الشحنة الكهربائية - كتاب العلوم - الصف 9 - الفصل 2 - المملكة العربية السعودية

سؤال 4: الشكل ٤: الشحنة المنتظمة بين أصابعك ومقبض الباب الفلزي تبدأ من قدميك. حدد ماذا تُشير على التفريغ الكهربائي؟

الإجابة: عندما تلمس مقبض الباب الفلزي، فإن الإلكترونات تنتقل من جسمك إلى المقبض، مما يسبب تفريغًا كهربائيًا.

خطوات الحل:

1. **الخطوة 1: تحديد المعطيات والمطلوب** | العنصر | الوصف | |--------|-------| | **الموقف** | شحنة منتظمة على الجسم (من القدمين) ثم لمس مقبض باب فلزي | | **المطلوب** | تفسير ما يحدث من تفريغ كهربائي عند اللمس |
2. **الخطوة 2: المبدأ العلمي المستخدم** - **التفريغ الكهربائي بالملامسة**: عند ملامسة جسم مشحون لجسم آخر موصل (مثل المعدن)، يمكن أن تنتقل الشحنة الكهربائية بينهما لتحقيق التوازن.
3. **الخطوة 3: تحليل عملية التفريغ** 1. في الحالة المذكورة، يتجمع على جسمك **شحنة كهربائية ساكنة** (عادةً ما تكون موجبة بسبب فقد الإلكترونات). 2. عند الاقتراب من المقبض الفلزي (موصل)، يحدث **حث كهربائي** حيث تتنافر الشحنات المماثلة في المعدن وتتجذب الشحنات المخالفة. 3. عند اللمس المباشر، توفر نقطة التلامس مسارًا موصلًا للإلكترونات الحرة في المعدن. 4. **تنتقل الإلكترونات** (شحنة سالبة) من المقبض الفلزي إلى جسمك (إذا كان جسمك موجب الشحنة) لتعويض النقص في الإلكترونات، أو قد تنتقل من جسمك إلى المقبض إذا كانت شحنتك سالبة. 5. هذا الانتقال السريع للإلكترونات هو ما نسميه **شرارة تفريغ كهربائي**، والتي قد تشعر بها كوخز خفيف.
4. **الخطوة 4: الاستنتاج والإجابة النهائية** > يشير الموقف إلى حدوث **تفريغ كهربائي بالملامسة**، حيث تنتقل الشحنات (الإلكترونات) بين الجسم المشحون والمقبض المعدني الموصل لتساوي فرق الجهد الكهربائي بينهما، مسببةً الشعور بالشرارة أو الوخز.

سؤال 5: ماذا قرأت؟ كيف تعتمد القوة الكهربائية بين جسيمين على المسافة بينهما؟

الإجابة: تتناسب القوة الكهربائية عكسيًا مع مربع المسافة بينهما.

خطوات الحل:

1. **الخطوة 1: تحديد المعطيات والمطلوب** | الكمية | الرمز | الوصف | |--------|-------|--------| | القوة الكهربائية | $F$ | المطلوب معرفة علاقتها بالمسافة | | المسافة بين الشحنتين | $r$ | متغير التأثير | | الشحنتين | $q_1$ , $q_2$ | ثابتتان في هذه العلاقة |
2. **الخطوة 2: القانون المستخدم** **قانون كولوم** للقوة الكهربائية بين شحنتين نقطيتين: $F = k \frac{|q_1 q_2|}{r^2}$ حيث: - $F$: مقدار القوة الكهربائية (نيوتن). - $k$: ثابت كولوم ($8.99 \times 10^9 \ \text{N·m}^2/\text{C}^2$). - $q_1$, $q_2$: مقدار الشحنتين (كولوم). - $r$: المسافة بين مركزيهما (متر).
3. **الخطوة 3: تحليل العلاقة مع المسافة ($r$)** من القانون، نلاحظ أن: 1. القوة $F$ تتناسب مع الكمية $\frac{1}{r^2}$. 2. هذا يعني أن **القوة تتناسب عكسياً مع مربع المسافة**. 3. يمكن توضيح ذلك بالجدول التالي لتغير المسافة وتأثيره على القوة (بافتراض $q_1$ و $q_2$ و $k$ ثابتين): | المسافة ($r$) | القوة ($F$) | |----------------|-------------| | $r$ | $F$ | | $2r$ | $F/4$ | | $3r$ | $F/9$ | | $r/2$ | $4F$ |
4. **الخطوة 4: الإجابة النهائية** بناءً على قانون كولوم، فإن **القوة الكهربائية بين شحنتين تتناقص بسرعة مع زيادة المسافة بينهما، حيث أنها تتناسب عكسياً مع مربع المسافة**.

سؤال تطبيق 1: كيف تعتمد القوة الكهربائية بين جسيمين على المسافة بينهما؟

الإجابة: تتناسب القوة الكهربائية عكسيًا مع مربع المسافة بينهما.

خطوات الحل:

1. **الخطوة 1: تحديد المعطيات والمطلوب** | العنصر | الوصف | |--------|-------| | **الظاهرة** | القوة الكهربائية بين جسيمين مشحونين. | | **عامل التأثير** | المسافة ($r$) بين الجسيمين. | | **المطلوب** | وصف طبيعة الاعتماد على المسافة. |
2. **الخطوة 2: استدعاء القانون الأساسي** يصف **قانون كولوم** هذه العلاقة بدقة: $F = k \frac{|q_1 q_2|}{r^2}$ حيث جميع الرموز لها مدلولاتها المعروفة.
3. **الخطوة 3: استخلاص العلاقة من القانون** 1. نلاحظ أن المتغير الوحيد في الطرف الأيمن (إذا ثبتت الشحنتان) هو $r$ الموجود في المقام. 2. الكمية $r^2$ تعني **مربع المسافة**. 3. العلاقة الرياضية هي: $F \propto \frac{1}{r^2}$. 4. **التناسب العكسي مع مربع المسافة** يعني: - إذا **زادت** المسافة، **تقل** القوة بشكل كبير (بالمربع). - إذا **قلت** المسافة، **تزداد** القوة بشكل كبير (بالمربع).
4. **الخطوة 4: التعبير النهائي عن العلاقة** > تعتمد القوة الكهربائية بين جسيمين مشحونين على المسافة بينهما باعتبارها **علاقة عكسية مع مربع المسافة**، أي أن مضاعفة المسافة تؤدي إلى تخفيض القوة إلى ربع قيمتها الأصلية.

سؤال تطبيق 2: كيف تعتمد القوة الكهربائية بين جسيمين على مقدار كل من الشحنتين؟

الإجابة: تتناسب القوة الكهربائية طرديًا مع حاصل ضرب مقدار كل من الشحنتين.

خطوات الحل:

1. **الخطوة 1: تحديد المعطيات والمطلوب** | العنصر | الرمز | الوصف | |--------|-------|--------| | القوة الكهربائية | $F$ | المطلوب معرفة علاقتها بمقدار الشحنات | | مقدار الشحنة الأولى | $q_1$ | متغير التأثير الأول | | مقدار الشحنة الثانية | $q_2$ | متغير التأثير الثاني | | المسافة | $r$ | ثابتة في هذه العلاقة |
2. **الخطوة 2: القانون المستخدم** **قانون كولوم** مرة أخرى هو المرجع: $F = k \frac{|q_1 q_2|}{r^2}$
3. **الخطوة 3: تحليل العلاقة مع مقدار الشحنتين ($q_1$ و $q_2$)** من القانون نرى أن: 1. القوة $F$ تتناسب مع حاصل الضرب $|q_1 \times q_2|$. 2. بما أن $k$ و $r^2$ ثابتان في هذه العلاقة، يمكن كتابة: $F \propto |q_1 q_2|$. 3. **التناسب الطردي** مع حاصل الضرب يعني: - إذا زاد مقدار **أي** من الشحنتين، تزداد القوة $F$. - إذا زادت **كلتا** الشحنتين، تزداد القوة بشكل أكبر. - إذا كانت إحدى الشحنتين صفراً (محايد)، تكون القوة صفراً بغض النظر عن الشحنة الأخرى.
4. **الخطوة 4: الإجابة النهائية** > تتناسب القوة الكهربائية **طردياً مع حاصل ضرب مقدار الشحنتين**، فكلما كبرت قيمة شحنة أي من الجسيمين أو كليهما، ازدادت القوة الكهربائية المتبادلة بينهما، والعكس صحيح.

سؤال تطبيق 3: ماذا يحدث عندما تزداد المسافة بين الشحنات؟

الإجابة: تقل القوة الكهربائية.

خطوات الحل:

1. **الخطوة 1: فهم السؤال (معطيات ومطلوب)** | العنصر | الوصف | |--------|-------| | **التغيير** | زيادة المسافة ($r$) بين الشحنات. | | **المطلوب** | أثر هذا التغيير على القوة الكهربائية ($F$). | | **الشروط** | مقدار الشحنتين ($q_1$, $q_2$) ثابت. |
2. **الخطوة 2: الرجوع إلى العلاقة الرياضية** من قانون كولوم: $F = k \frac{|q_1 q_2|}{r^2}$. بافتراض ثبات $k$ و $q_1$ و $q_2$، تصبح القوة دالة في المسافة فقط: $F \propto \frac{1}{r^2}$.
3. **الخطوة 3: تطبيق تأثير زيادة المسافة** 1. لنفترض أن المسافة الأصلية هي $r_1$ والقوة الأصلية هي $F_1$. 2. إذا زادت المسافة إلى $r_2$ حيث $r_2 > r_1$. 3. حسب العلاقة: $F_2 = k \frac{|q_1 q_2|}{(r_2)^2}$. 4. بمقارنة $F_2$ مع $F_1$: $\frac{F_2}{F_1} = \frac{(r_1)^2}{(r_2)^2}$. 5. بما أن $r_2 > r_1$، فإن $\frac{(r_1)^2}{(r_2)^2} < 1$، وبالتالي $F_2 < F_1$. 6. **الاستنتاج**: زيادة المسافة تؤدي حتماً إلى **نقصان** القوة الكهربائية.
4. **الخطوة 4: الإجابة النهائية** > عندما تزداد المسافة الفاصلة بين شحنتين، فإن **القوة الكهربائية المتبادلة بينهما تقل**، وذلك بسبب العلاقة العكسية التربيعية بين القوة والمسافة في قانون كولوم.

سؤال تحليل 1: كيف تعتمد القوة الكهربائية بين جسيمين على المسافة بينهما؟

الإجابة: تتناسب القوة الكهربائية عكسيًا مع مربع المسافة بينهما.

خطوات الحل:

1. **الخطوة 1: تحديد المعطيات والمطلوب** | العنصر | الوصف | |--------|-------| | **الظاهرة** | القوة الكهربائية بين جسيمين مشحونين. | | **عامل التأثير** | المسافة ($r$) بين الجسيمين. | | **المطلوب** | وصف طبيعة الاعتماد على المسافة. |
2. **الخطوة 2: استدعاء القانون الأساسي** يصف **قانون كولوم** هذه العلاقة بدقة: $F = k \frac{|q_1 q_2|}{r^2}$ حيث جميع الرموز لها مدلولاتها المعروفة.
3. **الخطوة 3: استخلاص العلاقة من القانون** 1. نلاحظ أن المتغير الوحيد في الطرف الأيمن (إذا ثبتت الشحنتان) هو $r$ الموجود في المقام. 2. الكمية $r^2$ تعني **مربع المسافة**. 3. العلاقة الرياضية هي: $F \propto \frac{1}{r^2}$. 4. **التناسب العكسي مع مربع المسافة** يعني: - إذا **زادت** المسافة، **تقل** القوة بشكل كبير (بالمربع). - إذا **قلت** المسافة، **تزداد** القوة بشكل كبير (بالمربع).
4. **الخطوة 4: التعبير النهائي عن العلاقة** > تعتمد القوة الكهربائية بين جسيمين مشحونين على المسافة بينهما باعتبارها **علاقة عكسية مع مربع المسافة**، أي أن مضاعفة المسافة تؤدي إلى تخفيض القوة إلى ربع قيمتها الأصلية.

سؤال تحليل 2: كيف تعتمد القوة الكهربائية بين جسيمين على مقدار كل من الشحنتين؟

الإجابة: تتناسب القوة الكهربائية طرديًا مع حاصل ضرب مقدار كل من الشحنتين.

خطوات الحل:

1. **الخطوة 1: تحديد المعطيات والمطلوب** | العنصر | الرمز | الوصف | |--------|-------|--------| | القوة الكهربائية | $F$ | المطلوب معرفة علاقتها بمقدار الشحنات | | مقدار الشحنة الأولى | $q_1$ | متغير التأثير الأول | | مقدار الشحنة الثانية | $q_2$ | متغير التأثير الثاني | | المسافة | $r$ | ثابتة في هذه العلاقة |
2. **الخطوة 2: القانون المستخدم** **قانون كولوم** مرة أخرى هو المرجع: $F = k \frac{|q_1 q_2|}{r^2}$
3. **الخطوة 3: تحليل العلاقة مع مقدار الشحنتين ($q_1$ و $q_2$)** من القانون نرى أن: 1. القوة $F$ تتناسب مع حاصل الضرب $|q_1 \times q_2|$. 2. بما أن $k$ و $r^2$ ثابتان في هذه العلاقة، يمكن كتابة: $F \propto |q_1 q_2|$. 3. **التناسب الطردي** مع حاصل الضرب يعني: - إذا زاد مقدار **أي** من الشحنتين، تزداد القوة $F$. - إذا زادت **كلتا** الشحنتين، تزداد القوة بشكل أكبر. - إذا كانت إحدى الشحنتين صفراً (محايد)، تكون القوة صفراً بغض النظر عن الشحنة الأخرى.
4. **الخطوة 4: الإجابة النهائية** > تتناسب القوة الكهربائية **طردياً مع حاصل ضرب مقدار الشحنتين**، فكلما كبرت قيمة شحنة أي من الجسيمين أو كليهما، ازدادت القوة الكهربائية المتبادلة بينهما، والعكس صحيح.

سؤال تحليل 3: ماذا يحدث عندما تزداد المسافة بين الشحنات؟

الإجابة: تقل القوة الكهربائية.

خطوات الحل:

1. **الخطوة 1: فهم السؤال (معطيات ومطلوب)** | العنصر | الوصف | |--------|-------| | **التغيير** | زيادة المسافة ($r$) بين الشحنات. | | **المطلوب** | أثر هذا التغيير على القوة الكهربائية ($F$). | | **الشروط** | مقدار الشحنتين ($q_1$, $q_2$) ثابت. |
2. **الخطوة 2: الرجوع إلى العلاقة الرياضية** من قانون كولوم: $F = k \frac{|q_1 q_2|}{r^2}$. بافتراض ثبات $k$ و $q_1$ و $q_2$، تصبح القوة دالة في المسافة فقط: $F \propto \frac{1}{r^2}$.
3. **الخطوة 3: تطبيق تأثير زيادة المسافة** 1. لنفترض أن المسافة الأصلية هي $r_1$ والقوة الأصلية هي $F_1$. 2. إذا زادت المسافة إلى $r_2$ حيث $r_2 > r_1$. 3. حسب العلاقة: $F_2 = k \frac{|q_1 q_2|}{(r_2)^2}$. 4. بمقارنة $F_2$ مع $F_1$: $\frac{F_2}{F_1} = \frac{(r_1)^2}{(r_2)^2}$. 5. بما أن $r_2 > r_1$، فإن $\frac{(r_1)^2}{(r_2)^2} < 1$، وبالتالي $F_2 < F_1$. 6. **الاستنتاج**: زيادة المسافة تؤدي حتماً إلى **نقصان** القوة الكهربائية.
4. **الخطوة 4: الإجابة النهائية** > عندما تزداد المسافة الفاصلة بين شحنتين، فإن **القوة الكهربائية المتبادلة بينهما تقل**، وذلك بسبب العلاقة العكسية التربيعية بين القوة والمسافة في قانون كولوم.

ما هو التعريف الصحيح للتيار الكهربائي؟

• أ) تجمع الشحنات الكهربائية الساكنة.
• ب) تدفق الشحنات الكهربائية.
• ج) تحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية.
• د) مقاومة المادة لمرور الشحنات.

الإجابة الصحيحة: b

الإجابة: تدفق الشحنات الكهربائية.

الشرح: 1. التيار الكهربائي هو ظاهرة فيزيائية. 2. يُعرف بأنه حركة أو تدفق منظم للشحنات الكهربائية. 3. هذا التدفق يحدث عبر مادة موصلة مثل الأسلاك المعدنية.

تلميح: فكر في حركة الجسيمات المشحونة التي تولد الكهرباء.

التصنيف: تعريف | المستوى: سهل

ما هي الوحدة المستخدمة لقياس التيار الكهربائي في النظام الدولي للوحدات (SI)؟

• أ) الفولت (V).
• ب) الأوم (Ω).
• ج) الجول (J).
• د) الأمبير (A).

الإجابة الصحيحة: d

الإجابة: الأمبير (A).

الشرح: 1. التيار الكهربائي هو كمية فيزيائية قابلة للقياس. 2. في النظام الدولي للوحدات (SI)، الوحدة الأساسية لقياس شدة التيار الكهربائي هي الأمبير. 3. يُرمز للأمبير بالحرف (A).

تلميح: تذكر اسم العالم الذي سُميت باسمه هذه الوحدة تكريماً له في مجال الكهروديناميكا.

التصنيف: مفهوم جوهري | المستوى: سهل

أي العبارات التالية تصف التفريغ الكهربائي بشكل صحيح؟

• أ) تراكم الشحنات الكهربائية على سطح جسم ما.
• ب) تحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة ضوئية.
• ج) انتقال الشحنات الكهربائية الفائضة من مكان إلى آخر.
• د) مقاومة المواد لتدفق الشحنات الكهربائية.

الإجابة الصحيحة: c

الإجابة: انتقال الشحنات الكهربائية الفائضة من مكان إلى آخر.

الشرح: 1. التفريغ الكهربائي هو عملية طبيعية تحدث عندما تتراكم الشحنات الكهربائية. 2. تصف العملية انتقالاً سريعًا ومفاجئًا لهذه الشحنات. 3. يحدث هذا الانتقال من جسم مشحون إلى جسم آخر أو إلى الأرض لموازنة الشحنة الكهربائية.

تلميح: فكر في الأمثلة الطبيعية للتفريغ الكهربائي، مثل البرق.

التصنيف: تعريف | المستوى: متوسط

كيف تؤثر المسافة بين جسمين مشحونين على القوة الكهربائية المتبادلة بينهما؟

• أ) تتناسب طرديًا مع المسافة بينهما.
• ب) تتناسب عكسيًا مع مربع المسافة بينهما.
• ج) لا تتأثر بالمسافة بينهما.
• د) تتناسب طرديًا مع مربع المسافة بينهما.

الإجابة الصحيحة: b

الإجابة: تتناسب عكسيًا مع مربع المسافة بينهما.

الشرح: 1. قانون كولوم يحدد العلاقة بين القوة الكهربائية والشحنات والمسافة. 2. ينص القانون على أن القوة الكهربائية تتناسب تناسبًا عكسيًا. 3. يكون هذا التناسب مع مربع المسافة الفاصلة بين الجسمين المشحونين.

تلميح: تذكر قانون كولوم الذي يصف هذه العلاقة.

التصنيف: مفهوم جوهري | المستوى: متوسط

ما التفسير العلمي لظاهرة الشعور بلسعة كهربائية خفيفة ورؤية شرارة عند لمس مقبض باب فلزي بعد السير على السجادة؟

• أ) تجمع الشحنات الموجبة على المقبض مما يجعله يجذب الأيونات من الهواء.
• ب) انتقال البروتونات من اليد إلى المقبض بسبب اختلاف الجهد الكهربائي.
• ج) تذبذب في التيار الكهربائي للمبنى يسبب شرارة مؤقتة.
• د) انتقال الإلكترونات من اليد المشحونة إلى المقبض الفلزي نتيجة لقوة الجذب الكهربائي.

الإجابة الصحيحة: d

الإجابة: انتقال الإلكترونات من اليد المشحونة إلى المقبض الفلزي نتيجة لقوة الجذب الكهربائي.

الشرح: 1. السير على السجادة يسبب تراكم الشحنات الساكنة (الإلكترونات) على الجسم. 2. عند لمس مقبض الباب الفلزي، تُستحث شحنات موجبة على المقبض قبالة اليد. 3. قوة الجذب الكهربائي بين الإلكترونات الزائدة في اليد والشحنات الموجبة المستحثة في المقبض تكون كافية. 4. تنتقل الإلكترونات بسرعة من اليد إلى المقبض، مسببةً شرارة ولسعة خفيفة تُعرف بالتفريغ الكهربائي.

تلميح: فكر في كيفية تراكم الشحنات الكهربائية الساكنة وكيف تنتقل عند ملامسة جسم موصل.

التصنيف: مفهوم جوهري | المستوى: متوسط