مقاربة كيفية لطاقة جملة وانحفاظها. الاجابة عن الأسئلة

تُعدّ مقاربة كيفية لطاقة الجملة أداةً أساسية لفهم كيفية تبادل الطاقة وتحولاتها داخل نظام فيزيائي معين. من خلال تحليل الطاقة الحركية، والطاقة الكامنة، والأشكال الأخرى مثل الطاقة الحرارية والصوتية، يمكن التحقق من انحفاظ الطاقة في الجملة.

ملاحظة: توجد وثيقة التلميذ بصيغة الـ PDF في نهاية المقال.

ملاحظة: توجد تمارين الكتاب المدرسي حول مقاربة كيفية لطاقة جملة وانحفاظها بصيغة الـ PDF في نهاية المقال.

I ـ تذكير:

1 ـ مفهوم الطاقة:

ـ ماذا نعني بعبارة انسان يملك طاقة ؟

الانسان فائق النشاط والحيوية.

ـ ماذا نقصد بالطاقة في المجال الاقتصادي ؟

نقصد بها الثروات الطبيعية كالغاز والبترول ........

ـ مالمقصود بالطاقات المتجددة ؟
نقصد بها الطاقة الشمسية، طاقة الرياح، الطاقة المائية .....
ـ من الأمثلة السابقة هل يمكن اعطاء مفهوم للطاقة فيزيائيا ؟
الطاقة في الفيزياء مقدار كمي تقاس به شدة تفاعلات الظواهر الفيزيائية، ويختلف التعبير عن هذه التفاعلات حسب التحويلات.

2 ـ السلاسل الوظيفية:

أ ـ تعريف: 

وهي تمثيلات رمزية تعبر عن الحصول على الفعل النهائي في تركيب ما، وهذه التمثيلات تكون مرفوقة بألفاظ معينة وبيانات محددة لتقريب الفهم وتسهيل الدراسة.

ب ـ تمثيل سلسلة وظيفية: 

ـ كيف يمكن تمثيل سلسلة وظيفية ؟
يمكن تمثيل سلسلة وظيفية كما يلي:
ـ تمثيل أجسام الجملة بفقاعات يكتب بداخلها اسم الجسم.
ـ يكون تمثيل الأجسام متسلسلا 
ـ يرفق كل جسم بفعل حالة يعبر عن حالته ودوره في التركيب.
ـ يرفق كل سهم يربط بين جسمين بفعل أداء يعبر عن ما يقدمه جسم لجسم أخر. 

II ـ السلاسل الطاقوية:

1 ـ مفهوم الجملة:

الجملـة هي عبارة عن جسم أو مجموعة من الأجسام تحدّد قصد دراستها، كل الأجسام الأخرى التي لم تأخذ بعين الاعتبار مع الأجسام التي حـدّدت لتشكيل الجملـة المدروسة تعتبـر وسط خارجي 

2 ـ أشكال الطاقة: 

للطاقة ثلاثة أشكال منها العياني ومنها المجهري ـ وضح ذلك بمخطط مناسب ؟

الاجابة:

أ ـ الطاقة الحركية: 

* نشاط (01) (الكتاب المدرسي ص 16)

الاستنتاج: الطاقة الحركية لجسم تتعلق بسرعته(v)  

* نشاط (02) (الكتاب المدرسي ص 16)

الاستنتاج: الطاقة الحركية لجسم تتعلق بكتلته (m) 

نتيجة عامة:

إذا تحرك جسم في مرجع معين فانه يملك طاقة نسميها طاقة حركية ونرمز لها بالرمز (E_C)، وتتعلق بـسرعة وكتلة الجسم المتحرك، وكلما زادت سرعته أو كتلته زادت الطاقة الحركية.

ب ـ الطاقة الكامنة:

ـ نقـول عن جملـة أنها تملك  طاقـة كامنة إذا كان بإمكانها القيام بحركة مهما كان نوعها وهذاعند تركهـاحرة لحالهـا،وبالتالي تتغيرالأوضاع النسبية الموجودة بين مختلف العناصر التي تشكل هذه الجملـة.

ـ نقـول إذن لكي تظهر الطاقـة الكامنـة التي تكون مخزنة في جملـة، ينبغي أن تكون هذه الأخيرة قابلـة للتشـوه    

الطاقة الكامنة الثقالية:

نشاط ـ 1 ـ

نسقط كرة كتلتها (m) من ارتفاع (h) عن سطح الأرض دون سرعة ابتدائية

* هل تكون سرعة الكرة متزايدة أو متناقصة خلال سقوطها ؟

تكون سرعة الكرة خلال سقوطها متزايدة.

* ماذا نقول عن الطاقة الحركية للكرة لحظة ملامستها لسطح الأرض ؟

تكون أعظمية.

* من أين أتت هذه الطاقة الحركية ؟

أتت من طاقة متعلقة بارتفاع الكرة عن سطح الأرض.

* ما ذا تستنتج بالنسبة للجملة (كرة + أرض) لحظة بداية السقوط ؟ 

كانت تمتلك طاقة كامنة ثقالية أعظمية.

  نسقط نفس الكرة السابقة من ارتفاع أكبر من الارتفاع الأول، فنلاحظ أنها تصل إلى الأرض بسرعة أكبر وتترك أثر أكبر من الأول

* ما ذا تستنتج بالنسبة للجملة (كرة + أرض) لحظة بداية السقوط مقارنة بالحالة السابقة ؟

كانت تمتلك طاقة كامنة أعظمية أكبر من سابقتها.

* هل تغير الارتفاع يؤثر على طاقة الجملة (كرة + أرض) لحظة بداية السقوط ؟

نعم تغير الارتفاع يؤثر على طاقة الجملة (كرة + أرض) لحظة بداية السقوط.

نشاط ـ 2 ـ 

نعيد نفس التجربة السابقة وذلك بإسقاط كرتين مختلفتين في الكتلة من نفس الارتفاع فنلاحظ أن الكرية ذات الكتلة الأكبر تحدث تشوها أكبر في مكان السقوط.

* هل تغير الكتلة يؤثر على طاقة الجملة (كرة + ارض) لحظة بداية السقوط ؟

نعم تغير الكتلة يؤثر على طاقة الجملة (كرة + أرض) لحظة بداية السقوط.

نتيجة عامة:

عندما يكون جسم ذو كتلة (m) على ارتفاع (h) من سطح الأرض فان الجملة (جسم + أرض) تخزن طاقة كامنة ثقالية وهي تتعلق بكتلة الجسم وارتفاعه عن سطح الأرض ونرمز لها بالرمز E_pp.

الطاقة الكامنة المرونية:

نشاط  ـ 3 ـ

 نشكـل التركيـب المبين على الشكـل ـ1ـ حيث النابض منضغط تحت تأثير الجسم.

ـ عندمـا نحرر الجسم مـاذا يحـدث للنابض ؟

يعـود إلى طبيعتـه الأصليـة دافعـا معـه الجسم المستنـد عليـه فيكتسـب هذا الأخيـر طاقـة حركيـة.

ـ فسّـر ذلـك ؟ 

هـذه الطاقـة لا يمكن استحداثها من العدم، وبالتالي التزايـد في الطاقة الحركية للجسم مرتبط حتمـا مع تناقص في شكل آخر من الطاقة، هذه الطاقة التي تناقصت، كانت مخزنـة في النابض لما كان في حالـة تقلص، يدعى هذا النوع من الطاقـة: الطاقة الكامنة المرونية.

نتيجــة:

توجـد في النابض المشوه، سواء كان في حالـة استطالـة أو تقلـص طاقـة مخزنـة تدعـى: الطاقـة الكامنـة المرونيـة يرمز لها بـ : E_pe. الطاقـة الكامنـة المرونيـة هي نوع من الطاقـة تخزن في  نابض مرن أثنـاء تشويهـه. تظهـر هـذه الطاقـة لمـا يعـود النابض إلى وضعـه الطبيعـي.

الطاقة الكامنة الفتلية:

نشــاط ـ 4 ـ

نحقق التركيب المبيّـن على الشكـل المقابل.

نديـر القرص بزاويـة α في مستوي أفقـي.

ـ مـاذا تـلاحظ ؟  

نلاحظ أن السلك ينفتل.

ـ عنـد ترك القرص حـرًا بدون سرعة ابتدائيـة، مـاذا يحدث لكل من القرص والسلك ؟

القرص يبدأ في الحركة ويكتسب تدريجيـًا طاقة حركية أمّا السلك يعود لطبيعته الأصلية دون فتل.

ـ فسّـر ذلـك ؟

بمـا أنّ الطاقة الحركيـة التي اكتسبها القرص لا يمكن استحداثهـا من العدم، إذن حتمـًا يكون هذا التزايـد في الطاقة الحركيـة للقرص متعلقـًا بتناقص في شكل آخر من الطاقـة كانت مخزنة في السلك لمـا كان في حالـة فتـل. 

ـ ماذا نسمي الطاقة التي كانت مخزنة في السلك لمـا كان في حالـة فتـل ؟

يدعى هـذا النوع من الطاقـة بـ الطاقـة الكامنـة الفتلية ونسمي الجملة  نواس الفتـل.

تعـريف الطاقـة الكامنـة الفتلية:

الطاقـة الكامنـة الفتلية للجملة (نواس الفتـل) هي نوع من الطاقـة يخزن في سلك الفتل لمـا نقـوم بفتلـه وتظهر هذه الطاقـة لما يعود السلك إلى وضعـه الطبيعي، ويرمـز لهـا بـ : E_pe  وتقـاس في ج . و. د بـ : joule

جـ ـ الطاقة الداخلية: 

نشــاط ـ 1 ـ

نستعمل عمـود (Pile) لتغذيـة محرك (لسيـارة لعبة أطفال) بعـد غلق القاطعـة نرى أنّ المحرك يبـدأ في الدوران.

ـ هل الطاقة الحركية التي اكتسبها المحرك مستحدثة من العدم أم تم تحويلها من العمود ؟

الطاقة الحركية التي اكتسبها المحرك تم تحويلها من العمود.

ـ هل العمود يخزن طاقة ؟ إذا كان الجواب نعم ماذا نسمي هذا النوع من الطاقة ؟

نعم العمود يخزن طاقة على شكل تفاعل مواد كيميـائيـة، تدعى هذه الطاقـة: الطاقـة الداخليـة.

ـ مما سبق ماذا نسمي التحويل الطاقوي الحادث بين العمود والمحرك وكيف نرمز له ؟

نسمي التحويل الطاقوي الحادث بين العمود والمحرك: تحويل كهربائي ونرمز له بالرمز W_e

نشــاط ـ 2 ـ 

نستعمل مقاومة كهربائية لتسخين كمية من الماء، فعندما ترتفع درجة حرارته تزداد طاقته الداخلية.

ـ كيف تفسر تزايد الطاقة الداخلية للماء؟

نفسر تزايد الطاقة الداخلية للماء بزيادة الحركة لجزيئات الماء (طاقة حركية ميكروسكوبية)

ماذا نسمي التحويل الطاقوي الحادث بين المقاومة الكهربائية والماء وكيف نرمز له ؟

نسمي التحويل الطاقوي الحادث بين المقاومة الكهربائية والماء: تحويل حراري ونرمز له بالرمز (Q)

نشــاط ـ 3 ـ

نقوم بتسخين كمية من الماء البارد بتعريضها لأشعة الشمس، فنقول أن الماء اكتسب طاقة داخلية من أشعة الشمس الساقطة عليه.

ـ ماذا نسمي التحويل الطاقوي الحادث بين الشمس والماء وكيف نرمز له ؟

نسمي التحويل الطاقوي الحادث بين الشمس والماء تحويل بالإشعاع ونرمز له بالرمز (Er)

تعريف الطاقة الداخلية:

الطاقة  الداخلية هو مفهوم طاقوي يخصص للحالة الميكروسكوبية للجملة المدروسة، وهي تمثل مجموعة الطاقات التي لها علاقة بسرعة العناصر الميكروسكوبية التي تشكل الجملة والطاقات التي لها علاقة بموضعها النسبي بالنسبة لبعضها البعض. يرمز لها بـ : Ei  وحدتها في ج .و. د هي : Joule .

3 ـ أنماط تحول الطاقة:

تحول الطاقة هو عملية تغيير شكل من أشكال الطاقة إلى شكل آخر، وهناك عدة أنماط رئيسية لتحول الطاقة، منها:

1. الطاقة الكيميائية إلى طاقة حرارية: يحدث هذا عندما يتم حرق الوقود (مثل البنزين أو الفحم) لإنتاج حرارة، كما في محركات الاحتراق الداخلي أو الأفران.

2. الطاقة الحرارية إلى طاقة ميكانيكية: كما يحدث في المحركات البخارية والتوربينات، حيث يتم تسخين الماء لإنتاج بخار يضغط على التوربينات لتوليد الحركة.

3. الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية: كما في السخانات الكهربائية والأفران، حيث تتحول الكهرباء إلى حرارة عبر مقاومة كهربائية.

4. الطاقة الكهربائية إلى طاقة ميكانيكية: كما في المراوح والمحركات الكهربائية، حيث تتحول الكهرباء إلى حركة.

5. الطاقة الميكانيكية إلى طاقة كهربائية: كما في المولدات الكهربائية، حيث يتم تدوير التوربينات بواسطة الرياح أو الماء لتحويل الحركة إلى كهرباء.

6. الطاقة الضوئية إلى طاقة كهربائية: كما في الألواح الشمسية التي تحول ضوء الشمس إلى كهرباء عبر الخلايا الكهروضوئية.

7. الطاقة الكيميائية إلى طاقة كهربائية: كما في البطاريات، حيث يتم تحويل التفاعلات الكيميائية إلى تيار كهربائي.

8. الطاقة النووية إلى طاقة حرارية: كما يحدث في المفاعلات النووية، حيث تتحول طاقة الروابط الذرية إلى حرارة تستخدم في توليد الكهرباء.

4 ـ تمثيل سلسلة طاقوية:

* أمثلـة: 

تمثيل السلسلتين الوظيفيتين والطاقويتين للجملتين التاليتين:

الجملة ـ 1 ـ

تمثيل السلسلتين الوظيفية والطاقوية للجملة1:

الجملة ـ 2 ـ

تمثيل السلسلتين الوظيفية والطاقوية للجملة 2

III ـ استطاعة تحويل الطاقة: 

تعرف استطاعة التحويل على أنها السرعة التي يحدث بها هذا التحويل (غزارة التحويل)

 وحدتها الواط (watt) يرمز لها بـ : P وتعطى بالعلاقة:  P = E/t حيث:

 P : استطاعة التحويل وتقاس بـ الواط (watt) ونرمز له بـ (w)

 E : الطاقة وتقاس بـ الجول (Joule) ونرمز له بـ (J)

 t : الزمن ويقاس بـ الثانية ونرمز لها بـ (s)

ملاحظة:

تستعمل وحدة أخرى للطاقة تسمى الواط ساعي (Wh) حيث:  1Wh = 3600 joule

IV ـ مبدأ انحفاظ الطاقة: 

1 ـ نص المبدأ: 

" الطاقة لا تستحدث ولا تزول، فإذا اكتسبت جملة ما طاقة أو فقدتها فإن هذه الطاقة  تكون بالضرورة قد أخذتها من جملة (أو جمل) أخرى أو قدمتها لها ".

2 ـ معادلة انحفاظ الطاقة: 

اعتمادا على مبدأ انحفاظ الطاقة تكتب معادلة الانحفاظ على النحو التالي:

الطاقة الابتدائية للجملة + الطاقة المستقبلة – الطاقة المقدمة = الطاقة النهائية للجملة.

ملاحظة:

* الطاقة المستقبلة هي التي تستقبلها الجملة خلال التحويل والطاقة المقدمة هي الطاقة التي تفقدها الجملة خلال التحويل.

* إذا كانت الجملة لا تتبادل الطاقة مع الوسط الخارجي نقول عنها أنها جملة معزولة طاقويـا. معادلة انحفـاظ الطاقة لهـا:

الطاقة الابتدائية للجملة = الطاقة النهائية للجملة.

Vـ الحصيلة الطاقوية:

الحصيلة الطاقوية هي تمثيل رمزي لتغير الطاقة في جملة بين الحالة الابتدائية والحالة النهائية كما في النموذج التالي: 

ملاحظة:

ـ عـدد الأعمـدة داخل الفقاعـة الواحدة (الجملة) متعلق بعدد أشكال الطاقـة المتغيرة (Ec, Ep, Ei) بين الحالة الابتدائية والحالة النهائية للجملة.

ـ إذا حولت الجملة كل الطاقة التي تلقتها بين الحالتين الابتدائية 1 والنهائية 2 تترك الفقاعة فارغة دون عمـود.

VI ـ 1 ـ التفسير المجهري لدرجة الحرارة:

الحرارة هي عبارة حركة الجزيئات التي تشكل المادة. ما معنى هذا ؟

نشاط:

ضع يدك اليمنى في إناء يحتوي على كمية من الماء به محرار يشير إلى القيمة θ₁ = 20°C، واليد اليسرى في إناء آخر يحتوي على كمية من الماء به محرار يشير إلى القيمة θ₂ = 40°C.

ـ ما هو إحساسك ؟

ـ الإناء 1 بارد بالنسبة للإناء 2.

ـ هل من الممكن التعبير بطريقة أخرى عن هذا الإحساس؟

ـ نعم يمكن إستعمال التعبير الآتي: 

جزيئات الماء الذي درجة حرارتهT₂  تتحرك بسرعة أكبر من جزيئات الماء الذي درجة حرارته T₁.

هـذه السرعة نتحسس لها بحواسنا على شكل حرارة، أمـا درجة الحرارة فهي الوسيلة التي نقيس بها حـدّة الحركة.

نتيجة:  

ـ الحرارة هي عبارة عن حركة الأفراد الكيميائية التي تشكل المادّة.

ـ كلمـا كانت الحرارة كبيرة كلما كنت حدّة الحركة في المادّة كبيـرة.

ـ درجـة الحرارة هي الوسيلـة المستعملة لقياس حـدّة الحركة داخل المـادة.   

2 ـ التفسير المجهري للمركبة الحرارية للطاقة الداخلية: 

المركبـة الحرارية للطاقة الداخلية هي الحرارة المخزنة في جملة ما والمرتبطة بالطاقة الحركية المجهرية الناتجة عن الحركة غيـر المنتظمة للدقائق المكونة لهـذه الجملـة.

3 ـ التفسير المجهري للتحويل الحراري والتوازن الحراري: 

ـ يحـدث تحويل حراري بين جملتين إذا كانت هاتان الجملتان متلامستين وتحت درجتين مختلفتين من الحرارة حيث تتحول الحرارة من الجملة الساخنة نحو الجملة الباردة.

ـ تفقـد الجملة الساخنة الحرارة وتنخفض درجة حرارتهـا، وتكتسـب الجملة الباردة الحرارة وترتفع درجة حرارتـها. 

ـ عنـدما تصبح الجملتـان في نفس الدرجة من الحرارة، يتوقف التحويل الحراري: نقـول أن الجملتين عنـدئـذ في حالة تـوازن حـراري. 

وثيقة التلميذ بصيغة الـ PDF

تمارين الكتاب المدرسي حول مقاربة كيفية لطاقة جملة وانحفاظها بصيغة الـ PDF