الأربعاء، 4 يناير، 2017

مدخل إلى علم الفيزياء

: مدخل إلى علم الفيزياء

A Physics Toolkit

الهدف : استكشاف حركة جسم ساقط سقوطا

          حرا .

هل تسقط جميع الأجسام بالسرعة نفسها ؟

كيف يؤثر وزن الجسم في سرعة سقوطه ؟

الخطوات :

1 ) الصق اربع قطع نقد معدنية من فئة 50

     هللة معا باستخدام شريط لاصق  .

2 ) ضع القطع النقدية الملتصقة على راحة

     يدك , ثم ضع بجوارها قطعة نقد منفردة

3 ) لاحظ : من خلال دفع القطع لراحة يدك

     أيهما أثقل : القطع الملتصقة أم القطعة

     المنفردة ؟

4 ) لاحظ : أسقط القطع جميعها من يدك في

     الوقت نفسه , ثم لاحظ حركتها أيهما

     أسرع في السقوط ؟ 


1 - 1 الرياضيات و الفيزياء Mathematics and Physics

التحليل :

اعتقد ارسطو أن الوزن عامل مؤثر في سرعة سقوط الجسم 

و أن سرعة سقوط الجسم تزداد مع ازدياد وزنه ..

أي سرعة القطع الملتصقة أكبر أربع من سرعة القطعة المنفردة .

  وفقا لنظرية ارسطو , ما سرعة سقوط قطعة النقد المنفردة

  مقارنة بالنقود الملتصقة ماذا تسنتج ؟  

التفكير الناقد : وضح تأثير كل من الخصائص التالية في سرعة

       سقوط الجسم : الحجم , الكتلة , الوزن , اللون , الشكل ؟

الاستنتاج :

تؤثر مقاومة الهواء في معدل سقوط الأجسام , وتعتمد على شكل الجسم , وكثافة الهواء , و سرعته بالنسبة للهواء .

حيث تسقط القطع الأربع المربوطة معا كما لوكانت تسقط كل منها على حدة .


ما الفيزياء ؟  What is Physyics ?

الفيزياء هو علم دراسة المادة و الطاقة و العلاقة بينهما .



        الرياضيات في الفيزياء Mathematics in Physyics

الرياضيات تعتبر لغة فيزيائية قادرة على تفسير الظواهر الفيزيائية المختلفة على شكل معادلات رياضية .


القانون الرياضي


فرق الجهد الكهربائي

ووحدة قياسه الفولت V

شدة التيار الكهربائي

ووحدة قياسه الأمبير A

المقاومة الكهربائية

ووحدة قياسه الأوم Ω

المعادلة ( V = I R ) تعني أن فرق الجهد V المقاس بوحدة الفولت ينتج عن حاصل ضرب شدة التيار I المقاس بوحدة الأمبير في المقاومة R المقاسة بوحدة الأوم .

أمثلة حسابية

    وصلت بطارية سيارة جهدها 12 V بمصباح الكوابح الذي مقاومته 3 Ω , ما شدة التيار الذي يحمل الطاقة للمصباح ؟

    سلك مقاومته 5 Ω يمر به تيار شدته  2 A , فما مقدار فرق الجهد الناتج ؟

    بطارية جهدها 24 V تعطي تيارا شدته  4 A يمر خلال جهاز كهربائي , احسب مقدار مقاومة الجهاز الكهربائية ؟



أمثلة حسابية

    إذا تحرك جسم من السكون بتسارع منتظم a فان سرعته vf بعد زمن مقداره t تعطى بالعلاقة vf = at ما تسارع دراجة تتحرك من السكون فتصل سرعتها إلى  6 m/s خلال زمن قدره 4 s ؟

    ما الزمن الذي تستغرقه دراجة نارية تتسارع من السكون بمعدل 0.400 m/s2 حتى تبلغ سرعتها 4 m/s علما بان vf = at

    يحسب الضغط P المؤثر في سطح ما بقسمة مقدار القوة F على مساحة السطح A حيث A P = F ⁄ فإذا أثر رجل وزنه 520 N يقف على الأرض بضغط مقداره 32500 N/m2 فما مساحة نعلي الرجل ؟


يجري هؤلاء الطلاب تجربة تحديد قدرة كل منهم عند

صعود الدرج .

يستخدم كل طالب نتائجه لتوقع الزمن اللازم لرفع ثقل مختلف باستخدام القدرة نفسها .

هل هذا منطقي ؟

من خلال خبرتك هل تحتاج كرة نحاسية تسقط من ارتفاع 5 m إلى

  0.002 s أم إلى 17 s حتى تصل إلى سطح الأرض ؟

ما الوحدة المناسبة لقياس سرعة السيارة وما المقياس المناسب لقياس نصف قطر العين وطول الغرفة ؟ 

      الطريقة العلمية :

               منهج أو أسلوب يستخدم للإجابة على تساؤلات علمية بهدف تفسير الظواهر  المختلفة

     خطوات الطريقة العلمية :

               الملاحظة – السؤال – البحث – التخمين – التجربة – تحليل النتائج – الإستنتاج

     الفرضية :

               تخمين علمي عن كيفية ارتباط المتغيرات بعضها مع بعض 

تجربة :     قياس التغير في طول النابض

اجمع خمس حلقات معدنية متماثلة و نابضا يستطيل بشكل ملحوظ عندما نعلق به حلقة معدنية

    قس طول النابض الأصلي عند تعليق : حلقة , ثم حلقتين , ثم ثلاث حلقات معدنية به .
    ارسم بيانيا العلاقة بين طول النابض و الكتلة المعلقة به .
    توقع طول النابض عند تعليق 4 ثم 5 حلقات به .
    اختبر  توقعاتك .
    التحليل و الإستنتاج : صف شكل الرسم البياني وكيف تستخدمه لتوقع طولين جديدين ؟

ما هو النموذج ؟ وما فوائد النماذج ؟ وما الأشياء التي يمكن أن نعمل لها نماذج ؟ ولماذا هذه الأشياء ؟ 

النماذج و القوانين و النظريات

النماذج العلمية : ظواهر ناتجة عن فكرة و معادلة تم تركيبها بالتجريب . 

سؤال ) ما الفرق بين النظرية العلمية والقانون العلمي ؟

القانون العلمي : قاعدة طبيعية تجمع مشاهدات مترابطة لوصف ظاهرة طبيعية .

النظرية العلمية : إطار  يجمع بين عناصر البناء العلمي في موضوع من موضوعات العلم و هو قادر على تفسير القانون .


أسئلة للمراجعة :

    ماذا يمثل مخطط المصطلحات المجاور ؟
    لماذا توصف المفاهيم في الفيزياء بوساطة المعادلات ؟

 تحسب القوة المؤثرة على شحنة تتحرك في مجال مغناطيسي بالعلاقة  F = Bqv حيث :

    F القوة المؤثرة بوحدة Kg . m/s2   -  q الشحنة بوحدة A.s   -  v السرعة بوحدة m/s

    B كثافة الفيض المغناطيسي بوحدة T ( تسلا ) , ما وحدة T معبرا عنها بالوحدات أعلاه

أعد كتابة المعادلة : F = Bqv للحصول على v بدلالة كل من : F و q و B ؟

    القيمة المقبولة لتسارع الجاذبية الأرضية هي 9.80 m/s2 و في تجربة لقياسها

   باستخدام بندول حصلت على قيمة  9.4 m/s2 هل تقبل هذه القيمة ؟ فسر اجابتك ؟

   
مقدمة

عندما تزور الطبيب لإجراء الفحوصات الطبية، فإنه يقوم بإجراء عدة قياسات منها : طولك، ووزنك، وضغط دمك، ومعدل دقات قلبك، وحتى نظرك يقاس ويعبر عنه بأرقام. كما يتم إخذ عينة من الدم لإجراء بعض القياسات مثل مستوى الحديد أو الكولسترول في الدم.

 
1 - 2 القياس  Measurement

النظام الدولي للوحدات SI Units

هي عبارة عن وحدات قياس متفق عليها دوليا .

سؤال ) أكتب تقريرا علميا عن أنظمة القياس في بعض الحضارات القديمة بحيث يحتوي على سلبيات كل نظام وإيجابياته ، والوحدات المستخدمة في كل نظام والعلاقة  بين الوحدات ووحدات النظام الدولي ؟

القياس : عبارة عن مقارنة كمية مجهولة بأخرى

              معيارية.

فعلى سبيل المثال إذا قست كتلة عربة ذات عجلات فإن الكمية المجهولة هي كتلة العربة و الكمية المعيارية هى ( K.g) الكيلو جرام علما بان الكتلة تقاس باستخدام الميزان النابض أو الميزان ذى الكفتين . في تجربة قياس التغير الواردة سابقا، يمثل طول النابض الكمية المجهولة بينما يمثل(m) المتر الكمية المعيارية . 


الكميات الأساسية ووحدات قياسها في النظام الدولي

الكمية الأساسية

الوحدة الأساسية

الرمز

الطول    length                                  

meter

m

الكتلة mass                                        

kilogram

kg

الزمن time                                        

second

s

درجة الحرارة temperature               

kelvin

k

كمية المادة amount of substance    

mole

mol

التيار الكهربائي electric current        

ampere

A

شدة الإستضاءة luminous intensty   

candela

cd

مقاييس الأطوال في الشريعة الإسلامية

الأطوال

عند الحنفية

عند المالكية

عند الشافعية

عند الحنابلة

الذراع

46.375 cm

53 cm

61.834 cm

61.834 cm

الإصبع

1.923 cm

1.472 cm

2.576 cm 

2.576 cm 

القبضة

7.728 cm

5.888 cm

10.304 cm

10.304 cm

الشبر

11.592 cm

8.832 cm

15.456 cm

15.456 cm

الباع

1.855 m

2.12 m

2.473 m

2.473 m

الميل

1855 m

1855 m

2810 m

2810 m

الفرسخ

5565 m

5565 m

11130 m

11130 m

البريد

22260 m

22260 m

44520 m

44520 m

المرحلة

44.520 km

44.520 km

89.04 km

89.04 km

المكاييل و الموازين في الشريعة الإسلامية

المكاييل

عند الحنفية

عند الجمهور




المكاييل

عند الحنفية

عند الجمهور

القسط

1.625 kg

1.625 kg

الكيلة

16.5 L

16.5 L

القدح

2.0625 L

2.0625 L

العرق

48.75 kg

30.6 kg

المد

812.5 g

510 g

الإردب

78 kg

48.96 kg

الحفنة

812.5 g

510 g

القفيز

98 kg

24.480 kg

الصاع

3.25 kg

2.04 kg

الجريب

156 kg

97.92 kg

الوسق

195 kg

122.4 kg

المدى

45.9 kg

45.9 kg

الكر

2340 kg

1468.8 kg

الفرق

6.5 kg

6.12 kg

الويبة

33 L

33 L

القربة

40.625 kg

38.250 kg

القلة

101.56 kg

95.625 kg

المكوك

3.06 kg

3.06 kg

التحويل بين الوحدات

إن سهولة التحويل بين الوحدات ميزة أخرى من ميزات النظام الدولي، فللتحويل بين وحدات النظام الدولي فإننا نضرب أو نقسم على الرقم عشرة مرفوعا إلى قوة ملائمة وهنالك مجموعة بادئات تستخدم في تحويل وحدات النظام الدولي باستخدام قوة مناسبة للرقم 10 .

تحليل الوحدات

تستطيع استخدام الوحدات للتحقق من صحة إجابتك، فأنت  تستخدم عادة معادلة أو مجموعة من المعادلات لحل مسألة فيزيائية، و للتحقق من حلها بشكل صحيح اكتب المعادلة أو مجموعة المعادلات التي ستستخدمها في الحل، وقبل إجراء الحسابات تحقق من أن وحدات إجابتك صحيحة .

فعلى سبيل  المثال إذا وجدت عند حساب السرعة أن الإجابة بوحدة s/m فأعرف أن هنالك خطأ في حل المسألة. هذه الطريقة في التعامل مع الوحدات باعتبارها كميات جبرية تسمى تحليل الوحدات .

البادئات المستخدمة مع وحدات النظام الدولي

البادئة

الرمز

المضروب فيه

القوة

مثال

femto –

picoo -

nano -

micro -

milli -

centi -

deci -

kilo –

mega -

giga –

tera -

f

p

n

µ

m

c

d

k

M

G

T
femtosecond ( fs )

picoometer ( pm )

nanometer ( nm )

microgram ( µg )

milliams ( mA )

centimeter ( cm )

deciliter ( dL )

kilometer ( km )

megagram ( Mg )

gigameter ( Gm )

teraherttz ( THz )




معامل التحويل

يستخدم تحليل الوحدات في إيجاد معامل التحويل، ومعامل التحويل هو معامل ضرب  يساوى واحد صحيحيا على سبيل المثال :  1 kg =1000 g ومن هنا نستطيع  بناء معامل التحويل التالي: 

أمثلة حسابية :

    كم MHz في 750 kHz ؟

    حول 5201 cm إلى km ؟

    كم ثانية في السنة الكبيسة علما بأن : ( السنة الكبيسة تساوي 366 يوما ) ؟

    حول السرعة 5.30 m/s إلى km/h 

 حوّل كلاً مما يلي إلى متر:

   42.3 cm .a  6.2 pm .b     21 km .c     0.023 mm .d     214 μm .e     57 nm .f

ماذا يطلق على قيم المتر التالية :

   a . 0.01 m       b . 0.001 m      c . 1000 m 


اختلاف زاوية النظر عند

القياس : يجب أن يكون النظر

للجهاز عند القياس بزاوية

عامودية حتى يحصل على

القياس المضبوط .

أي الموازين يعطي قراءة أدق

و أضبط ؟



                              معايرة أجهزة القياس :

                              يتم معايرة الجهاز بضبط

                              صفر الجهاز , ثم بمعايرة

                              الجهاز بحيث يعطي قيمة

                              مضبوطة و صحيحة عندما

                              يقيس كمية ذات قيمة معتمدة , فمن الضروري اجراء الضبط الدوري للأجهزة في المختبر مثل الموازين و الجلفانومترات


            كلما كانت الأداة ذات تدريجات بقيم أصغر

           كانت قياساته أكثر دقة ودقة القياس تساوي

           نصف قيمة أصغر تدريج في الأداة .

دقة القياس = ½ قيمة أصغر تدريج في الأداة


دورق b                                                     مخبار a 

سؤال ) إذا كان أصغر تدريج في المخبار a يساوي 1mL , و أصغر تدريج في الدورق b يساوي 50mL , أيهما يعتبر أكثر دقة في القياس ؟


الدقة و الضبط

Precision Versus Accuracy

تمثل كل من الدقة و الضبط خاصية من خصائص القيم المقاسة .

دقة القياس : هي درجة الإتقان في القياس .

العوامل التي تعتمد عليها الدقة :

    الأداة ( الجهاز ) المستخدم في القياس .

الطريقة المستخدمة في القياس .

الضبط : معناه اتفاق نتائج القياس مع

             القيمة المقبولة  في القياس .