الصف األول الثانوي
منهاج موهبة اإلضافي المتقدم
الفيزيـاء
كتاب الطالب ُ
املحتويات
كيفية ا�ستعمال هذا الكتاب
6
الوحدة الأولى :مقدمة في الفيزياء
7 8
الن�شاط الأول تحليل �آثار الأقدام تق�صي �آثار الأقدام الن�شاط الثاني تحليل حبات الأرز الن�شاط الثالث �صحيح �أم خط�أ؟ الن�شاط الرابع م�س�ألة االمت�صا�ص الن�شاط الخام�س حجم الذرات الن�شاط ال�ساد�س ال�ساعات ال�شم�سية )المزولة( الن�شاط ال�سابع الإ�سطرالب الن�شاط الثامن ال�ساعات المائية الن�شاط التا�سع �ساعة الفيل الن�شاط العا�شر الن�شاط الحادي ع�شر م�سابقة ال�ساعات الن�شاط الثاني ع�شر انهيار القانون (توقف القانون عن العمل) الن�شاط الثالث ع�شر القانون العام؟
9
حول هذه الوحدة
10 11 11 11 12 13 15 15 16 17 18 19 20
الوحدة الثانية :الحركة حول هذه الوحدة الن�شاط الأول الن�شاط الثاني الن�شاط الثالث الن�شاط الرابع الن�شاط الخام�س الن�شاط ال�ساد�س الن�شاط ال�سابع الن�شاط الثامن الن�شاط التا�سع الن�شاط العا�شر الن�شاط الحادي ع�شر
10
تحديد موقعك كيف تعمل �أنظمة المالحة بو�ساطة الأقمار اال�صطناعية؟ ثبات �سرعة ال�ضوء ر�سم م�سار الرحلة متجهات الإزاحة التفكير في متجهات �أخرى الحركة ال�صحيحة �إ�ستراتيجية التخطيط م�سابقات كرة المن�ضدة �شكل ُكرة الجولف �أق�صى �سرعة على الأر�ض
21 21 22 23 24 24 26 27 29 29 30
الوحدة الثالثة :القوى في ُب ْعد واحد حول هذه الوحدة الن�شاط الأول الن�شاط الثاني الن�شاط الثالث الن�شاط الرابع الن�شاط الخام�س الن�شاط ال�ساد�س الن�شاط ال�سابع الن�شاط الثامن الن�شاط التا�سع الن�شاط العا�شر الن�شاط الحادي ع�شر الن�شاط الثاني ع�شر الن�شاط الثالث ع�شر
تحدي الجاذبية ومقاومتها ّ والغ�سالة الآلية نيوتن ّ لماذا ن�ستعمل حزام الأمان؟ حزام الأمان المثالي التحطم (مناطق امت�صا�ص ال�صدمات) مناطق ّ الجاذبية الأر�ضية الجاذبية على كوكب �آخر قوانين نيوتن في المدار المد والجز في المحيط ّ القوى الكهرو�سكونية القوى المغناطي�سية قوة الجاذبية الهند�سة الجيولوجية
الوحدة الرابعة :ال�شغل والقدرة والطاقة حول هذه الوحدة الن�شاط الأول الن�شاط الثاني الن�شاط الثالث الن�شاط الرابع الن�شاط الخام�س الن�شاط ال�ساد�س
ال�شغل والقدرة الطاقة الميكانيكية القدرة الكهرومائية الحرارة والطاقة الطاقة والكهرباء الطاقة والموجات وال�ضوء
33 34 35 36 37 38 39 40 40 41 42 43 44 45 46 46 48 50 51 52 54
الوحدة الخام�سة :الطاقة النووية
57 58
الوحدة ال�ساد�سة :م�صادر الطاقة البديلة
60 61
حول هذه الوحدة
31 32
حول هذه الوحدة الم�شروع الأول الم�شروع الثاني الم�شروع الثالث
تح�سين ت�صميم مو ّلدات الكهرباء الهوائية الح�صول على الطاقة من الوقود الحيوي المركزة ا�ستخدام �أجهزة الطاقة الحرارية ال�شم�سية ّ
62 63 64
6
الوحدة الأولى المقدمة للفيزياء
7
حـول هـذه الوحــدة ُّمية للوحدة الأهداف التعل ّ • • • • • • •
بناء على الأدلة العلمية. ت�ضع فر�ضيات ً تتم ّكن من تنفيذ اختبارات عادلة. وتدونها بد ّقة ،با�ستعمال مجموعة من المعدات. تجمع الأدلة ّ وتطبقها في العلوم. ت�ستعمل نماذج ريا�ضية ّ الذري وال�ساعات. ت�ستق�صي ّ التطور التاريخي لك ّل من التركيب ّ ت�ستق�صي بع�ض قوانين الفيزياء ،والتفكير ب�صورة ناقدة في �أوجه ال�شبه واالختالف بين تلك القوانين. تق�ص في الفيزياء. ت�ستك�شف تحليل الوحدات ب�صفته �أداة ٍّ
تت�ضمن �صياغة تركز هذه الوحدة على تعريفك على عالم الفيزياء ،وا�ستك�شاف طرائق عمل العلم المختلفة التي ّ ّ التق�صي ،ومراعاة الجوانب التاريخية الفر�ضيات ،وبناء اختبارات عادلة ،و�إجراء قيا�سات دقيقة �ضمن �سياق عمل ّ للنظرية الذرية ،وقيا�س الزمن قبل درا�سة ال�سمات الم�شتركة لقوانين الفيزياء.
8
الطريقة العلمية ا�ستنادا �إلى القيا�سات التي يجرونها، �إن عمل العالم ي�شبه عمل محقق المباحث ،حيث يبحث العلماء عن دليل ثم يحللونه ً وي�صوغون فر�ضياتهم ويختبرونها ثم يعدلونها في �ضوء عملية التقويم الأولية .كان �أبو علي الح�سن بن الهيثم تقريبا �أول عالم يطور تطبيق ممار�سة الدليل التجريبي للتحقق من �صحة (430-354هـ1039-965/م) ،منذ �ألف عام ً تجريبيا �شديد التدقيق في عالما الفر�ضيات النظرية .وقد َ ً ولد ابن الهيثم في مدينة الب�صرة في العراق وا�شتهر كونه ً التفا�صيل ،وال يزال منهجه ُي�ستخدم حتى اليوم لتو�ضيح �أهمية ا�ستخدام الدليل في تطوير النظرية ولي�س مجرد الر�أي علميا. فقط .فقد كان ح ًقا محق ًقا ً ع�ضوا في فريق لتطوير الأفكار و�ستتبع في هذه الأن�شطة تعاليم ابن الهيثم .كما �ستعمل مثل جميع المحققين الماهرين ً وفح�ص الأدلة واختبارها.
تعر�ض �أحد المنازل لحادث �سرقة وطلب �إليك تق�صي ما حدث .حيث توجد بع�ض الأدلة على ذلك منها :نقود مبعثرة على ّ �أر�ض المطبخ ،ومرطبان �أرز مك�سور في المطبخ ،وبع�ض �آثار الأقدام خارج المنزل.
الن�شاط الأول تحليل �آثار الأقدام وعالم ت�ستدل من �آثار الأقدام هذه؟ افح�ص �آثار �أقدام الم�شتبه به. َ وهل هي �آثار رجل �أم امر�أة؟ وهل يمكنك ا�ستنتاج وزن الم�شتبه به؟ هل يمكنك معرفة طول الم�شتبه به؟
تالحظ وجود �آثار قدم �أخرى. فما الذي يمكنك �أن ت�ستدل عليه �إذا وجدت �أثرين للأقدام؟ هل كان الم�شتبه به يجري �أم يم�شي؟ وهل يمكنك تكوين فكرة �أف�ضل عن معرفة طول الم�شتبه به من هذين الأثرين للأقدام؟ حاول اختبار �أفكارك من خالل درا�سة �آثار �أقدامك. تقريرا عن الأدلة التي يمكنك ا�ستك�شافها من خالل تلك الآثار. أعد بالتعاون مع فريق التحري الذي تنتمي �إليه � ّ ً وا�ستمع �إلى تقارير ِف َرق التحري الأخرى في �صفك .وهل تتفق �أفكارك مع �أفكارهم �أم تختلف؟
9
الن�شاط الثاني
تق�صي �آثار الأقدام تق�ص حول �إمكانية ا�ستمر بالعمل مع فريق التحري لت�صميم تجربة ً ا�ستخدام عمق �أثر القدم في ح�ساب وزن ال�شخ�ص .ناق�ش كيف �س ُتحقق ذلك؟ وما الذي �ستحتاج �إليه لأخذ القيا�سات؟ وما الأدوات التي �ستختارها لإجراء هذه القيا�سات؟ وما مقدار الخط�أ الذي تتوقعه في قيا�ساتك؟ اكتب خطة ت�صف فيها ما الذي �ستقوم به ،ونظم جدو ًال لتدوين قيا�ساتك .ثم نفذ تجربتك .وهل يمكنك �أن تجد �أي نماذج نمطية في بياناتك؟ و�ضح ما الذي ت�ستدل عليه من نتائجك؟ تعرف وزن ال�شخ�ص. ثم ّ قيم مدى دقة �آثار الأقدام في ّ
مهمة تو�سع �أ�صعب هل يمكنك ا�ستخدام مجموعة من �آثار الأقدام لمعرفة �سرعة ال�شخ�ص �أو طوله؟ حاول فح�ص االختالف بين �آثار �أقدامك عند الم�شي وعند الرك�ض .وقارن �آثار �أقدامك ب�آثار �أقدام الأع�ضاء الآخرين في فريقك. وما النتائج التي تو�صلت �إليها؟ ار�سم مجموعة من المخططات البيانية لتو�ضيح االختالف بين �آثار الأقدام التي الحظتها.
الن�شاط الثالث تحليل حبات الأرز واجبا يتطلب هذا الن�شاط العمل ب�صورة م�ستقلة ،ويمكن اتخاذه َ منزلياُ .ي�س ِفر فح�ص �آثار �أقدام الم�شتبه به عن وجود ب�ضعة حبوب من ً الأرز بداخلها .وهناك �أنواع مختلفة من الأرز لذا يتطلب معرفة مدى مطابقتها لما هو موجود في المنزل الذي تعر�ض لل�سرقة .وعليه ينبغي فح�ص حبتين من الأرز من نوعين مختلفين على الأقل. أعد قائمة ب�أوجه االختالف بينهما؟ وهل لهما نف�س الحجم والكتلة ثم � ّ واللون؟ وكيف يمكنك معرفة كتلة كل حبة من النوعين المختلفين باال�ستعانة بمجموعة الموازين الموجودة في المطبخ فقط؟ ثم نظم تدون فيه قيا�ساتك ،وو�ضح كيف ح�سبت كتلة كل حبة �أرز. جدو ًال ّ أخيرا اح�سب مقدار الخط�أ المتوقع في هذا القيا�س ،اكتب الطريقة و� ً التي ا�ستخدمتها في ذلك بو�ضوح.
مهمة تو�سع �أ�صعب ربما نجم عن الرمل الرطب �أنتفاخ حبات الأرز .و قد ت�شير درجة االنتفاخ �إلى الزمن الذي م�ضى منذ وقوع حادث ال�سرقة. �صمم تجربة لمعرفة مقدار انتفاخ حبات الأرز عند تركها في الماء لفترات زمنية مختلفة. لذا ّ 10
الن�شاط الرابع �صحيح �أم خط�أ؟ �ستطبق في هذا الن�شاط طريقة م�شابهة للطريقة الم�ستخدمة في الن�شاط ال�سابق لحل م�شكلة جديدة .لذا تعاون مع فريق التحري الذي تنتمي �إليه على حل هذه الم�شكلة. لقد تلقيت مكالمة هاتفية من مركز قيادة ال�شرطة تخبرك ب�أن ال�شرطة تعتقد �أن ذلك المنزل كان ُي�ستخدم مرك ًزا لتزوير الأوراق النقدية .وعليه ف�أنك ت�شك في �أن الأوراق النقدية التي وجدتها في المطبخ قد تكون مزورة. ولديك بع�ض الأوراق النقدية الأ�صلية وهي تبدو �أقل ُ�سمكا من الأوراق النقدية التي وجدتها في المطبخ .فكيف يمكنك قيا�س ُ�سمك الأوراق النقدية بدقة؟ وهل توجد �أي طرق �أخرى يمكنك ا�ستخدامها في اكت�شاف االختالف بين الأوراق النقدية الحقيقية والمزورة؟ أعد ن�شرة تعليمية لأ�صحاب المتاجر تم ّكنهم من اكت�شاف ما �إذا � ّ كانت الأوراق النقدية التي ي�ستخدمها النا�س ل�شراء الحاجيات مزورة �أم ال.
الن�شاط الخام�س م�س�ألة االمت�صا�ص
هناك ج�سيمات ذات ن�شاط �إ�شعاعي ُيطلق عليها ج�سيمات �ألفا ،التي لديها القدرة على اختراق �صفحات عديدة من الورق، غير �أن هناك ن�سبة ثابتة λمن هذه الج�سيمات يتم امت�صا�صها في كل مليمتر واحد من الورق تمر خالله .فهل يمكنك ا�ستخال�ص معادلة للتوقع بالجزء المتبقي من ج�سيمات �ألفا بعد مرورها خالل ُ�سمك مقداره xمم من الأوراق النقدية؟ بيانيا يو�ضح عدد مخططا يمكن ا�ستخدام هذه الخا�صية لج�سيمات �ألفا في معرفة ُ�سمك الأوراق النقدية .لذا ار�سم ً ً مقابل (�ضد) �سمك النقود التي مرت خاللها؟ وكيف يمكنك ا�ستخدام هذا المخطط ج�سيمات �ألفا التي تعتقد �أنها تبقى في ُ لإيجاد ُ�سمك ورقة نقد واحدة؟
الن�شاط ال�ساد�س حجم الذرات
كم يبلغ قطر الذرة؟ وكم تبلغ كتلتها؟ وهل جميع الذرات لها نف�س القطر والكتلة؟ وكيف يمكننا معرفة ذلك؟ ومن قا�س هذه الأ�شياء �أو ًال؟ وكيف تمكنوا من ذلك؟ ا�ستخدم المكتبة والم�صادر الموجودة على الإنترنت في البحث عن ذلك. واكتب ق�صة م�صورة تعبر عن تاريخ معرفتنا بالذرة ،وكيف تطورت هذه المعرفة بمرور الوقت. ثم اح�سب عدد الذرات التي يحتويها ُ�سمك ورقة النقد ،وقدر عدد الذرات التي يمكن �أن توجد في حبة الأرز .وما االفترا�ضات التي و�ضعتها للتو�صل �إلى ذلك؟ �إذا كان حجم الذرة الواحدة يعادل حجم حبة الأرز ،فكم �سيكون قطر حبة الحم�ص وف ًقا لهذا المقيا�س؟
11
قيا�س الوقت كان قيا�س الوقت من الأ�شياء المهمة للغاية لدى علماء الم�سلمين .والعديد من الأدوات المبتكرة لتحديد الوقت تعود جذورها الأولى �إلى بلدان ال�شرق الأو�سط. منذ الوهلة الأولى لمالحظة حركة الظل خالل اليوم افتتن الإن�سان بقيا�س الزمن. في هذا الن�شاط �سنتمعن في تطور �أدوات قيا�س الوقت. ا�ستخدمت ظالل ال�شم�س المزولة هي ال�ساعة ال�شم�سية ،وهي الآلة الأولى التي َ لقيا�س الوقت .وبتطور اال�سطرالب (�آلة فلكية قديمة لقيا�س ارتفاع ال�شم�س �أو النجوم) تم تح�سين هذه النماذج الب�سيطة .ويرجع تاريخ بداية ال�ساعات ال�شم�سية �إلى زمن الم�سالت الم�صرية القديمة ،حيث ُعر َفت �أول مزولة ب�ساعة الظل الم�صرية ،والتي �صنعت منذ ما يقارب � 3000سنة. تعقيدا ،حيث ي�ستطيع تحديد موقع ال�شم�س �أو موقع كان اال�سطرالب �آلة فلكية �أكثر ً نجوم ثابتة لح�ساب الموقع والم�سافة والوقت على الأر�ض .ولقد �صنع �أول ا�سطرالب في م�شاغل علي بن عي�سى في بغداد في (400-328هـ1010-940/م). ولم ي�صل اال�سطرالب �إلى �أوروبا �إال بعد � 200سنه من هذا التاريخ. وال ينح�صر عمل اال�سطرالبات في قيا�س الزمن فقط� ،إذ �إنه يمكنه قيا�س ارتفاع ر�سوما تمثل الكواكب والنجوم حتى ال�شم�س في الأوقات المختلفة ،كما احتوى ً يت�س ّنى مالحظة تحركها في الف�ضاء ) �أو بالأ�صح حركتنا بالن�سبة لمواقعها).
الن�شاط ال�سابع
ال�ساعة ال�شم�سية (المزولة) �ستفكر في هذا الن�شاط عن كيفية بناء المزولة، و�ست�ستق�صي كيفية عملها. ق�ضيبا قم �أو ًال ببع�ض المالحظات الب�سيطة .ثم اغرز ً أ�سيا في الأر�ض، ق�صيرا (يمثل عقرب ال�ساعة) ر� ً ً وا�ستعمل بع�ض الح�صى لتحديد مواقع نهاية ظل الق�ضيب في �أوقات مختلفة من النهار .ماذا تالحظ بخ�صو�ص موقع الظل وطوله؟ ما ال�شكل النهائي الذي اتخذته الح�صى؟ وهل يمكنك تف�سير �سبب حدوث ذلك ال�شكل؟
12
عمل مزولة �شم�سية ا�ستوائية
ي�ستعمل هذا النوع من ال�ساعات ال�شم�سية موجها �صوب النجم القطبي� .إذا عقربا ً ً ا�ستطعت مالحظة النجم القطبي في �أثناء الليل ،وجه العقرب �صوبه واغرزه في الأر�ض .ف�إن لم يمكنك ذلك ،فحدد االتجاه ال�شمالي با�ستخدام بو�صلة ،واغرز العقرب في الأر�ض باتجاه ال�شمال ولكن بزاوية ترتفع عن الأر�ض م�ساوية لمقدار خط العر�ض في موقعك. ر�صا من الكرتون وثبته في العقرب ق�ص ُق ً متعامدا معه� .ضع عالمة عند بحيث يكون ً نهاية ظل العقرب على القر�ص كل �ساعة. ما مالحظتك على هذا الظل؟ �أيمكنك تف�سير اختالفه عن �شكل الظل الذي ر�أيته من قبل؟ ر�سما �أو �صورة ل�ساعتك ال�شم�سية ،مع تو�ضيح لطريقة عملها ،واعر�ضها في ال�صف لزمالئك قم بعمل مل�صق يت�ضمن ً الطالب.
تو�سع )�أ�صعب( أثرا ال�ساعة ال�شم�سية الأنايِم ّلة analemmatic sundialهي �ساعة �شم�سية لها عقرب ر�أ�سي ك�سابقتهاَ .ير�سم ظل العقرب � ً إهليلجيا) على الأر�ض .يتغير موقع الأثر البي�ضوي الذي ير�سمه ظل العقرب من يوم �إلى �آخر .ف�إن �أردنا تثبيت بي�ضويا (� ً ً و�ضع الظل على الأر�ض ،فعلينا تحريك العقرب حركة طفيفة كل يوم .حاول �أن تعلل ذلك؟ ب�إمكانك �أن تبحث في المكتبة �أو من خالل �شبكة الإنترنت عن طريقة عمل ال�ساعة ال�شم�سية الأنايِم ّلة. يوميا للحفاظ على �شكل الظل مخططا ار�سم ً بيانيا لنمط ظل ال�ساعة ال�شم�سية الأنايم ّلة ،وا�شرح �سبب تحريك العقرب ً ً ثاب ًتا.
الن�شاط الثامن اال�سطرالب و�صف عبد الرحمن ال�صوفي (375-290هـ986-903/م) �ألف ا�ستخدام مختلف لآلة اال�سطرالب. مهما في تلك الآونة لي�س فقط لتحديد اتجاه الكعبة كان اال�سطرالب ً أي�ضا. الم�شرفة ،بل ولمعرفة �أوقات ال�صالة � ً ّ
13
كيف ي�صنع الإ�سطرالب
يتكون الج�سم الرئي�سي للإ�سطرالب من قر�ص نحا�سي مجوف ّ (الحجرة) لحمل �أطقم من ال�صفائح كل منها م�صمم لخط عر�ض معين .وتوجد �شبكة في �أعلى ال�صفائح ،وهي عبارة عن قر�ص مفرغ ي�سمح بر�ؤية ال�صفائح �أ�سفله .تمثل الدورة الواحدة لل�شبكة ّ دورة يومية للنجوم في ال�سماء ٌت�سمى اليوم الفلكي .وقد ُر ّقمت حافة المادة النحا�سية على فترات زمنية ،حيث و�ضع منت�صف العليا ومنت�صف الليل في ال�سفلى .ويوجد م�ؤ�شر النهار في الحافة ُ �صغير متحرك فوق ال�شبكة ُي�سمى الم�سطرة �أو �أداة القيا�س. ُيعلق الإ�سطرالب بكامله بحلقة تثبت على الطبقة �أال�صلية .وتوجد مدرجة منحوتة في الجهة الخلفية للآلة ت�ستخدم في مقايي�س ّ المثبت في قيا�س الزاوية واالرتفاع واالتجاه .وي�سمى الم�ؤ�شر َ الجهة الخلفية من اال�سطرالب بالع�ضادة.
قيا�س الوقت وتدور الع�ضادة �إلى ُيحمل الإ�سطرالب لتحديد الوقت ب�شكل ر�أ�سي ّ ويحدد االرتفاع عن �أن ت�ستوي مع خط ال�شم�س) �أو نجم ثابت)ُ . طريق مو�ضع الع�ضادة من خالل المقيا�س خلف الإ�سطرالب. ثم ُيحدد موقع ال�شم�س في فلك البروج ب�ضبط الع�ضادة على �أحد �أيام ال�سنة كما هو مو�ضح في المقيا�س خلف الإ�سطرالب لقراءة خط الطول ،وحينئذ تحرك الم�سطرة حتى تتقاطع مع فلك البروج كما هو مر�سوم على الجهة الأمامية للإ�سطرالب في خط معا �إلى �أن يلتقي م�ؤ�شر ال�شم�س بخط الطول طول ال�شم�س الحالي .وهكذا يت�ضح موقع ال�شم�س .ثم ُتدار ال�شبكة والم�سطرة ً الذي قي�س م�سب ًقا .حيث ت�شير الم�سطرة هنا �إلى الزمن ال�شم�سي على حافة قر�ص الحجرة. ا�ستعن بالمعلومات المذكورة �أو القراءة الإ�ضافية على الإجابة عن الأ�سئلة الآتية .ثم �أختر �أحد هذه الأ�سئلة لدرا�ستها مو�ضحا ا�ستنتاجاتك. ب�صورة م�ستقلة �أو �ضمن مجموعة ،واعر�ض هذه الدرا�سة على طالب ال�صف ً -1ما الفرق بين اليوم ال�شم�سي واليوم الفلكي؟ ولماذا يختلفان؟ قديما تختلف عن ال�ساعات الم�ستخدمة في الليل ،فلماذا ا�ستخدمت "�ساعات -2كانت ال�ساعات الم�ستخدمة في النهار ً حاليا؟ غير مت�ساوية"؟ ولماذا ال ت�ستخدم ً أي�ضا في توقع �أحداث �سماوية ،ك�شروق ال�شم�س وغروبها ،فكيف تم فعل ذلك؟ -3يمكن ا�ستخدام الإ�سطرالبات � ً قديما �إلى مناطق زمنية ،فلماذا توجد في وقتنا الحا�ضر هذه المناطق الزمنية؟ -4لم ُيق�سم العالم ً
14
الن�شاط التا�سع ال�ساعات المائية "الكليب�سايدرا"� -سارقة الماء باللغة الإغريقية ،هي �أحد �أنواع ال�ساعات المائية .وهي �ساعة ب�سيطة كانت ت�ستعمل في جميع �أرجاء العالم .و�أقدم �ساعة مائية ا�س ُتعملت في م�صر يرجع تاريخها �إلى ما يزيد على ثالثة �آالف �سنة ،وا�ستخدمت لقيا�س تدفق الماء من خالل �صنبور �صغير بالقرب من قاع �إناء. �ست�صنع في هذا الن�شاط �ساعة مائية با�ستعمال قارورة بال�ستيكية �سعتها لتران ،اثقبها بالقرب من القاع مع و�ضع عالمات جانبية لإظهار م�ستوى الماء في نهاية كل دقيقة. تو�ضيحيا للفكرة التي لديك مخططا وقبل �أن تقوم بذلك ،ار�سم ً ًّ حول العالمات التي �ستكون على جانب القارورة. تكمن يمكنك الآن �إجراء التجربة لترى مدى �صحة توقعاتكُ . الم�شكلة في ال�ساعات المائية في عدم ان�سياب الماء من خالل الثقب بمعدل ثابت .فهل ت�ستطيع �أن تو�ضح �سبب ذلك؟ ما العوامل الم�ؤثرة في معدل خروج الماء من الثقب؟ وكيف يمكنك حل هذه الم�شكلة بجعل الماء يتدفق بمعدل ثابت من ال�ساعة المائية؟ ار�سم �شك ًال ل�ساعة مائية تم ت�صميمها ليتدفق منها الماء بمعدل ثابت كل دقيقة.
الن�شاط العا�شر �ساعة الفيل �صم َم المهند�س المحترف �أبو العز بن �إ�سماعيل بن الرزاز الجزري (603-530هـ1206-1136/م) ،في القرن الثالث ع�شر ّ الميالدي �ساعة متقنة ُتعرف ب�ساعة الفيل لالحتفال بتنوع الأجنا�س الب�شرية .تج�سد ال�ساعة امتداد العالم الإ�سالمي في ذلك الحين من �إ�سبانيا �إلى �آ�سيا الو�سطى .وقد ا�س ُتخدم لهذه ال�ساعة؛ تقنية رفع الماء من اليونان ،والفيل من الهند، وطائر العنقاء من م�صر ،بالإ�ضافة �إلى الرموز العربية ،وال�سجاد الإيراني ،والتنين ال�صيني .ويمكنك م�شاهدة ال ُن�سخة طبق الأ�صلية لها في مركز ابن بطوطة التجاري في دبي.
15
Jonathan Bowden, 2007
اكت�شف كيفية عمل �ساعة الفيل وو�ضح ذلك. تخيل �أنه ب�إمكانك ا�صطحاب تلك ال�ساعة �إلى القمر، فهل تعتقد �أنها �ستحافظ على التوقيت نف�سه كتوقيت الأر�ض؟ و�ضح �إجابتك؟
ُن�سخة ل�ساعة الفيل
الن�شاط الحادي ع�شر م�سابقة ال�ساعات
هناك �أنواع عديدة من ال�ساعات المبنية على �أ�س�س ومبادئ مختلفة ،منها على �سبيل المثال حرق ال�شمع ،وان�سياب الرمل عبر ثقب ،وت�أرجح بندول. حاول عمل ت�صميم مبتكر ل�ساعة ب�سيطة يمكن �إعدادها في المنزل با�ستخدام المواد المتوفرة الب�سيطة .ثم �أح�ضرها �إلى المدر�سة للم�شاركة في م�سابقة ال�ساعات. وتكون ال�ساعة الف�ضلى هي التي تت�صف بت�صميم مبتكر وتعطي الوقت بدقة لمدة �ساعة كاملة.
16
القوانين والكميات الفيزيائية طرديا مع متغيرات �أخرى م�ستقلة يوجد في علم الفيزياء عالقات كثيرة متعددة تظهر فيها متغيرات غير م�ستقلة تتنا�سب ً مثل الم�سافة المقطوعة والزمن ،الوزن والكتلة ،القوة الم�ؤثرة واال�ستطالة الحادثة لناب�ض .ونحن نقول �إن هذه المقادير ويعبر عنها بمعادالت ب�سيطة مثل :الم�سافة= ال�سرعة × الزمن ،الوزن = الكتلة × �شدة مجال الجاذبية متنا�سبة طرديا ُ ً الأر�ضية ،القوة الم�ؤثرة في ناب�ض = ثابت الناب�ض × مقدار اال�ستطالة .ولكن هل هذه القوانين �صحيحة تحت جميع الظروف؟ وهل لها حدود؟
الن�شاط الثاني ع�شر انهيار القانون (توقف القانون عن العمل) عددا �سنلقي نظرة �أخرى في هذا الن�شاط على بع�ض القوانين ال�شائعة ،و�سنعرف �أين تنهار هذه القوانين .حيث �س ُتعطى ً من االختيارات ،وعليك تق�صي �أحدها ثم محاولة معرفة النقاط التي ينهار عندها القانون.
-1ين�ص قانون "هوك" على �أن الإ�ستطالة الحادثة طرديا لناب�ض تتنا�سب ً المحدثة لتلك مع القوة ُ اال�ستطالة .فهل ذلك دائما؟ �أح�ضر �صحيح ً ناب�ضا مع بع�ض الأوزان، ً وعلقها بالناب�ض. بيانيا مخططا ار�سم ً ً يمثل العالقة بين الوزن واال�ستطالة الحادثة ،ثم ا�ستك�شف �إذا ما كانت العالقة الخطية بينهما �ستنهار عند �أي نقطة �أم ال.
-2ين�ص قانون "�أوم" على �أن فرق الجهد بين طرفي مقاومة كهربائية يتنا�سب طرديا تنا�سبا ً ً مع �شدة التيار دائما؟ خذ قطعة من المار فيه .فهل يكون هذا �صحيح ً �سلك مقاومة (�أو قطعة من �سلك من�صهر) ،وم�صدر جهد متغير (�أو بطاريات مختلفة الجهد) ،وفولتميتر ،و�أميتر (�أو مقيا�سين كهربائيين ذوي قيا�سات متعددة) مخطط بياني ،يتيح لك واكت�شف ذلك.يتعين عليك عمل ّ ّ الخطية بين التيار وفرق الجهد معرفة �إذا كانت العالقة ّ �ستنهار عند � ّأية نقطة �أم ال.
خارجا من كتلة من الزجاج تكون ن�سبة جيب زاوية -3ين�ص قانون " �سنل" على �أنه عندما يمر ال�ضوء داخ ًال �أو ً دائما؟ قم بتمرير �شعاع دائما (معامل االنك�سار) .فهل يكون هذا �صحيح ً ال�سقوط �إلى جيب زاوية االنك�سار ثابتة ً رفيع من ال�ضوء عبر واجهة مقو�سة من كتلة ن�صف دائرية على �أن ي�صل �إلى الجانب الم�ستوي منها عند منت�صفها ثم دائما؟ �ستحتاج �إلى عمل مخطط بياني حتى يمكنك معرفة يخرج �إلى الهواء .وتحقق ما �إذا كان قانون �سنل ً �صحيحا ً ما �إذا كانت العالقة الخطية �ستنهار عند �أي نقطة. هل يمكنك بالن�سبة لتجربتك المختارة؛ اقتراح �سبب النهيار العالقة الخطية عند نقطة معينة؟ وهل تعتقد �أن جميع دائما تحت جميع الظروف؟ القوانين تنهار عند نقطة معينة �أم �أن هناك بع�ض القوانين تكون �صحيحة ً كيف يمكن للعلماء �إحراز المزيد من المعرفة عند انهيار القوانين؟
17
العمليات الفيزيائية وتحليل الوحدات بع�ض الوحدات التي ن�ستخدمها في الفيزياء هي وحدات �أ�سا�سية ،منها على �سبيل المثال الكتلة (كجم) والطول (م) والزمن (ث) وال�شحنة (كولوم) ودرجة الحرارة (كلفن) .على حين ُيطلق على الوحدات الأخرى ا�سم وحدات م�شتقة لأنها �أ�سماء تعطى لوحدات ناتجة عن دمج وحدات �أ�سا�سية ،فعلى �سبيل المثال ال�سرعة (م/ث) ،الت�سارع (م/ث .)2و ُت�سمى الوحدات في بع�ض الأحيان ب�أ�سماء ُعلماء م�شهورين ولكنها مع ذلك تظل وحدات م�شتقة ،فعلى �سبيل المثال ،القوة (نيوتن = كجم.م/ث ،)2الطاقة (جول = كجم.م/2ث.)2 ويطلق على هذه العملية كميات معلومة في معادلة للح�صول على وحدات كميات غير معلومةُ ، يمكننا ا�ستخدام وحدات ّ ا�سم تحليل الوحدات.
الن�شاط الثالث ع�شر القانون العام؟ ين�ص قانون نيوتن في الجاذبية على �أن القوة التي ُي�سحب بها ج�سم نحو تنا�سبا �سطح كوكب ما تتنا�سب طرديا مع كتلة الج�سم mوكتلة الكوكب ،M ً ً 2 وعك�سيا مع مربع الم�سافة بين مركزيهما ْ � ،rأي.F α Mm/r : ً ول�صياغة ذلك على �صورة معادلة قابلة للتطبيق ينتج عنها ح�ساب قيم �صحيحة للقوى ُي�ضاف �إلى المعادلة ثابت التنا�سب (� )Gإلى المعادلة، ويطلق عليه ثابت الجذب العام. ُ F = GMm/r2 ا�ستخدم هذه المعلومات في ا�ستنتاج الوحدة التي يجب �أن ُيقا�س بها ثابت "العام" ؟ وهل تعتقد �أن هذا القانون عام الجذب العام ،Gولماذا ُيطلق عليه ّ بالفعل؟ وهل من المحتمل �أن توجد بع�ض المناطق في الكون ال ينطبق عليها هذا القانون؟
مهمة تو�سع �أ�صعب أر�ض تماما ويخرج من الناحية الأخرى .فماذا يحدث عندما ُت�سقط ثقبا في الأر�ض يمر عبر مركز ال لنفر�ض �أن هناك ً ً ج�سما في هذا الثقب؟ وهل �سيخرج الج�سم من الناحية الأخرى؟ و�ضح �إجابتك. ً
تحدى نف�سك ماذا يق�صد العلماء بالدليل (الرغبة في �إثبات �شيء)؟ ما م�صادر الأدلة؟ كيف يحكم العلماء على �صدقها و�صحتها؟
مراجعة والت�أمل في هذه الوحدة • • • • 18
ما الفرق بين الفر�ضية والنظرية؟ ابحث في �أعمال (جاليليو) ،وفي كيفية قيا�س الزمن بو�ساطة البندول. دائما ا�ستعمال �أكثر �أدوات القيا�س د ّقة؟ هل ينبغي للعلماء ً ما الفرق بين العالقة المتبادلة واالختبار العادل؟
الوحدة الثانية الحركة
19
حـول هـذه الوحــدة ُّمية للوحدة الأهداف التعل ّ
• • • • • •
والكميات المتجهة ،مثل :ال�سرعة ،وال�سرعة الكميات القيا�سية ّ ت�ستق�صي �أوجه ال�شبه واالختالف بين ّ المتجهة ،والإزاحة ،والم�سافة. طبق قوانين المتجهات وطرائق جمعها على المالحة ،بو�ساطة الأقمار اال�صطناعية والطيران. ُت ّ نمذجة �أفكار عن المتجهات ،م�ستعم ًال الريا�ضيات و�ألعاب ال�شطرنج. طبق المعرفة بالمتجهات على القوى والت�سارع. ُت ّ ت�ستق�صي حركة كرة المن�ضدة وكرة الجولف ،وكيفية ت�أثير القوى في حركتهما. تبحث في كيفية ت�أثير القوى والعوامل الأخرى في ت�صميم �سطح الأر�ض لل�سيارات فائقة ال�سرعة.
والكميات المتجهة في مو�ضوع الحركة .كما �ستدر�س ك ًّال الكميات القيا�سية ّ �سوف ت�ستك�شف في هذه الوحدة الفرق بين ّ نموذجا لإحداثيات المتجهات، ثم ت�ستعمل لعبة ال�شطرنج ً من ال�سرعة وال�سرعة المتجهة� ،إ�ضافة �إلى الم�سافة والإزاحةّ ، كميات متجهة �أخرى. ً علما ب�أ ّنه ّ تم تقديم القوى والت�سارع ب�صفتهما ّ
20
المواقع تطرقنا في الوحدة الأولى �إلى ا�ستخدامات الإ�سطرالب و�أهميته في تحديد موقعك على الأر�ض .وهناك العديد من الأ�ساليب التقنية الحديثة لمعرفة الموقع وتحديده ،و�إحدى هذه التقنيات هي المالحة بو�ساطة الأقمار اال�صطناعية. ولقد جهزت العديد من ال�سيارات الحديثة بنظام المالحة بو�ساطة الأقمار اال�صطناعية .ولكن كيف تعمل تلك الأنظمة؟
الن�شاط الأول تحديد موقعك تعمل �أنظمة المالحة بو�ساطة الأقمار اال�صطناعية با�ستخدام مبد�أ التثليث. ويتعين عليك لتحديد موقعك معرفة ُبعدك عن ثالث نقاط ثابتة على الأقل .انظر �إلى الخريطة المجاورة لمخطط مدينة الريا�ض لعام 1366هـ1946/م. ا�ستخدم مقيا�س الر�سم المبين في ال�صورة لتحديد موقعك وف ًقا للمعلومات التالية: • �إذا كنت على بعد 500ياردة من بوابة ال�ضهيرة. • �إذا كنت على بعد 350ياردة من بوابة البديع.
1 2
3 4
5 6
الن�شاط الثاني كيف تعمل �أنظمة المالحة بو�ساطة الأقمار اال�صطناعية؟ يحتاج نظام مالحة الأقمار اال�صطناعية �إلى معرفة مواقع �أربعة �أقمار ا�صطناعية على الأقل من �أجل تحديد موقعك. علما ب�أن الأقمار والبد من �أن تكون تلك الأقمار فوقك ،وتعرف ُبعدك عن كل قمر ا�صطناعي من هذه الأقمارً . اال�صطناعية توجد في مدارات ثابتة فوق الأر�ض ،لذا فهي تقع ب�صورة م�ستمرة فوق النقطة نف�سها على الأر�ض. تحتوي جميع �أجهزة المالحة بو�ساطة الأقمار اال�صطناعية على �شريحة معلومات ُمبرمجة حول هذه الأقمار ت�ساعد نظام المالحة في ال�سيارة على التقاط الإ�شارات من الأقمار اال�صطناعية الأخرى وا�ستقبالها .وت�ستغرق الإ�شارة 0.06 ثانية ال�ستقبال و�صولها �إذا كان موقع القمر اال�صطناعي فوق النظام مبا�شرة وعلى م�سافة 18000كم ،مما يعني �أنه يوجد فا�صل زمني بين الإ�شارتين المر�سلة والواردة بمعامل ي�ساوي 0.06ثانية.
21
يوجد لكل من الأقمار اال�صطناعية الثالثة �شفرة رقمية تتعرف عليها �أجهزة المالحة .والتي ت�ساعد على معرفة نوع الإ�شارة وم�صدرها والزمن الذي ت�ستغرقه في الو�صول ،ثم مدى بعده عن نظام مالحة الأقمار اال�صطناعية في ال�سيارة. وي�ستطيع نظام المالحة في القمر اال�صطناعي �أن يحدد الأماكن بدقة فائقة ،با�ستخدام مبد�أ التثليث. ذرية ،ويحمل نظام مالحة الأقمار لماذا نحتاج �إ ًذا �إلى القمر اال�صطناعي الرابع؟ يحتوي كل قمر ا�صطناعي على �ساعة ّ اال�صطناعية في ال�سيارة �ساعة رقمية )كوارتز( �أقل دقة .على حين ي�ضبط القمر اال�صطناعي الرابع عدم الدقة في �ساعة نظام المالحة الموجود في ال�سيارة التي قد ينجم عنها ح�سابات غير دقيقة.
I = fourth s checking a correcting messages
=Iي�ضبط القمر اال�صطناعي الرابع وي�صحح ر�سائل القمر اال�صطناعي. =IIنقطة تقاطع �إ�شارات الأقمار اال�صطناعية :موقعك
I
II = interse point of th satellite sig your locat II
تخيل �أن �أحد الأقمار اال�صطناعية قد ا�صطدم بحطام ف�ضائي مما �أدى �إلى ابتعاده عن الأر�ض .ف ِّكر في الأ�شياء التي �سوف تنتج عن ذلك .وهل �سيبقى هذا ال ُقمر في مكانه فوقك مبا�شرة؟ وهل �سيمكنك ا�ستقبال �إ�شاراته؟ وماذا �سيحدث لعامل الزمن ،والوقت المطلوب ال�ستقبال الإ�شارة خالل انتقالها من القمر اال�صطناعي و�إليه؟ �إذا كان القمر اال�صطناعي مبتعدا عنك ،فهل �ست�ستغرق الإ�شارة زم ًنا �أطول لو�صولها �إلى القمر اال�صطناعي من زمن رجوعها؟ يتحرك ً أعد مل�ص ًقا يو�ضح فكرتك عن الت�أثيرات التي ناق�ش �أفراد مجموعتك في �أفكارك وتوقعاتك حول الت�أثيرات المحتملة ،ثم � ّ تعتقد �أنها نتجت عن الحطام الف�ضائي الذي �أ�صاب �أحد الأقمار اال�صطناعية .واعر�ض هذا المل�صق على �سائر الطالب في ال�صف.
الن�شاط الثالث ثبات �سرعة ال�ضوء �أجرى العالمان الفيزيائيان �ألبرت مايكل�سون و�إدوارد مورلي تجربتهما ال�شهيرة في عام 1305هـ1887/م التي �أدت �إلى الإجابة عن ال�س�ؤال الأخير في الن�شاط .2 ونظرا �إلى �أهمية هذه التجربة ،فقد ُمنحا جائزة نوبل في مجال الفيزياء عام ً 1325هـ1907/م .ابحث عن مدى �أهمية تلك التجربة وما تو�صل �إليه هذان العالمان.
22
المتجهات والكميات العددية هب �أنك دعوت �صدي ًقا لك في الخارج لزيارتك للمرة الأولى .وهو �أر�سل �إليك ر�سالة بالبريد الإلكتروني ي�س�ألك فيها عن مكان �إقامتك ،و�أخبرته ب�أنك تبعد عن المطار م�سافة 5كم .فهل تعتقد �أنه �سيتمكن من �أن يجدك؟ �إن معرفة الم�سافة بينك أي�ضا �إلى معرفة االتجاه الذي �سي�سير فيه .لكن �إذا قلت له �إنك تبعد عن وبين المطار لي�ست كافية .و�سيحتاج �صديقك � ً المطار م�سافة 5كم �إلى الغرب ،فعندئذ �سي�ستطيع تحديد مكان منزلك� .إن م�سافة 5كم نحو الغرب ت�صف �إزاحتك عن دائما. المطار .والم�سافة كمية قيا�سية لأنه لي�س لها اتجاه ،في حين �أن الإزاحة كمية موجهة لأنها تحتوي على اتجاه ً
الن�شاط الرابع ر�سم م�سار الرحلة وهب انظر �إلى الخريطة المجاورةْ . �أنك الطيار الذي يقود �إحدى الطائرات التي �ستقلع من الريا�ض �إلى �أبوظبي ،ال�ساعة 08:00ب�سرعة 800كم في ال�ساعة. فكم يبلغ طول الم�سافة من الريا�ض �إلى �أبوظبي؟ وما الإزاحة من �أبوظبي �إلى الريا�ض؟ هبت رياح عنيفة من الجنوب �أدت �إلى خروج الطائرة عن خط �سيرها مما ا�ضطرت �إلى الهبوط في مطار الدوحة .فما الإزاحة من الدوحة �إلى الريا�ض؟ وما �سرعة الطائرة على الأر�ض؟ ومتى هبطت؟ وكم بلغت �سرعة الرياح؟
250
250
تو�سع �أ�صعب لماذا تختلف الفترة الزمنية التي ت�ستغرقها الرحلة الجوية من الريا�ض �إلى �أبوظبي عن الفترة الزمنية لرحلة العودة؟
23
الن�شاط الخام�س متجهات الإزاحة أ�سيا و�أنت جال�س في �سيارة .والحظ ما يحدث للبندول اربط كرة م�صنوعة من خيوط القطن بطرف خيط وام�سكها ر� ً عندما تت�سارع ال�سيارة �أو تتباط�أ �أو تنحرف عند المنعطفات.
ما المعلومات التي تح�صل عليها من حركة البندول فيما يتعلق بالقوى الم�ؤثرة في ال�سيارة في الأوقات المختلفة؟ أ�سهما لمتجهات تو�ضح ما يحدث لمو�ضع البندول عندما تت�سارع ال�سيارة �أو تتباط�أ �أو تنحرف عند المنعطفات .ثم ار�سم � ً �ضع �أ�سماء لهذه الر�سوم مع تو�ضيح �سبب رد الفعل الذي يتخذه البندول. يت�أرجح البندول المو�ضح في ال�صورة �أعاله �إلى الخلف� .صف حالتين تتحرك بهما ال�سيارة لتنتج هذا الأثر ،وو�ضح ر�سوما تخطيطية للمتجهات �إجابتك .لنفر�ض �أن الخيط كان مر ًنا ،واجتزت �أحد الحواجز (المطبات) في الطريق ،فار�سم ً مو�ضح ًا ما يحدث لإزاحة البندول. مع ت�سميتهاّ ،
الن�شاط ال�ساد�س التفكير بمتجهات �أخرى توجد في الدراجات النارية ما�صات لل�صدمات لت�ساعد الراكب على ال�شعور بمزيد �شخ�صا يجل�س على مقعد الدراجة النارية الموجودة في من الراحة .تخيل �أن هناك ً متجها في الر�سم التخطيطي يبين اتجاه القوة التي ي�ؤثر بها �سهما ً ال�صورة .ار�سم ً وزن الراكب. متجها �آخر يبين اتجاه القوة التي ي�ؤثر بها ناب�ض ما�ص ال�صدمات. �سهما ً ثم ار�سم ً فماذا يمكن �أن يو�صف مقدار هذه القوى؟ وكم عدد الكميات الفيزيائية الأخرى التي الم َتجهات؟ وما الكميات الفيزيائية التي لي�س لها اتجاه وال يمكن تمثيلها ب�أ�سهم ُ يمكن تمثيلها با�ستخدام �أ�سهم المتجهات؟
24
الإزاحة معا ،حيث يت�ضمن العديد من �ألعاب الطاولة الحركة حول �شبكة م�ستطيلة ال�شكل .وال�شطرنج هي لعبة يمار�سها العبان ً ُيعطى لكل العب 16قطعة عند بدء اللعبة هي :الملك والوزير وقلعتان وفيالن وح�صانان وثمانية جنود. أبدا في حيث يمكن للملك التحرك بمقدار مربع واحد في �أي اتجاه بما في ذلك الخطوط القطرية ،وال يمكن �أ�سره � ً اللعبة ،وعند تعر�ضه للخطر يجب حمايته على الفور .وعندما ي�ستحيل حماية الملك يخ�سر الالعب اللعبة .ويطلق على الهجوم الذي يتعر�ض له الملك من الخ�صم " ك�ش ملك" ،وعندما ي�ستحيل �صده يموت الملك وت�سمى " ك�ش مات" ويخ�سر �صاحبه اللعبة. � ّأما الوزير فهو �أقوى قطعة على رقعة ال�شطرنج� ،إذ يمكنه ال�سيطرة على مربعات �أكثر من �أي قطعة �أخرى .ويمكنه وقطريا م�سافة �أي عدد من المربعات ،ولكنه ال ي�ستطيع تخطي القطع الأخرى التي التحرك �إلى الأمام و�إلى الخلف ً تعتر�ض طريقه والقفز فوقها. القلعة يمكنها التحرك �أي عدد من المربعات في االتجاهين الأفقي �أو العمودي ،ولكنها ال ت�ستطيع تخطي القطع الأخرى التي تعتر�ض طريقها. الفيل يمكنه التحرك �إلى �أي مربع في االتجاهات القطرية التي يمر بها ،ولكنه ال ي�ستطيع تخطي القطع الأخرى التي تعتر�ض طريقه. تتكون حركة الح�صان من خطوتين مختلفتين ،يتحرك �أو ًال م�سافة مربع واحد بمحاذاة �ص ّفه ،ثم يتحرك على حين ّ واحدا في االتجاه القطري .وال ي�ؤخذ في الح�سبان �إذا كان المربع الذي �سيمر عليه الح�صان في الخطوة مربعا ً ً الأولى تحتله قطعة �أخرى. �أما الجنود فيتحركون عادة �إلى الأمام فقط .فيتحرك في الحركة الأولى من مربعه الأ�صلي �إلى الأمام م�سافة مربع واحد �أو مربعين �شاغرين بمحاذاة ال�صف الذي يقع عليه ،وتكون حركته بعد ذلك م�سافة مربع واحد �شاغر بمحاذاة �صفه ،وي�ستطيع الجندي �أن ي�أ�سر �أي قطعة تقع في االتجاه القطري له يمي ًنا �أو �شما ًال.
يتحرك الالعب الأبي�ض �أو ًال ،ويمكن لأي من الالعبين اال�ستيالء على قطعة الخ�صم عن طريق تحريك �إحدى قطعه �إلى المربع الذي تحتله قطعة الخ�صم .وعندئذ يتم �إخراج قطعة الخ�صم من الرقعة حتى نهاية المباراة. �إذا تعر�ض الملك �إلى خطر وكان لديه فر�صة لحمايته والنجاة به ،يطلق على هذا " ك�ش ملك"� ،إذ ال ي�ستطيع الملك التحرك فورا. الم َّ �إلى مربع " ك�ش ملك" �آخر .وفي هذه الحالة يجب �أن يقوم الالعب ُ هدد بتحريك ملكه ً والهدف الرئي�س في لعبة ال�شطرنج هو �أن ت�أ�سر ملك خ�صمك في حالة "ك�ش ملك" ،وعندما ال ي�ستطيع الملك تجنب الأ�سر فورا. ُيعد في حالة " ك�ش مات" ثم تنتهي اللعبة ً
25
الن�شاط ال�سابع الحركة ال�صحيحة تتكون من مربعات م�ساحة كل منها � 2سم � × 2سم .وابحث عن خ�صم انظر �إلى لعبة ال�شطرنج الموجودة �أدناه التي ّ ي�شارك في اللعبة حيث يبد�أ الالعب الأبي�ض بالتحرك. �سجل النقلة الأولى لك با�ستخدام �إحداثيات المربع ،فعلى �سبيل المثال نقل الح�صان من الموقع (� )f3إلى الموقع (.)g5 وا�ستمر باللعب حتى 5حركات لكل من الأبي�ض والأ�سود. عند االنتهاء من ذلك اح�سب الم�سافة الكلية لكل قطعة قمت بتحريكها و�إزاحتها مقارنة بموقعها الأول .و�أ�شر �إلى الإزاحة في الر�سم بو�ضع عالمة �سهم.
8 7 6 5 4 3 2 1 h
26
g
f
e
d
c
b
a
الن�شاط الثامن �إ�ستراتيجية التخطيط كان ال�شطرنج ُي�ستخدم في الع�صور الو�سطى لتعليم ع�سكريا فهل �سيكون من قائدا ا�ستراتيجيات الحرب .ف�إذا كنت ً ً الكلية التي يقطعها جنودك في اليوم، ال�ضروري معرفة الم�سافة ّ �أم الإزاحة الخا�صة بهم عند نهاية اليوم؟ ف ّكر في االختالفات الموجودة حول ن�شر �أنواع مختلفة من الجنود. خيل �أنك �أحد القادة الع�سكريين العظام في التاريخ ،ولديك َت ّ جنود م�شاة وفر�سان وجنود ي�ستخدمون الأقوا�س وال�سهام. فار�سم مل�ص ًقا يو�ضح معركة برية في الع�صور الو�سطى والأماكن التي �ست�ضع فيها كل مجموعة من الجنود. وف�سر �سبب اختيارك لموقع كل مجموعة ،ثم ار�سم �أ�سهم متجهات تو�ضح اتجاه كل مجموعة و�سرعتها.
27
ال�سرعة المتجهة �سرعة الج�سم القيا�سية هي الم�سافة التي يقطعها الج�سم في زمن معين ،وال�سرعة القيا�سية هي كمية غير متجهة .ويمكن ح�سابها با�ستخدام المعادلة :ال�سرعة = الم�سافة ÷ الزمن .وهي تقا �س بوحدة م/ث� ،أو كم�/ساعة .و�سرعة ال�ضوء هي متحركا .وقيمتها ت�ساوي كمية ثابتة �شديدة الأهمية ال تختلف بالن�سبة �إلى الم�شاهد حتى ولو كان م�صدر ال�ضوء ً 300000000م/ث .فما قيمتها بوحدة كم�/ساعة؟ معين .وال�سرعة المتجهة هي كمية �سرعة الج�سم المتجهة هي الم�سافة التي يقطعها الج�سم في زمن معين وباتجاه ّ متجهة .وعند �إ�ضافة �سرعتين متجهتين �أو �أكثر ،يجب الأخذ بنظر االعتبار مقدارهما واتجاههما. على �سبيل ge املثال
eg 10م/ثs /m01
15م/ثs /m51
15m/s
10m/s
=
= 25م/ثs/ m52 25m/s
10م/ثs /m01 15m/s
15م/ثs /m51 10m/s =
= 5م/ثs/ m5
5m/s
وي�سمى المتجه الناتج عن جمع متجهين �آخرين �أو �أكثر بالمح�صلة .وعند جمع متجهات متعامدة يجب ا�ستخدام قواعد علم المثلثات حتى نقوم بجمع المتجهات.
املح�صلة resultant
tnatluser s/m51
25م/ث 25m/s
s/m52
20م/ث s/m02 20m/s
28
15م/ث
15m/s
الن�شاط التا�سع م�سابقات كرة المن�ضدة ار�سم خط بداية على الأر�ض با�ستخدام الطبا�شير ،و�ضع عليه ُكرتي من�ضدة مع تحديد موقعهما .وار�سم على م�سافة 1
م�ص و�شخ�صا ثال ًثا لديه �ساعة موازيا له .تتطلب هذه اللعبة العبين لدى كل منهما �أنبوبة متر من خط البدء خط نهاية ً ً توقيت.
المباراة (اللعبة)
ينفخ كل العب على كرة المن�ضدة الخا�صة به باتجاه خط النهاية لمعرفة من �سي�صل �إليه �أو ًال ،ويح�سب ال�شخ�ص الثالث الوقت الذي ا�ستغرقته الكرة الفائزة .يمكن تكرار اللعبة عدة مرات با�ستخدام مواقع مختلفة لتوجيه تيار الهواء الخارج من �أنبوبة الم�ص نحو 1 الكرة لم�شاهدة مدى ت�أثير ذلك في م�سار الكرة و�سرعتها. �سهما بين هاتين النقطتين .ثم اح�سب الم�سافة حدد نقطتي البداية والنهاية لكل العب با�ستخدام الطبا�شير ،وار�سم ً والزاوية عن الخط الأفقي لكل العب .واق�سم الم�سافة على الزمن الذي ا�ستغرقه كل العب لإيجاد ال�سرعة الأكبر .ويكون الفائز هو ال�شخ�ص الذي يحقق �أكبر �سرعة.
الن�شاط العا�شر �شكل كرة الجولف ت�صمم كرات الجولف وت�صنع حتى يمكنها الحركة في خطوط ُم�ستقيمة وب�سرعة كبيرة حيث ُتغطى �أ�سطحها بنتوءات كما في ال�شكل المجاور .فلماذا ُ�صممت على هذه ال�صورة؟ تدور ُكرات الجولف حول نف�سها في �أثناء حركتها عبر الهواء. فكيف ي�ساعدها ذلك على الطيران ب�صورة م�ستقيمة؟ ا�ستخدم أدى ت�صميم النتوءات في ُكرات المكتبة �أو الإنترنت للبحث كيف � ّ الجولف �إلى تح�سين قدرتها على الطيران في الهواء.
29
الن�شاط الحادي ع�شر �أق�صى �سرعة على الأر�ض قيا�سيا في رقما ً "ثر�ست" THRUSTهو ا�سم �أحد �أ�سرع ال�سيارات في العالم ،حيث �سجلت في عام 1997م1418/هـ ً ال�سرعة على الأر�ض بلغت 763.035مي ًال في ال�ساعة ،والذي يعادل �( Mach 1.020سرعة ال�صوت). Getty Images
ماذا يق�صد بـ Mach 1.020؟ ابحث في المكتبة �أو الإنترنت لمعرفة ما الرقم القيا�سي الحالي لل�سرعة على الأر�ض ،وكيف تم تحقيقه .وهل تعتقد �أن حدا �أق�صى لل�سرعة التي يمكن لل�سيارة التحرك بها؟ ف�إذا كانت الإجابة بـِ "نعم" ا�شرح �سبب ذلك. هناك ًّ
تحدى نف�سك الخا�صة بثبات �سرعة ال�ضوء في عام 1887م .فلماذا ا�ستغرق �أمر ت�س ّلمهما جائزة �أكمل (مايكل�سون و ومورلي) تجربتهما ّ نوبل ح ّتى عام 1907م؟
مراجعة والت�أمل في هذه الوحدة نموذجا ال�ستك�شاف المتجهات؟ هل يمكنك التفكير • ما مكامن القوة وال�ضعف للعبة ال�شطرنج عندما ُت ّتخذ ً بنموذج �آخر �أف�ضل من لعبة ال�شطرنج؟ • هل �أُنفقت الأموال المخ�ص�صة للمالحة بو�ساطة الأقمار اال�صطناعية ب�صورة ُتح ّقق الغر�ض منها؟ ّ الخا�ص بكرة الجولف (الن�شاط العا�شر). م�ستفيدا من نتائج بحثك و�ضح كيف يحرف العبو كرة القدم الكرة، • ّ ً ّ
30
الوحدة الثالثة القوى في ُبعد واحد
316
حـول هـذه الوحــدة ُّمية للوحدة الأهداف التعل ّ
• �شرح وتطبيق قانون نيوتن الأول على الحركة الدائرية. • �شرح وتطبيق قانون نيوتن الأول والثاني على ميزات ت�صميم �سالمة ال�سيارة. • ا�ستخدام قانون نيوتن الثالث في �سياق الحركة في الف�ضاء. • تطبيق �أفكار حول الجاذبية على الكواكب الأخرى. • تطوير واختبار الفر�ضيات في �سياق الحركة الدائرية و الجاذبية و الكهرباء ال�ساكنة و المغناطي�سية. • بحث جدوى طاقة المد والجزر كمورد طاقة في الم�ستقبل للمملكة العربية ال�سعودية. • للتعرف على �أوجه الت�شابه الريا�ضية بين المعادالت التي ت�شرح قوة الجاذبية و قوة الكهرباء ال�ساكنة والقوة المغناطي�سية. • ا�ستك�شاف ُ�سبل الحد من انبعاثات الغازات الدفيئة والحد من ت�أثيرات االحترار العالمي ،با�ستخدام �أفكار �أخرى.
وتطبق على الحركة الدائرية تركز هذه الوحدة على القوى في �سياق قوانين نيوتن والمجاالت .ت�ستخدم قوانين نيوتن ّ وعلى ميزات ت�صميم �سالمة ال�سيارة .ومن ثم ت�ستك�شف الكهرباء ال�ساكنة و قوة الجاذبية والقوة المغناطي�سية ،والنظر بعد ذلك على �أوجه الت�شابه الريا�ضية بينهم.
32
ا�ستك�شاف القانون الأول لنيوتن الحظت في الن�شاط الخام�س من الوحدة الثانية �أن ر�أ�س البندول المعلق من �سقف ال�سيارة يريد اال�ستمرارية بالحركة بخط م�ستقيم عند انعطاف ال�سيارة بزاوية .وهذه الظاهرة هي نتيجة لقانون نيوتن الأول والذي ين�ص ب�أن كل ج�سم �سوف يبقى ثابت ًا �أو ي�سري بخط م�ستقيم ما لم ت�ؤثر عليه قوة خارجية� .سوف ن�ستك�شف في هذه الوحدة عن ت�أثيرات هذا القانون.
الن�شاط الأول تحدي الجاذبية ومقاومتها �إذا ُد ْر َت حول نف�سك ،ف�ستالحظ �أن مالب�سك تتطاير مبتعدة عن ج�سمك .ما �سبب ذلك؟ �ضع كرة من�ضدة في دلو �صغير ،واربط مقب�ض الدلو بخيط ،ثم ام�سك بالخيط وحرك الدلو في دائرة �أفقية ،ثم زد �سرعة الدلو ب�صورة تدريجية( .احر�ص على �أن ِّ تكون لديك م�ساحة كافية لتنفيذ هذا الن�شاط) فماذا تالحظ بالن�سبة �إلى قوة الخيط في يدك؟ وما العوامل الأخرى التي يمكن �أن تغيرها للت�أثير في القوة التي �شعرت بها في يدك؟ ا�ستنتج ماذا �سيحدث للدلو �إذا انقطع الخيط فج�أة في �أثناء تدويره .ولماذا �سيحدث ذلك؟ وو�ضح كيف يرتبط ذلك بالقانون الأول لنيوتنُ .يطلق على القوة التي كنت ت�شعر بها ا�سم القوة المركزية ،فهل يمكنك التفكير في طريقة لتعديل تجربتك بحيث ت�ستطيع من قيا�س مقدار هذه القوة؟
التو�سع كيف تف�سر �أنه في �أثناء تحريك الدلو على محيط الدائرة ف�إن �سرعة حركته تظل ثابتة ،على حين تتغير �سرعته المتجهة؟ تخيل �أن الكرة تتحرك على محيط دائرة ن�صف قطرها ،rوت�صنع زاوية مقدارها θوذلك عندما تتحرك من النقطة � Aإلى النقطة B في فترة زمنية مقدارها ،tلذا ف�إن طول القو�س � ABسي�ساوي،rθ م�ساويا للمقدار .v = rθ/t و�سوف يكون مقدار ال�سرعةv ً ار�سم مثل ًثا قائم الزاوية با�ستخدام متجه ال�سرعة v1بو�صفه وترا للمثلث ،على حين زاوية مجاورة ،ومتجه ال�سرعة v2كونه ً تمثل الزاوية المقابلة في هذا المثلث التغير في ال�سرعة المتجهة تقريبا .والآن �أوجد مقدار ت�سارع .Δvوو�ضح �أن ذلك ي�ساوي vθ ً الكرة بين النقطتين Aو .Bوهذا ما يعرف بالت�سارع المركزي.
v1 θ
A v1
B
v2
θ v2
r
A B r
θ θ
حاول الآن تحريك الدلو حول المركز في دائرة ر�أ�سية .فماذا يحدث للكرة �إذا كانت حركتك بطيئة؟ و ِل َم يحدث ذلك؟ �إذا كانت لديك �شجاعة كافية ،فيمكنك تنفيذ التجربة با�ستعمال دلو مملوء بالماء! اح�سب �أقل �سرعة يتطلبها تحريك الدلو حركة دائرية على �أن تبقى الكرة بداخله عندما ي�صل الدلو قمة الم�سار الدائري.
33
الن�شاط الثاني نيوتن والغ�سالة الآلية كيف يف�سر القانون الأول لنيوتن في الحركة ،مبد�أ عمل الغ�سالة عندما تكون في دورة التجفيف؟ ولم�ساعدتك على فهم ذلك ،جرب تنفيذ هذا الن�شاط بالتعاون مع زميلك. �صغيرا في مركزه حتى تتمكن �سيخا ورقيا ،و�أدخل ً لوحا ً �أح�ضر ً ً من تدوير اللوح حول محور مركزي ،ثم �ضع بع�ض حبوب الأرز دور اللوح ببطء ،وزد على م�سافات مختلفة من مركز اللوحَ ،ث َّم ّ تدريجيا ،ثم الحظ ماذا �سيحدث لحبات الأرز. �سرعة الدوران ً
داخل الغ�سالة الآلية تمثل ال�صورة اليمنى �أدناه �صورة بالأ�شعة ال�سينية لغ�سالة �آلية ذات باب �أمامي لو�ضع المالب�س بداخلها .ا�شرح من خالل مالحظاتك كيف ت�ساعد دورة التجفيف الخا�صة بالغ�سالة على �إزالة الماء. Gustoimages/Science Photo Library
تحتوي الغ�ساالت ذات الباب الأمامي على �أ�سطوانة تدور في الم�ستوى الر�أ�سي ،وفي �أثناء دورانها تلت�صق المالب�س المبللة بجوانبها .و�ضح ِل َم يحدث ذلك؟ وعند تباط�ؤ دوران الأ�سطوانة تقل قوة الت�صاق المالب�س بها .و�ضح ذلك. �أي نقطة من نقاط الدائرة الر�أ�سية ُيبذل فيها �أكبر قدر من القوة على المالب�س؟ و�ضح �أ�سباب ذلك م�ستعي ًنا بنموذج ريا�ضي.
الجاذبية اال�صطناعية توظف هذه النظرية عند ت�صميم محطة ف�ضاء كي كيف ِّ رواد الف�ضاء بـ"الجاذبية اال�صطناعية"؟ ي�شعر ّ
34
نموذج لمحطة ف�ضاء دولية
مزيد من التنقيب في قوانين نيوتن الزخم ي�ساوي حا�صل �ضرب كتلة الج�سم mفي �سرعته المتجهة .v
الزخم = كتلة الج�سم × �سرعته المتجهة دائما مع اتجاهه. الزخم كمية متجهة ويجب تحديده ً
كبيرا ،كالقطار، ي�صعب �إيقاف الأج�سام التي تمتلك ً زخما ً قليال كالدراجة الهوائية. زخما ً مقارنة بالأج�سام التي تمتلك ً يتطلب لإيقاف ج�سم بزمن ق�صير ،قوة كبيرة .ولكن� ،إذا �أردنا �إيقافه في زمن كبير ف�إن القوة المطلوبة حينئ ٍذ تكون عبر نيوتن عن ذلك في قانونه الثاني في الحركة الذي ين�ص على �أن :القوة المح�صلة الم�ؤثرة في الج�سم تكون �أقل .وقد ّ م�ساوية لمعدل التغير في زخمه.
التغير القوة = التغير في الزخم ÷ الزمن الم�ستغرق في ّ �ستو�ضح الأن�شطة المتوفرة في هذا الجزء العالقة هذه ب�صورة �أكبر.
الن�شاط الثالث لماذا ن�ستعمل حزام الأمان؟ �صغيرا لرجل من ال�صل�صال ،و�أجل�سه فوق و�ض ْعها عند قمة م�ستوى مائل ،ثم ا�صنع تمثا ًال خذ لعبة �سيارة �صغيرةَ ، ً ال�سيارة ،ثم �ضع كرة من ال�صل�صال عند �أ�سفل الم�ستوى المائل لإيقاف ال�سيارة.
35
دحرج ال�سيارة على الم�ستوى المائل حتى ت�صطدم بالحاجز الموجود �أ�سفل الم�ستوى المائل ،فماذا �سيحدث لتمثال الرجل الم�صنوع من ال�صل�صال؟ وكيف ُيو�ضح ذلك القانون الأول لنيوتن؟ وف�سر كيف حاول تغيير زخم الرجل عن طريق تغيير كتلته �أو �سرعته المتجهةّ . ي�ؤثر ذلك فيما يحدث عندما ت�صطدم ال�سيارة بالحاجز؟ وكيف ُيو�ضح ذلك القانون الثاني لنيوتن؟ لتعرف العالقة بين زخم الرجل والم�سافة التي قطعها بعد �أن �أُلقي من ن ّفذ ً تق�صيا ّ ال�سيارة لحظة اال�صطدام بالحاجز ،ثم و�ضح العالقة التي تو�صلت �إليه م�ستعينا بالر�سم البياني. و�ضح �أهمية وجود �أحزمة الأمان في ال�سيارة .ولماذا يجب �أن يكون حزام الأمان قاب ًال لال�ستطالة (�أي مر ًنا)؟ وماذا �سيحدث �إذا لم ي�ستطل حزام الأمان� ،أو �إذا ا�ستطال ب�صورة كبيرة؟ ا�شرح كيفية ارتباط ت�صميم حزام الأمان بكال القانونين؛ الثاني والثالث لنيوتن. اعتمادا على النتائج التي تو�صلت �إليها� ،أو ن�شرة لت�شجيع النا�س على ا�ستعمال �أحزمة الأمان في ال�سيارات. �صمم مل�ص ًقا ً ّ
الن�شاط الرابع حزام الأمان المثالي
عددا من المواد المختلفة الختبار مدى ثم اجمع ً ْ مالءمتها ،وقرر كيفية اختبارها .وكيف يمكنك محاكاة القوة المفاجئة التي �ستتعر�ض لها هذه المواد في �أثناء الت�صادم؟ وكيف يمكنك قيا�س درجة ثبات كل مادة للراكب؟ ا�شرح مزايا حزام الأمان التي فكرت فيها خالل عملية مو�ضحا كيفية �إجراء االختبار عن طريق الر�سم الت�صميم، ً البياني ،وتو�ضيح كل من الإجراءات والقرار الذي اتخذته حول �أف�ضل مادة �سوف ت�ستخدمها.
36
TRL Ltd/Science Photo Library
ٍ وطلب �إليك ت�صميم تخيل �أنك تعمل في �شركة لل�سياراتُ ، الركاب من الإ�صابة بحماية يتميز حزام �أمان مثالي ّ نتيجة ا�صطدامهم بلوحة القيادة الأمامية عند تعر�ض مريحا عند ا�ستعماله، ال�سيارة لحادث ت�صادم ،و�أن يكون ً و�أال يت�سبب في �إ�صابة القف�ص ال�صدري للراكب عند وقوع ٍ حادث ما.
الن�شاط الخام�س مناطق التحطم (مناطق امت�صا�ص ال�صدمات) خ�صي�صا ليتحطم في حال وقوع حادث يعمل غطاء محرك ال�سيارة عمل جبهة امت�صا�ص ل�صدمات ال�سيارة .وهو ُم�صمم ً من �أجل حماية الركاب.
تخيل ماذا �سيحدث عندما ال توجد في ال�سيارة منطقة المت�صا�ص ال�صدمات؟ ولماذا �ستكون قوة اال�صطدام التي ي�شعر بها الركاب كبيرة؟ تغير القوة التي تتعر�ض لها ال�سيارة بتغير زمن اال�صطدام لمنطقة امت�صا�ص كيفية ّ يو�ضح الر�سم البياني الآتي ّ ال�صدمات.
القوة (نيوتن)
ت�أثري مناطق العمل
الزمن (ثواين)
و�ضح كيف يرتبط هذا الر�سم البياني بالقانون الثاني لنيوتن. 37
الكتلة والوزن ت�صف الكتلة mكمية المادة داخل الج�سم ،وهي تتحدد بحجم الج�سم ،Vوكثافة المادة التي يتكون منها الج�سم .D دائما هي نف�سها ،وال تتغير �إذا انتقل الج�سم �إلى والوحدة الأ�سا�سية للكتلة هي الكيلوجرام (كجم) .وتكون كتلة الج�سم ً كوكب �آخر.
الكتلة ( = )mالكثافة × ( )Dالحجم ()V � ّأما الوزن ( )Wفهو عبارة عن قوة ت�سحب الج�سم �إلى الأ�سفل نحو مركز الكوكب ،و�ست�سقط الأج�سام جميعها بفعل هذه ولكنه ال ي�ساويها ،وهو ُيقا�س بوحدة النيوتن(،)N القوة نحو مركز الكوكب في حال تركها .ويرتبط وزن الج�سم بكتلته ُ ويح�سب ب�ضرب كتلة الج�سم بوحدة الكيلوجرام في �شدة مجال الجاذبية (� ،)gأو ما ُي�سمى بت�سارع الجاذبية الأر�ضية ُ للكوكب الذي يوجد عليه.
الوزن = ( )Wالكتلة (� × )mشدة مجال الجاذبية ()g متو�سط قيمة �شدة مجال الجاذبية الأر�ضية ي�ساوي � ،N/kg 9.81أي 9.81نيوتن/كيلوجرام.
الن�شاط ال�ساد�س الجاذبية الأر�ضية يو�ضح الر�سم �أدناه مناطق من الأر�ض ذات قيم مختلفة ل�شدة مجال الجاذبية الأر�ضية .فلماذا تختلف �شدة مجال تبعا الختالف المكان؟ الجاذبية الأر�ضية ً
قيمة �شدة مجال الجاذبية الأر�ضية في الدمام ت�ساوي 9.793م/ث 2غير �أن هذه القيمة ت�ساوي 9.818م/ث 2في �ستوكهولم. وبالنظر �إلى موقعي المدينتين على الكرة الأر�ضية ،ا�ستنتج الفر�ضية الخا�صة حول �سبب وجود قيم مختلفة ل�شدة مجال الجاذبية الأر�ضية في كال الموقعين. عبر �أحيا ًنا عن �شدة مجال الجاذبية بوحدة � N/kgأي نيوتن/كيلوجرام ،و�أحيا ًنا بوحدة � m/s2أي م/ث .2و�ضح كيف ُي ّ �أن هاتين المجموعتين من الوحدات مت�ساويتان. 38
الن�شاط ال�سابع الجاذبية على كوكب �آخر يو�ضح الجدول الآتي متو�سط �شدة مجال الجاذبية على بع�ض الأج�سام الأخرى في نظامنا ال�شم�سي مقارنة مع �شدة مجال الجاذبية على الأر�ض. اجل�سم
م�ضاعف جاذبية الأر�ض
مرت /ثانية
ال�شم�س
27.90
274.1
عطارد
0.3770
3.703
الزهرة
0.9032
8.872
الأر�ض
( 1بحكم تعريفها)
9.8226
القمر
0.1655
1.625
املريخ
0.3895
3.728
امل�شرتي
2.640
25.93
زحل
1.139
11.19
�أورانو�س
0.917
9.01
نبتون
1.148
11.28
بلوتو
0.0621
0.610
2
كتلة الم�شتري �أكبر من كتلة الأر� ِ ض ﺒ 318مرة ،ومع ذلك فمجال الجاذبية للم�شتري �أكبر من مجال الجاذبية للأر�ض ﺒ 2.64مرة فقط .فهل يمكنك تو�ضيح ذلك؟ 2 �إذا كان مجال جاذبية ال�شم�س ي�ساوي 274.1م/ث فلماذا ال تنجذب الكواكب الأخرى جميعها نحوها؟ �إذا كان على الإن�سان �إخالء الأر�ض ،فما الكوكب الذي �ستختار الذهاب �إليه؟ ولماذا؟ وكيف �سي�ؤثر مجال جاذبية هذا الكوكب في الحركة عليه؟ أي�ضا الغالف الجوي للكوكب ودرجة كيف �سي�ؤثر � ً حرارته في �إمكانية وجود الحياة عليه؟ وما العوامل الأخرى التي يجب �أخذها في الح�سبان قبل اتخاذ �صمم مل�ص ًقا القرار ب�إقامة م�ستعمرة على الكوكب؟ ّ يو�ضح �أفكارك.
39
الن�شاط الثامن قوانين نيوتن في المدار Science Photo Library
انظر �إلى �صورة رائد الف�ضاء الذي ي�ص ِلح �سفينة الف�ضاء .وافتر�ض �أنه يطرقها بالمطرقة .فماذا �سيحدث له؟ وماذا �سيحدث ل�سفينة الف�ضاء؟ و�ضح �إجابتك. تحتوي البدلة الخا�صة برائد الف�ضاء على حبل قوي لل�سالمة ُيطلق عليه ا�سم "الحبل ال�سري" �أو حبل التزويد لأنه يزود رائد الف�ضاء بالهواء ،ويحافظ على ارتباطه بال�سفينة في �أثناء ال�سير في الف�ضاء .افتر�ض �أن رائد الف�ضاء �ضرب الحبل ال�سري بالمطرقة خط�أ مما �أدى �إلى قطعه ،فماذا �سيحدث له؟ ماذا �سيحدث �إذا قرر رائد الف�ضاء ا�ستخدام مفك كهربائي ال�سلكي لفك �أحد الم�سامير اللولبية في �سفينة الف�ضاء؟ و�ضح الحركة الالحقة لكل من رائد الف�ضاء و�سفينة الف�ضاء.
الن�شاط التا�سع المد والجزر في المحيط
40
Martin Bond/Science Photo Library
من المتوقع �أن تن�ضب الإمدادات العالمية من النفط في غ�ضون ب�ضعة عقود .لذا ف�إن العديد من الدول تطور تقنيات بديلة لتوفير الطاقة من الموارد ّ المتجددة .و�إحدى هذه التقنيات البديلة ا�ستخال�ص الطاقة من المد والجزر في المحيطات. تخيل �أنك عالم تعمل مع هيئة للطاقة البديلة في المملكة العربية ال�سعودية .وقد ُ�سئلت بالنظر في جدوى �إن�شاء محطة جديدة لطاقة المد والجزر. تعرف على ماهية الق�ضايا الرئي�سية التي �ستهتم بها. ّ وتقيم علوم طاقة المد لتفهم إليه � �ستحتاج الذي ما ّ والجزر وتقنيتها؟ أي�ضا لتقييم الق�ضايا وما الذي �ستحتاج �إليه � ً االقت�صادية والبيئية واالجتماعية ذات ال�صلة محطة ران�س ( )Rancلطاقة المد والجزر في فرن�سا بم�شروعك؟ قريبا من المدن والبلدات ،و�أال يكون في موقع ي�ؤدي جدا ،من ّ المد والجزر مهم ً �إن موقع محطة طاقة ّ المف�ضل �أن يكون ً المد والجزر فيه �إلى �إغراق الأرا�ضي المنخف�ضة .ما الموقع المنا�سب في ر�أيك لإقامة محطة طاقة المد والجزر في حاجز ّ المملكة العربية ال�سعودية؟ اعتمادا على تحليالتك لهذه الق�ضايا ،وما التو�صيات المنا�سبة التي تقترحها لم�شروعك المف�ضل؟ على �أن تقريرا اكتب ً ً تت�ضمن المبررات الخا�صة بالإجراءات التي تدعو �إليها. �سيلحق ال�ضرر بمواطن الحياة تعار�ض �إحدى الجماعات البيئية خططك ،م�ستندة �إلى �أن الت�أثير البيئي للم�شروع ُ الحيوانية والنباتية .فكيف تدح�ض هذا االعترا�ض؟
القوة الم�ؤثرة عن ُب ْعد بع�ض القوى ال ت�ؤثر عند نقطة التالم�س ،ولكنها ت�ؤثر عن ُبعد .لقد �شاهدنا بالفعل �أن الجاذبية الأر�ضية هي �إحدى هذه القوى .ومن القوى الأخرى التي تعمل بهذه الطريقة هي القوى المغناطي�سية ،والقوى الكهرو�سكونية� ،إذ تو ّلد هذه القوى كلها مجاالت. وهذه المجاالت هي مناطق محيطة بالقوى يظهر فيها ت�أثيرها .و�سنتناول في هذا الق�سم �سلوك هذه المجاالت.
الن�شاط العا�شر القوى الكهرو�سكونية قربه من تيار ماء متدفق من ال�صنبور .فما الذي �ست�شاهده؟ وكيف يمكن �أن ي�ؤثر �أدلك بالو ًنا ً منفوخا بمالب�سك ،ثم ّ البالون في ماء ال�صنبور دون �أن يلم�سه؟ ما هذه القوة الم�ؤثرة؟ وما العوامل التي تعتقد �أنها �ست�ؤثر في مقدار هذه القوة؟ ما هي المعادلة الخا�صة بمقدار القوة الكهرو�سكونية بين ج�سمين م�شحونين .وهل تبدو هذه المعادلة م�شابهة لأي معادلة �سبق �أن �شاهدتها؟ Charles D. Winters/Science Photo Library
التو�سع كهربائيا ،مما ي�ؤدي �إلى انجذابه نحو البالون .وقارن بين م�سار الماء من جهة، و�ضح كيف ي�صبح تيار الماء م�شحو ًنا ّ ً والم�سار الذي تتبعه الإلكترونات في مداراتها حول النواة من جهة �أخرى .وو�ضح �أوجه الت�شابه بين الم�سارين. تعتمد �إحدى طرق �إزالة التلوث من الجو على ا�ستخدام المر�سبات الكهرو�سكونية في مداخن الم�صانع .و�ضح كيف تكون ر�سبات فعالة في �إزالة الملوثات من الجو. هذه ُ الم ّ 41
الن�شاط الحادي ع�شر القوى المغناطي�سية يجذب المغناطي�س المواد المغناطي�سية حتى دون لم�سها .خذ �سدادة من الفلين ودعها تطفو على �سطح الماء� .ضع �إبرة قرب المغناطي�س نحو الإبرة .ماذا �سيحدث؟ على الفلين ثم ّ هذا مثال �آخر على القوة الم�ؤثرة عن ُبعد .ما الذي يعتمد عليه مقدار هذه القوة في ر�أيك؟ ولماذا تنجذب الإبرة نحو مغناطي�سا بحد ذاتها؟ المغناطي�س حتى لو لم تكن ً في �سنة 681هجرية 1282/ميالدية اخترع الأ�شرف عمر، وهو عا ِلم فلك ،وثالث �سالطين الر�سوليين في اليمن� ،أحد الأ�شكال الأولية من البو�صلة با�ستخدام �إبرة ُممغنطة طافية في وعاء فيه ماء. جرب مغنطة �إبرتك عن طريق حكها بمغناطي�س، ّ وحاول �أن تكرر تجربة الأ�شرف عمر. ابحث في الخ�صائ�ص المغناطي�سية لك ٍّل من الحديد، والفوالذ ال�صلب .وتوقع ت�أثير ا�ستخدام مغناطي�س من الحديد في هذه التجربة بد ًال من مغناطي�س �آخر من وي�ستخدم الحديد على الأغلب في قلب الفوالذ ال�صلبُ . المغانط الكهربائية بد ًال من الفوالذ ال�صلب ،فهل يمكنك تف�سير ذلك؟ ولماذا ال تنجح التجربة بالم�ستوى ذاته �إذا كانت الإبرة م�صنوعة من الحديد كما لو كانت م�صنوعة من الفوالذ ال�صلب؟ �أوجد المعادلة الخا�صة بمقدار القوة بين مغناطي�سين .وكيف تت�شابه هذه المعادلة مع المعادلة الخا�صة بالقوى الأخرى الم�ؤثرة عن ُبعد؟
42
الن�شاط الثاني ع�شر قوة الجاذبية لقد تعرفت من الن�شاط 12في الوحدة الأولى �أن قوة الجذب بين ج�سمين تتحدد بالمعادلة ،F = G Mm/r2حيث � ّإن m و Mهما كتلتا الج�سمين ،و rالم�سافة الفا�صلة بين مركزي الج�سمين و Gثابت الجذب العام الذي مقداره:
.6.674 × 10-11 m3 kg-1 s-2و�ضح �سبب وجود الثابت Gفي هذه المعادلة( .تلميح :فكر في وحدات .(SI ا�ستنادا �إلى هذا القانون ،ف�إن ذلك ،يعني �أن هناك قوة �إذا كان كل ج�سم يجذب كل ج�سم �آخر في الكون كما هو متوقع ً جذب بينك وبين من يجل�س بجوارك .فما الذي يتعين عليك قيا�سه للتو�صل �إلى ح�ساب هذه القوة؟ ولماذا ال تعي �أو تدرك هذه القوة على الرغم من �أثرها فيك طوال الوقت؟ �أوجد قوة الجذب بينك وبين ال�شخ�ص الذي يجل�س بجوارك على اعتبار �أن قيمة ثابت الجذب العام هي: 6.67 × 10-11 m3 kg-1 s-2
قانون التربيع العك�سي لقد الحظت �أن كافة القوى التي ت�ؤدي �إلى زيادة مجاالت القوةُ ،تح�سب با�ستخدام عالقات التربيع العك�سي .وذلك لأن �أي م�صدر في نقطة معينة ين�شر ت�أثيره ب�صورة مت�ساوية في االتجاهات جميعها على نطاق غير محدود بما يتوافق مع قانون التربيع العك�سي. خالل التفكير في م�صدر هذه القوى الذي يكمن في مركز المنطقة الم�ؤثرة ،ا�شرح كيف �أن القوة الناتجة يجب �أن تخ�ضع لقانون التربيع العك�سي.
S
r
2r
3r
43
الن�شاط الثالث ع�شر الهند�سة الجيولوجية :تقنية تعديل بيا�ض الغيوم يت�سبب االحترار العالمي في ان�صهار الأغطية الجليدية في القطبين ،كما ي�ؤدي �إلى تغيرات مناخية كبيرة .فيرتفع م�ستوى ماء البحر فوق الأرا�ضي المنخف�ضة ،وتتعر�ض مناطق زراعة المحا�صيل للت�صحر ب�سبب الجفاف. ي�سعى العلماء با�ستمرار �إلى حل م�شاكل االحترار العالمي .و�أحد الحلول التي يمكن تطبيقها تكمن في زيادة �ضوء ال�شم�س المنعك�س نحو الف�ضاء من الغالف الجوي با�ستخدام تقنية تعديل بيا�ض الغيوم .وتت�ضمن هذه التقنية "تبيي�ض" الغيوم عن طريق ر�ش قطرات ماء البحر من ال�سفن نحو الأعلى.
�سفينة تقنية بيا�ض الغيوم فعالة في التقليل من ِح َّد ِة االحترار العالمي؟ و�إالم ا�ستندت في التو�صل �إلى هذا فهل تعتقد �أن هذه الطريقة �ستكون ّ اال�ستنتاج؟ اقترح م�صادر الطاقة المحتملة لتحقيق تعديل بيا�ض الغيوم .وكيف يمكن تجنب ا�ستخدام م�صادر الطاقة التي ت�ؤدي �إلى تفاقم م�شكلة االحترار العالمي؟ فعالية للتقليل من االحترار العالمي؟ تخيل �أنك ُف ّو�ضت من مجل�س الطاقة العالمي لتقديم هل توجد طرق �أخرى �أكثر ّ قدما في خف�ض االحترار العالمي ،فما التو�صيالت التي �ستقترحها؟ وكيف تو�صيات ب�ش�أن الطرق الأكثر كفاءة للم�ضي ً بررها؟ ُت ّ حدد بع�ض النتائج المترتبة على عدم خف�ض االحترار العالمي خالل الع�شر �سنوات القادمة حتى تجعل تقريرك �أكثر ّ أثيرا. ت� ً
تحدى نف�سك �أعمل تقرير تدعم فيه �أو �ضد الم�شاريع العلمية مثل م�شروع "�سيرن".
مراجعة والت�أمل في هذه الوحدة • • • • 44
ما هي الأدلة التي تدعم �أو �ضد االحترار العالمي الذي ي�سببه الإن�سان؟ برر اختيارك لأف�ضل م�صدر للطاقة بديل للمملكة العربية ال�سعودية. �أ�شرح ال�سبب بوجود قوة تعمل على ج�سم ب�شكل دائري. ف ّكر بدلو مربوط بخيط يتحرك ب�شكل دائري� .أ�شرح كيف �أنك تعرف �أن القوة العاملة على الدلو يجب �أن يكون اتجاهها نحو مركز الدائرة.
الوحدة الرابعة ال�شغل والقدرة والطاقة
5
45
حـول هـذه الوحــدة ُّمية للوحدة الأهداف التعل ّ • • • • • •
تدرك مفاهيم ال�شغل والطاقة والقدرة ،وتتمكن من ح�ساب القيم الخا�صة بها. تدرك �أن الطاقة توجد في �أ�شكال مختلفة كثيرة ،كالطاقة الحركية ،والطاقة الكامنة الجاذبة ،والطاقة الكامنة المرنة ،والطاقة الحرارية ،والطاقة الكيميائية ،والطاقة الكهربائية. ُتطبق قانون حفظ الطاقة في حاالت من واقع الحياة. تدرك �أهمية عمل "جوزيف فون فراونهوفر" في تحديد غازات الغالف الجوي للنجوم من خالل ا�ستخدام طيف االمت�صا�ص. أنماطا تظهر في البيانات الأولية ،وتجري البحوث با�ستخدام م�صادر ثانوية. تح ّلل � ً تطور مهارات التقدير بما في ذلك تقدير كمية الأخطاء. ّ
تتعرف على �أ�شكال �سوف تتعلم في هذه الوحدة ما يتعلق بالطاقة وتطبيقاتها في العديد من مجاالت الفيزياء .كما ّ وانتهاء بمفاهيم �أ�صعب. بدءا بالمبادئ الأ�سا�سية ً الطاقة المتعددةً -
الن�شاط الأول ال�شغل والقدرة ج�سما م�سافة ما تبذل الحفارة �شغ ًال في كل مرة تغرف فيها غرفة من الترابُ . ويب َذل ال�شغل في كل مرة تحرك فيها القوة ً �صادرا عن �شخ�ص �أو �آلة ف�إن الطاقة ُتعطى للج�سم الذي يقع عليه ال�شغل. باتجاه تلك القوة .وعندما يكون ال�شغل المبذول ً وفي هذا المثال ،تبذل الح ّفارة �شغ ًال و ُتعطي غرفة التراب طاقة و�ضع جاذبية .ويكون ال�شغل المبذول والطاقة المعطاة دائما مت�ساويين. للج�سم ً
46
ح�سب ال�شغل با�ستخدام المعادلة التالية: ُ وي َ
ال�شغل المبذول= القوة × الإزاحة في اتجاه القوة ويقا�س ال�شغل بوحدة الجول ( .)Jوينبغي عند ا�ستخدام هذه المعادلة ،الحر�ص على قيا�س القوة الم�ؤثرة والإزاحة ُ المقطوعة في االتجاه نف�سه.
تفح�ص �صورة الحفارة بعناية. ّ أفقيا على الأر�ض. • ّ قدر القوة الم�ستخدمة لملء مغرفة الحفارة في �أثناء �سحبها � ً قدر وزن المغرفة بعد ملئها بالتراب. • ّ فقدر الم�سافات الأخرى في ال�صورة ،ثم اح�سب القيمة �إذا علمت �أن عر�ض غرفة �سائق الحفارة ي�ساوي 2م تقريباّ ، ً التقديرية لإجمالي مقدار ال�شغل الذي بذلته الحفارة لرفع مغرفة واحدة من التراب من موقعها الحالي �إلى م�ستوى م�ساوٍ الرتفاع غرفة ال�سائق. القدرة ت�ساوي المعدل الزمني لبذل ال�شغل ،و ُتح�سب بالمعادلة الآتية: القدرة = ال�شغل المبذول ÷ الزمن
و ُتقا�س القدرة بوحدة الواط (.)w ت�شاهد في ال�صورة المجاورة �آلة ثقيلة لتثبيت ركائز البناء الخر�سانية. وتتكون هذه الآلة من مطرقة هيدروليكية كتلتها 2800كجم ،حيث ّ ُترفع هذه المطرقة �إلى ارتفاع 5م ،ثم ُتلقى ل ُتحدث حفرة في الأر�ض عمقها 3م .وتتكرر هذه العملية مرة كل 30ثانية. اح�سب قوة المحرك الهيدروليكي الذي ي�ش ّغل �آلة الطرق ،ولماذا قد تكون القيمة التي تو�صلت �إليها غير دقيقة؟
47
الن�شاط الثاني الطاقة الميكانيكية ومطها ،ف�إن مقدار ال�شغل المبذول ي�ساوي الطاقة الكامنة المرنة للمادة. معينة ّ عند بذل �شغل ّ ل�شد مادة ّ
الطاقة الكامنة المرنة = x F
1 2
ال�شد = x ،اال�ستطالة) (حيث =Fقوة ّ
أ�سيا �إلى الأعلى ،ف�إن مقدار ال�شغل المبذول ي�ساوي الطاقة الكامنة الجاذبة للج�سم. عند بذل �شغل في رفع ٍ ج�سم ما ر� ً
الطاقة الكامنة الجاذبة = mgh (حيث =mكتلة الج�سم =g ،ت�سارع الجاذبية الأر�ضية =h ،االرتفاع) وتتحول طاقته الكامنة �إلى طاقة حركية. عند تحرير ج�سم م�شدود� ،أو ترك ج�سم مرفوع ،ف�إنه يتحرك، ّ
الطاقة الحركية = mv2 (حيث � = vسرعة الج�سم)
قوة النواب�ض
تق�ص �سلوك الناب�ض عند تعليق كتلٍ مختلفة عليه. َّ • كيف تتغير ا�ستطالة الناب�ض؟ • كيف يتغير زمن اهتزازات الناب�ض؟ • كيف تتغير طاقة النظام؟ • هل ت�ستطيع �أن تجد عالقة للتعبير عن مجموع الطاقة في النظام عند �أي لحظة زمنية؟ ٍ اهتزازة بيانيا كيف يتغير كل �شكل من �أ�شكال الطاقة في �أثناء م ّثل ً كاملة؟ هل ت�ستطيع �أن تجد العالقة بين طاقة النظام ،والثقل المعلق تو�ضح هذه العالقة؟ بالناب�ض؟ وهل ت�ستطيع �أن ّ
48
1 2
تو�ضيح الطاقة في الدمية ُ�سحبت الدمية الظاهرة في ال�صورة �إلى الأ�سفل قلي ًال ،ثم ُتركت .فتخيل ما �سيحدث بعد ذلك. • كيف تبد�أ الدمية بالحركة؟ تحوالت الطاقة التي تحدث في �أثناء حركة الدمية من • ا�شرح ّ الأ�سفل �إلى الأعلى. • � ّأي نقطة تبلغ عندها الدمية في م�سار حركتها �أق�صى �سرعة لها؟ • � ّأي نقطة تكون عندها الطاقة الكامنة الجاذبة التي تمتلكها الدمية �أكبر ما يمكن؟ • �أي نقطة تكون عندها الطاقة الكامنة المرنة التي تمتلكها الدمية �أكبر ما يمكن؟
0 2 4 6 8 10
قدمنا لك في الن�شاط الثاني ع�شر من الوحدة الأولى تعريف قانون هوك. ّ عند تعليق كتلة مقدارها 100جرام بطرف ناب�ض ،ف�إن الناب�ض ي�ستطيل م�سافة � 2.2سم .ف�إذا كانت كتلة هذه الدمية 75جرام. • فكم �ستكون الطاقة الكامنة المرنة في الناب�ض عندما تكون الدمية معلقة به؟ • �إذا ُ�سحبت الدمية �إلى الأ�سفل م�سافة �سنتمترين �آخرين ثم ُتركت، فما االرتفاع الذي �ستبلغه؟ • كم �ستبلغ �سرعتها الق�صوى ،وفي �أي موقع �ستكون �سرعتها �أكبر ما يمكن؟ • �إذا و�ص ْل َت ناب�ضين عند طرفيهما ،فكم �ستبلغ اال�ستطالة؟ وكم �ستكون الطاقة الكامنة المرنة الجديدة في هذه الحالة؟ • �إذا ُو�ضع الناب�ضان بع�ضهما بجانب بع�ض ،فكيف �ستت�أثر كل من اال�ستطالة ،والطاقة الكامنة المرنة ؟ • � ّأي من هاتين الحالتين �سي�ستمر فيها االهتزاز فترة زمنية �أطول؟
49
الن�شاط الثالث القدرة الكهرومائية تتحول من �شكل �إلى �آخر .ومع �أنه ال يمكن ا�ستحداث ين�ص قانون حفظ الطاقة على �أن الطاقة ال تفنى وال ُت�ستحدث ،بل ّ الطاقة عند الطلب مبا�شرة� ،إال �أ ّنه من الممكن تخزينها على �صورة "طاقة كامنة" وا�ستخدامها عند الحاجة. ومن الطرق المتبعة في ذلك ،تخزين الطاقة الكامنة الجاذبة للماء خلف �سدود كبيرة ُمقامة على �أر�ض مرتفعة .وعندما �سمح للماء بالتدفق �إلى م�ستوى منخف�ض ،يمكن تحويل الطاقة الكامنة المخزونة �إلى طاقة ميكانيكية �أو كهربائية. ُي ُ
الطاقة وال�سدود �سد ال ُق�صيبة الواقع بالقرب من المدينة المنورة �أحد �أقدم ال�سدود في المملكة العربية ال�سعودية .ويبلغ ارتفاع هذا عد ّ ُي ّ عد من الإنجازات الهند�سية الرائعة. ي وكان بنائه. عند م 205 وطوله م، 30 أثري � موقع مجرد آن ل ا أ�صبح � الذي ال�سد ُ ّ والآن ،ومع تزايد �أهمية م�صادر الطاقة الأخرى غير الوقود الأحفوري ،هل تعتقد �أن ترميم �سد الق�صيبة ،و�إعادة ت�شغيله يتعين �أخذها بعين االعتبار عند البدء في مثل هذا ُي ّ عد فكرة جيدة؟ وما االعتبارات العلمية ،والتقنية ،والبيئية التي ّ الم�شروع؟ يبلغ ارتفاع �سد �أ�سوان في م�صر �ضعفي ارتفاع �سد الق�صيبة ،وطوله ع�شرة �أ�ضعاف طول �سد الق�صيبة. ل�سد �أ�سوان من ف�إذا كان معدل القدرة الإنتاجية ّ الطاقة الكهربائية ي�ساوي مليوني كيلوجول في �سد فقدر كمية الطاقة التي يمكن �أن ينتجها ّ الثانيةّ ، الق�صيبة في الثانية الواحدة. تحولت الطاقة طلقت مياه ّ عندما �أُ ْ �سد الق�صيبةّ ، قدر �سرعة المياه عند المخزنة فيها �إلى طاقة حركيةّ . ال�سد. قاع ّ تكون درجة حرارة المياه في �أ�سفل ال�سد �أعلى من درجة حرارة الماء في �أعاله بعدة درجات .فهل تو�ضح �سبب ذلك؟ وكيف يمكن �أن تح�سب ت�ستطيع �أن ّ محطة توليد الطاقة الكهرومائية في �سد �أ�سوان هذه الزيادة في درجة الحرارة؟
50
عمل نموذج محرك توربيني ب�سيطا لمحرك توربينيُ ،ي�ستخدم في توليد الكهرباء من المياه المتدفقة. نموذجا بين الر�سم التو�ضيحي �أدناه ً ً ُي ّ
ت�صمم نموذجك الخا�ص .وما مدى الفعالية التي يمكن �أن يحققها هذا المحرك في ا�ستخال�ص الطاقة من تيار حاول �أن ّ مائي متدفق؟
الن�شاط الرابع الحرارة والطاقة تتحول الطاقة الكهربائية �إلى طاقة الحرارة �شكل من �أ�شكال الطاقة .فعند ت�شغيل جزء الت�سخين في غ ّالية كهربائية، ّ حرارية .و ُتقا�س هاتان الكميتان بوحدة الجول. ترتفع درجة حرارة المادة عند ت�سخينها ،لكن الحرارة ودرجة الحرارة �شيئان مختلفان على الرغم من ارتباط �أحدهما ؤ�شرا على مدى �سخونة الأج�سام مقارنة ب�أج�سام �أخرى ،ويعتمد قيا�سها على مقيا�س بالآخر .فدرجة الحرارة تعطي م� ً الحرارة الم�ستخدم. وهناك مقايي�س مختلفة لدرجة الحرارة .فهل ت�ستطيع �أن تجد الفروق بين مقايي�س الحرارة بالدرجات الفهرنهايتية، وال�سل�سيو�سية (المئوية) ،ومقيا�س كلفن؟ ما العوامل التي تعتقد �أنها �ست�ؤثر في معدل ارتفاع درجة حرارة ال�سائل عند ت�سخينه؟ بتغير عوامل �أخرى تختارها. �صمم ً التغير في معدل االرتفاع في درجة حرارة �سائل ّ تق�صيا حول ّ ّ
51
• • • • • •
ما المق�صود بال�سعة الحرارية النوعية لل�سائل؟ و�ضح الفرق بين درجة الحرارة والحرارة .لماذا تحوله �إلى تبقى درجة حرارة ال�سائل ثابتة عند ّ غاز؟ لماذا ت�شعر بالبرودة بعد االغت�سال؟ لماذا تغلي ال�سوائل المختلفة عند درجات حرارة مختلفة؟ لماذا تتغير درجة الغليان هذه �إذا كنت على قمة جبل مرتفع؟ تق�صيتها في هذا الن�شاط ا�ستخدم الأفكار التي ّ لعمل و�سيلة تعليمية على �صورة ر�سوم متحركة ،لم�ساعدة الطالب الأ�صغر �س ًنا على تف�سير ما يحدث؛ عندما �سخن �سائل ما. ُي ّ
الن�شاط الخام�س الطاقة والكهرباء عندما ي�سري تيار كهربائي عبر � ّأي جهاز ،تحدث تحول في الطاقة. عملية ّ فكر في بطارية ال�سيارة .كم جها ًزا في ال�سيارة ي�ستخدم طاقة هذه البطارية؟ يجدد محرك ال�سيارة الطاقة المخزونة في بطارية ّ ال�سيارة ب�صورة م�ستمرة ،ولو لم يكن كذلك ،ف�إن البطارية �سرعان ما تفقد طاقتها .ويعود ال�سبب في ذلك �إلى �أنه عندما ُيو�صل مو�صل بين القطبين الموجب وال�سالب في البطارية ،يحدث تفاعل كيميائي وينتج هذا التفاعل الكيميائي �إلكترونات بداخلهاُ . تنتقل من قطب البطارية ال�سالب �إلى قطبها الموجب، فيم ّكن الأجهزة المت�صلة بالبطارية من العمل. يمكن ت�شبيه البطارية بج�سم الإن�سان ،حيث تنفذ طاقة الج�سم عندما ي�ستهلك الج�سم الطاقة كلها التي ح�صل عليها من المواد الغذائية ،وكذلك البطارية التي تنفذ طاقتها بعد ا�ستهالك كل ما فيها من طاقة.
52
هناك بطاريات يمكن �إعادة تزويدها بالطاقة ،كبطارية ال�سيارة مث ًال ،وذلك من خالل تزويدها بالكهرباء لإعادة �شحنها .ويعود ال�سبب في ذلك �إلى �أن التفاعالت الكيميائية التي تحدث في بع�ض البطاريات هي تفاعالت عك�سية. كبيرا من البطارية ت�ستهلك الطاقة بمعدل �أ�سرع من تلك التي تعمل بتيار كهربائي تيارا ً كهربائيا ً والأجهزة التي ت�سحب ً �صغير.
�صنع بطارية ليمونة ا�صنع بطارية ليمونة بدفع قطعة من النحا�س وقطعة من الفوالذ �إلى داخل الليمونة. أ�سالكا كهربائية لتو�صيل الم�صباح الكهربائي ال�صغير بالمعدنين .فكم الوقت وا�ستخدم � ً م�ضاء؟ قد تحتاج �إلى ا�ستخدام اثنتين من بطاريات الليمون الذي يبقى فيه الم�صباح ً معا لإ�ضاءة الم�صباح. ً كيف �أنتجت بطارية الليمون الطاقة التي �أ�ضاءت الم�صباح؟
تق�صي الم�صابيح اليدوية
تق�صيا با�ستخدام م�صابيح كهربائية �صغيرة يدوية وبطاريات (كل منها 1.5 ن ّفذ ً
فولت) ،لكي تتو�صل �إلى ما ي�ؤثر في طول الفترة الزمنية لإ�ضاءة الم�صابيح الكهربائية قبل نفاد الطاقة من البطارية .وبما �أن هذا الأمر ي�ستغرق وق ًتا طوي ًال ،ف�سوف تحتاج �إلى مراقبة الم�صباح الم�ضاء طوال اليوم ،ومالحظة مدى �سطوعه على فترات منتظمة، حتى ينفد كل ما في البطارية من طاقة. أي�ضا �أن تقارن بين �أداء م�صابيح مو�ضوعة في �أماكن مختلفة (حارة �أو باردة، ويمكنك � ً مث ًال). كيف كان �أداء م�صباحك مقارنة بالم�صابيح التي ا�ستعملها زمال�ؤك الآخرون في ال�صف؟ لماذا ت�ستمر بطاريات الم�صابيح التي ت�ستخدم الدايود الم�صدر لل�ضوء مدة �أطول من الم�صابيح االعتيادية؟
م�صابيح توفير الطاقة ُيعرف الم�صباح الظاهر في ال�صورة "بم�صباح توفير الطاقة". فما الذي ي�سبب توفير الطاقة فيه؟ بد�أ النا�س ي�ستبدلون م�صابيح المنازل ،والمباني العامة التي ت�ستخدم فتيلة التنج�ستن بهذا النوع من الم�صابيح ،ولكن هناك بع�ض النا�س ممن يعتر�ضون على ا�ستخدامها بدعوى �أنها ت�ش ّكل أخطارا �صحية. � ً ابحث في المزايا المحتملة لم�صابيح توفير الطاقة وم�ساوئها. تقدم الم�شورة لمدير مدر�ستك ب�ش�أن ا�ستبدال جميع وتخيل �أنك ّ اعتمادا على نتائج بحثك ُتبرر ا تقرير اكتب ثم للطاقة. توفير ذات أخرى � بم�صابيح المدر�سة في الكهربائية الم�صابيح ً ً فيه ا�ستنتاجك ،مع الإ�شارة �إلى الأدلة العلمية التي تدعم حجتك.
53
الن�شاط ال�ساد�س الطاقة والموجات وال�ضوء تتحول الطاقة الكهربائية عندما ُي�ضاء الم�صباح الكهربائي، ّ �إلى �ضوء ،وال�ضوء �شكل من �أ�شكال الطاقة ،ولكن كمية الطاقة التي يحملها ال�ضوء تعتمد على لونه .ولكي تفهم ذلك ،عليك �أن تلقي نظرة فاح�صة على ما يحدث داخل المواد عندما تبعث ال�ضوء. ي�شتمل ال�ضوء الأبي�ض على �ألوان الطيف كافة ،ويمكن مالحظة �ضوءا، ذلك عند تمرير هذا ال�ضوء عبر من�شور .ولكي تبعث المادة ً الذرات الموجودة داخل المادة. يجب �أن " ُت�ستثار" ّ يو�ضح ذلك. والر�سم الآتي ّ ﺍﻟﻀﻮﺀ )ﻓﻮﺗﻮﻥ(
ﺍﳊﺎﻟﺔ ﺍﳌﺴﺘﺜﺎﺭﺓ
ﺟﺰﻳﺊ ﻣﺸﺤﻮﻥ
ﺇﻟﻜﱰﻭﻥ )(e
الذرة .وقد ي�ؤدي ذرة �أن يعطي ً يمكن ُ بع�ضا من طاقته �إلى الإلكترونات في مدار هذه ّ لج�سيم م�شحون يتحرك في اتجاه ّ جدا ،لكن �ستكون الذرة في ذلك �إلى "تحفيز" الإلكترون لالنتقال �إلى م�ستوى طاقة �أعلى و�أبعد عن النواة لفترة ق�صيرة ً هذا الو�ضع غير م�ستقرة ،وعندما يرجع الإلكترون �إلى م�ستوى طاقته الأ�صلي ،ف�إنه يبعث "حزمة" �صغيرة من طاقة ال�ضوء ُت�سمى فوتو ًنا .ويرتبط لون ال�ضوء المرئي بطاقة الفوتون.
54
لون ال�ضوء �ضوءا �أبي�ض عندما معينة ولون خا�ص ،فلماذا نرى ً �إذا كان لكل فوتون ُمنبعث طاقة ّ ننظر �إلى م�صباح فتيلته م�صنوعة من مادة التنج�ستن؟ و�إذا نظرنا �إلى ال�ضوء ال�صادر عن م�صابيح التفريغ الغازي الم�ستعملة في الالفتات كثيرا ما يبدو ذا لون واحد فقط .ا�شرح هذه الظاهرة؛ بر�سم الإعالنية ،نالحظ �أن ال�ضوء ً تخطيطي ُيظهر �إثارة الإلكترون ،وتحفيزه على االنتقال �إلى م�ستوى طاقة �أعلى ،وماذا يحدث عندما يرجع مرة �أخرى �إلى حالته الأولى؟ S.M. Amin, Sa’id Ghamidi / Saudi Aramco World / SAWDIA
انظر �إلى النجوم لي ًال .هل تراها جميعها ذات لون واحد؟ كيف معين �أن يزودنا بمعلومات عن يمكن لل�ضوء الذي نراه حول نجم ّ الغازات الموجودة في ذلك النجم؟ انظر في ال�صفحات الآتية على �شبكة الإنترنت ،وهي تابعة لوكالة الف�ضاء الأمريكية (نا�سا) ،وا�ستعن بها لم�ساعدتك على توجيه تفكيرك: • http://imagine.gsfc.nasa.gov/docs/science/how_l1/spectral_what.html • http://imagine.gsfc.nasa.gov/docs/science/try_l2/spectral.html
يو�ضح عمل �صانع النظارات الألماني جوزيف فون فراونهوفر اعمل مل�ص ًقا م�صورا ّ ً (1241-1201هـ1826-1787/م) .وفراونهوفر هو مخترع المطياف ،وهي �أداة ت�ستخدم أي�ضا خطوط لقيا�س خ�صائ�ص ال�ضوء على جزء من الطيف الكهرومغناطي�سي .كما اكت�شف � ً االمت�صا�ص المعتمة ،المعروفة با�سم خطوط فراونهوفر ،في الطيف ال�شم�سي. كيف �أ�سهم عمل فراونهوفر في تحقيق المزيد من الفهم العلمي في مجال الطاقة والموجات وال�ضوء؟
55
تحدى نف�سك التحوالت أي�ضا .فما عدد انظر في تحوالت الطاقة كلها التي تحدث الآن في الغرفة التي تجل�س فيها ،وخارج النافذة � ً ّ التي تراها؟ تو�ضح كيف يمكن تطبيق قانون حفظ الطاقة على جميع هذه التغيرات في الطاقة؟ هل ت�ستطيع �أن ّ
مراجعة والت�أمل في هذه الوحدة ف ّكر فيما ي�أتي حال االنتهاء من درا�سة هذه الوحدة: • كيف يمكن تطبيق ما تعلمته على الآالت الأخرى التي ت�شاهدها من حولك؟ معا في مجموعة؟ • ما مزايا وم�ساوئ العمل ً • ما الم�شكالت التي كان يتعين عليك التغلب عليها لتتمكن من �صنع نموذج المحرك التوربيني؟ قيم الأ�شياء التي كان يمكنك تنفيذها على نحو �أف�ضل في ن�شاط تق�صي المحرك التوربيني. • ّ • ما البحث الأكثر الذي يمكنك القيام به لمعرفة المزيد عن الأخطار ال�صحية المحتملة ال�ستخدام م�صابيح توفير الطاقة. إالم تعود �أهمية �أعمال جوزيف فون فراونهوفر ،في ر�أيك؟ • � َ
56
الوحدة الخام�سة
الطاقة النووية
17
57
حـول هـذه الوحــدة ُّمية للوحدة الأهداف التعل ّ • • • • • •
•
ُتدرك العمليات والأخطار التي ينطوي عليها العمل في مفاعالت االن�شطار النووي. تدرك عملية االندماج النووي ،وما يرتبط به من م�شكالت تقنية واجتماعية. تدرك االحتياطات التي يتعين اتخاذها عند التخل�ص من النفايات النووية. تفهم كيفية التفاعل الذي يمكن حدوثه بين الإ�شعاعات الأيونية والخاليا الحية. تع ّزز مهارات التحليل �أثناء درا�سة بيانات خا�صة بحادثة مفاعل ت�شيرنوبيل النووي ،وتنظر في �آثارها. تنمي مهارات البحث ،ومهارات ا�ستخدام تقنية المعلومات واالت�صاالت من خالل ا�ستخدام مجموعة من ّ الأجهزة والبرامج لتحليل البيانات وعر�ضها. تطور مهارات التوا�صل من خالل ا�ستخدام الأجهزة والبرامج في العمل ،والتعاون مع الآخرين. ّ
�سوف تتعلم في هذه الوحدة عن الطاقة وا�ستخدام تطبيقاتها على مجاالت فيزيائية متعددة .و�سوف تتطلع على مجال وا�سع من �أ�شكال الطاقة – من المبادئ الأ�سا�سية �إلى مفاهيم �أكثر تحدي ًا.
يتزايد با�ستمرار عدد البلدان التي بد�أت با�ستخدام الطاقة النووية لتلبية احتياجات �سكانها من الطاقة .فمع ن�ضوب ن�سبيا الفحم والنفط والغاز ،بد�أت دول كثيرة باال�ستثمار في بناء المفاعالت النووية بو�صفها م�صدرا لطاقة رخي�صة ً ً للمنازل والم�صانع. و�سوف تدر�س في هذه الوحدة ،بع�ض جوانب الخالف حول ا�ستخدام الطاقة النووية ،بما في ذلك �أ�س�سها العلمية قادرا على فهم الآراء الم�ؤيدة والق�ضايا المثيرة للجدل التي تحيط بها .ومع نهاية هذه الوحدة يتعين عليك �أن تكون ً لل�صناعة النووية والمعار�ضة لها ،وعلى تحديد موقفك تجاه الق�ضايا المطروحة. هذه الوحدة متوفرة بن�سخة �إلكترونية – �سيزودك معلمك بالمزيد من الإر�شادات حول كيفية الو�صول �إليها والتعامل معها.
58
مراجعة والت�أمل في هذه الوحدة ف ّكر فيما ي�أتي حال االنتهاء من درا�سة هذه الوحدة: • ما الذي تعلمته حول جدوى �سال�سل الر�سوم المتحركة في دعم عملية التعلم؟ • كيف ي�ساعدك ك ٌّل من النقا�ش ،ولعب الأدوار على التعلم؟ • كيف ت�ؤثر و�سائل الإعالم (كال�صحف) في �أفكار النا�س عن الق�ضايا العلمية ،في ر�أيك؟ • كيف اخترت مواقع الإنترنت التي ا�ستخدمتها؟ وما الفرق بين المواقع الجيدة والرديئة؟ تقيم دقة اال�ستنتاجات الواردة في تقريرك؟ • كيف ّ
59
الوحدة ال�ساد�سة م�صادر الطاقة البديلة
60 20
حـول هـذه الوحــدة ُّمية للوحدة الأهداف التعل ّ • • • • • • • •
وتطور مهارات جديدة. تمار�س المهارات العلمية والتقنية ّ تتابع رحلة علمية� ،أو رحلة تقنية من البداية حتى النهاية. تظهر قدرتك على العمل ب�صورة م�ستقلة ،وتمتلك مهارات الدرا�سة الم�ستقلة. تربط الدرا�سات الفيزيائية بمو�ضوعات من واقع الحياة. تطور مهارات البحث با�ستخدام م�صادر �أولية وثانوية. ّ إبداعا في ت�صميم العمل التجريبي وتحليله. تظهر � ً تطور مهارات التعاون والتوا�صل. ّ ت�ستك�شف �أثر �أعمال العلماء والتقنيين في العالم.
تركز هذه الوحدة على التنمية الم�ستدامة ،وتتيح لك الفر�صة حقيقيا لحل م�شكلة لي�س لها حل عالما ً للعمل بو�صفك ً معروف م�سب ًقا. وت�شتمل هذه الوحدة على ثالثة اقتراحات لم�شاريع يمكنك �أن تنظر في تنفيذها كونها درا�سة طويلة الأجل: • تح�سين ت�صميم مو ّلدات الكهرباء الهوائية. • الح�صول على طاقة من الوقود الحيوي. المركزة. • ا�ستخدام �أجهزة الطاقة الحرارية ال�شم�سية ّ وعليك �أن تختار �أحد هذه الم�شاريع. يرتبط كل م�شروع من هذه الم�شاريع بم�ؤ�س�سة �صناعية مهمة� ،أو بم�ؤ�س�سة �أكاديمية في المملكة العربية ال�سعودية .وعليك �أن ت�ستك�شف هذه الروابط ،وتجد التفا�صيل ال�ضرورية لالت�صال بالعلماء الم�شاركين في هذا العمل ،فقد يقدمون لك الم�ساعدة على تطوير م�شروعك ،وعليك اال�ستفادة الق�صوى من الفر�ص المتاحة لن�شر النتائج التي تتو�صل �إليها بحيث ت�صل �إلى جمهور وا�سع وتح�صل منه على التعليقات والمالحظات. �سجل كل خطوات عملك واحتفظ بالتفا�صيل في محفظة م�شاريع (�إلكترونية �أو ورقية �أو مزيج من االثنين) .وينبغي �أن ت�ضم محفظتك ما يلي : • مالحظات يومية بالأن�شطة جميعها ذات ال�صلة بالم�شروع. • مجاالت البحث الم�ستك�شفة. • مراحل تطور الخطوات العملية. • التعديالت التي �أجريتها في �ضوء خبرتك. • التقرير النهائي والعر�ض التقديمي. 61
الم�شروع الأول تح�سين ت�صميم مو ّلدات الكهرباء الهوائية
عد لال�ستخدام على نطاق وا�سع في مزارع الرياح ،وبع�ضها هناك ت�صاميم عديدة لمو ّلدات الكهرباء الهوائية ،بع�ضها ُم ّ �ضيق على �سطوح المباني. الآخر ُم ّ عد لال�ستخدام على نطاق ّ
ومحرك هواء توربيني على �سطح منزل ومولد هوائي منزلي، توربين هوائيّ ، ّ فعال لمولد كهرباء هوائي .ويتعين عليك �أن ت�صنع هذه الطاحونة وتختبرها، يطلب �إليك في هذا الم�شروع �إعداد ت�صميم ّ ثم ت�ضع النتائج التي تو�صلت �إليها في ملف م�شروعك.
روابط مفيدة م�شروعا لتقييم م�صادر طاقة الرياح في مدينة رفحة. ا�ستك�شف روابط جامعة الملك فهد للبترول والمعادن ،التي نفذت ً لكي تبد�أ بحثك ،ارجع �إلى الموقع الآتي: https://eprints.kfupm.edu.sa/522/1/wind_power.pdf
62
الم�شروع الثاني الح�صول على الطاقة من الوقود الحيوي ُتظهر هذه ال�صور بع�ض النباتات التي يمكن معالجتها لإنتاج الوقود الحيوي.
يمكن ا�ستخدام الذرة والزيتون وفول ال�صويا لإنتاج الوقود الحيوي. يطلب �إليك في هذا الم�شروع تقييم الزيوت الم�ستخل�صة من نباتات مختلفة ،لإيجاد �أف�ضل م�صدر للوقود الحيوي عالي وتقدر الأخطار كاملة لأي تجربة تنفذها ،وت�ضع الطاقة .ويتعين عليك �أن تختبر عينات الوقود الحيوي التي ت�ستخل�صهاّ ، نتائج هذا التق�صي واال�ستنتاجات التي تو�صلت �إليها في ملف م�شروعك.
روابط مفيدة ا�ستك�شف روابط �شركة الزيوت العربية المحدودة ،التي �أقامت مزرعة لأ�شجار الجاتروفا في المملكة العربية ال�سعودية؛ من �أجل �إنتاج الديزل الحيوي. لكي تبد�أ بحثك ،راجع الموقع الآتيwww.d1plc.com :
63
الم�شروع الثالث ا�ستخدام �أجهزة الطاقة الحرارية ال�شم�سية المر ّكزة المركزة عندما تركز مجموعة من العاك�سات طاقة ال�شم�س على خزانات المياه ال�ساخنة تنتج الطاقة الحرارية ال�شم�سية ّ المو�ضوعة فوق برج ،ويمكن ا�ستعمال البخار الناتج لتوليد الكهرباء. www.flickr.com/afloresm (CC) some rights reserved
فعال؛ اللتقاط الكمية الق�صوى من الطاقة الحرارية ال�شم�سية .ويتعين ُيطلب �إليك في هذا الم�شروع ت�صميم نظام تقني ّ وتقيم مدى فعاليته .وت�ضع نتائج هذا التق�صي واال�ستنتاجات التي تو�صلت �إليها عليك �أن تختبر النظام الذي �ست�صممهّ ، ّ في ملف م�شروعك.
روابط مفيدة ا�ستك�شف روابط جامعة الملك عبداهلل للعلوم والتقنية ،التي تبحث في هذه التقنية ،وذلك في حرمها الجامعي بمدينة ثول كيلومترا �إلى ال�شمال من مدينة جدة. على ُبعد 80 ً لكي تبد�أ بحثك ،راجع الموقع الآتي: http://www.entrepreneur.com/tradejournals/article/209393588.html
64
مراجعة والت�أمل في هذه الوحدة ف ّكر فيما ي�أتي حال االنتهاء من درا�سة هذه الوحدة: • ما الأمور التي تعتقد �أنك تعلمتها من خالل تنفيذ هذا الم�شروع؟ حقيقيا .فما التحدي الأكبر الذي واجهته عالما ً لب �إليك في هذا الم�شروع �أن تعد بح ًثا م�ستق ًال بو�صفك ً • ُط َ حتى تم ّكنت من تحقيق هذا المطلب؟ • ما الذي تو�صلت �إليه حول طريقة عمل العلماء الحقيقيين في مجال البحوث و�/أو ال�صناعة؟
65
66
67
بوابة موهبة اإللكترونية شاركنا التجربة واكتشف عالم بوابة موهبة المرجع الرئيسي للموهبة واإلبداع واالبتكار في العالم العربي
ٌ بوابة علمية متخصصة في إرساء أسس تربية الموهوبين والمبدعين في المملكة العربية السعودية والعالم بوابة موهبة اإللكترونية معرفيًا متجددً ا ومجا ً ال تفاعليًا للمشاركة المجتمعية. تقدم خدمات متنوعة للموهوبين والقائمين على رعايتهم ،وتعتبر مصدرًا العربي. ّ ّ
Info@mawhiba.org.sa الرقم المجاني8 0 0 6 1 2 3 3 3 3 :