صفحة 155 - كتاب العلوم - الصف 9 - الفصل 2 - المملكة العربية السعودية

سؤال 1: قارن بين تياري مصباحين كهربائيين يتصلان على التوالي في دائرة كهربائية.

الإجابة: التيار متساو لأن دائرة التوالي لها مسار واحد.

خطوات الحل:

1. | المعطيات | الرمز | الوصف | |---|---|---| | نوع التوصيل | - | توصيل على التوالي | | عدد المصابيح | - | 2 | | المطلوب | - | مقارنة التيار المار في كل مصباح |
2. **المبدأ المستخدم:** في التوصيل على **التوالي**، تترتب المكونات في مسار واحد بحيث يمر فيها **نفس التيار** الكهربائي.
3. 1. في دائرة التوالي، يُربط طرف المصباح الأول بالطرف الموجب للمصدر، والطرف الآخر لهذا المصباح يوصَل بالمصباح الثاني، ثم يُربط الطرف الحر للمصباح الثاني بالطرف السالب للمصدر. وهذا يشكل **مساراً واحداً** للإلكترونات (التيار). 2. نظراً لأن التيار هو معدل تدفق الشحنة عبر نقطة في الدائرة، ولا يوجد مسارات بديلة (فروع)، فإن **شدة التيار** هي نفسها عند أي نقطة في هذا المسار. 3. بالتالي: - التيار الداخل من المصدر = التيار المار في المصباح الأول. - التيار الخارج من المصباح الأول (ويدخل إلى المصباح الثاني) = التيار المار في المصباح الثاني. - التيار الخارج من المصباح الثاني (ويعود إلى المصدر) = نفس شدة التيار السابقة.
4. > **ملاحظة:** هذا يعني أنه إذا أزلنا أحد المصباحين أو احترق فتيله، ستتوقف **الدائرة بأكملها** عن العمل لأن مسار التيار الوحيد قد انقطع.
5. **الإجابة النهائية:** **شدة التيار الكهربائي المار في كلا المصباحين متساوية تماماً**، لأنهما يقعان على المسار الوحيد للتيار في دائرة التوالي.

سؤال 2: صف كيف يتغير التيار في دائرة كهربائية إذا نقصت قيمة المقاومة الكهربائية وبقي الجهد الكهربائي ثابتاً.

الإجابة: يزداد التيار؛ لأن العلاقة عكسية حسب قانون أوم.

خطوات الحل:

1. | المعطيات | الرمز | التغيير | |---|---|---| | فرق الجهد | V | ثابت (لا يتغير) | | المقاومة الكهربائية | R | نقصان | | المطلوب | I | وصف التغير في شدة التيار |
2. **القانون المستخدم:** **قانون أوم**: $V = I \times R$، ومنه يمكن استنتاج العلاقة: $I = \frac{V}{R}$
3. 1. من قانون أوم: $I = \frac{V}{R}$، حيث: - $I$: شدة التيار (أمبير). - $V$: فرق الجهد (فولت). - $R$: المقاومة (أوم). 2. العلاقة توضح أن شدة التيار ($I$) **تتناسب طردياً** مع فرق الجهد ($V$) عندما تكون $R$ ثابتة، وتتناسب **عكسياً** مع المقاومة ($R$) عندما يكون $V$ ثابتاً. 3. تطبيق المعطيات على القانون: - المعطى: $V$ ثابت، و $R$ تتناقص. - عند ثبات البسط ($V$) في الكسر $\frac{V}{R}$، إذا قل المقام ($R$)، فإن قيمة الكسر **تزداد**. 4. نتيجة لذلك، فإن شدة التيار $I$ **تزداد**.
4. > **مثال توضيحي:** لنفرض دائرة بجهد $V = 12V$ ومقاومة $R = 6\Omega$. - التيار الأصلي: $I = \frac{12}{6} = 2A$. - إذا قلت المقاومة إلى $R = 3\Omega$ (مع بقاء $V=12V$). - التيار الجديد: $I = \frac{12}{3} = 4A$. نلاحظ **زيادة التيار** من 2A إلى 4A عند نقصان المقاومة.
5. **الإجابة النهائية:** عند ثبات فرق الجهد، فإن **نقصان المقاومة الكهربائية يؤدي إلى زيادة شدة التيار المار في الدائرة**، وهذا ناتج عن العلاقة العكسية بينهما حسب قانون أوم.

سؤال 3: وضح سبب استخدام التوصيل على التوازي في المباني، بدلاً من التوصيل على التوالي.

الإجابة: التوازي يسمح بتشغيل كل جهاز بجهده ويعمل مستقلاً.

خطوات الحل:

1. | المقارنة | التوصيل على التوالي | التوصيل على التوازي | |---|---|---| | **المفهوم** | ربط المكونات في مسار واحد | ربط كل مكون مباشرة بقطبي المصدر عبر فروع مستقلة | | **المطلوب** | توضيح أسباب تفضيل التوصيل على التوازي في التمديدات المنزلية. | |
2. **المبدأ المستخدم:** مزايا وعيوب كل نوع من أنواع التوصيل في التطبيقات العملية.
3. **مقارنة مفصلة لخصائص كل نوع:** | الخاصية | التوصيل على التوالي | التوصيل على التوازي | |---|---|---| | **فرق الجهد** | يتوزع الجهد الكلي على المكونات. جهد كل جهاز أقل من جهد المصدر. | **كل جهاز يحصل على جهد المصدر الكامل** (مثلاً 220V). | | **شدة التيار** | التيار واحد في جميع المكونات. | التيار الكلي يتوزع على الفروع. كل جهاز يأخذ تياراً حسب مقاومته. | | **استقلالية التشغيل** | **غير مستقلة**. إذا انقطع أحد الأجهزة (احترق/أُغلق)، تنقطع الدائرة ويتوقف **جميع** الأجهزة. | **مستقلة تماماً**. يمكن تشغيل أو إيقاف أي جهاز دون التأثير على عمل الأجهزة الأخرى. | | **إضافة/إزالة أجهزة** | تغيير مقاومة الدائرة الكلية يؤثر على سطوع المصابيح أو أداء الأجهزة. | إضافة أو إزالة جهاز لا يؤثر بشكل كبير على عمل الأجهزة الموجودة (طالما أن سعة القاطع تسمح). |
4. 1. **كفاءة التشغيل:** تحتاج معظم الأجهزة المنزلية (الثلاجة، الغسالة، المكواة) إلى **الجهد الكامل** (220V) لتعمل بكفاءة وتؤدي وظيفتها المصممة لها. التوصيل على التوازي يضمن ذلك. 2. **المرونة والراحة:** في المنزل، نريد إطفاء ضوء غرفة النوم دون أن ينطفئ التلفاز في الصالة. التوازي يحقق هذا الاستقلال الكامل. 3. **الموثوقية والأمان:** عطل مصباح واحد في دائرة توازي **لا يؤدي** إلى انقطاع الكهرباء عن بقية المنزل، مما يزيد من موثوقية النظام.
5. > **خلاصة:** التوصيل على التوالي مناسب لتطبيقات محدودة (مثل بعض أنواع الزينة أو دوائر الإنذار حيث نريد عمل/توقف جميع المكونات معاً)، ولكنه **غير عملي** للتمديدات الكهربائية المعقدة والمتعددة الأجهزة كما في المنازل.
6. **الإجابة النهائية:** يُفضل التوصيل على **التوازي** في المباني لأنه: 1. **يضمن حصول كل جهاز على الجهد التشغيلي الكامل** اللازم لعملها الصحيح. 2. **يسمح بالتحكم المستقل** في كل جهاز (تشغيل/إطفاء) دون التأثير على الآخرين. 3. **يُعَد نظاماً أكثر موثوقية**، حيث لا يؤدي عطل جهاز واحد إلى تعطيل كافة الخدمات الكهربائية في المبنى.

سؤال 4: حدد ما الذي يُسبّب الأذى لجسم الإنسان عند حدوث الصدمة الكهربائية؟

الإجابة: مرور التيار عبر الجسم.

خطوات الحل:

1. | المفهوم | الوصف | |---|---| | **الصدمة الكهربائية** | تأثير فيزيولوجي ضار يحدث عندما يمر تيار كهربائي عبر جسم الإنسان أو أي كائن حي. | | **المطلوب** | تحديد العامل المسبب المباشر للأذى. |
2. **المبدأ المستخدم:** أساس الخطر في التعرض للكهرباء هو **التيار الكهربائي** المار عبر الجسم، وليس الجهد العالي بذاته.
3. 1. **مصدر الخطر:** عندما يلامس الجسم نقطتين بينهما **فرق جهد** (مثل سلك حي والأرض)، يكتمل مسار للتيار عبر الجسم. 2. **العامل الحاسم:** وفقاً **لقانون أوم** ($I = V/R$)، فرق الجهد ($V$) ومقاومة الجسم ($R$) يحددان شدة **التيار** ($I$) الذي سيمر عبر الأنسجة. 3. **كيف يسبب التيار الأذى؟** - **تأثير حراري:** مرور التيار يولد حرارة (تسخين جول) مما قد يسبب حروقاً عميقة في الجلد والأعضاء الداخلية. - **تأثير كيميائي (تحليل كهربائي):** يمكن أن يغير التيار تركيب السوائل في الجسم. - **التأثير الأهم: التشويش الحيوي:** **يتداخل التيار الخارجي مع الإشارات الكهربائية الطبيعية** التي تتحكم في العضلات والأعصاب، وخاصة عضلة القلب. هذا قد يؤدي إلى: - ارتجاف عضلي عنيف. - توقف أو عدم انتظام في ضربات القلب (الرجفان البطيني). - شلل العضلات التنفسية مما يسبب توقف التنفس.
4. > **ملاحظة هامة:** - الجهد **المرتفع** يزيد من احتمالية مرور تيار عالٍ عبر الجسم (لأن $I = V/R$). - لكن الجهد المنخفض أيضاً قد يكون قاتلاً إذا كان التيار الناتج عالياً بدرجة كافية (مثلاً إذا كانت مقاومة الجسم منخفضة بسبب البلل). - **الاستنتاج:** الجهد هو الدافع، ولكن **التيار هو العامل المادي المباشر** المسبب للضرر.
5. **الإجابة النهائية:** الأذى الناجم عن الصدمة الكهربائية يُعزى بشكل مباشر إلى **مرور التيار الكهربائي** عبر أنسجة الجسم الحي، مما يتسبب في أضرار حرارية وكيميائية، والأخطر من ذلك، تشويش الوظائف الكهربائية الحيوية مثل تنظيم ضربات القلب والتنفس.

سؤال 5: التفكير الناقد ما الذي يجعل استخدام مصباح قدرته ١٠٠ واط أكثر تكلفة على المستهلك من استخدام مجفف الشعر الذي قدرته ١٢٠٠ واط؟

الإجابة: لأن التكلفة تعتمد على الطاقة والزمن.

خطوات الحل:

1. | المعطيات | القيمة | الوحدة | |---|---|---| | قدرة المصباح | 100 | واط (W) | | قدرة مجفف الشعر | 1200 | واط (W) | | **ملحوظة:** قدرة المجفف أكبر **12 مرة** من قدرة المصباح. | | | | **المطلوب** | تفسير إمكانية كون الجهاز الأقل قدرة (المصباح) أكثر تكلفة في الاستخدام. | |
2. **القانون المستخدم:** **الطاقة المستهلكة** = القدرة × الزمن $E = P \times t$ حيث: - $E$: الطاقة (واط.ساعة أو كيلوواط.ساعة). - $P$: القدرة الكهربائية (واط أو كيلوواط). - $t$: زمن التشغيل (ساعة). **التكلفة المالية** = الطاقة المستهلكة ($E$) × سعر الوحدة من الطاقة.
3. 1. **التحليل:** التكلفة على فاتورة الكهرباء لا تعتمد على **القدرة الاسمية** للجهاز فقط، بل على **الطاقة الكلية** التي يستهلكها فعلياً، والتي تعتمد على **مدة تشغيله**. 2. **مقارنة واقعية في الاستخدام:** | العامل | المصباح (100W) | مجفف الشعر (1200W) | |---|---|---| | **القدرة (P)** | منخفضة (100W) | مرتفعة جداً (1200W) | | **زمن التشغيل النموذجي (t)** | **طويل جداً** (مثلاً 6 ساعات يومياً) | **قصير جداً** (مثلاً 0.25 ساعة = 15 دقيقة يومياً) | | **الطاقة اليومية (E = P × t)** | $100 \, W \times 6 \, h = 600 \, Wh$ | $1200 \, W \times 0.25 \, h = 300 \, Wh$ | | **الطاقة الشهرية (30 يوم)** | $600 \times 30 = 18,000 \, Wh = 18 \, kWh$ | $300 \times 30 = 9,000 \, Wh = 9 \, kWh$ | 3. من الحساب: رغم أن قدرة المجفف أكبر 12 مرة، إلا أن **الطاقة الشهرية** التي يستهلكها المصباح (18 ك.و.س) **ضعف** الطاقة التي يستهلكها المجفف (9 ك.و.س) في هذا المثال، بسبب فرق زمن التشغيل الهائل.
4. > **استنتاج:** إذا كان سعر الكيلوواط ساعة مثلاً 0.3 ريال: - تكلفة المصباح الشهرية = $18 \times 0.3 = 5.4$ ريال. - تكلفة المجفف الشهرية = $9 \times 0.3 = 2.7$ ريال. نجد أن المصباح **أكثر تكلفة** فعلياً في هذا السيناريو.
5. **الإجابة النهائية:** يمكن أن يكون المصباح ذو القدرة المنخفضة (100 واط) **أكثر تكلفة** من مجفف الشعر عالي القدرة (1200 واط) بسبب **الفرق الكبير في زمن التشغيل**. فالمصباح قد يبقى مضاءً لساعات طويلة متواصلة، مما يجعله يستهلك طاقة إجمالية كبيرة، بينما يستخدم المجفف لفترات قصيرة متقطعة. **التكلفة الحقيقية تحددها الطاقة المستهلكة (القدرة × الزمن)، وليس القدرة وحدها**.

سؤال 6: حساب الطاقة يستهلك منزل طاقة كهربائية مقدارها ١٠٠٠ كيلوواط. ساعة كل شهر، إذا كانت شركة الكهرباء تزود ١٠٠٠ منزل بهذا المستوى، فما مقدار الطاقة اللازم إنتاجها في السنة؟

الإجابة: الطاقة السنوية = 1000 × 1000 × 12 = 12,000,000 كيلوواط. ساعة

خطوات الحل:

1. | المعطيات | الرمز | القيمة | الوحدة | |---|---|---|---| | استهلاك المنزل الواحد شهرياً | $E_{شهري(منزل)}$ | 1000 | كيلوواط.ساعة (kWh) | | عدد المنازل | $N$ | 1000 | منزل | | عدد الأشهر في السنة | $M$ | 12 | شهر | | المطلوب | $E_{سنوية(كلية)}$ | - | كيلوواط.ساعة (kWh) |
2. **المبدأ المستخدم:** الطاقة الكلية = (الطاقة للوحدة الواحدة) × (عدد الوحدات) × (عدد الفترات الزمنية).
3. **طريقة الحل (خطوة بخطوة):** 1. **حساب الطاقة الشهرية لجميع المنازل:** الطاقة الشهرية الكلية = استهلاك المنزل الواحد شهرياً × عدد المنازل $E_{شهرية(كلية)} = E_{شهري(منزل)} \times N$ $E_{شهرية(كلية)} = 1000 \, kWh \times 1000 = 1,000,000 \, kWh$ 2. **حساب الطاقة السنوية المطلوبة:** الطاقة السنوية الكلية = الطاقة الشهرية الكلية × عدد أشهر السنة $E_{سنوية(كلية)} = E_{شهرية(كلية)} \times M$ $E_{سنوية(كلية)} = 1,000,000 \, kWh \times 12 = 12,000,000 \, kWh$
4. > **بديل: حل مباشر في خطوة واحدة:** $E_{سنوية(كلية)} = E_{شهري(منزل)} \times N \times M$ $E_{سنوية(كلية)} = 1000 \times 1000 \times 12 = 12,000,000 \, kWh$
5. **التحقق من الوحدات:** (كيلوواط.ساعة/منزل/شهر) × (منزل) × (شهر/سنة) = كيلوواط.ساعة/سنة ✅
6. **الإجابة النهائية:** يجب على شركة الكهرباء إنتاج وتوفير **اثنا عشر مليون كيلوواط.ساعة** (12,000,000 kWh) من الطاقة الكهربائية سنوياً لتلبية استهلاك هذه المجموعة من المنازل.

ما العلاقة بين شدة التيار المار في مصباحين كهربائيين متصلين على التوالي في دائرة كهربائية؟

• أ) يتوزع التيار بالتساوي بين المصباحين بسبب الجهد الثابت.
• ب) تيار المصباح الأول أكبر من الثاني بسبب استهلاك الطاقة.
• ج) التيار متساوٍ لأن لدائرة التوالي مساراً واحداً.
• د) التيار في المصباحين يختلف بناءً على مقاومة كل مصباح.

الإجابة الصحيحة: c

الإجابة: التيار متساوٍ لأن لدائرة التوالي مساراً واحداً.

الشرح: في دوائر التوصيل على التوالي، لا يوجد سوى مسار واحد لمرور التيار الكهربائي. لذلك، تكون شدة التيار الكهربائي هي نفسها عند أي نقطة في الدائرة، وبالتالي تكون متساوية في جميع المكونات الموصلة على التوالي.

تلميح: تذكر خصائص توصيل المكونات في دوائر التوالي ومسار التيار.

التصنيف: مفهوم جوهري | المستوى: سهل

كيف يتغير التيار في دائرة كهربائية إذا نقصت قيمة المقاومة الكهربائية وبقي الجهد الكهربائي ثابتًا؟

• أ) يقل التيار؛ لأن المقاومة تتناسب طردياً مع التيار.
• ب) لا يتغير التيار؛ لأنه يعتمد فقط على الجهد.
• ج) يزداد التيار فقط إذا زاد الجهد أيضاً مع نقصان المقاومة.
• د) يزداد التيار؛ لأن العلاقة عكسية حسب قانون أوم.

الإجابة الصحيحة: d

الإجابة: يزداد التيار؛ لأن العلاقة عكسية حسب قانون أوم.

الشرح: وفقاً لقانون أوم I = V/R. عند ثبات الجهد (V)، تتناسب شدة التيار (I) عكسياً مع المقاومة (R). لذا، إذا نقصت المقاومة (R)، سيزداد التيار (I).

تلميح: تذكر قانون أوم الذي يربط بين الجهد والتيار والمقاومة.

التصنيف: مفهوم جوهري | المستوى: متوسط

ما السبب الرئيسي وراء تفضيل استخدام التوصيل على التوازي في المباني بدلاً من التوصيل على التوالي؟

• أ) يقلل التوصيل على التوازي من قيمة التيار الكلي في الدائرة، مما يزيد الأمان.
• ب) يعمل التوصيل على التوازي على توحيد الجهد والتيار لجميع الأجهزة.
• ج) يسمح التوصيل على التوازي بتشغيل كل جهاز بجهده التشغيلي الكامل ويعمل مستقلاً عن الأجهزة الأخرى.
• د) يسهل التوصيل على التوازي عملية إصلاح الأعطال في جميع أجزاء الدائرة.

الإجابة الصحيحة: c

الإجابة: يسمح التوصيل على التوازي بتشغيل كل جهاز بجهده التشغيلي الكامل ويعمل مستقلاً عن الأجهزة الأخرى.

الشرح: التوصيل على التوازي يضمن حصول كل جهاز على الجهد الكامل للمصدر، ويسمح بتشغيل أو إيقاف أي جهاز بشكل مستقل دون التأثير على عمل الأجهزة الأخرى في الدائرة.

تلميح: فكر في متطلبات الأجهزة المنزلية وكيفية تشغيلها بشكل فردي.

التصنيف: فرق بين مفهومين | المستوى: متوسط

ما العامل المباشر الذي يسبب الأذى لجسم الإنسان عند حدوث الصدمة الكهربائية؟

• أ) الجهد الكهربائي العالي الذي يتعرض له الجسم.
• ب) مرور التيار الكهربائي عبر أنسجة الجسم.
• ج) المقاومة الكهربائية المنخفضة لأنسجة الجسم.
• د) الطاقة الكهربائية الكبيرة المتولدة في الجسم.

الإجابة الصحيحة: b

الإجابة: مرور التيار الكهربائي عبر أنسجة الجسم.

الشرح: الأذى الرئيسي لا ينتج عن الجهد بذاته، بل عن مرور التيار الكهربائي عبر الجسم. هذا التيار يتداخل مع الإشارات العصبية والعضلية، خاصة تلك التي تتحكم في القلب والتنفس، ويسبب حروقاً.

تلميح: فكر في المكون الكهربائي الذي يؤثر مباشرة على الوظائف الحيوية للجسم.

التصنيف: مفهوم جوهري | المستوى: سهل

لماذا يمكن أن يكون استخدام مصباح قدرته ١٠٠ واط أكثر تكلفة على المستهلك من استخدام مجفف شعر قدرته ١٢٠٠ واط؟

• أ) المصباح يحتاج لجهد كهربائي أعلى من مجفف الشعر لتشغيله.
• ب) القدرة المنخفضة للمصباح تزيد من تكلفة التشغيل لضمان الإضاءة الكافية.
• ج) مقاومة المصباح الكهربائي أكبر بكثير من مقاومة مجفف الشعر.
• د) التكلفة تعتمد على الطاقة المستهلكة (القدرة × الزمن)، فالمصباح يُشغل لفترة أطول بكثير من المجفف.

الإجابة الصحيحة: d

الإجابة: التكلفة تعتمد على الطاقة المستهلكة (القدرة × الزمن)، فالمصباح يُشغل لفترة أطول بكثير من المجفف.

الشرح: فاتورة الكهرباء تحسب بناءً على الطاقة الكلية المستهلكة (بالكيلوواط.ساعة)، وهي ناتج ضرب القدرة (بالكيلوواط) في زمن التشغيل (بالساعات). المصباح الأقل قدرة غالبًا ما يُشغل لساعات أطول يومياً، مما يجعل إجمالي الطاقة المستهلكة أكبر من مجفف الشعر عالي القدرة الذي يُستخدم لفترات قصيرة.

تلميح: لا تنظر فقط إلى القدرة، بل فكر في مدة تشغيل كل جهاز.

التصنيف: تفكير ناقد | المستوى: متوسط