التماسك في المادة وفي الفضاء. الاجابة عن الأسئلة

يُعد التماسك ظاهرة أساسية، تلعب دورًا مهمًا في فهم سلوك المادة، سواء على المستوى الذري، أو في الفضاء الكوني. في الفيزياء، يشير التماسك في المادة، إلى قوى التجاذب التي تربط الجزيئات، أو الذرات معًا، مما يمنح المواد خصائصها المختلفة، مثل الصلابة أو اللزوجة. أما في الفضاء، فيظهر التماسك في الترابط بين الأجرام السماوية، من خلال قوى الجاذبية، التي تحافظ على استقرار الكواكب، والنجوم والمجرات. يساهم فهم هذه الظاهرة في تطوير العديد من التطبيقات العلمية، بدءًا من تصميم المواد الهندسية وصولًا إلى دراسة تشكّل الكون، وتطوره.

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

I ـ المادة في الكون:

1ـ من الذرة إلى المجرة:

أ - تذكير حول بنية الذرة:

ـ تتكون الذرة من نواة والكترونات في حالة حرة سريعة ودائمة حول النواة في مدارات محددة وفق نظرية بور.         
- ذرة الهيدروجين هي أبسط الذرات. نواتها تتكون من دقيقة عنصرية واحدة، نصف قطرها يقارب جزء المليون من المليار من المتر r_n = 1,2×10^-15m، إلكترونها الوحيد يوجد عن بعد من النواة يقارب الجزء 53 من ألف من المليار من المتر r_H = 5,3×10^-11m  
ـ يوجد بين النواة والالكترونات فراغ كبير. نقول أن للمادة " بنية فراغية ".
ـ أبعاد كل الذرات الأخرى من نفس رتبة أبعاد ذرة الهيدروجين، ويكمن الاختلاف في عدد الدقائق العنصرية فقط.

ب - نظرة إلى الكون:

- هذا الكون الفسيح المترامي الأطراف، هل له حدود ؟ هل يبدأ من مكونات البروتونات والنيترونات والتي تسمى الكوارك Quarks  أم يوجد أصغر منها ؟ أم مازلنا لم نصل بعد إلى اللا متناهي في الصغر ؟! هل ينتهي الكون عند حدود المجرة ؟

ـ بالطبع لا ، فالمجرة ما هي إلا قطرة من بحر هذا الكون، فملايير المجرات تتجمع في مجموعات أو (عناقيد)، وهذه المجموعات هي ملايير تؤلف فقط (الكون المنظور) والكون المنظور ما هو إلا جزء صغير " فقاعة " والفقاعة هي وحدة فقط من الكون " التضخمي ". وهل هذا الكون ينتهي عند الكون التضخمي ؟ أم مازلنا بعد لم نصل الى اللا متناهي في الكبر؟

2 ـ الكتابة العلمية للأعداد:

أ - العلاقة الرياضية:

للتعبير علميا عن الأعداد اللا متناهية في الكبر واللامتناهية في الصغر يتوجب استعمال كتابة علمية لتبسيط قراءتها وكتابتها ولهذا نلجأ إلي استخدام أس العدد 10 بحيث نكتب أي عدد بالشكل a×10^b

حيث: a عدد من رتبة ألاحا د وهو محصور بين (1 و9) و b عدد صحيح موجب او سالب,

تذكير:

$$10^{m} \times 10^{n} = 10^{m+n}$$$$(10^{m})^{n} = 10^{m \cdot n}$$$$\frac{10^{m}}{10^{n}} = 10^{m-n}$$$$\frac{1}{10^{n}} = 10^{-n}$$

ب ـ المضاعفات والأجزاء:

	فمتو femto	بيكو pico	نانو nano	ميكرو micro	مللي  milli	الوحدة	كيلو kilo	ميقا  Méga	جيقا  Giga	تيرا  Téra
الرمز	f	p	n	µ	m		K	M	G	T
معامل	15- 10	12- 10	9- 10	6 - 10	3- 10	1	3+ 10	6+ 10	9+ 10	12+ 10

ج ـ رتبة عدد:

رتبة عدد هي الأس العشري الأقرب إلي هذا العدد
مثال: نصف قطر نواة ذرة الهيدروجين: r_n = 1,2×10^-15m = 1,2 fm  وهو من رتبةm  ^{15 ــ} 10.
تطبيق 1: نعتبر الأعداد التالية: 10000 m ، 100000000 m ، 36400 m ، 378300 m ، 0,00000305 m ، 0,56×10^-10 m ، 9270×10²⁰ m ، 523×10^-17 m
ـ أعطي الكتابة العلمية لهذه الأعداد وحدد رتبة كل عدد.
 تطبيق 2: اكمل الجدول التالي:

الظاهرة/الجسم	القيمة التقريبية (متر)	رتبة المقدار
قطر الكون المرئي
قطر مجرة درب التبانة
البعد بين الأرض والشمس
البعد بين الأرض والقمر
طول نملة
طول خلية
طول جرثومة (بكتيريا)
قطر ذرة
قطر نواة ذرية

الاجابة:

الظاهرة/الجسم	القيمة التقريبية (متر)	رتبة المقدار
قطر الكون المرئي	9×1025	1026
قطر مجرة درب التبانة	9,5×1021	1022
البعد بين الأرض والشمس	1,5.1011	1011
البعد بين الأرض والقمر	3,84.108	108
طول نملة	5.10-3	10-2
طول خلية	1.10-5	10-5
طول جرثومة (بكتيريا)	1.10-6	10-6
قطر ذرة	1.10-10	10-10
قطر نواة ذرية	1.10-15	10-15

II ـ الأفعال المتبادلة الجاذبة:

1 ـ قانون الجذب العام:

نشاط:

1 ـ في أي سنة توصل العالم إسحاق نيوتن الى صياغة قانون الجذب العام ؟ وكيف أعلن عن ذلك ؟
2 ـ ما هو نص قانون الجذب العام ؟
3 ـ لماذا أطلق نيوتن على هذا القانون. قانون الجذب العام؟
4 ـ هل حركة جسم بالنسبة للأرض خاضعة لقانون الجذب العام؟
5 ـ أعد صياغة نص القانون السابق بشكل علاقة رياضية، بالنسبة لجسمان A وB تفصلهما مسافة d ؟

الاجابة:

1 ـ في سنة 1687م توصل العالم إسحاق نيوتن الى صياغة قانون الجذب العام وأعلن عن ذلك من خلال كتابه الشهير "المبادئ الرياضية للفلسفة الطبيعية"، وتضمن القوانين الثلاث: مبدأ العطالة، المبدأ الأساسي للتحريك، بالإضافة إلى قانون الجذب العام.
2 ـ نص قانون الجذب العام:
" كل جسمان كيفيان، يتجاذبان بقوة تتناسب طرديا مع جداء كتلتيهما، وعكسيا مع مربع المسافة التي تفصلهما "
وهو يمثل أول قانون عام يصف صيغة الفعلين المتبادلين بين جسمين من جراء كتلتيهما.
3 ـ أطلق نيوتن على هذا القانون. قانون الجذب العام لأنه لم يحدد نوع الجسمان ولا المسافة بينهما.
4 ـ نعم حركة جسم بالنسبة للأرض خاضعة لقانون الجذب العام.
5 ـ أعادة صياغة نص القانون السابق بشكل علاقة رياضية، بالنسبة لجسمان A وB تفصلهما مسافة d

$$F_{A/B} = F_{B/A} = G \, \frac{m_A \, m_B}{d^2}$$

F_A/B: شدة القوة التي يؤثر بها الجسم A على الجسم B، وحدتها نيوتن (N)، وتتجه من B نحوA.

F_B/A: شدة القوة التي يؤثر بها الجسم B على الجسم A، وحدتها نيوتن (N)، وتتجه من A نحوB

G: ثابت الجذب العام، وقيمته 6,67×10^-11 N.m²/Kg²

m_A: كتلة الجسم A وحدتها الكيلوغرام (Kg).

m_B: كتلة الجسم B وحدتها الكيلوغرام (Kg).

d: المسافة بين الجسم A والجسم B وتقاس بالمتر(m).

2 ـ تجربة كافنديش:

تجربة كافنديش: هي تجربة فيزيائية شهيرة أُنجزت سنة 1798 على يد العالم البريطاني هنري كافنديش، وهدفها قياس قوة التجاذب بين كتل صغيرة في المخبر، ومن خلالها تم حساب قيمة ثابت الجذب العام G بدقة لأول مرة.

تعتمد التجربة على قانون الجذب العام الذي وضعه اسحاق نيوتن.

جهاز كافنديش (ميزان الالتواء)

استعمل كافنديش جهازًا يُسمّى ميزان الالتواء ويتكون من:

• ساق أفقي خفيف معلّق بسلك رفيع جدًا قابل للالتواء

• في طرفي الساق كرتان صغيرتان من الرصاص

• كرتان كبيرتان من الرصاص توضعان قريبًا من الكرتين الصغيرتين

عندما تُقرَّب الكرتان الكبيرتان من الصغيرتين:

• تنشأ قوة تجاذب بينهما

• يدور الساق قليلًا

• يلتوي السلك بزاوية صغيرة

ومن زاوية الالتواء يمكن حساب القوة المؤثرة، ومنه حساب $G$.

ماذا حققت التجربة؟

1 ـ قياس قيمة ثابت الجذب العام.
2 ـ تمكّن العلماء لأول مرة من حساب كتلة الأرض وكثافتها.

ولهذا تُعرف التجربة أحيانًا بأنها أول قياس عملي لـ "كتلة الأرض".

أهميتها العلمية

1 ـ أكدت عمليًا قانون نيوتن للجذب العام.
2 ـ أثبتت أن الجاذبية يمكن قياسها مخبريًا.
3 ـ مهّدت لتطور علم الفيزياء الفلكية.

3 ـ علاقة قوة الجذب العام بثقل الجسم:

العلاقة بين قوة الجذب العام وثقل الجسم علاقة مباشرة، لأن ثقل الجسم هو في الحقيقة حالة خاصة من قوة الجذب العام.

قوة الجذب العام:

حسب قانون إسحاق نيوتن فإن قوة التجاذب بين جسمين كتلتيهما $m_1$ و $m_2$ وتفصل بينهما مسافة $r$ هي:

$$F = G \frac{m_1 m_2}{r^2}$$

حيث:

• $G$ ثابت الجذب العام

• $r$ المسافة بين مركزي الجسمين

ثقل الجسم:

ثقل جسم كتلته $m$ على سطح الأرض هو القوة التي تجذبه بها الأرض نحو مركزها، ويرمز له بـ $P$:

$$P = m g$$

حيث:

• $g$ شدة الجاذبية الأرضية

العلاقة بينهما:

نطبق قانون الجذب العام بين:

• الأرض (كتلتها $M_T$)

• جسم كتلته $m$
  

• المسافة بينهما تقريبًا نصف قطر الأرض $R_T$

إذن:

$$F = G \frac{M_T m}{R_T^2}$$

لكن هذه القوة نفسها هي ثقل الجسم:

$$P = G \frac{M_T m}{R_T^2}$$

بالمقارنة مع العلاقة $P = mg$ نجد أن:

$$g = G \frac{M_T}{R_T^2}$$

الاستنتاج:

ثقل الجسم هو قوة الجذب العام التي تمارسها الأرض على الجسم.

ملاحظة:

إذا انتقل الجسم إلى كوكب آخر مثل المريخ فإن كتلته تبقى ثابتة، لكن ثقله يتغير لأن قيمة $g$ تختلف حسب كتلة الكوكب ونصف قطره.

III ـ الأفعال المتبادلة الكهرومغناطيسية:

نشاط:

ندلك ساقا من زجاج بواسطة قطعة قماش (قطن)، ثم نقربها من قصاصات ورقية.

1 ـ ماذا تلاحظ ؟

2 ـ كيف تفسر هذه الظاهرة ؟

3 ـ هل هي خاضعة لقانون نيوتن؟

4 ـ أين يكمن الاختلاف؟

5 ـ هل يوجد نوع ثاني من الأفعال المتبادلة ؟

6 ـ وضح هذا الفعل إن وجد بصورة ؟

الاجابة:

1 ـ نلاحظ انجذاب القصاصات الورقية نحو الساق.
2 ـ نفسر هذه الظاهرة بأن الساق الزجاجية تكهربت (شحنت)، عن طريق الدلك.
3 ـ لا ليست خاضعة لقانون نيوتن.
4 ـ إن السبب الذي أدى إلى فعل التجاذب هو شحنة الساق وليس كتلتها.
5 ـ نعم هناك نوع ثاني من الأفعال المتبادلة يسمى بقانون كولوم، توصل له العالم كولوم عام 1785م، وهذا نصه:
" شدة التأثير المتبادل بين شحنتين كهربائيتين q_A وq_B ، تتناسب طردا مع جداء الشحنتين ، وعكسيا مع مربع المسافة بينهما ". ونكتب:

$$F_{A/B} = F_{B/A} = G \, \frac{m_A \, m_B}{d^2}$$

حيث:

 q_A: الشحنة الكهربائية للجسم A وحدتها الكولوم (C).

 q_B: الشحنة الكهربائية للجسمB  وحدتها الكولوم (C).      

   d: المسافة وحدتها المتر(m).

  K: ثابت كولوم وقيمته 9×10⁹ N.m²/C²

6 ـ توضيح الفعل بصورة:

ملاحظة هامة:

هناك علاقة بين الكهرباء، والمغناطيسية كما بينها العالم فاراداي: عند تقريب مغناطيس من سلك ملفوف (وشيعة)، يولد تيارا كهربائيا. وأيضا الفعل المغناطيسي يولد فعلا كهربائيا، لهذا السبب تم توحيد الكهرباء والمغناطيسية، فسمي التأثير بالكهرومغناطيسي، و مجال تطبيقه يتم على مستوى الذرة، والجزيئات فهو يضمن تماسك الالكترونات في دورانها حول الذرة، وبالتالي تماسك ذرات، وجزئيات المادة.

IV ـ الفعل المتبادل القوى (قوة تماسك مكونات النواة):

نشاط:

1 ـ مما تتكون النواة ؟

2 ـ هل يوجد تنافر أو تجاذب بين البروتونات في النواة ؟

3 ـ كيف تفسر تماسكها ؟

الاجابة:

1 ـ تتكون النواة من بروتونات ونيترونات.

2 ـ يوجد تنافر بين البروتونات في النواة.

3 ـ فسر العلماء تماسك النواة بوجود قوة كبيرة جدا تضمن تماسكها، تسمى القوة النووية القوية، وليس لها تأثير إلا داخل النواة مما يجعل مداها قصير جدا.

V ـ المقارنة بين القوى الأساسية في الطبيعة:

القوى الجاذبة الكونية	القوى الكهرومغناطيسية	القوة النووية القوية
- تنسب إلى كتل الأجسام.    - نوع التأثير تجاذبي. - شدتها تعطي بقانون الجذب العام لنيوتن.   - مسؤولة عن تماسك الكواكب، و المجرات، و الكون، إذن هي  مسؤولة عن تماسك الفضاء. - هي أضعف القوى الأساسية. - لا تلعب أي دور في تماسك الجسيمات الصغيرة )الذرات، الجزيئات، النواة ... (	- تنسب إلى الشحنة الكهربائية للجسيمات.   - نوع التأثير تجاذب أو تنافر. - شدتها تعطي بقانون كولوم.   - مسؤولة عن تماسك الذرات، والجزيئات.  - تأتي في الرتبة الثانية من حيث الشدة.  - لا تأثير لها على الأجسام الكبيرة.	- تنسب الى الخاصية القوية التي تحملها الكواركات، التي تكوّن البروتونات، والنيترونات. - نوع التأثير تجاذبي. - شدتها تعطى بقانون غير معروف حتى الآن.  - مسؤولة عن تماسك النواة.    - هي أعظم القوى الأساسية في الطبيعة على الإطلاق، و تأتي في الرتبة الأولى. - لا تلعب أي دور مهم في مدى أكبر من النواة.

وثيقة التلميذ بصيغة الـ PDF