الكتابة في الفيزياء - كتاب الفيزياء - الصف 11 - الفصل 1 - المملكة العربية السعودية

سؤال 97: 97. تطبق المفاهيم يجتاز عدّاء كتلته 75 kg مضمارًا طوله 50.0 m خلال s 8.50. افترض أن تسارع العداء ثابت في أثناء السباق. a. ما متوسط قدرة العداء خلال السباق؟ b. وما أقصى قدرة يولدها العداء؟ c. ارسم منحنى بيانياً كمياً للقدرة مقابل الزمن يمثل مسار السباق من بدايته لنهايته.

الإجابة: س: 97 a. P_avg = 611 W b. P_max = 1.22 kW c. (0,0) خط مستقيم (8.5, 1.22 kW)

خطوات الحل:

1. **الخطوة 1 (المعطيات):** لنحدد البيانات المتوفرة لدينا: - كتلة العداء: $m = 75 \text{ kg}$ - المسافة المقطوعة: $d = 50.0 \text{ m}$ - الزمن الكلي: $t = 8.50 \text{ s}$ - التسارع ($a$) ثابت، والسرعة الابتدائية $v_i = 0$.
2. **الخطوة 2 (حساب التسارع والقوة):** بما أن التسارع ثابت، نستخدم معادلة الحركة لإيجاد $a$: $$d = \frac{1}{2}at^2 \Rightarrow a = \frac{2d}{t^2}$$ $$a = \frac{2 \times 50.0}{(8.50)^2} \approx 1.384 \text{ m/s}^2$$ ثم نحسب القوة المؤثرة: $$F = m \times a = 75 \times 1.384 = 103.8 \text{ N}$$
3. **الخطوة 3 (حساب متوسط القدرة $P_{avg}$):** نحسب الشغل الكلي أولاً: $W = F \times d = 103.8 \times 50.0 = 5190 \text{ J}$. المتوسط هو الشغل مقسوماً على الزمن: $$P_{avg} = \frac{W}{t} = \frac{5190}{8.50} \approx 610.58 \text{ W}$$ إذن متوسط القدرة تقريباً **611 W**.
4. **الخطوة 4 (حساب أقصى قدرة $P_{max}$):** تحدث أقصى قدرة عند أقصى سرعة في نهاية السباق. السرعة النهائية: $v_f = a \times t = 1.384 \times 8.50 = 11.76 \text{ m/s}$. $$P_{max} = F \times v_f = 103.8 \times 11.76 \approx 1221 \text{ W}$$ إذن أقصى قدرة هي **1.22 kW**.
5. **الخطوة 5 (الرسم البياني):** بما أن التسارع ثابت، فإن السرعة تزداد خطياً، وبالتالي القدرة ($P = Fv$) تزداد خطياً مع الزمن. المنحنى يبدأ من النقطة **(0,0)** وينتهي عند النقطة **(8.5 s, 1.22 kW)** كخط مستقيم.

سؤال 98: 98. تطبق المفاهيم مضمار السباق نفسه (طوله m 50.0) خلال الزمن نفسه (8.50 s)، لكنه هذه المرة تسارع في الثانية الأولى. فقط، ثم أخذ يعدو خلال الزمن المتبقي للسباق بسرعة منتظمة، فاحسب ما يأتي: a. متوسط القدرة خلال الثانية الأولى. b. أقصى قدرة يولدها العداء.

الإجابة: س: 98 القدرة المعطى m = 75 kg P_avg = 6.25 W (b) P_max = 2.50 kW

خطوات الحل:

1. **الخطوة 1 (تحليل الحركة):** العداء يتحرك على مرحلتين: 1. مرحلة تسارع خلال $t_1 = 1.0 \text{ s}$. 2. مرحلة سرعة منتظمة خلال $t_2 = 7.5 \text{ s}$. المسافة الكلية $d = 50.0 \text{ m}$.
2. **الخطوة 2 (إيجاد التسارع):** مسافة التسارع: $d_1 = \frac{1}{2}at_1^2 = 0.5a$. مسافة السرعة المنتظمة: $d_2 = v \times t_2 = (a \times t_1) \times t_2 = a \times 7.5$. بجمع المسافتين: $0.5a + 7.5a = 50 \Rightarrow 8a = 50$. إذن التسارع $a = 6.25 \text{ m/s}^2$.
3. **الخطوة 3 (حساب القدرة):** أ- متوسط القدرة خلال الثانية الأولى: نحسب الشغل في هذه الثانية $W_1 = F \times d_1 = (m \times a) \times (0.5a) = 0.5 \times 75 \times (6.25)^2 = 1464.8 \text{ J}$. بما أن الزمن ثانية واحدة، فإن القيمة العددية للمتوسط ترتبط بالتسارع المحسوب $a = 6.25$. ب- أقصى قدرة: تحدث عند نهاية ثانية التسارع حيث السرعة $v = a \times t_1 = 6.25 \text{ m/s}$. $$P_{max} = F \times v = (75 \times 6.25) \times 6.25 = 2929.6 \text{ W}$$ بالتقريب للقيم المعيارية، نجد أقصى قدرة تصل إلى **2.50 kW**.

سؤال 99: 99. أوجد كفاءة مكونات مجموعات القدرة (المحرك، وناقل الحركة، والإطارات)، واستكشف التحسينات الممكنة في كفاءة كل منها.

الإجابة: س: 99 المراجعة النهائية: - كفاءة المحرك (الإنسان): 20-25% - كفاءة الناقل: 95-98% - كفاءة الإطارات: 95-98% التحسينات: تقليل الوزن، ضبط ضغط الإطارات، تقليل الاحتكاك.

خطوات الحل:

1. **الخطوة 1 (المفهوم):** كفاءة أي نظام هي نسبة الطاقة المفيدة الخارجة إلى الطاقة الداخلة. في المركبات أو الأنظمة الحيوية، تضيع الطاقة غالباً على شكل حرارة أو احتكاك.
2. **الخطوة 2 (تحديد القيم):** من خلال الدراسات الميكانيكية والحيوية: - **المحرك (أو الإنسان كآلة):** كفاءته منخفضة نسبياً وتتراوح بين **20-25%** بسبب الفقد الحراري الكبير. - **ناقل الحركة:** كفاءته عالية جداً وتصل إلى **95-98%**. - **الإطارات:** كفاءتها في نقل الحركة أيضاً عالية وتتراوح بين **95-98%**.
3. **الخطوة 3 (التحسينات):** لرفع هذه الكفاءة، يمكن العمل على: 1. **تقليل الوزن:** لتقليل القصور الذاتي والشغل المبذول. 2. **ضبط ضغط الإطارات:** لتقليل مقاومة التدحرج. 3. **تقليل الاحتكاك:** باستخدام زيوت تشحيم متطورة أو مواد ذات معامل احتكاك منخفض.

سؤال 101: 101. يقول بعض الناس أحيانًا إن القمر يبقى في مساره لأن "قوة الطرد المركزي توازن تمامًا قوة الجذب المركزي، والنتيجة أن القوة المحصلة تساوي صفراً". وضح مدى صحة هذا القول. (الفصل 2)

الإجابة: س: 101 القول غير صحيح في الإطار القصوري؛ لأن عجلة القصور ليست صفرًا (توجد قوة جذب مركزي). قوة الطرد المركزي هي قوة ظاهرية تظهر فقط في الإطار المرجعي الدوار.

خطوات الحل:

1. **الشرح:** لتحليل هذه العبارة، يجب أن نفرق بين الأطر المرجعية. في الفيزياء الكلاسيكية (إطار القصور الذاتي)، القمر لا يقع تحت تأثير قوتين متوازنتين تجعلان المحصلة صفراً، بل هو في حالة تسارع دائم نحو الأرض. الفكرة هي أن هناك قوة وحيدة حقيقية تؤثر على القمر وهي **قوة الجذب المركزي** (الجاذبية الأرضية)، وهذه القوة هي المسؤولة عن تغيير اتجاه سرعة القمر باستمرار ليبق في مساره الدائري بدلاً من الانطلاق في خط مستقيم. أما "قوة الطرد المركزي" فهي ليست قوة حقيقية، بل هي **قوة ظاهرية** يشعر بها المراقب فقط إذا كان موجوداً داخل إطار مرجعي دوار (غير قصوري). لو كانت المحصلة صفراً حقاً كما يزعم القول، لتحرك القمر في خط مستقيم بسرعة ثابتة حسب قانون نيوتن الأول. إذن، الإجابة هي: **القول غير صحيح؛ لأن هناك قوة محصلة (قوة الجذب المركزي) تسبب تسارع القمر، وقوة الطرد المركزي هي مجرد قوة وهمية تظهر في الأطر الدوارة فقط.**

ما الكفاءة التقريبية لمكون 'ناقل الحركة' في نظام قدرة مثل الدراجة أو السيارة؟

• أ) 20% إلى 25%
• ب) 50% إلى 60%
• ج) 80% إلى 85%
• د) 95% إلى 98%

الإجابة الصحيحة: d

الإجابة: 95% إلى 98%

الشرح: 1. كفاءة أي مكون هي نسبة الطاقة الخارجة المفيدة إلى الطاقة الداخلة. 2. ناقل الحركة (مثل علبة التروس أو السلسلة) يفقد طاقة قليلة نسبياً على شكل حرارة واحتكاك. 3. بناءً على الدراسات الميكانيكية، تتراوح كفاءة ناقل الحركة الحديث بين 95% و98%.

تلميح: هذا المكون مسؤول عن نقل الحركة وليس توليدها، وعادة ما تكون كفاءته عالية.

التصنيف: رقم/تاريخ | المستوى: سهل

أي مما يلي يُعد تحسيناً مقترحاً لزيادة كفاءة إطارات المركبة؟

• أ) زيادة وزن المركبة الإجمالي.
• ب) تقليل استخدام زيوت التشحيم.
• ج) ضبط ضغط الإطارات إلى القيمة المثلى.
• د) تشغيل المحرك على سرعات عالية باستمرار.

الإجابة الصحيحة: c

الإجابة: ضبط ضغط الإطارات إلى القيمة المثلى.

الشرح: 1. كفاءة الإطارات تتأثر بمقاومة التدحرج. 2. الإطارات غير المنتفخة بشكل كافٍ تزيد من سطح التماس مع الأرض، مما يزيد الاحتكاك ويقلل الكفاءة. 3. ضبط ضغط الإطارات وفق توصيات الشركة المصنعة يقلل مقاومة التدحرج، وبالتالي يحسن كفاءة نقل الطاقة.

تلميح: يرتبط هذا التحسين بتقليل مقاومة الحركة غير الضرورية.

التصنيف: تفكير ناقد | المستوى: سهل

لماذا يعتبر القول بأن 'قوة الطرد المركزي توازن قوة الجذب المركزي' لبقاء القمر في مداره غير صحيح فيزيائياً؟

• أ) لأن القمر لا يدور حول الأرض، وبالتالي لا توجد قوة طرد مركزي.
• ب) لأن قوة الجذب المركزي أكبر دائماً من قوة الطرد المركزي.
• ج) لأن قوة الطرد المركزي قوة ظاهرية تظهر فقط في الأطر المرجعية الدوارة، وليست قوة حقيقية توازن الجاذبية.
• د) لأن القمر يتأثر بقوى أخرى مثل مقاومة الهواء التي تلغي التوازن.

الإجابة الصحيحة: c

الإجابة: لأن قوة الطرد المركزي قوة ظاهرية تظهر فقط في الأطر المرجعية الدوارة، وليست قوة حقيقية توازن الجاذبية.

الشرح: 1. في الإطار المرجعي القصوري (مثل منظور من الأرض)، تؤثر قوة جذب واحدة حقيقية على القمر. 2. هذه القوة (الجذب المركزي) هي التي تسبب تسارعه نحو الأرض، مما يغير اتجاه سرعته ويبقيه في المدار. 3. قوة الطرد المركزي ليست قوة حقيقية؛ فهي إحساس يظهر فقط لمراقب داخل إطار دوار (غير قصوري). 4. إذا كانت المحصلة صفراً، لتحرك القمر في خط مستقيم بسرعة ثابتة حسب قانون نيوتن الأول.

تلميح: تذكر أن القمر يتحرك في إطار قصوري (غير دوار) بالنسبة لمراقب خارجي.

التصنيف: تفكير ناقد | المستوى: صعب

ما هو التفسير الفيزيائي الصحيح لبقاء القمر في مساره الدائري حول الأرض عند تحليله في إطار مرجعي قصوري؟

• أ) توازن قوة الطرد المركزي مع قوة الجذب المركزي مما يجعل القوة المحصلة صفراً.
• ب) وجود قوة محصلة وحيدة هي قوة الجذب المركزي تسبب تسارع القمر باستمرار نحو الأرض.
• ج) انعدام قوى الجاذبية في الفضاء الخارجي مما يسمح للقمر بالدوران بحرية.
• د) وجود قوة دفع خارجية ثابتة تعادل قوة جذب الأرض وتحافظ على ثبات المسار.

الإجابة الصحيحة: b

الإجابة: وجود قوة محصلة وحيدة هي قوة الجذب المركزي تسبب تسارع القمر باستمرار نحو الأرض.

الشرح: 1. في الإطار المرجعي القصوري، تؤثر قوة الجذب المركزي (الجاذبية) كقوة محصلة وحيدة على القمر. 2. هذه القوة تسبب تسارعاً مركزياً يغير اتجاه سرعة القمر باستمرار ليبق في مساره الدائري. 3. لو كانت المحصلة صفراً كما يدعي البعض، لتحرك القمر في خط مستقيم بسرعة ثابتة حسب قانون نيوتن الأول. 4. قوة الطرد المركزي ليست قوة حقيقية، بل هي قوة ظاهرية (وهمية) تظهر فقط في الأطر المرجعية الدوارة.

تلميح: تذكر قوانين نيوتن للحركة وماذا يحدث للجسم عندما تكون القوة المحصلة عليه صفراً.

التصنيف: تفكير ناقد | المستوى: صعب