طاقة ضوئية $\to$ طاقة كهربائية $\to$ طاقة ضوئية + حرارية مفقودة
مختبر أشكال الطاقةسلاسل وتحولات الطاقة ومبدأ حفظ الطاقة
ميكانيكية [M]
حرارية [T]
كهربائية [E]
كيميائية [C]
ضوئية [L]
نووية [N]
بناء سلسلة تحول الطاقة
1. مصدر الطاقة الأولي
2. المحول الوسيط
3. المخرج النهائي (المستهلك)
مبدأ تحول وبقاء الطاقة
«الطاقة لا تفنى ولا تستحدث من العدم»؛ بل تتحول من صورة إلى أخرى. عند عمل أي جهاز، تكون الطاقة الداخلة مساوية تماماً لمجموع الطاقة المفيدة والطاقة المتبددة في البيئة كحرارة وصوت.
PE_g = m × g × h — طاقة وضع الجاذبية المختزنة نتيجة الارتفاع.
PEs
PE_spring = ½ k x² — طاقة الوضع المرونية في زنبرك مشدود أو مضغوط.
PEe
PE_electric = q × V — طاقة الوضع الكهربائية لشحنة في مجال.
الطاقة الحركية الخطية (KE_trans)
KE = ½ · m · v²
432
جول (J)
الطاقة الدورانية (KE_rot)
KE_rot = ½ · I · ω²
0
جول (J)
الطاقة الحركية الكلية (KE_total)
KE_total = KE_trans + KE_rot
432
جول (J)
مختبر الطاقة الحركيةKE = ½ · m · v² ومبرهنة الشغل
طاقة حركية خطية KE_trans
طاقة حركية دورانية KE_rot
الطاقة الحركية الكلية KE_tot
المتغيرات ونمط الحركة
كتلة الجسم المتحرك (m)6 kg
السرعة الخطية (v)12 m/s
عزم القصور الذاتي وشكل الجسم المتدحرج
قوانين الطاقة الحركية (فيزياء 2)
KE
KE_trans = ½ m v² — تتناسب طردياً مع الكتلة ومع مربع السرعة.
Iω
KE_rot = ½ I ω² — طاقة الدوران حول المحور للجسم الدوار.
⚡
ملاحظة هامة: مضاعفة السرعة مرتين (2v) $\to$ تزيد الطاقة الحركية 4 أضعاف!
الطاقة الحرارية المتولدة (ΔEth)
ΔEth = fk · d = μk · m · g · d
562.5
جول (J)
مسافة التوقف (d_stop)
d = v₀² / (2 · μk · g)
45.9
متر (m)
ارتفاع درجة الحرارة التقديري (ΔT)
ΔT ≈ ΔEth / (m · c)
+ 0.28 °C
درجة مئوية (°C)
مختبر الاحتكاكتحول الطاقة الميكانيكية إلى حرارة بالاحتكاك (ΔEth = fk · d)
الطاقة الحركية المتبقية KE
الطاقة الحرارية المتولدة Eth
الطاقة الإجمالية المحفوظة
متغيرات الاحتكاك
نوع السطح ومعامل الاحتكاك μk0.25
السرعة الابتدائية v015 m/s
كتلة الجسم m5 kg
الاحتكاك كقوة مبددة للطاقة الميكانيكية
fk
f_k = μ_k × N = μ_k × m × g — قوة الاحتكاك الحركي.
Wf
W_friction = -f_k × d — شغل سالب ينتزع الطاقة الميكانيكية ويحولها كلياً إلى حرارة!
حفظ الطاقة الميكانيكيةمسار التزلج: الحفظ الدقيق للطاقة الكلية (E = KE + PE)
طاقة الوضع PE = mgh
الطاقة الحركية KE = ½mv²
الطاقة الحرارية بالاحتكاك Eth
الطاقة الكلية E_tot (ثابتة تماماً)
خصائص المسار والمتزلج
الكتلة m3 kg
الارتفاع الابتدائي H8 m
شكل المسار
الاحتكاك على المسار0 (محفوظة كلياً)
نسب الطاقات اللحظية
طاقة الوضع PE235.2 J
الطاقة الحركية KE0 J
طاقة حرارية مفقودة Eth0 J
الطاقة الكلية E_total235.2 J
الطاقة الحركية الابتدائية (KE_initial)
KE_i = ½m₁v₁² + ½m₂v₂²
25.0
جول (J)
الطاقة الحركية النهائية (KE_final)
KE_f = ½m₁v₁'² + ½m₂v₂'²
25.0
جول (J)
التغير في الطاقة الحركية (ΔKE)
ΔKE = KE_f - KE_i
0.0
طاقة حركية محفوظة (تصادم مرن)
مختبر التصادمات وحفظ الطاقةتحليل الطاقة الحركية والزخم في التصادم المرن وغير المرن وفوق المرن
العربة 1 (الزرقاء)
العربة 2 (الحمراء)
الطاقة الحركية المحفوظة
طاقة مفقودة كحرارة وتشوه
نوع التصادم وخصائصه
كتلة العربة 1 (m₁)2.0 kg
السرعة الابتدائية للعربة 1 (v₁)5.0 m/s
كتلة العربة 2 (m₂)2.0 kg
السرعة الابتدائية للعربة 2 (v₂)0.0 m/s
طاقة النابض / الانفجار المحررة (E_boost)40.0 J
💡 تفسير فيزياء 2: تتحرر طاقة الوضع الكامنة في النابض/المادة المتفجرة أثناء التصادم وتضاف إلى طاقة الحركة، فيكون حتماً: KE_f = KE_i + E_boost فتكون الطاقة بعد التصادم أكبر!
حفظ الطاقة في التصادمات (كتاب فيزياء 2)
• الزخم الخطي (P): محفوظ دائماً في جميع التصادمات (Σp_i = Σp_f) طالما النظام معزول.
• التصادم المرن: الطاقة الحركية محفوظة تماماً (KE_f = KE_i).
• التصادم غير المرن (التحام): تقل الطاقة الحركية (KE_f < KE_i) وتتحول لحرارة وتشوه.
• التصادم فوق المرن (الانفجاري): تزداد الطاقة الحركية حتماً (KE_f > KE_i) بسبب تحرر طاقة وضع كيميائية أو مرونية داخلية!
🎯 اختبر فهمك في أشكال الطاقة وحفظها والتصادمات
تحديات تفاعلية خاصة حصرياً بالفصل الخامس (فيزياء 2): طاقة الوضع، الحركة، مستوى الإسناد، حفظ الطاقة والتصادمات
1
عند اندفاع الماء من أعلى السد الكهرمائي وتدوير التوربين لتوليد الكهرباء، ما هو التسلسل الفيزيائي الدقيق لتحولات الطاقة؟
أ) طاقة وضع جاذبية ← طاقة حركية للماء والتوربين ← طاقة كهربائية في المولد.
ب) طاقة كيميائية ← طاقة حرارية ← طاقة ضوئية.
ج) طاقة نووية ← طاقة إشعاعية ← طاقة كهربائية مباشرة.
2
طاقة وضع الجاذبية المختزنة لجسم (PE = m · g · h) تعتمد قيمتها (موجبة، أو سالبة، أو صفراً) اعتماداً أساسياً على:
أ) موضع الجسم بالنسبة لمستوى الإسناد المرجعي الذي تم اختياره (h = 0).
ب) شكل الجسم الهندسي وحجمه الخارجي.
ج) سرعة الجسم المتجهة أثناء حركته.
3
إذا زاد استطالة زنبرك (نابض مرن) من 5 cm إلى 10 cm (تضاعفت الاستطالة مرتين)، كم ضعفاً تتضاعف طاقة الوضع المرونية المختزنة فيه (PE_sp = ½·k·x²)؟
أ) تزداد إلى 4 أضعاف (لأن الطاقة تتناسب طردياً مع مربع الاستطالة x²).
ب) تتضاعف مرتين فقط.
ج) تقل إلى النصف.
4
انزلقت عربة تزلج من السكون من قمة مسار أملس عديم الاحتكاك ارتفاعه h = 20 m (g = 9.8 m/s²). من قانون حفظ الطاقة الميكانيكية، كم تبلغ سرعتها عند أسفل المسار؟
أ) حوالي 19.8 m/s (باستخدام معادلة حفظ الطاقة: v = √(2·g·h)).
ب) 9.8 m/s.
ج) 392 m/s.
5
في التصادم غير المرن تماماً (التحام جسمين معاً) في نظام مغلق ومعزول، أي العبارات الآتية صحيحة فيزيائياً؟
أ) الزخم الخطي الكلي محفوظ، ولكن مجموع الطاقة الحركية يقل بتحول جزء منها إلى حرارة أو تشوه.
ب) الطاقة الحركية محفوظة والزخم غير محفوظ.
ج) كلاهما (الزخم والطاقة الحركية) غير محفوظين.
6
عندما تضغط سيارة مسرعة على المكابح وتتوقف تماماً بفعل قوة الاحتكاك مع الطريق، إلى أين ذهبت طاقتها الحركية الابتدائية وفق قانون حفظ الطاقة؟
أ) تحولت بالكامل إلى طاقة حرارية في وسادات المكابح والإطارات والأسفلت، وبقيت الطاقة الكلية محفوظة.