تحديّة عمليّة - كتاب الفيزياء - الصف 11 - الفصل 1 - المملكة العربية السعودية

📚 حفظ الطاقة واستراتيجية حل المسائل

المفاهيم الأساسية

الطاقة الميكانيكية الكلية: مجموع طاقة الوضع وطاقة الحركة في النظام. تبقى ثابتة في النظام المعزول (بدون احتكاك).

النظام المعزول: النظام الذي لا تؤثر فيه قوة خارجية.

خريطة المفاهيم

```markmap

الفصل 5: الطاقة وحفظها

1-5 الأشكال المتعددة للطاقة

طاقة الوضع المرونية

#### التخزين

• يحدث عند بذل شغل على جسم مرن (شد أو ثني)
• أمثلة: وتر القوس، كرات المطاط، الأربطة المطاطية، المقاليع، منصات القفز، زانات القفز

#### المواد وتأثيرها

• مواد قاسية (خشب الخيزران، فلز): يصعب انحناؤها، لذا تخزن طاقة وضع قليلة
• مواد مرنة (ألياف زجاجية): يسهل انحناؤها، لذا تخزن طاقة وضع مرونية كبيرة

#### التحولات

• من طاقة حركية إلى طاقة وضع مرونية (عند ثني الزانة)
• من طاقة وضع مرونية إلى طاقة حركية (عند إفلات وتر القوس)
• من طاقة وضع مرونية إلى طاقة وضع جاذبية وطاقة حركية (عند استقامة الزانة)

الطاقة السكونية

#### المفهوم

• الكتلة نفسها هي شكل من أشكال الطاقة (أينشتاين)
• الطاقة المخزنة في كتلة الجسم

#### العلاقة الرياضية

• E₀ = mc²

#### التطبيقات

• أي تغير في طاقة الجسم (مثل انضغاط نابض) يؤدي إلى تغير طفيف في كتلته
• يصعب قياس التغير في الكتلة عندما تكون الطاقة صغيرة
• يكون التغير ملحوظاً عندما تكون الطاقة كبيرة جداً (مثل الطاقة الحركية العالية)

2-5 حفظ الطاقة

قانون حفظ الطاقة

• في النظام المعزول المغلق، يبقى المجموع الكلي للطاقة ثابتاً.
• لا تفنى الطاقة ولا تستحدث، بل تتحول من شكل إلى آخر.

الطاقة الميكانيكية

#### التعريف

• مجموع الطاقة الحركية (KE) وطاقة الوضع الجاذبية (PE) للنظام.
• E = KE + PE

#### التحولات

• عند سقوط جسم: تتحول طاقة الوضع الجاذبية إلى طاقة حركية.
• النقص في طاقة الوضع يساوي الزيادة في الطاقة الحركية.
• المجموع الكلي للطاقة الميكانيكية يبقى ثابتاً (في غياب قوى غير محافظة).

#### معادلة الحفظ

• PE_{قبل} + KE_{قبل} = PE_{بعد} + KE_{بعد}

#### استقلالية المسار

• في غياب الاحتكاك، لا يؤثر المسار الذي تسلكه الكرة على مقدار الطاقة الحركية النهائية.
• مثال: كرة وزنها 10.0 N تهبط مسافة رأسية 2.0 m، تفقد طاقة وضع مقدارها 20.0 J وتكتسب طاقة حركية مقدارها 20.0 J.

أمثلة تطبيقية

#### عربة التزلج

• الطاقة الكلية للنظام (عربة + أرض) هي طاقة الوضع الجاذبية عند أعلى نقطة.
• عند الهبوط، تتحول طاقة الوضع إلى طاقة حركية.
• لا تستطيع العربة الصعود إلى منحدر أعلى إذا كانت الطاقة اللازمة أكبر من طاقتها الميكانيكية الكلية.

#### البندول (حركة توافقية بسيطة)

• النظام: ثقل البندول والأرض.
• عند أعلى نقطة (أقصى إزاحة): الطاقة كلها طاقة وضع.
• عند أدنى نقطة: الطاقة كلها طاقة حركية.
• أثناء التأرجح: تتحول الطاقة باستمرار بين الوضع والحركة، بينما يبقى المجموع ثابتاً.

فقدان الطاقة الميكانيكية

#### الأسباب

• قوة مقاومة الهواء.
• قوة الاحتكاك (مثل احتكاك عجلات العربة بالسكة).
• تحول جزء من الطاقة إلى أشكال أخرى (طاقة حرارية، طاقة صوتية).

#### النتيجة

• توقف تذبذب البندول في النهاية.
• توقف الكرة المرتدة عن السطح.
• نقص الارتفاع الذي تصل إليه عربة التزلج تدريجياً.

استراتيجية حل المسائل (حفظ الطاقة)

#### الخطوات

حدد النظام بدقة (تأكد أنه مغلق).

عين أشكال الطاقة في النظام.

حدد الوضع الابتدائي والنهائي للنظام.

هل النظام معزول؟

طبق المعادلة المناسبة:

- إذا كان النظام معزولاً (لا توجد قوة خارجية): E_{بعد} = E_{قبل}

- إذا كانت هناك قوة خارجية تؤثر: E_{بعد} + W = E_{قبل}

- إذا كانت الطاقة الميكانيكية محفوظة: حدد مستوى إسناد لحساب طاقة الوضع، ومثل بيانيًا بالأعمدة كلاً من الطاقة الابتدائية والنهائية.

المفردات

• التصادم فوق المرن
• التصادم المرن
• التصادم عديم المرونة

```

نقاط مهمة

• في البندول عند أدنى نقطة: طاقة الوضع = صفر، والطاقة الحركية = الطاقة الميكانيكية الكلية.
• الطاقة الميكانيكية الكلية تبقى ثابتة فقط إذا كان الاحتكاك معدومًا.
• في الحياة اليومية، تتحول الطاقة الميكانيكية إلى طاقة حرارية وصوتية بسبب قوى مثل الاحتكاك ومقاومة الهواء.
• استراتيجية حل المسائل تتضمن 5 خطوات أساسية لتحديد النظام وأشكال الطاقة والمعادلة المناسبة.

والشكل 11-5 يوضح العلاقة البيانية لتغير طاقة الوضع وطاقة الحركة للبندول. فعندما يكون البندول عند أدنى نقطة في مساره تكون طاقة الوضع له صفرًا، وتكون طاقته الحركية مساوية للطاقة الميكانيكية للنظام. لاحظ أن الطاقة الميكانيكية الكلية في النظام تبقى ثابتة على افتراض أن الاحتكاك معدوم. فقدان الطاقة الميكانيكية نلاحظ في حياتنا اليومية أن تذبذب البندول يتوقف في نهاية المطاف، وأن الكرة المرتدة عن سطح الأرض تؤول إلى السكون، كما أن الارتفاع الذي تصل إليه عربة التزلج يقل تدريجيًا. فأين تذهب الطاقة في هذه الأنظمة؟ يتعرض أي جسم يتحرك في الهواء لقوة مقاومة الهواء، كما تتعرض عربة قطار الملاهي لتأثير قوة الاحتكاك بين عجلات العربة والسكة. وعندما ترتد الكرة عن سطح الأرض، لا تتحول جميع طاقة الوضع المرونة المخزنة فيها إلى طاقة حركية بعد الارتداد، بل يتحول جزء من هذه الطاقة إلى طاقة حرارية وطاقة صوتية، وفي حالتي البندول وعربة التزلج تتحول بعض الطاقة الميكانيكية الابتدائية في النظام إلى أشكال أخرى من الطاقة، إما إلى طاقة داخل أجزاء النظام أو خارجه، كما في مقاومة الهواء. وترتفع عادة هذه الطاقة درجة حرارة الجسم تدريجيًا، وستعرف المزيد عن هذا النوع من الطاقة المسمى الطاقة الحرارية في الفصل 6. وستساعدك الاستراتيجيات الآتية على حل المسائل المتعلقة بحفظ الطاقة.

هل الطاقة محفوظة؟ ارجع إلى دليل التجارب في منصة عين الإثرائية

استراتيجية حل المسائل

حفظ الطاقة

استعن بالاستراتيجيات الآتية عند حل المسائل المتعلقة بحفظ الطاقة:

1. حدد النظام بدقة، وتأكد أنه مغلق (تذكر أن النظام المغلق لا يدخل إليه أو يخرج منه أي جسم).

2. عين أشكال الطاقة في النظام.

3. حدد الوضع الابتدائي والنهائي للنظام.

4. هل النظام معزول؟

5.

وزارة التعليم 143 Ministry of Education 2025 - 1447

والشكل 11-5 يوضح العلاقة البيانية لتغير طاقة الوضع وطاقة الحركة للبندول. فعندما يكون البندول عند أدنى نقطة في مساره تكون طاقة الوضع له صفرًا، وتكون طاقته الحركية مساوية للطاقة الميكانيكية للنظام. لاحظ أن الطاقة الميكانيكية الكلية في النظام تبقى ثابتة على افتراض أن الاحتكاك معدوم. فقدان الطاقة الميكانيكية نلاحظ في حياتنا اليومية أن تذبذب البندول يتوقف في نهاية المطاف، وأن الكرة المرتدة عن سطح الأرض تؤول إلى السكون، كما أن الارتفاع الذي تصل إليه عربة التزلج يقل تدريجيًا. فأين تذهب الطاقة في هذه الأنظمة؟ يتعرض أي جسم يتحرك في الهواء لقوة مقاومة الهواء، كما تتعرض عربة قطار الملاهي لتأثير قوة الاحتكاك بين عجلات العربة والسكة. وعندما ترتد الكرة عن سطح الأرض، لا تتحول جميع طاقة الوضع المرونة المخزنة فيها إلى طاقة حركية بعد الارتداد، بل يتحول جزء من هذه الطاقة إلى طاقة حرارية وطاقة صوتية، وفي حالتي البندول وعربة التزلج تتحول بعض الطاقة الميكانيكية الابتدائية في النظام إلى أشكال أخرى من الطاقة، إما إلى طاقة داخل أجزاء النظام أو خارجه، كما في مقاومة الهواء. وترتفع عادة هذه الطاقة درجة حرارة الجسم تدريجيًا، وستعرف المزيد عن هذا النوع من الطاقة المسمى الطاقة الحرارية في الفصل 6. وستساعدك الاستراتيجيات الآتية على حل المسائل المتعلقة بحفظ الطاقة. --- SECTION: تحديّة عمليّة --- هل الطاقة محفوظة؟ ارجع إلى دليل التجارب في منصة عين الإثرائية استراتيجية حل المسائل حفظ الطاقة استعن بالاستراتيجيات الآتية عند حل المسائل المتعلقة بحفظ الطاقة: 1. حدد النظام بدقة، وتأكد أنه مغلق (تذكر أن النظام المغلق لا يدخل إليه أو يخرج منه أي جسم). 2. عين أشكال الطاقة في النظام. 3. حدد الوضع الابتدائي والنهائي للنظام. 4. هل النظام معزول؟ 5. a. a. إذا لم تكن هناك قوة خارجية تؤثر في النظام يكون النظام معزولاً ويكون مجموع الطاقة الكلية فيه ثابتًا. E_بعد = E_قبل b. b. إذا كان هناك قوة خارجية تؤثر في النظام فإن E_بعد + W = E_قبل c. c. إذا كانت الطاقة الميكانيكية محفوظة فحدد مستوى إسناد لحساب طاقة الوضع، ومثل بيانيًا بالأعمدة كلاً من الطاقة الابتدائية والطاقة النهائية، كما في الشكل المرفق. وزارة التعليم 143 Ministry of Education 2025 - 1447 --- VISUAL CONTEXT --- **QR_CODE**: Untitled Description: A QR code labeled 'ارجع إلى دليل التجارب في منصة عين الإثرائية' (Refer to the experiments guide on Ain platform for enrichment). Context: Provides a digital link for further experimental guidance related to energy conservation. **CHART**: مخطط الطاقة Description: A bar chart comparing initial and final kinetic and potential energies, and total mechanical energy. It consists of three main groups of bars: 'الطاقة الابتدائية' (Initial Energy), 'الطاقة النهائية' (Final Energy), and 'الطاقة الميكانيكية' (Mechanical Energy). Each group has two bars representing kinetic energy (KE) and potential energy (PE). The initial and final energy groups show a swap in relative heights between KE and PE, while their sums remain constant, equal to the total mechanical energy. X-axis: نوع الطاقة Y-axis: مقدار الطاقة Context: Illustrates the conservation of mechanical energy by showing that the sum of initial kinetic and potential energy equals the sum of final kinetic and potential energy, and both equal the total mechanical energy, assuming no external forces or friction. The relative heights of KE and PE change, but their sum remains constant. (Note: Some details are estimated)