الحركة التوافقية البسيطة

Download Report

Transcript الحركة التوافقية البسيطة

Slide 1

‫الباب الثاني‬
‫الموجات والضوء‬
‫مبان أعلى ‪ ،‬وطباعا ً حادة‪ ،‬ولدينا‬
‫لدينا‬
‫ٍ‬
‫طرقا سريعة أوسع ‪ ،‬ووجهات نظر‬
‫أضيق‪.‬‬
‫‪We have taller buildings, but‬‬
‫‪shorter tempers; wider freeways,‬‬
‫‪but narrower viewpoints.‬‬


Slide 2

‫أقسام الباب‬
‫‪ /1‬الحركة التوافقية البسيطة‬
‫‪ /2‬حركة الموجات‬
‫‪ /3‬دراسة الضوء‬
‫‪ /4‬االنكسار‬
‫‪ /5‬العدسات‬
‫‪ /6‬المرايا‬
‫‪ /7‬األجهزة البصرية‬


Slide 3

‫الحركة التوافقية البسيطة‬
‫تعريفها ‪:‬‬
‫ً‬
‫جيئة وذهابا ً مروراً‬
‫(هي حركة دورية تتحرك‬
‫بمستوي معين يسمي بمستوي االتزان ‪) .‬‬
‫نماذج للحركة التوافقية البسيطة ‪:‬‬
‫‪ /1‬الحركة األفقية لكتلة معلقة في خيط (البندول البسيط )‬
‫‪ /2‬حركة كتلة معلقة علي نابض ‪.‬‬
‫‪ /3‬حركة قطع الفلين علي سطح الماء ‪.‬‬
‫‪ /4‬حركة األرجوحة ‪.‬‬
‫‪ /5‬حركة وتر مشدود ‪.‬‬
‫‪ /6‬حركة مسطرة مثبتة من أحد طرفيها ‪.‬‬


Slide 4

‫تعريفات‬

‫‪ /1‬مستوي االتزان ‪-:‬‬
‫هو الوضع الطبيعي للمنظومة وهي ساكنة ‪.‬‬
‫‪ /2‬اإلزاحة ‪:‬‬
‫هي بعد الجسم المهتز أثناء حركته عن موضع االتزان ‪.‬‬
‫‪ /3‬االتساع ‪:‬‬
‫هو أقصي إزاحة للجسم المهتز عن موضع االتزان ‪.‬‬
‫‪ /4‬الذبذبة الكاملة ‪:‬‬
‫هي رحلة الذهاب واإلياب للجسم المهتز من نقط ٍة ما ليعود لنفس‬
‫النقطة في نفس اتجاه حركته األولي ‪.‬‬


Slide 5

‫‪ /5‬الزمن الدوري للحركة ‪:‬‬

‫هو الزمن الالزم لعمل ذبذبة كاملة‬
‫‪ /6‬التردد ‪:‬‬
‫هو عدد الذبذبات التي يحدثها الجسم خالل ثانية واحدة ‪.‬‬
‫‪ /7‬التردد الزاوي ‪:‬‬

‫هو مقدار اإلزاحة الزاوية خالل وحدة الزمن ‪.‬‬

‫‪ =ω‬هـ ÷ ن = ‪/π2‬ز = ‪π2‬ذ‬
‫ووحدته هي راديان ‪ /‬ثانية‬


Slide 6

‫تمثيل الحركة التوافقية البسيطة‬
‫تمثل بحركة مسقط متجه موضع نقطة تتحرك علي محيط‬
‫دائرة ‪ ،‬علي قطر ثابت فيها ‪ .‬وتوضح بالشكل التالي ‪:‬‬

‫ب‬
‫س‬

‫ج‬

‫هـ‬

‫ص‬

‫نق‬
‫هـ‬

‫م‬


Slide 7

‫شكل يوضح تمثيل الحركة التوافقية البسيطة‬


Slide 8

‫شكل يوضح حركة توافقية بسيطة بسعة امتر‬
‫وبزمن دوري قدره ‪50‬ثانية‬


Slide 9

‫معادالت الحركة التوافقية البسيطة‬
‫أوالً ‪ :‬معادلة اإلزاحة ‪:‬‬
‫(اإلزاحة تمثل بمسقط متجه موضع‬
‫النقطة المتحركة علي القطر الرأسي )‬

‫هـ‬
‫أهـ‬

‫ص‬


Slide 10

‫مثال (‪)1‬‬
‫جسيم يتحرك حركة توافقية بسيطة ويمكن تمثيل حركته‬
‫علي محيط دائرة نصف قطرها ‪2‬متر ‪ ،‬فإذا كان‬
‫يحدث ‪5‬ذبذبات كاملة كل ‪10‬ثواني ‪ .‬فبعد كم من‬
‫الزمن تصبح إزاحته ‪1‬متر ؟ مع تمثيل الحركة بيانيا ً‬
‫‪.‬الحل‬
‫سعة الحركة = أ = ‪ 2‬متر‬
‫تردد الحركة = عدد الدورات ÷ الزمن = ‪=10 ÷5‬‬
‫‪0.5‬هيرتز‬
‫التردد الزاوي = ‪π2 =ω‬ذ = ‪ π =0.5×π×2‬راديان ‪ /‬ثانية‬
‫معادلة اإلزاحة‬

‫ص= أ جا ‪ω‬ن‬


Slide 11

‫جا‪π‬ن = ‪0.5‬‬
‫‪2 =1‬جا ‪π‬ن‬
‫‪π‬ن= ‪30‬أو ‪150‬‬
‫ن‪6/1= 180÷30 = 1‬ثانية‬
‫ن‪6/5 =180÷150 = 2‬ثانية‬
‫اإلزاحة‬
‫‪2‬‬

‫تمثيل الحركة ‪:‬‬
‫الزمن‬

‫‪1‬‬

‫‪2‬‬

‫‪2/3‬‬

‫‪1‬‬

‫ن‪2‬‬

‫‪2/1‬‬

‫ن‪1‬‬

‫‪2-‬‬

‫الجسم المتحرك حركة توافقية بسيطة يمر بأي نقطة في مسار حركته مرتين خالل الزمن‬
‫الدوري الواحد ‪.‬‬


Slide 12

‫شكل يوضح مسقط كل من‬
‫متجه السرعة ومتجه التسارع علي القطر الثابت‬
‫هـ‬
‫ع‬

‫و‬

‫ن‬
‫عص‬
‫س‬

‫هـ‬

‫‪:‬‬

‫تص‬

‫تم‬

‫هـ‬

‫م‬


Slide 13

‫ثانيا ً ‪ :‬معادلة السرعة ‪:‬‬
‫سرعة الحركة التوافقية البسيطة هي مسقط سرعة الحركة‬
‫عص= ‪ω‬نق جتاهـ‬
‫الدائرية علي القطر الثابت ‪.‬‬
‫بتعويض نق= أ ‪ ،‬هـ = ‪ω‬ن نجد أن ‪:‬‬

‫أ‬

‫تغير السرعة أثناء الحركة التوافقية البسيطة‪:‬‬

‫‪+‬‬

‫موضع اإلتزان‬

‫*أعلي قيمة للسرعة عند موضع اإلتزان‪.‬‬
‫*تنعدم السرعة عند أقصي إزاحة ‪.‬‬

‫ـــ‬

‫‪-‬أ‬

‫ع= صفر‬

‫تناقص‬

‫ع= ‪ω±‬أ‬
‫تناقص‬
‫ع= صفر‬


Slide 14

‫مثال (‪)2‬‬
‫جسيم يتحرك في مستوي فإذا كانت معادلة سرعة حركته‬
‫تعطي بالعالقة التالية ‪:‬‬
‫ع = ‪24‬جتا‪6‬ن (م‪/‬ث) حدد نوع الحركة ‪ .‬ثم أحسب ترددها‬
‫الزاوي وسعة الحركة ‪ ،‬ومقدار سرعتها بعد ‪24/π‬ثانية ‪.‬‬

‫الحل‬
‫بالمقارنة مع المعادلة القياسية ‪ :‬ع= ‪ω‬أجتا‪ω‬ن نجد أن الحركة‬
‫توافقية بسيطة ‪.‬‬
‫أ = ‪ 4‬متر‬
‫‪6 =ω‬راديان‪/‬ث ‪ω ،‬أ = ‪24‬‬
‫ع= ‪24‬جتا (‪2/1 ×24 = )4/π‬‬
‫ع = ‪24‬جتا(‪)24/π×6‬‬


Slide 15

‫أحسب التردد والزمن الدوري مع تمثيل الحركة‬
‫بيانيا ً في المثال السابق ‪.‬‬
‫التردد الزاوي = ‪π2 = 6 =ω‬ذ‬
‫التردد = ذ= ‪π /3‬هيرتز‬
‫الزمن الدوري = ز = ‪/1‬ذ = ‪ 3/π‬ثانية‬
‫تمثيل الحركة ‪:‬‬

‫الزمن‬

‫‪3/π‬‬

‫‪4/π‬‬

‫‪6/π‬‬

‫‪4‬‬

‫اإلزاحة‬

‫‪12/π‬‬

‫‪4-‬‬


Slide 16

‫ثالثا ً ‪ :‬معادلة تسارع الحركة ‪:‬‬
‫تسارع الحركة الدائرية جـ = ‪ 2ω‬نق‬
‫نق = أ‬
‫من دراسة مسقط التسارع نجد أن ‪:‬‬
‫تص= ‪ 2ω -‬أ جا هـ = ‪ 2ω -‬ص‬
‫( الحركة التوافقية البسيطة هي تلك الحركة التي‬
‫يتناسب فيها التسارع طرديا ً مع سالب اإلزاحة )‬
‫(إشارة السالب تعني أن سرعة الجسيم المتحرك‬
‫حركة توافقية بسيطة تتناقص كلما زادت اإلزاحة‬
‫وتنعدم تماما ً عند أقصي إزاحة ‪) .‬‬


Slide 17

‫مثال (‪)3‬‬
‫جسم يتحرك حركة توافقية بسيطة باتساع قدره ‪ 2√3‬سم‬
‫وزمن دوري قدره ‪5/6‬ثانية أوجد ‪:‬‬
‫‪ /1‬معادلة الحركة ‪:‬‬

‫أ= ‪ 2√3‬سم‬
‫‪ /π2 =ω‬ز = ‪ 6/π10 = 6/5×π2‬راديان ‪/‬ثانية‬
‫ص= ‪ 2√3‬جا ‪π5‬ن‪3/‬‬
‫ص= أجا ‪ω‬ن‬
‫اإلزاحة بعد ‪4‬ثواني = ص= ‪ 2√3‬جا ‪3/4×π5‬‬
‫= ‪2√3‬جا ‪3 = 120‬سم‬


Slide 18

‫‪ /2‬معادلة السرعة ‪:‬‬
‫عص = ‪ω‬أ جتا ‪ω‬ن‬
‫عص = ‪ 3/ π √3 ×10‬جتا ‪π5‬ن‪3/‬‬
‫السرعة بعد ‪4‬ثواني‬
‫= عص = ‪ 3/ π √3 ×10‬جتا ‪3/4×π5‬‬
‫عص = ‪ 3/ π √3 ×10‬جتا ‪120‬‬
‫عص = ‪ 3/ π √3 ×5 -‬سم ‪/‬ث‬


Slide 19

‫‪ /3‬معادلة التسارع ‪:‬‬
‫تص = ‪ 2ω -‬أ جا ‪ω‬ن = ‪ 2ω -‬ص‬
‫تص= ‪ 9/ √32π50-‬جا ‪π5‬ن‪3/‬‬
‫التسارع بعد ‪4‬ثواني‬
‫تص = ‪ 9/ √32π50-‬جا ‪120‬‬
‫ت = ‪ 3/ 2π25 -‬سم‪ /‬ث‪2‬‬
‫ص‬


Slide 20

‫مثل الحركة السابقة بيانيا ً‬
‫اإلزاحة‬
‫‪2√3‬‬

‫‪1.2‬‬
‫الزمن‬

‫‪0.9‬‬

‫‪0.6‬‬

‫‪0.3‬‬

‫‪-2√3‬‬


Slide 21

‫جدول يوضح قيم اإلزاحة والسرعة والتسارع عند نقاط‬
‫محددة أثناء الحركة التوافقية البسيطة‬
‫الحد األعلى موضع االتزان الحد األدنى‬
‫اإلزاحة‬

‫أ‬

‫صفر‬

‫‪-‬أ‬

‫السرعة‬

‫صفر‬

‫‪ω±‬أ‬

‫صفر‬

‫التسارع‬

‫‪ 2ω‬أ‬

‫صفر‬

‫‪ 2ω-‬أ‬


Slide 22

‫البندول البسيط ( النواس المتأرجح)‬

‫تعريف ‪:‬‬
‫هو عبارة عن كتلة‬
‫مربوطة بخيط‬
‫وتتحرك‬
‫علي خط أفقي مروراً‬
‫بنقطة ثابتة تسمي‬
‫موضع االتزان ‪.‬‬

‫االتساع‬


Slide 23

‫معادلة حركة البندول البسيط ( النواس المتأرجح)‬
‫من توازن الشكل نجد أن ‪:‬‬
‫قوة الشد = وجتا هـ‬
‫قوة اإلرجاع = ‪ -‬وجاهـ‬
‫ك×تس = ‪-‬وجاهـ‬
‫ك× ‪2ω-‬س = ‪-‬ك×د×س‪/‬ل‬

‫ملحوظة‬
‫هـ‬

‫ل‬
‫قوة الشد‬

‫س‬

‫الدورة الكاملة‬
‫للبندول تحدث‬
‫‪4‬سعات كاملة ‪.‬‬

‫هـ‬
‫وحا هـ‬
‫وجتا هـ‬
‫الوزن‬

‫قوة اإلرجاع‬

‫موضع اإلتزان‬


Slide 24

‫من المعادلة السابقة نجد أن ‪:‬‬
‫‪2‬‬
‫‪=ω‬‬

‫د‪ /‬ل‬

‫د‪/‬ل‬
‫ل‪/‬د‬

‫** مربع تردد البندول يتناسب طرديا ً مع التسارع وعكسيا ً مع طوله ‪.‬‬
‫** مربع الزمن الدوري للبندول يتناسب طرديا ً مع الطول وعكسيا ً مع‬
‫تسارع الجاذبية ‪.‬‬
‫** تردد البندول وزمنه الدوري ال يعتمدان علي مقدار الكتلة المعلقة ‪.‬‬


Slide 25

‫علل‬
‫نالحظ الساعات البندولية تؤخر الزمن صيفا ً وتقدمه شتا ًء ‪.‬‬
‫ألن في الصيف يتمدد البندول ويزداد طوله وبالتالي يزداد الزمن الدوري ‪،‬‬
‫ويقل الزمن المحسوب ‪ ،‬ولضبطه يجب إنقاص الطول ‪.‬‬
‫ويحدث عكس ذلك في الشتاء ‪.‬‬
‫مهارة عملية‬
‫إذا كان لديك خيطا ً ‪،‬وساعة إيقاف‪ ،‬وكتلة صغيرة ‪ .‬بواسطة هذه األشياء‬
‫فقط تستطيع حساب تسارع الجاذبية عند الموضع ‪ ( .‬وضح ذلك )‬
‫‪ /1‬نصنع بندوالً ونحسب تردده ‪.‬‬
‫‪ /2‬نعوض في قانون تردد البندول بقيمة التردد المحسوب وطول الخيط‬
‫المستخدم ‪ .‬ويكون المجهول فقط هو تسارع الجاذبية ويمكن حسابه‬
‫رياضيا ً ‪.‬‬


Slide 26

‫مثال(‪)4‬‬
‫بندول طوله ‪5‬سم ويحدث ‪20‬دورة خالل ‪4‬ثواني أحسب ‪:‬‬
‫‪ /1‬تردد البندول‬
‫ذ= عدد الدورات ÷الزمن = ‪5 =4 ÷20‬هيرتز‬
‫‪ /2‬الزمن الدوري للبندول‬
‫ز = ‪ /1‬ذ = ‪ 0.2 = 5/1‬ثانية‬
‫‪ /3‬تسارع الجاذبية في موضع التجربة ‪:‬‬


Slide 27

‫مثال (‪)5‬‬
‫ساعة حائط بندولية أخذت إلي القمر حيث تزن األجسام سدس‬
‫وزنها علي األرض ‪ .‬ما هو الزمن الالزم لكي تقرأ ساعة‬
‫علي تدريجها ‪.‬‬
‫الحل‬

‫ل‪/‬د‬

‫‪6‬‬