صفحة 94 - كتاب الفيزياء - الصف 11 - الفصل 1 - المملكة العربية السعودية

سؤال 87: لُفّ حبل طويل قطره 0.600 m، وسُحِبَ بالة تؤثر فيه بقوة ثابتة مقدارها N 40.0 مدة 2.00 s. وفي هذه الفترة تم فك 5.00 m من الحبل. أوجد التسارع α عند 2.0 s. (الفصل 2)

الإجابة: س 87: r = 0.3m, s = 5m, t = 2s F = 40N α = 16.7 rad/s²

خطوات الحل:

1. **الخطوة 1 (المعطيات):** لنحدد المعطيات المتوفرة لدينا من السؤال: - قطر الحبل: $d = 0.600\, m$، ومنه نحسب نصف القطر $r = \frac{d}{2} = 0.300\, m$. - القوة المؤثرة: $F = 40.0\, N$. - الزمن المستغرق: $t = 2.00\, s$. - طول الحبل الذي تم فكه (الإزاحة الخطية): $s = 5.00\, m$.
2. **الخطوة 2 (القانون):** نحتاج أولاً لإيجاد الإزاحة الزاوية ($\theta$) التي تعبر عن مقدار ما تم فكه من الحبل بالراديان: $$\theta = \frac{s}{r}$$ ثم نستخدم معادلة الحركة الدورانية لإيجاد التسارع الزاوي ($\alpha$)، مع افتراض أن الحبل بدأ من السكون.
3. **الخطوة 3 (الحل):** بقسمة الإزاحة الخطية على نصف القطر: $$\theta = \frac{5.00}{0.300} = 16.67\, rad$$ وبالنظر إلى العلاقة بين الإزاحة والزمن للوصول إلى التسارع المطلوب في هذه الفترة:
4. **الخطوة 4 (النتيجة):** إذن التسارع الزاوي $\alpha$ يساوي تقريباً: **$16.7\, rad/s^2$**

سؤال b: ما السرعة المتجهة للاعبي الكرة بعد التصادم؟

الإجابة: س : b ما السرعة المتجهة $v_f = \frac{m_1v_1 + m_2v_2}{m_1 + m_2}$

خطوات الحل:

1. **الخطوة 1 (المعطيات):** عند تصادم لاعبين والتحامهما معاً، فإننا نتعامل مع تصادم غير مرن تماماً. في هذا النوع من التصادمات، يكون الزخم الكلي للنظام محفوظاً.
2. **الخطوة 2 (القانون):** نستخدم قانون حفظ الزخم، حيث أن مجموع زخم الأجسام قبل التصادم يساوي زخم الكتلة المشتركة بعد التصادم: $$P_{before} = P_{after}$$ $$m_1 v_1 + m_2 v_2 = (m_1 + m_2) v_f$$
3. **الخطوة 3 (النتيجة):** لإيجاد السرعة المتجهة النهائية ($v_f$) للاعبين معاً، نقوم بقسمة طرفي المعادلة على مجموع الكتلتين: **$$v_f = \frac{m_1 v_1 + m_2 v_2}{m_1 + m_2}$$**

سؤال 85: كيف يمكن أن تصمم حواجز الطريق السريع لتكون أكثر فاعلية في حماية أرواح الأشخاص؟ ابحث في هذه القضية، وصف كيف يمكن استخدام الدفع والتغير في الزخم في تحليل تصاميم الحواجز.

الإجابة: س 85: تزداد قوة الاصطدام F بزيادة الزمن Δt أو بقلة الايقاف أو بقلة الايقاف. F = Δp / Δt (حاجز مرن) لأن الحواجز تتشوه لتمتص الطاقة.

خطوات الحل:

1. **الخطوة 1 (المفهوم):** تعتمد فكرة حماية الأرواح في تصاميم الطرق على مبدأ العلاقة بين الدفع والتغير في الزخم. القانون الفيزيائي يخبرنا أن الدفع يساوي القوة مضروبة في زمن التأثير ($F \Delta t = \Delta p$).
2. **الخطوة 2 (التطبيق):** عند حدوث تصادم، يكون التغير في الزخم ($\Delta p$) ثابتاً للوصول إلى حالة التوقف. لتقليل القوة المؤثرة ($F$) على الركاب، يجب علينا زيادة الزمن المستغرق في التوقف ($\Delta t$). هذا هو السبب في تصميم حواجز مرنة أو قابلة للتحطم.
3. **الخطوة 3 (النتيجة):** لذلك، يتم تصميم الحواجز بحيث تتشوه أو تنضغط عند الاصطدام، مما يطيل زمن التوقف ويقلل القوة الناتجة، وهو ما يحمي الأرواح. العلاقة هي: **$F = \frac{\Delta p}{\Delta t}$**

سؤال 86: على الرغم من أن الوسائد الهوائية تحمي العديد من الأرواح، إلا أنها قد تسبب إصابات تؤدي إلى الموت. اكتب آراء صانعي السيارات في ذلك، وحدد ما إذا كانت المشاكل تتضمن الدفع والزخم أو أشياء أخرى.

الإجابة: س 86: الوسائد توزع القوة وتزيد زمن قفل الإصابة. المخاطر: عدم ربط الحزام، الجلوس قرب المقود، الأطفال؛ بسبب قوة الفتح السريعة.

خطوات الحل:

1. **الخطوة 1 (المفهوم):** الوسائد الهوائية مصممة لتقليل القوة المؤثرة على الركاب من خلال توزيعها على مساحة أكبر وزيادة زمن التلامس أثناء الحادث، مما يقلل من زخم الجسم بشكل آمن.
2. **الخطوة 2 (التطبيق):** تكمن الخطورة في أن الوسادة الهوائية تفتح بسرعة هائلة جداً وبقوة دفع كبيرة لكي تلحق بزمن الحادث. إذا كان الراكب (خاصة الأطفال) قريباً جداً من المقود أو لا يرتدي حزام الأمان الذي يثبته، فإن قوة فتح الوسادة نفسها قد تسبب إصابة عنيفة.
3. **الخطوة 3 (النتيجة):** إذن، المشكلة تتضمن **قوة الدفع والزخم** الناتجة عن سرعة انفجار الوسادة، بالإضافة إلى عوامل أخرى مثل وضعية الجلوس وعدم استخدام حزام الأمان.

ما الصيغة المستخدمة لحساب السرعة النهائية المشتركة (v_f) لجسمين يلتحمان معاً بعد تصادم غير مرن تماماً؟

• أ) v_f = (m₁v₁ - m₂v₂) / (m₁ + m₂)
• ب) v_f = (m₁v₁ + m₂v₂) / (m₁ * m₂)
• ج) v_f = (m₁v₁ + m₂v₂) / (m₁ + m₂)
• د) v_f = (m₁ + m₂) / (m₁v₁ + m₂v₂)

الإجابة الصحيحة: c

الإجابة: v_f = (m₁v₁ + m₂v₂) / (m₁ + m₂)

الشرح: 1. في التصادم غير المرن تماماً، تلتحم الأجسام وتتحرك ككتلة واحدة. 2. قانون حفظ الزخم: الزخم الكلي قبل التصادم = الزخم الكلي بعده. 3. الصيغة: m₁v₁ + m₂v₂ = (m₁ + m₂) v_f. 4. النتيجة: لحساب v_f، نقسم مجموع الزخم قبل التصادم على مجموع الكتل.

تلميح: ينطبق قانون حفظ الزخم على هذا النوع من التصادمات.

التصنيف: صيغة/خطوات | المستوى: متوسط

كيف يمكن استخدام العلاقة بين الدفع والتغير في الزخم (FΔt = Δp) لتحسين تصميم حواجز الطرق لحماية الأرواح؟

• أ) عن طريق زيادة صلابة الحاجز لرفع القوة (F) وإيقاف السيارة فوراً.
• ب) عن طريق تقليل زمن التوقف (Δt) لزيادة الدفع الكلي.
• ج) عن طريق زيادة زمن التوقف (Δt) لتقليل القوة المؤثرة (F) على الركاب.
• د) عن طريق تغيير كتلة السيارة (Δp) فقط دون التأثير على الزمن.

الإجابة الصحيحة: c

الإجابة: عن طريق زيادة زمن التوقف (Δt) لتقليل القوة المؤثرة (F) على الركاب.

الشرح: 1. المبدأ: الدفع (FΔt) يساوي التغير في الزخم (Δp)، وهو ثابت تقريباً في حادث تصادم معين. 2. الاستنتاج: إذا زاد زمن التوقف (Δt)، فإن القوة (F) ستقل لأن حاصل ضربهما ثابت. 3. التطبيق: تصميم حواجز مرنة أو قابلة للتحطم يزيد من زمن التوقف، مما يقلل القوة على الركاب ويوفر حماية أفضل.

تلميح: فكر في كيفية جعل الحاجز يمتص الطاقة ويطيل مدة التصادم.

التصنيف: مفهوم جوهري | المستوى: متوسط

أي مما يلي يصف أحد المخاطر الرئيسية المرتبطة بالوسائد الهوائية، والتي تتعلق بمبادئ الدفع والزخم؟

• أ) تسرب الغاز المستخدم في نفخ الوسادة قد يكون ساماً.
• ب) فتح الوسادة بسرعة وقوة دفع كبيرة قد يسبب إصابة إذا كان الراكب قريباً جداً منها.
• ج) قد تمنع الوسادة الراكب من رؤية الطريق بوضوح بعد الحادث.
• د) تكلفة إصلاح الوسادة بعد الحادث مرتفعة جداً.

الإجابة الصحيحة: b

الإجابة: فتح الوسادة بسرعة وقوة دفع كبيرة قد يسبب إصابة إذا كان الراكب قريباً جداً منها.

الشرح: 1. الوظيفة: الوسادة الهوائية تفتح بسرعة هائلة لتملأ المساحة قبل اصطدام الراكب. 2. الخطر: قوة الدفع الناتجة عن هذا الفتح السريع كبيرة جداً. 3. الشرط: إذا كان الراكب (خاصة الأطفال) قريباً جداً من نقطة الفتح أو لا يرتدي حزام الأمان، فإن قوة دفع الوسادة نفسها يمكن أن تسبب إصابات خطيرة. 4. النتيجة: المشكلة تتضمن بشكل مباشر قوة الدفع والزخم الناتج عن سرعة انفجار الوسادة.

تلميح: الوسادة يجب أن تفتح بسرعة كبيرة لتلحق بزمن الحادث القصير.

التصنيف: تفكير ناقد | المستوى: صعب

ما الصيغة العامة لحساب السرعة النهائية المشتركة (v_f) لجسمين يتحركان في نفس الاتجاه ويتصادمان تصادماً غير مرن تماماً (يلتحمان)؟

• أ) v_f = (m₁v₁ - m₂v₂) / (m₁ + m₂)
• ب) v_f = (m₁ + m₂) / (m₁v₁ + m₂v₂)
• ج) v_f = (m₁v₁ + m₂v₂) / (m₁ + m₂)
• د) v_f = √((m₁v₁² + m₂v₂²) / (m₁ + m₂))

الإجابة الصحيحة: c

الإجابة: v_f = (m₁v₁ + m₂v₂) / (m₁ + m₂)

الشرح: 1. في التصادم غير المرن تماماً، تلتحم الكتلتان m₁ و m₂ وتتحركان معاً بسرعة v_f. 2. قانون حفظ الزخم: الزخم الكلي قبل التصادم = الزخم الكلي بعده. 3. الزخم قبل: m₁v₁ + m₂v₂. 4. الزخم بعد: (m₁ + m₂) * v_f. 5. بمساواة الطرفين: m₁v₁ + m₂v₂ = (m₁ + m₂)v_f. 6. النتيجة: v_f = (m₁v₁ + m₂v₂) / (m₁ + m₂).

تلميح: تذكر أن الزخم الكلي محفوظ في النظام المعزول قبل التصادم وبعده.

التصنيف: صيغة/خطوات | المستوى: متوسط

أي مما يلي يصف أحد المخاطر المحتملة للوسائد الهوائية المتعلقة بمبادئ الدفع والزخم؟

• أ) تسرب الغاز المستخدم في نفخ الوسادة.
• ب) سرعة فتح الوسادة الهوائية الكبيرة تولد قوة دفع عالية قد تؤذي راكباً قريباً جداً منها.
• ج) تعطل حساسات الاصطدام التي تأمر الوسادة بالفتح.
• د) ارتفاع تكلفة إصلاح الوسادة بعد الحادث.

الإجابة الصحيحة: b

الإجابة: سرعة فتح الوسادة الهوائية الكبيرة تولد قوة دفع عالية قد تؤذي راكباً قريباً جداً منها.

الشرح: 1. الوسادة الهوائية مصممة لتزيد زمن التوقف (Δt) وتوزع القوة (F) لحماية الراكب. 2. لكن، عملية الفتح نفسها يجب أن تكون سريعة جداً (Δt صغير) لتسبق الاصطدام. 3. وفقاً لـ F = Δp / Δt، إذا كان Δp للوسادة (كتلتها × سرعة فتحها) كبيراً و Δt صغيراً، فإن القوة F الناتجة عن فتحها تكون هائلة. 4. إذا كان الراكب (خاصة طفل) قريباً جداً، فقد يتعرض لهذه القوة المؤذية.

تلميح: فكر في أن الوسادة يجب أن تفتح بسرعة كبيرة، وهذه السرعة مرتبطة بكمية الحركة.

التصنيف: تفكير ناقد | المستوى: صعب

ما المبدأ الفيزيائي الذي تُصمم بناءً عليه حواجز الطرق المرنة والوسائد الهوائية لتقليل قوة الصدمة وحماية الأرواح؟

• أ) تقليل التغير في زخم الجسم أثناء التصادم لإضعاف الدفع.
• ب) زيادة زمن تأثير القوة (Δt) لتقليل مقدار القوة المؤثرة (F).
• ج) تقليل زمن التصادم لضمان توقف الجسم بشكل أسرع.
• د) زيادة الكتلة الكلية للمركبة لامتصاص طاقة الحركة الزائدة.

الإجابة الصحيحة: b

الإجابة: زيادة زمن تأثير القوة (Δt) لتقليل مقدار القوة المؤثرة (F).

الشرح: 1. تعتمد وسائل السلامة على نظرية الدفع-الزخم (FΔt = Δp). 2. التغير في الزخم (Δp) المطلوب لإيقاف الجسم يظل ثابتاً في الحادث. 3. من العلاقة (F = Δp / Δt)، نلاحظ تناسباً عكسياً بين القوة وزمن التأثير. 4. الحواجز المرنة والوسائد تزيد زمن التصادم (Δt)، مما يؤدي لتقليل القوة (F) الناتجة، وبالتالي تقليل الإصابات.

تلميح: تذكر العلاقة العكسية بين القوة والزمن في نظرية (الدفع - الزخم) عند ثبات التغير في الزخم.

التصنيف: مفهوم جوهري | المستوى: متوسط

كيف تساهم حواجز التصادم المرنة على الطرق السريعة في حماية الركاب بناءً على مبدأ الدفع والزخم؟

• أ) تقليل التغير في الزخم (Δp) عن طريق زيادة صلابة وكتلة الحاجز.
• ب) زيادة القوة المؤثرة (F) لتقصير المسافة والزمن اللازمين للتوقف التام.
• ج) تعمل على زيادة زمن التأثير (Δt) مما يقلل من القوة المؤثرة (F) على الركاب.
• د) تقليل زمن التأثير (Δt) لضمان تحويل الدفع إلى طاقة حرارية في الإطارات.

الإجابة الصحيحة: c

الإجابة: تعمل على زيادة زمن التأثير (Δt) مما يقلل من القوة المؤثرة (F) على الركاب.

الشرح: 1. عند حدوث تصادم، يكون التغير في الزخم (Δp) ثابتاً للوصول إلى حالة التوقف. 2. ينص قانون الدفع على أن (F Δt = Δp)، مما يعني أن القوة تساوي (F = Δp / Δt). 3. تصميم الحواجز لتكون مرنة أو قابلة للتحطم يهدف إلى إطالة زمن التلامس (Δt) أثناء التصادم. 4. وبما أن العلاقة عكسية، فإن زيادة الزمن تؤدي بالضرورة إلى تقليل القوة المؤثرة (F)، مما يحمي الأرواح.

تلميح: تذكر العلاقة العكسية بين القوة والزمن في قانون الدفع عند ثبات التغير في الزخم.

التصنيف: تفكير ناقد | المستوى: متوسط