تجربة استهلالية - كتاب الفيزياء - الصف 11 - الفصل 1 - المملكة العربية السعودية

سؤال التحليل: أوجد حاصل ضرب كل قوة (وزن الثقل) في بعدها عن نقطة التعليق (محور الدوران). قارن بين بيانات كل محاولة، هل تأخذ هذه البيانات نمطا محددًا؟ وضح ذلك

الإجابة: نعم، حاصل ضرب القوة في بعدها عن محور الدوران لكل ثقل = X.W تقريبا، هذه البيانات تأخذ نمطا محددا، حيث يكون عزم الدوران الناتج عن الثقلين متساويا في المقدار ومتعاكسا في الاتجاه، ويكون مجموع العزوم الكلي يساوي صفرا.

خطوات الحل:

1. **الخطوة 1 (المفهوم):** عند دراسة الأجسام التي تدور حول محور، نقوم بضرب القوة (التي يمثلها وزن الثقل $W$) في ذراعها (البعد عن محور الدوران $X$) للحصول على كمية فيزيائية تسمى العزم (Torque).
2. **الخطوة 2 (التطبيق):** بمقارنة نواتج الضرب ($W \times X$) لكل ثقل في المحاولات المختلفة، نلاحظ أن القيم الناتجة لكل طرف من أطراف الميزان أو المسطرة تكون متقاربة جداً أو متساوية تقريباً.
3. **الخطوة 3 (النتيجة):** نعم، تأخذ هذه البيانات نمطاً محدداً؛ حيث يكون عزم الدوران الناتج عن الثقلين متساوياً في المقدار ومتعاكساً في الاتجاه، مما يجعل مجموع العزوم الكلي يساوي صفراً، وهذا ما يفسر حالة الاتزان.

سؤال التفكير الناقد: ما شرط اتزان جسم دورانيا؟

الإجابة: ج: شرط الاتزان الدوراني هو أن يكون محصلة عزوم القوى حول محور الدوران تساوي صفرا، أي: 0 = T أو أن العزوم مع عقارب الساعة = العزوم عكس عقارب الساعة.

خطوات الحل:

1. **الخطوة 1 (المفهوم):** الاتزان الدوراني هو الحالة التي لا يتغير فيها الدوران للجسم، ولكي يحدث ذلك، يجب أن تتوازن التأثيرات التي تحاول تدوير الجسم في اتجاهات مختلفة.
2. **الخطوة 2 (التطبيق):** بما أن العزم هو المسؤول عن الدوران، فإن التوازن يتطلب أن تلغي العزوم التي تعمل في اتجاه عقارب الساعة تلك التي تعمل في عكس اتجاه عقارب الساعة.
3. **الخطوة 3 (النتيجة):** إذن شرط الاتزان الدوراني هو أن تكون محصلة العزوم حول محور الدوران تساوي صفراً، ويُعبر عنها رياضياً بـ: $$\sum \tau = 0$$

ما وحدة قياس زوايا الدوران المستخدمة كثيرًا في الفيزياء وتعرف بأنها جزء من الدورة الكاملة؟

• أ) الدرجة (°).
• ب) الهرتز (Hz).
• ج) الراديان (rad).
• د) الثانية (s).

الإجابة الصحيحة: c

الإجابة: الراديان (rad).

الشرح: 1. لقياس الدوران، يمكن استخدام الدرجة (360 درجة = دورة كاملة). 2. وحدة أخرى أساسية في الفيزياء والرياضيات هي الراديان. 3. يُعرّف الراديان بأنه الزاوية التي تقابل قوسًا طوله يساوي نصف قطر الدائرة. 4. الدورة الكاملة الواحدة تساوي 2π راديان.

تلميح: هذه الوحدة ترتبط بنصف قطر الدائرة والمسافة المقطوعة على محيطها.

التصنيف: تعريف | المستوى: سهل

في تجربة اتزان المسطرة، إذا علق ثقل وزنه 2 نيوتن على بعد 0.3 متر من محور الدوران، فما مقدار العزم الذي يحدثه؟

• أ) 0.06 نيوتن.متر
• ب) 0.6 نيوتن.متر
• ج) 6 نيوتن.متر
• د) 60 نيوتن.متر

الإجابة الصحيحة: b

الإجابة: 0.6 نيوتن.متر

الشرح: 1. قانون العزم: العزم (τ) = القوة (F) × ذراع القوة (r). 2. القوة (الوزن) F = 2 نيوتن. 3. ذراع القوة (البعد عن المحور) r = 0.3 متر. 4. العزم τ = 2 نيوتن × 0.3 متر = 0.6 نيوتن.متر.

تلميح: تذكر قانون حساب العزم.

التصنيف: مسألة تدريبية | المستوى: متوسط

ما شرط اتزان الجسم دورانيًا؟

• أ) أن تكون محصلة القوى المؤثرة على الجسم تساوي صفرًا.
• ب) أن تكون السرعة الزاوية للجسم ثابتة.
• ج) أن تكون محصلة عزوم القوى حول محور الدوران تساوي صفرًا (∑τ = 0).
• د) أن يكون الجسم في حالة سكون تام (لا حركة انتقالية ولا دورانية).

الإجابة الصحيحة: c

الإجابة: أن تكون محصلة عزوم القوى حول محور الدوران تساوي صفرًا (∑τ = 0).

الشرح: 1. العزم (τ) هو كمية فيزيائية تسبب الدوران، وتساوي حاصل ضرب القوة في ذراعها (τ = F × r). 2. لكي يكون الجسم في حالة اتزان دوراني، يجب ألا يكون هناك دوران صافي. 3. يتحقق ذلك عندما تلغي العزوم التي تدور الجسم في اتجاه عقارب الساعة تلك التي تدور في عكس اتجاه عقارب الساعة. 4. النتيجة الرياضية: مجموع العزوم حول محور الدوران = صفر (∑τ = 0).

تلميح: فكر في القوة التي تسبب الدوران، ومتى يتوقف الجسم عن الدوران.

التصنيف: مفهوم جوهري | المستوى: متوسط

ما الكمية الفيزيائية التي يتم حسابها بضرب القوة (وزن الثقل) في بعدها عن محور الدوران؟

• أ) الشغل.
• ب) الطاقة الحركية.
• ج) العزم (أو عزم الدوران).
• د) الزخم.

الإجابة الصحيحة: c

الإجابة: العزم (أو عزم الدوران).

الشرح: 1. في تجربة اتزان المسطرة، يتم تعليق أثقال على جانبي نقطة التعليق. 2. التأثير الذي يسبب دوران المسطرة لا يعتمد على القوة (الوزن) فقط، بل أيضًا على بعدها عن محور الدوران. 3. الكمية الفيزيائية التي تجمع بين هذين العاملين (القوة والمسافة) هي العزم. 4. رياضياً: العزم (τ) = القوة (F) × ذراع القوة (r).

تلميح: هذه الكمية هي المسؤولة عن إحداث أو تغيير الحركة الدورانية.

التصنيف: تعريف | المستوى: سهل

ما النتيجة التي نستنتجها عند مقارنة حاصل ضرب (القوة × البعد) لكل ثقل في تجربة اتزان المسطرة عندما تكون متزنة؟

• أ) أن القوة على أحد الجانبين دائمًا أكبر من القوة على الجانب الآخر.
• ب) أن البعد عن المحور هو نفسه لكلا الثقلين دائمًا.
• ج) أن العزوم على جانبي نقطة التعليق متساوية في المقدار ومتعاكسة في الاتجاه.
• د) أن ناتج الضرب (القوة × البعد) يكون دائمًا عددًا صحيحًا.

الإجابة الصحيحة: c

الإجابة: أن العزوم على جانبي نقطة التعليق متساوية في المقدار ومتعاكسة في الاتجاه.

الشرح: 1. عندما تكون المسطرة متزنة أفقياً ولا تدور، فهذا يعني أنها في حالة اتزان دوراني. 2. شرط الاتزان الدوراني هو أن محصلة العزوم تساوي صفرًا (∑τ = 0). 3. لكي يكون المجموع صفرًا، يجب أن يكون هناك عزمان متساويان في المقدار ومتعاكسان في الاتجاه (واحد مع عقارب الساعة والآخر عكسها). 4. لذلك، حاصل الضرب (الوزن × البعد) لكل طرف سيكون متساويًا تقريبًا.

تلميح: فكر في شرط الاتزان الدوراني.

التصنيف: تفكير ناقد | المستوى: صعب