلك انكسرت إحدى البنورتين ولم يحدث أي ضرر للبنورة الأخرى. أي من البنورتين انكسرت؟ عللوا إجابتكم معتمدين على اعتبارات الطاقة.

(في الكتاب رسم توضيحي)

6. سقطت كرة كتلتها 600 غرام عن طاولة ارتفاعها 1 متر عن المصطبة.

أ. احسبوا التغير في طاقة الارتفاع في الانتقال من الطاولة إلى المصطبة.

ب. لو كانت الطاولة والكرة على القمر ماذا ستكون الإجابة عن بند أ؟

7. ينحدر قطار موت وزنه 1,000 نيوتن من ارتفاع 15 مترا عن سطح الأرض. كم يجب أن تكون القمة التالية التي يستطيع القطار الوصول إليها، إذا علمت أن خمس الطاقة يتحول إلى حرارة وبأن طاقة حركة القطار في القمة التالية ستكون 2,000 جول؟

8. ركلت كرة إلى أعلى. ما هي تغيرات الطاقة التي حدثت في هذه العملية؟

ا. طاقة ارتفاع الكرة تغيرت إلى طاقة حركة.

ب. معظم طاقة حركة الكرة تغيرت إلى طاقة ارتفاع.

ج. حدث تغير في طاقة ارتفاع الكرة فقط.

د. حدث تغير في طاقة حركة الكرة فقط.

*52*

9. لعبة الكرات: في بيت عمر توجد لعبة مكونة من كرات معدنية متماثلة في الشكل والوزن، معلقة بإطار وعلى ارتفاع واحد. عند رفع الكرة الأولى في صف الكرات وإفلاتها تتحرك وتصطدم بالكرة المجاورة، نتيجة لذلك تبقى جميع الكرات الأخرى مكانها باستثناء الكرة الأخيرة (البعيدة) والتي تندفع جانبا لترتفع وتعود لتصطدم بالكرة التي بجانبها. وهنا أيضا تبقى الكرات التي في الوسط مكانها باستثناء الكرة الأخيرة التي في الطرف الآخر فترتفع.

(في الكتاب رسم توضيحي)

أ. صفوا تحولات الطاقة وانتقالات الطاقة في هذه اللعبة.

ب. اشرحوا لماذا يتناقص الارتفاع الذي تصل إليه الكرات في كل "دورة" ارتفاع واصطدام حتى تتوقف الحركة نهائيا.

10. كرة فولاذية كتلتها 2 كغم أسقطت عن ارتفاع 5 أمتار فوق الأرض على سطح الكرة الأرضية. كرة مشابهة أسقطت عن نفس الارتفاع على كوكب المريخ.

تدعي منى بأن التغير في طاقة الارتفاع كان متماثلا في الحالتين لأن الكرتين أسقطتا عن نفس الارتفاع.

هل في رأيكم منى على حق؟ اشرحوا إجابتكم.

*53*

الفصل 3: طاقة الحركة وتطبيقها

*53*

سنتعلم في هذا الفصل أن:

- لكل جسم في حالة حركة توجد طاقة حركة (طاقة كينيتية).

- طاقة الحركة لجسم ما متعلقة بكتلته وسرعته.

- إذا تحرك جسمان بنفس السرعة، وإذا كانت كتلة أحدهما ضعفي كتلة الجسم الآخر، فان طاقة حركة هذا الجسم تكون أكبر بمرتين من طاقة حركة الجسم الآخر.

- إذا كانت للجسمين نفس الكتلة وتحرك أحدهما بسرعة تبلغ ضعفي سرعة الجسم الآخر، فان طاقة حركة هذا الجسم تكون 4 أضعاف (2^2) طاقة حركة الجسم الآخر.

- طاقة الحركة يمكن أن تتحول إلى أنواع طاقة أخرى (مثل الطاقة الكهربائية) وبالعكس.

- طاقة الحركة مستغلة لحاجاتنا، مثلا: لتوليد الكهرباء بواسطة طاقة حركة الرياح.

- مسافة توقف السيارة المسافرة تساوي مسافة رد فعل السائق ومسافة فرملة السيارة.

مصطلحات سنتعرف عليها:

طاقة الحركة طاقة كينيتيه

تغير في طاقة الحركة

مسافة التوقف

مسافة الفرملة

مسافة رد الفعل

زمن رد الفعل

*54*

مقدمة

أجسام كثيرة من حولكم موجودة في حالة حركة. أحيانا يمكنكم ملاحظة حركتها بسهولة، مثل حركة قطار يسير بسرعة على سكة الحديد، وأحيانا أخرى تجدون صعوبة في ملاحظة حركتها، مثل حركة القارات على الكرة الأرضية أو حركة الذرات التي تبني أجسامكم. كما أنكم وأنتم تقفون ساكنين في أماكنكم دون أي حركة، تدور الكرة الأرضية حول محورها وأنتم معها بسرعة حوالي 30 كم في الثانية ولكن لكي تلاحظوا هذه الحركة عليكم أن تركبوا سفينة فضاء وأن تنظروا إلى الكرة الأرضية من بعيد. حقا هناك أجسام كثيرة في حالة حركة، ولكل الأجسام المتحركة توجد طاقة حركة (طاقة كينيتية).

من يحب منكم قضاء الوقت في الصيف على شاطئ البحر شاهد بلا شك من يركبون الدراجات النارية المائية. يستعين ركاب هذه الدراجات بمحرك قوي من أجل التقدم على سطح الماء بسرعة كبيرة. عندما تكون الدراجات وركابها في حالة حركة توجد لهم طاقة حركة. كلما تحركوا بسرعة أكبر كانت طاقة حركتهم أكبر، وكلما كان عدد الركاب على الدراجة أكبر كانت طاقة حركة الدراجة مع الركاب أكبر.

كذلك حال المتزلجين على الماء: عندما تهب ريح تفعل قوة على الزلاجة فتدفع المتزلجين إلى الأمام. للرياح التي تهب توجد طاقة حركة. كلما كانت الريح شديدة أكثر كانت طاقة حركتها أكبر. عندما تفعل الريح قوة على الزلاجات الشراعية وتحركها قسم من طاقة حركة الرياح تنتقل إلى طاقة حركة المتزلجين. نتيجة لذلك يحدث تغير في طاقة حركة المتزلجين. كلما كانت طاقة الحركة المتنقلة إلى المتزلجين أكبر كان التغير في طاقة حركة المتزلجين أكبر، ويتقدمون على سطح الماء بسرعة أكبر.

(في الكتاب صورة لقارب شراعي وصورة لقارب، تحت الصور مكتوب: المحرك في القارب والرياح في القارب الشراعي يسببان تغيرا في طاقة الحركة)

طاقة الحركة: هي طاقة الأجسام المتحركة.

مهمة

أعطوا أمثلة أخرى من البيت، من الشارع ومن أماكن يمكن فيها ملاحظة أجسام في حالة حركة وتوجد لها طاقة حركة.

صفوا كيف تظهر طاقة الحركة والتغيرات فيها في كل حالة تذكرونها، واذكروا ما هي القوة المؤثرة على حركة الأجسام.

في جميع الظواهر التي تظهر فيها طاقة الحركة أو التغيرات في طاقة الحركة تحدث أيضا تحولات طاقة. طاقة الحركة يمكن أن تمر تحولا إلى أنواع طاقة أخرى، وأنواع الطاقة الأخرى يمكنها أن تمر وتتحول إلى طاقة حركة. تعلم الإنسان كيف يستغل هذه الحقائق لفائدته، وهو يطبقها في أجهزة بيتية كثيرة وكذلك في أنظمة تكنولوجية مركبة. مثلا، في السنوات الأخيرة تقام بأعداد متزايدة محطات توليد كهرباء تستغل طاقة حركه الرياح. تحرك الرياح تربينات عملاقة وتمكن من توليد كهرباء بطريقة "خضراء" لا تلوث البيئة وغير متعلقة بموارد مستهلكة.

*55*

(يوجد صورة لتربينات تحول طاقه حركة (الرياح) إلى طاقة كهربائية).

سنتعمق في هذا الفصل في فهمنا لمصطلح طاقة الحركة.

سنتعلم عن العلاقة بين طاقة حركة الجسم وبين كتلته وسرعته، سنبحث العلاقة بين هذه العوامل بواسطة تجارب، وسنتعلم كيف نحسب بواسطة معادلة طاقة الحركة وتغيراتها.

كما سنتعلم كيف تساعدنا هذه المعادلة على شرح وفهم ظواهر الطبيعة والممارسات اليومية المختلفة، وسنتعرف على تطبيقات تكنولوجية تسخر طاقة الحركة في خدمة الإنسان، مثلا في وسائل المواصلات المختلفة.

قسم خاص في هذا الفصل مكرس لفهم العوامل المتعلقة بطاقة حركة السيارات على الشارع وتقليصها، بغية منع حوادث طرق ومن أجل تقليص الأضرار التي يمكن أن تنجم في حالة حدوث اصطدام.

العوامل المؤثرة على طاقة الحركة.

ما هي العوامل المؤثرة على طاقة حركة جسم متحرك؟ أدناه صورتان لوسيلتي طيران التقطتا أثناء طيرانهما. لكلتيهما توجد طاقة حركة. ما الذي يحدد طاقة حركة هاتين الوسيلتين؟

كيف تؤثر كتلة طائرة ما على طاقة حركتها؟ هل عدد الركاب في الطائرة يؤثر على طاقة حركتها؟ كيف تتغير طاقة حركة الطائرة عندما تتغير سرعتها؟

)في الكتاب صورتان: صورة لطائرة ولطائرة مروحية وتحت الصورتان مكتوب: ما الذي يؤثر على طاقة حركه وسيلة الطيران؟)

للإجابة عن هذه الأسئلة، نفذوا الفعاليات التالية.

*56*

فعالية - تجربة

العلاقة بين طاقة حركه الجسم وبين كتلته.

هدف التجربة:

أن نفحص كيف تؤثر كتلة الجسم على طاقة حركته.

أجهزة:

كرتان كتلة كل منهما مختلفة، سكتان مائلتان ومتماثلتان ومكعبان من الخشب متماثلان.

وسائل حذر: نظارات واقية وشعر مربوط

(في الكتاب صورة للتجربة)

مجرى التجربة:

أ. ضعوا السكتين قريبا من حافة الطاولة وضعوا كل كرة على طرف كل سكة (كما في الصورة).

ب. أمسكوا كل كرة على الطرف المرتفع لكل سكة، ثم أطلقوا الكرتين في آن واحد بحيث تنطلقان بنفس السرعة على منحدر السكتين وتصطدمان بالمكعبين اللذين على طرف الطاولة.

نتائج:

حضروا جدولا فيه تلخصون نتائج التجربة. اكتبوا عنوانا للجدول.

اذكروا في الجدول كتلة كل واحدة من الكرتين المتحركتين (صغيرة / كبيرة) ونتائج اصطدامهما بالمكعبين اللذين على طرفي السكتين.

إجمال واستنتاجات:

1. صفوا الفرق في نتيجتي اصطدام الكرتين بالمكعبين اللذين وضعا على طرفي السكتين.

2. إلى أي شيء تشير نتيجة اصطدام الكرة المتحركة بالمكعب الموضوع على طرف السكة؟

3. ما هو العامل المؤثر الذي قمتم بفحصه في التجربة وما هو العامل المتأثر؟

4. لماذا من المهم تحريك الكرتين بنفس السرعة؟ اشرحوا.

5. ما هو الاستنتاج من هذه التجربة فيما يتعلق بالعلاقة بين طاقة حركة الجسم وبين كتلته؟

- عندما تتحرك أجسام مختلفة بنفس السرعة، كلما كانت كتلة الجسم أكبر، كانت طاقة حركته أكبر.

*57*

فعالية - تجربة

العلاقة بين طاقة حركة الجسم وبين سرعته.

هدف التجربة:

أن نفحص كيف تؤثر سرعة الجسم على طاقة حركته.

أجهزة:

كرتان ذواتا كتلة متماثلة، سكتان مائلتان ومتماثلتان ومكعبان متماثلان.

وسائل حذر: نظارات واقية وشعر مربوط.

(في الكتاب صورة للتجربة)

مجرى التجربة:

ا. ضعوا السكتين قريبا من حافة الطاولة وضعوا كل كرة على طرف كل سكة (كما في الصورة).

ب. أمسكوا كل كرة على الطرف المرتفع لكل سكة، ثم أطلقوا الكرتين في آن واحد بحيث تنطلقان بسرعة مختلفة على منحدر السكتين (نطلق إحداهما من حالة السكون وندفع الثانية قليلا إلى الأمام).

نتائج:

حضروا جدولا فيه تلخصون نتائج التجربة. اكتبوا عنوانا للجدول.

اذكروا في الجدول سرعة كل واحدة من الكرتين المتحركتين (صغيرة / كبيرة) ونتائج اصطدامهما بالمكعبين اللذين على طرفي السكتين.

إجمال واستنتاجات:

1. صفوا الفرق في نتيجتي اصطدام الكرتين بالمكعبين اللذين وضعا على طرفي السكتين.

2. ما هو العامل المؤثر وما هو العامل المتأثر في التجربة التي أجريتم.

3. اشرحوا لماذا استعملتم كرتين ذواتي كتلة متماثلة.

4. ما هو الاستنتاج من هذه التجربة فيما يتعلق بالعلاقة بين طاقة حركة الجسم وبين سرعته؟

كلما كانت سرعة الجسم أكبر، كانت طاقة حركته أكبر.

*58*

كيف نقيس السرعة؟

وجدتم في التجربة السابقة وجود علاقة بين طاقة حركة الجسم وبين سرعته. لكي نعبر بواسطة معادلة عن العلاقة الدقيقة بين طاقة الحركة وبين السرعة، من المهم أن تتذكروا ما تعلمتموه في الماضي عن السرعة والطريقة التي تقاس بها.

تخيلوا سيارة تسير على امتداد شارع مستقيم. خلال وقت معين قطعت السيارة مسافة معينة (من نقطة انطلاقها وحتى المكان الآخر). لو أن هذه السيارة كانت تسير بسرعة أكبر لقطعت في نفس الزمن مسافة أكبر، أي أنها كانت ستصل إلى مسافة أكبر من نقطة الانطلاق.

وعليه، تتحدد سرعة الجسم بحسب المسافة التي يقطعها وحسب الزمن الذي فيه قطع هذه المسافة. جسم يتحرك بسرعة ثابتة يقطع مسافات متساوية في أوقات متساوية. عند التحرك بسرعة ثابتة، النسبة بين طول المسافة التي يقطعها الجسم وبين الزمن الذي يستغرقه الجسم لقطع هذه المسافة هو الذي يحدد سرعة حركة الجسم. يمكننا أن نصف هذه العلاقة بواسطة معادلة. إذا رمزنا إلى سرعة الجسم بالحرف v ورمزنا إلى المسافة التي يقطعها الجسم بالحرف s ورمزنا إلى الزمن الذي يستغرقه الجسم لقطع هذه المسافة بالحرف t فإن المعادلة لحساب السرعة هي:

V=s/t أي يعني أن المسافة/الزمن=السرعة.

وحدة قياس السرعة تنتج عن تقسيم وحدة قياس المسافة على وحدة قياس الزمن. مثلا عندما نقيس المسافة بالأمتار والزمن بالثواني تكون وحدة السرعة متر / ثانية (متر في الثانية).

(في الكتاب رسم توضيحي:

سهم يمثل الطريق يمتد من الشمال لليمين وعلى الخط 10 متر، 20 متر، 30 متر، 40، 50، 60، 70، 80.

ثوان 5=t

المسافة 0=t

تحت الرسم مكتوب: قطعت السيارة 50 مترا في 5 ثوان، أي قطعت 10 أمتار في الثانية سرعتها إذن هي 10 أمتار / ثانية.

عندما نقيس المسافة بالكيلومترات (بالكم) والزمن بالساعات تكون وحدة قياس السرعة هي كم/ساعة (كيلومتر في الساعة). بشكل عام تستعمل وحدة القياس كم / ساعة للتعبير عن سرعة السيارات، الشاحنات، القطارات، وحتى الطائرات. لتحويل السرعة من وحدة كم / ساعة إلى وحدة متر / ثانية، يجب تقسيم السرعة على 3.6. مثلا: سرعة 72 كم / ساعة تساوي 20 متر / ثانية (72 تقسيم 3.6).

*59*

أسئلة

1. تتحرك شاحنة بسرعة 36 كم / ساعة. عبروا عن سرعتها بوحدات متر / ثانية.

2. تتحرك سيارة بسرعة 108 كم / ساعة. عبروا عن سرعتها بوحدات متر/ ثانية.

(يوجد صورة سيتم شرحها بواسطة المعلم، الصورة هي تصوير للفعالية في الحاسوب: الفعالية: زمن، مسافة، سرعة من الحقيبة الرقمية للمرحلة الإعدادية - علوم وتكنولوجيا)

حساب طاقة الحركة

في التجارب السابقة التي قمتم بها اكتشفتم وجود علاقة بين طاقة حركة الجسم وبين كتلته وسرعته. السرعة والكتلة هما العاملان الوحيدان اللذان يحددان طاقة حركة الجسم. ولكن ما هو نوع علاقة طاقة حركة الجسم بكل واحد من هذين العاملين؟ في البداية سنفحص علاقة طاقة الحركة مع الكتلة، وبعد ذلك نفحص ما هي علاقة طاقة الحركة بالسرعة.

أ. العلاقة بين طاقة الحركة والكتلة.

لكي نفحص العلاقة الدقيقة بين طاقة الحركة وبين الكتلة نناقش المثال التالي:

تسوق امرأة سيارتها بسرعة ثابتة. كتلة السائقة هي 80 كغم وطاقة حركتها 20,000 جول. انضم إلى السائقة راكب كتلته مماثلة لكتلة السائقة. ما هي طاقة الحركة الإجمالية للسائقة وللراكب؟

تتحدد طاقة الحركة بحسب الكتلة والسرعة. سرعة السائقة والراكب متماثلة لأن كليهما يتحركان معا مع السيارة. بما أن كتلتيهما متساويتان، لذلك فإن طاقة حركة الراكب مساوية لطاقة حركة السائقة. وعليه فإن طاقة الحركة الإجمالية للسائقة وللراكب تكون:

20,000 جول + 20,000 جول = 40,000 جول.

طاقة حركة السائقة والراكب معا أكبر مرتين من طاقة حركة السائقة لوحدها. أي، عندما لا تتغير السرعة إذا كبرت الكتلة مرتين تتضاعف طاقة الحركة مرتين.

*60*

أسئلة

1. كيف تتغير طاقة الحركة لعربة تستعمل لنقل أكياس الرمل؟

أ. انسخوا الجدول التالي إلى الدفتر وأكملوه.

ب. ما هو الاستنتاج من الجدول الذي ملأتم بالنسبة إلى نوع العلاقة بين طاقة الحركة والكتلة؟

(في الكتاب جدول مكون من 4 أعمدة و-6 صفوف)

2. تسير شاحنتان بنفس السرعة باتجاه موقف شاحنات. الشاحنة أ تحمل حمولة كتلتها 15,000 كغم. الشاحنة ب بدون حمولة وكتلتها الإجمالية كانت 5000 كغم. خمنوا بكم مرة تكبر طاقة حركة الشاحنة مع الحمولة بالمقارنة مع الشاحنة بدون الحمولة. عللوا.

(في الكتاب رسم توضيحي فيه: شاحنة أ وفيها 15000 كغم، وشاحنة ب وفيها 5000 كغم)

3. تبحر سفينتان بنفس السرعة، 10 متر /ثانية.

كتلة السفينة أ هي 10,000 كغم وكتلة السفينة ب هي 50,000 كغم.

أي من الجمل التالية صحيحة؟

أ. طاقة حركة السفينة أ تساوي21/ طاقة حركة السفينة ب.

ب. طاقة حركة السفينة أ أكبر ب 1,000 مرة من طاقة حركة السفينة ب.

ج. طاقة حركة السفينة أ أصغر ب 5 مرات من طاقة حركة السفينة ب.

د. السفينتان مختلفتان ولذلك لا يمكن المقارنة بين طاقتي حركتيهما.

عندما يتحرك جسمان بسرعة متساوية، وكتلة أحد الجسمين أكبر من كتلة الجسم الآخر بعدد من المرات فإن طاقة حركة الجسم الأول تكون أكبر من طاقة حركة الجسم الآخر بنفس عدد المرات.

*61*

ب. العلاقة بين طاقة الحركة والسرعة.

لكي نفحص نوع العلاقة بين طاقة الحركة وبين السرعة نناقش المثال التالي:

أربع سيارات متساوية في الكتلة تسير بسرعات مختلفة. فيما يلي قيم السرعة وقيم طاقة الحركة لكن سيارة. انسخوا الجدول إلى الدفتر وأكملوه واستنتجوا ما هو نوع العلاقة بين سرعة السيارة وبين طاقة حركتها.

(في الكتاب جدول مكون من 4 أعمدة و-5 صفوف)

أسئلة

1. عندما تكون ظروف الطريق على أحسن حال، يسير القطار الإسرائيلي بسرعة 120 كم/ ساعة (33.33 متر / ثانية).

في اليابان قطار سريع (قطار "طلقة") يسير بسرعة 240 كم / ساعة (66.67 متر / ثانية).

على فرض أن القطارين لهما نفس الكتلة أي من الجمل التالية صحيحة؟

أ. طاقة حركة القطار الياباني أصغر بمرتين من طاقة حركة القطار الإسرائيلي.

ب. طاقة حركة القطار الإسرائيلي أصغر بمرتين من طاقة حركة القطار الياباني.

ج. طاقة حركة القطار الياباني أكبر ب 4 مرات من طاقة حركة القطار الإسرائيلي.

د. طاقة حركة القطار الإسرائيلي تعادل 2/1 طاقة حركة القطار الياباني.

2. تقترب سيارة من إشارة ضوئية بسرعة 5 متر / ثانية وطاقة حركتها هي 6,250 جول.

بعد أن قطعت الإشارة، زاد السائق سرعة السيارة إلى 15 متر/ ثانية.

أ. بكم مرة كبرت سرعة السيارة بعد زيادة سرعتها؟

ب. بكم مرة كبرت طاقة حركتها؟

ج. ما هي طاقة حركة السيارة بعد زيادة سرعتها؟ اشرحوا.

د. احسبوا التغيير في طاقة حركة السيارة بعد ارتفاع سرعتها.

3. توجد عند تامر دراجة نارية كتلتها 300 كغم، وعند لمياء دراجة نارية صغيرة كتلتها 100 كغم. يسوق تامر ولمياء بنفس السرعة وهي 20 متر / ثانية.

انسخوا الجدول التالي إلى الدفتر وأكملوه. اكتبوا عنوانا للجدول.

(في الكتاب جدول مكون من 3 أعمدة و-6 صفوف)

*62*

4-. في الماضي كان السهم والقوس سلاحا منتشرا. يدعي سامي بأن السهم الذي يطلق بسرعة 6 متر / ثانية يكون أخطر ثلاث مرات من السهم الذي يطلق بسرعة 2 متر / ثانية ويقع في نفس المكان وذلك لأن سرعته أكبر بثلاث مرات لذلك فإن طاقة حركته هي أيضا أكبر بثلاث مرات.

هل ادعاء سامي صحيح؟ عللوا.

(في الكتاب صورة لولد في يده السهم والقوس وتحت الصورة مكتوب: كلما شد وتر القوس أكثر، انطلق السهم بسرعة أكبر وكانت طاقة حركه السهم أكبر).

عندما تكون لجسمين كتلة متساوية، وتحرك الجسم الأول بسرعة أكبر بعدد من المرات من سرعة الجسم الآخر، تكون طاقة حركة الجسم الأول أكبر من طاقة حركة الجسم الآخر بمربع عدد المرات التي تكبر فيها سرعة الأول سرعة الآخر.

يمكن التعبير عن نوع العلاقة بين طاقة الحركة والكتلة والسرعة بواسطة معادلة. لهذا الغرض نرمز إلى طاقة حركة الجسم ب E[k] (الحرف K مأخوذ من المصطلح الإنجليزي:Kinetic energy وبالعربية: طاقة حركية)، ونرمز إلى كتلة الجسم بالحرف m وإلى السرعة بالحرف v.

من المألوف التعبير عن طاقة حركة الجسم بواسطة المعادلة:

E[k]=1/2*m*v^2

تتيح لنا هذه المعادلة المقارنة بين طاقة حركة أجسام كتلتها أو سرعتها مختلفة. إذا عرفنا ما هي كتلة الجسم (بوحدات كغم) وما هي سرعته (بوحدات متر /ثانية)، يمكن حساب طاقة حركته (بوحدات جول).

تنبيه: إذا أعطيت السرعة بوحدات كم / ساعة يجب تحويلها أولا إلى متر / ثانية (بتقسيمها على 3.6). إذا كانت كتلة الجسم معطاة بالغرامات يجب تحويلها إلى كغم (بواسطة تقسيمها على 1000).

أسئلة

1. يركض رياضي كتلة جسمه 50 كغم بسرعة 5 متر / ثانية. احسبوا طاقة حركة (الطاقة الكينيتية) لهذا الرياضي.

2. أخذت سيارة كتلتها 1000 كغم بالتسارع من سرعة 36 كم / ساعة حتى وصلت إلى سرعة 72 كم / ساعة. احسبوا التغيير في طاقة حركة السيارة منذ بدأت بالتسارع وحتى نهايته.

*63*

تحويل طاقة الحركة وقانون حفظ الطاقة.

ما المشترك بين جميع الأحداث التالية: رياضي يتنافس في القفز إلى أعلى بواسطة الزانة، لاعب كرة قدم يركل الكرة ويطيرها إلى أعلى، رياضية تقفز إلى البحر عن صخرة عالية وتغوص عميقا في الماء، رياح تهب، وتحرك قاربا شراعيا؟

في هذه الحالات وفى حالات كثيرة أخرى تظهر طاقة حركة، ويمكن أن نصفها بواسطة تحولات طاقة - من طاقة حركة إلى أنواع أخرى من الطاقة أو بالعكس. في جميع هذه الحالات يتحقق قانون حفظ الطاقة، أي أن في كل حالة مجموع طاقة الأجسام (في النظام) قبل التحول مساو لمجموع طاقة الأجسام بعد التحول. دمج قانون حفظ الطاقة مع معادلة حساب طاقة الحركة، يمكننا من حساب سرعة الأجسام الموجودة في حالة حركة.

لتوضيح ذلك نناقش المثال التالي:

الرياضي الذي يشترك في مسابقة القفز بالزانة يحاول أن يقفز من فوق العارضة دون أن يسقطها. يبدأ الرياضي بالجري، ثم يزيد من سرعته، وفي اللحظة المناسبة يغرز قاعدة الزانة في الأرض ويدفع بجسمه إلى أعلى بواسطة الزانة، ويتحرك في الجو حتى يصل إلى الارتفاع المناسب الذي يمكنه من ترك الزانة ("لحظة القفز") والمرور فوق العارضة دون أن يوقعها أرضا. من لحظه القفز طاقة حركه الرياضي تتحول إلى طاقة ارتفاع له أو بالعكس (طبعا مع إهمال الاحتكاك مع الهواء). بناء على قانون حفظ الطاقة، التغير في طاقة حركة الرياضي يساوي التغير في طاقة ارتفاعه. الدمج بين قانون حفظ الطاقة وبين معادلة طاقة الحركة يمكنكم من حساب سرعة الرياضي في نقاط مختلفة أثناء حركته.

أسئلة

يشترك رياضي في مسابقة في القفز العالي بالزانة وينجح في القفز من فوق العارضة الموضوعة على ارتفاع 5 أمتار فوق الأرضية (مستوى مرجعي). كتلة جسم الرياضي هي 60 كغم. في لحظة القفز (عندما يترك الرياضي الزانة) كان ارتفاعه عن الأرضية 3 أمتار. تجاهلوا الاحتكاك مع الهواء.

(في الكتاب صورة للرياضي وتحتها مكتوب: التغير في طاقة حركة الرياضي مساو للتغير في طاقة ارتفاعه).

1. احسبوا التغير في طاقة الارتفاع والتغير في طاقة حركة الرياضي عندما كان يرتفع من نقطة القفز إلى الارتفاع الأعلى فوق العارضة.

2. ما هي طاقة حركة الرياضي في نقطة الارتفاع العليا؟ اشرحوا.

3. ما هي طاقة حركة الرياضي في نقطة القفز؟

4. احسبوا سرعة الرياضي في لحظة القفز.

5. ما هي الطاقة الإجمالية للرياضي في نقطة الارتفاع العليا؟

6. ما هي الطاقة الإجمالية وطاقة حركة الرياضي عندما يكون قريبا من سطح الأرض؟

7. بأي سرعة يسقط الرياضي على الأرض عند الانتهاء من القفز؟ اشرحوا السبب.

8. صفوا بواسطة رسوم بيانية دائرية (كعكة) كمية طاقة الرياضي في نقطة القفز إلى أعلى، في نقطة الارتفاع العليا، وهو يوشك أن يصطدم بالأرض.

*64*

استعمال طاقة الحركة لحاجان الإنسان.

طاقة الحركة هي أحد أنواع الطاقة العملية جدا التي يستغلها الإنسان لفائدته. نحن نستغل طاقة الحركة التي تظهر في ظواهر طبيعية مثل طاقة حركة هبوب الرياح أو حركة جريان مياه النهر. مثلا: في محطات توليد الكهرباء تتحول طاقة الحركة إلى طاقة كهربائية عملية يستخدمها الإنسان. كما أننا نستغل طاقة الحركة التي تظهر في عمليات من صنع أيدينا ونحولها إلى أنواع طاقة أخرى نحتاج إليها. مثلا، نحول طاقة حركة دوران عجلة دراجة هوائية بواسطة مولد (جنراتور/ دينامو) ملتصق بالعجلة إلى طاقة كهربائية تنتقل إلى مصباح الدراجة. بالإضافة إلى ذلك، نحن نحيل أنواع طاقة أخرى إلى طاقة حركة تخدم حاجاتنا. مثلا: في السيارة تحدث عملية تحويل طاقة كيميائية (احتراق الوقود في محرك السيارة) إلى طاقة حركة السيارة. في عدد من الأجهزة الكهربائية البيئية توجد أنظمة تكنولوجية تحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة حركة مثل؛ الخلاط (المكسر)، الغسالة والمقدح.

المروحة

أحد النماذج البارزة لاستخلاص طاقة حركة هو المروحة. في المروحة تتحول طاقة كهربائية إلى طاقة حركة أجنحة المروحة، والتي تنتقل إلى طاقة تحرك الهواء في الغرفة.

هناك من يعتقد بأن المروحة تبرد الهواء الذي في الغرفة وبذلك فهو يقوم بتبريد أجسامنا. عمليا، ما تقوم به أجنحة المروحة التي تدور هو انها تخلط الهواء. إذن، لماذا تبرد أجسامنا؟

(في الكتاب صورة لمروحة تحتها مكتوب: في المروحة تتحول طاقة كهربائية إلى طاقة حركة)

إنتاج طاقة حركة في المروحة

سريان الهواء في الغرفة يبعد الهواء الساخن والرطب الذي يتراكم بالقرب من أجسامنا، ويستبدله بهواء أكثر برودة. كما يزيد سريان الهواء بالقرب من الجسم من نجاعة عملية تطاير العرق عن الجلد وبذلك يساهم دوران المروحة بصورة غير مباشرة بتبريد جسمنا.

المروحة هي مثال لنظام تكنولوجي، وقد تكون أحد المكونات في أنظمة تكنولوجية معقدة أكثر، مثلما تعمل أنظمة التبريد في المركبات والمكيفات والحواسيب. في جميع هذه الحالات وظيفة المروحة هي إبعاد الهواء الساخن الذي يتراكم داخل النظام.

أسئلة

1. راقبوا عمل مروحة. صفوا بواسطة مخطط انسيابي تحولات الطاقة وانتقالات الطاقة التي تحدث في عملية تشغيل المروحة.

2. تعلمتم بأن للنظام التكنولوجي توجد ثلاثة مركبات: مدخلات، معالجة، ومخرجات. اذكروا ما هو المدخل في المروحة وما هي عمليات المعالجة التي تحدث فيها وما هو المخرج.

3. في أحد الأيام ارتفع الصوت الذي يصدر عن تشغيل المروحة ومن ذلك الوقت أصبح الصوت مزعجا أكثر من قبل.

أي من الجمل التالية هي الصحيحة في هذه الحالة؟

أ. طاقة كهربائية أقل تتحول إلى حرارة.

ب. حرارة أكثر تتحول إلى طاقة صوت.

ج. تحسنت نجاعة عمل المروحة.

د. طاقة كهربائية أقل تتحول إلى طاقة حركة.

*65*

السيارة.

تعمل معظم السيارات بواسطة وقود سائل مثل البنزين أو السولار. الوقود هو مصدر طاقة السيارة. تتحول هذه الطاقة من نوع طاقة إلى آخر وتنتقل من جسم إلى آخر. بهذه الطريقة تصبح حركة السيارة ممكنة.

يخزن الوقود في خزان الوقود ومنه ينتقل إلى المحرك. بواسطة نظام إشعال خاص يحرق الوقود، نتيجة للاحتراق تنبعث غازات بقوة كبيرة وتتكون حرارة. في هذه المرحلة طاقة كيميائية (ظهرت في عملية احتراق الوقود) تتحول إلى طاقة حركة للغازات، وإلى حرارة تسخن الهواء في المحيط. الغازات المنبعثة تفعل ضغطا على المكابس وتحركها، أي أن طاقة حركة الغازات المنبعثة تنتقل إلى طاقة حركة للمكابس. توجد في المحرك آلية خاصة تحول طاقة المكابس إلى حركة دائرية لعجلات السيارة. عندما تتحرك السيارة، تتحول طاقة حركتها إلى حرارة بسبب الاحتكاك بين العجلات والشارع وبسبب الاحتكاك بين السيارة نفسها وبين الهواء الذي يعترض طريقها. هذه الحرارة كلها تنبعث إلى البيئة.

فعالية - إلى الشبكة

سيارة مسافرة

زوروا موقع الإنترنت الحقيبة الرقمية للمرحلة الإعدادية - علوم وتكنولوجيا واختاروا مجال الفيزياء. ادخلوا موضوع الطاقة، واختاروا الموضوع الثانوي تحول الطاقة وحفظها وافتحوا الفعالية الطاقة في سيارة مسافرة.

(في الكتاب صورة للفعالية من موقع الانترنت)

أ. شغلوا السيارة وسافروا بها حتى ينفد الوقود.

ب. استعينوا بالرسوم البيانية التي في المحاكاة وتتبعوا التغيرات في أنواع الطاقة المختلفة والمجموع الإجمالي في النظام.

ج. انتبهوا إلى تحولات الطاقة في النظام وبشكل خاص في مرحلة التوقف.

أسئلة

1. حضروا مخططا انسيابيا لكل تحولات الطاقة وانتقالات الطاقة في السيارة المسافرة.

2. تسافر السيارة حتى ينفد الوقود الذي كان في خزان الوقود وعندها تتوقف.

أ. في نهاية السفر، إلى أي نوع طاقة تحولت الطاقة الكيميائية للوقود؟

ب. لماذا توقفت السيارة عندما نفذ الوقود من الخزان؟

*66*

3. نسي أيوب أن يملأ خزان سيارته بالوقود، لذلك فرغ الخزان من الوقود، فتوقف المحرك عن العمل وتوقفت السيارة عن السير. أي من الجمل التالية تصف ما حدث من لحظة تشغيل السيارة وحتى توقفها؟

أ. الطاقة الكيميائية كلها تحولت إلى حرارة.

ب. الطاقة الكيميائية كلها تحولت إلى طاقة حركة.

ج. معظم الطاقة الكيميائية تحولت إلى طاقة حركة وتحول القليل منها إلى حرارة.

د. معظم الطاقة الكيميائية تحولت إلى حرارة وتحول القليل منها إلى طاقة حركة.

4. اشرحوا: لماذا ينثرون الرمل على الشارع بعد سحب السيارات التي أصيبت في حادث طرق؟

الصاروخ والقذيفة الصاروخية.

تتحرك الصواريخ والقذائف الصاروخية بواسطة محرك صاروخي. في مثل هذا المحرك تتكون غازات نتيجة لعمليات احتراق أو تفاعلات كيميائية أخرى. تندفع الغازات من المحرك الصاروخي باتجاه واحد وتدفع الصاروخ أو القذيفة بالاتجاه المعاكس. في هذه العمليات تتحول طاقة كيميائية إلى طاقة حركة للغازات المنبعثة للقذيفة أو للصاروخ.

من لحظة انطلاقها تواصل الصواريخ التحرك بدون تحكم خارجي. وبالمقابل، فان الصواريخ مزودة بأنظمة توجيه تمكنها من التحكم باتجاه طيرانها.

مبدأ التحرك الصاروخي يشبه في جوهره بالونًا منفوخا نسمح للهواء الذي بداخله بالخروج. بما أن البالون مصنوع من مطاط مرن، فهو يفعل قوة على الهواء الذي بداخله ويدفعه إلى الخارج. أما الهواء الخارج من البالون فيفعل قوة على البالون ويدفعه بالاتجاه المعاكس. في هذه العملية الطاقة المرنة (طاقة مرنة: هي طاقة الجسم المرن وهو مشدود أو منقبض) للبالون المنفوخ تتحول إلى طاقة حركة للهواء المدفوع إلى الخارج وللبالون المتحرك.

(في الكتاب صورة لبالون كبير - سهم للأعلى: القوة التي يفعلها الهواء على البالون، سهم للأسفل: القوة التي يفعلها البالون على الهواء، تحت الصورة مكتوب: يتحرك البالون الى الأمام، لأن الهواء المدفوع الى الخارج يدفع البالون بالاتجاه المعاكس)

في الكتاب صورة لصاروخ: اتجاه حركة الصاروخ معاكس لاتجاه حركة الغازات المنبعثة من المحرك الصاروخيّ)

*67*

فعالية - مهمة تصميم

تحضير سيارة صاروخية أو قارب صاروخي.

في إطار مشروع للتلاميذ محبي العلوم والتكنولوجيا أعطي التلاميذ مهمة: تصميم سيارة أو قارب يسير بواسطة محرك صاروخي. حاولوا أنتم أيضا تصميم منتج من هذا النوع.

مرحلة أ: تشخيص الحاجة

شخصوا الحاجة والتحدي اللذين يواجهان تصميم السيارة أو القارب الصاروخي.

مرحلة ب: تشخيص المتطلبات

خمنوا المتطلبات التي يجب أخذها بعين الاعتبار عند تصميم السيارة أو القارب الصاروخي. اكتبوا الطلبات بناء على مدى أهميتها، من الأكثر أهمية حتى الأقل أهمية.

مرحلة ج: جمع معلومات وتنظيمها

توزعوا إلى مجموعات واجمعوا معلومات حول المواضيع التالية:

1. المحرك الصاروخي: اجمعوا معلومات عن الطرق المختلفة لتكوين غازات تحرك سيارتكم / قاربكم: غلي كمية صغيرة من المياه موجودة داخل أنبوب اختبار بواسطة شمعة، الغازات التي تنبعث من تفاعل كيميائي يحدث بين الخل والصودا، الهواء المندفع خارج بالون منفوخ، دفع الهواء بواسطة مروحة وغيرها. صفوا تحولات الطاقة التي تميز كل طريقة.

2. طرق لتغيير اتجاه حركة الجسم الذي يتحرك بواسطة محرك صاروخي: اجمعوا معلومات تتعلق بالطرق المختلفة لتغيير اتجاه حركة الأجسام التي تتحرك بواسطة محرك صاروخي. مثلا، يمكن تحرير الهواء من بالون منفوخ بواسطة قشة مص الشراب. تغيير اتجاه خروج الهواء عبر القشة يؤثر على اتجاه تقدم البالون بعد تحرير الهواء.

3. تقليص الاحتكاك مع الهواء أو مع الماء: افحصوا كيف يمكن تحقيق هذا الهدف في وسائل النقل المختلفة، مثلا: بواسطة شكل ديناميكي - مائي أو ديناميكي - هوائي.

4. اختيار المواد: اجمعوا معلومات عن المواد التي تبنى منها وسائل المواصلات، مثلا، كتلك التي تقلل كتلة الوسيلة، تمنحها متانة وما شابه.

مرحلة د: تصميم السيارة أو القارب الصاروخي

بالاستناد إلى الحاجة والتحدي اللذين شخصتموهما وبناء على المتطلبات وعلى تقصي المعلومات الذي قمتم به، اذكروا ما هي الطريقة التي اخترتموها لتحريك سيارتكم / قاربكم، ارسموا السيارة أو القارب الذي ترغبون في اقتراحه. سجلوا معطيات عددية كثيرة قدر الإمكان حولهما.

مرحلة ه: بناء نموذج

ابنوا السيارة / القارب الصاروخي الذي صمّمْتموه أو حضروا نموذجا يعرض مواصفاته.

اعرضوا النموذج الذي بنيتموه أمام الصف وناقشوا إمكانية إجراء تعديلات وتحسينات عليه.

(يوجد في الكتاب رسم لسيارة صاروخية تتحرك بواسطة بالون منفوخ).

*68*

طاقة الحركة على الشارع.

أنتم مسافرون في السيارة، فجأة توقفت السيارة التي أمامكم. ضغطت سائقة سيارتكم بقوة على دواسة الفرامل من أجل توقيف السيارة، تجاوبت السيارة وخففت سرعتها بشكل تدريجي ولكنها استمرت في السير حتى توقفت بعد مسافة معينة. ولحسن الحظ دون أن تصطدم بالسيارة التي أمامكم. في هذه السفرة حافظت السائقة على مسافة بينها وبين السيارة التي أمامها، وبذلك منعت حدوث اصطدام كان من المحتمل أن يلحق أضرارا بالسيارة والأسوأ من ذلك أن يؤدي إلى إصابتكم أو إصابة غيركم. في كثير من الأحيان مثل هذه الحالة من المحتمل أن تؤدى إلى إلحاق خسائر في الممتلكات أو الأرواح. في إسرائيل حادث واحد من كل خمسة حوادث ينجم عن عدم المحافظة على مسافات كافية بين السيارات.

ما هي المسافة الآمنة التي يجب المحافظة عليها بيننا وبين السيارة التي أمامنا لكيلا نصطدم بها في حالة فرملة طوارئ؟ لكي نفهم ذلك نفحص ما الذي يحدث عندما تتوقف السيارة بعد مسافة فرملة طوارئ، ونتعرف على المصطلحات: مسافة فرملة، زمن رد الفعل، مسافة رد الفعل، ومسافة التوقف.

أنتم تعرفون الآن بأن لكل سيارة تسير على الشارع توجد طاقة حركة. عندما يضغط على دواسة الفرامل عند فرملة الطوارئ تحتك فرامل السيارة بشدة بالعجلات وتخفف سرعة دوران العجلات. نتيجة لهذا الاحتكاك بين العجلات والفرامل وبين العجلات والشارع، تتضاءل طاقة حركة السيارة بشكل تدريجي وتتحول إلى حرارة. عندما تكون طاقة حركة السيارة قد تحولت كلها إلى حرارة - تتوقف السيارة.

من هذا الوصف يتبين أن الفرملة هي عملية تدريجية. عندما يفرمل السائق لا تتوقف السيارة فورا ودفعة واحدة، بل تقطع مسافة معينة حتى تتوقف بشكل كامل. المسافة التي تقطعها السيارة من لحظة الضغط على دواسة الفرامل وقت فرملة الطوارئ وحتى التوقف الكامل للسيارة يسمى: مسافة الفرملة. (مسافة فرملة - المسافة التي تقطعها سيارة منذ بداية فرملة طوارئ وحتى التوقف التام.)

المسافة التي تقطعها السيارة بين لحظة رؤية الخطر (ملاحظة ضرورة أو وجوب التوقف) وحتى توقفها بشكل كامل أكبر من مسافة الفرملة. لماذا؟

مسافة الفرملة تقاس من لحظة ضغط السائق بقوة على دواسة الفرامل، ولكن، كل واحد وواحدة منا يحتاج إلى وقت معين ما بين رؤية الخطر (ملاحظة ضرورة أو وجوب التوقف) والضغط على دواسة الفرامل. هذا الوقت يسمى زمن رد الفعل (زمن رد الفعل - الزمن الذي يمر من لحظة تمييز الحاجة إلى التوقف وحتى بداية الفرملة.)

في هذه الفترة الزمنية تقطع السيارة مسافة معينة تسمى مسافة رد الفعل (مسافة رد الفعل - المسافة التي تقطعها السيارة أثناء رد الفعل(

المسافة الإجمالية التي تقطعها السيارة من لحظة رؤية السائق أو السائقة للخطر (ملاحظة ضرورة أو وجوب التوقف) وحتى التوقف؛ الكامل للسيارة مؤلف من مسافة رد الفعل ومسافة الفرملة. تسمى هذه المسافة مسافة التوقف. (مسافة التوقف - المسافة التي تقطعها سيارة منذ لحظة تمييز السائق أو السائقة بالحاجة إلى التوقف وحتى التوقف التام. وهذه المسافة تساوي مجموع مسافة رد الفعل ومسافة الفرملة) مسافة التوقف هي عمليا أقل مسافة يجب أن نحافظ عليها بيننا وبين السيارة التي أمامنا كيلا نصطدم بها في حالة فرملة طوارئ.

*69*

يمكن التعبير عن العلاقة بين مسافة رد الفعل، مسافة التوقف ومسافة الفرملة بواسطة المعادلة:

مسافة التوقف تساوي مسافة رد الفعل زائد مسافة الفرملة

العوامل التي تؤثر تسم مسافة التوقف.

مسافة توقف السيارة هي التي تحدد أقصر مسافة يجب أن نحافظ عليها بيننا وبين السيارة التي أمامنا، ولكن هذه المسافة ليست ثابتة ويمكن أن تطول في ظروف معينة. فرق من عدة سنتيمترات في مسافة التوقف ممكن أن يقرر حدوث أو عدم اصطدام، ولذلك من المهم أن نتعرف على العوامل التي تؤثر على مسافة التوقف والتصرف بموجب ذلك.

هناك عدة عوامل رئيسة تؤثر على مسافة التوقف:

1. سرعة السيارة

2. زمن رد فعل السائق

3. الاحتكاك مع الشارع

1. تأثير السرعة على مسافة التوقف

السياقة بسرعة عالية من المحتمل أن تكون خطيرة لأسباب مختلفة. أحد هذه الأسباب الرئيسة هو زيادة مسافة التوقف: عندما نسوق بسرعة، تقل احتمالات قدرة السيارة على التوقف قبل الاصطدام بالسيارة التي أمامها. السرعة تؤثر على مسافة التوقف، وعلى مسافة رد الفعل وكذلك على مسافة الفرملة ولكن بشكل مختلف على كل واحد منها.

تأثير السرعة على مسافة الفرملة - مسافة الفرملة متعلقة بطاقة حركة السيارة وقت فرملة الطوارئ. بناء على معادلة حساب طاقة الحركة، عندما تتضاعف سرعة السيارة عدد من المرات، طاقة حركتها تتضاعف بنفس عدد المرات تربيع. لذلك فإن مسافة فرملة السيارة تتضاعف بنفس العدد تربيع. مثال، إذا تضاعفت السرعة مرتين، أي من 40 كم / ساعة إلى 80 كم / ساعة، فإن مسافة الفرملة تتضاعف أربع مرات (2^2).

(في الكتاب رسمين توضيحيين: في الرسم الأول سيارة سرعتها 40 كم / ساعة فتكون مسافة رد الفعل 62 مترًا ومسافة الفرملة 60 مترًا، وفي الرسم الثاني سيارة سرعتها 80 كم / ساعة فتكون مسافة رد الفعل 124 مترًا ومسافة الفرملة 240 مترًا.

عندما تتضاعف سرعة السيارة مرتين، تتضاعف مسافة رد الفعل مرتين وتتضاعف مسافة الفرملة ل (2^2) مرات.

*70*

تأثير السرعة على مسافة رد الفعل - يمكن التعبير عن مسافة رد الفعل بواسطة المعادلة:

مسافة رد الفعل = سرعة السيارة * زمن رد الفعل

بناء على هذه المعادلة يمكننا أن نلاحظ بأن مسافة رد الفعل تزداد كتما ازدادت سرعة سير السيارة، وبنفس النسبة. مثال، إذا تضاعفت السرعة مرتين فإن مسافة رد الفعل تتضاعف مرتين أيضا.

سؤال

في أحوال الطقس العادية مسافة فرملة سيارة عائلية تسير بسرعة 36 كم / ساعة هي 20 مترا. كم ستكون مسافة فرملة هذه السيارة إذا كانت سرعتها 72 كم / ساعة؟

2. تأثير زمن رد الفعل على مسافة التوقف

متوسط رد فعل السائقين هو حوالي 0.75 ثانية، ولكنه يختلف من شخص إلى آخر ويتعلق بأمور مختلفة منها عمر السائق ومدى يقظته. لزمن رد الفعل يوجد تأثير على مسافة رد الفعل، ولذلك على مسافة التوقف أيضا، وذلك بحسب المعادلة:

مسافة رد الفعل = سرعة السيارة * زمن رد الفعل

مثال، نحسب بواسطة هذه المعادلة مسافة رد الفعل لسيارة تسير بسرعة 25 متر /ثانية (90 كم / ساعة) يسوقها سائق زمن رد فعله هو ثانية واحدة:

مسافة رد الفعل تساوي (1 ثانية) ضرب (25 متر / ثانية) تساوي 25 مترا

إذا لأسباب مختلفة تضاعف زمن رد الفعل، فإن مسافة رد الفعل تتضاعف هي أيضا وتصبح 50 مترا! وهذا فرق كبير في المسافة، وقد يكون خطرا إذا كان السائق لا يحافظ على مسافة كافية من السيارة التي أمامه، أو من مشاة قرروا فجأة قطع الشارع أمامه.

سؤال

سائق زمن رد فعله هو 0.75 ثانية يسوق سيارته داخل المدينة بسرعة 15 متر / ثانية (54 كم / ساعة).

أ. احسبوا مسافة رد الفعل التي تقطعها السيارة.

ب. رميت، فجأة، كرة على الشارع، على بعد 10 أمتار أمام السيارة. هل تدوس السيارة الكرة؟ إذا كان الجواب نعم، فبأي سرعة تصدمها؟ اشرحوا السبب.

*71*

3. تأثير الاحتكاك على مسافة التوقف

تتم فرملة الطوارئ بفضل الاحتكاك بين الفرامل وعجلات المركبة وبفضل الاحتكاك بين العجلات والإسفلت على الشارع. يؤدي الاحتكاك إلى تحويل طاقة الحركة إلى حرارة. كلما كان الاحتكاك أقل كانت كمية الطاقة المتحولة إلى حرارة في كل ثانية أقل، ولذلك تكون مسافة الفرملة أطول. يتعلق الاحتكاك بين عجلات المركبة وبين الشارع بعوامل مختلفة، مثل: وضع الشارع ووضع الإطارات. عندما يكون الشارع رطبا أو مكسوا بطبقة زيت أو بطبقة جليد، فإن الاحتكاك بين الشارع والإطارات يقل ومسافة الفرملة تطول. عند السياقة في مثل هذه الحالات يطلب من السائقين، الأخذ بأسباب الحذر، والمحافظة على مسافة كبيرة بينهم وبين السيارات التي أمامهم بالمقارنة مع السفر على شارع غير رطب أو غير مكسو بطبقة زيت أو جليد.

نوضح ذلك بواسطة المثال التالي:

(في الكتاب صورة: حادث اصطدام لسيارتين - اصطدام نتيجة انزلاق على جليد تكون على الشارع)

(في الكتاب جدول مكون من عامودين و - 5 صفوف)

(في الكتاب رسمين توضيحيين: في الرسم الأول سيارة تسافر على شارع جاف وسيارة تسافر على شارع رطب. عند فرملة الطوارئ في شارع رطب، الاحتكاك بين عجلات السيارة يقل ومسافة التوقف تطول)

*72*

أسئلة

1. على أي من مركبات مسافة التوقف يؤثر الاحتكاك مع الشارع - على مسافة رد الفعل، على مسافة الفرملة، أم على كليهما؟ اشرحوا.

2. فيما يلي معطيات حول مسافات التوقف لشاحنة تسير بنفس السرعة على شارع رطب، في حالتين؛ مع إطارات جديدة ومع إطارات متآكلة.

(في الكتاب صورة لشاحنة مع إطارات جديدة - 34 مترًا وصورة لشاحنة مع إطارات متآكلة - 49.6 مترًا).

اشرحوا بالاستعانة بالمعطيات لماذا من المهم الحرص على تبديل الإطارات القديمة بإطارات جديدة. تطرقوا في شرحكم إلى تأثير الاحتكاك على مسافة التوقف.

فعالية

إلى الشبكة - فعالية تعاونية

العوامل المؤثرة على مسافة التوقف

زوروا موقع الإنترنت الحقيبة الرقمية للمرحلة الإعدادية - علوم وتكنولوجيا، واختاروا مجال الفيزياء. ادخلوا إلى موضوع الحركة والقوى، واختاروا الوحدة التعليمية مسافة التوقف.

في هذه الفعالية تخططون تجارب لفحص تأثير عوامل مختلفة على مسافة توقف السيارة، وتبحثونها بواسطة محاكاة.

يمكنكم أن تبحثوا في هذه الفعالية مواضيع مختلفة، مثلا:

- تأثير السرعة على مسافة التوقف (مسافة رد الفعل ومسافة الفرملة).

- تأثير زمن رد الفعل على مسافة التوقف (مسافة رد الفعل ومسافة الفرملة).

- تأثير عوامل مختلفة (مثل عدم الانتباه) على زمن رد الفعل.

أ. استعينوا بمراحل عملية البحث؛ صوغوا سؤال البحث، خمنوا ما هو جواب سؤال البحث، حددوا العامل المؤثر، العامل المتأثر والعوامل الثابتة. كرروا التجربة عدة مرات وصفوا نتائج الإعادات المتكررة المختلفة في التجربة واستخلصوا الاستنتاجات. تطرقوا إلى قيود التجربة.

ب. اعرضوا البحث الذي أجريتموه أمام الصف. فصلوا التجربة التي أجريتموها واعرضوا النتائج والاستنتاجات وتوصياتكم.

ج. على ضوء نتائج التجارب التي قمتم بها في المحاكاة، حضروا منتجا تعاونيا (لافتة، عرض تقديمي، نشرة معلومات وما شابه) فيه توصيات ونصائح للمشاة وللسائقين حول السلوك الصحيح على الشارع.

*73*

فعالية - تنور علمي

رسائل نصية (sms) خلال السياقة - ما هي خطورة ذلك؟

اقرءوا قطعة المعلومات التالية ونفذوا المهمات المطلوبة في نهايتها:

بناء على معطيات نشرت في الولايات المتحدة، تبين أن أكثر من 100 ألف حادث طرق في الدولة ينجم عن كتابة رسائل نصية أو قراءتها أو كتابة بريد إلكتروني أو قراءته أثناء السياقة. تحصد هذه الحوادث أرواح حوالي 6,000 شخص بالمعدل في السنة. هذا بالإضافة إلى أكثر من 600 ألف شخص في الولايات المتحدة (أي حوالي ربع المصابين في حوادث الطرق) يصابون في كل سنة في حوادث طرق تنجم عن انشغال السائقين بإرسال رسائل نصية أو بتصفح الإنترنت أثناء السياقة.

حوالي 20 بالمائة من السائقين في الولايات المتحدة يرسلون، بشكل دائم، رسائل نصية خلال قيادة السيارة، كما أن الوضع في إسرائيل ليس أفضل بكثير. تبين من استطلاع أجرته جمعية "أور يروك" أن واحدا من كل أربعة سائقين يقوم بكتابة رسائل نصية أو قراءتها أثناء السياقة. استعمال الهاتف الخلوي أثناء السياقة هو أحد العوامل الأساسية لشرود الذهن والذي يؤثر سلبيا على زمن رد الفعل عند السائقين.

فحص بحث أجرى في الولايات المتحدة في سنة 2011 مدى تأثير الانشغال بالرسائل النصية أثناء السياقة على زمن رد الفعل. اشترك في هذا البحث 42 رجلا وامرأة من أعمار مختلفة، وساقوا سيارة حقيقية على طريق مستقيم طوله 18 كم. تتبع الباحثون زمن رد فعل السائقين على ضوء أخضر متقطع، وتتبعوا كذلك الطريقة التي حافظوا فيها على السير في مسار سفرهم. فحص الباحثين 3 مجموعات:

مجموعة سائقين لم يستعملوا الهاتف المحمول، مجموعة سائقين كتبوا رسالة نصية أثناء السياقة، ومجموعة سائقين قرأوا رسالة نصية أثناء السياقة.

نتائج قياس زمن رد الفعل مفصلة في الجدول التالي:

(في الكتاب جدول مكون من عامودين و-4 صفوف)

أسئلة

1. صفوا بلغتكم نتائج التجربة.

2. احسبوا مسافة رد الفعل لمركبة سرعتها 25 متر / ثانية (9 كم / ساعة) في حالات السائقين المختلفة. انسخوا الجدل إلى دفتركم، وأضيفوا عليه عمودًا ا فيه تسجلون مسافة رد الفعل التي حسبتموها.

يمكنكم كذلك، إضافة أعمدة أخرى تسجلون فيها مسافات رد الفعل لمركبه تسير بسرعات مختلفة.

3. ما هي الاستنتاجات من نتائج هذه التجربة؟

4. كيف تفسر نتائج التجربة العلاقة بين استعمال الهاتف المحمول أثناء السياقة وبين الازدياد في حوادث الطرق؟

5. (مهمة تعاونية) حضروا منتجا ملخصا (لافتة، عرض تقديمي، فيلم قصير وما شابه) هدفه إقناع السائقين في عدم استعمال الهاتف المحمول أثناء السياقة.

في تحضير المنتج الملخص اعتمدوا على المعلومات التي جمعتموها في المهمة، وعلى معرفتكم ومعلوماتكم عن طاقة الحركة ومسافة التوقف. يمكنكم جمع المزيد من المعلومات بواسطة توزيع استبيانات والاستعانة بمصادر معلومات أخرى.

*74*

إجمال

- مسافة رد الفعل هي المسافة التي تقطعها السيارة من لحظة مشاهدة السائق للخطر (ضرورة التوقف) وحتى الضغط على دواسة الفرامل.

- مسافة الفرملة هي المسافة التي تقطعها السيارة من اللحظة التي يبدأ السائق بالفرملة وحتى توقف السيارة بشكل كامل.

- مسافة التوقف هي مجمل المسافة التي تقطعها السيارة من لحظة مشاهدة السائق الخطر وحتى توقفها الكامل. هذه المسافة تساوي مجموع مسافة رد الفعل مع مسافة الفرملة.

- كلما تضاعفت سرعة السيارة بعدد معين من المرات، تضاعفت مسافة الفرملة بتربيع نفس العدد من المرات.

- كلما كان الاحتكاك بين السيارة والشارع أكبر، كانت مسافة الفرملة أصغر.

- لزمن رد فعل السائق يوجد تأثير على مسافة رد الفعل. يتأثر زمن رد الفعل من عوامل مختلفة، منها سن السائق ومدى انتباهه ويقظته.

- استعمال الهاتف المحمول أثناء السياقة يزيد إلى حد كبير زمن رد فعل السائق، وعليه فإنه يطيل مسافة رد الفعل ومسافة التوقف.

أسئلة

1. سيارة كتلتها 1،000 كغم تسير بسرعة 36 كم / ساعة.

أ. احسبوا طاقة الحركة (الطاقة الكينيتية) للسيارة. بينوا طريقة الحل.

ب. ما هو التغيير في طاقة حركة السيارة عندما تتوقف؟

ج. يزيد السائق سرعة السيارة من 36 كم / ساعة إلى 90 كم / ساعة. بكم مرة تكبر السرعة؟ بكم مرة تكبر طاقة حركة السيارة؟

2. كرة قدم كتلتها 1 كغم ركلت بسرعة 5 متر / ثانية نحو الأعلى.

أ. احسبوا طاقة حركة الكرة بعد ركلها مباشرة.

ب. ما هو التغيير في طاقة حركتها من لحظة ركلها وحتى وصولها إلى أقصى ارتفاع لها في مسار حركتها؟ اشرحوا السبب.

3. طاقة حركة سيارة تسير بسرعة 54 كم / ساعة 15 (متر /ثانية) هي100،000 جول.

في حالة فرملة طوارئ، إذا انزلقت السيارة مسافة متر واحد على الشارع، كمية 5،000 جول من طاقة حركتها تتحول إلى حرارة. احسبوا مسافة الفرملة لهذه السيارة.

4. كيف تتغير مسافة الفرملة للسيارة المذكورة في السؤال السابق عندما ترتفع سرعتها إلى 108 كم / ساعة (30 متر / ثانية)؟ بكم مرة تتضاعف مسافة الفرملة؟

*75*

5. ولد كتلته 40 كغم ينزلق على زلاقة على شكل منحدر حاد تنتهي بمقطع أفقي موجود على مستوى سطح الماء. يبدأ الولد بالانزلاق من حالة سكون من ارتفاع 5 أمتار فوق سطح الماء.

أ. ما هي طاقة حركة الولد في اللحظة التي يبدأ فيها اشرحوا السبب؟

ب. كم ستكون سرعة الولد في بداية المقطع الأفقي من الزلاقة؟ بينوا طريقة الحل.

ج. الرمل الذي نثر على المقطع الأفقي من الزلاقة سبب وجود احتكاك بين الولد والزلاقة في هذا المقطع. نتيجة لذلك في كل متر ينزلق فيه الولد على هذا المقطع الأفقي، طاقة حركة مقدارها 500 جول تتحول إلى حرارة. ما هي المسافة التي يقطعها الولد على المقطع الأفقي حتى يتوقف كليا؟ بينوا طريقة الحل.

6. رصاصة كتلتها 60 غراما أطلقت بسرعة 1,000 متر /ثانية باتجاه لوح خشبي. أصابت الرصاصة اللوح، واخترقته واستمرت في الحركة بسرعة 500 متر / ثانية.

ا. احسبوا التغيير في طاقة حركة الرصاصة في الوقت الذي اخترقت فيه اللوح. بينوا طريقة الحل.

بكم مرة صغرت سرعة الرصاصة؟ بكم مرة صغرت طاقة حركتها؟

ب. أظهر مقياس حرارة ارتفاعًا في درجة حرارة اللوح في المنطقة التي نفذت منها الرصاصة. اشرحوا السبب.

7. سكة مكونة من قسمين: القسم الأول على شكل منحدر مالس جدا. القسم الثاني أفقي وخشن. من أعلى المنحدر من ارتفاع متر واحد بالنسبة إلى القسم الأفقي من السكة، حررت كرة حديد كتلتها 500 غرام. عندما وصلت الكرة إلى بداية القسم الأفقي اصطدمت بمكعب خشب موضوع على السكة بعد الاصطدام تحرك مكعب الخشب على امتداد القسم الأفقي من السكة حتى توقف.

)

في الكتاب صورة لكرة حديد موجود على ارتفاع 1 متر ومن الكرة سكة الى مكعب خشب)

أ. اشرحوا: لماذا توقف مكعب الخشب في نهاية الأمر؟

ب. احسبوا سرعة كرة الحديد قبل اصطدامها بمكعب الخشب. بينوا طريقة الحل

8. سيارتان لهما نفس الكتلة. تسير السيارة الأولى بسرعة 90 كم / ساعة، وتسير الأخرى بسرعة 30 كم / ساعة. بعد مضي وقت ما توقفت السيارتان. بكم مرة يكبر التغيير في طاقة حركة السيارة السريعة عن التغيير في طاقة حركة السيارة البطيئة؟

*76*

9. يصف الرسم البياني التالي مسافة التوقف ومسافة الفرملة ومسافة رد الفعل لسيارة وهي تسير بسرعات مختلفة. تمعنوا في الرسم ثم أجيبوا عن الأسئلة التالية:

(في الكتاب رسم لسيارات سرعتها مختلفة - من 60 (كم / ساعة) الى 110 (كم / ساعة)، ومسافة رد الفعل والفرملة لكل منها، استعن بالمعلم)

أ. كيف كبرت مسافة رد الفعل عندما تضاعفت سرعة السيارة ب 1.5 مرة؟ أعطوا مثالا من المعطيات في الرسم البياني.

ب. كيف كبرت مسافة الفرملة عندما تضاعفت سرعة السيارة ب 1.5 مرة؟ أعطوا مثالا من المعطيات في الرسم البياني.

10. أراد تلاميذ أن يفحصوا، في إطار "مشروع رواد العلم"، العلاقة بين طاقة حركة سيارة وبين سرعتها.

لخدمتهم أبدى سائق متطوع استعدادا للتعاون معهم في المشروع. طلبوا منه أن يسوق سيارة كتلتها 1.5 طن بعدة سرعات مختلفة، وأن يفرمل في كل مرة حتى تتوقف السيارة. نتيجة للفرملة ارتفعت درجة حرارة الشارع والإطارات. كان التلاميذ مزودين بمجس درجة حرارة خاص مكنهم من قياس الارتفاع في درجة حرارة إطارات السيارة. فيما جدول يصف النتائج التي حصل عليها التلاميذ:

(في الكتاب جدول مكون من عامودين و - 8 صفوف)

أ. ما هو هدف التجربة التي نفذها التلاميذ؟

ب. ما هو العامل المؤثر وما هو العامل المتأثر في هذه التجربة؟

ج. صفوا عملية توقف السيارة بمصطلحات تحولات الطاقة.

د. عم يعبر الارتفاع في درجة حرارة الإطارات؟

ه. ارسموا رسما بيانيا يبين الارتفاع في درجة الحرارة كدالة لمربع سرعة السيارة. هل المنحنى الذي حصلتم عليه يظهر تناسبًا طرديًا بين الارتفاع في درجة الحرارة وبين مربع سرعة السيارة؟

و. ما الاستنتاج من هذه التجربة؟

*77*

الفصل 4: الطاقة في الأنظمة الكهربائية

*77*

سنتعلم في هذا الفصل أن.

- إمكانية تحويل الطاقة الكهربائية إلى شتى أنواع الطاقة الأخرى قائمة.

- جهد المصدر في الدائرة على التوالي يساوي مجموع الجهود على كل واحد من المكونات الكهربائية فيه، وأن شدة التيار متساوية في كل نقطة ونقطة فيه.

- جهد المصدر في الدائرة على التوازي يساوى الجهد على كل واحد من المكونات الكهربائية المتصلة به، وأن شدة التيار في المسار الرئيس تساوي مجموع شدد التيارات في جميع الفروع الخارجة منه.

- قانون أوم يصف العلاقة بين شدة التيار، الجهد والمقاومة الكهربائية.

- القدرة الكهربائية هي وتيرة تحويل الطاقة الكهربائية في الجهاز الكهربائية.

- كفاءة الجهاز الكهربائي تعبر عن نجاعته في استخلاص طاقة عملية.

مصطلحات سنتعرف عليها:

طاقة كهربائية

تيار كهربائي

شدة التيار الكهربائي

مقياس التيار (امبيرمتر)

توصيل كهربائي

مقاومة كهربائية

جهد

مقياس الجهد (فولتمتر)

قدره

كفاءة

*78*

مقدمة

طاقة كهربائية - طاقة الجسيمات ذات الشحنة الكهربائية (مثل إلكترونات) المتحركة بحركة موجهة (باتجاه معين) في دائرة كهربائية مغلقة.

الطاقة الكهربائية: هي الطاقة العملية، المتاحة والأكثر انتشارا بين أنواع الطاقة التي نستعملها في أيامنا. اكتشفت ظاهرة الكهرباء في القرن ال 18، إلا أن أول محطة كهرباء والتي زودت الكهرباء لمدينة كاملة بنيت في أواخر القرن ال 19 فقط في مدينة نيويورك. منذئذ وحتى اليوم نستخدم الطاقة الكهربائية في البيت، وفي الصناعة والزراعة. اعتمادنا اليوم على الطاقة الكهربائية آخذ بالتزايد، والتقدير أنه بين سنوات 2010-2040 من المتوقع أن يزيد استهلاك الطاقة العالمي بنسبة 56 بالمائة.

لاستخدام الطاقة الكهربائية حسنات هامة: أنها قابلة للنقل لمسافات طويلة بواسطة أسلاك كهرباء، ويمكن تحويلها بسهولة إلى أنواع أخرى من الطاقة (مثل حرارة، وطاقة ضوء، وطاقة صوت أو طاقة حركة) بواسطة أجهزة مختلفة. إذن، لا عجب أن الأجهزة الكهربائية أصبحت جزءا لا يتجزأ من حياتنا اليومية. من المهم أن نذكر أنه لكي يمر تيار كهرباء عبر جهاز كهربائي ولكي تتحول الطاقة الكهربائية إلى نوع الطاقة المطلوب، على الجهاز الكهربائي أن يكون جزءا من دائرة كهربائية مغلقة.

توجد اليوم في السوق تشكيلة واسعة جدا من الأجهزة الكهربائية، وعند شراء منتج كهربائي تثار تساؤلات كثيرة. مثلا، أي مصباح يجدر أن نشتري: مصباح توهج، فلورسنت، LED أو PL؟

ما هي اعتبارات الاختيار الحكيم والذكي لمنتجات الكهرباء واستخدامها الصحيح؟ كيف نحدد استهلاك الطاقة الكهربائية في الأجهزة المختلفة؟ ما الذي يقرر وتيرة تحول الطاقة في الجهاز؟

الإجابات عن هذه الأسئلة وغيرها موجودة في هذا الفصل. سنتعلم منه عن تحولات وانتقالات طاقة كهربائية تحدث أثناء تشغيل أجهزة كهربائية. وسنعمق فهمنا للدوائر الكهربائية البسيطة والمركبة. نتعلم ما هو الجهد الكهربائي، ما هي شدة التيار الكهربائي، ما هي المقاومة الكهربائية، وما العلاقة بين جميعها.

كما سنفهم ما هي القدرة الكهربائية وما هي الكفاءة، نتعلم حساب قيم مختلفة تتعلق بانتقاد تيار كهربائي في دوائر كهربائية، ونتعرف على معايير توجهنا لاتخاذ قرارات عند شراء أجهزة كهربائية وأثناء استخدامها.

يرافق هذا الفصل مختبر كهرباء أون لاين يمكنكم بمساعدته بناء دوائر كهربائية على لوح كهربائي. تحت تصرفكم في هذا المختبر مكونات مختلفة! أسلاك موصلة، بطاريات، بركم (مدخرة)، مفتاح، عازلات، وموصلات مختلفة. في الدوائر التي تبنونها في هذا المختبر يمكنكم أن تدمجوا أجهزة كهربائية مثل عازف، روبوت راقص، مروحة ومصابيح، وكذلك إجراء قياسات لشدة التيار الكهربائي والجهد الكهربائي بمساعدة مقياس تيار ومقياس جهد.

*79*

الدائرة الكهربائية.

تتكون الدائرة الكهربائية من مجموعة مكونات كهربائية مرتبطة فيما بينها بواسطة موصلات بصورة تتيح سريان تيار كهربائي. المكونات الأساسية في الدائرة الكهربائية هي: مصدر كهرباء، (بطارية، مركم أو مولد)، أسلاك موصلة (أسلاك كهرباء) ومستهلكات (أجهزة كهربائية). من المتبع تسمية مصدر كهربائي باسم مزود جهد. عندما تكون جميع المكونات موصولة بدائرة، تتكون دائرة كهربائية مغلقة وتعمل الأجهزة الكهربائية. عندما لا تكون المكونات موصولة، تكون الدائرة الكهربائية مفتوحة والأجهزة لا تعمل.

(يوجد صورتان لدائرة كهربائية مفتوحة ولدائرة كهربائية مغلقة، سيتم شرحهما من قبل المعلم).

يمكن أن تشمل الدوائر الكهربائية مكونات كهربائية إضافية، مثل مقاومات الموجودة أيضا في المستهلكات. المقاوم هو مكون كهربائي مصنوع من مواد موصلة معينة (مثل فلزات)، ووظيفته مقاومة مرور تيار كهربائي عبره. المقاومة الكهربائية للمقاوم (ولكل مكون كهربائي أخر) هي خاصية تصف مدى مقاومته لمرور التيار عبره، ويتعلق مدى المقاومة بنوع المادة المصنوع منها المكون الكهربائي وفي شكله. مثلا، مقاومة مكون كهربائي على شكل سلك موصل مصنوع من كروم ونيكل تتعلق بطوله وقطره. كلما كان السلك أطول - كانت مقاومته أعلى، وكلما كان قطر السلك أكبر - كانت مقاومته أقل كما أن للأسلاك الموصلة في دائرة كهربائية مقاومة، ولكنها مصنوعة من مواد مقاومتها أقل ما يمكن. في الدوائر التي سنبحثها سنهمل مقاومة الأسلاك والبطارية.

- مقاوم: مكون كهربائي يقاوم مرور التيار عبره. يتكون المقاوم من مواد موصله معينة (مثل الفلزات).

- مقاومة كهربائية: صفة مقاوم أو أي مكون كهربائي آخر يمثل مدى المقاومة لمرور تيار كهربائي عبره.

*80*

هناك مقاومات هدفها زيادة المقاومة الكهربائية في الدائرة لخفض شدة التيار (مثلا، لحماية مكونات من الضرر)، وهناك مقاومات هدفها تحويل طاقة كهربائية إلى حرارة (مثلا، جسم التسخين في فرن الخبز أو إبريق كهربائي). كما أن الأسلاك المتوهجة في المصابيح هي مثال لمقاومات هدفها تحويل طاقة كهربائية إلى طاقة ضوئية (ويحدث فيها تحويل إلى حرارة أيضا). كذلك، هناك مقاومات يمكن تغيير مدى مقاومتها لانتقال تيار كهربائي عبرها. يدعى هذا مقاوم متغير، وهو أحد المكونات الأساسية للمعتام (dimmer) جهاز كهربائي يسمح بالتحكم بشدة الإضاءة في المصابيح.

(في الكتاب صور لمقاومات مختلفة: جسم تسخين، مقاوم متغير - معتام (مخفت ضوء)، مقاوم متغير، سلك توهج في مصباح)

من المتبع تمثيل مكونات الدائرة الكهربائية برموز متفق عليها، كما نرى في الجدول التالي.

جدول رموز متفق عليها لتمثيل مكونات الدائرة الكهربائية.

(في الكتاب جدول فيها الرموز المتفق عليها لمكونات الدائرة الكهربائية: مصباح، مفتاح مفتوح، مفتاح مغلق، مصدر كهربائي، أسلاك موصلة، مقاوم، مقياس تيار، مقياس جهد)

*81*

سؤال

أمامكم 3 دوائر رسمت بمساعدة رموز متفق عليها لمكونات الدائرة الكهربائية.

أ. اذكروا بالنسبة لكل دائرة إن كانت مفتوحة أم مغلقة.

ب. اذكروا المكونات الكهربائية في الدائرة ج.

استعينوا بجدول الرموز المتفق عليها لتمثيل مكونات الدائرة الكهربائية.

(يوجد ثلاثة دوائر كهربائية سيتم شرحها من قبل المعلم).

- في الدائرة الكهربائية 3 مكونات أساسية:

- مصدر كهربائي.

- أسلاك موصلة

- مستهلك واحد أو أكثر.

مقادير في الدائرة الكهربائية.

يتميز أداء دائرة كهربائية بثلاثة مقادير:

أ. شدة التيار الكهربائي.

ب. الجهد الكهربائي للمصدر.

ج. المقاومة الكهربائية لمكونات الدائرة.

أ. شدة التيار الكهربائي (I).

يعمل الجهاز الكهربائي عندما يمر فيه تيار كهربائي التيار ألكهربائي هو حركة موجهة (باتجاه معين) للجسيمات تحمل شحنة كهربائية. في الدوائر الكهربائية التي يوجد فيها أسلاك موصلة للكهرباء، التيار الكهربائي هو حركة موجهة لإلكترونات.

الفلزات والغرافيت هي أمثلة لمواد موصلة. موصل هو مادة تسمح للتيار الكهربائي بالمرور عبرها. هناك موصلات جيدة وهناك موصلات رديئة التوصيل. مادة لا تسمح للتيار بالمرور عبرها تدعى عازلا، مثلا الخشب والبلاستيك.

*82*

كيف يتكون تيار كهربائي في دائرة؟

المواد الموصلة للكهرباء (مثل الفلزات) مبنية بحيث تحتوي على إلكترونات حرة أيضا. تتحرك هذه الإلكترونات داخل المادة في جميع الاتجاهات بصورة عشوائية، أي دون تفضيل اتجاه.

عند إغلاق الدائرة، يعطى مصدر الكهرباء (البطارية) "دفعة" لهذه الإلكترونات الحرة ويحركها في نفس الوقت باتجاه واحد، إضافة لحركتها العشوائية. أي، عند إغلاق الدائرة، ينتج تيار كهربائي في نفس الوقت في جميع أجزائها المختلفة. وكتما كان دفع الإلكترونات أقوى، كانت شدة التيار الكهربائي في الدائرة أكبر. الاتجاه الذي تحرك به البطارية الإلكترونات هو من قطبها السالب إلى قطبها الموجب عبر الدائرة، لكن لأسباب تاريخية متفق أن اتجاه التيار الكهربائي في الدائرة هو من القطب الموجب للبطارية إلى قطبها السالب عبر الدائرة. بخلاف المواد الموصلة للكهرباء مثل الفلزات، المواد العازلة للكهرباء لا تحتوي على إلكترونات حرة ولا يمكن تمرير تيار كهربائي عبرها.

(في الكتاب رسمان لحركة الالكترونات واتجاه التيا في الدائرة الكهربائية، سيتم شرحهما من قبل المعلم).

أسئلة

أمامكم دائرتان كهربائيتان فيهما البطاريات والمصابيح متماثلة. الدائرتان مفتوحتان.

1. ما الفرق بين الدائرتين؟

2. لو توفرت ليكم أجهزة دقيقة جدا لقياس الزمن وأغلقتم الدائرتين في نفس الوقت بالضبط ماذا كنتم ستكتشفون؟ اشرحوا السبب.

ا. المصباح في الدائرة أ يضيء أولا.

ب. المصباح في الدائرة ب يضيء أولا.

ج. المصباحان يضيئان في نفس الوقت بالضبط.

(في الكتاب رسمان لدائرتين كهربائيتين - أ، ب، استعن بالمعلم)

*83*

- التيار الكهربائي هو حركة موجهة (باتجاه معين) لجسيمات تحمل شحنة كهربائية (مثل إلكترونات)

- بعد إغلاق الدائرة الكهربائية مباشرة، ينتج تيار كهربائي في جميع أجزائها وفي نفس الوقت.

- من المتبع الإشارة إلى اتجاه التيار الكهربائي في الدائرة من القطب الموجب للبطارية إلى قطبها السالب عبر بقية مكونات الدائرة.

- شدة التيار الكهربائي (I) - كمية الشحنة الكهربائية التي تمر عبر المقطع العرضي للموصل في كل ثانية.

عند مرور تيار كهربائي عبر سلك موصل (سلك كهرباء)، الإلكترونات التي تمر عبر المقطع العرضي للسلك تحمل معها كمية معينة من الشحنة الكهربائية. شدة التيار الكهربائي تساوي كمية الشحنة الكهربائية المارة عبر المقطع العرضي للموصل في كل ثانية. كلما كانت كمية الشحنة الكهربائية المارة في كل ثانية عبر المقطع العرضي أكبر، كانت شدة التيار الكهربائي أكبر.

(في الكتاب رسم: الحركة الموجهة للإلكترونات الحرة في موصل أثناء إنتاج تيار كهربائي في دائرة مغلقة. في الرسم: سلك موصل، إلكترون، مقطع عرضي، استعن بالمعلم)

من المتبع الإشارة لشدة التيار الكهربائي بالحرف الإنجليزي I (الحرف الأول بكلمة intensity- شدة).

A- وحدة قياس شدة التيار الكهربائي هي أمبير ويرمز إليها بالحرف A (الحرف الأول بكلمة Ampere).

ميكرو A - عندما تكون شدة التيار الكهربائي منخفضة (أجزاء من الألف من الأمبير) نستخدم وحدات ميلي أمبير (ميكرو A).

UA- عندما تكون منخفضة جدا (أجزاء من المليون من الأمبير) نستخدم وحدات ميكرو أمبير (AU).

تسمى وحدات قياس التيار الكهربائي على اسم الفيزيائي الفرنسي أندريه ماري أمبير. تقاص شدة التيار الكهربائي بواسطة مقياس تيار يسمى أمبيرمتر.

مقياس تيار مخصص لقياس تيارات كهربائية شدتها صغيرة جدا (ميكروأمبيرات) يسمى ميكروأمبيرات.

- شدة التيار الكهربائي هي كمية الشحنة الكهربائية المارة عبر المقطع العرضي للموصل في كل ثانية.

- أمبيرمتر وميكروأمبيرمتر هما جهازان يستخدمان لقياس شدة التيار الكهربائي.

*84*

الجهد الكهربائي (V).

المصدر الكهربائي هو أحد المكونات الأساسية في الدائرة الكهربائية وهو السبب للجريان المتواصل للإلكترونات على امتداد الدائرة. قد يكون مصدر الكهرباء بطارية، مركم، دينامو أو مولد. الجهد الكهربائي مقدار يعبر عن قوة المصدر، أي شدة "الدفع" للإلكترونات الحرة.

كلما كان جهد المصدر أكبر، كانت شدة دفع الإلكترونات أكبر. لكن مصدر كهربائي جهد خاص به يوفره للدائرة، ولذا يدعى مصدر الكهرباء أيضا مزود الجهد. عند ربط مكونات كهربائية مثل مقاوم ومصباح بمصدر جهد، ينتج جهد كهربائي بين طرفي كل مكون، وهذا الجهد الكهربائي على كل مكون (أي بين طرفيه) يؤثر على شدة التيار الكهربائي المار فيه.

- جهد كهربائي (V) - مقدار يعبر عن الشدة التي "يدفع" بها المصدر الكهربائي (مزود الجهد) الإلكترونات الحرة في الموصلات المكونة للدائرة.

V- وحدة قياس الجهد الكهربائي هي فولت، ويرمز لها بالحرف V (الحرف الأول من الكلمة الإنجليزية volt).

mV- عندما يكون الجهد الكهربائي صغيرا (أجزاء من الألف من الفولت) نستخدم وحدة القياس ميلي فولت (mV).

kV - عندما يكون الجهد الكهربائي كبيرا (آلاف الفولتات) نستخدم وحدة القياس كيلو فولت (kV).

يقاس الجهد الكهربائي بواسطة مقياس جهد يسمى أيضا فولتمتر. لقياس الجهد على مكون كهربائي يجب ربط قطبي مقياس الجهد بطرفي المكون. مثلا، لقياس الجهد الكهربائي لبطارية يجب ربط أحد قطبي مقياس الجهد بقطب البطارية الموجب، وربط القطب الآخر لمقياس الجهد بقطب البطارية السالب.

(يوجد صورة في الكتاب: ربط قطبي مقياس الجهد بجانبي مكون في الدائرة الكهربائية(

- الجهد الكهربائي لمصدر كهربائي (مزود جهد) يعبر عن شدة "دفع" المصدر للإلكترونات الحرة.

- ينتج جهد على كل واحد من المكونات المرتبطة بالمصدر في دائرة كهربائية.

- نقيس الجهد الكهربائي بواسطة مقياس جهد (فولتمتر).

*85*

العلاقة بين شدة التيار وبين الجهد الكهربائي.

جهد المصدر الكهربائي هو عامل مؤثر على شدة التيار الكهربائي في الدائرة. ما هي العلاقة بين شدة التيار الكهربائي في الدائرة وبين الجهد الكهربائي للمصدر؟

للإجابة عن هذا السؤال نفذوا الفعالية التالية.

فعالية - تجربة

العلاقة بين شدة التيار الكهربائي وبين جهد المصدر

هدف التجربة: فحص العلاقة بين شدة التيار الكهربائي في دائرة كهربائية تحتوي على مكون كهربائي واحد وبين الجهد الكهربائي للمصدر.

أجهزة: 5 بطاريات كز منها 1.5 فولت، حاملات، بطاريات، مقاوم، مفتاح، مقياس تيار، مقياس جهد، أسلاك موصلة.

وسائل حذر: يمنع لمس المعدات والأجهزة بيدين مبللتين. يجب الحرص على تنفيذ التعليمات.

فرضية: صوغوا فرضية تصف العلاقة بين شدة التيار الكهربائي في دائرة وبين جهد المصدر.

مجرى التجربة:

أ. ركبوا دائرة مكونة من: بطارية واحدة (المصدر)، ومقاوم، ومفتاح ومقياس تيار مرتبطة ببعضها بأسلاك موصلة.

ب. أغلقوا الدائرة وقيسوا شدة التيار في الدائرة وجهد المصدر. سجلوا النتائج.

ج. زيدوا جهد المصدر في الدائرة؛ افتحوا الدائرة، واربطوا بطارية إضافية بحيث يكون قطب البطارية الموجب للبطارية الأولى مرتبط بالقطب السالب للبطارية الثانية (يسمى مثل هذا التوصيل للبطاريات توصيل على التوالي). أغلقوا الدائرة وقيسوا شدة التيار وجهد المصدر.

د. كرروا المرحلة السابقة حتى تربطوا في الدائرة البطاريات الخمس التي بحوزتكم. قيسوا في كل مرة شدة التيار وجهد المصدر وسجلوا النتائج.

نتائج:

أ. أعدوا جدول تلخصون فيه نتائج التجربة. اكتبوا عنوانا للجدول.

اذكروا في الجدول عدد البطاريات، الجهد الكلي لها (جهد المصدر) وشدة التيار في كل دائرة ركبتموها.

ب. ارسموا رسما بيانيا حسب معطيات الجدول. استعينوا بجدول بيانات مثل إكسل.

إجمال واستنتاجات:

1. صفوا كيف تغيرت شدة التيار في الدائرة مع تزايد عدد البطاريات.

2. هل تدعم نتائج التجربة فرضيتكم؟ اشرحوا.

3. ما هو العامل المؤثر وما هو العامل المتأثر في هذه التجربة؟

4. اشرحوا لماذا نستخدم في هذه التجربة نفس المقاوم.

5. ما هو الاستنتاج الذي يمكن التوصل إليه من هذه التجربة حول العلاقة بين شدة التيار في الدائرة الكهربائية وبين جهد المصدر؟

*86*

عمليا، في الدائرة المحتوية على مقاوم واحد فقط، الجهد على المقاوم يساوي جهد المصدر.

استنادا إلى نتائج التجربة السابقة يمكن التوصل إلى الاستنتاج التالي: هناك علاقة طردية بين شدة التيار المار عبر مقاوم وبين الجهد عليه (بين طرفيه). أي، عندما يتضاعف الجهد على المقاوم بعدد معين من المرات، تتضاعف شدة التيار المار عبره بنفس عدد المرات.

- هناك علاقة طردية بين شدة التيار في الدائرة المحتوية على مكون كهربائي واحد وبين جهد المصدر: عندما يتضاعف جهد المصدر بعدد معين من المرات، تتضاعف شدة التيار بنفس عدد المرات (طالما بقيت مقاومة المكون دون تغيير).

- هناك علاقة طردية بين شدة التيار المار عبر مقاوم وبين الجهد عليه.

هل تعلم؟

البرق

يقدر الباحثون أن في كل لحظه معطاة يتكون فوق سطح الكرة الأرضية 100 برقة.

الجهد الكهربائي الناتج أثناء اصطدام البرق في الأرض يتراوح بين 100 مليون فولت ومليار فولت.

شدة التيار الناتجة في هذه الحالة قد تصل إلى مئات الكيلو امبيرات.

*87*

ج. المقاومة الكهربائية (في الكتاب الحرف اليوناني أوميغا التي هي الرمز الذي يستعمل كوحدة قياس المقاومة الكهربائية)

تعلمنا أن المقاومة الكهربائية هي خاصية مكون كهربائي تعبر عن مدى مقاومة المكون لمرور تيار كهربائي عبره. كلما كانت مقاومة المكون الكهربائي أكبر، لزم جهد أكبر للحصول على نفس شدة التيار عبره. لذا فإن النسبة بين الجهد على مكون كهربائي وبين شدة التيار المار عبره تعبر عن المقاومة الكهربائية للمكون. إذا أشرنا إلى شدة التيار الكهربائي المار عبر المكون الكهربائي بالحرف I، وإلى الجهد الكهربائي على المكون الكهربائي بالحرف V، يمكن حساب المقاومة الكهربائية R (الحرف الأول من الكلمة الإنجليزية Resistance) بواسطة المعادلة:

R = V / I

- وحدة قياس المقاومة الكهربائية هي أوم (الحرف اليوناني أوميغا). بناء على المعادلة، 1 أوم هي مقاومة مكون كهربائي عندما نؤثر عليه بجهد 1 فولت ويمر عبره تيار بشدة 1 أمبير.

سؤال

شدة التيار الكهربائي في دائرة مركبة من مصباح وبطارية واحدة 1.5 فولت هي 0.5 أمبير. احسبوا مقاومة المصباح. بينوا طريقة الحساب.

من التجربة السابقة استنتجتم أنه توجد علاقة طردية بين شدة التيار المار عبر مقاوم وبين الجهد عليه. بكلمات أخرى، عند تغيير جهد المقاوم، تتغير شدة التيار المار عبره بحيث تبقى العلاقة بينهما دون تغيير. معنى ذلك أن مقاومة المقاوم ثابتة ولا تتعلق بالجهد عليه وبشدة التيار المار عبره. هذا الاستنتاج صحيح في أغلب الحالات، لكن في حالات يسخن فيها المقاوم كثيرا، كما في حالة ملف تسخين في مصباح توهج أو في مدفأة، المقاومة غير ثابتة بل ترتفع بقدر تكون فيه النسبة بين الجهد وشدة التيار غير ثابتة. أي، في هذه الحالة شدة التيار لا تزيد بنفس النسبة التي يزيد فيها الجهد.

- المقاومة الكهربائية لمكون كهربائي تساوي النسبة بين الجهد الكهربائي عليه وبين شدة التيار المار عبره.

- وحدة قياس المقاومة الكهربائية هي أوم.

*88*

العلاقة بين شدة التيار وبين المقاومة.

المقاومة الكهربائية هي أحد العوامل المؤثرة على شدة التيار الكهربائي. كيف تؤثر مقاومة مكون كهربائي مرتبط بدائرة على شدة التيار؟ للإجابة عن هذا السؤال نفذوا الفعالية التالية.

فعالية - تجربه

شدة التيار والمقاومة الكهربائية

هدف التجربة: فحص العلاقة بين شدة التيار في دائرة كهربائية تحتوي على مكون كهربائي واحد وبين مقاومة المكون.

أجهزة: 3 بطاريات 1.5 فولت، حاملات بطاريات، مقاوم متغير، مقياس تيار، أسلاك موصلة، مفتاح.

فرضية: صوغوا فرضية تصف العلاقة بين شدة التيار في دائرة كهربائية تشمل مكونا واحدا وبين مقاومة المكون.

وسائل حذر: يمنع لمس المعدات والأجهزة بيدين مبللتين. يجب الحرص على تنفيذ التعليمات.

مجرى التجربة؛

أ. ركبوا دائرة كهربائية مكونة من 3 بطاريات، مقاوم متغير، مفتاح ومقياس تيار.

ب. اضبطوا المقاوم المتغير بحيث يكون ربع طوله (أي طول السلك الموصل فيه) مربوطا بالدائرة الكهربائية. أغلقوا الدائرة الكهربائية وقيسوا شدة التيار في الدائرة. تأكدوا بأن شدة التيار متساوية في نقاط مختلفة في الدائرة. سجلوا النتائج.

ج. كرروا المرحلة السابقة 3 مرات أخرى: عندما يكون نصف طول المقاوم المتغير مرتبطا بالدائرة، وعندما يكون ثلاثة أرباع طوله مرتبطا بالدائرة، وعندما يكون كل طوله مرتبطا بالدائرة.

نتائج:

أ. أعدوا جدول تلخصون فيه نتائج التجربة. اكتبوا عنوانا للجدول. اذكروا في الجدول أي جزء من طول المقاوم المتغير مرتبط بالدائرة، وشدة التيار في كل حالة.

ب. ارسموا رسما بياني حسب معطيات الجدول. استعينوا بجدول بيانات مثل إكسل.

*89*

إجمال واستنتاجات:

1. صفوا كيف تغيرت شدة التيار الكهربائي في الدائرة عندما أخذت مقاومة المقاوم المتغير بالزيادة.

2. هل تدعم نتائج التجربة فرضيتكم؟ اشرحوا

3. ما هو العامل المؤثر وما هو العامل المتأثر في هذه التجربة؟

4. اشرحوا لماذا لا نغير في هذه التجربة عدد البطاريات المرتبطة في الدائرة.

5. ما هو الاستنتاج من هذه التجربة بخصوص العلاقة بين شدة التيار الكهربائي المار في الدائرة المحتوية على مكون كهربائي واحد وبين مقاومة المكون؟

استنادا إلى نتائج التجربة السابقة يمكننا التوصل إلى الاستنتاج التالي: هناك تناسب عكسي بين شدة التيار الكهربائي في الدائرة المحتوية على مكون كهربائي واحد (مثل مقاوم) وبين مقاومته: عندما تتضاعف مقاومة المكون الكهربائي بعدد معين من المرات، تقل شدة التيار بنفس عدد المرات (طالما بقي جهد المصدر دون تغيير). أي، عندما تتضاعف مقاومة المقاوم بعدد معين من المرات، تقل شدة التيار المار عبره بنفس عدد المرات (طالما بقي الجهد عليه دون تغيير).

- هناك علاقة عكسية بين شدة التيار المارّ عبر مقاوم وبين مقاومته (طالما بقي الجهد عليه دون تغيير)

(في الكتاب صور ل - 4 مقاومات ذوات مقاومات مختلفة)

*90*

قانون أوم

يقرر شدة التيار المار عبر كل مكون كهربائي عاملان رئيسان: مقاومته والجهد عليه. كذلك يوجد تناسب طردي بين شدة التيار الكهربائي المار عبر مقاوم وبين الجهد عليه، وتناسب عكسي بين شدة التيار المار عبر مقاوم وبين مقاومته (طالما بقي الجهد عليه دون تغيير). مثل هذا السلوك موجود في مجال واسع من تغييرات الجهد والتيار ولذا يمكننا التعبير عنه بقانون.

إذا رمزنا لشدة التيار الكهربائي المار عبر المقاوم بالحرف I، وللجهد الكهربائي على المقاوم بالحرف V، ولمقاومة المقاوم بالحرف R، يمكن التعبير عن العلاقات بين هذه المتغيرات بواسطة المعادلة المسماة قانون أوم:

I=V/R

حسب قانون أوم نحسب شدة التيار المار عبر مقاوم (بوحدات أمبير)، عندما تتوفر معطيات عن الجهد عليه (بوحدات فولت) وعن مقاومته (بوحدات أوم).

إذا كانت المقاومة وشدة التيار معروفين، يتيح قانون أوم عزل الجهد ويكون حسابه كما يلي:

I=V*R

كذلك، إذا كان الجهد وشدة التيار معروفين، يتيح قانون أوم عزل المقاومة ويكون حسابها كما يلي:

R=V/I

هل تعلم؟

جورج أوم

كان جورج أوم مدسا، فيزيائيا ورياضيا ألمانيا (1780-1854).

أجرى، بواسطة معدات صممها وبناها بيديه، قياسات للجهد والتيار في دوائر كهربائية بسيطة. ونشر نتائج قياساته واستنتاجاته في سنة 1827. وتكريما له على أبحاثه الهامة، أطلق اسمه على وحدة قياس المقاومة، ويرمز لها بالخرف اليوناني أوميغا.

*91*

قانون أوم

زوروا موقع الإنترنت الحقيبة الرقمية للمرحلة الإعدادية - علوم وتكنولوجيا، واختاروا مجال الفيزياء. ادخلوا موضوع الكهرباء والمغناطيسية، واختاروا الوحدة التعليمية قانون أوم.

يمكنكم في هذه المحاكاة اختبار العلاقة بين شدة التيار المار عبر مقاوم والجهد عليه وبين مقاومته.

(يوجد صورة للفعالية في الانترنت في موضوع قانون أوم).

أ. غيروا جهد المصدر الكهربائي (مزود الجهد) دون تغيير مقاومة المقاوم المتغير. صفوا كيف تتغير شدة التيار.

ب. غيروا مقاومة المقاوم المتغير دون تغيير جهد المصدر. صفوا كيف تتغير شدة التيار.

ج. ما هو الاستنتاج من هذه الفعالية بخصوص العلاقة بين شدة التيار المار عبر المقاوم والجهد عليه وبين مقاومته؟

أسئلة

1.مقاوم مرتبط بواسطة أسلاك موصلة بمصدر كهربائي جهده 24 فولت. شدة التيار في الدائرة 2 أمبير. احسبوا مقاومة المقاوم. بينوا طريقة الحساب.

2.ا. نربط مقاوما مقاومته 4 أوم بمصدر كهربائي من 24 فولت. احسبوا شدة التيار المار عبر المقاوم.

ب. نستبدل المقاوم السابق بمقاوم آخر مقاومته 8 أوم. حددوا بدون إجراء حسابات، ماذا ستكون شدة التيار المار عبر المقاوم الثاني. اشرحوا السبب.

*92*

دوائر على التوالي ودوائر على التوازي

دائرة على التوالي - دائرة تتصل مكوناتها الكهربائية بصورة متسلسلة، الواحد تلو الآخر، وتقفل مسارا وحدا لمرور التيار الكهربائي.

دائرة على التوازي - دائرة فيها مسار رئيس مرتبط بمصدر كهرباء، ويتفرع من هذا المسار مسارات فرعية في كل واحد منها مكون كهربائي واحد على الأقل.

يمكن ربط مكونات كهربائية في دائرة بأشكال مختلفة. هناك نوعان أساسيان من الربط: ربط على التوالي وربط على التوازي. في هذين النوعين من الدوائر توجد علاقات بين المقادير المختلفة في الدائرة: شدة التيار الكهربائي، المقاومة الكهربائية والجهد الكهربائي. مع هذا، يختلف نوع العلاقات بين هذه المقادير في دائرة على التوالي عما في دائرة على التوازي.

دوائر على التوالي

في الربط على التوالي، المكونات الكهربائية ترتبط بتسلسل الواحد تلو الآخر بحيث تشكل مسارا واحدا لمرور التيار.

(في الكتاب رسم لشكل دائرة على التوالي، استعن بالمعلم)

ما هي العلاقة بين شدة التيار الكهربائي في النقاط المختلفة من دائرة على التوالي؟ هل جهد المصدر الكهربائي أكبر، مساوي أو أصغر من مجموع الجهود على كل واحد من المكونات المربوطة على التوالي؟ كيف يؤثر ربط مكونات كهربائية إضافية على التوالي على شدة التيار الكهربائي في دائرة على التوالي، وكيف يؤثر على الجهد على كل واحد من المكونات التي كانت مربوطة سابقا؟

للإجابة عن هذه الأسئلة نفذوا الفعالية التالية.

*93*

فعالية - تجربة

قياس الجهد والتيار في دائرة على التوالي.

أهداف التجربة:

1. فحص شدة التيار الكهربائي في نقاط مختلفة في دائرة على التوالي.

2. فحص جهد المصدر إذا كان أكبر، مساويا، أو أصغر من مجموع الجهود التي على كل واحد من المكونات الكهربائية المربوطة على التوالي.

3. اختبار تأثير ربط مكونات كهربائية إضافية على التوالي على شدة التيار في الدائرة.

4. اختبار تأثير ربط مكونات كهربائية إضافية في دائرة على التوالي على الجهد الذي على كل واحد من المكونات المرتبطة في الدائرة.

أجهزة: 3 بطاريات 1.5 فولت، حاملات بطاريات، 4 مقاومات مختلفة، مقياس تيار، مقياس جهد، أسلاك موصلة ومفتاح.

وسائل حذر: يمنع لمس المعدات والأجهزة بيدين مبللتين. يجب الحرص على تنفيذ التعليمات.

فرضية: اقترحوا فرضية لكل واحد من أهداف التجربة.

مجرى التجربة:

أ. ركبوا دائرة كهربائية مكونة من البطاريات ال 3 (المصدر) ومن مقاوم واحد.

ب. أغلقوا الدائرة وقيسوا شدة التيار في نقاط مختلفة في الدائرة. قيسوا جهد البطاريات والجهد على المقاوم.

ج. اربطوا مقاوما إضافيا على التوالي. تذكروا فصل الدائرة بالمفتاح قبل كل تحريك لمقياس التيار أو إضافة مقاوم للدائرة. قيسوا شدة التيار في نقاط مختلفة في الدائرة، جهد البطاريات والجهد على كل مقاوم.

د. كرروا البند السابق، بحيث تربطون في كل مرة مقاوما إضافيا على التوالي.

نتائج:

أعدوا جدولا تلخصون فيه نتائج التجربة. اكتبوا عنوانا للجدول.

اذكروا في الجدول بالنسبة لكن واحدة من الدوائر التي بنيتموها:

(أ) شدة التيار الكهربائي في نقاط مختلفة في الدائرة

(ب) عدد المقاومات التي ربطت على التوالي

(ج) جهد البطاريات

(د) الجهد على كل مقاوم

(ه) مجموع الجهد على كل واحد من المقاومات المربوطة بالدائرة.

تلخيص واستنتاجات:

1. هل تدعم نتائج التجربة فرضياتكم؟ اشرحوا.

2. صفوا العلاقة بين شدة التيار في النقاط المختلفة في دائرة على التوالي.

3 ما هو الاستنتاج من هذه التجربة بخصوص تأثير ربط مقاومات إضافية في دائرة على التوالي على شدة التيار في الدائرة؟

4. صفوا كيف تغير الجهد على كل واحد من المقاومات التي كانت في الدائرة عندما ربطتم مقاوما إضافيا على التوالي.

5. ما هو الاستنتاج من هذه التجربة بخصوص العلاقة بين مجموع الجهود على كل واحد من المقاومات المربوطة بدائرة على التوالي وبين جهد المصدر؟

*94*

فعالية - الى الشبكة

مختبر كهرباء - دائرة على التوالي

زوروا موقع الإنترنت الحقيبة الرقمية للمرحلة الإعدادية - علوم وتكنولوجيا، واختاروا مجال الفيزياء. ادخلوا موضوع الكهرباء والمغناطيسية، واختاروا الوحدة التعليمية مختبر كهرباء.

ستفحصون في هذه الفعالية:

(أ) العلاقة بين جهد المركم ومجموع الجهود على كل واحد من المكونات الكهربائية المربوطة بدائرة على التوالي

(ب) كيف تؤثر إضافة مكونات كهربائية على التوالي على شدة التيار على امتداد الدائرة

(ج) كيف تؤثر إضافة مكونات كهربائية على التوالي على الجهد المؤثر على كل واحد من المكونات المربوطة به في الدائرة.

(في الكتاب صورة من الفعالية في الانترنت)

أ. ركبوا دائرة كهربائية حسب الرسم التوضيحي، وقيسوا جهد المركم والجهد على كل واحد من المكونات المربوطة بالدائرة. هل جهد المركم يساوي مجموع هذه الجهود؟ افحصوا شدة التيار في نقاط مختلفة في الدائرة للتأكد من أنها متساوية.

ب. غيروا عدد المكونات المربوطة بالدائرة، وقيسوا ثانية جهد المركم والجهد على كل واحد من المكونات المربوطة الآن بالدائرة. قيسوا شدة التيار في نقاط مختلفة في الدائرة للتأكد من أنها متساوية.

ج. افحصوا ماذا يحدث إذا احترق مصباح. لتمثيل هذه الحالة، افصلوا أحد أربطة المصباح.

إجمال الفعالية:

1. صفوا ما هي العلاقة بين الجهد على المركم وبين مجموع الجهود على كل واحد من المكونات الكهربائية المربوطة بالدائرة.

2. كيف تغيرت شدة التيار في الدائرة عندما أخذ عدد الأجهزة المربوطة بالدائرة يزداد؟ اشرحوا لماذا حدث تغيير.

3. صفوا كيف تغير الجهد على كل واحد من المكونات الكهربائية التي كانت في الدائرة عندما ربطتم مقاوما إضافيا على التوالي.

4. صفوا ماذا يحدث إذا "احترق" المصباح.

*95*

جهد المصدر يساوي مجموع الجهود على كل واحد من المكونات الكهربائية المرتبطة على التوالي.

إذا أشرنا إلى الجهد الكهربائي للمصدر بالحرف v والجهد على المكون الأول ب V[1] والجهد على المكون الثاني ب V[2] وهكذا، يمكن التعبير عن العلاقة بين جهد المزود والجهود على كل واحد من المكونات الكهربائية المرتبطة بدائرة على التوالي بواسطة المعادلة التالية:

V=V[1]+V[2]+V[3]+

يمكن استخدام هذه المعادلة، مع قانون أوم، لحساب المقادير المختلفة في دائرة على التوالي: شدة التيار، الجهد الكهربائي والمقاومة.

سؤال

ربط مصباحان مختلفان على التوالي ببطارية ذات 4.5 فولت. الجهد الذي نتج بين طرفي أحد المصباحين كان 2.5 فولت.

أ. ما هو الجهد على المصباح الثاني؟ اشرحوا السبب.

ب. احسبوا شدة التيار الكهربائي المار عبر كل مصباح، إذا علمت أن مقاومة المصباح الثاني هي 2 أوم.

ج. احسبوا مقاومة المصباح الأول.

في دائرة على التوالي:

- شدة التيار الكهربائي متساوية في كل نقطة في الدائرة.

- الجهد الكهربائي للمصدر يساوي مجموع الجهود على كل واحد من المكونات الكهربائية المربوطة بالدائرة.

- عند ازدياد عدد المكونات الكهربائية المرتبطة بالدائرة، تقل شدة التيار في الدائرة (طالما بقي جهد المصدر دون تغيير).

*96*

دوائر على التوازي

في الربط على التوازي يوجد مسار رئيس ومنه تخرج عدة فروع. يرتبط المسار الرئيس بمصدر كهربائي، وفي كل فرع يرتبط مكون كهربائي مثل مصباح، مقاوم أو أي جهاز كهربائي آخر. كل فرع هو مسار منفرد لمرور التيار، ولذا لكل مكون كهربائي دائرته الخاصة التي تربطه بالمصدر. من المتبع تسمية التيار المار بالمسار الرئيس باسم التيار الرئيس.

(يوجد رسمه لدائرة على التوازي).

ما هي العلاقة بين التيار الرئيس في دائرة على التوازي وبين شدة التيار في الفروع المختلفة؟

ما هي العلاقة بين الجهد على كل واحد من المكونات المربوطة على التوازي وجهد المصدر؟

كثف تؤثر إضافة مكونات كهربائية على التوازي على شدة التيار الرئيس وعلى شدة التيار في كل فرع؟ كيف تؤثر على الجهود المختلفة في الدائرة؟

للإجابة عن هذه الأسئلة نفذوا الفعالية التالية.

*97*

فعالية - تجربة

قياس الجهد والتيار في دائرة على التوازي.

أهداف التجربة:

1. فحص العلاقة بين شدة التيار الرئيس في دائرة على التوازي وبين شدة التيار في الفروع المختلفة.

2. فحص العلاقة بين جهد المصدر والجهد على كل واحد من المكونات الكهربائية المربوطة على التوازي.

3. فحص تأثير إضافة مكونات كهربائية على التوازي على شدة التيار وعلى الجهود المختلفة في دوائر على التوازي.

أجهزة: 3 بطاريات ذات 1.5 فولت، حاملات بطاريات، 4 مقاومات مختلفة، مقياس تيار، مقياس جهد، أسلاك موصلة، مفتاح.

فرضيات: صوغوا فرضية لكل واحد من أهداف التجربة الثلاثة.

- وسائل حذر: يمنع لمس المعدات والأجهزة بيدي مبللتين. يجب الحرص على تنفيذ التعليمات.

مجرى التجربة:

أ. ركبوا دائرة كهربائية مبنية من 3 بطاريات مربوطة فيما بينها على التوالي (المصدر الكهربائي) ومن مقاومين مرتبطين معها على التوازي، حسب الرسم أمامكم.

ب. أغلقوا الدائرة وقيسوا شدة التيار الرئيس وشدة التيار المار عبر كل مقاوم. سجلوا النتائج.

ج. قيسوا الجهد الكهربائي للبطاريات (المصدر) وجهد كل مقاوم. سجلوا النتائج.

د. كرروا المرحلتين السابقتين بحيث تربطون في كل مرة مقاوما إضافي على التوازي، حتى تربطوا جميع المقاومات التي بحوزتكم.

نتائج:

أعدوا جدولا تلخصون فيه نتائج التجربة. اكتبوا عنوانا للجدول.

صفوا في الجدول جميع الدوائر التي بنيتموها، اذكروا النسبة لكل دائرة الجهد الكهربائي للمصدر، الجهد على كل مقاوم، شدة التيار الرئيس وشدة التيار المار عبر كل مقاوم.

إجمال واستنتاجات:

.1صفوا العلاقة بين شدة التيار الرئيس وبين شدة التيار المار عبر كل مقاوم.

2. صفوا العلاقة بين جهد البطاريات والجهد على كل مقاوم.

3. صفوا كيف تغيرت شدة التيار الرئيس وشدة التيار المار عبر كل مقاوم عندما ربط مقاومات إضافية على التوازي.

4. صفوا كيف تغير الجهد على البطاريات والجهد على كل مقاوم عندما ربط مقاومات إضافية على التوازي.

5. هل تدعم نتائج التجربة فرضيتكم؟ اشرحوا.

6. اكتبوا ما هي الاستنتاجات من هذه التجربة بخصوص النقاط التالية:

(أ) العلاقة بين شدة التيار الرئيس وشدة التيار في الفروع المختلفة

(ب) العلاقة بين جهد المصدر والجهد على كل واحد من المكونات الكهربائية المربوطة في دائرة على التوازي

(ج) تأثير ربط مكونات كهربائية إضافية على التوازي على شدة التيار وعلى الجهود المختلفة في الدائرة.

*98*

فعالية - الى الشبكة

مختبر كهرباء: دائرة على التوازي.

زوروا موقع الإنترنت الحقيبة الرقمية للمرحلة الإعدادية علوم وتكنولوجيا، واختاروا مجال الفيزياء. ادخلوا موضوع الكهرباء والمغناطيسية، واختاروا الوحدة التعليمية مختبر كهرباء.

تفحصون في هذه الفعالية:

1. العلاقة بين شدة التيار الرئيس وشدد التيار في الفروع المختلفة في الدائرة.

2. العلاقة بين جهد المصدر والجهد على كل واحد من الأجهزة المرتبطة على التوازي.

3. كيف تؤثر إضافة أجهزة كهربائية على التوازي على شدة التيار الرئيس، على شدة التيار المار عبر كل جهاز، على جهد المصدر وعلى الجهد على كل جهاز.

مجرى الفعالية:

أ. ركبوا دائرة على التوازي حسب الرسم التوضيحي، وقيسوا شدة التيار الرئيس المار عبر كل جهاز، جهد البطارية والجهد على كل واحد من الأجهزة المربوطة بالدائرة.

ب. أضيفوا أجهزة على التوازي الواحد تلو الآخر، وفي كل مرة كرروا القياسات السابقة.

ج. افحصوا ماذا يحدث في الدائرة على التوازي إذا احترق المصباح. لكي تتصوروا هذه الحالة، افصلوا أحد أربطة المصباح وقيسوا شدة التيار والجهود المختلفة في الدائرة.

إجمال الفعالية:

1. صفوا العلاقة بين شدة التيار الرئيس في الدائرة وبين شدة التيار المار عبر كل واحد من الأجهزة في الدائرة.

2. صفوا العلاقة بين جهد البطارية والجهد على كل واحد من الأجهزة المرتبطة في الدائرة.

3. كيف يؤثر ربط أجهزة إضافية على شدة التيار والجهود المختلفة في الدائرة؟

4. بماذا يختلف تأثير المصباح المحروق في دائرة على التوازي عن تأثيره في دائرة على التوالي؟

5. ربط شبكة الكهرباء المنزلية هو ربط على التوازي. اشرحوا السبب.

*99*

شدة التيار الكهربائي في المسار الرئيس تساوي مجموع شدد التيار في الفروع المختلفة في دائرة على التوازي.

إذا أشرنا إلى شدة التيار المار عبر المسار الرئيس بالأحرف رئيسI ، وشدة التيار في الفرع الأول I[1]، وشدة التيار في الفرع الثاني I[2] وهكذا، يمكن التعبير عن العلاقة بين شدة التيار الرئيس وشدة التيار في الفروع المختلفة بالمعادلة التالية:

I=I[1]+I[2]+I[3]+….

(في الكتاب رسم لدائرة كهربائية عنوانه رئيس I)

جهد المصدر يساوي الجهد الكهربائي في كل واحد من الفروع المختلفة في دائرة متوازية.

إذا أشرنا إلى الجهد الكهربائي للمصدر بالحرف V، والجهد على المكون الأول V[1]، والجهد على المكون الثاني وهكذا، يمكن التعبير عن العلاقة بين جهد البطارية والجهود على كل واحد من المكونات الكهربائية المرتبطة في دائرة على التوازي بالمعادلة التالية:

V=V[1]=[V2]=[V3]=…..

*100*

أسئلة

1. مصباحان مختلفان مرتبطان على التوازي ببطارية. شدة التيار المار عبر البطارية 5 أمبير، وشدة التيار المار عبر أحد المصباحين 3 أمبير. احسبوا شدة التيار المار عبر المصباح الثاني.

2. مقاومان، الأول مقاومته 5 أوم والثاني 2 أوم، مرتبطان على التوازي ببطارية. شدة التيار الكهربائي المار عبر المقاوم الثاني هي 0.5 أمبير.

أ. احسبوا الجهد على المقاوم الثاني وجهد البطارية.

ب. احسبوا شدة التيار الرئيس.

ج. نربط مقاوما إضافيا مقاومته 4 أوم على التوازي بالبطارية. احسبوا شدة التيار الكهربائي المار عبر هذا المقاوم. اشرحوا.

د. هل في أعقاب ربط المقاوم الإضافي تتغير شدة التيار الكهربائي المار عبر كل واحد من المقاومين الأوليين؟ إذا كان نعم، احسبوا شدة التيار الجديدة. إذا كان لا، فسروا لماذا.

ه. هل تتغير شدة التيار الكهربائي المار عبر البطارية؟ إذا كانت الإجابة بنعم، احسبوا شدة التيار الجديدة. إذا كانت الإجابة بلا، فسروا السبب.

في دائرة على التوازي:

- الجهد الكهربائي للمصدر يساوي الجهد على كل واحد من المكونات الكهربائية المربوطة بالدائرة.

- شدة التيار الرئيس تساوي مجموع شدة التيار في كل واحد من الفروع.

- عند زيادة عدد المكونات الكهربائية المربوطة على التوازي، ترتفع شدة التيار الرئيس ولكن شدة التيار المار في كل مكون لا تتغير.

- عندما يحترق أحد المكونات الكهربائية، تنخفض شدة التيار الرئيس ولكن شدة التيار في بقية الفروع لا تتغير. لذا تستمر الأجهزة المربوطة في بقية الفروع بالعمل.

*101*

القدرة الكهربائية (P)

يستخدم الإبريق الكهربائي والشوكة الكهربائية كأجهزة كهربائية بيتية لغلي الماء. إذا سخنا لترا واحدا من الماء في إبريق كهربائي يغلى الماء بعد دقيقتين، وإذا سخنا نفس الكمية من الماء بواسطة شوكة كهربائية فإنه يغلي بعد 6 دقائق.

لماذا يوجد فرق في المدة الزمنية اللازمة لغلي نفس كمية الماء في هذين الجهازين؟

صحيح أنه تم في الجهازين (الإبريق والشوكة الكهربائية) تحويل نفس الكمية من الطاقة إلى حرارة، لكن وتيرة تحويل الطاقة الكهربائية إلى حرارة في الجهازين كانت مختلفة. أي، كمية الطاقة الكهربائية المتحولة في كل ثانية إلى حرارة كانت مختلفة في كل جهاز. كانت وتيرة تحول الطاقة الكهربائية الى حرارة في الإبريق الكهربائي أسرع من وتيرة التحول في الشوكة الكهربائية، ولذا غلي الماء في الإبريق في وقت أقل.

قدرة كهربائية (P) - كمية الطاقة الكهربائية المتحولة في جهاز ما في كل ثانية.

(في الكتاب صورة للمعلومات التي تظهر على لاصقة الجهاز الكهربائي قدرته (1850-2200 واط) ومعلومات هامة أخرى معظمها في الرموز)

المصطلح الذي يعبر عن وتيرة تحويل الطاقة الكهربائية في جهاز كهربائي إلى أنواع طاقة أخرى هو القدرة الكهربائية.

من المتبع الرمز للقدرة الكهربائي بالحرف P (الحرف الأول من الكلمة الإنجليزية Power). فإذا رمزنا إلى كمية الطاقة الكهربائية المتحولة في جهاز كهربائي ب E[elc]، والزمن الذي عمل فيه الجهاز بالحرف t، يمكن التعبير عن قدرة الجهاز بالمعادلة التالية:

P=E[elc]/t

W- وحدة قياس القدرة الكهربائية تساوي وحدة قياس الطاقة الكهربائية (جول) تقسيم وحدة قياس الزمن (ثانية)، أي جول/ثانية. تسمى وحدة القياس هذه واط (Watt) على أسم العالم جيمس واط 1 واط - 1 جول/ثانية.

أي، 1 واط هو القدرة الكهربائية لجهاز تتحول فيه طاقة كهربائية بكمية 1 جول في كل ثانية إلى أنواع طاقة أخرى.

kW- عندما تكون القدرة كبيرة (آلاف الواطات) نستخدم وحدات كيلوواط (kW

MW - عندما تكون القدرة كبيرة جدا (ملايين الواطات) نستخدم وحدات ميغاواط (MW).

*102*

بواسطة المعادلة

P=E[elc]/t

يمكن أن نحسب القدرة الكهربائية للجهاز (بالواط) عندما نعرف ما هي كمية الطاقة الكهربائية المتحولة فيه بالجول وزمن عمله (بالثواني). إذا كانت قدرة الجهاز معطاة بوحدات كيلوواط أو ميغاواط يجب تحويلها أولا إلى وحدات واط. وإذا كان الزمن بالدقائق أو الساعات يجب تحويله إلى ثوان.

يجب أن تكون القدرة الكهربائية مسجلة على كل جهاز. مثل، إذا كان مسجلا على مدفأ 1000 واط، معنى ذلك أنه إذا ربطنا المدفأة بالكهرباء وشغلناها، تتحول طاقة كهربائية إلى حرارة بكمية 1,000 جول في كل ثانية.

يمكن أن نعزل من المعادلة P=E[elc]/tونحسب الطاقة الكهربائية المتحولة في الجهاز الكهربائي (بالواط)، إذا عرفنا القدرة (بالواط) وزمن العمل (بالثواني): E[elc]=P*t

- تعبر القدرة الكهربائية لجهاز عن وتيرة تحويل الطاقة الكهربائية فيه إلى أنواع أخرى من الطاقة.

اسئلة

1. اختاروا جهازا كهربائيا موجودا في جميع البيوت (مثل إبريق كهربائي، مكوى أو مروحة) وافحصوا القدرة المسجلة عليه. هاتوا المعطيات إلى الصف وقارنوها مع معطيات التلاميذ الآخرين. ماذا نتعلم من هذه المقارنة؟

2. قدرة إبريق 900 واط وقدرة شوكة كهربائية 300 واط. ماذا تعني هذه القيم؟

3. عندما تعمل مروحة مدة 120 ثانية، تتحول فيها طاقة كهربائية بقيمة 6,000 جول إلى طاقة حركة، طاقة صوت وحرارة. احسبوا القدرة الكهربائية للمروحة. بينوا طريقة الحساب.

4. قدرة مصباح هالوجين 500 واط، احسبوا كمية الطاقة الكهربائية المتحولة فيه خلال 10 دقائق. بينوا طريقة الحساب.

توسع

حسابات الطاقة الكهربائية

يمكن حساب الطاقة الكهربائية المتحولة في جهاز كهربائية إلى أنواع أخرى من الطاقة بواسطة المعادلة التالية:

E[elc]=V*I*t

بحيث يشير V للجهد على الجهاز (بوحدات فولت)، I شدة التيار المار عبر الجهاز (بوحدات أمبير) و t المدة الزمنية التي يعمل بها الجهاز (بالثواني)

*103*

أسئلة

1. نربط مصباحا كهربائيا ببطارية جهدها 3 فولت. شدة التيار المار عبر المصباح في هذه الدائرة تساوي 0.2 أمبير. احسبوا الطاقة الكهربائية المتحولة في المصباح خلال 10 دقائق.

2. لتسخين كمية معينة من الماء من درجة حرارة 25 درجة مئوية حتى درجة حرارة 50 درجة مئوية، غمسوا في الماء شوكة كهربائية مكونة من مقاوم مقاومته 20 أوم وربطوها بمصدر كهرباء 24 فولت لمدة 100 ثانية.

احسبوا الطاقة الكهربائية التي تحولت إلى حرارة.

3. مقاومة جسم التسخين في مدفأة 20 أوم.

مقاومة جسم التسخين في إبريق كهربائي 25 أوم. ترتبط المدفأة والإبريق على التوازي بمصدر كهرباء من 220 فولت لمدة 100 ثانية.

احسبوا مجموع الطاقة الكهربائية المتحولة إلى حرارة في الجهازين معا. لهذا الغرض احسبوا في البداية شدة التيار المار عبر كل جهاز والطاقة الكهربائية المتحولة في الجهاز إلى حرارة.

مجموع قدرة الأجهزة الكهربائية في الشبكة البيتية

عند ربط عدد كبير من الأجهزة الكهربائية بالشبكة وتشغيلها معا، لاسيما الأجهزة "الجشعة" (المفرطة في استهلاك الكهرباء) مثل غسالة، مكيف وسخان، ينشأ إفراط في العبء على الشبكة. أي، شدة التيار الرئيس تتجاوز المسموح، وعندها يفصل الأمان (قاطع الدائرة) في لوحة الكهرباء ويتوقف تزويد التيار الكهربائي للبيت. الأجهزة "الجشعة" هي أجهزة قدرتها كبيرة نسبيا. تضم هذه المجموعة النشافة التي قدرتها 4،400 واط، لكنها لا تضم الراديو الذي قدرته 10 واط فقط.

ربط جهاز جشع مع شبكة الكهرباء البيتية يرفع من شدة التيار الرئيس بقدر كبير. وربط عدة أجهزة كهذه في نفس الوقت بالشبكة البيتية قد يؤدي إلى الإفراط في العبء. لمنع هذه الحالة، تسمح لنا شركة الكهرباء بأن نستخدم أجهزة كهربائية كثيرة، شريطة أن يكون مجموع قدرتها لا يتعدى قيمة محددة مسبقا. في قسم من البيوت أقصى قدرة مسموحة هي 8,800 واط. في هذه الحالة كل ربط لأكثر من جهازين جشعين قد يسبب حالة من الإفراط في العبء.

*104*

سؤال

يعرض الجدول التالي معلومات عن القدرة الكهربائية لأجهزة كهرباء منزلية. اختاروا مجموعة الأجهزة التي عند تشغيلها معا ينتج إفراط في العبء في البيوت التي قدرتها القصوى المسموحة 8,800 واط.

(في الكتاب جدول مكون من 3 أعمدة و - 9 صفوف)

(في العامود الثاني صورة للجهاز المكتوب في العامود الأول)

لتجنب حالات الإفراط في العبء، نوصى بمعرفة ما هو التيار الأقصى المسموح به في الأمان، فحص ما هو عدد الأجهزة المستهلكة كثيرا للكهرباء المرتبطة بالشبكة وما هي قدرتها الكهربائية الكلية. كذلك، قبل أن نربط جهازا كهربائيا إضافيا، من المهم أن نستوضح ما هي قدرته وإذا كان يستهلك كثيرا من الكهرباء. إذا اتضح أن تشغيل الجهاز الإضافي قد يسبب تجاوزا للقدرة المسموحة يمنع ربطه بالشبكة البيتية.

*105*

العلاقة بين القدرة والجهد والتيار الكهربائي

إذا عرف ما هو الجهد الكهربائي على الجهاز (V) بوحدات فولت، وعُرفت شدّة التيار المارّ عبره (I) بوحدات أمبير، يمكن حساب القدرة الكهربائية للجهاز (P) بوحدات واط بواسطة المعادلة التالية:

P=V*I

يمكن أن نعزل التيار من هذه المعادلة ونحسبه، إذا عرفنا قيم القدرة والجهد:

I=P/V

أسئلة

1. ما هي قدرة مجفف شعر مربوط بمصدر كهربائي ثابت من 220 فولت، ويمر عبره أثناء تشغيله تنار بشدة 10 أمبير؟ بينوا طريقة الحساب.

2. القدرة الكهربائية لمروحة 50 واط، ولمصباح توهج 200 واط، ولمكوى 1 كيلوواط. نربط الثلاثة على التوازي بمصدر كهربائي من 220 فولت.

أ. احسبوا شدة التيار الكهربائي المار عبر كل جهاز.

ب. ما هو الاستنتاج من هذا الحساب بخصوص العلاقة بين التيار المار عبر جهاز بدائرة على التوازي وببن القدرة الكهربائية للجهاز؟

الوحدات التي تقدر بها شركة الكهرباء استهلاكنا للطاقة الكهربائية

ترسل شركة الكهرباء إلينا كل شهرين حساب الكهرباء. يبين هذا الحساب كمية الطاقة الكهربائية التي استهلكناها خلال الفترة بوحدات كيلوواط - ساعة. وبالإنجليزية: k.W.h (kilo-Watt-hour).

1. كيلوواط - ساعة يساوي كمية الطاقة الكهربائية المتحولة في جهاز كهربائي قدرته 1 كيلوواط (أي 1,000 واط) عندما يعمل ساعة واحدة.

يمكن حساب الطاقة الكهربائية المتحولة في الجهاز بوحدات كيلوواط ساعة، نعبر عن القدرة بوحدات كيلوواط وعن الزمن بالساعات ونعوض في المعادلة:

E[elc]=P*t

يمكن حساب الطاقة الكهربائية المتحولة في الجهاز أيضا بوحدات جول. لهذا الغرض نعوض في المعادلة الزمن بالثواني والقدرة بوحدات واط.

أسئلة

1. أ. احسبوا (بوحدات جول) الطاقة الكهربائية المتحولة في جهاز قدرته 1 كيلوواط عندما يعمل لمدة ساعة واحدة.

ب. ما هو الاستنتاج من نتائج الحساب التي حصلتم عليها بخصوص العلاقة بين كيلوواط - ساعة وجول؟

2. قدرة سخان كهربائي 2,500 واط. يعمل السخان لمدة 3 ساعات.

أ. احسبوا (بوحدات كيلوواط - ساعة) كمية الطاقة الكهربائية المتحولة في السخان إلى حرارة.

ب. حسب أسعار شركة الكهرباء، ثمن 1 كيلوواط - ساعة يساوي 0.54 شيكل. احسبوا كم ندفع مقابل كمية الطاقة الكهربائية التي استهلكها السخان خلال الساعات الثلاث التي عمل بها.

*106*

كفاءة جهاز كهربائي

يشتري الناس أجهزة كهربائية من حين لآخر. علينا أن نختار أحيانا منتجا واحدا من بين عدد من الأنواع المعروضة في السوق. مثلا، هناك تشكيلة من المصابيح في السوق: مصباح توهج، مصباح فلورسنت ومصباح LED أوPL. هل مصباح الفلورسنت أفضل من مصباح التوهج؟ لماذا؟ ما هي الاعتبارات الموجهة عند اتخاذ قرارات من هذا النوع؟

(في الكتاب ثلاث صور: الصورة الأولى لمصباح فلورسنت، الصورة الثانية لمصباح LED، الصورة الثالثة لمصباح توهج).

أحد الاعتبارات التي يجب الاعتماد عليها هو نجاعة الطاقة. أي، اختيار جهاز يستهلك طاقة كهربائية أقل ويقدم نفس الخدمة (أو حتى أفضل) دون المس بالجودة.

من المتبع تسمية الطاقة الكهربائية المتحولة في جهاز باسم الطاقة المبذولة أيضا. تتحول الطاقة المبذولة في أغلب الأجهزة الكهربائية ليس فقط إلى أنواع الطاقة العملية (مثل طاقة حركة دائرية لخلاط) بل إلى أنواع طاقة غير عملية أيضا (مثل طاقة صوت وحرارة). أنواع الطاقة العملية هي في الواقع أنواع الطاقة المطلوبة التي بني الجهاز لأجلها (مثلا، الطاقة المرغوبة في المصباح الكهربائي هي طاقة الضوء، بينما الحرارة الناتجة هي طاقة غير مرغوب بها).

أحد المقاييس لنجاعة طاقة جهاز هو كفاءته. الكفاءة هي النسبة بين الطاقة العملية المستخلصة من جهاز كهربائي وبين الطاقة الكهربائية المبذولة به. يمكن التعبير عن الكفاءة بالشكل التالي:

الكفاءة = الطاقة العملية / الطاقة المبذولة

تعبر الكفاءة عن نجاعة الجهاز الكهربائية في استخلاص طاقة عملية. كلما كانت الكفاءة أعلى، كانت نجاعة استخلاص الطاقة المطلوبة أعلى.

كفاءة - مقدار يعتر عن مدى نجاعة جهاز كهربائي باستخلاص أنواع الطاقة المطلوبة.

(في الكتاب صورة للاصقات الطاقة: تبين لاصقات الطاقة تدريج كفاءة الأجهزة. درجة A (لون أخضر) يرمز الى الكفاءة الأعلى)

من المتبع عرض الكفاءة بالنسبة المئوية. مثلا، كفاءة مصباح التوهج 5 بالمائة، أي يتحول 5 بالمائة فقط من الطاقة الكهربائية في مصباح التوهج إلى طاقة ضوء. ويتحول باقي الطاقة الكهربائية (95 بالمائة) إلى حرارة. إذا، أغلب الطاقة الكهربائية المبذولة في مصباح التوهج "تضيع سدى". لهذا السبب نعتاد تسمية مثل هذه المصابيح "مصابيح مبذرة".

*107*

أسئلة

1. يعرض الجدول التالي تفاصيل عن طاقة الضوء وكمية الحرارة الناتجة في مصابيح التوهج، الفلورسنت و LED. اعتمادا، على الجدول، ما هي كفاءة هذه المصابيح؟ اشرحوا السبب.

(في الكتاب جدول مكون من 4 أعمدة و-3 صفوف).

2. اختاروا نوع الرسم البياني (أعمدة، منحنى، دائري وما شابه) الذي يمثل بأفضل شكل المعلومات في الجدول التي تخص كل مصباح وارسموه. ما الذي يمثل كفاءة المصباح في الرسم البياني؟

3. قررت لجنة الاقتصاد في الكنيست أنه ابتداء من كانون الثاني 2012 يمنع بيع مصابيح التوهج في الحوانيت. اعتمادا على المعلومات الموصوفة في الجدول أو الرسم البياني الذي أعددتموه، ما هي المبررات لذلك؟

عند شراء جهاز يجب أن نراعي ليس كفاءة الجهاز فقط بل قدرته الكهربائية أيضا، لاسيما عندما يعرض علينا جهازان يقدمان نفس الخدمة. من الأفضل اختبار جهاز قدرته قليلة وكفاءته عالية. مثلا، عند الاختيار بين مصباح توهج ومصباح فلورسنت (يضيئان بشدة ضوء متماثلة)، من الأفضل اختيار مصباح فلورسنت لان قدرته أقل وكفاءته أكبر.

سؤال

انسخوا إلى الدفتر الجدول التالي، واكتبوا له عنوانا.

أ. احسبوا كميات الطاقة المبذولة والطاقة المطلوبة (العملية) التي تستخلصها المصابيح خلال ساعة عمل واحدة، وأضيفوا النتائج إلى الجدول.

ب. اعتمادا، على هذه المعلومات، أوصوا أهلكم أي مصباح من المحزن أن يشتروا. اشرحوا السبب.

(في الكتاب جدول مكون من 5 أعمدة و-4 صفوف)

*108*

إضافة إلى القدرة والكفاءة، هناك عوامل يجب مراعاتها عندما نفكر أي جهاز كهربائي نشتري: تكلفة الجهاز ومدة حياته. أحيانا، تكون تكلفة الجهاز غالية جدا لدرجة أنه لا مبرر لشرائه بالرغم من نجاعته العالية للطاقة. بالإضافة، يجدر تفضيل جهاز مدة حياته أطول. مثلا، حسب منتجي المصابيح، متوسط حياة مصباح التوهج هي 1،000 ساعة، ومدة الحياة المتوسطة لمصباح الفلورسنت المصغر هي 8،000 ساعة.

في الجدول التالي معلومات عن مصباحين من نوعين مختلفين يضيئان بشدة متساوية. اعتمادا على المعلومات في الجدول أجيبوا عن الأسئلة التي تليه.

(في الكتاب جدول مكون من 4 أعمدة و - 3 صفوف)

أسئلة

1. احسبوا التوفير في الباقة (كيلوواط - ساعة) عند استخدام مصباح فلورسنت مصغر واحد (طيلة حياته) بدلا من مصابيح توهج (طيلة المدة نفسها). اشرحوا.

2. ما هو التوفير المالي (بالشيكل) إذا كانت تكلفة كيلوواط ساعة تساوي 0.54 شيكل؟

3. استنتجوا: هل التوفير المالي يبرر استخدام مصابيح فلورسنت مصغرة؟ عللوا.

4. اشرحوا هذه الجملة: "استخدام المصابيح الموفرة له حسنة بيئية أيضا".

التكنولوجيا في خدمة الإنسان.

التلغراف

التلغراف هو نظام كهربائي لإرسال برقيات. يمكن اعتبار التلغراف على أنه الانطلاقة الأولى نحو عالم الاتصالات المعاصر. ما هو المبدأ العلمي الذي بني التلغراف حسبه؟

اعتمد التلغراف الأول على حقيقة أنه عند إغلاق دائرة كهربائية ينتج تيار في جميع أجزائها المختلفة في نفس الوقت، وعند فتح الدائرة يتوقف التيار فورا. إذا، يمكن التطرق إلى إغلاق الدائرة الكهربائية وفتحها كأنه توع من المعلومات المنتقلة بواسطة التيار الكهربائي إلى جميع أجزاء الدائرة بصورة فورية. اكتشف العلماء أن هذا النوع من المعلومات ينتقل بواسطة التيار الكهربائي بسرعة فائقة - تقريبا بسرعة الضوء في الهواء (حوالي 300،000 كيلومتر في الثانية).

بني التلغراف الأول الذي مكن إرسال برقيات إلى مسافات طويلة صمويل مورس. لنقل البرقيات بواسطة تغييرات في التيار الكهربائي وضع مورس مجموعة معينة من الرموز لكل حرف، لكل علامة ترقيم ولكل رقم. تسمى مجموعة التوافيق على اسم مورس: خط مورس، شفرة مورس أو كود مورس.

*109*

فعالية - مهمة تصميم

(يوجد في الكتاب صورة كوميكس: تخطيط تلغراف في مخيم استجمام).

خرج تلاميذ إلى مخيم استجمام في الطبيعة، إلى مكان ليس فيه خدمة خلوية ولا وسائل اتصالات أخرى. كانت الغرف التي ينام فيها التلاميذ والمرشدون في السهل، قرب بحيرة. أما المطبخ، وغرفة الطعام وغرفة إدارة المخيم فكانت على تله مجاورة.

طرح التلاميذ فكرة أن يبنوا وسيلة اتصالات بين الغرف المختلفة في المخيم لنقل بلاغات فيما بينهم. تعمل وسيلة الاتصالات على نفس المبدأ الذي يعمل به التلغراف.

هدف الفعالية:

تخطيط وسيلة اتصال لنقل ناجع وسريع للمعلومات بين الأماكن المختلفة في المخيم: غرفة الإدارة، المطبخ، غرفة الطعام، غرف المرشدين وغرف سكن التلاميذ.

الأجهزة:

تحت تصرفكم معدات متنوعة، مثل مصادر كهرباء (بطاريات مختلفة)، مفاتيح، مصابيح، أجراس، أسلاك كهرباء وما شابه.

مجرى الفعالية:

أ. البحث عن معلومات

ابحثوا عن معلومات حول مبدأ عمل التلغراف ومعلومات عن خط مورس الذي استخدم لنقل معلومات بواسطة التلغراف.

ب. تخطيط نظام اتصال في المخيم

توزعوا إلى فرق. كل فرقة تخطط نموذجا للمخيم وفيه نظام اتصالات يكون الأكثر نجاعة لنقل الرسائل بين أقسام المخيم.

عليكم أن تحددوا احتياجات نظام الاتصالات في المخيم. مثلا، قرروا في أي غرف من المهم أن تكون إمكانية إرسال بلاغات واستقبالها أيضا، في أي غرف يستطيعون إرسال بلاغات أو استقبالها فقط، كيف يمكن معرفة وصول رسالة وما شابه.

عليكم أن تفضلوا المتطلبات من النظام، مثلا:

- أن تكون المعلومات المنتقلة في نظامكم الكهربائي بشدة قوية كفاية ليمكنكم معرفة مضمونها في جميع الغرف.

*110*

- عليكم أن تقرروا إن كان النظام مركبا من دوائر على التوازي أو دوائر على التوالي أو يدمج بين النوعين.

قرروا إذا كان ممكنا الاكتفاء بمصدر كهرباء واحد أم تلزم عدة مصادر كهرباء في نظامكم.

إذا لزم أكثر من مصدر كهرباء واحد، قرروا أين يجب ربط المصادر المختلفة في نظامكم.

- قرروا إذا كان يكفي مفتاح واحد أو أكثر في غرف المخيم المختلفة.

- أن يكون النظام آمنا.

- أن يكون شكل النظام جميلا.

من المهم أن تعرضوا جميع المتطلبات من النظام وترتبوها حسب أهميتها.

ج. بناء نظام الاتصالات في المخيم:

كل فرقة تبني نموذجا للمخيم ولنظام الاتصالات الكهربائي الذي خططته.

احرصوا على التقيد بجميع الشروط التي فصلتموها.

د. نقل رسالة:

كل فرقة تفحص مدى نجاعة النظام الذي بنته بواسطة إرسال بلاغ من 3-4 كلمات بلغة مورس. تتنافس باقي الفرق بتحليل صحيح وسريع للبلاغ.

ه. تقييم زملاء

كل فرقة تستعين بدليل إجابات لتقييم إنجازات الفرق الأخرى.

اعتمادا على هذا التقييم يقدم كل فريق اقتراحات لتحسين النظام الذي بناه.

إجمال

- عند إغلاق دائرة كهربائية، ينتج تيار كهربائي في جميع أجزائها بنفس الوقت.

- حسب قانون أوم: هناك تناسب طردي بين شدة التيار الكهربائي المار عبر مقاوم ما وبين الجهد عليه، وهناك تناسب عكسي بين شدة التيار المار عبر مقاوم ما وبين مقاومته (طالما الجهد عليه بقي دون تغيير).

- في دائرة على التوالي: جهد المصدر يساوي مجموع الجهود على كل واحد من المكونات الكهربائية المربوطة في الدائرة، وشدة التيار متساوية في جميع النقاط على امتداد الدائرة. عندما يزداد عدد المكونات الكهربائية المربوطة على التوالي، تقل شدة التيار في الدائرة (طالما جهد المصدر بقي دون تغيير).

- في دائرة على التوازي: جهد المصدر يساوي الجهد على كل واحد من المكونات الكهربائية المربوطة به، وشدة التيار الرئيس مساوية لمجموع شدد التيار في الفروع المختلفة. عندما نربط مكونات كهربائية أخرى على التوازي: تزداد شدة التيار الرئيس، ولكن شدة التيار في كل فرع لا تتغير والجهد على كل مكون يبقى دون تغيير أيضا.

- تعبر القدرة الكهربائية لجهاز كهربائي ما عن وتيرة تحويل الطاقة الكهربائية فيه.

- كفاءة الجهاز الكهربائي هي مقياس لنجاعته في استخلاص طاقة عملية.

- الكفاءة، القدرة، مدة الحياة وتكلفه الجهاز الكهربائي من العوامل الرئيسة التي يجب مراعاتها عند شراء جهاز كهربائي.

*111*

أسئلة

1. عمل إبريق كهربائي قدرته الكهربائية 3 كيلوواط لمدة ربع ساعة.

أ. احسبوا كمية الطاقة الكهربائية المتحولة فيه إلى حرارة بوحدات جول وبوحدات كيلوواط - ساعة.

ب. تكلفة 1 كيلوواط-ساعة 0.54 شيكل. ما هي تكلفة الطاقة الكهربائية لتشغيل الإبريق؟

2. مقاومان، R1 و R2 ربطا بمصدر كهرباء جهده 24 فولت.

مقاومة 1R هي 4 أوم. قراءة مقياس الجهد المربوط بالدائرة 16 فولت.

أ. احسبوا قراءة مقياس التيار المربوط بالدائرة.

ب. احسبوا المقاومة R2.

(في الكتاب رسم للدائرة الكهربائية، استعن بالمعلم)

3. كفاءة مصباح التوهج 150 واط تعادل %10. احسبوا كمية طاقة الضوء التي يستخلصها المصباح خلال ساعتين. بينوا طريقة الحساب.

4. يبين مقياس التيار المربوط بالجانب الأيمن من المقاوم في الرسم التوضيحي 1.2 أمبير. ماذا يبين مقياس التيار بالجانب الأيسر من المقاوم؟

أ. أكثر من 1.2 أمبير.

ب. أقل من 1.2 أمبير.

ج. 1.2 أمبير بالضبط.

عللوا اختياركم.

(في الكتاب رسم للدائرة الكهربائية، استعن بالمعلم)

5. عندما نربط مصباحا ب 3 بطاريات متماثلة ذات 1.5 فولت، يمر عبره تيار شدته 900 ميلي أمبير. احسبوا مقاومة سلك التوهج في المصباح في هذه الحالة.

6. إذا ربطنا سلكا مصنوعا من كروم - نيكل طوله 40 سم بمصدر كهرباء جهده 12 فولت، ينتج تيار شدته 2 أمبير. نريد أن نربط سلكا كهذا طوله مضاعف (80 سم) دون تغيير شدة التيار الكهربائي (2 أمبير). ماذا يجب أن تكون شدة المصدر في هذه الحالة؟

7. ربط مقاومان أحدهما 5 أوم والآخر 2 أوم، على التوالي ببطارية. الجهد على المقاوم الأول 2.5 فولت.

أ. احسبوا شدة التيار المار في الدائرة.

ب. احسبوا الجهد الكهربائي للبطارية.

8. تشير قراءة الأمبيرمتر في الدائرة التالية إلى 6 أمبير.

معطى أن 3 أوم = R[1] أوم. جهد المصدر 12 فولت.

أ. احسبوا شدة التيار المار عبر كل واحد من المقاومين. بينوا طريقة الحساب.

ب. احسبوا ]2R[. بينوا طريقة الحساب.

(في الكتاب رسم للدائرة الكهربائية، استعن بالمعلم)

*112*

9. نعرض في الجدول التالي بيانات حول مصباح توهج ومصباح LED يضيئان بنفس الشدة. تكلفة كيلوواط - ساعة 0.54 شيقل.

(في الكتاب جدول مكون من 3 أعمدة و-5 صفوف)

اعتمادا على هذه البيانات احسبوا:

أ. أي مصباح يسخن أكثر خلال 5 ساعات عمل؟ اشرحوا السبب.

ب. ما هي تكلفة تشغيل مصباح LED لمدة 40,000 ساعة؟

ج. ما تكلفة تشغيل مصباح توهج لمدة 40,000 ساعة؟

د. اعتمادا على البيانات في الجدول والحسابات التي أجريتموها، أي مصباح توصون بشرائه؟ اشرحوا السبب.

10. احسبوا شدة التيار الكهربائي المار عبر مصباح توهج قدرته الكهربائية 45 واط وعبر نشافة قدرتها الكهربائية 4,500 واط، عند ربطهما بمزود جهد ثابت مقداره 220 فولت. ما هو الاستنتاج بخصوص العلاقة بين شدة التيار والقدرة، بالنسبة لنفس مصدر الجهد؟

*113*

الفصل 5: الحرارة واستغلالها

*113*

سنتعلم في هذا الفصل أن.

- الحرارة هي طاقة تنتقل من جسم درجة حرارته عالية إلى جسم درجة حرارته أقل.

- درجة الحرارة هي مقياس لمتوسط طاقة حركة الجسيمات في المادة.

- الحرارة النوعية هي كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة كغم واحد من مادة معينة بدرجة مئوية واحدة.

الحرارة الكامنة هي كتلة الحرارة اللازمة لتغيير حالة المادة لواحد كغم من مادة ما.

- الحرارة الكامنة في المواد تستغل في أنظمة تكنولوجية مختلفة لأهداف تبريد أو تسخين.

مصطلحات. سنتعرف عليها:

حرارة

درجة حرارة

حرارة نوعية

حرارة كامنة

حرارة انصهار

حرارة غليان

(في الكتاب تصوير حراري – ثيرموغرافيا - لامرأة تمسك بيدها كأس مشروب ساخن. تمثل الألوان المختلفة درجات حرارة مختلفة)

*114*

مقدمة

تكون الرمال على شاطئ البحر في يوم صيفي حار ملتهبة بينما يكون الماء باردا. لماذا؟

لماذا نحس بالبرودة عندما يتطاير الماء عن جلدنا؟

كيف يبرد المكيف صيفا ويدفئ شتاء؟

(في الكتاب 3 صور:

- في الصورة الأولى: في يوم صيفي رمال شاطئ البحر ملتهبة.

- في الصورة الثانية: عندما يتطاير الماء عن جلدنا نحس بالبرودة.

- في الصورة الثالثة: يمكن استخدام المكيفات للتدفئة وللتبريد أيضا)

هذه الظواهر وغيرها الكثيرة (في الطبيعة وفي العالم من صنع الإنسان) تنجم عن انتقالات حرارة. الحرارة هي نوع من الطاقة. في كل مرة تتحول فيها الطاقة من نوع إلى أخر أو تنتقل من مكان إلى آخر، يضيع قسم منها ويتحول إلى حرارة تنتقل إلى البيئة. مثلا، عند ركل كرة تحتك بالأرض والهواء أثناء حركتها، وتتحول طاقة حركتها تدريجي إلى حرارة تنتقل إلى البيئة؛ وفي المصباح الكهربائي قسم من الطاقة الكهربائية فقط يتحول إلى طاقة ضوء، بينما القسم الآخر يتحول إلى حرارة تسخن جسم المصباح والبيئة. كذلك في التفاعلات التي تحدث في جسمنا، قسم من الطاقة الكيميائية المنطلقة تتحول إلى حرارة، وهذه الحرارة تنتقل في جسمنا وتسخنه.

سنتعمق في هذا الفصل في فهم مصطلح "حرارة"، ونناقش الفرق بينه وبين مصطلح درجة حرارة. سنتعلم كيف نحسب بواسطة معادلة كمية الحرارة التي يستوعبها أو يطلقها جسم ما، ونبحث كيف تؤثر عوامل مختلفة على كمية هذه الحرارة. سنبحث في تغيرات درجة الحرارة التي تحدث في مواد مختلفة في أعقاب التسخين، ونتعرف على مصطلح الحرارة النوعية الذي يفسر لماذا تسخن مواد مختلفة (مثل الماء والرمل) بمقدار مختلف مع أنها تستوعب نفس الكمية من الحرارة. سنفهم أيضا سبب أهمية الحرارة النوعية العالية للماء لحياتنا، ونتعرف على تأثير حالة الطقس.

سنبحث ما الذي يؤثر على كمية الحرارة التي يجب تزويدها لجسم لكي يسخن، ونتعلم كيف نحسبها.

سنتناول الحرارة الكامنة المستوية أو المنطلقة عندما تنتقل مواد مختلفة من حالة إلى أخرى، ونتعرف على أنظمة طبيعية (مثل آلية التعرق)، وأنظمة تكنولوجية (مثل المكيف والثلاجة)، التي تستخدم هذه الحرارة.

*115*

الحرارة ودرجة الحرارة

كثيرا ما نخلط في كلامنا اليومي بين حرارة ودرجة حرارة. نتعامل مع أمور معينة على أنها ساخنة أو باردة، وعندما يمرض أحدهم نقول إنه "ساخن" ونقيس "الحرارة" عنده بواسطة مقياس الحرارة. عمليا، هذان المصطلحان "حرارة ودرجة حرارة" مختلفان الواحد عن الآخر.

نوضح ذلك بمساعدة مثال نعرفه من حياتنا اليومية:

نسخن كميات مختلفة من الماء في أوعية متماثلة على لهب شدته متساوية، لمدة زمنية متساوية. نسخن في أحد الأوعية كمية كبيرة من الماء، ونسخن في الوعاء الآخر كمية قليلة من الماء. درجة الحرارة في الوعاءين في بداية التسخين متساوية.

بعد 5 دقائق نقيس درجة حرارة الماء في الوعاءين بمقياس الحرارة.

(في الكتاب صورة للوعاءين سيتم شرحها من قبل المعلم).

أسئلة:

1. قارنوا كمية الحرارة التي زودت للماء في الوعاءين. اشرحوا.

2. خمنوا: هل يوجد فرق في درجة الحرارة التي وصل إليها الماء في الوعاءين المختلفين عند تسخينهما لنفس المدة؟ إذا كان الجواب نعم، فما هو؟ عللوا إجابتكم.

3. كيف توضح هذه الظاهرة الفرق بين الحرارة ودرجة الحرارة؟

4. أعطوا مثالا إضافيا تعرفونه يوضح الفرق بين الحرارة ودرجة الحرارة.

*116*

نعرف من تجربتنا أن كمية قليلة من الماء تسخن أسرع من كمية كبيرة من الماء، ولذا فإن درجة حرارتها بعد 5 دقائق تكون أعلى. أي، بالرغم من تزويدنا الوعاءين بنفس كمية الحرارة، درجة الحرارة التي وصل إليها الماء في كل وعاء مختلفة. يوضح هذا المثال أن الحرارة ودرجة الحرارة هما مصطلحان مختلفان.

ما هي درجة الحرارة؟

نقيس درجة حرارة الماء في الوعاءين بواسطة مقياس حرارة. ما هي درجة الحرارة؟

تكون جسيمات المادة بحركة دائمة، وقد تكون لكل جسيم سرعة مختلفة وهكذا تكون له طاقة حركة مختلفة. وبما أننا لا نستطيع قياس سرعة كل جسيم على حدة وحساب طاقة حركته، فإننا نتعامل مع طاقة الحركة المتوسطة للجسيمات. درجة الحرارة هي مقياس لطاقة الحركة المتوسطة لجميع جسيمات المادة، وتقاس بمقياس حرارة ويعبر عنها بوحدات درجات سلزيوس (مئوية).

كلما أشار مقياس الحرارة إلى درجة حرارة أعلى، دل ذلك على أن الجسيمات تتحرك بالمتوسط بسرعة أكبر وأن طاقة الحركة المتوسطة لها أعلى، وبالعكس! كلما أشار مقياس الحرارة إلى درجة حرارة أقل، دل ذلك على أن الجسيمات تتحرك بالمتوسط أبطأ وأن طاقة الحركة المتوسطة لها أقل.

سؤال

طول الأسهم في الرسم التوضيحي التالي يوضح سرعة الجسيمات في المادة "أ" والمادة "ب". درجة حرارة أي مادة أعلى؟

(يوجد صورة للجسيمات داخل مجسم)

- درجة الحرارة هي مقياس لطاقة الحركة المتوسطة لجسيمات المادة.

*117*

ما هي الحرارة؟

الحرارة هي طاقة تنتقل من جسم درجة حرارته عالية إلى جسم درجة حرارته أقل. تسمى هذه العملية: انتقال حرارة.

انتقال الحرارة بين الأجسام قد يسبب تغييرات في درجة حرارتها أوفي حالتها.

- انتقال الحرارة بين الأجسام قد يسبب تغييرا في درجة الحرارة.

عندما يطلق جسم حرارة يمكن أن تنخفض درجة حرارته ويبرد؛ وعندما يستوعب جسم حرارة يمكن أن ترتفع درجة حرارته ويسخن. مثلا، عندما نمسك بيدنا كأس شاي ساخنة، تنتقل الحرارة من كأس الشاي إلى يدنا، التي درجة حرارتها أقل. نتيجة ذلك تسخن يدنا وتبرد كأس الشاي. عندما ندوس بقدمين حافيتين على المصطبة، تنتقل حرارة من جسمنا إلى المصطبة، التي درجة حرارتها أقل. نتيجة ذلك يبرد جسمنا وتسخن المصطبة.

تغير درجة الحرارة في أعقاب انتقال الحرارة يدل على تغير في طاقة الحركة المتوسطة للجسيمات التي تبني الجسم؛ عندما يستوعب جسم حرارة، تؤدي إضافة الحرارة إلى ارتفاع سرعة وطاقة الحركة المتوسطة لجسيمات المادة، أي ترتفع درجة حرارة الجسم. وعندما يطلق جسم حرارة، تنخفض طاقة الحركة المتوسطة لجسيمات المادة، أي تنخفض درجة حرارة الجسم.

يستمر انتقال الحرارة بين جسمين حتى تتساوى درجة حرارتيهما. لذا فإن الأجسام الموجودة في نفس البيئة تصل دائما إلى نفس درجة الحرارة، إذا استمر انتقال الحرارة بينهما مدة كافية.

(في الكتاب صورتان:

- في الصورة الأولى: تنتقل الحرارة من كاس الشاي إلى اليد، فتسخن اليد.

- في الصورة الثانية: تنتقل الحرارة من القدم الى المصطبة فتبرد القدم)

(في الكتاب رسم توضيحي فيه مجسمان - ساخن وبارد - لتوضيح ظاهرة انتقال الحرارة بين الأجسام وكيف يؤدي الى التغيير في درجة حرارتها)

انتقال حرارة بين جسمين قد يسبب تغييرا في حالة مادتيهما.

هناك حالات يسبب فيها انتقال الحرارة إلى تغيير في حالة المادة دون أن تتغير درجة حرارتها. مثلا، عندما نضع كتلة صلبة من الزبدة في مقلاة ساخنة، تنتقل حرارة من المقلاة إلى الزبدة فتنصهر دون أن تتغير درجة حرارتها. إذا استمر تسخين الزبدة السائلة، ترتفع درجة حرارتها. سنتعلم لاحقا في هذا الفصل المزيد عن انتقالات الحرارة بين الأجسام، التي تسبب تغييرات في حالة مادتها.

(في الكتاب صورة: تنتقل الحرارة من المقلاة إلى الزبدة، فتنصهر الزبدة)

*118*

(يوجد صورة في الصورة: عندما يكون باب الثلاجة مفتوحا تنتقل حرارة من الغرفة إلى داخل الثلاجة(.

من المتبع في اللغة الدارجة (اليومية) استخدام مصطلح برد للتعبير عن إحساس ينبع عن فقد جسمنا لحرارة عندما يلامس جسم أبرد منه. لكن برد ليس مصطلحا مقبولا في الفيزياء. عند وجود منطقتين، إحداهما أبرد من الأخرى، تنتقل حرارة دائما من المنطقة الساخنة إلى المنطقة الباردة. مثلا، عندما نفتح باب الثلاجة، تنتقل حرارة من البيئة الخارجية إلى الثلاجة وليس العكس. القول السائد بأن البرد يخرج من الثلاجة خاطئ. عمليا نفقد حرارة عندما نلامس هواء كان في الثلاجة ودرجة حرارته أقل من درجة حرارة جسمنا.

(في الكتاب صورة: عندما يكون باب الثلاجة مفتوحًا، تنتقل حرارة من الغرفة الى داخل الثلاجة)

وحدات قياس الحرارة

بما أن الحرارة شكل من الطاقة، يمكن حساب كميتها، التي تقاس بوحدات طاقة - جول. وحدة أخرى ينتشر استعمالها للحرارة هي السُّعْر (كالوري).

سعر واحد يساوى 4.18 جول تقريبا.

الحرارة هي طاقة تنتقل من جسم درجة حرارته عالية إلى جسم درجة حرارته أقل.

أسئلة

1. نضع قنينة ماء بارد داخل وعاء فيه ماء درجة حرارته عالية.

أ. ماذا يحدث لدرجة حرارة ماء القنينة والماء في الوعاء بعد مدة قصيرة؟ ماذا يحدث لدرجة حرارة الماء في الوعاءين بعد مدة طويلة؟

ب. ما الذي يصح قوله بخصوص العملية التي حدثت؟ اختاروا الإمكانية الصحيحة.

1. انتقلت درجة حرارة من الماء في الوعاء إلى ماء القنينة.

2. انتقلت حرارة من الماء في الوعاء إلى ماء القنينة.

3. انتقلت حرارة من ماء القنينة إلى الماء في الوعاء.

4. انتقلت درجة حرارة من ماء القنينة إلى الماء في الوعاء.

2. في غرفة فيها درجة الحرارة ثابتة وتساوي 20 درجة مئوية، توضع الأغراض التالية بدرجات الحرارة المعطاة: بطانية صوف (30 درجة مئوية)، كرة سلة (30 درجة مئوية)، كأس زجاجية (25 درجة مئوية)، زبدية معدنية (15 درجة مئوية). ماذا تكون درجة حرارة كل غرض بعد مدة طويلة؟

3. نمسك كأس ماء بارد. لماذا نحس بالبرودة؟

*119*

فعالية - تجربة

انتقال الحرارة بين جسمين

هدف التجربة: متابعة الحرارة المنتقلة بين جسمين.

أجهزة: أنبوب اختبار فيه 10 سم^3 ماء بدرجة حرارة الغرفة (ماء حنفية)، كأس كيميائية تحتوي على 100 سم^3 ماء غالٍ، 2 مقياس حرارة.

فرضية: نضع أنبوب الاختبار في الكأس. خمنوا ماذا يحدث لدرجة حرارة الماء في أنبوب الاختبار ودرجة حرارة الماء في الكأس بعد مدة. عللوا فرضيتكم.

وسائل حذر: قفازات، نظارات واقية، شعر مربوط.

تنبيه! نستخدم في التجربة ماء غاليا ويجب الحذر من الاكتواء.

مجرى التجربة:

أ. قيسوا درجة حرارة الماء في أنبوب الاختبار وفى الكأس الكيميائية، وسجلوا درجات الحرارة.

ب. ضعوا أنبوب الاختبار المحتوي على ماء حنفية داخل الماء في الكأس الكيميائية.

ج. قيسوا، بواسطة مقياس حرارة، درجة الحرارة في كل وعاء كل 30 ثانية لمدة 5 دقائق.

نتائج:

أ .انسخوا الجدول التالي إلى الدفتر، واكتبوا فيه نتائج القياسات. اكتبوا عنوانا للجدول.

(في الكتاب جدول مكون من 3 أعمدة و - 7 صفوف)

ب. اعرضوا النتائج برسوم بيانية: رسم بياني واحد لدرجة الحرارة في أنبوب الاختبار، ورسم بياني أخر لدرجة الحرارة في الكأس. قرروا أي نوع رسم بياني ملائم لعرض النتائج.

(أعمدة، منحنى، مخطط دائري وما شابه).

ج. صفوا بالكلمات ما حدث لدرجات الحرارة في الوعاءين أثناء التجربة.

إجمال واستنتاجات:

.1 قارنوا بين الرسمين البيانيين اللذين أعددتموهما؛ درجة حرارة الماء في أنبوب الاختبار ودرجة حرارة الماء في الكأس. تطرقوا إلى اتجاه تغير درجة الحرارة، إلى شكل الرسم البياني وإلى درجة الحرارة النهائية للماء في الوعاءين.

*120*

2. بأي طريقة تنتقل الحرارة بين الماء في الكأس والماء في أنبوب الاختبار: توصيل، حمل، أو إشعاع؟ تذكروا طرق نقل الحرارة التي تعلمتموها في الماضي.

3. من أين والى أين تنتقل الحرارة؟ صفوا اتجاه العملية.

4. متى تتوقف عملية انتقال الحرارة؟

5. ادعت رانيه أن هذه التجربة غير دقيقة، لأن الحرارة تنتقل من الماء في الوعاءين إلى أجسام أخرى أيضا. ما رأيكم في ادعاء رانيه؟ عللوا.

6. اقترحوا تحسينات ملائمة للتجربة لضمان انتقال الحرارة بين الماء في الكأس والماء في أنبوب الاختبار فقط.

ما هي كمية الحرارة المتنقلة بين الأجسام؟

يحتاج العلماء والمهندسون في كثير من الأحيان معرفة كمية الحرارة التي يجب تزويدها لجسم ما لتسخينه درجة حرارة معينة (مثلا، لتدفئة الهواء في غرفة)، أو كمية الحرارة التي يفقدها جسم ما للبيئة. كيف يحسبون كنية الحرارة؟ وما هي العوامل التي تحدد كمية الحرارة وما العلاقة بينها؟

أجرى علماء تجارب كثيرة لفحص هذا، ووجدوا أن كمية الحرارة اللازمة لتسخين جسم معين من درجة حرارة معينة إلى درجة حرارة أخرى تتعلق بالعوامل التالية:

أ. كتلة الجسم (m).

ب. نوع المادة المكونة للجسم، وتتمثل بالحرارة النوعية للمادة (c).

ج. فارق درجات الحرارة (dlta(t - الفرق بين درجة الحرارة النهائية والابتدائية للجسم.

نفحص العلاقة بين كمية الحرارة وبين هذه العوامل الثلاثة.

أ. العلاقة بين كميه الحرارة اللازمة لتسخين جسم وبين كتلته.

من تجاربنا اليومية نعرف أن تسخين جسم كتلته كبيرة إلى درجة حرارة معينة، يحتاج إلى وقت أطول من الوقت الذي يحتاجه تسخين جسم كتلته أصغر إلى نفس درجة الحرارة. في الفعالية التالية تخططون تجربة علمية تفحصن ذلك.

(في الكتاب صورة لإبريق كهربائي - كم هي الحرارة التي يجب تزويدها للماء في الإبريق لتسخينه الى درجة حرارة معينة؟)

*121*

فعالية

تخطيط تجربة وتنفيذها.

تسخين كتل مختلفة من الماء.

هدف التجربة: فحص كمية الحرارة اللازمة لتسخين كتل مختلفة من الماء إلى نفس درجة الحرارة.

نقدر كمية الحرارة بمساعدة زمن التسخين؛ كلما كانت مدة التسخين أطول، كانت كمية الحرارة المزودة للماء أكبر.

أجهزة: موقد كهربائي للتسخين، 2 كأس كيميائية حجمها 100 سم^3، 2 مقياس حرارة، ساعة توقيت، ماء.

وسائل حذر: قفازات، نظارات واقية، شعر مربوط.

تنبيه نستخدم في التجربة ماء غاليا لذا يجب الحذر من الاكتواء.

سؤال بحث:

صوغوا سؤال بحث ملائم لهدف التجربة.

تخطيط التجربة وتنفيذها:

تنفذ هذه الفعالية في مجموعات.

أ. تمعنوا في الأجهزة التي تحت تصرفكم وخططوا تجربة تفحص سؤال البحث.

اكتبوا في التخطيط فرضية مبررة، اذكروا العامل المؤثر، العامل المتأثر والعوامل الثابتة. اكتبوا المراحل المختلفة في مجرى التجربة ورقموها.

ب. بعد موافقة المعلم، نفذوا التجربة واحرصوا على جميع وسائل الحذر اللازمة.

نتائج:

أ. أعدوا جدولا تسجلون فيه النتائج واكتبوا له عنوانا ملائما.

ب. سجلوا النتائج التي حصلتم عليها في الجدول.

إجمال واستنتاجات:

1. اكتبوا الاستنتاجات من نتائج التجربة. هل النتائج دعمت أم دحضت فرضيتكم؟

2. اكتبوا تأملا (تفكير انعكاسي) في التجربة التي نفذتموها. تطرقوا إلى طريقة تنفيذ التجربة، أخطاء القياس، اقتراحات تحسين مجرى التجربة وغيرها.

3. أعدوا تقرير تجربة تلخصون فيه مجرى التجربة، النتائج والاستنتاجات منها.

*122*

- كلما كانت كتلة الجسم أكبر، لزمت كمية حرارة أكبر لتسخينه لدرجة حرارة معينة.

كيف يفسر نموذج الجسيمات العلاقة بين كمية الحرارة وبين الكتلة؟

عند تسخين مادة فهي تستوعب حرارة (طاقة). تسبب إضافة الحرارة إلى ارتفاع سرعة ومتوسط طاقة حركة جسيمات المادة، أي ترتفع درجة حرارتها. كلما كانت كتلة المادة أكبر، كانت كمية الجزيئات فيها أكثر، ولذا فإن نفس كمية الحرارة المضافة إليها تتوزع على جسيمات أكثر، والكمية المضافة من الطاقة لكل جسيم تكون أقل. مثلا، عند تسخين كمية كبيرة من الماء، تتوزع الحرارة المضافة على عدد من الجسيمات أكبر منه عند تسخين كمية قليلة من الماء بنفس كمية الحرارة. كلما كانت طاقة حركة الجسيمات المضافة أقل، كان الارتفاع في درجة الحرارة أقل.

(في الكتاب رسم توضيحي: عندما يكون عدد الجسيمات أكبر، وتوزع نفس الحرارة المضافة على جسيمات أكثر ولذا فإن متوسط طاقة الحركة المضافة لكل جسيم تكون اقل)

*123*

ب. العلاقة بين كمية الحرارة اللازمة لتسخين جسم وبين نوع المادة التي يتكون منها.

لماذا تكون رمال الشاطئ في يوم مشمس حار ملتهبة بينما يكون ماء البحر باردا، بالرغم من أنهما معرضان لأشعة الشمس بقدر متساو؟

عندما نزود نفس كمية الحرارة لمواد مختلفة، تسخن كل مادة بقدر مختلف. مثلا؛ إذا عرضنا وعاءين متماثلين فيهما كتل متساوية من الرمل والماء للشمس لمدة ساعة، يسخن الرمل أكثر من الماء.

(في الكتاب صورتان لكأسين: في احداهما 200 غرام رمل وفي الثانية 200 غرام ماء: عند تسخين كتل متساوية من الرمل والماء في الشمس، يسخن الرمل أكثر من الماء).

السبب في ذلك هو أن تغيير درجة حرارة الرمل يحتاج إلى كمية حرارة أقل من تلك اللازمة لتغيير درجة حرارة الماء بنفس المقدار. تسمى هذه الصفة للمادة بالحرارة النوعية. الحرارة النوعية للمادة هي كمية الحرارة اللازمة لتغيير درجة حرارة كغم واحد من المادة بمقدار درجة مئونة واحدة.

لكل مادة حرارة نوعية خاصة بها. الحرارة النوعية للرمل أقل من الحرارة النوعية للماء، ولذا كتلة معينة من الرمل تسخن أكثر من كتلة مساوية لها من الماء عند تزويدهما بنفس كمية الحرارة.

حرارة نوعية - كمية الحرارة اللازمة لتغيير درجة حرارة 1 كغم من مادة درجة مئوية واحدة.

وحدات قياس الحرارة النوعية

تقاس الحرارة النوعية بوحدات جول لكغم لدرجة مئوية، أي كم من الحرارة يلزم لرفع درجة حرارة كغم واحد من مادة ما بدرجة مئوية واحدة. كذلك، يمكن قياس الحرارة النوعية بوحدات السعرات لغرام لدرجة مئوية.

*124*

يعرض الجدول التالي معطيات حول الحرارة النوعية لمواد مختلفة.

(في الكتاب جدول مكون من عامودين و - 20 صفوف)

(في الكتاب 5 صور:

- في الصورة الأولى: الحرارة النوعية للزيت 1،200 جول كغم لدرجة مئوية.

- في الصورة الثانية: الحرارة النوعية للماء (سائل) 4،200 جول لكغم لدرجة مئوية.

- في الصورة الثالثة: الحرارة النوعية للخشب 1،700 جول لكغم لدرجة مئوية.

- في الصورة الرابعة: الحرارة النوعية للحديد 450 جول لكغم لدرجة مئوية.

- في الصورة الخامسة: الحرارة النوعية للذهب 130 جول لكغم لدرجة مئوية)

أسئلة

1. قارنوا معطيات الحرارة النوعية للمواد المختلفة المعروضة في الجدول. سجلوا حقيقتين تبرزان من المقارنة.

2. نضع مكعب ألومينيوم ومكعب حديد كتلتهما متساوية داخل كأس فيه ماء ساخن. بعد مدة ما نخرج المكعبين من الماء ونقيس درجة حرارتهما. تشير نتائج قياس درجتي الحرارة للمكعبين إلى أنهما غير متساويتين. أي مكعب تكون درجة حرارته أعلى؟ لماذا؟

*125*

3. كتلتان متساويتان من الزيت والماء في درجة حرارة الغرفة موجودتان في وعاءين متماثلين. يجب تسخين الزيت والماء إلى درجة حرارة 50 درجة مئوية على لهب شدته متماثلة. أي مادة يجب تزويدها بكمية حرارة أكبر (ولذا مدة التسخين تكون أطول)؟ عللوا.

4. استنتجوا: كيف تؤثر الحرارة النوعية على كمية الحرارة التي يجب تزويدها لكتل متساوية من المواد المختلفة لتسخن بنفس المقدار؟

الحرارة النوعية هي صفة للمادة، ولذا فإن المواد المختلفة لها حرارة نوعية مختلفة.

كلما كانت الحرارة النوعية للمادة أكبر، لزمت كمية حرارة أكبر لرفع درجة حرارتها بنفس القدر.

ج. العلاقة بين تغيير درجة حرارة الجسم وكمية الحرارة اللازمة لتسخينه.

نعرف من تجربتنا اليومية أنه كلما سخنا جسما مدة أطول، ارتفعت درجة حرارته أكثر. في الفعالية التالية تفحصون التغير في درجة حرارة الماء أثناء تسخينه، وتصلون لاستنتاج بالنسبة للعلاقة بين تغير درجة الحرارة وكمية الحرارة.

فعالية

تنور علمي - تعليل تجربة

التغير في درجة حرارة الماء أثناء التسخين

أجرى تلاميذ التجربة التالية: سخنوا 200 غرام ماء وقاسوا خلال فترات متساوية التغير بدرجة حرارة الماء. قدروا كمية الحرارة التي زودت للماء بمساعدة مدة التسخين - كلما كانت مدة التسخين أطول، كبرت كمية الحرارة المزودة للماء بنفس المقدار.

نشير إلى التغير في درجة الحرارة، أي الفرق بين درجة الحرارة النهائية والابتدائية للجسم، بالأحرف dlta(t).

حسب التلاميذ dlta(t)، أي الارتفاع بدرجة حرارة الماء من بداية التسخين في كل فترة زمنية، وعرضوا النتائج في الرسم البياني في الصفحة التالية.

*126*

أسئلة

تمعنوا في الرسم البياني وأجيبوا عن الأسئلة التي تليه.

(في الكتاب رسم بياني: ارتفاع درجة حرارة dlta(t) الماء أثناء التسخين. وفي الرسم البياني ارتفاع درجة الحرارة في درجة مئوية من 0 الى 36، والزمن بالدقائق، من 0 الى 6)

1. كانت درجة حرارة الماء الابتدائية 25 درجة مئوية. ماذا كانت درجة حرارته بعد 3 دقائق من التسخين؟ فصلوا طريقة الحساب.

2. كم يلزم من الوقت لرفع درجة حرارة الماء ب 12 درجة مئوية؟

3. كم يلزم من الوقت لرفع درجة حرارة الماء ب 24 درجة مئوية؟

4. استنتجوا من المعطيات المعروضة في الرسم البياني ما هي العلاقة بين ارتفاع درجة حرارة الماء dlta(t) وكمية الحرارة التي نزودها للماء؟

كلما كان فرق درجات الحرارة أكبر، لزمت حرارة أكبر لتسخين كمية معبئة من المادة.

*127*

أسئلة

لتلخيص العلاقة بين كمية الحرارة وبين كتلة الجسم، الحرارة النوعية المميزة للمادة المصنوع منها الجسم، وفرق درجات الحرارة بين درجة الحرارة النهائية والابتدائية للجسم، اختاروا الكلمات الصحيحة من بين الكلمات بين القوسين في كل واحدة من الحالات التالية:

1. نسخن جسمين مكونين من نفس المادة، لكن كمية المادة (m) فيهما مختلفة. كلما كانت كتلة الجسم أصغر، لزمت كمية حرارة (مماثلة/ أكبر/ أقل) لتسخين هذين الجسمين بنفس المقدار.

في الكتاب رسم توضيحي:

الجسم الكبير:

100 غرام = m

10 درجة مئوية = dlta(T)

الجسم الصغير:

50 غرام = m

10 درجة مئوية = dlta(T)

2. نسخن جسمين كتلتهما متساوية، ولكن لكل واحد منهما حرارة نوعية (c) مختلفة. كلما كانت الحرارة النوعية أصغر، لزمت كمية حرارة (مماثلة/ أكبر/ أقل) لتسخين هذين الجسمين بنفس المقدار.

في الكتاب رسم توضيحي:

على الجسم الأول مكتوب c ومميزاته:

100 غرام = m

10 درجة مئوية = dlta(T)

على الجسم الثاني مكتوب 2c ومميزاته:

100 غرام = m

10 درجة مئوية = dlta(T)

3. نسخن جسمين مكونين من نفس المادة وكتلتهما متساوية. كلما كان فرق درجات الحرارة dlta(t) للجسم أصغر، لزمت كمية حرارة (مماثلة /أكبر/ أقل) لتسخين هذين الجسمين لنفس درجة الحرارة النهائية.

في الكتاب رسم توضيحي:

على الجسم الأول مكتوب c ومميزاته:

100 غرام = m

10 درجة مئوية = dlta(T)

على الجسم الثاني مكتوب c ومميزاته:

100 غرام = m

20 درجة مئوية = dlta(T)

كيف نحسب كتله الحرارة؟

وجدنا في الفعالية التي نفذناها علاقة بين كمية الحرارة التي يجب تزويدها للجسم ليسخن بمقدار معين وبين كتلته، الحرارة النوعية للمادة التي يتكون منها والفرق في درجات الحرارة.

على مر السنين أجرى علماء تجارب أثبتت أن هناك تناسبا طرديا بين كميه الحرارة وبين الكتلة، الحرارة النوعية وفرق درجات الحرارة. مثلا، إذا كان فرق درجات الحرارة هو ضعفين، كذلك فإن كمية الحرارة اللازمة للتسخين أكبر هي ضعفان (بشرط عدم تغيير الكتلة والحرارة النوعية).

إذا علمنا ما هي الكتلة (m) بوحدات كغم، ما هي الحرارة النوعية (c) بوحدات جول لكغم لدرجة مئوية وما هو فرق درجات الحرارة dlta(T) بدرجات مئوية، يمكن حساب العلاقة بينها وبين كمية الحرارة التي يجب تزويدها للجسم (E[q]) بوحدات جول بواسطة المعادلة:

E[q]=m*c*dlta(T)

تناسب هذه المعادلة حالة تسخين (استيعاب حرارة) الجسم وحالة تبريده (إطلاق حرارة).

*128*

مثال:

سخنوا في طنجرة 2 لتر ماء (1 لتر ماء = 1 كغم ماء) بدرجة حرارة 25 درجة مئوية. ارتفعت درجة حرارة الماء إلى 75 درجة مئوية. ما هي كمية الحرارة التي استوعبها الماء؟

كتلة الماء: 2كغم = m

الحرارة النوعية للماء: 4،200 جول لكغم لدرجة مئوية = C

فرق درجات الحرارة:

dlta(T)=75-25=50 درجة مئوية

كمية الحرارة التي استوعبها الماء تعادل 420،000 جول (420 كيلو جول) بناء على الحساب التالي:

E[q]=2

*4*

,200

*50*

=420،000 جول

مثال آخر:

كتلة قضيب حديد 0.5 كغم ودرجة حرارته 50 درجة مئوية، تم تبريده إلى درجة حرارة الغرفة (25 درجة مئوية) ما هي كمية الحرارة التي انطلقت من القضيب؟

نستخدم معادلة حساب كمية الحرارة ونعوض فيها القيم التالية:

كتلة الحديد: 0.5 كغم = m

الحرارة النوعية للحديد: 450 جول لكغم لدرجة مئوية = C

فرق درجات الحرارة:

dlta(T)=25-50=(25-) درجة مئوية

(فرق درجات الحرارة سالب لأن درجة الحرارة النهائية أقل من درجة الحرارة الابتدائية).

كمية الحرارة التي أطلقها قضيب الحديد تعادل 5،625 جول، بناء على الحساب التالي:

E[q]=m*c*dlta(T)=0.5

*450*

(-25)=5625-جول

(معنى الرقم السالب لكتلة الحرارة أن القضيب أطلق حرارة).

(في الكتاب صورة:

هناك تناسب طردي بين كمية الحرارة المستوعبة في الماء في الابريق عندما يسخن وبين كتلة الماء وفرق درجات الحرارة)

(في الكتاب صورة:

هناك تناسب طردي بين كمية الحرارة المنطلقة من الحساء (المرقة) عندما يبرد وبين كتلة المرقة وفرق درجات الحرارة)

انتقال الحرارة بين الأجسام وقانون حفظ الطاقة

حسب قانون حفظ الطاقة، إذا انتقلت طاقة بين جسمين في نظام مغلق ومعزول، فإن كمية الحرارة التي يطلقها أحد الجسمين تساوي كمية الحرارة التي يستوعبها الجسم الآخر. يمكن استخدام معادلة الحرارة لحسابات مختلفة في الحالات التي تنتقل فيها حرارة من جسم إلى آخر.

(في الكتاب رسم توضيحي فيه مكعبين، الأيمن حار والأيسر بارد يتم لصقهما - كمية الحرارة المنطلقة من المكعب الأيمن تساوي كمية الحرارة المستوعبة في المكعب الأيسر)

- كمية الحرارة التي يستوعبها أو يطلقها الجسم تتناسب طرديا مع كتلة الجسم (m)، تغيير درجة الحرارة dlta(T) والحرارة النوعية (c) للمادة التي يتكون منها الجسم.

- وصف لهذه الكمية في المعادلة:E[q]=m*c*dlta(T).

*129*

1. من المألوف في البلاد الباردة استخدام قربة (فيها ماء ساخن) لتدفئة الفراش الذي ينامون عليه. في قربة تسخين 1 كغم ماء يغلي (بدرجة حرارة 100 درجة مئوية).

وضعت في الفراش وبردت لدرجة حرارة 20 درجة مئوية.

احسبوا كمية الحرارة المنطلقة من الماء في القربة.

2. سخنوا على موقد كهربائي 1 كغم ماء في طنجرة. وعلى موقد كهربائي مماثل سخنوا في طنجرة مماثلة 1 كغم من الزيت. ارتفعت درجة حرارة الماء ب 10 درجة مئوية وارتفعت درجة حرارة الزيت ب 20 درجة مئوية. في أي من الحالتين كانت كمية الطاقة الكهربائية المزودة أكبر؟ اشرحوا السبب.

3. سخنوا قطعة معدن إلى 100 درجة مئوية. ووضعوها داخل 0.1 كغم ماء في درجة حرارة 20 درجة مئوية إلى أن تساوت درجتا الحرارة للمعدن والماء. الحرارة التي انتقلت من المعدن إلى الماء أدت إلى رفع درجة حرارة الماء إلى 23 درجة مئوية. أجريت التجربة في مسعر (كالوريمتر) - وعاء عازل للحرارة. كم من الحرارة فقدت قطعة المعدن؟

هل تعلم؟

الحرارة النوعية للماء وتأثيرها على حياتنا

الحرارة النوعية للماء كبيرة مقارنة مع المواد الأخرى. لذا يسخن الماء ببطء ويبرد ببطء. لهذه الصفة للماء تأثير كبير على حالة الطقس وهي مهمة للحياة. مثلا:

- الحرارة النوعية للماء أكبر منها لليابسة. تسخن الشمس خلال النهار البحر واليابسة - تسخن مياه البحر ببطء، بينما تسخن اليابسة بسرعة. لذا، خلال النهار، يكون البحر والهواء من فوقه أبرد من اليابسة والهواء من فوقها. الهواء البارد الذي يهب من البحر إلى اليابسة في الساعات الحارة من النهار يساعد على تبريد مناطق اليابسة المجاورة لشاطئ البحر.

- معظم أجسام الكائنات الحية مكونة من الماء. للحرارة النوعية الكبيرة للماء أهمية في آلية تنظيم درجة حرارة أجسام الكائنات الحية. مثل الماء، تسخن أجسام الكائنات الحية ببطء وتبرد ببطء. تساعد هذه الحقيقة على حماية الكائنات الحية من تغيرات سريعة في درجة حرارة الجسم عندما تتغير درجة حرارة البيئة الخارجية بشكل متطرف، مثل، عند الخروج من غرفة مكيفة إلى بيئة حارة.

(في الكتاب صورة: للحرارة النوعية العالية للماء تأثير على حالة الطقس - رياح باردة تهب خلال النهار من البحر الأبرد إلى اليابسة الاسخن منه).

*130*

الحرارة الكامنة.

عندما يتبخر الماء عن جلدنا نحس ببرودة. لماذا؟

تذكروا تجربة فيها سخنا ماء في وعاء وقسنا درجة حرارته أثناء عملية التسخين.

في بداية التجربة ترتفع درجة الحرارة، لكن عندما تصل درجة حرارة الماء إلى درجة الغليان، لا تتغير درجة حرارة الماء حتى لو واصلنا تزويده بالحرارة.

يمكن إجراء تجربة مشابهة عند تسخين جليد وقياس درجة الحرارة طيلة عملية التسخين. يصف الرسم البياني التالي تغيرات درجة الحرارة وحالات المادة التي تحدث في هذه التجربة. يمكن التمييز في الرسم البياني أنه بمناطق معينة فيها ترتفع درجة حرارة الماء، وفي مناطق أخرى لا تتغير درجة حرارة الماء. نحصل على نفس الرسم البياني في العملية المعاكسة أيضا، عندما نبرد ماء من حالة غاز ونقيس درجة حرارته أثناء عملية التبريد.

(في الكتاب صورة - عند نخرج من البركة مبلولين، نحس بالبرودة)

(في الكتاب رسم توضيحي: تسخين أو تبريد ماء - تغييرات في درجة حرارة الماء وحالة المادة في أعقاب التسخين أو التبريد - استعن بالمعلم)

تشير المناطق التي لا تتغير فيها درجة الحرارة إلى عمليات تمر فيها المادة من حالة إلى أخرى. العملية التي تتغير فيها حالة المادة هي عملية مستوعبة للحرارة أو مطلقة للحرارة، حسب اتجاه العملي. العملية التي تتحول فيها المادة من الصلب إلى السائل (انصهار) أو من سائل إلى غاز (غليان) هي عملية مستوعبة للحرارة. مقابل هذا، العملية التي تتحول فيها المادة من غاز إلى سائل (تكثيف) أو من سائل إلى صلب (تجمد) هي عملية مطلقة للحرارة. الحرارة المستوعبة أو المنطلقة عند تحول حالة المادة لواحد كغم تسمى: حرارة كامنة.

حرارة كامنة - كمية الطاقة المنطلقة أو المستوعبة عندما يتحول 1 كغم من مادة من حالة إلى أخرى.

*131*

مثلا، الحرارة الكامنة للجليد 335,000 جول/كغم (335 كيلو جول/كغم). معنى ذلك أن كمية الحرارة اللازمة لانصهار 1 كغم جليد تعادل 335،000 جول. تستوعب هذه الحرارة من البيئة.

تنطلق كمية مساوية من الحرارة إلى البيئة عندما تحدث عملية معاكسة أيضا. مثلا، عندما يتحول 1 كغم ماء من سائل إلى صلب (يتجمد)، تنطلق منه كمية حرارة تعادل 335,000 جول.

عمل أجهزة مختلفة نستخدمها في حياتنا اليومية، مثل الثلاجة والمكيف، يعتمد، من جملة ما تعتمد عليه، على استيعاب وإطلاق حرارة كامنة في عمليات تغيير حالة المادة.

(في الكتاب رسم توضيحي لتحول الصلب الى سائل والى غاز ومن غاز الى سائل وصلب، استعن بالمعلم)

اسئلة

1. ابحثوا في القاموس عن معنى كلمة كامنة. لماذا حسب رأيكم أطلق عليها اسم حرارة كامنة؟

2. تمعنوا في الرسم البياني على الصفحة السابقة، والذي يصف تغيرات درجة الحرارة التي تحدث في أعقاب تسخين أو تبريد الماء. المقاطع المختلفة في الرسم البياني مرقمة.

أ. إي مقاطع في الرسم البياني تخص مراحل فيها تنطلق الحرارة الكامنة للماء إلى البيئة أو تستوعب منها؟

ب. أي مقاطع في الرسم البياني تتأثر من الحرارة النوعية للماء؟

ج. قارنوا بين حرارة انصهار (تجمد) الماء وبين حرارة غليانه (تكثيفه). ما هو استنتاجكم؟

3. أ. عند تبخر مادة فإنها تستوعب طاقة من البيئة. ماذا يحدث لدرجة حرارة البيئة نتيجة لذلك؟

ب. عند تكثف مادة فإنها تطلق طاقة إلى البيئة. ماذا يحدث لدرجة حرارة البيئة نتيجة لذلك؟

ج. اشرحوا لماذا تبخر الماء من جلدنا يسبب لنا شعورا بالبرودة.

4. كيف توضح ظاهرة الحرارة الكامنة الفرق بين الحرارة ودرجة الحرارة؟

*132*

فعالية

الى الشبكة

الحرارة الكامنة (وتغيران الطاقة) في تحولات حالة المادة

زوروا موقع الإنترنت الحقيبة الرقمية للمرحلة الإعدادية - علوم وتكنولوجيا، واختاروا مجال الفيزياء. ادخلوا موضوع عمليات تغير في المادة، واختاروا الفعالية تغيرات في حالة المادة.

بهذه المحاكاة يمكنكم تسخين ماء من حالة صلبة (جليد) وحتى حالة الغاز (بخار ماء)، ومتابعة التغيرات التي تحدث في المادة أثناء عملية التسخين.

أ. شغلوا المحاكاة وسخنوا الماء حتى يتحول إلى غاز. يمكنكم خلال التسخين وقف وتشغيل المحاكاة من جديد بالضغط على توقف أو تشغيل.

ب. تابعوا التغيرات في درجة الحرارة والتغيرات في حالة المادة والمبنى الجسيمي للماء.

ج. اشرحوا تغير درجة الحرارة في عملية تسخين الماء من 0 درجة مئوية إلى 100 درجة مئوية. ماذا يحدث لمتوسط طاقة حركة جسيمات الماء في العملية؟

د. صفوا التغيرات التي تحدث في الماء بدرجة حرارة 100 درجة مئوية، عند مواصلة التسخين ولكن درجة الحرارة لا تتغير. تتطرقوا في إجابتكم لحالة المادة والمبنى الجسيمي للماء (ترتيب الجسيمات ونمط حركتها).

ه. خمنوا: ما هو استعمال الطاقة المضافة (الحرارة) المستوعبة في عملية تحول حالة المادة؟ استعينوا بالرسوم المتحركة التي تصف المبنى الجسيمي.

فعالية - تنور علمي

اكتشاف الحرارة الكامنة

كان جوزيف بلاك (Joseph Black) كيميائيا وبروفيسورا للطب، من أصل اسكتلندي. بحث بصورة عميقة موضوع الحرارة، وساعدت أبحاثه العلماء في التمييز بين الحرارة ودرجة الحرارة ووضعت الأسس لنشأة مجال علمي جديد: ثيرموديناميكا - علم ديناميكية الحرارة - نظرية انتقال الحرارة.

من ضمن ما وحده بلاك، العلاقة بين كمية المادة، وفرق درجات الحرارة وكمية الحرارة، واكتشف أن لكل مادة تلزم كمية حرارة مختلفة لتسخينها بنفس المقدار. أطلق على هذه الخاصية صفة الحرارة النوعية.

فيما يلي وصف لإحدى التجارب المشهورة التي أجراها بلاك، التجربة التي اكتشف بها خاصية الحرارة الكامنة. اقرأوا وصف التجربة وأجيبوا عن الأسئلة التي تليه.

(في الكتاب صورة لجوزيف بلاك)

*133*

مجرى التجربة:

ملا بلاك وعاءين متماثلين بكميات ماء متساوية وبردهما. برد أحد الوعاءين بحيث برد الماء لدرجة حرارة 0 درجة مئوية دون أن يتجمد. وبرد الوعاء الآخر لدرجة حرارة 0 درجة مئوية وتجمد الماء. ترك الوعاءين يسخنان في نفس البيئة، وقاس المدة اللازمة للماء في كل وعاء للوصول إلى درجة حرارة سبق وأن حددها.

نتائج التجربة:

نتائج القياسات: الماء في الوعاء الأول، الذي برد لدرجة التجمد دون أن يتجمد، وصل إلى درجة الحرارة المرغوبة خلال نصف ساعة، بينما الماء المتجمد في الوعاء الآخر ذاب ووصل إلى درجة الحرارة المرغوبة بعد حوالي 10 ساعات ونصف.

استنتاجات التجربة:

فهم بلاك من النتائج أن كمية الحرارة التي استوعبها الماء من البيئة في وعاء الماء المتجمد كانت أكبر بكثير (بناء على حساباته أكبر ب 21 مرة تقريبا) من كمية الحرارة التي استوعبها الماء في الوعاء الأول. استنتج من ذلك أنه تلزم 20 وحدة حرارة لتحويل الماء من حالة صلبة إلى حالة سائلة، ووحدة حرارة واحدة لتسخين الماء إلى درجة الحرارة المرغوبة. نفهم من هذا أن قسما من الحرارة المزودة للماء هي "مستترة" ولا تؤثر على درجة حرارته. سمى بلاك كمية الحرارة هذه باسم حرارة كامنة.

اسئلة

1. كيف تظهر مركبات ومبادئ أسلوب، البحث العلمي (مثل: عزل متغيرات، والتعرف على عامل مؤثر وعامل متأثر، وصياغة النتائج وطريقة الوصول للاستنتاجات) في تجربة بلاك؟

2. في البلاد الباردة التي يسقط فيها كثير من الثلج، عندما يسخن الثلج يذوب ببطء، وفى أماكن معينة تبقى جبال جليدية حتى نهاية الصيف.

كيف تفسر نتائج بلاك هذه الظواهر الطبيعية؟

3. اعتقدوا قبل زمن بلاك أنه تلزم كمية قليلة فقط من الحرارة لتحويل الصلب إلى سائل أو السائل إلى غاز، وأن الحرارة الإضافية تتسبب في رفع درجة الحرارة.

أ. عارض بلاك هذا الاعتقاد، وادعى أن فيضانات عظيمة كانت ستغمر البلاد الباردة في الربيع لو كان هذا الاعتقاد صحيحا. ما هو التعليل العلمي لادعائه؟

ب. كيف دحضت تجربة بلاك هذه الاعتقاد؟

4. كرروا ثانية تجربة بلاك. خططوا تجربة ونفذوها. هل توصلتم إلى نفس الاستنتاجات؟ قارنوا التجربة التي أجريتموها مع تجارب بلاك، وإذا كانت فروق في النتائج ناقشوا أسبابها.

*134*

الحرارة الكامنة للانصهار وللغليان.

الحرارة الكامنة للانصهار أو حرارة الانصهار هي كمية الحرارة اللازمة لتحول 1 كغم مادة من حالة صلبة إلى حالة سائلة.

الحرارة الكامنة للغليان أو حرارة الغليان هي كمية الحرارة اللازمة لتحول كغم واحد من مادة من حالة سائلة إلى حالة غازية.

الحرارة الكامنة (حرارة انصهار أو حرارة غليان) هي صفة للمادة، ولكل مادة حرارة كامنة خاصة بها.

يعرض الجدول التالي معطيات عن الحرارة الكامنة لمواد مختلفة (بوحدات جول/كغم).

تمعنوا في الجدول وأجيبوا عن الأسئلة التي تليه.

(في الكتاب جدول مكون من 3 أعمدة و - 10 صفوف)

اسئلة

1. اختاروا مادتين معروضتين في الجدول وقارنوا بين حرارة انصهارهما وحرارة غليانهما.

2. (توسع) اقترحوا تفسيرا للفرق بين حرارة الانصهار وحرارة الغليان. استعينوا بمعرفتكم السابقة حول المبنى الجسيمي للمادة وحط التغيرات التي تحدث في هذا المبنى عندما تتحول المادة من حالة صلبة إلى سائلة، ومن سائلة إلى غازية.

3. أ. كم من الحرارة (بالكيلو جول) تنطلق عندما يتكاثف 1 كغم بخار ماء في درجة حرارة 100 درجة مئوية؟

ب. استعينوا بالمعادلة E[q]=m*c*dlta(T)واحسبوا: كم من الحرارة (بالكيلو جول) تنطلق عندما نبرد مادة سائلا درجة حرارته 100 درجة مئوية إلى درجة حرارة الجسم (37 درجة مئوية)؟

ج. فسروا حسب إجاباتكم للبندين أ و ب، لماذا الاكتواء ببخار الماء أكثر خطورة من الاكتواء بماء يغلي؟

*135*

توسع

حساب كمية الحرارة المنطلقة أو المستوعبة أثناء تغير حالة المادة.

إذا علمت كمية المادة (كغم) والحرارة الكامنة للمادة (جول/كغم)، يمكن حساب مجموع تغير الطاقة (جول) المتعلقة بتغيير حالة المادة بواسطة المعادلة التالية.

كمية الحرارة التي ينطوي عليها تغير حالة المادة = الكتلة * الحرارة الكامنة.

إذا كان تغير الحالة من سائل إلى غاز أو بالعكس، نعوض في المعادلة الحرارة الكامنة للغليان. وإذا كان تغير الحالة من صلب إلى سائل أو بالعكس، نعوض في المعادلة الحرارة الكامنة للانصهار.

استعينوا بالمعادلة وأجيبوا عن الأسئلة التالية.

أسئلة

1. في طنجرة 2 كغم ماء بدرجة حرارة 100 درجة مئوية. كم من الحرارة (بالكيلو جول) يجب إضافتها إلى الماء ليتبخر كليا؟

2. في كأس 052 غرام (0.25 كغم) ماء درجة حرارته موضوعة في المجمد. صفوا تغير الطاقة في العملية التي يتحول فيها كل الماء في الكأس إلى جليد، واحسبوا الحرارة (بالكيلو جول) المتعلقة بتغيير حالته.

هل تعلم؟

حرارة غليان الماء وأهميتها لتوازن الحرارة في جسم الإنسان.

الغليان هو عملية مستوعبة للطاقة، ولذا في هذه العملية تبرد البيئة. حرارة غليان الماء عالية جدا - يلزم 225،7000 جول لتحويل 1 كغم ماء من سائل إلى غاز. لهذا أهمية بالغة في المحافظة على توازن الحرارة في جسم الإنسان عندما يتبخر العرق عن الجلد، يتحول الماء من سائل إلى غاز. لذا، كغليان الماء، عملية تبخر العرق هي عملية مستوعبة للطاقة. تؤخذ هذه الطاقة عن سطح الجلد وتبرده. آلية التعرق هي الطريقة الناجعة جدا لتبريد جسم ساخن، مثلا أثناء نشاط بدني شديد.

(في الكتاب صورة - في عملية التعرق يتبخر الماء عن الجلد فيبرد)

*136*

الحرارة والأنظمة التكنولوجية لتحويل الطاقة

تستخدم أنظمة تكنولوجية مختلفة الحرارة لأغراض مختلفة - للتسخين أو للتبريد، لتحريك أجهزة مختلفة وغيرها. تحدث في هذه الأنظمة تحولات طاقة - تتحول الحرارة إلى طاقة كيميائية، لطاقة حركة وغيرهما، وبالعكس - تتحول طاقة حركة أو طاقة كيميائية إلى أنواع طاقة أخرى ومنها الحرارة.

هناك أنظمة تكنولوجية، مثل مكيفات وثلاجات، تستخدم الحرارة الكامنة للمواد للتبريد أو للتسخين. تسمى مثل هذه الأنظمة مضخات حرارة أيضا.

مضخات حرارة - كيف تعمل الثلاجات والمكيفات؟

عملية الغليان هي عملية مستوعبة للطاقة، ولذا فإنها تبرد البيئة. عملية التكثيف هي عملية مطلقة للطاقة، ولذا فإنها تسخن البيئة. يستخدم العلماء والمهندسون هذه المعرفة لتصميم أجهزة تسخين وتبريد.

تعمل أجهزة مثل الثلاجات والمكيفات حسب مبدأ يسمى دورة التبريد. يتحرك في دورة التبريد سائل تبريد درجة حرارة غليانه منخفضة بصورة دورية في أنابيب مغلقة. يمر خلال حركته بأربع عمليات متتالية: غليان، ضغط، تكثيف وتمدد. يستوعب في هذه العمليات طاقة من المنطقة التي نريد تبريدها، مثل فضاء البيت أو المجمد، ويطلقها إلى البيئة الخارجية. فيما يلي وصف لدورة تبريد الثلاجة والعمليات التي تحدث فيها.

(في الكتاب صورة: يستخدمون في السوبرماركت ثلاجات ومكيفات لتخزين المنتجات الغذائية بدرجة حرارة ملائمة)

1(في الكتاب رسم توضيحي لدورة التبريد في الثلاجة)

دورة التبريد في الثلاجة:

1. يدخل سائل تبريد إلى حجرة تجميد، يمر هناك عبر جهاز يسمى مُكربن. يتبخر السائل في المكربن (يغلي) ويتحول إلى غاز من خلال استيعاب حرارة من الهواء والأجسام في المجمد. لهذا السبب يبرد المجمد.

2. يضخ الغاز من المكربن إلى مكبس كهربائي ليضغطه. يرتفع ضغط الغاز، ويسخن.

3. يجري الغاز المضغوط إلى مكثف - شبكة أنابيب في الجزء الخلفي من الثلاجة، خارج حجرات التبريد والتجميد. يتكثف الغاز في المكثف لسائل من خلال إطلاق حرارة إلى البيئة ويبرد. لهذا السبب نشعر أن الجزء الخلفي للثلاجة ساخن.

4. ينتقل السائل المضغوط إلى صمام تمدد، وهناك يتمدد، ينخفض ضغطه فيبرد. يدخل سائل التبريد إلى المجمد... (مرحلة 1 وهكذا دواليك).

*137*

اسئلة

1. ماذا يحدث لدرجة حرارة الهواء في غرفة مغلقة تعمل فيها ثلاجة؟ اختاري، الإمكانية الصحيحة؛ الهواء في الغرفة يسخن / يبرد / يبقى في نفس درجة الحرارة. عقوا إجابتكم.

2. يعتمد عمل المكيفات هو أيضا على دورة التبريد، ولكن في المكيفات يمكن عكس اتجاه عمل الدورة ولذا بإمكان المكيف أن يبرد الغرفة أو يسخنها، حسب الحاجة.

أ. لماذا تسمى المكيفات والثلاجات مضخات حرارة؟

ب. فيما يلي تخطيط لغرفة. انسخوا التخطيط إلى الدفتر. اذكروا اتجاه انتقال الحرارة في الحالتين - عندما يعمل المكيف في الغرفة للتسخين (للتدفئة) وعندما يعمل المكيف في الغرفة لتكييف الهواء (للتبريد).

فعالية - تخطيط

تخطيط وسيلة تبريد بدون كهرباء

يخرج غسان وأيوب للإبحار لمدة يومين في البحر. كيف يمكنهما تبريد المنتجات الغذائية التي بحوزتهما دون استعمال الطاقة الكهربائية (ولا حتى بطاريات)؟

أ. اعملوا بمجموعات. خططوا وسيلة تبريد للمنتجات الغذائية لا تستعمل الطاقة الكهربائية لمحرك القارب أو لبطاريات. اعملوا حسب مراحل عملية التصميم. يمكن أن يستند عمل وسيلة التبريد على الحرارة الكامنة للغليان أو تبخير الماء، على استعمال طاقة شمسية أو طاقة كيميائية (خلط مواد يؤدى إلى عملية تستوعب حرارة من البيئة ويبردها) وما شابه. خذوا بالحسبان نجاعة التبريد، مدى توفر المواد (ماء، مثلا، متوفر بكثرة) وما شابه.

ب. اعرضوا النماذج (مبنية أو مخططة) أمام زملائكم. صفوا مبدأ عمل الوسيلة، تحولات الطاقة فيها واتجاه انتقال الحرارة.

ج. ناقشوا الوسائل المختلفة التي خططها تلاميذ الصف - ما هي حسناتها وما هي عيوبها؟ اقترحوا أفكارا لتحسين هذه الوسائل.

*138*

إجمال

- درجة الحرارة هي مقياس لطاقة الحركة المتوسطة للجسيمات في المادة. وتقاד بمقياس حرارة ويعبر عنها بوحدات درجات مئوية (سلزيوس).

- الحرارة هي طاقة تنتقل من جسم أسخن (درجة حرارته أعلى) إلى جسم أبرد (درجة حرارته منخفضة أكثر إلى أن تتساوى درجة حرارتهما. تقاس الحرارة بوحدات جول أو سعر (كالوري).

- في كل مرة فيها تتحول الطاقة من نوع إلى آخر أو تنتقل من مكان لآخر، قسم منها يتحول لحرارة وينتقل للبيئة.

- الحرارة النوعية هي كمية الحرارة اللازمة لرفع درجة حرارة 1 كغم مادة بدرجة مئوية واحدة. الحرارة النوعية هي من خصائص المادة، ولذا فإن المواد المختلفة لها حرارة نوعية مختلفة.

- كمية الحرارة التي يستوعبها أو يطلقها الجسم أثناء تسخينه أو تبريده تتناسب طرديا مع كتلة الجسم (m)، تغير (الفرق)، درجة الحرارة dlta(t)، والحرارة النوعية (c) للمادة التي يتكون منها الجسم. توصف هذه الكمية بواسطة المعادلة: E[q] = m * c * dlta(t)

- الحرارة الكامنة هي كمية الطاقة المنطلقة أو المستوعبة عندما يتحول 1 كغم مادة من حالة إلى أخرى.

- يعتمد عمل أنظمة تكنولوجية مختلفة، مثل الثلاجة والمكيف، من جملة ما يعتمد عليه، على استيعاب وإطلاق حرارة كامنة في عمليات تغيير حالة المادة.

اسئلة

1. انسخوا الجدول التالي إلى الدفتر وأكملوا التفاصيل الناقصة. استعينوا بمعلومات حول التناسب الطردي بين كمية الحرارة والحرارة النوعية، الكتلة وفرق درجات الحرارة (لا حاجة للاستعانة بمعادلة حساب الحرارة)

(جدول مكون من 4 أعمدة و-5 صفوف)

2. في ساعات الليل درجة حرارة مياه البحر أعلى مما على رمال الشاطئ. فسروا لماذا.

3. تغطي المحيطات حوالي 71 بالمائة من مساحة الكرة الأرضية. أغلب الطاقة الواصلة لسطح الكرة الأرضية (حوالي 3.4 بالمائة) تمتصها مياه المحيطات فتسخن.

أ. فسروا: كيف يمكن أن كمية حرارة كبيرة لهذه الدرجة لا تسبب ارتفاعا كبيرا في درجة حرارة مياه البحر؟

ب. للمحيطات وظيفة هامة في تقليل ارتفاع حرارة الكرة الأرضية. اشرحوا كيف.

*139*

4. مكعبان كتلتهما متساوية موجودان في درجة حرارة الغرفة (25 درجة مئوية). أحد المكعبين مصنوع من بلاستيك والآخر من حديد. الحرارة النوعية للبلاستيك حوالي 1,300 جول لكغم لدرجة مئوية، والحرارة النوعية للحديد 450 جول لكغم لدرجة مئوية. نضع المكعبين في كأس ماء يغلي، وبعد دقيقة نقيس درجة حرارة كل مكعب ونحصل على نتائج مختلفة. درجة حرارة أي مكعب تكون أعلى؟ لماذا؟

5. نضع المكعبين الموصوفين في سؤال 4 لمدة بضع ساعات داخل الماء. أي من الجمل التالية صحيحة بالنسبة للمكعبين؟ عللوا اختياركم.

أ. درجة حرارة المكعبين تكون متساوية 100 درجة مئوية. درجة حرارة المكعبين تكون متساوية: أقل من 100 درجة مئوية.

ج. درجة حرارة مكعب الحديد تكون أعلى من درجة حرارة مكعب البلاستيك.

د. درجة حرارة مكعب البلاستيك تكون أعلى من درجة حرارة مكعب الحديد.

6. سخن وائل 400 غرام ماء من درجة حرارة 25 درجة مئوية إلى درجة حرارة 75 درجة مئوية. استمر التسخين مدة دقيقتين بواسطة شوكة كهربائية. معطى أن الحرارة النوعية للماء 4,200 جول لكغم لدرجة مئوية.

أ. احسبوا التغير في درجة حرارة الماء.

ب. ما هي كمية الحرارة اللازمة للتسبب بهذا التغيير بدرجة الحرارة؟ بينوا طريقة الحساب.

ج. ما هي قدرة الشوكة الكهربائية؟ بينوا طريقة الحساب.

7. نسخن ماء إلى درجة حرارة الغليان (100 درجة مئوية). لماذا لا تتغير درجة حرارة الماء عند مواصلة التسخين؟ استعملوا في إجابتكم مصطلح الحرارة الكامنة.

8. يسيل الشمع الساخن من شمعة مشتعلة على اليد، ويتحول إلى صلب. لماذا يمكن أن نكتوي في هذه الحالة؟ استعملوا في إجابتكم مصطلح الحرارة الكامنة.

9. بأي عوامل تتعلق كمية الحرارة التي يجب تزويدها لجسم ما من مادة ما ليسخن؟ اختاروا الإمكانية الصحيحة.

أ. بوزن الجسم، حرارته النوعية ولونه.

ب. بكتلة الجسم، سرعته، ويتغير درجة الحرارة من الحالة الابتدائية.

ج. بكتلة الجسم، حرارته النوعية ويتغير درجة الحرارة من الحالة الابتدائية.

د. بكتلة الجسم، بدرجة الحرارة النهائية له وحرارته النوعية.

*140*

10. سخنوا جسمين درجة حرارتهما في بداية التسخين كانت متساوية.

فما يلي رسم بياني يصف تغير درجة الحرارةdlta(t) - - للجسمين كدالة لزمن تسخينهما.

ماذا يمكن أن نقول عن هذين الجسمين؟ (يمكن اختيار أكثر من إجابة واحدة).

عللوا اختياركم.

(يوجد رسمان بيانيان، استعن بالمعلم)

أ. يُحتمل أن لكليهما نفس الكتلة، لكنها مصنوعان من مواد مختلفة.

ب. يُحتمل أنهما مصنوعان من نفس المادة، لكنهما مصنوعان من مواد مختلفة.

ج. يُحتمل أنهما مصنوعان من نفس المادة وكلتهما متساوية.

د. يُحتمل أن كل واحد مصنوع من مادة مختلفة وكذلك كتلتهما مختلفة.

*141*

الفصل 6: طاقة الأشعة واستعمالها

*141*

سنتعلم في هذا الفصل أن.

- الشمس هي المصدر الرئيسي للطاقة على الكرة الأرضية.

- الأشعة الإلكترومغناطيسية تحمل طاقة.

- الأشعة الإلكترومغناطيسية تمتاز بأنواع مختلفة: ضوء، أشعة تحت حمراء، أمواج راديو أشعة رنتغن وغيرها.

- طاقة الأشعة يمكن أن تتحول إلى أنواع طاقة مختلفة وبالعكس.

- الجسم الذي يطلق أشعة يفقد طاقة، والجسم الذي يستوعب أشعة يستوعب طاقة.

- للضوء المرئي فضل علينا في رؤية الأجسام ونتعلم عما يحدث في الشمس والكون.

- الأشعة الإلكترومغناطيسية يمكن أن تتفاعل مع مادة وتحدث تغيرات فيها.

- طاقة الأشعة مستغلة لحاجاتنا، مثلا؛ تسخين الماء وتصوير أشعة رنتغن.

- التعرض لأنواع معينة من الأشعة قد يكون خطيرا، ومن المهم الوقاية منها.

مصطلحات سنتعرف عليها:

طاقة أشعة

طيف الكترومغناطيسي

طيف الضوء المرئي

انعكاس

امتصاص

تشتُّت

ظلّ

صورة ظلية

طول الموجة

تردّد

*142*

مقدمة

ما المشترك بين جميع النشاطات التالية: مكالمة بهاتف نقال، مشاهدة تلفزيون، استماع للراديو إرسال رسالة نصية قصيرة، إعداد الفشار في الميكروويف، تصوير أشعة لرجل مصابة، وجود عملية التمثيل الضوئي في النبات؟ في جميع هذه الحالات تظهر أشعة (أشعة - إحدى الطرق التي تنتقل بها الطاقة من مكان الى آخر.) تنطلق أشعة من مصدر ما، مثل الشمس وتنتشر في الحيز وتحمل طاقة تسمى طاقة أشعة. يمكن أن تتحول طاقة الأشعة إلى أنواع مختلفة. مثلا: تتحول طاقة الضوء إلى حرارة في السخان الشمسي، وتتحول طاقة الضوء إلى طاقة كيميائية في عملية التسفع.

الشمس هي المصدر الرئيس لطاقة الأشعة على سطح الكرة الأرضية وهي التي تجعل الحياة ممكنة في عالمنا. تمنح الشمس عالمنا الضوء والحرارة، وبدونهما يكون العالم مظلما، متجمدا وعديم الحياة. بفضل ضوء الشمس المتحول إلى أنواع أخرى من الطاقة تحدث دورة للمياه، وتستطيع النباتات القيام بعملية التمثيل الضوئي وتتمكن كائنات حية من العيش في درجات الحرارة السائدة على الكرة الأرضية. تسبب العمليات التي تحدث في الشمس انبعاث أشعة تنقل الطاقة من الشمس إلينا. تسمى هذه الأشعة أشعة إلكترومغناطيسية.

بهذه الطريقة تصل الطاقة من كواكب أخرى أيضا إلى الكرة الأرضية. تشمل الأشعة الإلكترومغناطيسية الضوء المرئي، الأشعة تحت الحمراء (Infrared)، الأشعة فوق البنفسجية (Ultraviolet)، أشعة أمواج الميكروويف، أشعة أمواج الراديو وأشعة رنتجن.

للأشعة الإلكترومغناطيسية استخدامات كثيرة. بفضل الضوء المنبعث من الشمس وكواكب أخرى، تعلمنا وما زلنا نتعلم عما يحدث في الشمس والكواكب. هناك أشعة من نوع آخر، تسمى أشعة الميكرو، وتستخدم في الاتصالات مثل الاتصال بين الهواتف الخلوية وغيرها.

عمليا، في كل مكان وفى كل لحظة خلال حياتنا نكون معرضين إلى الأشعة الإلكترومغناطيسية. لا نشعر بها دائما، لأن عين الإنسان أن تحس بأشعة الضوء، أي في مجال الضوء المرئي الذي بفضله نستطيع رؤية الأجسام من حولنا. لكن الضوء المرئي ما هو إلا جزء ضئيل فقط من مجال الأشعة الإلكترومغناطيسية المنبعثة من الشمس، من النجوم والأجسام الساخنة عموما.

*143*

وعليه، كيف يمكن تمييز أنواع الأشعة ومعالجتها؟ لكن نوع أشعة تم تطوير مجسات حساسة لتلك الأشعة. مثلا: جهاز راديو يستطيع أن يستوعب ويعالج أشعة (أمواج) راديو. بدون جهاز الراديو لم نكن لنلاحظ وجود أشعة الراديو. يستوعب جهاز ال GPS ويعالج أمواج الراديو ذات التردد العالي التي ترسلها منظومة أقمار اصطناعية.

هل يؤثر التعرض لأشعة إلكترومغناطيسية على صحتنا؟ هل تشكل جميع أنواع الأشعة الإلكترومغناطيسية خطرا على صحتنا؟ الجواب أن مدة أنواع من الأشعة الإلكترومغناطيسية، مثل أشعة رنتغن والأشعة فوق البنفسجية، تشكل فعلا خطرا على صحتنا، لكن، هناك أنواع أخرى من الأشعة الإلكترومغناطيسية، مثل الضوء المرئي، لا تؤثر على صحتنا.

نتناول في هذا الفصل أنواع الأشعة الإلكترومغناطيسية وظواهر متنوعة تتعلق بها:

- سنناقش الأشعة الإلكترومغناطيسية (بضمنها الضوء المرئي) وصفاتها.

- سنتعلم عن التفاعلات بين الأشعة الإلكترومغناطيسية والمادة.

- سنتناول تحولات الطاقة في الأشعة الإلكترومغناطيسية إلى أنواع أخرى من الطاقة.

- سنناقش استخدامات الأشعة الإلكترومغناطيسية في الأنظمة التكنولوجية.

- سنتعرف على أخطار التعرض للأشعة الإلكترومغناطيسية وطرق الوقاية الملائمة.

(في الكتاب صورة: هوائيات (انتينات) تبث وتستوعب أمواج راديو بترددات مختلفة)

(في الكتاب صورة كبيرة: هوائيات للاتصالات مع أقمار صناعية تعتمد على بث أمواج راديو واستيعابها)

*144*

الضوء - صفات ومميزات

تستطيع عين الإنسان أن تحس بجزء ضئيل فقط من الأشعة الإلكترومغناطيسية، يسمى هذا المجال الضوء المرئي (أو باختصار الضوء). يمكننا هذا المجال من رؤية الأجسام التي حولنا وأن نميز ألوانها، كما وتمكننا هذه الحقيقة من فحص صفات تميز الضوء، مثل سرعة تقدمه واتجاه انتشاره في الحيز. هذه الصفات لا تميز الضوء فقط، بل مجالات أشعة إلكترومغناطيسية أخرى والتي لا نستطيع أن نحس بها.

مصادر الضوء وعاكسات الضوء

تمعنوا فيما حولكم. حقيقة كونكم قادرين على مشاهدة التلفزيون وتمييز الجدران، الناس، النباتات وباقي الأجسام الموجودة من حولكم، تثبت أن جميعها تنشر الضوء. سبب ذلك هو أن الضوء الذي يدخل إلى أعيننا يمكننا من رؤية الجسم الذي يصل الضوء منه.

يمكن تصنيف الأجسام التي تنشر الضوء إلى نوعين: مصادر ضوء وعاكسات ضوء.

مصدر الضوء هو جسم ينتج بنفسه الضوء الذي ينشره. مثلا الشمس والنجوم، ضوء شمعة مشتعلة، موقد مشتعل ومصباح مضيء. هناك حيوانات تعتبر مصدر ضوء، مثل اليراعة وأسماك الأعماق من أنواع معينة، وتنتج الضوء بعملية خاصة.

معظم الأجسام من حولكم ليست مصادر ضوء بل أجسام عاكسة للضوء. الأجسام العاكسة للضوء لا تنتج بنفسها الضوء، بل تعكس الضوء الذي يصلها من مصدر ضوء خارجي ما ويصطدم بها. في هذه العملية جزء من الضوء المنتشر ينعكس إلينا. القمر مثال لجسم عاكس للضوء، فهو يعكس ضوء الشمس الذي يصطدم به. لو وقفتم على القمر لاستطعتم رؤية الكرة الأرضية مضاءة بضوء الشمس المنعكس منها. النباتات، الجدران، الأثاث، قلم الرصاص والكتاب هي أمثلة أخرى لأجسام عاكسة للضوء.

(في الكتاب صورتان: شمعة مشتعلة هي مثال لمصدر ضوء، أقلام ملونة هي مثال الأجسام عاكسة للضوء)

اسئلة

1. اشرحوا كيف ينتج الضوء في شمعة مشتعلة وكيف نرى لهب الشمعة. تطرقوا إلى تحولات الطاقة أثناء احتراق شمع الشمعة.

2. النجم، الكوكب، القمر - أيها عاكس للضوء وأيها ناشر للضوء؟ استعينوا بالإنترنت ومصادر معلومات أخرى.

3. تمعنوا في مصابيح السيارة. هل هي مشعة للضوء أم عاكسة للضوء؟ اشرحوا.

*145*

يحمل الضوء طاقة.

تدل ظواهر كثيرة على أن الضوء يحمل معه طاقة. فيما يلي أمثلة مختلفة توضح ذلك.

عند اصطدام ضوء الشمس بإنسان، بسيارة واقفة بجانب الشارع أو بالرمل على شاطئ البحر، تمتصه هذه الأجسام ونتيجة لذلك تسخن. في مثل هذه الحالات تتحول طاقة الضوء إلى حرارة. تحدث عملية مشابهة عند اصطدام ضوء الشمس بالألواح الشمسية المنصوبة على سطوح المنازل: تتحول طاقة الضوء إلى حرارة تسخن الماء في السخان الشمسي.

تؤثر أشعة الضوء على عمليات مختلفة توفر الاحتياجات الحيوية للكائنات الحية. مثلا: حقيقة كون الضوء يحمل معه طاقة تتيح نكون أثر الدفيئة على الكرة الأرضية. تخترق أشعة الشمس الغلاف الجوي، تصل إلى الكرة الأرضية، تصطدم باليابسة وبالبحر فتتحول إلى حرارة. نتيجة ذلك تسخن اليابسة والبحر ويعكسان إلى الغلاف الجوي أشعة تسمى أشعة تحت الحمراء.

تمتص غازات الدفيئة الموجودة في الغلاف الجوي قسما كبيرا من الأشعة تحت الحمراء، فتسخن وتسخن بيئتها. أثر الدفيئة حيوي لوجود الحياة إذ بفضله تحفظ على سطح الكرة الأرضية درجة حرارة تمكن وجود كائنات حية. لولا أثر الدفيئة، لكان بمتوسط درجة الحرارة على الكرة الأرضية منخفضا جدا مقارنة بمتوسط درجة الحرارة الحالي ولكان كوكبنا كتلة من الصخر المتجمد لا حياة فيه. تمكن الطاقة التي يحملها ضوء الشمس إلى الكرة الأرضية أيضا من وجود دورة المياه في الطبيعة.

الماء الموجود في المحيطات، المجمعات المائية الأخرى، التربة، في الهواء وفي أجسام الكائنات الحية، يتبخر ويتكثف بعمليات شغل دورة المياه في الطبيعة. تشارك في هذه العمليات حرارة، تعتبر ضرورية لحدوث الظواهر المناخية والتغيرات في الطقس.

(في الكتاب صورة من الفعالية في الانترنت: فعالية ارتفاع حرارة الكرة الأرضية من الحقيبة الرقمية للمرحلة الإعدادية - علوم وتكنولوجيا.)

(في الكتاب صورة: دورة المياه في الطبيعة)

*146*

كما تؤثر أشعة الضوء بصورة مباشرة على الكائنات الحية. مثلا: عملية التمثيل الضوئي التي فيها تستوعب النباتات الخضراء الضوء. يسمح الضوء الذي تمتصه خلايا النباتات بقيام عمليات مختلفة في النباتات تتحول خلالها طاقة الضوء إلى طاقة كيميائية. تؤثر أشعة الضوء على عمليات أخرى في النباتات، مثل مواعيد تساقط الأوراق، البرعمة والإزهار، كما تؤثر على عمليات مختلفة عند الحيوانات، مثل مواعيد التكاثر، الهجرة وتبديل الريش أو الفروة.

اسئلة

تظهر في الصور التالية طاقة أشعة الضوء.

1. صفوا بتخطيط تحولات الطاقة التي تحدث في العمليات المعروضة في الصور.

2. لماذا تدعم هذه العمليات حقيقة كون الضوء يحمل طاقة؟ عللوا بواسطة قانون حفظ الطاقة.

(يوجد 6 صور سيتم شرحها من قبل المعلم).

*147*

اتجاه انتشار الضوء.

عندما ينبعث الضوء من مصدره ينتشر في الفضاء المحيط به. مثلا: ينتشر الضوء المنبعث من مصباح مضيء في جميع الاتجاهات ويضيء ما حوله. بالمقابل، ينتشر الضوء المنبعث من جهاز ليزر على شكل حزمة ضيقة تتقدم باتجاه واحد فقط. تدعى هذه الحزمة شعاع ليزر.

كيف ينتشر الضوء المنبعث من مصدر ما في الفضاء؟ هل يتحرك بخطوط مستقيمة أم أنه يتحرك بمسارات منحنية؟ سوف تبحثون في الفعالية التالية عن إجابات لهذه الأسئلة.

(في الكتاب صورة: حزمة ليزر تتقدم بخط واحد مستقيم)

فعالية - مشاهدة

اتجاه انتشار الضوء

هدف الفعالية؛ تمييز اتجاه انتشار الضوء.

أجهزة؛ جهاز ليزر ("مؤشر ليزر")، مسحوق أبيض (نشا أو طحين) وأنبوب مطاطي (غير شفاف) مجوف ومستقيم.

وسائل الأمان: يمنع منعا باتا توجيه الليزر إلى العيون (عينيك أو عيون أشخاص آخرين). إصابة ضوء الليزر بالعين خطرة ويمكن أن تسبب كمية في العين وحتى العمى.

وسائل حذر: نظارات واقية، شعر مربوط. يمنع توجيه الليزر إلى العين.

مجرى الفعالية:

أ. شغلوا جهاز الليزر داخل غرفة مظلمة ووجهوه إلى أحد الحيطان.

ب. انثروا المسحوق في الهواء، في المنطقة بين الحائط والليزر.

ج. قربوا جهاز الليزر من إحدى فتحتي الأنبوب.

وجهوا فتحة الأنبوب الأخرى إلى الحائط وشغلوا جهاز الليزر. (في الكتاب صورة)

د. كرروا الأعمال الموصوفة في المرحلتين أ - ب، ولكن اثنوا هذه المرة الأنبوب وأضيئوا الحائط عبر الأنبوب المثني. (في الكتاب صورة)

*148*

فعالية - مشاهدة (تتمة)

نتائج:

صفوا ما ترونه بالكلمات. إجمال واستنتاجات:

1. ما هو الاستنتاج المستخلص من نتائج التجربة، هل الضوء ينتشر في خط مستقيم أم أنه ينتشر في خط منحني أم في كليهما؟

2. لماذا كانت حاجة لنثر المسحوق في الهواء؟

- ينتشر الضوء في الفضاء بخطوط مستقيمة (في وسط متجانس).

شعاع ضوء - خط مستقيم خيالي يصف اتجاه انتشار الضوء في الحيز.

أشعة الضوء

طريقة مريحة لتوضيح كيفية انتشار الضوء في الفضاء هي بواسطة شعاع ضوء. شعاع الضوء؛ (أو باختصار "شعاع") هو خط مستقيم خيالي يصف اتجاه انتشار الضوء في الحيز. يمثل الخط بواسطة رسم سهم، يصف اتجاهه اتجاه انتشار الضوء.

من المهم أن نتذكر أن شعاع الضوء غير موجود في الواقع ولا يمكن رؤيته. الهدف منه هو تجسيد اتجاه انتشار الضوء بواسطة تمثيل بصري (رسم سهم).

مع هذا، من المعتاد أن نقول جملا مثل "يصطدم الشعاع بالمرآة" و"ينعكس الشعاع من المرآة". المقصود أن حزمة ضيقة جدا من الضوء تصطدم بالمرآة وتنعكس منها.

يوضح الرسم التوضيحي التالي بواسطة نموذج الأشعة اتجاه انتشار الضوء من مصدر ضوء ما. ينتشر الضوء، في هذه الحالة، إلى جميع الاتجاهات، ولكن من المعتاد عرض جزء من أشعة الضوء فقط.

تمثل الأسهم أشعة ضوء (اتجاه انتشار الضوء المنبعث من مصدرين معينين للضوء أو في سلك توهج).

(في الكتاب صورة: تمثل الأسهم أشعة الضوء (اتجاه انتشار الضوء المنبعث من مصدرين معينين للضوء أو في سلك توهج)

*149*

الضوء والظل

كلنا نعرف ظاهرة الظل، التي يرافقها صورة ظليه شكلها الهندسي بشكل الجسم المنتج للظل.

إليكم مثال في الصورة أدناه.

ما هي الصورة الظلية؟ ما هو الظل؟

لكي يتكون ظل وصورة ظنية يجب أن يتوفر مصدر ضوء، سطح يصل إليه الضوء وجسم غير شفاف للضوء بينهما.

المنطقة في الحيز والتي بين الجسم غير الشفاف الذي يحجز الضوء وبين السطح الذي ترى عليه الصورة الظلية تسمى ظلا (ظل - منطقة في الحيز يختفي فيها مصدر الضوء، ولذا تكون معتمة أكثر مما حولها). المنطقة الغامقة الناتجة على السطح تسمى صورة ظلية (صورة ظلية - منطقة داكنة تنشأ على سطح ما عند وجود جسم غير شفاف بين مصدر الضوء وبين السطح.)

سؤال للتفكير

حقيقة كون شكل الصورة الظلية مثل شكل الجسم غير الشفاف هي إثبات على أن الضوء يتحرك بخطوط مستقيمة. لماذا؟

عوامل تؤثر على كبر الصورة الظلية

يتأثر كبر الصورة الظلية بعدة عوامل، ومنها البعد بين مصدر الضوء والجسم غير الشفاف وبعد مصدر الضوء عن السطح الذي ترى عليه الصورة الظلية.

لفحص هذه العوامل نفذوا الفعاليات التالية.

*150*

فعالية - تجربة

العوامل المؤثرة على كبر الصورة الظلية

هدف الفعالية: فحص العوامل المؤثرة على كبر الصورة الظلية لجسم غير شفاف.

أجهزة: مصدر ضوء (لمبة أو مصباح يدوي)، جسم غير شفاف (مفتاح أو قلم)، سطح أبيض (لوحة أو حائط أبيض)، مسطرة.

فرضية:

1. خمنوا ما هي العلاقة بين بعد مصدر الضوء عن الجسم وبين كبر الصورة الظلية، في حين يبقى بعد المصدر عن السطح الأبيض ثابتا.

2. خمنوا ما هي العلاقة بين بعد مصدر الضوء عن السطح الأبيض وبين كبر الصورة الظلية، في حين يبقى بعد المصدر عن الجسم ثابتا.

مجرى الفعالية:

أ. عتموا الغرفة، ضموا الجسم غير الشفاف بين مصدر الضوء والسطح الأبيض وأضيئوا على الجسم بحيث تظهر الصورة الظلية على هذا السطح.

ب. ضعوا مصدر الضوء على بعد حوالي متر عن السطح الأبيض. ضعوا الجسم غير الشفاف على بعد حوالي 20 سم عن السطح الأبيض وقيسوا طول الصورة الظلية - زيدوا بعد الجسم عن السطح (دون تغيير مكان مصدر الضوء). قيسوا في كل مرة بعد مصدر الضوء عن الجسم وطول الصورة الظلية.

ج. ضعوا مصدر الضوء على بعد حوالي 40 سم عن السطح الأبيض وضعوا الجسم بينهما على بعد حوالي 20 سم عن مصدر الضوء. زيدوا بعد مصدر الضوء والجسم عن السطح (دون تغيير بعد الصدر عن الجسم). قيسوا في كل مرة بعد مصدر الضوء عن السطح وطول الصورة الظلية.

نتائج:

أعدوا جدولا ولخصوا فيه النتائج. اكتبوا عنوانا للجدول.

إجمال واستنتاجات:

1. صفوا العلاقة بين بعد مصدر الضوء عن الجسم وبين طول الصورة الظلية (عندما يبقى بعد مصدر الضوء عن السطح ثابتا).

2. صفوا العلاقة بين بعد مصدر الضوء عن السطح وبين طول الصورة الظلية (عندما يبقى بعد مصدر الضوء عن الجسم ثابتا).

3. هل تدعم نتائج التجربة فرضياتكم؟ اشرحوا.

4. لماذا يمنع في المرحلة ب تغيير بعد مصدر الضوء عن السطح؟

5. لماذا يمنع في المرحلة ج تغيير بعد مصدر الضوء عن الجسم؟

اسئلة

1. اكتشف الإنسان منذ القدم أنه يمكن استغلال موضع الصورة الظلية المتغير خلال النهار لتحضير مزولة (ساعة شمسية) وقياس الزمن بها.

اشرحوا المبدأ الذي حسبه تعمل الساعة الشمسية.

2. يتغير طول صورتنا الظلية في الصيف والشتاء (في ساعات الظهر). متى تكون الصورة الظلية أطول ومتى تكون أقصر؟ اشرحوا السبب.

*151*

فعالية - الى الشبكة

ما الذي يحدد كبر الصورة الظلية وموضعها؟

زوروا موقع الإنترنت الحقيبة الرقمية للمرحلة الإعدادية -علوم وتكنولوجيا، واختاروا مجال الفيزياء. ادخلوا موضوع الأمواج، الأشعة والمادة، واختاروا بند الامتصاص، الانعكاس والانكسار، وافتحوا الوحدة التعليمية مختبر الضوء والظن.

يمكنكم في هذا المختبر الافتراضي بحث عوامل مختلفة تؤثر على كبر الصورة الظلية، شكلها وموضعها. مثلا، يمكنكم فحص تأثير هذه العوامل: حجم الجسم الحاجز للضوء، إشعال أكثر من مصدر ضوء واحد، تغيير موضع مصدر الضوء، استخدام أكثر من جسم غير شفاف واحد وغيرها.

نفذوا تجارب مختلفة بواسطة المحاكاة ولخصوا النتائج والاستنتاجات من التجارب التي أجريتموها.

- عند وجود جسم غير شفاف بين مصدر ضوء وبين سطح ما، نحصل على السطح على صورة ظلية غامقة شكلها يشبه الجسم غير الشفاف.

- الظل هو المنطقة في الحيز التي يخفى بها مصدر الضوء، ولذا تكون هذه المنطقة معتمة أكثر.

سرعة انتشار الضوء

بعد أن نضيء شمعة في غرفة مظلمة يمكننا في الحال، تمييز الأجسام الموجودة في الغرفة. لا يمكننا أن نلاحظ مرور وقت ما بين لحظة إشعال الشمعة مضاءة الغرفة. أمر مشابه يحدث عند إضاءة مصباح يدوي في مغارة مظلمة. تعلمنا هذه الدلائل أن الضوء المنبعث من مصدره يتحرك بسرعة هائلة. بينت قياسات أجراها علماء أن الضوء يتقدم في الفراغ (فضاء فارغ ليس فيه أي مادة) وبتقريب جيد في الهواء أيضا، بسرعة حوالي 300،000 كم في الثانية.

سرعة الضوء في الفراغ، هي سرعة انتشار جميع أنواع الأشعة الإلكترومغناطيسية أيضا، وهي السرعة الكبرى التي يمكن أن يقترب منها جسيم مادة، ولكن، لا يمكنه تجاوزها بأي حال من الأحوال. سرعة الضوء كبيرة جدا، تفوق سرعة الصوت في الهواء بمليون مرة تقريبا. لهذا السبب نرى البرق قبل سماع الرعد بوقت ما.

عند مرور الضوء من الهواء إلى وسط شفاف آخر، مثل ماء أو زجاج، تقل سرعته. فمثلا، ينتقل الضوء في الماء بسرعة 225،000 كم في الثانية، وينتقل في الزجاج بسرعة حوالي 200،000 كم في الثانية.

(في الكتاب صورة: بسبب سرعة الضوء الهائلة نرى البرق قبل أن نسمع الرعد، الذي سرعته أقل)

*152*

البعد الذي يستطيع الضوء الوصول إليه

من المعلوم أن ضوء الشمس يقطع مسافة هائلة تقدر بحوالي 150،000،000 كم حتى وصوله الأرض. ولأن سرعة الضوء كبيرة جدا، فإن الضوء المنبعث من الشمس في لحظة ما يصل إلينا خلال حوالي 8.3 دقائق. كما توجد في الكون نجوم (شموس) بعيدة جدا عنا لدرجة أن الضوء المنبعث منها يصل إلينا، أحيانا، بعد آلاف السنين. توفر لنا هذه الحقائق أدلة على أن الضوء المنبعث من مصدره يمكن أن ينتشر ويبتعد عنه إلى مسافات هائلة طالما لا يوجد جسم يحجزه أو يعرقل انتشاره.

سؤال

متوسط المسافة بين كوكب نبتون والشمس حوالي 4،498،252،900 كم. هل حسب رأيكم يمكن للضوء المنبعث من الشمس أن يقطع هذه المسافة الهائلة والوصول إلى كوكب نبتون؟ اشرحوا السبب. إذا كانت الإجابة بنعم، احسبوا الزمن الذي يستغرقه ضوء الشمس للوصول إلى كوكب نبتون.

- يتقدم الضوء في الفراغ، وبتقريب جيد في الهواء أيضا، بالسرعة الكبرى - 300،000 كم في الثانية.

- يمكن أن ينتشر الضوء من مصدره إلى مسافة لانهائية طالما لا يوجد جسم يعترضه.

- عند انتقال الضوء من فراغ أو هواء إلى وسط شفاف ما، مثل الماء أو الزجاج، تقل سرعته.

تفاعل الضوء مع المادة

عندما نكون، في النهار في غرفة وننظر إلى الخارج عبر زجاج النافذة، يمكننا أن نرى بوضوح الأجسام الموجودة في الخارج.

بالمقابل، إذا وقفتم خارج البيت ونظرتم إلى داخل الغرفة عبر الزجاج المغلق، يصعب عليكم أن تروا الموجود داخل الغرفة وأغلب الاحتمالات أن تروا انعكاسا لأنفسكم على زجاج النافذة.

كيف يحدث أن نفس لوح الزجاج يؤدي أحيانا وظيفة جسم شفاف وأحيانا وظيفة مرآة؟ يتعلق الجواب بتفاعل الضوء مع لوح الزجاج.

عندما يصطدم الضوء بجسم ما يمكن أن تحدث ثلاث ظواهر: امتصاص ضوء، انعكاس ضوء وتمرير ضوء. قد يكون تمرير الضوء مصحوبا بظاهرتين إضافيتين أيضا: انكسار الضوء وتشتت الضوء. ستتعرفون لاحقا على هذه الظواهر.

عند اصطدام ضوء بلوح زجاج، قسم منه يمر عبر الزجاج ويواصل طريقه قدما، وقسم آخر ينعكس، والباقي (الضوء الذي لا ينعكس ولا يمر) يمتصه الزجاج.

الجسم المكون من مادة تسمح بمرور الضوء عبرها يسمى جسما شفافا (جسم شفاف - جسم يسمح للضوء بأن ينفذ عبره).

بفضل الضوء المار عبر زجاج النافذة إلى داخل الغرفة، نستطيع أن نرى الأجسام خارج الغرفة والتي منها وصل الضوء. بفضل الضوء المنعكس عن زجاج النافذة نستطيع تمييز انعكاس أجسام موجودة مقابل الزجاج والتي منها يصل الضوء المنعكس. لذا، نفس لوح الزجاج يمكن أن يكون جسما شفافا، أحيانا ومرآة أحيانا أخرى.

(في الكتاب صورة: تصوير لما في داخل البيت عبر زجاج مغلق: نباتات الحديقة التي من الخلف تنعكس في زجاج النافذة)

*153*

(في الكتاب صورة: انكسار (أ) وانعكاس (ب) لأشعة ليزر تصطدم بزجاج)

تتعلق كمية الضوء التي يمتصها الزجاج بسمك الزجاج. كلما كان الزجاج أكثر سمكا، زادت نسبة الضوء الذي يمتصه وقلت نسبة الضوء المار عبره، كما نرى في الصورة أعلاه. عمليا، لا يوجد، في الواقع، جسم شفاف تماما للضوء، أي جسم يمر عبره كل الضوء الذي يصطدم به. بشكل شبه دائم، قسم من الضوء الساقط على الجسم الشفاف يمتصه الجسم أو ينعكس عنه.

الجسم الأكمد أو القاتم هو جسم غير شفاف (جسم غير شفاف: جسم لا يسمح للضوء بأن ينفذ عبره). جسم كهذا لا يسمح للضوء النفاذ عبره. عند تفاعل الضوء مع جسم قاتم (غير شفاف)، بشكل شبه دائم ينعكس قسم من الضوء الساقط على الجسم ويمتص الجسم القسم الآخر. مثلا: يعكس الجسم الأبيض أغلب الضوء الساقط عليه، بينما يمتص الجسم الأسود أغلب الضوء الساقط عليه.

امتصاص الضوء) امتصاص ضوء: استيعاب أشعة ضوء في مادة).

عند اصطدام ضوء بجسم ما يحدث امتصاص للضوء - استيعاب أشعة ضوء. تتحول، في هذه العملية، طاقة الضوء في الجسم المستوعب للضوء إلى أنواع طاقة أخرى، مثل حرارة أو طاقة كيميائية.

قد يؤثر امتصاص الجسم للضوء على الجسم. مثلا، عند امتصاص السخان الشمسي أو السيارة لضوء الشمس فهما يسخنان. في مثل هذه الحالات تتحول طاقة الضوء إلى حرارة. عند امتصاص خلية شمسية للضوء، تتحول طاقة الضوء، في الأساس، إلى طاقة كهربائية. ينتج، في هذه الحالة، تيار كهربائي في الدائرة التي ترتبط بها الخلية الشمسية - تغيير كهربائي. في حالات أخرى يسبب امتصاص الضوء إلى تغيير اللون. مثلا: غسيل ملون يبهت لونه عند تعرضه للشمس. كلما امتص الجسم كمية ضوء أكبر، زاد تأثير الضوء على الجسم.

كيف يؤثر لون الجسم الأكمد (غير الشفاف) على التغيرات في درجة حرارته أثناء تعرضه للضوء؟ افحصوا ذلك بواسطة الفعالية التالية.

(في الكتاب صورة: تتحول طاقة الضوء التي تمتصها الخلايا الشمسية الى طاقة كهربائية وحرارة)

*154*

فعالية

تخطيط وتنفيذ تجربة

تأثير لون الجسم على امتصاصه للضوء

هدف التجربة: فحص تأثير لون الوعاء المعرض للضوء على تغيير درجة حرارة الماء داخله.

أجهزة: ماء، مقياس حرارة، أنابيب اختبار ملونة، ورق ألومينيوم، مصابيح.

فرضية: خمنوا كيف يؤثر لون الوعاء على درجة حرارة الماء الذي بداخله أثناء تعرضه للضوء. عللوا إجابتكم.

مجرى الفعالية:

أ. تمعنوا في الأجهزة التي أمامكم وخيطوا تجربة تفحصون فيها فرضيتكم. سجلوا ترتيب المراحل في مجرى التجربة.

فصلوا في تخطيط التجربة: سؤال البحث، الفرضية، العامل المؤثر، العامل المتأثر، العوامل الثابتة والمجموعة الضابطة في التجربة.

ب. نفذوا التجربة التي خططتموها.

نتائج:

حضروا جدولا اكتبوا فيه النتائج التي حصلتم عليها. ضعوا عنوانا للجدول.

إجمال واستنتاجات:

أ. اكتبوا استنتاجا من التجربة.

ب. اكتبوا تقريرا عن التجربة تفصلون فيه مجرى الفعالية، النتائج، الاستنتاجات والإجابات عن الأسئلة التالية.

اسئلة

1. ما سبب الفروق في درجات الحرارة في الأنابيب المختلفة؟

استعملوا في إجابتكم التعابير: امتصاص، تحول أو انتقال طاقة.

2. طلب من تلميذ أن يعرض نتائج التجربة بواسطة رسم بياني. أي نوع رسم بياني عليه أن يختار، مخطط أعمدة، مخطط دائري، أو خطا بيانيا متصلا؟ عللوا.

3. فحصتم في هذه التجربة تأثير لون الوعاء على التغير في درجة حرارة الماء داخله. هل هناك عوامل إضافية قد تؤثر على عملية تحول طاقة الأشعة إلى حرارة؟ عللوا.

4. يزداد الوعي في السنوات الأخيرة للتوفير في الطاقة في مجال البناء أيضا. اشرحوا كيف يمكن تطبيق استنتاجات التجربة للتوفير في الطاقة في البيوت.

5. توصل بحث أجري في كاليفورنيا، والتي مناخها يشبه مناخ إسرائيل، إلى أن السيارات الغامقة تستهلك وقودا أكثر من السيارات الفاتحة. اشرحوا السبب.

*155*

عندما يستوعب جسم أشعة فهو عمليا يستوعب طاقة. كذلك العكس ممكن - عندما يطلق جسم أشعة فهو عمليا يفقد طاقة. مثلا: عندما تمتص مادة فلورسنتية الضوء، فإنها تستوعب طاقة وتبدأ بالتوهج، أي تطلق الضوء. أثناء إطلاقها للضوء فهي تفقد طاقة، وعندما تفقد كل الطاقة التي استوعبتها سابقا تتوقف عن التوهج.

الأجسام التي تبدو لنا بيضاء تعكس غالبية الضوء الساقط عليها، تمتص جزءا صغيرا فقط من الضوء وتسخن قليلا فقط. لذا يفضل ارتداء ملابس فاتحة في الصيف أو دهن سطح البيت بلون أبيض.

- الجسم المطلق للطاقة، يفقد عمليا طاقة.

- الجسم المستوعب للطاقة، يستوعب عمليا طاقة قد تتحول إلى حرارة أو إلى أنواع طاقة أخرى.

انعكاس الضوء

(انعكاس ضوء - تغيير باتجاه انتشار الضوء أثناء اصطدامه بسطح ما ورجوعه منه إلى البيئة).

إذا نظرتم إلى مرآة أو سطح ماء ساكن يمكنكم أن تشاهدوا صورتكم فيه. يحدث هذا بفضل ظاهرة انعكاس الضوء - الحقيقة أن قسما من الضوء الساقط على سطح ما يعود منه إلى البيئة.

هناك فرق بين انعكاس ضوء عن سطوح ملساء مثل مرآة أو زجاج وبين انعكاس ضوء عن سطوح خشنة مثل ورق ألومينيوم (ورق قصدير) مجعد.

عند وصول الضوء من اتجاه معين واصطدامه بسطح أملس، ينعكس كل الضوء المصطدم باتجاه واحد. بالمقابل، عند اصطدام ضوء بسطح خشن ينعكس وينتشر في جميع الاتجاهات.

(في الكتاب رسم بياني لانعكاس ضوء عن سطح أملس ورسم بياني لانعكاس ضوء عن سطح خشن)

تمكن ظاهرة انعكاس الضوء عن السطوح الملساء مثل زجاج نافذة، من التمييز بصورة واضحة بانعكاس الأجسام في هذه السطوح. انعكاس الضوء عن سطح خشن مثل الماء المتموج، لا يمكن من ذلك.

*156*

(في الكتاب 4 صور:

- في الصورة الأولى: انعكاس ضوء عن مرآة سيارة.

- في الصورة الثانية: انعكاس ضوء عن سطح الماء.

- في الصورة الثالثة: نظرة إلى الساحة عبر اباجور شبه مغلق.

- في الصورة الرابعة: تنعكس الساحة الواقعة خلف المصورة على النافذة)

اسئلة

1. في ظهيرة يوم صيفي صاف أغلق أفراد المنزل الأباجور بصورة جزئية. ما هو الهدف من هذه العملية؟

أ. تقليل امتصاص الأباجور للضوء.

ب. زيادة انكسار الضوء على زجاج النوافذ.

ج. تقليل مرور الضوء عبر الأباجور.

د. زيادة عكس زجاج النوافذ للضوء.

2. في حالات كثيرة، عندما نقف خارج البيت وننظر عبر زجاج النافذة إلى الداخل نستطيع أن نرى ما في داخل البيت، ولكن ينعكس الشارع أيضا (الواقع خلف الناظر) على النافذة.

أ. ما هي الظواهر المشاركة في مثل هذه الحالة: تمرير ضوء، انعكاس ضوء أم كلتاهما؟ عللوا.

ب. هل يحتمل أن يحدث في هذه الحالة امتصاص للضوء أيضا؟ اقترحوا طريقة لفحص ذلك.

3. لماذا من المهم جدا أن يلبس المتزلجون نظارات شمسية عندما يتزلجون على الثلج في الأيام الصافية؟

*157*

انكسار الضوء

(انكسار الضوء - تغيير في اتجاه انتشار الضوء عندما ينتقل من وسط شفاف واحد إلى وسط شفاف آخر. يحدث هذا التغيير في السطح الذي يفصل بين الوسطين).

تمعنوا في قلم الرصاص في الصورة (في الكتاب قلم رصاص في كأس ماء). بالرغم من أن القلم كامل، إلا إنه يبدو مكسورا عند الفاصل بين الهواء والماء في الكأس. يعتمد التفسير لذلك على ظاهرة انكسار الضوء (انكسار الضوء - تغيير في اتجاه انتشار الضوء عندما ينتقل من وسط شفاف واحد الى وسط شفاف آخر. يحدث هذا التغيير في السطح الذي يفصل بين الوسطين): تغيير اتجاه انتشار الضوء عند مروره من وسط شفاف واحد (مثلا: هواء) إلى وسط شفاف آخر (مثلا: ماء). يحدث هذا التغيير في السطح الفاصل بين الوسطين.

يمكن أن يسبب انكسار الضوء لظواهر متنوعة. مثلا: عندما نملأ صحنا في قاعه قطعة نقدية بالماء، يخيل إلينا أن القطعة النقدية تبدأ بالصعود إلى أعلى؛ عندما نغمس ملعقة في كأس شاي، تبدو الملعقة مكسورة. سوف تمارسون في التجربة التالية ظواهر كهذه.

*158*

فعالية

مشاهدة

انكسار الضوء

هدف الفعالية: مشاهدة ظواهر تتعلق بانكسار الضوء.

أجهزة: كأس، ماء حنفية، كاميرا (يمكن كاميرا هاتف نقال)، أغراض مختلفة مثل ملعقة صغيرة، قلم رصاص، قطعة نقدية، مشبك وما شابه.

مجرى التجربة:

أ. املأوا الكأس بالماء حتى منتصفها.

ب. أدخلوا فيها الملعقة ولاحظوا الكأس من جميع الجوانب (من الجوانب ومن أعلى)، عن قرب وعن بعد.

ج. اختاروا اتجاها تبدو فيه الملعقة مكسورة وصوروا الظاهرة أو ارسموا ما ترون.

د. كرروا المرحلتين ب و ج مع الأغراض المختلفة.

نتائج:

1. صفوا بالكلمات ما رأيتموه في كل حالة: هل الأغراض، تبدو أكبر أم أصغر من حجمها الحقيقي؟ هل تبدو سليمة أم مكسورة؟

2. هل يبدو الجزء المغمور بالماء مختلفا عن الجزء الموجود خارج الماء؟

3. هل منظر الغرض المغمور بالماء يبدو متماثلا عندما ننظر إليه من اتجاهات مختلفة؟

4. هل منظر الغرض المغمور بالماء يبدو متماثلا عندما ننظر إليه من أبعاد مختلفة؟

5. هل وجدتم الاتجاه الذي تبدو منه الأغراض عادية، سليمة وبحجمها الحقيقي؟

إجمال الفعالية:

اشرحوا النتائج التي حصلتم عليها.

ما الذي سبب انكسار الضوء في هذه الحالة؟

هل تعلم؟

صيادون ماهرون

توجد في أمريكا الجنوبية قبائل تختص بصيد الأسماك بواسطة الحربون (رمح في رأسه سهم حاد). بسبب ظاهرة انكسار الضوء، لا يرى الصيادون السمكة في مكانها الحقيقي بل في مكان أخر (مكان وهمي) كما يظهر في التخطيط، لكن الخبرة علمتهم إلى أي اتجاه يحبذ إلقاء الحربون للنجاح في الإمساك بالسمكة.

لانكسار الضوء تأثير على الطيور المائية أيضا، مثل الرفراف (صياد السمك)، الذي يقف على أغصان الأشجار ويبحث عن الأسماك التي تسبح في الماء. من المؤكد أن الرفراف لا يفهم ظاهرة انكسار الضوء، ولكن مع هذا يقفز ويغوص في المكان الصحيح في الماء ويمسك بالسمكة دون صعوبة.

(في الكتاب رسم بياني وفيه المكان الوهمي للسمكة ومكان السمكة الحقيقي)

*159*

تشتت الضوء

قوس قزح هو إحدى ظواهر الطبيعة الخلابة جدا. يمكن رؤيته أثناء اصطدام ضوء الشمس بقطرات المطر. نلاحظ في قوس قزح سلسلة من 6 ألوان: بنفسجي، أزرق، أخضر، أصفر، برتقالتي وأحمر، والانتقال من لون إلى أخر يكون متواصلا. نسمي هذه الألوان ألوان قوس قزح وهي تظهر في حالات أخرى أيضا: عندما نرش ماء في الهواء في يوم مشمس، عندما يسقط الضوء على فقاعة صابون أو قرص مدمج، وعندما يمر الضوء عبر منشور زجاجي مثلث. ترتيب ظهور الألوان في كل هذه الظواهر، ثابت دائما. اكتشف ظاهرة تشتت الضوء الأبيض عالم الفيزياء والرياضيات الإنجليزي الشهير إسحاق نيوتن (1642-1727)، عندما أجرى تجربة مرر بها ضوء الشمس عبر منشور.

(في الكتاب صورة: تشتت الضوء في منشور زجاجي مثلث)

لماذا تظهر ألوان قوس قزح؟

عندما يمر ضوء الشمس عبر منشور زجاجي مثلث يمكن ملاحظة سلسلة ألوان القوس، ومن هنا يمكن الاستنتاج أن ضوء الشمس هو خليط من مكونات ضوء مختلفة، كل منها يثير فينا الإحساس بلون آخر عندما يدخل عيوننا.

من المألوف تسمية مكونات الضوء هذه باسم الإحساس الذي تثيره فينا. مثلا، الضوء الذي يثير فينا الإحساس بلون أحمر نسميه بالضوء الأحمر بالرغم من أنه في الحقيقة ليس أحمر، والضوء المسمى بالضوء الأخضر يثير فينا الإحساس باللون الأخضر وهو، كذلك، ليس أخضر حقا، وهكذا باقي ألوان قوس قزح.

يسمى فصل الضوء الأبيض إلى مكوناته تشتت الضوء (تشتت الضوء - فصل الضوء الأبيض إلى مكوناته نتيجة انكسار الضوء وتغيير اتجاه تقدمه، عندما يمر من وسط مصنوع من مادة شفافة واحدة إلى وسط مصنوع من مادة شفافة أخرى)، وهو يحدث لأن مجالات مختلفة من الضوء المرئي تنكسر بزاوية مختلفة ومميزه.

ينتج تشتت الضوء الأبيض أيضا في انتقال ضوء مصباح توهج عبر قمة منشور مثلث، وتركيبة الألوان هنا تشبه ألوان قوس قزح. السلسلة الظاهرة للعيان في أعقاب تشتت الضوء تسمى طيف الضوء المرئي (طيف الضوء المرئي - سلسلة من الألوان الناتجة عن تشتت الضوء الأبيض).

(في الكتاب صورة من الفعالية قوس قزح من الحقيبة الرقمية للمرحلة الإعدادية - علوم وتكنولوجيا)

*160*

الضوء واللون

تمعنوا في الألوان الكثيرة من حولكم: تبدو لنا التربة بنية، الحشيش أخضر، السماء زرقاء، شقائق النعمان حمراء والقميص بنفسجيًّا. ما سبب تلون هذه الأجسام المختلفة؟ كيف يمكن لمصدر ضوء واحد (الشمس، المصباح في البيت وما شابه) أن يضيء كل هذه الأجسام وبالرغم من هذا يبدو لنا كل جسم بلون آخر؟

أحد العوامل الرئيسة التي تحدد لون الجسم الذي نراه هو تركيبة الصبغات (بيجمنتات) التي تترقب منها المادة التي يتكون منها الجسم. تمتص كل صبغة مركبا واحدا (أو أكثر) من مركبات الضوء الأبيض وتعكس باقي المكونات التي لا يمتصها. مركبات الضوء المنعكسة عن الجسم والداخلة إلى عيوننا هي فقط تلك التي تثير عندنا الإحساس برؤية اللون.

مثلا، عند سقوط ضوء أبيض على حبة بندورة فإنها تبدو لنا حمراء لأن صبغات البندورة لا تمتص الضوء الأحمر فقط فينعكس إلى البيئة، بينما تمتص باقي مكونات الضوء. يدخل الضوء الأحمر إلى عيوننا ونتيجة ذلك نستوعب أن البندورة حمراء. يبدو الليمون أصفر لأن الليمون لا يمتص الضوء الأصفر فقط فينعكس عنه إلى البيئة ويدخل إلى عيوننا. الأجسام التي تبدو لنا بيضاء، مثل بيضة الدجاج، تعكس جميع مكونات الضوء. بالمقابل، الأجسام التي تبدو لنا سوداء حتى عندما نضيء عليها بضوء أبيض، مثل مكعب اللعب الأسود الظاهر في الصورة، تمتص جميع مكونات الضوء الساقطة عليها.

(في الكتاب صورتان. في الصوة الأولى: سقوط ضوء أبيض على بندورة، وفي الصورة الثانية: بيضة الدجاج، مكعب لعب أسود وليمون)

عامل آخر يعين لون الأجسام التي نراها هو تركيبة الضوء الساقط عليها. فإذا كانت البيئة مضاءة بلون أبيض، يمكننا تمييز جميع ألوان الأجسام الملونة المحيطة. لكن إذا أضأنا بيئة مظلمة بضوء يحتوي على جزء من مكونات الضوء الأبيض فقط، يمكننا تمييز الأجسام ذات الألوان الملائمة لتلك المكونات من الضوء الساقط التي تعكسها فقط، ولا نميز الأجسام التي تمتص كل مكونات الضوء الساقط عليها.

مثلًا، إذا أضأنا في غرفة مظلمة بضوء أخضر فقط، يمكننا رؤية أوراق النباتات الخضراء في الأصيص والعنب الأخضر الموضوع على الطبق لأنها تعكس الضوء الأخضر الساقط عليها، ولا نستطيع أن نرى حبة البندورة الحمراء لأنها تمتص الضوء الأخضر الساقط عليها.

*161*

اسئلة

1. لماذا لا يمكن رؤية أجسام في غرفة مظلمة؟

2. أنظروا من حولكم عندما تكون المصابيح، الحواسيب وباقي الأجسام التي يمكن أن تشع نورا في الصف غير مضاءة. ما هو مصدر الضوء الذي بفضله يمكنكم أن تروا الطاولات، المعلم والتلاميذ الآخرين في الصف؟

3. يمكن أحيانا أن نميز في قاعة السينما شيئا يبدو مثل حزمة ضوء تصل من اتجاه جهاز العرض حتى الشاشة. تذكروا الفعالية التي أجريتموها في بداية الفصل وفسروا الظاهرة.

4. فيما يلي قائمة شروط. أشيروا إلى شرطين يسمح الدمج بينهما أن نميز جسما ما. هل هناك إمكانيات أخرى؟ إذا كانت الإجابة بنعم، ما هو المشترك بين جميع الإمكانيات؟

أ. يشع الجسم الضوء.

ب. يعكس الجسم الضوء.

ج. يدخل الضوء إلى عيوننا.

د. ينشر الضوء جميع مكونات الضوء.

ه. ينشر الجسم واحدا على الأقل من مكونات الضوء.

5. أجرى تلاميذ الصف التاسع مشاهدة في غرفة مظلمة: أضاءوا بمصباح يدوي يطلق حزمة ضيقة من الضوء الأبيض على حائط الصف، ولاحظوا اللون الأبيض في المنطقة المضاءة على الحائط.

أ. ما هو الاستنتاج من ذلك؟

ب. بعدئذ غطوا المصباح بيرق سيلوفان أحمر (يمتص جميع مكونات الضوء الأبيض الساقطة عليه ويسمح للضوء الأحمر فقط بالمرور عبره). ما هو لون المنطقة المضاءة على الحائط في هذه الحالة؟ اشرحوا.

ج. تمرير، انعكاس أو امتصاص - أي تفاعل يحدث بين الضوء الخارج من المصباح وورق السيلوفان الأحمر؟ عللوا إجابتكم.

د. كما أضاف التلاميذ ورق سيلوفان أزرق إلى المصباح. ما هو لون المنطقة المضاءة على الحائط الآن؟ اشرحوا.

- لكي تكون رؤية الجسم ممكنة يجب أن يتوفر الشرطان:

1. أن ينشر الجسم (يشع أو يعكس) الضوء.

2. أن يدخل الضوء المنتشر من الجسم إلى عيوننا.

- لكي تكون رؤية الجسم ممكنة ونستطيع تمييز لونه يجب أن يتوفر الشرطان:

1. أن ينشر الجسم (يشع أو يعكس) مكونا واحدا على الأقل من مكونات الضوء الأبيض.

2. أن يدخل الضوء المنتشر من الجسم إلى عيوننا.

*162*

فعالية - إلى الشبكة

الأضواء والألوان

زوروا موقع الإنترنت الحقيبة الرقمية للمرحلة الإعدادية - علوم وتكنولوجيا، واختاروا مجال الفيزياء. ادخلوا موضوع الأمواج، الأشعة والمادة، اختاروا بند اللون، وافتحوا الوحدات التعليمية الأربع:

(1) الأجسام الملونة.

(2) مزج الألوان.

(3) رؤية الألوان وعمى الألوان.

(4) طريقة ال RGB: إلى داخل اللون.

يمكنكم بواسطة المحاكيات في هذه الوحدات التعليمية أن تبحثوا جوانب مختلفة تتعلق بالضوء، اللون ورؤية الألوان.

(يوجد 4 صور من الفعاليات في الانترنت: أجسام ملون، مزج ألوان، رؤية الألوان وعمى الألوان وطريقة ال RGB: إلى داخل اللون).

اسئلة

1. ما هي ألوان الضوء الأساسية الثلاثة بطريقة مزج الألوان؟

أ. أصفر، أزرق وأحمر.

ب. أحمر، أخضر وأزرق.

ج. أزرق، أصفر وأبيض.

د. أصفر، أحمر وأسود.

2. ما هو اللون الذي نراه عند مزج ضوء أخضر مع ضوء أحمر؟

أ. لون أخضر - أحمر، إذا كانت شدة الأضواء عالية.

ب. لون أخضر - أحمر، إذا كانت شدة الأضواء منخفضة.

ج. لون أصفر، إذا كانت شدة الأضواء قوية.

د. لون أبيض، إذا كانت شدة الأضواء قوية.

3. ماذا يجب أن نعمل لرؤية اللون الأبيض على شاشة الحاسوب، وماذا يجب أن نعمل لرؤية اللون الأسود على شاشة الحاسوب؟

4. انسخوا الجدول التالي إلى الدفتر، اكتبوا عنوانا له وأكملوا التفاصيل الناقصة فيه بمساعدة المحاكيات.

(في الكتاب جدول فيه 4 أعمدة و-5 صفوف)

*163*

ماهية الضوء المرئي

تعرفتم حتى الآن على صفات مختلفة للضوء (مثل الاتجاه، السرعة والمسافة التي يقطعها في الفضاء) وظواهر تتعلق به (مثل انكسار الضوء، امتصاص الضوء وانعكاس الضوء). لكن ما زال يطرح السؤال؛ ما هو الضوء؟

الضوء هو موجة إلكترومغناطيسية. لكي نفهم هذا تخيلوا أنكم تسقطون حجرا صغيرا على سطح ماء ساكن. عندما يصطدم الحجر بسطح الماء يحدث تشويشا في سطح الماء الساكن، وتنشأ نتيجة لذلك موجة (نبضة) على شكل دائرة مركزها نقطة اصطدام الحجر بالماء. تتسع هذه الموجة وتنتشر على سطح الماء وتبتعد عن نقطة المركز بسرعة معينة. تسمى هذه السرعة سرعة الموجة (سرعة الموجة: المسافة التي تقطعها موجة وحيدة (نبضة) خلال ثانية واحدة، وتتعلق سرعتها بالوسط الذي تتقدم فيه). عندما نرمى مزيدا من الحجارة بنفس المكان، الواحد تلو الآخر وبوتيرة ثابتة، يحدث تشويش دوري (يتكرر على فترات متساوية) مكونا سلسلة من الأمواج الدائرية المنتشرة على سطح الماء الواحدة تلو الأخرى مبتعدة عن نقطة المركز. تسمى مثل هذه السلسلة موجة دورية (موجة دورية - تنشأ عند إنتاج أمواج (نبضات) بوتيرة ثابتة).

بصورة مشابهة، الضوء المنبعث من مصدره هو عبارة عن موجة إلكترومغناطيسية تنشأ نتيجة سلسلة تشويشات دورية. ولكن بخلاف الحجارة المصطدمة بالماء، في هذه الحالة مسبب التشويش هو كهربائي / مغناطيسي، ولا يمكننا أن نرى بأعيننا شكل هذه الأمواج.

يسمى عدد الأمواج الناتجة في ثانية واحدة تردد الموجة (أو ذبذبة) (تردد - عدد الأمواج (النبضات) الناتجة في كل ثانية. وحدات قياس التردد هي هيرتس، كيلو هيرتس وميغا هيرتس). يقاس تردد الموجة بوحدات هيرتس، على اسم الفيزيائي الألماني هينريك رودلف هيرتس (1857 - 1894). من المتبع الرمز لهذه الوحدات كالتالي: Hz. تردد 1 هيرتس يعنى أن موجة واحدة تنتج في كل ثانية. وحدة قياس أخرى للتردد هي كيلو هيرتس (kHz) وميغا هيرتس (MHz). 1 كيلو هيرتس = 1،000 هيرتس؛ 1 ميغا هيرتس =1،000،000 هيرتس.

أسئلة

1. ماذا نقصد عندما نقول ان تردد موجة دوره يعادل 100 هيرتس؟

2. ما معنى أن تردد الموجة هو 1 ميغا هيرتس؟

نعرف المسافة بين موجتين (نبضتين) متجاورتين في موجة دورية بطول الموجة (طول الموجة. المسافة بين نقطتين متماثلتين في موجتين (نبضتين) متتاليتين في موجة دورية). يقاس طول الموجة بوحدات: كيلومتر، متر، ميليمتر (واحد في الألف من المتر)، ميكرون (واحد في المليون من المتر، أي 6^10- متر). ونانومتر (واحد في المليار من المتر، أي 9^10- متر).

طول الموجة، تردد الموجة وسرعة تقدم الموجة هي ثلاثة مقادير تميز الأمواج، وبصمتها الأمواج الإلكترومغناطيسية.

(في الكتاب رسم بياني: طول الموجة حسب اتجاه التقدم)

*164*

أنواع الأشعة الإلكترومغناطيسية

تستطيع عين الإنسان أن تحس بجزء ضئيل فقط من الأشعة الإلكترومغناطيسية، وفي مجال الضوء المرئي فقط. لكن الأشعة الإلكترومغناطيسية تشمل أنواعا أخرى أيضا: أشعة غاما (أحد أنواع النشاط الإشعاعي)، أشعة رنتغن (أشعة X)، أشعة فوق بنفسجية (Ultraviolet)، أشعة تحت حمراء (Infrared)، أمواج ميكرو وأمواج راديو. تكون جميع أنواع الأشعة الإلكترومغناطيسية الطيف الإلكترومغناطيسي (طيف إلكترومغناطيسية - جميع أنواع الأشعة الإلكترومغناطيسية التي يشملها مجال أطوال الأمواج الإلكترومغناطيسية المنبعثة من الشمس).

(يوجد رسم بياني لطول الأمواج المختلفة التي سيتم التفصيل عنها لاحقا).

أمواج الراديو - أشعة يتراوح طول موجتها بين 0.3 متر وعدة كم. أمواج الراديو التي تبث على الهواء تستوعبها أجهزة الراديو والتلفزيون عندنا. تستقبل أمواج الراديو من أجسام مختلفة في الفضاء وتخدم رواد الفضاء في أبحاث الفضاء.

أمواج الميكرو - أشعة يتراوح طول موجتها بين 0.3 متر و - 10 أمتار. نستخدمها في أجهزة الميكروويف، أجهزة الرادار، في الهواتف الخلوية، لاتصالات الأقمار الصناعية، للأرصاد الجوية وغيرها.

أشعة تحت حمراء - أشعة طول موجتها بين 780 نانومتر و 1 ملم. نحس بجزء منها كحرارة. تستخدم هذه الأشعة في تطبيقات متنوعة، مثل جهاز التحكم عن بعد بالتلفزيون، كاشف الحرارة، أجهزة للرؤية في الليل، أجهزة لتمييز كواكب بعيدة وغيرها. كما تنبعث مثل هذه الأشعة من المدافئ.

الضوء المرئي - مجال ضيق جدا من الأشعة طول موجته يتراوح ما بين 400 - 700 نانومتر. تستوعب أعيننا هذه الأشعة وتسبب الشعور برؤية الأجسام، الأضواء والألوان.

الأشعة فوق البنفسجية - أشعة طول موجتها 10 - 360 نانومتر. وهي حيوية لإنتاج فيتامين D في جسمنا، لكن التعرض المستمر لها قد يسبب أضرارا للخلايا. تمنع طبقة الأوزون التي في الغلاف الجوي معظم الأشعة فوق البنفسجية الضارة التي مصدرها من الشمس.

أشعة رنتغن (أشعة X) - أشعة طول موجتها 9^10- حتى 11^10- متر. تمتصها الأنسجة الصلبة مثل العظام، لكنها تخترق بسهولة الأنسجة اللينة، ولذا فإنها تستخدم في الأساس لأغراض التصوير في الطب.

أشعة غاما - أشعة طول موجتها 10^10- حتى 14^10- متر. تخترق بسهولة الأنسجة وتسبب ضررا. تطلق الشمس وأجرام سماوية أخرى هذه الأشعة. لحسن حظنا، طبقة الأوزون تحجزها.

*165*

لجميع أنواع الأشعة الإلكترومغناطيسية مميزات مشتركة، لكن لكل نوع منها مميزات إضافية خاصة به. صفات الضوء التي عرفتموها، مثل الانعكاس، الامتصاص، الانكسار وغيرها، تميز أيضا باقي أنواع الأشعة الإلكترومغناطيسية التي لا يمكننا الإحساس بها. طول الموجة، طاقة الموجة، مدى اختراقها مواد مختلفة واستيعابها بالعين البشرية، هي أمثلة لمميزات خاصة بكل نوع. طول الموجة هو أحد العوامل التي تقرر الطاقة لكن واحد من أنواع الأشعة - كلما كان طول الموجة أقصر، كانت الطاقة التي تحملها الموجة معها أكبر.

يمكن اكتشاف واستيعاب أنواع أشعة مختلفة حتى لو أننا لا نستطيع استيعابها بحواسنا. مثلا، صممت أجهزة الراديو وبنيت بشكل خاص لاستيعاب الأشعة غير المرئية في مجال أمواج الراديو، وتحويل هذه الأمواج إلى أصوات نستطيع سماعها. جهاز التلفزيون مصمم للاستجابة للأشعة تحت الحمراء التي نرسلها نحوه بواسطة جهاز التحكم عن بعد، ولذا تتغير القناة التي نشاهدها.

فعالية

مهمة تعاونية - بحث الشبكة

الطيف الإلكترومغناطيسي

هدف الفعالية:التعرف على أنواع الأشعة التي يشملها الطيف الإلكترومغناطيسي.

مجرى الفعالية:

أ. توزعوا إلى مجموعات. كل مجموعة تجمع معلومات عن واحد من أنواع الأشعة الإلكترومغناطيسية.

ابحثوا عن معلومات مثيرة تجيب عن الأسئلة التي تخص نوع الأشعة الذي اخترتموه، مثلا:

- ما هي مميزات الأشعة (سرعة تقدمها، هل يمكنها التقدم في الفراغ، وما شابه)؟

- كيف اكتشفت ومن اكتشفها؟

- ما هي استعمالاتها (على أي حاجة تلبيها، بأي أجهزة، وما شابه)؟

- هل التعرض لهذه الأشعة خطر؟ لماذا؟

- ما هي وسائل الحماية المطلوبة أثناء التعرض لهذه الأشعة؟

ب. نظموا المعلومات التي وجدتموها بطريقة ملائمة للعرض في الصف: ورقة معلومات، لافتة (بوستر)، عرض تقديمي يشمل صورا أو أفلاما وما شابه.

ج. تعرض كل مجموعة المعلومات التي جمعتها في إطار الوقت المخصص لها. اتركوا وقتا للأسئلة والأجوبة أيضا.

د. انسخوا الجدول التالي إلى الدفتر، وأكملوا فيه المعلومات عن كل أنواع الأشعة التي عرضت في الصف. اكتبوا عنوانا للجدول وأضيفوا سطورا وأعمدة حسب الحاجة.

(في الكتاب جدول فيه 8 أعمدة و-9 صفوف)

*166*

ه. أجروا مقارنة بين أنواع الأشعة المختلفة: بماذا تتشابه وبماذا تختلف عن بعضها؟

و. لخصوا: ما هي المميزات المشتركة لكل أنواع الأشعة الإلكترومغناطيسية؟

توسع

ثنائية الأشعة - أمواج وجسيمات

تعلمنا أن الضوء هو نوع من الأمواج يسمى موجة إلكترومغناطيسية. أثبتت أبحاث كثيرة أن الضوء يسلك في ظواهر معينة مثل موجة (موجة إلكترومغناطيسية)، ويسلك في ظواهر أخرى مثل جسيمات عديمة الكتلة تسمى فوتونات. كل فوتون يحمل معه كمية معينة من الطاقة يحددها طول الموجة. تسمى هذه الازدواجية ثنائية موجة - جسيم. كما تسلك سائر أنواع الأشعة الإلكترومغناطيسية بصورة مشابهة. لذا يتطرق العلماء إلى الأشعة الإلكترومغناطيسية كجسيمات (فوتونات) وكذلك كأمواج إلكترومغناطيسية، وفقا للظاهرة التي يبحثونها.

الصفات المشتركة لجميع أنواع الأشعة الإلكترومغناطيسية.

- جميعها أمواج إلكترومغناطيسية.

- جميعها تنقل طاقة (مثلا من الشمس إلى الكرة الأرضية).

- انعدام الحاجة إلى وسط ما للتقدم فيه (أي تتقدم جميعها في الفراغ أيضا).

- سرعة التقدم لجميعها تماثل سرعة الضوء في الفراغ (حوالي 300،000 كم في الثانية).

- يكون انتشارها على امتداد خطوط مستقيمة (طالما تتحرك في الفراغ أو في نفس الوسط).

- في الانتقال من وسط إلى آخر قد تحدث ظواهر امتصاص، انعكاس، انكسار أو تشتت.

الصفات الخاصة لكل واحد من أنواع الأشعة الإلكترومغناطيسية.

- طول موجة (أو التردد).

- مدى الاختراق لمواد مختلفة.

- من بين ما يحدد الطاقة، طول الموجة. كلما كانت الموجة أقصر، كانت الطاقة أكبر.

- إمكانية استيعابها بحواس الإنسان.

- تفاعل مميز مع مواد مختلفة.

*167*

طاقة الأشعة - الفوائد والأخطار

الشمس هي مصدر الطاقة الأساسي للكرة الأرضية، وكمية الأشعة الإلكترومغناطيسية الواصلة منها إلينا هائلة. استعان الإنسان في الماضي بطاقة الشمس، في الأساس، بصورة مباشرة لأغراض التسخين، تبخير أو تجفيف أغذية. أما اليوم فإنهم يستعينون بجميع أنواع الأشعة الإلكترومغناطيسية: في الطب، البحث العلمي، الصناعة، الاتصالات وفى أنظمة تكنولوجية كثيرة ومختلفة. مع هذا، ندرك أيضا الأضرار التي قد تسببها أنواع معينة من الأشعة للإنسان، ونعرف كيف نحذر من هذه الأخطار.

فعالية - ممارسة

فرن شمسي

هدف الفعالية، بناء فرن شمسي، وتسخين مياه بواسطته.

أجهزة: علبة كرتون، مرطبان ملين بالأسود، كيس بلاستيك شفاف، مقياس حرارة، ماء، ورق ألومينيوم.

وسائل حذر: نظارات واقية، شعر مربوط

مجرى الممارسة:

أ. غطوا الجدران الداخلية للعلبة بورق ألومينيوم. احرصوا أن يكون الجانب اللامع لورق الألومينيوم متجها للخارج.

ب. املؤوا المرطبان الملون بالأسود بالماء، أدخلوا فيه مقياس حرارة وغلفوه بكيس البلاستيك الشفاف.

ج. ضعوا مرطبان الزجاج داخل العلبة.

د. اتركوا الجهاز الذي بنيتموه في ضوء الشمس في الخارج أو مقابل مصدر ضوء قوي.

ه. تابعوا تغيرات درجة حرارة الماء لمدة حوالي 30 دقيقة.

نتائج: لخصوا النتائج في جدول. اكتبوا عنوانا للجدول.

إجمال:

1. يدعي عمر أنه لا داعي لصبغ المرطبان بالأسود، لأن أشعة الشمس تخترق المادة الشفافة لكنها لا تخترق المادة غير الشفافة. هل كان محقا؟ عللوا.

2. ما هي وظيفة ورق الألومينيوم في الفرن الشمسي الذي بنيتموه؟

3. أي ظواهر (امتصاص، انعكاس وما شابه) تتمثل في الفرن الشمسي؟ اشرحوا.

4. صفوا مسار أشعة الشمس في الفرن الشمسي وتحولات الطاقة التي تحدث فيه.

.5 بأي ظروف يجدر الاستعانة، حسب رأيكم، بالفرن الشمسي؟

6. اذكروا حسنات وسيئات مثل هذا الفرن.

(في الكتاب صورة للفرن الشمسي)

*168*

فعالية - مهمة تعاونية

الأشعة الإلكترومغناطيسية - استعمالات، الثمن والحلول

هدف الفعالية: التعرف على تطبيقات لأنواع الأشعة لفائدة الإنسان، فحص تأثيرها على المعلمة والبيئة، واتخاذ قرارات ذكية بشأن استعمال الأشعة والوقاية من الأضرار المحتملة.

مجرى الفعالية:

أ. توزعوا في الصف لعدة مجموعات عمل - تتخصص كل مجموعة بتطبيق تكنولوجي أخر للأشعة الإلكترومغناطيسية واستعمالاتها.

ب. ابحثوا عن معلومات حول التطبيق التكنولوجي الذي اخترتموه. يمكنكم اختيار أحد التطبيقات التي في القائمة التالية أو أي تطبيق ملائم آخر يهمكم.

قائمة التطبيقات: (1) سخان شمسي (2) ميكروويف (3) هاتف خلوي (4) خلايا شمسية (خلايا فوتو فولتية) (5) ألياف بصرية (6) شاشة حاسوب أو تلفزيون ملون (7) منظار للرؤية في الليل (8) محطة شمسية لتوليد الكهرباء (9) جهاز تصوير رنتغن (10) جهاز لتعقيم الغذاء أو معدات طبية بمساعدة الأشعة.

ج. اجمعوا معلومات حول التطبيق التكنولوجي الذي اخترتموه. تطرقوا بشكل خاص إلى الأسئلة التالية؛ (أ) ما هو الغرض من بنائه؟ (ب) من اخترعه ومتى؟ (ج) كيف يعمل؟ (د) أي صفات الأشعة يستغل؟ (ه) أي ظواهر تحدث أثناء تشغيله (امتصاص، انكسار، انعكاس وما شابه)؟ (و) أي تحولات طاقة تحدث فيه (اعرضوها بمخطط انسيابي)؟ (ز) ما هو الثمن البيئي المترتب على عمليات إنتاجه؟ (ح) ما هي تأثيراته على الصحة؟ (ط) ما هي وسائل الوقاية التي يجب اتخاذها أثناء تشغيله؟

د. إذا أمكن، حضروا نموذجا يعرض عمل الجهاز الذي أجريتم البحث عنه.

ه. نظموا المعلومات التي وجدتموها، وحضروا ناتجا مشتركا لمجموعتكم يعرض في الصف أو في معرض.

اجمال

- تشمل الأشعة الإلكترومغناطيسية أنواعا مختلفة: الضوء، أمواج الراديو، أشعة رنتغن وغيرها.

- تحمل الأشعة الإلكترومغناطيسية طاقة.

- يمكن أن تتحول طاقة الأشعة إلى أنواع طاقة مختلفة وبالعكس.

- جسم يطلق أشعة هو عمليا يفقد طاقة، وجسم يستوعب أشعة هو عمليا يستوعب طاقة.

- تطلق الشمس طاقة تصل إلينا بالأساس بواسطة الضوء.

- يمكن أن تتفاعل أشعة إلكترومغناطيسية مع مادة وتحدث تغييرات فيها.

- نجني فائدة جمة من الأشعة الإلكترومغناطيسية في المجالات التالية: الطب، الصناعة، البحث، الاتصالات وغيرها.

- قد يسبب جزء من الأشعة الإلكترومغناطيسية ضررًا لجسم الكائن الحي.

- من المهم استخدام وسائل تقلل خطر الإصابة بأشعة ضارة.

*169*

اسئلة

1. دار نقاش في الصف: ماذا يحدث عندما نصب ماء ساخنا في قنينة سوداء وقنينة بيضاء؟

ادعت عرين أن الماء في القنينة السوداء يبرد أبطأ.

ادعى منير أن الماء في القنينة البيضاء يبرد أبطأ.

ادعت نورة أن الماء في القنينتين يبرد بنفس السرعة.

أيهم على حق؟ عللوا.

2. أي من الجمل التالية هي الصحيحة؟

أ. عندما نقرب مصدر ضوء من جسم غير شفاف، يزيد طول الصورة الظلية.

ب. عندما نبعد جسما غير شفاف عن المكان الذي ينشأ فيه ظل، لا يتغير طول الصور.

ج. عند تبديل جسم غير شفاف كبير بآخر أصغر، يزداد طول الصورة الظلية.

د. عندما نزيد من شدة ضوء المصباح، يقصر طول الصورة الظلية.

3. عندما ننظر نحو ورق ألومينيوم ("ورق قصدير") غير مجعد يمكن أن نلاحظ انعكاس الأغراض المقابلة له. لكن إذا كان ورق الألومينيوم مجعدا لا نستطيع تمييز انعكاس الأغراض. اشرحوا السبب.

4. اشرحوا لماذا يكون شارع الإسفلت خلال النهار حارا أكثر من بلاط الحجر على الرصيف.

5. هل يحتمل وجود مادة شفافة وكذلك ملونة؟ أجيبوا بواسطة مثال.

6. أراد تلميذ أن يفحص ما هي العلاقة بين مدى تعرض وعاء فيه ماء للضوء وبين التغير في درجة حرارة الماء في الوعاء. أجرى تجربة وضع فيها وعاءين غامقين متماثلين: وعاء أ أمام مصدر ضوء، ووعاء ب خلف مصدر الضوء.

(في الكتاب صورة للتجربة)

ارتفعت درجة حرارة الماء في الوعاء أ، وفى الوعاء ب بقيت درجة حرارة الماء دون تغيير. كيف يمكن تفسير نتيجة التجربة؟

أ. حدثت في الوعاء أ عملية امتصاص ضوء وتحويل طاقة ضوئية إلى طاقة أشعة.

ب. حدثت في الوعاء ب عملية انعكاس ضوء وتحويل طاقة أشعة إلى حرارة.

ج. حدثت في الوعاء ب عملية امتصاص وانعكاس ضوء ولذا لم يحدث تغيير في درجة الحرارة.

د. حدثت في الوعاء أ عملية امتصاص ضوء وتحويل طاقة ضوئية إلى حرارة.

*170*

7. صفوا واشرحوا ماذا نرى عند إضاءة مصابيح سيارة في ليل ضبابي.

8. وجد متنزهون فاكهة تبدو صفراء في ضوء الشمس. تبين أن صبغات هذه الفاكهة تعكس كثيرا من الضوء الأخضر والضوء الأحمر (وتمتص باقي مركبات الضوء الأبيض).

أ. اشرحوا لماذا تبدو الفاكهة في ضوء الشمس صفراء.

ب. بأي لون تبدو الفاكهة إذا أدخلت لغرفة فيها مصدر ضوء وحيد يشع الضوء الأخضر فقط؟ اشرحوا.

9. في الشتاء أزهرت شقائق النعمان الحمراء والبيضاء في الحقل.

أي من الجمل التالية هي الصحيحة؟

أ. تمتص شقائق النعمان البيضاء الضوء أكثر من الحمراء.

ب. تعكس شقائق النعمان الحمراء الضوء أقل من البيضاء.

ج. تمرر شقائق النعمان الحمراء الضوء أكثر من البيضاء.

د. ينعكس الضوء عن شقائق النعمان البيضاء أقل من الحمراء.

10. نرى في الصورة التالية رائد الفضاء باز أولدرين ينزل من المركبة الفضائية أبولو 11 التي هبطت على القمر سنة .1969 هل التقطت الصورة في النهار أم في الليل؟ عللوا بمساعدة المبادئ العلمية التي تعلمتموها في هذا الفصل.

*171*

الفصل 7: الطاقة النووية

*171*

سنتعلم في هذا الفصل أن...

- العمليات النووية هي عمليات يتغير خلالها مبنى نواة الذرة وتنطلق طاقة هائلة. هذه الطاقة تسمى الطاقة النووية.

- اكتشاف وجود عمليات نووية شق الطريق لفهم مبنى النواة وفهم عمليات تتعلق به، وأنه بداية عهد جديد في مجالات علمية كثيرة.

- عمليات نووية تحدث في الشمس وهي مصدر الطاقة الهائلة التي تصل إلى الكرة الأرضية وتحرك العمليات التي تحدث فيها.

- نواة الذرة يمكن أن تنشطر إلى نوى خفيفة أكثر بعملية تسمى الانشطار النووي، أو أن تندمج مع نواة أخرى مكونة نواة ثقيلة أكثر بعملية تسمى اندماجا نوويا.

- استغلال الطاقة الهائلة المنطلقة من عملية الانشطار النووي ممكن لتوليد الكهرباء. ولتوليد الكهرباء في التفاعلات النووية حسنات وسيئات.

مصطلحات سنتعرف عليها:

طاقة نووية

نظائر (إيزوتوبات)

انحلال إشعاعي

أشعة ألفا، بيتا وغاما

انشطار نووي

اندماج نووي

تفاعل متسلسل

تخصيب يورانيوم

مفاعل ننوي

*172*

مقدمة

الشمس هي مصدر الطاقة التي تعلق بها حياة غالبية الكائنات الحية الموجودة على الكرة الأرضية. هل تعلمون أن الشمس تضيء كل سطح الكرة الأرضية في سنة واحدة بشدة ضوء تعادل 1015 (1,000 بليون) مصباح قدرة كل منها 100 واط؟

ما هو مصدر هذه الطاقة؟ وما هي العلاقة بينها وبين الطاقة النووية؟

ساد الاعتقاد في الماضي بأن الشمس مكونة من فحم وأن مصدر طاقتها هو اشتعال الفحم. أي، أن الطاقة المنطلقة هي نتيجة عمليات تحليل وإنتاج أربطة كيميائية بين ذرات وجزيئات. إلا أن الحسابات بينت أنه لو كانت الشمس مكونة حقا من الفحم، لتلاشت خلال بضعة آلاف من السنوات.

كما أن أفكارا أخرى لم تنجح في تفسير مصدر الطاقة الهائل للشمس، حتى مطلع القرن أل 20 حين طرح باحثون فرضية تقول بأن مصدر الطاقة الهائل للشمس ليس الطاقة الكيميائية بل الطاقة النووية، والتي مصدرها نوى الذرات والعمليات التي تحدث فيها.

وقد سبق أن اكتشفت في أواخر القرن ال 19 بطريق الصدفة عمليات نووية تلقائية (دون تدخل خارجي). لاحظ باحثون أن ذرات معينة تطلق بصورة طبيعية أشعة سموها نشاطا إشعاعيا. تبين أنه في عمليات نووية معينة، تتحول ذرات عنصر ما، تلقائيا، إلى ذرات عنصر آخر. ساهم هذا الاكتشاف الهام كثيرا في بحث مبنى الذرة والنواة، وأدى عمليا إلى بداية عهد جديد في جميع مجالات العلم.

كان العالم ألبرت آينشتاين هو من وجد، في مطلع القرن ال 20، العلاقة بين الكتلة والطاقة، وبين أن انخفاضا ضئيلا في الكتلة في عمليات نووية يؤدي إلى إطلاق كمية هائلة من الطاقة.

في أعقاب آينشتاين أدرك علماء آخرون أيضا أن للطاقة الهائلة المنطلقة بالعمليات النووية يوجد جهدا كبيرا يمكن استغلاله لاحتياجات كثيرة. بانفعال شديد أبلغ علماء التفاعل النووي الأول في سنة 1942 الإدارة الأمريكية: "وصل البحار الإيطالي إلى العالم الجديد". كانت هذه الشيفرة التي تعني أنهم نجحوا، لأول مرة، بإطلاق طاقة نووية في تفاعل مراقب، وأن الطريق أصبح ممهدا لصنع قنبلة ذرية.

(في الكتاب صورة: الطاقة النووية هي مصدر الطاقة في الشمس)

(في الكتاب وصورة: ألبرت آينشتاين، صورة من سنة 1921)

*173*

للعمليات النووية أهمية كبيرة جدا لمستقبل البشرية، وذلك لأنها تستجيب لأحد التحديات الكبيرة التي تواجهنا - تطوير مصادر طاقة تلبي احتياجات السكان المتزايدة بوتيرة متسارعة وكذلك الحاجة إلى تقليل انبعاث ملوثات إلى البيئة.

سنتعلم في هذا الفصل عن الطاقة النووية المنطلقة من عمليات تحدث في نواة الذرة، وسنفهم لماذا تكون الطاقة المنطلقة من العمليات النووية هائلة بالمقارنة مع الطاقة المنطلقة من العمليات الكيميائية.

سنتعلم ما هو النشاط الإشعاعي، ونتعرف على عمليتي الانشطار النووي والاندماج النووي اللذين تنطلق منهما طاقة نووية.

كذلك، سنناقش الطاقة النووية كمصدر بديل لتوليد الكهرباء، ونتعلم عن التفاعلات النووية لتحويل الطاقة النووية لاحتياجاتنا المختلفة: لتوليد طاقة كهربائية، لأغراض البحث وإنتاج مواد تستخدم في الأسلحة النووية. سنتعرف على أخطار التعرض للنشاط الإشعاعي والوسائل التي يمكن اتخاذها للتقليل من أضراره.

*174*

نواة الذرة والعمليات النووية

اعتقد العلماء منذ عهد ديموقريطوس (الذي عاش في اليونان قبل حوالي 2،500 سنة) وحتى نهاية القرن ال 19 أن الذرة أصغر جسيم في المادة ولا يمكن تقسيمها. أجريت في مطلع القرن ال 20 تجارب هدفها بحث مبنى الذرة، وشوهدت ظواهر ضعضعت الاعتقاد بأن الذرة لا تنقسم. اكتشاف ظاهرة الإشعاع (إشعاعية - انطلاق تلقائي لأشعة إلكترومغناطيسية أو جسيمات من نوى ذرات معينة)، التي شوهدت فيها أشعة مجهولة تنبعث من مواد معينة، شق الطريق لفهم مبنى الذرة وعمليات تتعلق به، وبداية عهد جديد في مجالات علمية كثيرة.

نواة الذرة

الذرة بغالبيتها فضاء فارغ في مركزه نواة مضغوطة جدا ويوجد حولها ما يشبه "الغيمة" إلكترونات (ذات شحنة سالبة). قطر الذرة صغير جدا، حوالي 10^10- متر، والنواة أصغر من الذرة ب 100،000 مرة وقطرها حوالي 10^15- متر تتكون نواة الذرة من بروتونات (ذات شحنة كهربائية موجبة) ونيوترونات (عديمة الشحنة). تتركز غالبية كتلة الذرة في النواة، إذ أن كتلة الإلكترونات صغيرة جدا بالنسبة لكتلة البروتونات والنيوترونات. عدد البروتونات في النواة يسمى العدد الذري (عدد ذري - عدد البروتونات في نواة الذرة (مماثل لعدد الإلكترونات في ذرة متعادلة)).

(في الكتاب رسم بياني: مبنى الذرة: في مركزها نواة مركبة من بروتونات ونيوترونات وحولها إلكترونات بما يشبه "غيمة")

*175*

تتعين كتلة الذرة بواسطة مجموع عدد البروتونات وعدد النيوترونات في النواة. يسمى هذا المجموع عدد الكتلة (عدد الكتلة - مجموع عدد البروتونات وعدد النيوترونات في نواة الذرة) للذرة. يمكن كتابة عدد الكتلة على الجهة اليسرى العليا من رمز العنصر، ويكتب العدد الذرى على الجهة اليسرى السفلى. مثلا، يمثل عنصر الكربون هنا بالشكل التالي:

C 12، 6 (في الكتاب الرقم 12 مكتوب فوق الرقم 6): 12 - عدد الكتلة، 6 - عدد ذري.

ذرات عنصر معين لها نفس عدد البروتونات ولكن تختلف بعدد النيوترونات تسمى نظائر (إيزوتوبات) (نظائر: (إيزوتوبات من اليونانية: إيزو = مساوي؛ توبوس = نوع نموذج) ذرات عنصر معين لها نفس عدد البروتونات، وعدد مختلف ض النيوترونات، أي مختلفة في الكتلة)، وهي موجودة في نفس المكان في الجدول الدوري.

مثلا: لعنصر الكربون الذي عدده الذري 6 ثلاثة نظائر طبيعية لها أعداد كتلة مختلفة: 12، 13، أو 14، وتسمى باختصار كربون 12، كربون 13 وكربون 14. كذلك، لعنصر اليورانيوم الذي عدده الذري 92 عدة نظائر (اليورانيوم هو أثقل عنصر موجود في الطبيعة، يمكن إنتاج عناصر أثقل منه في المختبر فقط). النظائر الطبيعية الشائعة له هي يورانيوم 238، يورانيوم 235

ويورانيوم 234:

(في الكتاب مكتوب:U وبجانبه الأيسر 238، 92 ويكون الرقم 238 مكتوب فوق الرقم 92، U وبجانبه الأيسر 235، 92 ويكون الرقم 235 مكتوب فوق الرقم 92، U وبجانبه الأيسر 234، 92 ويكون الرقم 234 مكتوب فوق الرقم 92)

نظير اليورانيوم 235 (U 235) هو المكون الهام في مادة الوقود في التفاعلات النووية لتوليد الكهرباء.

- للنظائر المختلفة لنفس العنصر عدد ذري متماثل ولكن كتلة ذرية مختلفة (عدد كتلة مختلف).

لأغلب العناصر في الطبيعة نظيران على الأقل. بعض النظائر مستقرة (أي لا تتحول ولا تطلق إشعاعات) وبعضها مشع. يتعلق مدى استقرار النظائر بالنسبة بين عدد النيوترونات وعدد البروتونات في النواة، وهو ناتج عن وجود قوى مختلفة في نوى الذرات. تعمل، في نواة الذرة، في نفس الوقت، قوى متعاكسة:

أ. قوى تنافر كهربائية. تعمل هذه القوى بين البروتونات التي تحمل شحنة موجبة.

ب. قوى جذب نووية. قوى قوية تعمل بين البروتونات ونفسها، بين النيوترونات ونفسها، وبين البروتونات والنيوترونات. تعرف هذه القوة باسم القوة النووية القوية، وداخل النواة هي أقوى من قوى التنافر الكهربائية. لو لم تكن هذه القوة موجودة، لتفككت نواة الذرة.

*176*

يشعر بهذه القوة القوية فقط عن مسافة قصيرة جدا بين الجسيمات، وعليه فإن تأثيرها داخل نواة الذرة فقط ولا يشعر بها خارج النواة. في ذرات العناصر الثقيلة (عنصر ثقيل - ذرة تترقب نواتها من عدد كبير من البروتونات والنيوترونات)، التي تحتوي نواها على عدد كبير من النيوترونات والبروتونات، لا تفلح القوة النووية في التغلب على التنافر الكهربائي بين البروتونات. ونتيجة لذلك، نوى العناصر الثقيلة مثل اليورانيوم غير مستقرة وتميل إلى التحلل من خلال النشاط الإشعاعي.

اسئلة

1. كم نيوترونا يوجد في نواة كل واحد من نظائر الكربون: كربون 14، كربون 13 وكربون 12؟

2. كم نيوترونا يوجد في نواة كل واحد من نظائر اليورانيوم: يورانيوم 238، يورانيوم 235 ويورانيوم 234؟

عمليات نووية

العمليات النووية هي عمليات يحدث فيها تغيير في مبنى نواة الذرة، مثل التحلل الإشعاعي، انشطار واندماج نووي. عند حدوث عمليات نووية تنطلق طاقة نووية (طاقة نووية - الطاقة المنطلقة عند حدوث عمليات نووية يتغير فيها مبنى نوى الذرات). سوف نناقش باختصار كل واحدة من هذه العمليات.

التحلل الإشعاعي

توجد في الطبيعة ذرات، مثل اليورانيوم، نواتها غير مستقرة وتميل إلى التغير التلقائي الذي يسمى تحللا إشعاعيا (تحلل إشعاعي - عملية نووية تتحلل فيها نواة الذرة بصورة تلقائية وتتحول إلى ذرة عنصر أخر. تنطلق من التحلل الإشعاعي أشعة من أنواع مختلفة) أثناء هذا التغيير تنطلق أشعة من أنواع مختلفة تسمى ألفا، بيتا وغاما.

الانشطار النووي

في هذه العملية، نقوم بصورة اصطناعية بإحداث انشطار نووي لعناصر ثقيلة معينة وتحويلها إلى نوى ذات كتلة أصغر، وتنطلق أثناء الانشطار طاقة نووية هائلة. يحدث الانشطار بواسطة "قصف" نوى عناصر ثقيلة بنيوترونات.

مثلا: في عملية الانشطار النووي لليورانيوم 235، يصيب النيوترون نواة اليورانيوم بسرعة عالية، فتمتصه ويؤدي ذلك إلى عدم استقرارها. نتيجة لذلك تنحل نواة اليورانيوم إلى نواتين أخف، مع إطلاق نيوترونات إضافية وطاقة كثيرة. كل واحد من النيوترونات المنطلقة يمكن أن يسبب انشطار ذرات يورانيوم مجاورة وهي أيضا تطلق مزيدا من النيوترونات ومن الأشعة. تسمى هذه العملية تفاعلا متسلسلا، وقد تستمر طالما تتوفر ذرات يورانيوم كافية.

(في الكتاب رسم: تفاعل متسلسل: انشطار نوى ذرات يورانيوم 235:

نيوترون، سهم لليمين، يورانيوم 235، سهم لليمين، يورانيوم 236 - اندماج نوى، سهم لليمين باريوم 145 وكريبتون 88، ثلاثة أسهم لليمين - كل واحد يذهب الي نيوترون. وفي الرسم استمرار الانشطارات بدون شرح)

*177*

في التفاعلات النووية لتوليد الكهرباء يتسببون في الانشطار النووي، لكنهم يحرصون أن يحدث تفاعل متسلسل مراقب. أي، يتحكمون بكمية الطاقة المنطلقة ولا يشكلون خطرا على البيئة كما يحدث في تفجير قنبلة ذرية.

سؤال

إذا انطلقت من انشطار نواة في كل مرحلة 3 نيوترونات، كم نيوترونا تنطلق بعد 3 مراحل؟ اشرحوا.

هل تعلم؟

تخصيب اليورانيوم

ليست جميع نظائر اليورانيوم قابلة للانشطار (أي يمكن أن تستعمل لانشطار نووي يؤدي إلى تفاعل متسلسل). نحتاج لتوليد كهرباء أو إنتاج قنبلة إلى مادة قابلة للانشطار. نظير اليورانيوم 235 قابل للانشطار لكنه قليل الوجود في الطبيعة. تحتوي خامات اليورانيوم الترابية بالأساس على يورانيوم 238 وقليلا من يورانيوم 235. لذلك فإن خامات اليورانيوم الطبيعي المستخرجة من أماكن مختلفة في العالم لا تستعمل للوقود النووي في التفاعلات النووية. على هذه الخامات أن تمر بعملية معالجة تسمى تخصيب يورانيوم ليمكن استعمالها وقودا نوويا. في هذه العملية، يزيدون وبصورة اصطناعية تركيز نظير اليورانيوم 235، ويسمى اليورانيوم الناتج يورانيوم مخصبا. في هذا اليورانيوم يمكن أن يحدث تفاعل متسلسل.

(في الكتاب صورة لكتلة من اليورانيوم الخام)

الاندماج النووي

تحدث هذه العملية عندما تندمج نوى ذرات خفيفة لتكون نواة ذرة أثقل من خلال انطلاق طاقة نووية بكميه هائلة.

تحدث عمليات الاندماج النووي بصورة طبيعية في الشمس (وفي نجوم أخرى) وهي مصدر الطاقة التي تصل إلينا من الشمس. تتركب الشمس بمعظمها من الهيدروجين، وفى مركزها درجة الحرارة أكثر من 15 مليون درجة مئوية. في مثل هذه الدرجة العالية تكون طاقة الإلكترونات عالية جدا وتنفصل عن نوى الهيدروجين، أي تتحول ذرات الهيدروجين إلى أيونات هيدروجين H+. تصطدم أيونات الهيدروجين مع بعضها بسرعة هائلة والقليل منها يقترب كثيرا من الآخر. وفي عملية معقدة تندمج معا لتكون نوى ذرات ثقيلة أكثر - هيليوم (He) من خلال إطلاق طاقة كبيرة.

بناء على حسابات وأدلة مختلفة، يقدر الباحثين أن عملية الاندماج النووي التي تحدث في قلب الشمس تمكنها من أن تشع الضوء لمدة حوالي 6 مليارات سنة أخرى على الأقل، طالما يوجد ما يكفي من ايونات الهيدروجين.

(في الكتاب صورة: صورة للشمس من المركبة الفضائية للأبحاث SOHO التي أطلقت سنة 1995 لبحث نشاط الشمس).

*178*

توسع

النشاط الإشعاعي

تنطلق من التحلل الإشعاعي إشعاعات كثيرة. وتنقسم هذه الأشعة إلى 3 أنواع:

أشعة ألفا: انبعاث جسيمات ألفا من النواة. يتألف جسيم ألفا من بروتونين ونيوترونين، أي أنه نواة ذرة هيليوم (He). لذا فإن لأشعة ألفا شحنة كهربائية موجبة.

عند انبعاث جسيم ألفا من نواة نظير مشع ما خلال التحلل الإشعاعي، تفقد النواة بروتونين ونيوترونين، لذلك تقل كتلته ويتحول إلى نواة ذرة أخرى. مثلا:

عند انبعاث جسيم ألفا من نواة العنصر المشع رادون222 ، يقل عدد كتلته ب 4، يقل العدد الذري ب 2 ويتحول إلى ذرة عنصر البولونيوم 218.

(في الكتاب رسم: بتحلل ألفا تفقد نواة الذرة بروتونين ونيوترونين)

أشعة بيتا: انبعاث إلكترونات - جسيمات بيتا - من النواة. لذلك تحمل أشعة بيتا شحنة كهربائية سالبة.

عند تحلل بيتا لنظير مشع ما، يتحلل أحد النيوترونات التي في النواة ويتحول إلى بروتين والى جسيم بيتا (إلكترون). ينطلق الإلكترون من الذرة، ويبقى البروتون في النواة. أي، يوجد في النواة الآن بروتون واحد فائض ونيوترون واحد ناقص، فتتحول إلى ذرة عنصر أخر. مثلا، عندما يطلق النظير المشع للكربون 14 أشعة بيتا، تفقد النواة نيوترونا واحدا وتضاف إليها بروتونا واحدا، عدد الكتلة لا يتغير وتتحول إلى نواة نيتروجين عددها الذري أكبر ب 1.

(في الكتاب صورة: بتحلل بيتا تفقد نواة الذرة نيوترونًا ويضاف اليها بروتون)

أشعة غاما: أشعة إلكترومغناطيسية، تنبعث عادة مع أشعة ألفا أو بيتا نتيجة التحلل الإشعاعي.

ليس لأشعة غاما شحنة كهربائية.

(في الكتاب صورة: عندما تنطلق أشعة إلكترومغناطيسية من نوع غاما، لا تتغير تركيبة نواة الذرة)

*179*

هل تعلم؟

اكتشاف الاشعاع

اكتشف عالم فرنسي اسمه هنري بكريل وبدون قصد سنة 1896 أشعة غير معروفة انبعثت من عينة من مادة أكسيد اليورانيوم. خزن العينة في درج احتوى على ألواح تصوير، واكتشف، لدهشته، أن مركب اليورانيوم تسبب في اسوداد الألواح (كما يحدث أثناء التعريض إلى الضوء) بالرغم من أنها كانت مغلقة بمادة غير شفافة للضوء. استنتج ان المركب يطلق أشعة ما، وافترض أن مصدر الأشعة هو ذات اليورانيوم.

فى اعقاب اكتشاف بكريل بدأ العلماء في البحث عن مصدر الأشعة المنطلقة من المواد المشعة.

عمل إلى جانب بكريل زوجان شابان اسمهما بيير وماري كوري. فحصا عشرات المواد التي احتوت على عناصر مختلفة ليروا إن كانت هي أيضا تطلق أشعة، وحتى أنهم اقترحوا تسمية هذه الظاهرة بالإشعاع (النشاط الإشعاعي). مُنحت في سنة 1903 جائزة نوبل في الفيزياء لهنري بكريل وبير وماري كوري لاكتشافاتهم في موضوع النشاط الإشعاعي. نجحت ماري كوري أن تعزل عنصرين مشعين جديدين: بولونيوم (على اسم مسقط رأسها بولندا) وراديوم (الذي يعنى: مشع)، وفسرت تفسيرا دقيقا تقريبا ظاهرة الإشعاع بالرغم من أنه لم يكن معروفا بعد نموذج الذرة النووية. حصلت ماري كوري سنة 1911 على جائزة نوبل في الكيمياء، وكانت المرأة الأولى التي حصلت على جائزة نوبل في العلوم - حتى اليوم ماري كوري هي العالم الوحيد الذي حصل على جائزتي نوبل في العلوم بمجالين مختلفين.

(في الكتاب صورة لطابع بريدي:

(طابع بريد سويدي صدر سنة 1963 تكريمًا للفائزين بجائزة نوبل الثلاثة: هنري بكريل، كاري كوري وبيير كوري)

الطاقة في العمليات النووية

تغيرات الطاقة في العمليات النووية أكبر بكثير مما هي في العمليات الكيميائية (مثل اشتعال واحتراق وقود متحجر). مثلا، إذا عبأنا لترا واحدا من الوقود في سيارة متوسطة، يمكن أن تسير مسافة 10-15 كم تقريبا. بالمقابل، كمية مساوية من الوقود النووي تطلق طاقة تعادل مليون ضعف، ولذا لو نجحنا في "تعبئة" هذه السيارة بطاقة مستخلصة من كتلة مساوية من الوقود النووي، لكان يكفيها لتدور حول الكرة الأرضية مئات المرات!

من أين تأتي هذه الطاقة الهائلة؟ ولماذا هي كبيرة جدا مقارنة بالطاقة المنطلقة في العملية الكيميائية؟

في العمليات الكيميائية تتحلل وتنتج أربطة كيميائية وتتكون جزيئات جديدة. لتحليل جزيء وإبعاد الذرات التي يتكون منها عن بعضها، يجب بذل طاقة تسمى طاقة الرباط الكيميائي (طاقة كيميائية). في جميع العمليات الكيميائية، قوانين حفظ الطاقة والكتلة قائمة. أي، لا يحدث تغيير في نوى الذرات وفي عددها، بل يتغير ترتيب الذرات والإلكترونات في الجزيئات، ونتيجة لذلك تتغير طاقات الرباط ويحدث استيعاب أو انطلاق طاقة. فمثلا: في عملية احتراق الوقود تتفاعل

*180*

جزيئات الوقود مع جزيئات الأكسجين الذي في الهواء منتحة جزيئات جديدة (ماء وثاني أكسيد الكربون). تنطلق في العملية طاقة (حرارة وطاقة ضوء) - أي تتحول في هذه العملية طاقة كيميائية إلى حرارة وطاقة ضوء.

الطاقة النووية (طاقة الرباط النووي) هي الطاقة المنطلقة أثناء حدوث عمليات نوعية فيها يحدث تغبير في نوى الذرات وعددها. هذه الطاقة أكبر من طاقة الرباط الكيميائي، وذلك لأن مصدرها من القوى النووية التي هي أقوى بكثير من القوى الكهربائية المشاركة في الرباط الكيميائي. لذا في العمليات النووية، مثل الانشطار والاندماج، الطاقة النووية المنطلقة تكون هائلة مقارنة مع تغيرات الطاقة في العمليات الكيميائية.

في المخطط التالي تظهر عمليات تحدث فيها تغيرات بالمادة وبالطاقة.

(في الكتاب رسم بياني، استعن بالمعلم:

عمليات تغير مادة وطاقة تنقسم الى قسمين: عمليات نووية وعمليات كيمائية، العمليات النووية نتقسم الى قسمين: انشطار نووي أو اندماج نووي، العمليات الكيمائية تنقسم الى قسمين: انتاج أربطة كيمائية وكذلك تحليل أربطة كيمائية)

تنطلق من العمليتين النوويتين -الانشطار النووي والاندماج النووي - طاقة بكمية هائلة، وتكون كتلة النواتج أقل من كتلة المواد الأولية.

(في الكتاب رسم: كتلة نواة الهيليوم أصغر من كتلة المواد الأولية لعملية الاندماج)

مثلا: كتلة نواة الهيليوم أقل من كتلة البروتونين والنيوترونين اللذين نتج منهما الهيليوم بعملية اندماج نووي.

(في الكتاب صورة: كتلة نواة اليورانيوم اكبر من كتلة نواتج عملية الانشطار(

حالة مشابهة تحصل أيضا من انشطار نووي لليورانيوم: كتلة نواة اليورانيوم أكبر من كتلة نواتي الذرتين الأخف الناتجتين عن هذه العملية.

*181*

إلى أين اختفت الكتلة الناقصة في عمليات الانشطار والاندماج النووية؟ هل قانون حفظ الكتلة لا يسري على هذه العمليات؟

من نجح في تفسير هذا كان ألبرت اينشتاين. أدرك آينشتاين أن هناك علاقة بين الكتلة الناقصة والطاقة المنطلقة من عمليتي الاندماج والانشطار النوويتين. صاغ قانون حفظ جديد: قانون حفظ الكتلة - الطاقة الذي يشكل بديلا لقانون حفظ الكتلة وقانون حفظ الطاقة كما نعرفهما. بناء على هذا القانون، الكمية الإجمالية للكتلة والطاقة محفوظة في العمليات النووية.

هل تعلم؟

الطاقة/الكتلة

كانت النظرية النسبية الخاصة لألبرت آينشتاين إحدى الثورات العلمية التي حدثت في القرن ال 20، وكان قانون حفظ الكتلة - الطاقة أحد المبادئ الهامة فيها. حسب هذه النظرية، في العمليات التي يحدث فيها تغير كتلة يحدث تغير طاقة أيضا. اقترح أينشتاين إحدى المعادلات المشهورة في العلم، والتي بموجبها يمكن حساب كمية الطاقة المنطلقة عند نقص الكتلة.

نرمز بالحرف E لكمية الطاقة المنطلقة من العملية (جول)، وبالحرف m للكتلة الناقصة (كغم) وبالحرف c لسرعة الضوء (3

*10*

^8 متر في الثانية) المعادلة التي تصف العلاقة بين الرموز الثلاثة هي:

E=m*c^2

*182*

فيما يلي جدول وفيه معطيات عن كمية الطاقة المنطلقة من حوق وقود متحجر (عملية كيميائية) مقارنة بالطاقة المنطلقة من تفاعل نووي. ما يمكن رؤيته في الجدول، أته يمكن استخلاص طاقة أكثر في العملية النووية مما نستخلصه من حوق وقود متحجر.

(جدول مكون من خمسة اسطر ثلاثة اعمدة:)

(في الكتاب صورة: كمية قليلة من الوقود النووي - يورانيوم)

أسئلة:

1. استعينوا بجدول المقارنة بين مواد الوقود، واحسبوا بكم ضعف تكبر كمية الطاقة الحاصلة من 1 غرام يورانيوم مقارنة بحرق 1 غرام من (أ) فحلم؛ (ب) نفط؛ (ج) غاز طبيعي.

2. انسخوا الجدول التالي إلى الدفتر، اكتبوا له عنوانا، وقارنوا بين التفاعلات الكيميائية والتفاعلات النووية.

(في الكتاب جدول مكون من 7 صفوف و - 3 أعمدة)

- التفاعلات النووية هي تفاعلات يحدث خلالها تغير في مبنى نواة الذرة وتنطلق طاقة نووية هائلة.

- عملية الانشطار النووي تنشطر نوى ذرات ثقيلة وتنتج قوى ذات كتلة أصغر.

- في عملية الاندماج النووي تندمج ذرات خفيفة وتنتج نواة ذرة ذات كتلة أكبر. تحدث هذه العملية بصورة طبيعية في قلب (مركز) الشمس والنجوم.

*183*

أنظمة لتحويل الطاقة النووية

يمكن استغلال الطاقة النووية بصورة مراقبة في المفاعلات النووية لتوليد الكهرباء. يجري في التفاعلات النووية انشطار نووي بصورة اصطناعية ومراقبة. تشغل أكثر من 50 دولة في العالم مفاعلات نووية لحاجات مختلفة. تشير التوقعات إلى أنه حتى سنة 2040 سيرتفع استهلاك الطاقة النووية في العالم بوتيرة %2.5 في السنة، وفي نهاية الأمر ستتضاعف خلال هذه السنوات. الأسباب الرئيسة لاستخدام التفاعلات النووية لتوليد الكهرباء هي: الحاجة إلى تقليس ملحوظ بالملوثات المنبعثة إلى الغلاف الجوي من محطات توليد تعتمد على وقود متحجرات، تضاؤل مصادر وقود المتحجرات، والرغبة في التحرر من الاعتماد على الدول المسيطرة على هذه المصادر من الطاقة.

هناك أنواع مختلفة من التفاعلات النووية التي تختلف عن بعضها في التكنولوجيا، مادة الوقود واستعمالاتها. توجد مفاعلات نووية لتوليد الكهرباء وأخرى لإنتاج مواد مشعة. تستغل نواتج الانشطار الإشعاعية في مجالات مختلفة مثل البحث، الصناعة، الزراعة والطب. يمكن استغلال قسم من نواتج الانشطار في إنتاج سلاح نووي أيضا.

كيف يعمل المفاعل النووي لتوليد كهرباء؟

تولد محطة التوليد النووية الكهرباء بعملية انشطار نودي مراقب تسمى تفاعلًا متسلسلا مراقبا.

(في الكتاب رسم للمفاعل النووي)

*184*

قلب المفاعل - هنا تبدأ العملية. توجد في قلب التفاعل قضبان يورانيوم مخصب، نواته قابلة للانشطار. تنطلق من انشطار اليورانيوم حرارة كبيرة أينا تسخن الماء الملامس لقضبان اليورانيوم. يندفق الماء في أنبوب يتلامس مع صهريج ماء كبير.

قضبان مراقبة - قضبان (مصنوعة من غرافيت) تسمح بالتحكم بوتيرة التفاعل التسلسلي النووي ومنع انطلاق حرارة أكثر مما ينبغي.

توربينة - يسخن الماء في الصهريج الكبير ويتحول إلى بخار يشغل التوربينة.

مولد تيار (جنراتور) - تشغل التوربينة الدوارة مولد التيار الذي ينتج كهرباء.

سؤال

فيما يلي أقوال تتطرق إلى محطة توليد تعتمد على وقود نووي. أي منها صحيح؟

أ. كمية مادة الوقود صغيرة مقارنة بكمية مادة الوقود في محطة التوليد التي تعمل بواسطة وقود متحجر.

ب. مصدر الطاقة المنطلقة هو بعملية كيميائية.

ج. يجري إنتاج الكهرباء بمولدات (جنراتورات) تشعلها توربينة.

د. ينتج البخار الذي يحرك التوربينة من تسخين ماء بعملية احتراق.

فعالية

مهمة معلوماتية تعاونية

إنشاء محطة توليد نووية

قرر وزير الطاقة في دولة معينة بناء محتلة توليد نووية تنتج 3،000 ميغاواط كهرباء في السنة (مثل كمية الكهرباء المنتجة في محطة التوليد في الخضيرة تقريبا)

هدف الفعالية: تحضير برنامج إعلامي لوزير الطاقة يتطرق إلى جوانب مختلفة: إلى حسنات ومشكلات توليد الكهرباء بواسطة محطة توليد نووية.

مجرى الفعالية:

أ. تورعوا إلى مجموعات. كل مجموعة تجمع معلومات عن 2-3 من المواضيع المطروحة وتجري مقارنة بين محطة نووية ومحطة فحمية تولد نقس كمية الكهرباء.

اعتمدوا على مصادر معلومات موثوقة فقط، لاسيما تلك المعتمدة على معطيات علمية.

- حسنات محطة توليد فحمية / نووية.

- سيئات محطة توليد فحمية / نووية.

- تكاليف إنشاء محطة التوليد.

- توافر مصادر الطاقة (يورانيوم في الطبيعة، فحم وما شابه).

- تكاليف نقل واستخراج المواد الخام.

(في الكتاب صورة: علامة متفق عليها للنشاط الإشعاعي)

*185*

- "عمر" محطة التوليد (الفترة البي تعمل بها في توليد الكهرباء).

- المساحة المطلوبة لإقامة المحطة

- اعتبارات السلامة والصحة.

- اعتبارات جيولوجية زلزالية (مثل زلازل وأمواج تسونامي).

- نوع النفايات، كمياتها ووسائل معالجتها.

- مدى خطر وقوع حادثة، فشل في جهاز المراقبة، تسرب مادة مشعة وغيرها، وإمكانية معالجة هذه الحالات.

ب. تعرض كل مجموعة أمام الصف الاستنتاجات التي جمعتها وتقترح برنامجا إرشاديا يعتمد على المعلومات التي تخص المواضيع التي فحصتها.

إجمال الفعالية:

1. صفوا المصاعب التي برزت عند تنفيذ المهمة وكيف تغلبتم عليها.

2. لحصوا الاعتبارات المؤيدة والمعارضة لإقامة محطة توليد نووية اعتمادا على المعلومات التي عرضتها جميع المجموعات.

3. أجروا تصويتا في الصف وافحصوا كم تلميذا يؤيد إقامة محتلة توليد نووية وكم تلميذا يعارضها.

4. هل تغير موقفكم من موضوع استعمال الطاقة النووية من أجل توليد الكهرباء في أعقاب دراسة الموضوع؟ عللوا.

هل تعلم؟

السلاح النووي - القنبلة الذرية

مع اكتشاف عملية الانشطار النووي، أدرك العلماء، أنه يمكن استغلال الطاقة الهائلة المنطلقة من هذه العملية لتطوير قنابل شديدة القوة. وفعلا، قبل إنشاء مفاعلات نووية لتوليد الكهرباء، استغلت الطاقة النووية لأغراض حربية. ففي الحرب العالمية الثانية خشيت الولايات المتحدة من أن تسبقها ألمانيا النازية بإنتاج قنبلة نووية، وتستخدمها أثناء الحرب. كانت خشية الولايات المتحدة تستند إلى حقيقة أن الانشطار النووي لأول مرة جرى سنة 1939 في ألمانيا. لذا قرر الأمريكان أن يستثمروا أموالا طائلة في برنامج يدعى "مشروع مانهاتن"، ونجحوا في إنتاج قنابل نووية ألقيت على مدينتي هيروشيما وناغازاكي اليابانيتين وأدت إلى إنهاء الحرب.

خشي ألبرت آينشتاين، العالم الكبير، كثيرا من تداعيات إنتاج قنابل نووية وكتب (بترجمة حرة لأقواله): "اكتشاف تفاعلات متسلسلة نووية يجب أن لا يؤدي إلى تدمير البشرية، كما لم يؤد اكتشاف عيدان الثقاب إلى ذلك. علينا أن نعمل كل ما بوسعنا لمنع الاستغلال السيء لهذه الطاقة".

*186*

توسع

الصحة وطلقة النشاط الاشعاعي

يشمل النشاط الإشعاعي أنواعا مختلفة من الاشعة المختلفة عن بعضها بقدرتها على اختراق مواد مختلفة. يوضح الرسم التوضيحي التالي قدرة الاختراق لأنواع الأشعة المختلفة.

(في الكتاب رسم: مدى اختراق الإشعاع، استعن بالمعلم)

عندها تصيب الاشعة الخلايا الحية فقد تسبب ضررا خطيرًا نتيجة تغيير تركيبة ومبنى المواد التي تبنى الخلية: حروق في الجلد) تدمير خلايا وحثى إصابة ال DNA.

يمكن استعمال نظائر مشعة بجرعات منخفضة لأغراض طبية مثل تشخيص أورام سرطانية او علاجات إشعاع تدمر خلايا سرطانية.

في الحالتين، العلاج والتشخيص، من المهم اختيار حادة مشعة يفرزها الجسم بسرعة بعمليات أيضية، أو مادة تتلاشى بسرعة، أي يتحلل خلال فترة زمنية قصيرة وتتحول إلى عنصر غير مشع ولا يشكل خطرا.

استعمال مهم آخر للنظائر المشعة هو لقياس الزمن: تعيين عمر صخور او مكتشفات أثرية مختلفة بقياس كمية النظائر المشعة الموجودة فيها.

(في الكتاب صورة:

جهاز تصوير مقطعي محوسب (CT) للتشخيص الطبي. يجري الجهاز مسحا للأعضاء، يفحص حجمها وشكلها ويكتشف وجود اورام مختلفة. خلال الفحص تحقن مادة نحتوي على نظير مشع يتجمع في العضو المفحوص. بواسطة الأشعة المنطلقة من المادة المشعة يمكن تحديد مكان الأورام.)

(في الكتاب صورة:

عداد غايغر يقيس النشاط الاشعاعي المنبعث من مواد مختلفة)

وسائل وقاية من النشاط الإشعاعي

يجب الحرص على المحافظة على مسافة ملائمة من مصدر الأشعة، وكذلك على إغلاق تام لمنع التسرب. نفاذية النشاط الإشعاعي محدودة ولذا يمكن منعه بواسطة مواد ملائمة: يمكن منع أشعة ألفا وبيتا بواسطة طبقة دقيقة من الألومينيوم أو البلاستيك، أما أشعة ألفا فيمكن منعها بواسطة استعمال رصاص، باطلون، ماء وغيرها.

*187*

إجمال

- العمليات النووية هي عمليات يتغير خلالها مبنى نواة الذرة.

- التحلل الإشعاعي هو عملية نووية تحدث في الطبيعة بصورة تلقائية، وتنطلق خلاله أشعة.

- خلال الانشطار النووي تنشطر نوى ذرات ثقيلة إلى نوى ذات كتلة أصغر، وتنطلق خلاله طاقة نووية كثيرة.

- خلال الاندماج النووي تندمج نوى ذرات خفيفة وتنتج نواة ذرة ذات كتلة أكبر. تنطلق من هذه العملية طاقة نووية هائلة.

-تحدث عمليات اندماج نووية بصورة طبيعية في قلب (مركز) الشمس والنجوم حيث درجات الحرارة عالية جدا تصل لملايين الدرجات المئوية.

- يحدث في المفاعل النووي لتوليد الكهرباء انشطار مراقب لليورانيوم. وتنطلق خلال التفاعل المتسلسل المراقب طاقة كثيرة تتحول إلى طاقة كهربائية، وتنطلق أشعة خطرة للبيئة.

أسئلة

1. يعرض الجدول التالي معطيات حول توليد الكهرباء في التفاعلات النووية في عدد من دول العالم سنة 2013. استعينوا بمعطيات الجدول وأجيبوا عن الأسئلة التي تليه.

(في الكتاب جدول مكون من 6 أعمدة و - 15 صفوف)

*188*

أ. أي دولة تولد أكبر كمية من الكهرباء من الطاقة النووية وأيضا أصغر كمية؟

ب. في أي دولة النسبة المئوية الأعلى لتوليد الكهرباء من الطاقة النووية؟

ج. في أي دولة ينشأ حاليا أكبر عدد من المفاعلات النووية؟ لماذا حسب رأيكم؟

2. قال ألبرت آينشتاين: "لا أدري بأي سلاح سيحاربون في الحرب العالمية الثالثة، ولكنهم سيحاربون في الحرب العالمية الرابعة بالعصي والحجارة". ناقشوا في الصف دلالة هذا القول.

3. اذكروا حسنتين وسيئتين لتوليد الطاقة الكهربائية بالمفاعلات النووية.

4. ما هي وظيفة قضبان الغرافيت في قلب المفاعل النووي؟

5. مصدر الطاقة المنطلقة من الشمس هو:

أ. وقود متحجرات.

ب. نيوترونات.

ج. انشطار نوى يورانيوم.

د. اندماج نوى هيدروجين مكونة نوى هيليوم.

6. أي من الأقوال التالية صحيح؟

أ. ما يثبت البروتونات والنيوترونات في النواة قوة نووية أقوى من التنافر الكهربائي بين البروتونات.

ب. العملية النووية هي عملية تتغير فيها تركيبة النواة.

ج. يرافق العمليات النووية انطلاق طاقة كثيرة.

د. تنطلق من التفاعل الكيميائي طاقة أكثر مما في التفاعل النووي.

7. أمامكم 4 جمل تتناول الانشطار النووي. أي من الجمل صحيحة؟

أ. تحدث العملية في الشمس والنجوم الأخرى فقط.

ب. تنطلق أثناء الانشطار طاقة كثيرة وأشعة.

ج. تتحلل في العملية جزيئات إلى ذرات منفردة.

د. ترتبط في العملية نواتان خفيفتان لتكوين نواة ثقيلة.

8. لو كان بالإمكان إجراء اندماج نووي بصورة مراقبة، هل حسب رأيكم يمكن اعتبار هذه العملية مصدر طاقة متجددة؟ عللوا.

9. استعينوا بالجدول الدوري وأجيبوا عن الأسئلة:

أ. نظير أميريسيوم 241 (Am) الموجود في كاشف الدخان غير مستقر. خلال تحلل إشعاعي يطلق أشعة ألفا. ذرة أي عنصر تنتج؟ ما هو عددها الذري وما هو عدد كتلتها؟

ب. نواة ذرة البوتاسيوم 40 (K) غير مستقرة. تتحلل إشعاعيا وتنطلق خلاله أشعة بيتا. ذرة أي عنصر تنتج؟ ما هو عددها الذري وما هو عدد كتلتها؟

*189*

مشروع إجمال للكتاب: زيادة النجاعة في الطاقة

تعلمتم في هذا الكتاب عن نواح مختلفة فيزيائية وتكنولوجيه للطاقة: أنواع الطاقة، تحولات الطاقة، وطرق لحساب الطاقة وحفظ الطاقة.

كما تناولتم أنظمة تكنولوجية مختلفة تستغل الطاقة لفائدة الإنسان.

سوف تحضرون، في هذه المهنة الختامية، برنامجا لزيادة النجاعة في الطاقة في مدرستكم.

فعالية إجمالية - مهمة تعاونية

برنامج لزيادة نجاعة الطاقة في المدرسة

يتعلق كل مجال من مجالات حياتنا تقريبا بتزويد طاقة، وخاصة الطاقة الكهربائية: نضيء البيئة. نكيف الغرف، نشغل أجهزة كثيرة، ونستخدم وسائل اتصالات مثل حواسيب، تلفزيون وهواتف خلوية. لكن لاستخدام الكهرباء ثمنا بيئيا!

- انطلاق غازات وجسيمات تلوث البيئة وتؤذى صحتنا.

- انطلاق غازات دفيئة تسبب تغييرات مناخية وأحداث أحوال طقس متطرفة (فيضانات، حرائق، أعاصير، محل وما شابه).

- زيادة وتيرة تآكل موارد طبيعية هامة.

يلزمنا الثمن البيئي لاستخدام الكهرباء أن نستهلك الطاقة بحكمة ونجاعة. إحدى الطرق لتقليل استهلاك الطاقة، وبالأساس، استهلاك الكهرباء، دون المس بمستوى الحياة هي زيادة نجاعة الطاقة. بهذه الطريقة يمكن أن نحصل على جميع الخدمات الحيوية وتلبية جميع الحاجات الضرورية من خلال استعمال كنيات طاقة صغيرة قدر الإمكان.

*190*

يعمل مهندسون، علماء ومصممون معماريون في جميع أنحاء العالم على إيجاد حلول تكنولوجية تقلل بصورة ملحوظة من استهلاك الطاقة. ونحن أيضا، وليس خبراء مختلفون فقط، يمكننا العمل على استغلال حكيم لموارد الطاقة، وحتى بوسائل بسيطة مثل منع التبذير وتغييرات طفيفة في سلوكنا.

هل يمكنكم أن تكونوا سفراء طاقة وتزيدوا من نجاعة الطاقة في مدرستكم؟

هدف الفعالية

تحضير برنامج لزيادة نجاعة الطاقة في المدرسة.

يشمل البرنامج استطلاعا حول استهلاك الكهرباء في المدرسة، تحديد حالات الاستغلال غير الناجع للكهرباء، واقتراحات لتغيير سلوكيات واستعمال حلول تكنولوجية بغية تحسين طرق استعمال الطاقة في المدرسة. يتم تنفيذ الاقتراحات الملائمة عمليا، ويفحص تأثيرها على استهلاك الكهرباء في المدرسة.

مجرى الفعالية

مرحلة 1: مناقشة في الصف

ناقشوا العوامل التي قد تسبب استهلاكا غير ناجع للطاقة في مدرستكم واقترحوا أفكارا لأعمال تحسن الوضع. تطرقوا إلى أكثر قدر من العوامل، مثل الأجهزة والمعدات الموجودة في المدرسة، أساليب استخدامها وصيانتها، ألوان الجدران الخارجية وسطح المدرسة، وسائل الإغلاق المحكم والتظليل وما شابه.

مرحلة 2: فحص مسبق وإجراء استطلاع

أ. سجلوا استهلاك الكهرباء في المدرسة، كما يظهر في عداد الكهرباء أو في حساب الكهرباء.

ب. خططوا استطلاعا بين المعلمين، التلاميذ والطاقم الفني بخصوص عادات سلوكية تؤثر على استهلاك الكهرباء في المدرسة.

صوغوا، لأجل ذلك، أسئلة تساعدكم على الحصول على معلومات حول ما يحدث في المدرسة، مثل مسح عادات إطفاء أجهزة كهربائية مختلفة (إضاءة، مكيفات، حواسيب وما شابه) عند مغادرة الصفوف، إغلاق نوافذ وأبواب أثناء تشغيل المكيفات في الصفوف، الشعور في الصفوف (حار أو بارد أكثر من اللازم) وما شابه. اطلبوا من المشاركين في الاستطلاع أن يذكروا مشاكل حسب رأيه، يجب حلها في هذا الموضوع في المدرسة أو نقاطا من المهم تحسينها.

ج. أعدوا خطة عمل ملائمة وجدولا زمنيا لتنفيذ الاستطلاع في مدرستكم.

مثلا: يمكنكم أن تتوزعوا إلى طواقم، يكون كل طاقم مسؤولا عن تنفيذ الاستطلاع لدى مجموعة معينة من أصحاب الوظائف في المدرسة.

د. نفذوا الاستطلاع ولخصوا نتائجه.

*191*

مرحلة 3 صياغة اقتراحات لزيادة نجاعة الطاقة

توزعوا إلى مجموعات. تعتمد كل مجموعة على أفكار طرحت في النقاش وعلى نتائج الاستطلاع، تجمع معلومات حول موضوع يتحدد مسبقًا، تقدم اقتراحات لزيادة النجاعة في الطاقة في الموضوع الذي تعتني به وتقترح طريقة ملائمة لفحص اقتراحاتها.

لخصوا المعلومات التي تجدونها بواسطة رسوم بيانية، جداول أو أي طريقة ملائم؛ لعرضها في تلخيص الفعالية. يمكن اختيار موضوع من القائمة التالية أو أي موضوع آخر يتعلق بوضع استهلاك الكهرباء في مدرستكم.

- إضاءة

على أعضاء هذه المجموعة أن يفحصوا كمية وأنواع المصابيح وأجسام الإضاءة في الصفوف، أروقة المدرسة، وفي أماكن أخرى مثل قاعة الرياضة، غرف الورشات، المكتبة وساحة المدرسة.

ابحثوا عن معلومات حول تكلفة، قدرة وكفاءة المصابيح الحالية ومصابيح موفرة أخرى، واحسبوا التوفير في الطاقة (بالكيلوواط - ساعة) والتوفير المالي الذي يمكن أن نجنيه من تبديل وسائل الإضاءة في المدرسة. استعينوا بما تعلمتموه حول القدرة والكفاءة في فصل الطاقة الكهربائية والحسابات التي أجريتموها هناك.

- نوافذ وأبواب

على أعضاء هذه المجموعة أن يقيسوا درجة الحرارة في الخارج وأن يفحصوا مدى الإغلاق المحكم للنوافذ والأبواب في الصفوف والغرف الأخرى التي يبرد أو يسخن فيها الهواء خلال السنة الدراسية. ابحثوا عن معلومات حول نوع زجاج النوافذ (زجاج عاكس يعكس أغلب الضوء الساقط عليه، زجاج شفاف "عادي" وما شابه) وحول مدى تأثير درجة الحرارة على الإضاءة في الغرفة. احسبوا التوفير في الطاقة التي يمكن أن نجنيها من تبديل زجاج النوافذ.

- تكييف الهواء

على أعضاء هذه المجموعة أن يحصلوا على تفاصيل حول عمر أجهزة التكييف (تبريد أو تسخين) وحول جودتها، والاستفسار حول طريقة صيانتها والعناية بها (مثل تنظيف المرشحات (الفلاتر) بصورة دورية وتعيير الثيرموستات). يجب الاستفسار إن كان في المدرسة جهاز لتنظيم درجة الحرارة (جهاز مركزي أو لكل مكيف على انفراد)، قياس درجة الحرارة في الصفوف أثناء تشغيل التكييف وأثناء تعطيله، ومقارنتها بدرجة الثيرموستات الثابتة في المكيف. يجب الانتباه إلى اتجاه أباجورات المكيف، التي يجري منها الهواء البارد أو الحار إلى الغرفة.

ابحثوا عن معلومات حول العلاقة بين درجة حرارة الغرفة واستهلاك المكيف للكهرباء، واحسبوا التوفير في الطاقة الذي يمكن أن نحققه من اختيار درجة حرارة مريحة في الغرفة (ليست منخفضة جدا في الصيف ولا مرتفعة جدا في الشتاء).

- مميزات البناء

على أعضاء هذه المجموعة أن يجمعوا معلومات حول بناء المدرسة، مثل دهان الجدران الخارجية، مبنى السطح ونوع تغطيته (السطح مستو أم مائل، مغطى بالقرميد أم بطبقة باطون، لونه وما شابه)، وأن يفحصوا إذا كانت هناك وسائل تظليل للجدران أو على النوافذ (لاسيما في الجهات المكشوفة للشمس). استعينوا بالفعالية في الصفحة التالية وابحثوا في الشبكة عن معلومات تتيح حساب التوفير في الطاقة الذي يمكن أن نحققه من وسائل التظليل أو وسائل بناء أخرى. إذا كانت مدرستكم تحمل علامة خضراء من معهد المواصفات، اذكروا المميزات التي تزيد من نجاعة الطاقة فيها.

*192*

فعالية - إلى الشبكة

تخطيط منزل موفر للطاقة

زوروا موقع الإنترنت الحقيبة الرقمية للمرحلة الإعدادية - علوم وتكنولوجيا واختاروا مجال الكيمياء. ادخلوا موضوع المواد - صفاتها واستعمالاتها.

واختاروا الوحدة التعليمية تخطيط مسكن موفر للطاقة.

(في الكتاب صورة من العملية في الحاسوب - تخطيط مسكون موفر للطاقة)

يمكنكم أن تفحصوا في هذه المحاكاة تأثير عوامل مختلفة على نجاعة الطاقة في البيت.

العوامل التي يمكنكم فحص تأثيرها:

- مواد البناء وعزل الجدران.

- اللون ومواد العزل على السطح.

- مواد أطر النوافذ ونوع الزجاج.

- حجم النوافذ.

- الفرق بين درجة حرارة البيئة وبين درجة الحرارة داخل البيت (في المحاكاة درجة الحرارة داخل البيت ثابتة 23 درجة مئوية).

انتبهوا إلى الساعة في المحاكاة. إنها تبين وتيرة فقدان حرارة البيت. كلما كانت هذه الوتيرة أعلى، زاد استهلاك الطاقة، وانخفضت نجاعة طاقة البيت وارتفع حساب الكهرباء.

استعينوا بالمحاكاة في اختيار العوامل التي تفحصونها في إطار مشروع زيادة نجاعة الطاقة في مدرستكم.

- نظام إطفاء الإضاءة والأجهزة الكهربائية

على أعضاء هذه المجموعة أن يفحصوا إذا كانت أنظمة (تعليمات) إطفاء الإضاءة والأجهزة الكهربائية في المدرسة ملائمة لشدة الإضاءة في الخارج ولساعات النشاط في المدرسة. مثلا: فحص في أي حالات تضاء الأضواء في المدرسة، هل يوجد في الغرف كاشفات إضاءة وكمية أو مفاتيح تطفئ الإضاءة أوتوماتيكي (أو الأجهزة الكهربائية الأخرى)، ماذا يرى أول من يدخل الغرفة في الصباح (الصفوف، المختبرات، قاعة الرياضة وما شابه)، وماذا يترك آخر من يغادرها في نهاية اليوم الدراسي. افحصوا واحسبوا استهلاك الكهرباء بوسائل الإضاءة المركبة في الصفوف خلال يوم كامل واحد، واحسبوا توفير الطاقة (كيلوواط - ساعة والتوفير المالي نتيجة إطفاء الأضواء في الصفوف لمدة محددة (مثلا ساعة واحدة في كل يوم).

(في الكتاب صورة: من المهم إطفاء المكيف عند الخروج من الغرفة)

*193*

- خلايا شمسية

على أعضاء هذه المجموعة أن يفحصوا إذا كانت في المدرسة خلايا شمسية (خلايا فوتوفولتائية) والاستفسار عن أي نسبة مئوية من استهلاك الكهرباء بإمكان هذه الخلايا أن توفرها. إذا لم تكن في المدرسة مثل هذه الخلايا، استفسروا إذا توفر مكان ومساحة يسمحان بتركيبها (مثلا على السطح). ابحثوا عن معلومات تسمح بالنظر إلى جدوى تركيب خلايا شمسية كهذه (لإضاءة المدرسة وتكييفها) على ضوء توفير الطاقة الذي يمكن أن نحققه بواسطتها.

(في الكتاب صورة: تركيب خلايا شمسية على السطح(

مرحلة 4: فحص اقتراحات زيادة النجاعة في الطاقة

تعرض كل مجموعة اقتراحاتها لزيادة نجاعة الطاقة وتعللها بمساعدة مصطلحات تعلموها هذه السنة، مثل انتقالات الطاقة، تحولات الطاقة، القدرة، الكفاءة وما شابه. كل مجموعة تقترح الطريقة المناسبة لفحص اقتراحاتها.

مثلا: يمكن مقارنة درجات الحرارة في صفوف مكيفة عندما تكون الأبواب والنوافذ مفتوحة وعندما تكون مغلقة، يمكن الحرص على إطفاء الأضواء والأجهزة الكهربائية في جميع الأماكن غير الفعالة في تلك الساعة أو أثناء توفر إضاءة طبيعية قوية كافية، ورؤية تأثير هذا العمل على استهلاك الكهرباء في المدرسة، يمكن المقارنة بين تأثير المكيف على درجة الحرارة في الصف وتأثير مروحة وما شابه.

اختاروا اقتراحا واحدا أو أكثر وافحصوه في المدرسة. إذا لزم الاقتراح العمل في كل أنحاء المدرسة، حضروا حملة إرشاد: أوراق عمل توزعونها في المدرسة تقنعون بواسطتها الجميع بالتعاون مع الفحوص التي اخترتم إجراءها.

سجلوا استهلاك الكهرباء في المدرسة قبل تنفيذ المشروع، خلاله وفي نهايته. لخصوا نتائج الفحوص التي أجريتموها برسوم بيانية، جداول أو أي طريقة ملائمة لعرضها في إجمال الفعالية.

(في الكتاب صورة لعدد كهرباء)

مرحلة 5: إجمال الفعالية

أعدوا ناتجا مشتركا تعرضون فيه المعلومات التي جمعتموها ونتائج الحسابات التي أجريتموها والفحوص التي نفذتموها. قد يكون هذا بواسطة فيلم توثقون فيه جميع مراحل الفعالية، مقال في صحيفة أو في موقع المدرسة على الإنترنت، لافتة وفيها "ميثاق السلوك" لإدارة موفرة للكهرباء في المدرسة وما شابه.

*194*

قاموس مصطلحات:

إشعاعية - انطلاق تلقائي لأشعة إلكترومغناطيسية أو جسيمات من نوى ذرات معينة.

أشعة - إحدى الطرق التي تمر بها الطاقة من مكان إلى آخر.

أشعة ألفا - إطلاق جسيمات ألفا (بروتونين ونيوترونين) من النواة. لأشعة ألفا شحنة كهربائية موجبة.

أشعة بيتا - إطلاق جسيمات بيتا (إلكترونات) من النواة. لأشعة بيتا شحنة كهربائية سالبة.

أشعة غاما - أشعة إلكترومغناطيسية، تنطلق عادة مع أشعة الفا أو بيتا نتيجة التحلل الإشعاعي. أشعة غاما عديمة الشحنة الكهربائية.

امتصاص ضوء - استيعاب أشعة ضوء في مادة.

اندماج نووي - عملية تندمج فيها نواة ذرة مع نواة أخرى مكونة نواة أثقل.

انشطار نووي - عملية تنشطر (تنشق) فيها نواة الذرة إلى نوى أخف.

انعكاس ضوء - تغيير باتجاه انتشار الضوء أثناء اصطدامه بسطح ما ورجوعه منه إلى البيئة.

انكسار الضوء - تغيير باتجاه انتشار الضوء عندما ينتقل من وسط شفاف واحد إلى وسط شفاف آخر. يحدث هذا التغيير في السطح الذي يفصل بين الوسطين.

تحلل إشعاعي - عملية نووية تتحلل فيها نواة الذرة بصورة تلقائية وتتحول إلى ذرة عنصر أخر. تنطلق من التحلل الإشعاعي أشعة من أنواع مختلفة.

تردد - عدد الأمواج (النبضات) الناتجة في كل ثانية.

تشتت الضوء - فصل الضوء الأبيض إلى مكوناته نتيجة انكسار الضوء وتغيير اتجاه تقدمه، عندما يمر من وسط مصنوع من مادة شفافة واحدة إلى وسط مصنوع من مادة شفافة أخرى.

جسم شفاف - جسم يسمح للضوء بأن ينفذ عبره.

جسم غير شفاف - جسم لا يسمح للضوء بأن ينفذ عبره.

جهد كهربائي - مقدار يعبر عن الشدة التي يدفع بها المصدر الكهربائي (مزود الجهد) الإلكترونات الحرة في الموصلات المكونة للدائرة.

حرارة - الطاقة التي تنتقل من جسم درجة حرارته مرتفعة إلى جسم درجة حرارته أقل ارتفاعا.

حرارة الانصهار - كمية الحرارة المشاركة بتغيير حالة المادة من صلبة إلى سائلة أو من سائلة إلى صلبة.

حرارة الغليان - كمية الحرارة المشاركة بتغيير حالة المادة من سائلة إلى غازية أومن غازية إلى سائلة.

حرارة كامنة - كمية الطاقة المنطلقة أو المستوعبة عندما يتحول 1 كغم من مادة من حالة إلى أخرى.

حرارة نوعية - كمية الحرارة المطلوبة لتغيير درجة حرارة 1 كغم من مادة درجة مئوية واحدة.

دائرة على التوازي - دائرة فيها مسار رئيس مرتبط بمصدر كهرباء ويتفرع من هذا المسار مسارات فرعية في كل واحد منها مكون كهربائي واحد على الأقل.

دائرة على التوالي - دائرة تتصل مكوناتها الكهربائية بصورة متسلسلة، الواحد تلو الآخر، وتشكل مسارا واحدا لمرور التيار الكهربائي.

درجة حرارة - مقياس لمتوسط طاقة حركة الجزيئات في مادة.

زمن رد الفعل - الزمن الذي يمر من لحظة تمييز الحاجة إلى التوقف وحتى بداية الفرملة.

سرعة الموجة - المسافة التي تقطعها موجة وحيدة (نبضة) خلال ثانية واحدة، وتتعلق سرعتها بالوسط الذي تتقدم فيه.

شدة التيار الكهربائي - كمية الشحنة الكهربائية التي تمر عبر المقطع العرضي للموصل في كل ثانية.

شعاع ضوء - خط مستقيم خيالي يصف اتجاه انتشار الضوء في الحيز. أشعة الضوء غير موجودة في الواقع ولا يمكن رؤيتها. إنها مخصصة للتوضيح فقط بواسطة التمثيل المرئي (رسم سهم) لاتجاه انتشار الضوء.

صورة ظلية - منطقة داكنة تنشأ على سطح ما عند وجود جسم غير شفاف بين مصدر الضوء وبين السطح.

طاقة ارتفاع - طاقة الأجسام المرفوعة عن مستوى ما (مستوى مرجعي).

طاقة حركة - هي طاقة الأجسام المتحركة.

طاقة كهربائية - طاقة الجسيمات ذات الشحنة الكهربائية (مثل إلكترونات) المتحركة بحركة موجهة (باتجاه معين) في دائرة كهربائية مغلقة.

طاقة ميكانيكية - مجموع طاقة الارتفاع وطاقة الحركة لجسم ما.

طاقة نووية - الطاقة المنطلقة عند حدوث عمليات نووية يتغير فيها مبنى نوى الذرات.

طول الموجة - المسافة بين نقطتين متماثلتين في موجتين (نبضات) متتاليتين في موجة دورية.

طيف الضوء المرئي - سلسلة من الألوان الناتجة عن تشتت الضوء الأبيض.

طيف إلكترومغناطيسي - جميع أنواع الأشعة الإلكترومغناطيسية التي يشملها مجال أطوال الأمواج الإلكترومغناطيسية المنبعثة من الشمس.

ظل - منطقة في الحيز يختفي فيها مصدر الضوء، ولذا تكون معتمه أكثر مما حولها.

عدد الكتلة - مجموع عدد البروتونات وعدد النيوترونات في نواة الذرة.

عدد ذري - عدد البروتونات في نواة الذرة (مماثل لعدد الإلكترونات في ذرة متعادلة).

عنصر ثقيل - ذرة تتركب نواتها من عدد كبير من البروتونات والنيوترونات.

قدرة كهربائية - كمية الطاقة الكهربائية المتحولة في جهاز ما في كل ثانية.

كفاءة - مقدار يعبر عن مدى نجاعة جهاز كهربائي باستخلاص أنواع الطاقة المطلوبة.

مسافة التوقف - المسافة التي تقطعها سيارة منذ لحظة تمييز السائق أو السائقة بالحاجة إلى التوقف وحتى التوقف التام. وهذه المسافة تساوي مجموع مسافة رد الفعل ومسافة الفرملة.

مسافة رد الفعل - المسافة التي تقطعها السيارة أثناء رد الفعل.

مسافة فرملة - المسافة التي تقطعها سيارة منذ بداية فرملة طوارئ وحتى التوقف التام.

مستوى مرجعي - السطح المستوي الذي بالنسبة إليه يقاس الارتفاع عند حساب طاقة الارتفاع.

مقاوم - مكون كهربائي يقاوم مرور التيار عبره يتكون المقاوم من مواد موصلة معينة (مثل الفلزات).

مقاومة كهربائية - صفة مقاوم أو أي مكون كهربائي آخر يمثل مدى المقاومة لمرور تيار كهربائي عن طريقه.

موجة دورية - تنشأ عند إنتاج أمواج (نبضات) بوتيرة ثابتة.

نظائر - (إيزوتوبات - من اليونانية; إيزو = مساو توبوس = نوع، نموذج) ذرات عنصر معين لها نفس عدد البروتونات، وعدد مختلف من النيوترونات، أي مختلفة في الكتلة.

*195*

رموز متفق عليها وحدات قياس

(في الكتاب جدول مكون من 3 أعمدة، و - 6 صفوف)

رموز متفق عليها ووحدات قياس

(في الكتاب جدول مكون من 3 أعمدة و-20 صفوف)

*196*

معادلات حسابية

(في الكتاب جدول مكون من عامودين و - 15 صفوف)

نهاية الكتاب