مختبر ومحاكي الشغل والقدرة والطاقة الشامل

الشغل ومبرهنته · القدرة الميكانيكية والكهربائية · الطاقة الحركية (خطية ودورانية) · طاقة الوضع بكل أنواعها · الاحتكاك والحرارة · أشكال الطاقة وتحولاتها · حفظ الطاقة

العودة للمنصة الرئيسية
موضوع ومحاور المختبر: المختبر الشامل
الشغل المبذول (W)
W = F · d · cos(θ)
692.8
جول (J = N·m)
مركبة القوة الفعالة
Fx = F · cos(θ)
69.3
نيوتن (N)
التغير في الطاقة الحركية
ΔKE = KEf - KEi = W
+692.8
جول (J)
السرعة النهائية (vf)
vf = √(2·ΔKE / m)
16.6
متر/ثانية (m/s)
الحالة الفيزيائية للشغل وتأثيره على الحركة:
شغل موجب (+W) — القوة تدفع باتجاه الإزاحة وتزيد الطاقة الحركية للعربة (ΔKE > 0)
مختبر الشغل W = F · d · cos(θ) ومبرهنة (الشغل - الطاقة الحركية)
القوة المؤثرة F
مركبة القوة باتجاه الإزاحة F cos(θ)
الإزاحة d
الشغل المبذول W (المساحة تحت منحنى F-d)

لوحة التحكم في المتغيرات (فيزياء 2)

القوة المؤثرة (F) 80 N
مقدار الإزاحة (d) 10 m
الزاوية بين القوة والإزاحة (θ) 30°
كتلة الجسم المتحرك (m) 5 kg

قوانين الشغل ومبرهنة (الشغل - الطاقة)

W
W = F · d · cos(θ) — المساحة تحت منحنى (القوة - الإزاحة) تساوي الشغل المبذول.
ΔK
W = ΔKE = ½mvf² - ½mvi² — الشغل يساوي التغير في الطاقة الحركية.
القدرة الميكانيكية (P)
P = W / t = F · v
1470 W
1.47 كيلوواط (kW)
القدرة بالحصان (hp)
1 hp = 746 W
1.97 hp
حصان ميكانيكي
الشغل المبذول (W)
W = F · d = m·g·h
5880 J
5.88 كيلوجول (kJ)
سرعة الرفع الثابتة (v)
v = d / t
2.50 m/s
P_in = 1838 W (الكفاءة 80%)
مختبر القدرة المعدل الزمني لبذل الشغل (P = W / t = F · v)
القوة المؤثرة F والقدرة P
قوة المقاومة/الوزن Fg
الإزاحة المقطوعة d والسرعة v
الشغل المنجز W خلال الزمن t

أنماط تجربة القدرة (فيزياء 2)

الكتلة المرفوعة (m) [حيث F = mg] 60 kg (588 N)
مسافة الرفع الرأسية / الإزاحة (d) 10 m
زمن إنجاز الشغل (t1) 4.0 s
كفاءة المحرك (e) 80%

قوانين القدرة في منهج فيزياء 2 (ثاني ثانوي)

P
P = W / t = (F · d) / t — المعدل الزمني لبذل الشغل، وتقاس بالواط (1 W = 1 J/s).
hp
1 hp = 746 W — الحصان الميكانيكي لقياس قدرة المحركات والمركبات.
F·v
P = F · v — عند بذل قوة لتحريك جسم بسرعة ثابتة v.
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 الحركية KE = 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

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!
طاقة وضع الجاذبية المختزنة (PE_g)
PE = m × g × h
588
جول (J = N·m)
مختبر طاقة الوضع الجاذبية (PE_g = mgh) والمرونة (PE_s = ½kx²) والكهربائية (qV)
طاقة الوضع المختزنة PE
القوة المبذولة المختزنة

نوع طاقة الوضع

الكتلة m 5 kg
الارتفاع عن مستوى الإسناد (h) 12 m
الجرم السماوي وتسارع الجاذبية g 9.8 m/s²

قوانين طاقة الوضع بكل أشكالها

PEg
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 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 الاحتكاك تحول 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 μk 0.25
السرعة الابتدائية v0 15 m/s
كتلة الجسم m 5 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!
مسار تحول وسلسلة تدفق الطاقة:
طاقة ضوئية $\to$ طاقة كهربائية $\to$ طاقة ضوئية + حرارية مفقودة
مختبر أشكال الطاقة سلاسل 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.
حفظ الطاقة الميكانيكية مسار 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 m 3 kg
الارتفاع الابتدائي H 8 m
شكل المسار
الاحتكاك على المسار 0 (محفوظة كلياً)

نسب الطاقات اللحظية

طاقة الوضع PE 235.2 J
الطاقة الحركية KE 0 J
طاقة حرارية مفقودة Eth 0 J
الطاقة الكلية E_total 235.2 J

🎯 اختبر فهمك في الشغل والقدرة وكافة أنواع الطاقة

أجب عن الأسئلة التفاعلية التالية وتأكد من استيعابك للمفاهيم والقوانين الفيزيائية

1
متى تبذل القوة المؤثرة على جسم شغلاً فيزيائياً قيمته صفراً (W = 0) بالرغم من تحرك الجسم؟
أ) عندما تكون القوة في نفس اتجاه حركة الجسم تماماً (θ = 0°).
ب) عندما تكون القوة عمودية تماماً على اتجاه إزاحة الجسم (θ = 90°).
ج) عندما تكون القوة في عكس اتجاه الحركة (θ = 180°).
2
إذا تضاعفت سرعة سيارة من 20 m/s إلى 40 m/s، كم ضعفاً تتضاعف طاقتها الحركية (KE)؟
أ) تتضاعف مرتين فقط.
ب) تتضاعف 4 مرات (لأن KE تتناسب مع مربع السرعة v²).
ج) تتضاعف 8 مرات.
3
محرك كهربائي يستهلك قدرة كهربائية قدرها 1000 واط (W)، وينتج شغلاً ميكانيكياً بمعدل 750 واط. كم تبلغ كفاءة هذا المحرك؟
أ) 75%، بينما تضيع 25% المتبقية كحرارة وصوت.
ب) 100% لأن الطاقة دائماً محفوظة.
ج) 50%.
4
محرك رافعة كهربائي يبذل شغلاً ميكانيكياً مقداره 6000 جول (J) لرفع حمولة خلال زمن قدره دقيقة واحدة (60 ثانية). كم تبلغ قدرة المحرك؟
أ) 100 واط (W = P/t = 6000 J / 60 s = 100 W).
ب) 6000 واط.
ج) 360,000 واط.