Transcript شرح الفصل - WordPress.com

‫الفصل األول ‪ :‬مدخل إلى علم الفيزياء‬
‫‪A Physics Toolkit‬‬
‫‪ 1 - 1‬الرياضيات و الفيزياء‬
‫الهدف ‪ :‬استكشاف حركة جسم ساقط سقوطا‬
‫حرا ‪.‬‬
‫هل تسقط جميع األجسام بالسرعة نفسها ؟‬
‫كيف يؤثر وزن الجسم في سرعة سقوطه ؟‬
‫الخطوات ‪:‬‬
‫‪ ) 1‬الصق اربع قطع نقد معدنية من فئة ‪50‬‬
‫هللة معا باستخدام شريط الصق ‪.‬‬
‫‪ ) 2‬ضع القطع النقدية الملتصقة على راحة‬
‫يدك ‪ ,‬ثم ضع بجوارها قطعة نقد منفردة‬
‫‪ ) 3‬الحظ ‪ :‬من خالل دفع القطع لراحة يدك‬
‫أيهما أثقل ‪ :‬القطع الملتصقة أم القطعة‬
‫المنفردة ؟‬
‫‪ ) 4‬الحظ ‪ :‬أسقط القطع جميعها من يدك في‬
‫الوقت نفسه ‪ ,‬ثم الحظ حركتها أيهما‬
‫أسرع في السقوط ؟‬
‫‪Mathematics and Physics‬‬
‫التحليل ‪:‬‬
‫اعتقد ارسطو أن الوزن عامل مؤثر في سرعة سقوط الجسم‬
‫و أن سرعة سقوط الجسم تزداد مع ازدياد وزنه ‪..‬‬
‫أي سرعة القطع الملتصقة أكبر أربع من سرعة القطعة‬
‫المنفردة ‪.‬‬
‫وفقا لنظرية ارسطو ‪ ,‬ما سرعة سقوط قطعة النقد المنفردة‬
‫مقارنة بالنقود الملتصقة ماذا تسنتج ؟‬
‫التفكير الناقد ‪ :‬وضح تأثير كل من الخصائص التالية في سرعة‬
‫سقوط الجسم ‪ :‬الحجم ‪ ,‬الكتلة ‪ ,‬الوزن ‪ ,‬اللون ‪ ,‬الشكل ؟‬
‫االستنتاج ‪:‬‬
‫تؤثر مقاومة الهواء في معدل سقوط األجسام ‪ ,‬وتعتمد على‬
‫شكل الجسم ‪ ,‬وكثافة الهواء ‪ ,‬و سرعته بالنسبة للهواء ‪.‬‬
‫حيث تسقط القطع األربع المربوطة معا كما لوكانت تسقط كل‬
‫منها على حدة ‪.‬‬
‫ما الفيزياء ؟ ? ‪What is Physyics‬‬
‫الفيزياء هو علم دراسة املادة و الطاقة و العالقة بينهما ‪.‬‬
‫الرياضيات في الفيزياء ‪Mathematics in Physyics‬‬
‫الرياضيات تعتبر لغة فيزيائية قادرة على تفسير الظواهر الفيزيائية املختلفة على‬
‫شكل معادالت رياضية ‪.‬‬
‫‪R‬‬
‫القانون الرياض ي‬
‫المقاومة الكهربائية‬
‫ووحدة قياسه األوم ‪Ω‬‬
‫‪I‬‬
‫شدة التيار الكهربائي‬
‫ووحدة قياسه األمبير ‪A‬‬
‫‪V‬‬
‫فرق الجهد الكهربائي‬
‫ووحدة قياسه الفولت ‪V‬‬
‫المعادلة ( ‪ ) V = I R‬تعني أن فرق الجهد ‪ V‬المقاس بوحدة الفولت ينتج عن حاصل ضرب شدة التيار‬
‫‪ I‬المقاس بوحدة األمبير في المقاومة ‪ R‬المقاسة بوحدة األوم ‪.‬‬
‫أمثلة حسابية‬
‫‪‬وصلت بطارية سيارة جهدها ‪ 12 V‬بمصباح الكوابح الذي‬
‫مقاومته ‪ , 3 Ω‬ما شدة التيار الذي يحمل الطاقة للمصباح ؟‬
‫‪‬سلك مقاومته ‪ 5 Ω‬يمر به تيار شدته ‪ , 2 A‬فما مقدار‬
‫فرق الجهد الناتج ؟‬
‫‪‬بطارية جهدها ‪ 24 V‬تعطي تيارا شدته ‪ 4 A‬يمر خالل‬
‫جهاز كهربائي ‪ ,‬احسب مقدار مقاومة الجهاز الكهربائية ؟‬
‫أمثلة حسابية‬
‫‪‬إذا تحرك جسم من السكون بتسارع منتظم ‪ a‬فان سرعته ‪ vf‬بعد زمن مقداره‬
‫‪ t‬تعطى بالعالقة ‪ vf = at‬ما تسارع دراجة تتحرك من السكون فتصل سرعتها إلى‬
‫‪ 6 m/s‬خالل زمن قدره ‪ 4 s‬؟‬
‫‪‬ما الزمن الذي تستغرقه دراجة نارية تتسارع من السكون بمعدل ‪0.400‬‬
‫‪ m/s2‬حتى تبلغ سرعتها ‪ 4 m/s‬علما بان ‪vf = at‬‬
‫‪‬يحسب الضغط ‪ P‬املؤثر في سطح ما بقسمة مقدار القوة ‪ F‬على مساحة‬
‫السطح ‪ A‬حيث ‪ P = F ⁄ A‬فإذا أثر رجل وزنه ‪ 520 N‬يقف على األرض بضغط‬
‫مقداره ‪ 32500 N/m2‬فما مساحة نعلي الرجل ؟‬
‫هل هذا منطقي ؟‬
‫من خالل خبرتك هل تحتاج كرة نحاسية تسقط من ارتفاع ‪ 5 m‬إلى‬
‫‪ 0.002 s‬أم إلى ‪ 17 s‬حتى تصل إلى سطح األرض ؟‬
‫ما الوحدة املناسبة لقياس سرعة السيارة وما املقياس املناسب لقياس نصف قطر العين‬
‫وطول الغرفة ؟‬
‫الطريقة العلمية ‪:‬‬
‫منهج أو أسلوب يستخدم لإلجابة على تساؤالت علمية بهدف تفسير الظواهر املختلفة‬
‫خطوات الطريقة العلمية ‪:‬‬
‫املالحظة – السؤال – البحث – التخمين – التجربة – تحليل النتائج – اإلستنتاج‬
‫الفرضية ‪:‬‬
‫تخمين علمي عن كيفية ارتباط املتغيرات بعضها مع بعض‬
‫تجربة ‪ :‬قياس التغير في طول النابض‬
‫اجمع خمس حلقات معدنية متماثلة و نابضا يستطيل بشكل ملحوظ‬
‫عندما نعلق به حلقة معدنية‬
‫• قس طول النابض األصلي عند تعليق ‪ :‬حلقة ‪ ,‬ثم حلقتين ‪ ,‬ثم ثالث‬
‫حلقات معدنية به ‪.‬‬
‫• ارسم بيانيا العالقة بين طول النابض و الكتلة املعلقة به ‪.‬‬
‫• توقع طول النابض عند تعليق ‪ 4‬ثم ‪ 5‬حلقات به ‪.‬‬
‫• اختبر توقعاتك ‪.‬‬
‫• التحليل و اإلستنتاج ‪ :‬صف شكل الرسم البياني وكيف تستخدمه‬
‫لتوقع طولين جديدين ؟‬
‫يجري هؤالء الطالب تجربة تحديد قدرة كل منهم عند‬
‫صعود الدرج ‪.‬‬
‫يستخدم كل طالب نتائجه لتوقع الزمن الالزم لرفع ثقل مختلف‬
‫باستخدام القدرة نفسها ‪.‬‬
‫النماذج و القوانين و النظريات‬
‫النماذج العلمية ‪ :‬ظواهر ناتجة عن فكرة و معادلة تم‬
‫تركيبها بالتجريب ‪.‬‬
‫ما هو النموذج ؟ وما فوائد النماذج ؟ وما األشياء التي يمكن أن نعمل لها نماذج ؟ وملاذا هذه‬
‫األشياء ؟‬
‫سؤال ) ما الفرق بين النظرية العلمية والقانون العلمي ؟‬
‫القانون العلمي ‪ :‬قاعدة طبيعية تجمع مشاهدات مترابطة لوصف ظاهرة طبيعية ‪.‬‬
‫النظرية العلمية ‪ :‬إطار يجمع بين عناصر البناء العلمي في موضوع من موضوعات العلم و هو قادر على تفسير القانون ‪.‬‬
‫أسئلة للمراجعة ‪:‬‬
‫‪‬ماذا يمثل مخطط املصطلحات املجاور ؟‬
‫‪‬ملاذا توصف املفاهيم في الفيزياء بوساطة املعادالت ؟‬
‫‪ ‬تحسب القوة املؤثرة على شحنة تتحرك في مجال مغناطيس ي بالعالقة ‪ F = Bqv‬حيث ‪:‬‬
‫‪ F‬القوة املؤثرة بوحدة ‪ q - Kg . m/s2‬الشحنة بوحدة ‪ v - A.s‬السرعة بوحدة ‪m/s‬‬
‫‪ B‬كثافة الفيض املغناطيس ي بوحدة ‪ ( T‬تسال ) ‪ ,‬ما وحدة ‪ T‬معبرا عنها بالوحدات أعاله‬
‫‪ ‬أعد كتابة املعادلة ‪ F = Bqv :‬للحصول على ‪ v‬بداللة كل من ‪ F :‬و ‪ q‬و ‪ B‬؟‬
‫‪‬القيمة املقبولة لتسارع الجاذبية األرضية هي ‪ 9.80 m/s2‬و في تجربة لقياسها‬
‫باستخدام بندول حصلت على قيمة ‪ 9.4 m/s2‬هل تقبل هذه القيمة ؟ فسر اجابتك ؟‬
‫تحديد املشكلة‬
‫جمع البيانات‬
‫و ضع الفرضيات‬
‫اختبار صحة الفرضيات‬
‫تحليل البيانات‬
‫االستنتاج‬
‫مقدمة‬
‫عندما تزور الطبيب إلجراء الفحوصات الطبية‪،‬‬
‫فإنه يقوم بإجراء عدة قياسات منها ‪ :‬طولك‪،‬‬
‫ووزنك‪ ،‬وضغط دمك‪ ،‬ومعدل دقات قلبك‪ ،‬وحتى‬
‫نظرك يقاس ويعبر عنه بأرقام‪ .‬كما يتم إخذ عينة‬
‫من الدم إلجراء بعض القياسات مثل مستوى‬
‫الحديد أو الكولسترول في الدم‪.‬‬
‫‪ 1 - 2‬القياس‬
‫النظام الدولي للوحدات ‪SI Units‬‬
‫هي عبارة عن وحدات قياس متفق عليها دوليا ‪.‬‬
‫الكميات األساسية ووحدات قياسها في النظام الدولي‬
‫الكمية األساسية‬
‫الوحدة األساسية الرمز‬
‫الطول‬
‫‪length‬‬
‫‪meter‬‬
‫‪m‬‬
‫الكتلة‬
‫‪mass‬‬
‫‪kilogram‬‬
‫‪kg‬‬
‫الزمن‬
‫‪time‬‬
‫‪second‬‬
‫‪s‬‬
‫‪temperature‬‬
‫‪kelvin‬‬
‫‪k‬‬
‫‪amount of substance‬‬
‫‪mole‬‬
‫‪mol‬‬
‫‪electric current‬‬
‫‪ampere‬‬
‫‪A‬‬
‫شدة اإلستضاءة ‪luminous intensty‬‬
‫‪candela‬‬
‫‪cd‬‬
‫درجة الحرارة‬
‫كمية المادة‬
‫التيار الكهربائي‬
‫القياس ‪ :‬عبارة عن مقارنة كمية مجهولة بأخرى‬
‫معيارية‪.‬‬
‫فعلى سبيل املثال إذا قست كتلة عربة ذات عجالت فإن الكمية‬
‫املجهولة هي كتلة العربة و الكمية املعيارية هى )‪ ( K.g‬الكيلو‬
‫جرام علما بان الكتلة تقاس باستخدام امليزان النابض أو امليزان‬
‫ذى الكفتين ‪ .‬في تجربة قياس التغير الواردة سابقا‪ ،‬يمثل طول‬
‫النابض الكمية املجهولة بينما يمثل )‪ (m‬املتر الكمية املعيارية ‪.‬‬
‫‪Measurement‬‬
‫سؤال ) أكتب تقريرا علميا عن أنظمة القياس في بعض الحضارات‬
‫القديمة بحيث يحتوي على سلبيات كل نظام وإيجابياته ‪ ،‬والوحدات‬
‫املستخدمة في كل نظام والعالقة بين الوحدات ووحدات النظام‬
‫الدولي ؟‬
‫مقاييس األطوال في الشريعة اإلسالمية‬
‫األطوال‬
‫عند الحنفية‬
‫عند املالكية‬
‫عند الشافعية‬
‫عند الحنابلة‬
‫الذراع‬
‫اإلصبع‬
‫القبضة‬
‫‪46.375 cm‬‬
‫‪1.923 cm‬‬
‫‪7.728 cm‬‬
‫‪53 cm‬‬
‫‪1.472 cm‬‬
‫‪5.888 cm‬‬
‫‪61.834 cm‬‬
‫‪2.576 cm‬‬
‫‪10.304 cm‬‬
‫‪61.834 cm‬‬
‫‪2.576 cm‬‬
‫‪10.304 cm‬‬
‫الشبر‬
‫الباع‬
‫‪11.592 cm‬‬
‫‪1.855 m‬‬
‫‪8.832 cm‬‬
‫‪2.12 m‬‬
‫‪15.456 cm‬‬
‫‪2.473 m‬‬
‫‪15.456 cm‬‬
‫‪2.473 m‬‬
‫امليل‬
‫الفرسخ‬
‫البريد‬
‫‪1855 m‬‬
‫‪5565 m‬‬
‫‪22260 m‬‬
‫‪1855 m‬‬
‫‪5565 m‬‬
‫‪22260 m‬‬
‫‪2810 m‬‬
‫‪11130 m‬‬
‫‪44520 m‬‬
‫‪2810 m‬‬
‫‪11130 m‬‬
‫‪44520 m‬‬
‫املرحلة‬
‫‪44.520 km‬‬
‫‪44.520 km‬‬
‫‪89.04 km‬‬
‫‪89.04 km‬‬
‫املكاييل و املوازين في الشريعة اإلسالمية‬
‫املكاييل‬
‫عند الحنفية‬
‫عند الجمهور‬
‫املكاييل‬
‫عند الحنفية‬
‫عند الجمهور‬
‫الكيلة‬
‫‪16.5 L‬‬
‫‪16.5 L‬‬
‫القسط‬
‫‪1.625 kg‬‬
‫‪1.625 kg‬‬
‫القدح‬
‫املد‬
‫الحفنة‬
‫الصاع‬
‫‪2.0625 L‬‬
‫‪812.5 g‬‬
‫‪812.5 g‬‬
‫‪3.25 kg‬‬
‫‪2.0625 L‬‬
‫‪510 g‬‬
‫‪510 g‬‬
‫‪2.04 kg‬‬
‫العرق‬
‫اإلردب‬
‫‪48.75 kg‬‬
‫‪78 kg‬‬
‫‪30.6 kg‬‬
‫‪48.96 kg‬‬
‫الوسق‬
‫‪195 kg‬‬
‫‪122.4 kg‬‬
‫القفيز‬
‫الجريب‬
‫املدى‬
‫الفرق‬
‫‪98 kg‬‬
‫‪156 kg‬‬
‫‪45.9 kg‬‬
‫‪6.5 kg‬‬
‫‪24.480 kg‬‬
‫‪97.92 kg‬‬
‫‪45.9 kg‬‬
‫‪6.12 kg‬‬
‫الكر‬
‫الويبة‬
‫القلة‬
‫‪1468.8 kg 2340 kg‬‬
‫‪33 L‬‬
‫‪33 L‬‬
‫‪95.625 kg 101.56 kg‬‬
‫القربة‬
‫املكوك‬
‫‪38.250 kg 40.625 kg‬‬
‫‪3.06 kg‬‬
‫‪3.06 kg‬‬
‫التحويل بين الوحدات‬
‫إن سهولة التحويل بين الوحدات ميزة أخرى من ميزات النظام الدولي‪ ،‬فللتحويل بين وحدات النظام الدولي فإننا نضرب أو نقسم على الرقم‬
‫عشرة مرفوعا إلى قوة مالئمة وهنالك مجموعة بادئات تستخدم في تحويل وحدات النظام الدولي باستخدام قوة مناسبة للرقم ‪. 10‬‬
‫البادئات المستخدمة مع وحدات النظام الدولي‬
‫البادئة‬
‫الرمز‬
‫– ‪femto‬‬
‫ ‪picoo‬‬‫ ‪nano‬‬‫ ‪micro‬‬‫ ‪milli‬‬‫ ‪centi‬‬‫ ‪deci‬‬‫– ‪kilo‬‬
‫ ‪mega‬‬‫– ‪giga‬‬
‫‪tera -‬‬
‫‪f‬‬
‫‪p‬‬
‫‪n‬‬
‫‪µ‬‬
‫‪m‬‬
‫‪c‬‬
‫‪d‬‬
‫‪k‬‬
‫‪M‬‬
‫‪G‬‬
‫‪T‬‬
‫المضروب فيه‬
‫‪0.000000000000001‬‬
‫‪0.000000000001‬‬
‫‪0.000000001‬‬
‫‪0.000001‬‬
‫‪0.001‬‬
‫‪0.01‬‬
‫‪0. 1‬‬
‫‪1000‬‬
‫‪1000,000‬‬
‫‪1000,000,000‬‬
‫‪1000,000,000,000‬‬
‫القوة‬
‫‪10-15‬‬
‫‪10-12‬‬
‫‪10-9‬‬
‫‪10-6‬‬
‫‪10-3‬‬
‫‪10-2‬‬
‫‪10-1‬‬
‫‪103‬‬
‫‪106‬‬
‫‪109‬‬
‫‪1012‬‬
‫مثال‬
‫) ‪femtosecond ( fs‬‬
‫) ‪picoometer ( pm‬‬
‫) ‪nanometer ( nm‬‬
‫) ‪microgram ( µg‬‬
‫) ‪milliams ( mA‬‬
‫) ‪centimeter ( cm‬‬
‫) ‪deciliter ( dL‬‬
‫) ‪kilometer ( km‬‬
‫) ‪megagram ( Mg‬‬
‫) ‪gigameter ( Gm‬‬
‫) ‪teraherttz ( THz‬‬
‫تحليل الوحدات‬
‫تستطيع استخدام الوحدات للتحقق من صحة إجابتك‪ ،‬فأنت تستخدم عادة معادلة أو مجموعة من‬
‫المعادالت لحل مسألة فيزيائية‪ ،‬و للتحقق من حلها بشكل صحيح اكتب المعادلة أو مجموعة المعادالت‬
‫التي ستستخدمها في الحل‪ ،‬وقبل إجراء الحسابات تحقق من أن وحدات إجابتك صحيحة ‪.‬‬
‫فعلى سبيل المثال إذا وجدت عند حساب السرعة أن اإلجابة بوحدة ‪ s/m‬فأعرف أن هنالك خطأ في‬
‫حل المسألة‪ .‬هذه الطريقة في التعامل مع الوحدات باعتبارها كميات جبرية تسمى تحليل الوحدات ‪.‬‬
‫معامل التحويل‬
‫يستخدم تحليل الوحدات في إيجاد معامل التحويل‪ ،‬ومعامل التحويل هو معامل ضرب‬
‫صحيحيا على سبيل المثال ‪ 1 kg =1000 g :‬ومن هنا نستطيع بناء معامل التحويل التالي‪:‬‬
‫يساوى واحد‬
‫أمثلة حسابية ‪:‬‬
‫‪‬كم ‪ MHz‬في ‪ 750 kHz‬؟‬
‫‪‬حول ‪ 5201 cm‬إلى ‪ km‬؟‬
‫‪‬كم ثانية في السنة الكبيسة علما بأن ‪ ( :‬السنة الكبيسة تساوي ‪366‬يوما ) ؟‬
‫‪ ‬حول السرعة ‪ 5.30 m/s‬إلى ‪km/h‬‬
‫‪ ‬حوّل كال ً مما يلي إلى متر‪:‬‬
‫‪6.2 pm .b‬‬
‫‪42.3 cm .a‬‬
‫‪ ‬ماذا يطلق على قيم المتر التالية ‪:‬‬
‫‪0.001 m . b‬‬
‫‪0.01 m . a‬‬
‫‪21 km .c‬‬
‫‪1000 m . c‬‬
‫‪0.023 mm .d‬‬
‫‪214 μm .e‬‬
‫‪57 nm .f‬‬
‫الدقة و الضبط‬
‫‪Precision Versus Accuracy‬‬
‫تمثل كل من الدقة و الضبط خاصية من خصائص‬
‫القيم املقاسة ‪.‬‬
‫كلما كانت األداة ذات تدريجات بقيم أصغر‬
‫كانت قياساته أكثر دقة ودقة القياس تساوي‬
‫نصف قيمة أصغر تدريج في األداة ‪.‬‬
‫دقة القياس = ½ قيمة أصغر تدريج في األداة‬
‫دقة القياس ‪ :‬هي درجة اإلتقان في القياس ‪.‬‬
‫العوامل التي تعتمد عليها الدقة ‪:‬‬
‫‪‬األداة ( الجهاز ) املستخدم في القياس ‪.‬‬
‫‪‬الطريقة املستخدمة في القياس ‪.‬‬
‫الضبط ‪ :‬معناه اتفاق نتائج القياس مع‬
‫القيمة املقبولة في القياس ‪.‬‬
‫معايرة أجهزة القياس ‪:‬‬
‫يتم معايرة الجهاز بضبط‬
‫صفر الجهاز ‪ ,‬ثم بمعايرة‬
‫الجهاز بحيث يعطي قيمة‬
‫مضبوطة و صحيحة عندما‬
‫يقيس كمية ذات قيمة‬
‫معتمدة ‪ ,‬فمن الضروري اجراء الضبط الدوري‬
‫لألجهزة في المختبر مثل الموازين و الجلفانومترات‬
‫مخبار ‪a‬‬
‫دورق ‪b‬‬
‫سؤال ) إذا كان أصغر تدريج في المخبار ‪ a‬يساوي ‪, 1mL‬‬
‫و أصغر تدريج في الدورق ‪ b‬يساوي ‪ , 50mL‬أيهما يعتبر‬
‫أكثر دقة في القياس ؟‬
‫اختالف زاوية النظر عند‬
‫القياس ‪ :‬يجب أن يكون النظر‬
‫للجهاز عند القياس بزاوية‬
‫عامودية حتى يحصل على‬
‫القياس المضبوط ‪.‬‬
‫أي الموازين يعطي قراءة أدق‬
‫و أضبط ؟‬