* بيئة نظيفة تعني حياة افضل * املاء شريان احلياة فحافظ عليه من التلوث

Transcript

1

2

3 عزيزي الطالب..عزيزتي الطالبة يشكل هذا الكتاب دعامة من دعاي م المنهج المطور في الفيزياء والذي يعمل على تحقيق اهداف علمية وعملية تواكب التطور العلمي في تكنولوجيا المعلومات والاتصالات كما يحقق هذاالكتاب ربطا للحقاي ق والمفاهيم التي يدرسها الطالب بواقع حياته اليومية المجتمعية بالاضافة الى مفاهيم مجال علوم الفلك والفضاء. ان هذا المنهج يهدف الى الموضوعات الا تية: توضح العلاقة بين العلم والتكنولوجيا في مجال العلوم وتا ثيرها على التنمية وربطها بالحياة العملية. اكساب الطالب منهجية التفكير العلمي والانتقال به من التعليم المعتمد على الحفظ الى التعلم الذاتي الممتزج بالمتعة والتشويق. محاولة تدريب الطالب على الاستكشاف من خلال تنمية مهارات الملاحظة والتحليل والاستنتاج والتعليل. اكساب الطالب المهارات الحياتية والقدرات العلمية التطبيقية. تنمية مفهوم الاتجاهات الحديثة في الحفاظ على التوازن البيي ي عمليا وعالميا. يضم هذا الكتاب عشرة فصول هي ) الفصل الاول م عل مات اساسية في الفيزياء والفصل الثاني الخصاي ص الميكانيكية للمواد والفصل الثالث المواي ع والفصل الرابع الخصاي ص الحرارية للمادة والفصل الخامس - المنظومة الشمسية والفصل السادس الضوء والفصل السابع انعكاس وانكسارالضوء والفصل الثامن المرايا والفصل التاسع العدسات والفصل العاشر الكهرباي ية الساكنة( المستقرة ). ويحتوي كل فصل على مفاهيم جديدة مثل هل تعلم تذكر سو ال فكر بالاضافة الى مجموعة كبيرة من التدريبات والانشطة المتنوعة ليتعرف الطالب من خلالها على مدى ما تحقق من اهداف ذلك الفصل. نسا ل الله عز وجل ان تعم الفاي دة من خلال هذا الكتاب وندعوه سبحانه ان يكون ذلك ا ساس عملنا والذي يصب في حب وطننا والانتماء اليه والله ولي التوفيق. نقدم الشكر والتقدير لكل من الاستاذ الدكتور محمد صالح مهدي والا ختصاصي التربوي محمد حمد العجيلي لمراجعتهم العلمية للكتاب كما نقدم الشكر والتقدير لكل من المدرس سعيد مجيد العبيدي والمدرس رافد يحيى لمساهمتهم العلمية في الكتاب. المو لفون 3

4 * بيئة نظيفة تعني حياة افضل * عندما تكون للبيئة اولوية... البيئة تدوم * املاء شريان احلياة فحافظ عليه من التلوث * حماية البيئة مسؤولية اجلميع... فلنعمل حلمايتها * بالتشجير تصبح بيئتك ابهى * لنعمل من اجل بيئة افضل ووطن اجمل * ان اقتلعت شجرة او نبتة مضطرا فازرع غيرها * حافظ على بيئتك لتنعم بحياة افضل * بيئة االنسان مرآة لوعيه * لنعمل معا... من اجل عراق خال من التلوث * يد بيد من اجل وطن اجمل * بيئتك حياتك... فساهم من اجل جعلها مشرقة * البيئة السليمة تبدأ بك * من اجل احلياة على األرض.. انقذوا أنهارها 4

5 مفردات الفصل القياس 2-1 النظام الدولي للوحدات 3-1 أخطاء القياس 4-1 الرسوم البيانية 5-1 التغير الطردي والتغير العكسي للكميات الفيزياي ية. م عل مات ري يسة في الفيزياء 5

6 االغراض السلوكية ينبغي للطالب أن يكون قادرا على ان : 1. يبين أهمية القياس في تطوير العلوم وفي تنظيم حياة االنسان. 2..يتعرف على وحدات القياس الدولية لمختلف الكميات الفيزيائية )التعرف على النظام العالمي لوحدات القياس(. 3. يجري بعمليات حسابية التحويل للوحدات الكبيرة والصغيرة منها )اجزائها ومضاعفاتها (. 4. يتعرف على بعض اخطاء القياس وكيفية التقليل منها. 5. يرسم العالقة البيانية بين متغيرين. 6. يبين كيفية االستفادة من الرسم البياني. 7. يذكر بعض العالقات الرياضية التي درسها في الرياضيات كالتغير وكيفية ربطها بالعالقات الفيزيائية. المصطلحات العلمية Measurement القياس International system of units النظام الدولي للوحدات SI SI Units وحدات النظام الدولي Supplementary Units الوحدات التكميلية للنظام الدولي Length الطول Mass الكتلة Time الزمن Electrical current التيار الكهربائي Amount of substance كمية المادة Temperature درجة الحرارة Luminous Intensity شدة االنارة)االضاءة( Plane angle الزاوية المستوية solid angle الزاوية المجسمة prefixes البادئات measurement errors اخطاء القياس Graphs الرسوم البيانية Slope الميل 6

7 Variation Direct proportion Inverse proportion proportional constant Absolute temperature التغير التناسب الطردي التناسب العكسي ثابت التناسب درجة الحرارة المطلقة 1-1 القياس Measurement ترتكز العلوم بصورة عامة والفيزياء بصورة خاصة على القياس فالمفاهيم الفيزيائية مثل الكتله المسافة الزمن السرعة القوة الضغط المساحة درجة الحرارة هي كميات فيزيائية تتحدد بذكر قيمتها العددية ووحدة قياسها لبيان مقاديرها وكان ادخال القياس في التجارب عامال اساسا في تقدم علم الفيزياء وتطوره بسرعة. على الرغم من اهمية حواس االنسان كداللة للقياس إال انها محدودة في مداها وصحتها ودقتها. فأحساسنا بالزمن تك ون لدينا من ادراكنا لما مضى وما نحن عليه االن علما ان اجسامنا مزودة بمقياس طبيعي للتوقيت إال وهو القلب بنبضاته المنتظمة تقريبا والمستمرة طيلة الحياة. فاليوم هو زمن دورة االرض الكاملة حول محورها والسنة هي زمن دورتها الكاملة حول الشمس وتعاقب الليل والنهار وتعاقب فصول السنة تعد مقاييس طبيعية للزمن. فاحساسنا بالزمن هو نتيجة لوعينا وادراكنا لما حولنا من مادة وحركة. ولقد تعرفت في دراستك السابقة على االبعاد والكتل لبعض من مكونات هذا الكون لتدرك عظمة الخالق في خلق هذا الكون الهائل وما يحتويه من اجسام في غاية الكبر وجسيمات في غاية الصغر. 7

8 2-1 النظام الدولي للوحدات International system of units النظام الدولي للوحدات )SI( مختصر للعبارة الفرنسية System International Unites هو امتداد وتشذيب للنظام المتري التقليدي ويشمل سبع وحدات اساس كما موضحة في جدول رقم )1( وحدات النظام الدوليSI الجدول) 1( unit quantity الكمية الوحدة رمز الوحدة m meter length الطول متر 1 Kg kilogram mass الكتلة كيلوغرام 2 s second time الزمن ثانية 3 A ampere التيار الكهربائي electrical أمبير 4 current mol mole amount of كمية املادة مول 5 K kelvin substance درجة احلرارة temperature كلفن 6 cd candela قوة االضاءة luminous الكانديال 7 )candle ( ( شمعة ) intensity ونظام )SI( يعد اكثر مالئمة للحياة العملية من اي نظام آخر ويعد هذا النظام عشريا بحيث ترتبط الوحدات فيما بينها بأسس عشرية بسيطة تجعل الحسابات التي تشتمل على اي عدد منها حسابات بسيطة ال تحتاج الى جهد وان لكل كمية في هذا النظام وحدة قياس واحدة فقط ويمكن الحصول على اجزائها ومضاعفاتها بوضع بادئة تسبق اسم هذه الوحدة وان مضاعفات الوحدات المستعملة تكون بخطوات كل منها 10 3 وان اجزائها تكون بخطوات كل منها 3-10 الحظ جدول البادئات رقم )3 ) وهناك وحدات تكميلية للوحدات االساس تدعىUnits Supplementary الموضحة في جدول رقم )2( جدول رقم )2( الوحدات التكميلية للنظام الدولي Supplementary Units الكمية الوحدة Unit رمز الوحدة Quantity rad radian الزاوية املستوية plane angle زاوية نصف قطرية sr steradian الزاوية اجملسمة solid angle زاوية نصف قطرية مجسمة 8

9 الزاوية نصف القطرية : هي الزاوية المركزية المقابلة لقوس طوله يساوي نصف قطر الدائرة. محيط الدائرة يقابل زاوية نصف قطرية rad( 2π(.. = r L=r 2πr r 1rad = = 2π rad 360 2π = 57.3 جزء من سطح كروي مساحته بقدر مربع الزاوية المجسمة : هي الزاوية المركزية المجسمة التي تقابل نصف قطر تلك الكرة وتقدر بوحدات Sr 4πr 2 4π Sr r 2 = جدول )3( بعض اجزاء ومضاعفات النظام الدولي SI بادئات )Prefixes( النظام الدولي prefix البادئة الرمز T tera تيرا كيكا 1Mm=10 6 m 1km=10 3 m 1mA= A 1μ C= C 10 9 G giga 10 6 M mega ميكا 10 3 k kilo كيلو 10-2 c * centi سنتي 10-3 m milli ملي 10-6 μ micro مايكرو ns= 10-9 s 10-9 n nano نانو 1PC= C P pico بيكو 1fm= m f femto فيمتو * ليست من وحدات النظام الدولي 9

10 3-1 اخطاء القياس Measurement errors معظم العلوم تعتمد على التجربة الدقيقة لتحقيق نظرياتها لذلك فمن الضروري ايجاد وسائل دقيقة للتعامل مع القياسات واستنباط الحقائق منها وتقليل االخطاء التجريبية.وتعتمد دقة القياسات الفيزيائية على دقة اجهزة القياس المستعملة وعلى مهارة وخبرة المجرب وظروف عمل التجربة فعدم الدقة في القياسات يعود الى مصادر االخطاء في القياس ومنها. - 1 اخطاء االجهزة وادوات القياس المستعملة: هناك االخطاء ناتجة من عدم دقة تدريج الجهاز نتيجة لرداءة صنع الجهاز او لمعايرته غير الصحيحة وبعضها تتغير قراءته التدريجية بسبب الظروف المحيطة بالجهاز او مع عمر الجهاز.كذلك يتوقف خطأ الجهاز او آلة القياس على دقة قراءته الصغرى )القراءة الصغرى لتدريجه( فمثال القراءة الصغرى للمسطرة المترية )1mm( بينما القراءة الصغرى للمايكرومتر )0.01mm( لذلك فاحتمال الخطا في قياس ابعاد جسم صغير بالمسطرة كبير جدا مقارنة بالخطأ الحاصل باستعمال المايكرومتر. ان تكرار المالحظات والقياسات باالجهزة ذات المواصفات اعاله ال يساعدعلى تقليل الخطأ. وعند ذكر نتيجة أي كمية مقاسة يجب ذكر حدود الخطأ فيها فعند قياس الطول مثال با لة قياس دقتها )0.1mm( وكان طول الجسم المقاس )1.32cm( فاحتمال الخطأ من جهتي آلة القياس قد يصل الى فالطول الحقيقي قد يتخذ 1.32cm ± 0.02 )0.2mm( - 2 اخطاء شخصية : وهي اخطاء يرتكبها الشخص بسبب قلة خبرته بالقراءة او عند نقله المعلومات وتعتمد على معرفته باالجهزة واالستعمال الصحيح لها. اضافة الى بعض االخطاء الخارجة عن ارادة الشخص بسبب الظروف المحيطة به وهذه االخطاء العشوائية هي الوحيدة التي يمكن معالجتها وتصحيحها بالقياسات المتكررة ويمكن معاملتها بسهولة بطرائق احصائية وابسطها هو ايجاد متوسطها الحسابي فهو خير تخمين للقيمة الحقيقية. تذكر عزيزي الطالب ان خطأ صغير في القياس )قياس موقع على خارطة بمسطرة مثال ( قد يؤدي الى خطأ كبير بالبعد الحقيقي. 10

11 تعد الرسوم البيانية من الطرائق المفضلة للحصول على المتوسط الحسابي لعدد من القراءات بصورة جيدة ولتوضيح العالقة بين متغيرين تجريبيا يفضل رسم تخطيط بياني ويمكن استعمال الرسم البياني في كثير من الحاالت ألستنباط عالقة رياضية تربط هذين المتغيرين اضافة الى تحديد قيم الثوابت من الرسم البياني. عزيزي الطالب تعلمت من درس الرياضيات كيفية رسم الخط البياني وتعلمت ايضا شكل التخطيط البياني من المعادلة الرياضية التي تربط بين متغيرين. لرسم تخطيطا بيانيا يتطلب االتي : - 1 تحديد نقطة االصل في موقع مالئم على الورقة البيانية.)0 0( - 2 رسم المحورين المتعامدين من نقطة االصل فالمحور االفقي يمثل ب )x x-axis ) والمحور العمودي عليه يمثل ب ( y ) y-axis الحظ الشكل 1-1(.) - 3 يتم اختيار مقياس رسم مالئم لكل احداثي على حدة او شكل 1-1( ) 4-1 الرسوم البيانية Graphs لالحداثيين معا وحسب القراءات التي تم الحصول عليها لغرض االستفادة من الورقة البيانية المتوفرة لديك. - 4 يفضل استعمال االرقام الزوجية لتدريجات مقياس الرسم تطبيقات في كيفية رسم الخط البياني من تجارب عملية : سيارة تسير بانطالق ثابت وتقطع المسافات المذكورة في الجدول اآلتي باالزمان المقابلة لها. جد انطالق السيارة ب km / h بيانيا. املسافةd km t الزمن h لرسم الخط البياني للقراءات الواردة اعاله نتبع الخطوات اآلتية : 1. نحدد نقطة االصل )0 0( على الورقة البيانية ومنها يتم رسم خطين متعامدين يمثالن المحورين.)x,y( 2. يحدد مقياس الرسم لكال المحورين. 20. km ويعد كل مربع منه يمثل d( ( يمثل المسافة )y( المحور. a 11

12 شكل 2-1( ) m= y x بالمعادلة التالية : حيث ان m تمثل ميل الخط المستقيم. Slope. 0.1 h ونعتبر كل مربع منه يمثل )t( يمثل الزمن )x( b.المحور 3. يتم تحديد كل نقطة على الورقة البيانية من معرفة احداثياتها )x,y( كما في الشكل 2-1( ). 4. نرسم خطا بيانيا يمر بتلك النقاط فاذا حصلنا على خط مستقيم يمر بنقطة االصل فالمعادلة التي تربط المسافة d بالزمن t شبيه بمعادلة الخط المستقيم التي يعبر عنها v Δ Δ Δ Δ p 1 كما في الشكل )2-1(,p 2 ويمكن الحصول عليه باخذ نقطتين على الخط المستقيم مثال في هذا المثال يمثل ميل الخط المستقيم انطالق السيارة )v( ويمكن حسابه من العالقة اآلتية v= d 2 - d 1 t 2 - t 1 = m v = = = 80 km/ h التغير الطردي والتغير العكسي للكميات الفيزياي ية التغير الطردي direct proportion يقال لكمية )a( بأنها تتغير تغيرا مباشرا مع كمية اخرى )b( اذا أعتمدت الكميتان احداهما على االخرى بحيث اذا تغيرت )b( فأن )a( تتغير بالنسبة نفسها. اي ان : a 1 a 2 a 3 a = constant =... = = = b 1 b 2 b 3 b كمية ثابتة = constant فأذا رمز للتغير بالرمز α يمكن وضع هذا التغير بصورة رياضية a α b a = k b 12

13 حيث k كمية ثابتة وهي تمثل ثابت التناسب. يطلق على هذا التغير بالتناسب او التغير الطردي.direct proportion مثال 1 قطار يتحرك بانطالق ثابت )v ) وان المسافة التي يقطعها القطار )d( تتغير طرديا مع الزمن )t( الذي يستغرقه القطار لقطع تلك المسافة فاذا كانت المسافة المقطوعة في ساعتين.)400km( ما الزمن الالزم للقطار لقطع مسافة )160km ( d α t d = kt الحل : المسافة تتغير مع الزمن حيث k تمثل ثابت التناسب وهنا يمثل انطالق القطار الثابت العالقة توضح ان المسافة التي يقطعها القطار تساوي حاصل ضرب الزمن في كمية ثابتة )الكمية الثابتة في هذا المثال هو انطالق القطار( أو طريقة أخرى للحل d 1 d 2 = t 1 t 2 160km = k 2h 160km k = = 80km/h 2h وأليجاد الزمن الالزم لقطع )400km( نطبق العالقة: 160 = 400 d = k t 2 t t 2 = 160 t 2 = 5h 400 = 80t t = 400 = 5h 80 13

14 في بعض االحيان تكون الكمية الفيزيائية معتمدة على اكثر من متغير كما موضح في المثال اآلتي: مثال 2 يتغير حجم اسطوانة قائمة )V( تبعا لمربع نصف قطر قاعدتها ( 2 r( بثبوت االرتفاع )h( و يتغير حجمها تبعا لالرتفاع بثبوت نصف القطر فأذا كان نصف قطر القاعدة )14cm( واالرتفاع )10cm( يصيرحجم االسطوانة ( 3 )6160cm. جد ارتفاع االسطوانة عندما يكون حجم االسطوانة.)7cm( ونصف قطر قاعدتها )3080cm 3 ( الحل: Vα r 2 )بثبوت االرتفاع ) h V α h )بثبوت نصف القطر r( V α r 2 h V = k r 2 h حيث k تمثل ثابت التناسب تجد قيمة k بالتعويض 6160cm 3 = k 14cm 14cm 10cm k = = = π فثابت التناسب k هو النسبة الثابتة وهذا معناه ان حجم االسطوانة = مساحة القاعدة االرتفاع V = π r 2 h cm 3 = 22 7 (7cm) 2 h ارتفاع االسطوانة h=20cm 14

15 التغير العكسي Inverse proportion يقال لكمية a انها تتغير عكسيا تبعا لكمية اخرى b عندما تتغير طرديا بصورة مباشرة مع مقلوب الكمية b. وميكن كتابتها بصيغة رياضية a α 1 b a = k 1 حيث k متثل ثابت التناسب b ولتوضيح ذلك نشتق معادلة الغاز املثالي من خالل املثال اآلتي : مثال لقد وجد عمليا ان حجم كتلة معينة من غاز )V( يتغير طرديا مع درجة احلرارة املطلقة Charle s law وهذا هو قانون شارل )P( عند ثبوت الضغط absolute temperature T) ( (بثبوت الضغط V α T (P وان حجم كتلة معينة من غاز )V( تتغير عكسيا مع الضغط املسلط عليها) P ( عند بقاء درجة احلرارة ثابتة) T ( وهذا هو قانون بويل Boyl's law (بثبوت درجة احلرارة Vα p/1 T) وعند تغيير كال من درجة احلرارة والضغط فان احلجم يتغير وفق العالقة اآلتية V α T/p V= k T / p pv = kt = nrt pv= nrt حيث k ثابت التناسب وهو يساوي الى nr حيث R هو الثابت العام للغازات 1- k. R=8.314J.mol 1- و n عدد موالت الغاز. تذكر - العالقة اآلتية : y=2x فان y تتغري مع x تغريا خطيا طرديا والخط البياين املستقيم مير من نقطة االصل. - العالقة اآلتية y=2x+a فان y تتغري مع x تغريا خطيا طرديا والخط البياين املستقيم ال مير من نقطة االصل عندما 0 a 15

16 1 اختر العبارة الصحيحة لكل مما يأتي: - 1 الزاوية نصف القطرية radian( (هي الزاوية المركزية المقابلة لقوس طوله : a- نصف قطر الدائرة. b- قطر الدائرة. c- نصف محيط الدائرة. d- محيط الدائرة. - 2 محيط الدائرة يقابل : -π a من الزوايا نصف القطرية -2π b من الزوايا نصف قطرية -3π c من الزوايا نصف القطرية d- زاوية نصف قطرية واحدة - 3 مساحة الكرة السطحية تقابل : π 2π 3π Sr 4π Sr Sr Sr -a -b -c -d - 4 احدى الكميات الفيزيائية االتية تقاس بوحدة االمبير a- فرق الجهد الكهربائي. b- المقاومة. c- التيار الكهربائي. d- القدرة الكهربائية. 16

17 1-5 الملمتر المربع يساوي : 10-2 m 2 -a 10-6 m 2 -b 10-4 m m 2-6 اذا تغيرت x طرديا تبعا ل y وكانت 8=x عندما 15=y فأن مقدار x عندما 10=y هو: 7-7 اذا تغيرت x عكسيا مع y فاذا كانت 7=x عندما 3=y فان مقدار x عندما = y 3 تساوي: - 8 الزاوية نصف القطرية التي مقدارها 1rad تقابل زاوية قياسها يساوي : π 90 π 1 -c -d -a -b -c -d -a -b -c -d -a -b -c -d 17

18 1-9 ان مقدار العدد )5( المرفوع لالس صفر ( 0 5( يساوي : 5 -a b- صفر 1 -c d- ما النهاية - 10 اذا كانت العالقة الرياضية التي تربط المتغيرين x,y هي y=2x+5 فان y تتغير تغيرا : a- خطيا طرديا مع x ويمر بنقطة االصل. x عكسيا مع b- c- خطيا طرديا مع x اليمر بنقطة االصل. x غير خطي مع d اذا كانت العالقة الرياضية التي تربط المتغيرين x,y هي y=mx فان y تتغير تغيرا a- خطيا طرديا مع x اليمر بنقطة االصل. x عكسيا مع b- x غير خطي مع c- d- خطيا طرديا مع x ويمر بنقطة االصل. 18

19 مفردات الفصل مفهوم المرونة وقانون هوك. 2-2 االجهاد والمطاوعة. 3-2 معامل المرونة )معامل يونك(. 4-2 بعض الخصاي ص الميكانيكية للمواد الصلبة. الخصاي ص الميكانيكية للمادة 19

20 االغراض السلوكية ينبغي للطالب ان يكون قادرا على ان : 1. يتعرف على مفهوم المرونة وقانون هوك واالجهاد والمطاوعة النسبية. 2. يعرف حد المرونة. 3. يكتسب مهارة الرسوم البيانية. 4. يقارن بين مرونة المواد المختلفة. 5. يبين اهمية معامل يونك للمواد المختلفة وتطبيقاتها. 6. يتعرف على بعض الخواص الميكانيكية للمواد الصلبة كالهشاشة العجز )او الفشل( الصالدة التشوه المرن والتشوه البالستيكي. المصطلحات العلمية Elasticity and Hook s Law stress Mechaincal Proprties of Matters Limit of Elasticity Toughness Tensile stress Compressive stress Shearing stress Modulus of Elasticity Elastic Deformation Plastic Deformation Longitudinal strain Shesr strain Volume strain Brittleness Failure hardness المرونة وقانون هوك االجهاد الخواص الميكانيكية للمواد حد المرونة المتانة اجهاد الشد اجهاد كبس اجهاد قص معامل المرونة التشوه المرن التشوه البالستيكي ( اللدن ) المطاوعة الطولية مطاوعة القص مطاوعة الحجم الهشاشة العجز )الفشل( الصالدة 20

21 مقدمة الخصاي ص الميكانيكية للمادة Mechanical properties of materials ان الخواص الميكانيكية للمادة ترتبط بسلوكها وذلك عند تاثير قوى خارجية فيها. ومن المعلوم ان للمادة ثالث حاالت هي الصلبة والسائلة والغازية,على وفق القوى الجزيئية والطاقة الحركية للجزيئات والمسافات البينية بينها. كما توجد حالة اخرى للمادة تسمى البالزما وان الغازات ال تحتفظ بشكلها وال بحجمها ثابتا عند تاثير قوى خارجية فيها اما المواد السائلة فتحتفظ بحجمها ثابتا بينما ال تحتفظ بشكلها. و ان تاثير القوى الخارجية في المواد الصلبة يسبب حدوث تشوه )Deformation( فيها أي يحصل تغيير في شكلها ويعتمد هذا التشوه على عوامل عدة من اهمها: 1- مقدار القوة الخارجية المؤثرة في الجسم. 2- ابعاد الجسم. 3- المادة المصنوعة منها. لدراسة الخواص الميكانيكية للمواد اهمية كبيرة لما لها من دور فعال في التطور التكنولوجي حيث يتم تصنيع مواد صناعية جديدة غير موجودة في الطبيعة كااللياف الصناعية والتي تمتاز بتحملها الجهادات عالية بالرغم من خفة وزنها.لذا فتحت االفاق لتطبيقات صناعية وانشائية واسعة مثل : 1- التطبيقات الصناعية : كصناعة علب الغاز المضغوط واالطارات وهياكل وسائط النقل خاصة هياكل واجنحة الطائرات فضال عن الصناعات االنشائية المختلفة واالدوات الرياضية. 2- التطبيقات الفضائية : كتصنيع اجزاء كثيرة من الصواريخ والمركبات الفضائية وخزانات الوقود. 1-2 مفهوم المرونة وقانون هوك F = K L L 2L أذا سحبت حبل من المطاط بقوة من طرفيه فأنه يقاوم المط ولكن طوله يتمدد متأثرا بالقوة. عند تركه يرجع الى طوله االصلي وأذا علق سلك من الفوالذ من احد طرفيه وعلق في طرفه السائب ثقل فأنه يستطيل قليال بعد فترة من الزمن فاذا زال الثقل عاد السلك الى طوله االصلي. شكل 1-2( ) 21

22 و تفسير ذلك: ان السلك الذي يعلق به ثقل ما يقاوم هذه القوه الخارجية المؤثره فيه بقوه منشؤها قوى التجاذب الجزيئي بين جزيئات المادة نفسها التي تظهر نتيجة حدوث التغيير في شكل الجسم أو طوله وهذه القوى الجزيئية تحاول أعادة الجسم الى حالته االصلية بعد زوال القوى المؤثرة الحظ الشكل ( 1-2 ).أذاك بس غاز أو سائل فأنهما يقاومان تغيير حجمهما )السائل يقاوم اكثر( فأذا زال الضغط عنهما رجعا الى حجمهما االصلي. وقد وجد العالم روبرت هوك العالقة بين القوة المؤثرة في سلك ومقدار التغير الحاصل في طوله) ) Hooks law ولبيان مفهوم هذه العالقة نجري النشاط التالي : مفهوم المرونة ادوات النشاط : نابض حلزوني اثقال متساوية مقدار كل منها 0.1N حامل حديد مسطرة مدرجة ورقة. الخطوات : رتب االدوات كما في الشكل ( 2-2 ) نعلق النابض الحلزوني شاقوليا بحامل الحديد ونؤشر على الحلقة االخيرة السفلى منه على ورقة خلف النابض نعلق ثقل مقداره 0.1N ونسجل الزيادة الحاصلة في طول النابض نعلق ثقل اخر ليصير المقدار الكلي للثقل المعلق N نالحظ ان الزيادة في طول النابض تصبح ضعف الزيادة السابقة الحظ الشكل ( 3-2 ) نكرر العملية باستعمال اثقال عدة وبالتتابع شكل ( 3-2 ) 22

23 ندرج القراءات التي حصلنا عليها كما موضحة في الجدول ( 1 ). القوة) N ( F الجدول ( 1 ) الزيادة الحاصلة في الطول Δ L X10-2 m نرسم العالقة البيانية بين مقدار االثقال والزيادة الحاصلة في طول النابض ( االستطالة ) على ورقة رسم بياني ( على فرض اهمال كتلة النابض(.نحصل على عالقة خطية بيانية بين االثقال واالستطالة كما في الشكل )4-2 ).نستنتج من هذا الشكل ان الزيادة الحاصلة في طول النابض تتناسب طرديا مع قوة الشد ضمن حدود المرونة أي ان : قوة الشد = ثابت مرونة النابض االستطالة شكل ( 4-2 ) F = k L حيث ان : : F هي قوة الشد ( force ) Tensile التي سببت استطالة النابض. L : مقدار االستطالة : k ثابت مرونة النابض وقيمته تمثل ميل الخط المستقيم ويقاس بوحدة N / m وتكون قيمته ثابتة التتغير اال بتغير شكل النابض او المادة المصنوع منها.ونالحظ من هذا النشاط ان النابض 23 يعود الى وضعه السابق فور زوال القوة.

24 وبذلك نستطيع القول ان : المرونة هي االعاقة التي يبديها الجسم للقوة المغيرة لشكله او حجمه او طوله مع رجوعه الى وضعه السابق بعد زوال ذلك المؤثر. ويتصف الجسم المرن بما ياتي : يعود الى شكله او حجمه او طوله السابق بعد زوال تاثير القوة عنه. يتناسب التشوه الحاصل فيه تناسبا خطيا مع القوة المسببة له ضمن حدود المرونة. حد المرونة : حد المرونة: هو الحد الذي اذا اجتازته القوة المؤثرة اليعود الجسم الى ماكان عليه بعد زوال تلك القوة لذا يقال عن هذا الجسم انه حدث فيه تشوه دائمي Deformation(.)Permanent 2-2 االجهاد والمطاوعة Stress and Strain يعبر عن االجهاد بانه:مقدار القوةالعمودية المؤثرة في وحدة المساحة من الجسم. فلو اثرت قوة في الجسم محدثة فيه تشوه)تغيرا في الشكل اوالحجم او كليهما ) عندئذ يقال ان الجسم قد تعرض الى اجهاد ويقاس االجهاد بوحدات N. / m 2 تختلف االجهادات في المواد التي تؤثر فيها القوة في الجسم وفيما يلي بعض انواع االجهاد: 1- االجهاد الطولي : وهو االجهاد الذي يسبب تشوها في طول الجسم كما هو الحال للنابض الذي مر ذكره في النشاط السابق ويكون هذا االجهاد على نوعين هما: - a اجهاد الشد Tensile stress وهو االجهاد الذي يسبب تشوها في طول الجسم عندما تؤثر قوتا شد عموديا في سطحين متقابلين يؤدي بالنتيجة الى زيادة في الطول)استطالة(. الحظ الشكل ( 5-2( شكل ( 5-2 ) 24

25 Compressive stress اجهاد الكبس - b عندما تؤثر قوتان بصورة عمودية في الجسم باتجاه الداخل فتسبب له انضغاطا)نقصان في الطول( الحظ الشكل )6-2( شكل ( 6-2 ) ويمكن تعريف االجهاد الطولي من خالل العالقة الرياضية االتية: االجهاد الطولي = المركبة العمودية للقوة المؤثرة في السطح مساحة السطح الذي تؤثر فيه القوة -2 أجهاد القص stress( )Shear اذا وضعت يدك على كتاب موضوع على سطح منضدة خشنةودفعته بقوة مماسية لسطحه نالحظ حدوث تشوه في شكل الكتاب الحظ الشكل )7-2 (. ويمكن تعريف اجهاد القص من خالل العالقة الرياضية االتية: شكل ( 7-2 ) ا جهاد القص = مركبة القوة المماسية للسطح مساحة السطح الذي تؤثر فيه القوة المطاوعة Strain تعرف المطاوعة بانها مقياس لمقدار تشوه المادة)تغيرا في الشكل او الحجم( نتيجة االجهاد الذي تعرضت له. وان نوع المطاوعة يتوقف على نوع االجهاد الذي يتعرض له وانواع المطاوعة هي: 25

26 -1 المطاوعة الطولية Longitudinal strain عند استطالة الجسم او انضغاطه يتغير شكله من غير تغير في حجمه الحظ الشكل) 8-2 ( Δ L بمقدار L o اذ يتغير الطول االصلي لذا تعرف المطاوعة الطولية على النحو االتي: التغير في الطول المطاوعة الطولية النسبية = الطول االصلي ΔL = شكل ( 8-2 ) -2 مطاوعة القص Shear strain تكون استجابة الجسم عند تعرضه الجهاد قص على شكل ازاحة جانبية الحظ الشكل )9-2( فيتشوه شكل الجسم واليتغير حجمه.وتقاس مطاوعة القص بمقدار الزاوية ) ө (التي ينحرف بها سطحا الجسم الشاقوليان المتقابالن المؤثرة فيهما القوة )F(. L o شكل ( 9-2 ) V -3 مطاوعة الحجم Volume strain تنتج من تعرض الجسم باكمله الى انضغاط فان حجمه سيقل مع ثبوت شكله الحظ الشكل )10-2( ويمكن التعبير عنها كما يلي : شكل ( 10-2 ) V - V V o التغير في الحجم المطاوعة الحجمية النسبية = الحجم االصلي Δ V = V 26

27 3-2 معامل المرونة)معامل يونك ) Young modulus ان النسبة بين االجهاد والمطاوعة النسبية يدعى معامل المرونة او معامل يونك ويعطى بالعالقة االتية: االجهاد معامل يونك = المطاوعة النسبية Y = F / A ΔL / L o in حيث ان : F هي القوة المسلطة على الجسم A مساحة المقطع العرضي L o الطول االصلي ΔL مقدار الزيادة الحاصلة في الطول و يقاس معامل يونك )Y( بوحدات : N / m 2 وان النسبة )االجهاد \ المطاوعة( صفة مميزة للمواد الصلبة. والجدول) ) 2 يمثل القيم لمعامل يونك لمواد مختلفة. الجدول) ) 2 قيم معامل يونك لمواد مختلفة املادة معامل يونك) )N/m )25-30( املنيوم رصاص نحاس املاس الذهب تنكستن فوالذ اخلرسانة الزجاج 27

28 مثال سلك فوالذي طوله 4m ومساحة مقطعه 0.05cm 2 مامقدار الزيادة الحاصلة في طوله اذا سحب بقوة 500N معامل يونك للفوالذ 10 9 N m/ الحل: االجهاد معامل يونك = المطاوعة النسبية F/A Y = ΔL/L o Y = F.L o A.ΔL ΔL = مقدار الزيادة الحاصلة في طوله F.L o Y.A ΔL = ΔL = m=2mm الجدول ( )3 االستطالةΔL mm سؤال قامت مجموعة من الطلبة بتجربة لتحديد معامل يونك لسلك من مادة معينة فحصلوا على النتائج المبينة في الجدول ) 3 (.اذا علمت ان طول السلك) 2m ( ومساحة مقطعه فأوجد -6 m 2 1- العالقة البيانية بين القوة واستطالة السلك. 2- معامل يونك لمادة السلك بيانيا من ميل المستقيم. قوة الشد )F( 100x N بعض الخصاي ص الميكانيكية للمواد الصلبة هناك خصائص ميكانيكية عدة ينبغي ان تؤخذ بنظر االعتبار عند اختبار المواد الصلبة لتطبيقات العمل كاالجزاء المعدنية للمكائن او مواد البناء واالدوات المنزلية و غيرها. وفي ما يأتي بعض هذه الخصائص: 1- الليونة) Ductility (: خاصية المادة التي تمتاز بقابليتها على المط والكبس واللي وكذلك السحب والطرق مثل النحاس 28

29 2- الهشاشة :Brittleness صفة المادة التي تظهر عجزها عن تحمل االجهاد المفاجئ فتنكسر وال تصل الى حالة التشوه الدائمي. لذا تعرف المواد الهشة : بانها المواد التي تنكسر مباشرة بعد اجتيازها حد المرونة مثل الزجاج الحديد الصب الكونكريت 3- القساوة) Stiffness (: خاصية المادة لمقاومة التشوه الذي يحصل في شكلها او حجمها بتاثير القوى الخارجية فيها,وتحتاج الى اجهاد عالي لتوليد المطاوعة نفسها. كما تمتلك معامل يونك عالي المقدار مثل الفوالذ) steel (حيث يبلغ معامل يونك له N/m 2 4- المتانة) Toughness (: خاصية المادة لمقاومة القوة القاطعة لها اي ان : القوة القاطعة المتانة = ووحدتها N/m 2 المساحة 5..الصالدة : hardness هي خاصية المادة على خدش مواد اخرى أو مقاومتها للخدش. تقاس صالدة المادة بمقارنتها بصالدة عشر مواد مرتبة في الجدول التالي من 1 الى 10 حيث أن كل مادة في الجدول تخدش المادة االقل صالدة وتخدش المادة االعلى منها في الترتيب جدول لقياس الصالدة التصاعدي 1- التلك 2- الجبس 3- الكلسايت 4- الفلورايت 5- االبتايت 6- الفلسبار )سلكات االلمنيوم( 7 - الكوارتز 8 -التوباز 9- الياقوت 10- الماس.6 العجز ( الفشل Failure) : خاصية المادة الصلبة على فقدان قوة تحملها تحت تاثير اجهاد خارجي فكر ما الخصائص الميكانيكية التي يمتاز بها كل من المطاط والماس. 29

30 التشوه المرن والبالستيكي معظم المعادن )عدا الحديد الصلب ) تمتلك خواص تدعى بالليونة )Ductility( وان قابلية التشوه الدائمي تصلها بعد حد المرونة Limit(.)Elastic ويعد النحاس من المعادن التي تتصف بهذه الصفة حيث إن السلك النحاسي ذو مساحة مقطع 1mm 2 يصل الى حد المرونة عندما يتعرض إلى قوة شد تبلغ 150N حيث انه الينقطع قبل ان تصل قوة الشد المؤثرة فيه إلى ضعفها. في المنحني الموضح في الشكل ) 11-2 (االستطالة لساق حديد كدالة لالجهاد فالجزء المستقيم من الخط البياني يخضع لقانون هوك )استجابة خطية( حيث يحصل تشوه مرن. وعند تجاوز حد المرونة فان الشكل يتسطح وهذا يعني ان اي زيادة في قوة الشد فيه تنتج زيادة اكبر نسبيا في الطول مقارنة بالزيادة الحاصلة قبل بلوغ حد المرونة) استجابة ال خطية( فاذا زادت قوة الشد عن حد المرونة تحصل زيادة دائمية في طوله لذا يقال انه حصل فيه تشوه بالستيكي Deformation(.)Plastic علما ان اقصى طول للساق يحصل عند اعظم قوة شد يتحمله فاذا زاد عن هذا الشد سبب االنقطاع وهذا يتضح في اعلى نقطة على المنحني الحظ الشكل ( 11-2 (. هل تعلم 1 -بداية القطع ( الكسر ) يظهر في سطح المادة في المناطق ذات المتانة القليلة والتي تظهرفيها التشققات كونها تمتلك عجز في تركيبها البلوري 2 -مقاومة المادة الهشة تزداد بالضغط فمثال عند عمق 10 كم في القشرة االرضية تصبح الصخور اقل احتماال للتكسر واكثر احتمالية لتشوه المط 3 -لتجنب كسر الزجاج ( او امتصاص نمو الكسر ) تؤخذ صفيحتان من الزجاج مفصولتان بطبقة من مادة بولي فنايل بيوترال والتي تعمل كماصة لنمو التكسر التشوه البالستيكي )اللدن ) التشوه المرن Deformation( :)Elastic الزيادة المؤقتة الحاصلة في طول الجسم او شكله ضمن حدود المرونة فهو يخضع لقانون هوك بحيث يعود الجسم الى وضعه االصلي بعد زوال القوه المؤثرة. شكل ( 11-2 ) التشوه البالستيكي) اللدن Deformation() :)Plastic الزيادة الدائمة الحاصلة في طول الجسم او شكله خارج حدود المرونة بحيث اليعود الجسم الى وضعه االصلي بعد زوال القوة المؤثرة فهوال يخضع لقانون هوك. 30

31 2 س 1 - أختر الجواب الصحيح لكل مما يلي : 1- خاصية المادة التي تجعل النابض يستعيد طوله االصلي بعد سحبه قليال وتركه تسمى: a- الهشاشة b- الليونة c- القساوة d- المرونة 2 -مرونة الفوالذ اكبر من مرونة المطاط بسبب : a- الفوالذ يحتاج قوة شد اوكبس كبيرة b- المطاط يحتاج قوة شد اوكبس كبيرة c- معامل مرونة الفوالذ صغيرة d- معامل مرونة الفوالذ كبيرة 3- ينطبق قانون هوك على المواد الصلبة في حدود : a- المتانة b- العجزالهندسي c- المرونة d- اجهاد القص 4 -المواد التي اليمكن زيادة طولها اال باجهاد عالي وضمن حدود مرونتها تسمى مواد : b- عالية المرونة a -هشة d- قابلة للطرق c- غير المرنة 5- عندما تؤثر قوة في جسم فان االجهاد الطولي فيه يساوي : b- القوة العمودية المؤثرة لوحدة ألمساحة a- التغير النسبي في ابعاده d- حد المرونة c- معامل يونك 6- إجهاد القص العامل على جسم يؤثر في : a- طوله b- عرضه c- حجمه d- شكله 7- اإلجهاد المؤثر في سلك شاقولي معلق به ثقل اليعتمد على : a- طول السلك b- قطر السلك c- كتلة الثقل d- تعجيل الجاذبية 31

32 2 8- x y سلكان مصنوعان من ماده واحدة ولكن طول السلك Xنصف طول السلك Yبينما قطره ضعف قطر السلك Y فاذا استطاال بالمقدار نفسه لذا فالقوة المؤثرة على السلك x تساوي : Y ضعف مما على b- Y نصف القوة على a- Y ثمانية أمثال مما على d- Y أربع أمثال مما على c- 9- الزيادة الحاصلة في طول الجسم او شكله خارج حدود المرونة تسمى : a- تشوه مؤقت - b تشوه دائمي c- تتناسب طرديا مع القوة المؤثرة d- تتناسب مع القوة المؤثرة 10- عندما تؤثر على جسم قوتا سحب متساويتان في المقدار ومتعاكسان في االتجاه وعلى خط فعل واحد يقال ان الجسم واقع تحت تاثير : a- شد b- كبس c- اجهاد طولي d- قص س 2 - إذا كانت القوة الالزمة لقطع سلك معين هي F فما مقدار القوة الالزمة لقطع : a- سلكين منطبقين من النوع نفسه. b- سلكين من النوع نفسه قطر السلك الثاني ضعف قطر السلك االول وايهما اكثر متانة c- سلكين من النوع نفسه طول السلك الثاني ضعف طول السلك االول. الجواب: c.f a.2f, b.4f, س 3 - ما العوامل التي تحدد مقدار ونوع التشوه الذي يحصل في المادة الصلبة س 4 - ما المقصود بثابت مرونة النابض وما وحدة قياسه وعالم يتوقف مقداره س 5 - ما نوع المطاوعة النسبية والتي يعبر عنها ب :- a- نسبة التغير في الطول الى الطول االصلي. b- نسبة التغير في الحجم الى الحجم االصلي. c- مقدار الزاوية التي ينحرف بها سطحا الجسم المتقابالن المؤثرة فيهما قوتان بموازاتهما. 32

33 2 س 1 - اثر إجهاد توتري مقداره 10 6 N/m 2 20 في سلك معدني مساحة مقطعه العرضي 1.5 mm 2 ما القوة المؤثرة فيه ج/ ( 30N )F= س 2 - ما الزيادة الحاصلة في طول سلك من الفوالذ طوله) 2m ( وقطره) 1mm ( ج/ ( L=0.01m( اذا علقت في نهايته كتلة 8kg معتبرا. g = 10m/s 2 س 3 - سلك نصف قطر مقطعه العرضي ( )0.5mm وطوله )120cm( معلق شاقوليا ما القوة العمودية الالزمة لتسليطها على طرفه السفلي كي يصبح طوله )121.2cm( علما ان معامل يونك لمادة السلك ( 2 ) N/m. ج/ N( )F=11 س 4 - سلكان متماثالن طول احدهما )125cm( واآلخر) 375cm ( فاذا قطع السلك االول بتاثير قوه مقدارها )489N( ما القوه الالزمة لقطع السلك الثاني ج/ N( )F=489 س 5 - ساق طوله )0.4m( ضغط فقصر طوله) 0.05m ( ما المطاوعة النسبية له ج / )0.125( س 6 سلك من البرونز طوله )2.5m( ومساحة مقطعه العرضي ( cm 1( سحب فاستطال ملمتر واحد بتعليق جسم )0.4kg( أحسب معامل يونك للمعدن اعتبر التعجيل االرضي.10N / kg ج / 2 Y=10 11 N / m 33

34 مفردات الفصل الماي ع. 2-3 ضغط الماي ع. 3-3 قياس الضغط الجوي. 4-3 مبدأ باسكال. 5-3 مبدأ ارخميدس. 6-3 الشد السطحي. 7-3 الخاصية الشعرية. 8-3 الخواص الميكانيكية للمواي ع المتحركة. 9-3 معادلة االستمرارية في المواي ع معادلة برنولي تطبيقات معادلة برنولي اللزوجة. المواي ع 34

35 االغراض السلوكية ينبغي للطالب ان يكون قادرا على ان : 1. يتعرف على صفات المائع )سائل غاز( 2. يعرف ضغط المائع. 3. يذكر القانون الرياضي لضغط المائع. 4. يعرف كيفية قياس الضغط الجوي. 5. يذكر مبدأ باسكال. 6. يعدد بعض التطبيقات العملية لمبدأ باسكال. 7. يعرف مبدأ ارخميدس. 8. يعرف مفهوم الشد السطحي. 9. يقارن بين قوة التماسك وقوة التالصق. 10. يحدد العالقة بين كثافة المائع وطفو االجسام. 11. يعرف الخاصية الشعرية. 12. يعدد مميزات المائع المثالي. 13. يذكر معادلة برنولي. 14. يذكر بعض التطبيقات العملية على قاعدة برنولي. Static fluids Fluid Archimede s principle Surface tension Capillary property Continuity equation Bernoulli s equation Application of Bernoulli s equation Atomizer Lift force Viscosity الموائع الساكنة المائع مبدأ ارخميدس الشد السطحي الخاصية الشعرية معادلة االستمرارية معادلة برنولي تطبيقات معادلة برنولي المرذاذ قوة الرفع اللزوجة المصطلحات العلمية 35

36 المواي ع الساكنة static fluid سنحاول دراسة الخواص الميكانيكية للموائع في حالة السكون)أي في حالة التوازن( وينبغي ان يكون واضحا ان المائع عندما يكون في حالة السكون فان الجزيئات التي يتكون منها المائع تكون في حالة حركة مستمرة عشوائية دائما. 1-3 الماي ع Fluid يقصد بالمائع بانه المادة التي فيها قوى التماسك ضعيفة وغير قادرة على حفظ شكل معين للمادة لذا تتحرك الجزيئات وتاخذ المادة شكل الوعاء الذي توضع فيه وينطبق هذا التعريف على السوائل والغازات. وهي سهلة االستجابة للقوى الخارجية التي تحاول تغيير شكلها. والموائع لها دورا حيوي في حياتنا فنحن نتنفسها ونسبح خاللها وتدور في اجسامنا في االوردة والشرايين وتتحكم باحوالنا المناخية وتطفو السفن على سطحها وتطير فيها الطائرات وتغوص فيها الغواصات الحظ الشكل ( 1-3 (. هل تعلم الزئبق هو المعدن الذي يوجد في الحالة السائلة ضمن درجة حرارة الغرفة ويعد مائعا شكل ( 1-3 ) 36

37 2-3 ضغط الماي ع لقد درست سابقا بان ضغط المائع ( سائل او غاز ) هو القوة المؤثرة عموديا في وحدة المساحات ويمكننا التعبير عن ذلك رياضيا كاألتي: القوة المسلطة عموديا الضغط = المساحة Force = Pressure Area F = P A حيث ان P هو الضغط وان F هو القوة المؤثرة عموديا في المساحة A والوحدات الشائعة لقياس الضغط هي N/m 2 ويطلق على هذه الوحدة باسكال )Pascal(. فاذا اثرت قوة عمودية مقدارها )1N( في مساحة مقدارها ( 2 1m( فان الضغط الناتج منها يساوي 1Pa( ( وهذا هو تعريف الباسكال ولحساب مقدار الضغط P في أية نقطة داخل السائل نتصور المساحة األفقية A على عمق h من سطح السائل كما هو مبين في الشكل) 2-3 ). ان القوة المؤثرة عموديا في المساحة A هي وزن عمود السائل الذي ارتفاعه h ومساحة مقطعه العرضي A واذا اعتبرنا السائل غير قابل لالنكباس فان كثافته ρ تبقى ثابتة. شكل ( 2-3 ) 37

38 وعليه فان وزن عمود السائل يمثل القوة العمودية المؤثرة في المساحة أي ان: F= ρ gha حيث g هو التعجيل األرضي وان ضغط السائل على عمق h هو P h = F A = ρ gha A ضغط السائل = كثافة السائل التعجيل االرضي العمق P h = ρ gh p o مثال الذي يتعرض له أي سائل موجود في واذا كان هناك ضغط على سطح السائل كالضغط الجوي وعاء مفتوح الحظ الشكل )3-3( فعندئذ يجب ان يضاف الضغط الجوي الى ضغط السائل للحصول على الضغط الكلي p عند نقطة داخل السائل. أي ان : p o الضغط الجوي الضغط الكلي = الضغط الجوي + ضغط السائل نقطة داخل السائل p h سائل كثافته ρ P= P 0 +P h تذكر شكل ( 3-3 ) P= P 0 + ρ gh ان للسائل صفتني هام عدم قابليته لالنكباس وسهولة انزالق جزيئاته عىل بعضها متكنه من تسليط قوة عىل جدران الوعاء الذي يحويه وكذلك قوة نحو االعىل. لذلك فان ضغط السائل اليؤثر اىل االسفل فقط بل يؤثر يف جميع االتجاهات. 38

39 ان هذا الضغط ينتج عنه قوة مقدارها ( Pa ) وهذه القوة تكون نفسها في جميع االتجاهات على عمق h من سطح السائل فمثلما تؤثر هذه القوة نحو االسفل هناك قوة مساوية لها بالمقدار تؤثر نحو االعلى. الحظ الشكل ( 4-3 ) مثال شكل 4-3( ) احسب الضغط المتولد من قبل الماء على غواص على عمق 20m تحت سطح الماء علما ان كثافة الماء 1000 kg\ m 3 بوحدة. N/m 2 الحل : الضغط = كثافة السائل التعجيل االرضي العمق P= ρgh p = ) 1000 kg / m 3 ( )9.8 m/s 2 ( )20m( p = N/m قياس الضغط الجوي شكل ( 5-3 ) سبق لنا ان عرفنا ان للهواء الجوي ضغطا وهو وزن عمود الهواء المسلط عموديا على وحدة المساحة من السطح. و يقاس الضغط الجوي بجهاز المرواز )البارومتر( الذي صممه العالم تورشلي الحظ الشكل )5-3 ). وهو انبوبة زجاج مدرجة طولها متر واحد مفتوحة من احد طرفيها تمأل تماما بالزئبق ثم تنكس فوهتها في حوض فيه زئبق.تالحظ استقرار الزئبق في االنبوب على ارتفاع معين اعلى من مستواه في الحوض تاركا فراغا في اعلى االنبوبة. 39

40 ومن النتائج التي توصل اليها تورشيلي ان الضغط الجوي يتزن مع ضغط عمود الزئبق في النقاط التي تقع على مستوي افقي واحد وهو مستوى سطح الزئبق في االناء الخارجي ويعادل ارتفاع عمود من الزئبق 76 cm عند سطح البحر وبدرجة حرارة صفر سيليزي وان طول هذا العمود يتغير بتغير ارتفاع منطقة اجراء التجربة عن مستوى سطح البحر. مثال هل تعلم احد التطبيقات البسيطة للفيزياءفي الطب هو جهاز ضغط الدم وهو عبارة عن مانوميتر زئبقي مع بعض االضافات بحيث يقوم الطبيب بلف الرباط حول ذراع المريض )الحظ الشكل اعاله (ويدفع الهواء داخل الرباط بوساطة المضخة اليدوية ومع استعمال السماعة الطبية حيث يصبح ضغط الهواء اعلى من ضغط الدم فال تسمع نبضات القلب. يقوم الطبيب بفتح الصمام فيخرج الهواء من الرباط فتسمع نبضات القلب. ويقيس الضغط االنقباضي) systolic ( الذي هو حوالي 120 مليمتر زئبق وعند توقف سماع النبضات يقيس مايسمى بالضغط االنبساطي )diastolic( الذي هوحوالي 80 مليمتر زئبق ( للشخص الطبيعي( ماطول عمود الماء الالزم لمعادلة الضغط الجوي حيث ارتفاع عمود الزئبق يساوي) 76cm ) علما ان كثافة الماء 1000kg/mوكثافة 3 الزئبق تساوي kg/m 3 الحل : ضغط عمود الماء = ضغط عمود الزئبق حيث:- water = w )ماء( mercury = m )زئبق( ρ m gh m = ρ w gh w = h w h w ارتفاع عمود الماء 10.33m= = 40

41

42 مثال احسب القوة الالزمة لرفع سيارة كتلتها 3000 kg الحظ الشكل المجاور باستعمال الرافعة الزيتية المستعملة في محطات الغسل والتشحيم علما ان مساحة مقطع االسطوانة الصغيرة ( 2 ) 15cm ومساحة مقطع االسطوانة الكبيرة ( 2 )2000 cm على فرض ان. g = 10m / s 2 الحل : F 2 = mg =3000x10 =30000 N F 1 A 1 F 2 = A 2 F 2 = F 1 x A 2 A 1 F 1 x2000cm 2 = 30000N 15cm 2 F 1 القوة المسلطة على المكبس الصغير 225N= 5-3 مبدأ ارخميدس Archimede s Principle من المشاهدات المألوفة في حياتنا ان بعض األجسام تطفو في السوائل كالزورق على سطح الماء ومنها تطفو في الهواء كالبالون المعلق في الجو.ان ذلك يشير بوضوح الى وجود قوة متجهه نحو األعلى يسلطها المائع على األجسام الطافية او المغمورة فيه تسمى )قوة الطفو(. اول من اكتشف هذه الظاهرة هو العالم اليوناني ارخميدس وقد وضع قاعدته المشهورة التي تنص على ما يا تي : 42

43 شكل ( 8-3 ) مبدأ ارخميدس: اذا غمر جسم جزئيا او كليا في مائع فانه يفقد من وزنه بقدر وزن المائع المزاح. ولمعرفة قوة الطفو وكيف تنشأ هذه القوة لنفترض ان جسم صلب مكعب الشكل غمر تماما في مائع كثافته ρ ومعلقا بميزان حلزوني.الحظ الشكل) 8-3(. بما ان الجسم مغمور كليا في المائع فان وزن السائل المزاح ( الذي يمثل قوة الطفو( يساوي حجم الجسم المغمور )ha( مضروبا في كثافة السائل الوزنية )g ) ρ. قوة الطفو = حجم الجسم المغمور كثافة السائل الوزنية F B = ρ gha حيث : h : هو ارتفاع الجسم : A مساحة القاعدة للجسم 9.8 m / التعجيل االرضي ويساوي s 2 : g.)buoyant force( قوة الطفو : F B و المعادلة اعاله تمثل قاعدة ارخميدس اذ يمثل الطرف االيسر قوة الطفو والطرف االيمن يمثل وزن المائع المزاح أي ان : قوة الطفو على جسم مغمور في مائع = وزن المائع المزاح وبذلك نستطيع القول ان أي جسم عندما يغمر في مائع تؤثر فيه قوتان هما : - 1 وزنه ( mg ) ويكون متجها عموديا نحو االسفل ( F B وزن المائع المزاح ) تكون متجها عموديا نحو االعلى. - 2 قوة الطفو 43

44 وباالستعانة بالشكل) c-b-a()9-3 ) الذي ميثل جسما وضع في سوائل مختلفة : ياتي: b كثافة الجسم = كثافة السائل الجسم معلق داخل السائل وفي حالة توازن الشكل) 9-3 ) مما تقدم يتضح انه يمكن صياغة قاعدة ارخميدس لالجسام المغمورة في سائل كليا او جزئيا كما )a( : بالنسبة لالجسام المغمورة كليا في سائل:من مالحظة الشكل )10-3( قوة الطفو للسائل = وزن السائل المزاح وزن الجسم في الهواء وزن الجسم في السائل = وزن السائل المزاح a وزن الجسم في الهواء وزن الجسم في السائل = حجم السائل المزاح x كثافة السائل الوزنية Weight of displaced liquid = Weight in air _ Weight in liquid Weight in air _ Weight in liquid = Volume(V) x density( ρ) x g = Vρg كثافة الجسم اكبر من كثافة السائل الجسم يغطس في السائل الى القعر ) F B > mg ) ) F B = mg ) c كثافة الجسم اصغر من كثافة السائل ) F B > mg ) الجسم كتلة الماء المزاح = كثافة الماء حجم الماء المزاح وزن الجسم في السائل وزن الجسم في الهواء B )a) الشكل) 10-3 ( 44 )b)

45 ( b ) : بالنسبة لالجسام المغمورة جزئيا في سائل ( االجسام الطافية ) : وزن الجسم الطافي في السائل = صفر وزن الجسم الطافي في الهواء صفر = وزن السائل المزاح )ρ w w( body = حجم الجزء المغمور) V ( كثافة السائل الوزنية) وزن الجسم الطافي ( ρ w هي وزن وحدة الحجوم اي ان : ρ ww w = vv W body = V x ρ m x g علما ان : الكثافة الوزنية للجسم x حجم الجسم= الكثافةالوزنية للماء x حجم الجزء الغاطس مثال 1 تذكر *اذاكانت كثافة املائع اكرب من كثافة الجسم فان الجسم يطفو عىل سطح املائع. *اذا كانت كثافة الجسم اكرب من كثافة املائع فان الجسم يغطس كليا يف املائع. *اذا كانت كثافة املائع تساوي كثافة الجسم فانه سيبقى معلقا يف حالة توازن داخل املائع. جسم يزن في الهواء ( 5N ) ويزن.4 55N عند غمره تماما في الماء. احسب حجم الجسم علما ان كثافة الماء تساوي 1000 kg m/ 3 وان التعجيل االرضي يساوي N g = 10 kg الحل: وزن الجسم في الهواء وزن الجسم في الماء = حجم الجسم x الكثافة الوزنية للماء W in air - W in water =Volume(V)x density(ρ)x g = Vx1000x = V حجم الجسم V = 0.45x10-4 m 3 45

46 مثال 2 مكعب من الخشب طول حرفه 10cm وكثافته الوزنية 7840 N / m 3 يطفو في الماء. ماطول الجزء الغاطس داخل الماء نفرض ان طول الجزء الغاطس من المكعب في الماء = h الحل : وزن الجسم الطافي = وزن السائل المزاح وزن الجسم الطافي = حجم الجزء المغمور x كثافة السائل الوزنية W body = Vx( ρ m x g ( الكثافة الوزنية للجسم x حجم الجسم = الكثافة الوزنية للماء x حجم الجزء الغاطس ) ρv ( body = ( ρv ) water الكثافة الوزنية للماء = الكثافة الكتلية التعجيل االرضي N ( 9.8 ) (1000 kg / m 3 ) = 9800 kg N m x(0.1) 3 = h x (0.1) 2 x 9800 h = طول الجزء الغاطس h = 0.08m 46

47 6-3 الشد السطحي Surface Tension تتأثر الجزيئات الداخلية المكونة للسائل بقوى تجاذب متساوية في جميع االتجاهات بينما الجزيئات التي على سطح السائل فإنها تتعرض لمحصلة قوى تجذبها نحو االسفل ( داخل السائل ) األمر الذي يجعل سطح السائل يتصرف وكأنه غشاء رقيق ومرن وفي حالة توتر دائم ويعمل على تقليص المساحة السطحية للسائل إلى اقل ما يمكن الحظ الشكل )11-3 ). شكل ( 11-3 ) ويعد الشد السطحي هو السبب في حدوث بعض الظواهر الفيزيائية فمثال طفو االبرة فوق سطح الماء وسير الحشرات على سطح السائل واتخاذ قطرات الماء الساقطة شكال كرويا الحظ الشكل) 12-3 ). شكل ( 12-3 ) 47

48 7-3 الخاصية الشعرية Capillary property من المشاهد المألوفة التي تعزى للشد السطحي هي ظاهرة ارتفاع او انخفاض السائل في االنابيب الزجاجية الضيقة) الشعرية ) والتي تدعى بالخاصية الشعرية. فعندما يغمر احد نهايتي انبوبة زجاجية شعرية مفتوحة الطرفين بصورة عمودية في الماء الحظ الشكل ( a ) فان الماء يرتفع داخل االنبوبة الى مستوى اعلى من مستواه خارج األنبوبة. اما في الزئبق فيحدث العكس أي ينخفض مستواه داخل األنبوبة عن مستواه خارج االنبوبة )الحظ الشكل. ) b ( )b( شكل ( 13-3 ) )a( ويعزى ارتفاع الماء في داخل االنبوب الشعري الى تغلب قوةتالصقالماء مع الزجاج على قوة تماسك جزيئات الماء مع بعضها الحظ الشكل )14-3(. اما بالنسبة للزئبق فان قوى التماسك بين جزيئاته اكبر من قوة تالصقها مع الزجاج. شكل ( 14-3 ) 48

49 تذكر ان قوى التامسك هي قوة التجاذب بني جزيئات املادة نفسها أي جزيئات من النوع نفسه )الزئبق ) ان قوى التالصق هي قوة التجاذب بني جزيئات مختلفة ويختلف مقدارها باختالف املواد مثل التصاق املاء بالزجاج. ان للخاصية الشعرية اهمية عملية كبيرة منها : 1- ارتفاع المياه الجوفية خالل مسامات التربة وداللتها ظهور االمالح على سطح التربة. 2- ارتفاع الماء خالل جذور النباتات وسيقانها. 3- ترشيح الدم في كلية االنسان. 4- ارتفاع النفط المستعمل في فتائل المدافئ النفطية 8-3 الخواص الميكانيكية للمواي ع المتحركة ان الموائع المتحركة لها أهمية كبيرة في حياتنا اليومية كما يحدث لحركة الطائرة او الغواصة في الموائع او جريان الدم في الشرايين واألوردة او جريان الماء في األنابيب. وتتميز الموائع بقدرتها على الجريان عندما تؤثر فيها القوى حتى لو كانت صغيرة. ولوصف جريان مائع ما عند لحظة ما فانه يجب معرفة كثافته وضغطه وسرعة جريانه. ولتسهيل دراسة الموائع سنفترض ان المائع مثالي) Ideal ) fluid الذي يتصف بما يلي : مميزات المائع المثالي غير قابل لالنكباس أي ال يمكن ضغطه فكثافته تبقى ثابتة في اثناء جريانه. 2 جريانه منتظم ويعني سرعة جريان دقائق المائع عند نقطة معينة تبقى ثابتة مع الزمن في المقدار واالتجاه. 3 عديم اللزوجة تعد اللزوجة مقياسا لالحتكاك الداخلي في المائع عند جريانه لذلك نفترض لزوجةالمائع صفرا 4 غير دوراني او دوامي أي ان جريانه غير اضطرابي أي ال تتداخل خطوط جريانه فال تتكون فيه دوامات. 1 49

50 Continuity 9-3 معادلة االستمرارية في المواي ع equation in fluids عند استعمالنا لخراطيم الماء في الرش واطفاء الحرائق وغسل السيارات فاننا نالحظ انه كلما ضاق مجرى خروج الماء نحصل على سرعة تدفق كبيرة.وهذا يعني ان سرعة جريان الماء تزداد كلما ضاقت فوهة خروجه. يبين الشكل) 15-3 ) مائعا مثاليا كثافته ( ρ ) يجري خالل انبوب افقي مساحة مقطعه غيرمنتظمة A 1 ومساحة مقطعه اذ تبلغ مساحة مقطعه الكبير الضغط السرعة الضغط السرعة الضغط السرعة. A 2 الصغير شكل) 15-3 ) وفي حالة الجريان االنسيابي تتحقق معادلة االستمرارية التي تنص على ان : معدل تدفق كمية المائع من أي مقطع داخل االنبوب يبقى ثابتا. ويمكن التعبير عن معادلة استمرارية الجريان كما يأتي : )v 1 ) A 1 سرعة الجريان ( )v 2 = مساحة المقطع الكبير ( ) A 2 سرعة الجريان ( مساحة المقطع الصغير ( A 1 v 1 = A 2 v 2 حيث ان : A 1 v 1 هي سرعة المائع عند المقطع A 2 v 2 هي سرعة المائع عند المقطع وهذه العالقة صحيحة على طول االنبوبة االفقية. وهي تشير الى ان سرعة االنسياب في أي نقطة تتناسب عكسيا مع مساحة المقطع في تلك النقطة أي ان السرعة تزداد كلما ضاقت انبوبة الجريان. 50

51 يجري الماء في انبوبة افقية ذات مقطعين نصف قطر المقطع الكبير 2.5 cm بسرعة 2 m / s الى مقطعه الصغير الذي نصف قطره 1.5cm مامقدار سرعة A 1 v 1 = A 2 v 2 A 1 = π r 1 A = 7 2 A 2 = π r 2 x ) r 1 ( 2 = جريان الماء في االنبوبة الضيقة. 2 2 )2..5( 2 7 A 2 = 2 2 x )r2 ( 2 = 2 2 )1.5( مثال الحل : v 2 =2 100 v 2 = v 1 x A 1 A 2 )22 / 7( )2.5( 2 )22 / 7( )1.5( 2 v cm / s = 5.55 m / s سرعة جريان الماء في االنبوبة الضيقة 10-3 معادلة برنولي Bernoulli s equation A 1 a شكل) 16-3 ) b A 2 لقد وجد العالم برنولي ( في عام ) 1738 ان ضغط المائع يتغير بتغير سرعته.وعندما اشتق المعادله التي يطلق عليها اسمه افترض ان المائع عديم اللزوجة وغير قابل لالنضغاط ويجري جريانا انسيابيا كما موضح في الشكل ( 16-3( ولكي نحصل على العالقة الرياضية التي تربط بين الضغط ( P ) واالرتفاع ( h ) عن مستوى افقي معين وسرعة المائع المثالي ( v ). نفترض ان مائعا في انبوب مساحة مقطعه غير منتظمة ويختلف ارتفاع اجزائه عن مستوى معين. 51

52 . v 1 A 1 وسرعة المائع P 1 ومساحة مقطع االنبوبه فاذا كان ضغط المائع عند النقطه )a ) هو. v 2 A 2 وسرعة المائع P 2 ومساحة مقطع االنبوبة وان ضغط المائع عند النقطة ( b ) هو h 1 A 1 عند مستوى افقي معين هو وان ارتفاع مركز المقطع h 2 A 2 عن نفس المستوى هو وارتفاع مركز المقطع لذلك فان معادلة برنولي يمكن كتابتها بالصيغة االتية : مجموع الضغط والطاقة الحركية لوحدة الحجوم والطاقة الكامنة الوضعية لوحدة الحجوم تساوي مقدارا ثابتا في النقاط جميعها على طول مجرى المائع المثالي. P ρv ρgh1 = P ρv ρgh2 علما ان ρ هي كثافة المائع وهي ثابتة الن المائع غير قابل لالنكباس P+ 1 2 ρv2 +ρgh=constant 11-3 تطبيقات معادلة برنولي Application of Bernoulli s equation - a مقياس فنتوري ان انبوب فنتوري هو احد ابرز التطبيقات العملية لمعادلة برنولي التي يمكن بوساطته قياس سرعة مائع كثافته ρ ينساب خالل انبوب افقي مساحة مقطعه متغيرة. ويقاس فرق الضغط بين النقطتين ( )a,b بوساطة المانوميتر الزئبقي...الحظ الشكل )17-3(.ويمكن قياس سرعة المائع وذلك بمعرفة قياس فرق ) P 1 بين مقطعي االنبوب الذي يمثله - P 2 الضغط ( فرق االرتفاع ( h (في مستوى السائل المستعمل في المانوميتر. وعندئذ يكون : شكل) 17-3 ) P 1 - P 2 = ρ gh 52

53 A 1 A 2 v 1 v v 2 مثال في الشكل المجاور مقياس فنتوري فاذا كان فرق االرتفاع في فرعي المانوميتر يساوي 0.075m احسب فرق الضغط بين مقطعي مقياس فنتوري علما ان ρ للزئبق يساوي kg / m 3 الحل : P 1 - P 2 = ρ gh = (13600kg / m 3 ) x(9.8 N / kg)x (0.075m) P 1 -P 2 فرق الضغط بين مقطعي مقياس فنتوري 10 3 N / m = Atomizer المرذاذ - b ان المرذاذ بانواعه المختلفة يعمل على وفق قاعدة برنولي. فعند نفخ االنبوبة االفقية الموضحة في الشكل ( 18-3( يؤدي الى خروج تيار هواء امام فتحة االنبوبة العموديةالمغمور طرفها السفلي في P 0 المسلط P 1 داخل االنبوبة.ولكن الضغط الجوي السائل مما يؤدي الى هبوط ( تخفيف ) الضغط P( 0 فيرتفع السائل في االنبوبة العمودية الى االعلى وعندما يصل > P 1 على سطح السائل اكبر ( الى الفتحة يختلط مع تيار الهواء الذي يجري في االنبوب االفقي فيعمل على تجزئة السائل الى قطرات صغيرة جدا ( رذاذ ) ويستعمل المرذاذ في تطبيقات كثيرة منها مرذاذ المبيدات وصبغ السيارات وقناني العطر والمازج )كاربوريتر (في السيارة وغيرها. شكل) 18-3 ) 53

54 شكل) 19-3 ) قوة املقاومة ضغط اقل ضغط اكبر قوة الرفع و قوة الطفو وزن الطائرة وحمولتها قوة احملرك Airplane lift force قوة رفع الطائرة -c ان الشكل االنسيابي لجناح الطائرة عندتحركها الى االمام يؤدي الى جريان تيار الهواء بنمطين مختلفين على سطحي جناح الطائرة مما يجعله يسير بسرعة اكبرعلى السطح العلوي للجناح منه على السطح السفلي.لهذا السبب يكون الضغط على السطح االسفل اكبر مما عليه في السطح االعلى مما يؤدي الى تولد فرق في الضغط بين سطحي جناح الطائرة ونشوء قوة في االتجاه العمودي تسمى قوة الرفع حيث تساعد هذه القوة على رفع الطائرة الحظ الشكل) 19-3.) اللزوجة Viscosity ان اللزوجة في الموائع تقابل االحتكاك بين سطوح االجسام الصلبة. وتظهر اللزوجة في الموائع اثناء جريانها فالمواد التي تنساب بسهولة كالماء مثال يقال ان لزوجتها صغيرة والمواد التي التنساب بسهولة كالعسل والدبس والعصير المركز يقال ان عصير الذرة لزوجتها كبيرة شكل )a-20-3(. شكل) ) 20-3a يبين موائع مختلفة اللزوجة ومن مالحظتك للشكل )b-20-3( نجد ان سرعة سقوط الكرات في زيوت المحركات المختلفة اللزوجة تقل بزيادة لزوجتها.. 54

55 ويقصد باللزوجة هو قوة االحتكاك بين طبقات المائع الواحد وبين طبقات المائع وجدران االنبوب الذي يحتويها.وقد وجد تجريبيا ان لزوجة المائع تعتمد على : 1- نوع المائع 2- درجة حرارته شكل) ) 20-3b يبين موائع مختلفة اللزوجة وان لزوجة السوائل تقل بارتفاع درجة حرارتها.اذ بارتفاع درجة حرارة السائل تزداد طاقة حركة جزيئاته كما يعمل على اضعاف قوى التماسك بينها ويقلل مقاومتها لحركة جزيئات السائل وبذلك تقل اللزوجة. اما في الغاز فان ارتفاع درجة الحرارة يزيد من احتمالية تصادم جزيئاته معا مما يعني زيادة مقاومة الجزيئات لحركة بعضها وهذا يعني زيادة لزوجة الغاز. فكر ما نوع زيت المحرك الذي تنصح سائق السيارة باستعماله شتاء و صيفا ولماذا 55

56 3 س 1 - اختر العبارة الصحيحة لكل مما يلي : فا ن: - 1 يبين الشكل المجاور ساي ل مهمل اللزوجة يجري جريانا منتظما في انبوب مساحة مقطعه متغيرة A 1 A 2 A 2 ضغط الساي ل في المقطع A اصغر من ضغط الساي ل في المقطع 1 ارتفاع الساي ل في الانبوب y يساوي ارتفاع الساي ل في الانبوبx A 2 A 1 اكبر من معدل جريانه في المقطع معدل جريان الساي ل في المقطع ارتفاع الساي ل في الانبوب x اكبر من ارتفاع الساي ل في الانبوب. y -a -b -c -d - 2 انبوب افقي يجري فيه ماي ع تناقص قطره من 10cmالى 5cm فاي العبارات التالية صحيحة : تزداد سرعة الماي ع وضغطه تقل سرعة الماي ع وضغطه تزداد سرعة الماي ع ويقل ضغطه تقل سرعة الماي ع ويزداد ضغطه -a -b -c -d h 1 h 2 v 1 v 2 3- الضغط المسلط على ماي ع محصور ينتقل في جميع الاتجاهات ومن غير نقصان حسب : مبدا ارخميدس a- مبدا باسكال b- تا ثير برنولي c- d- معادلة استمرارية الجريان 56

57 3 v 1 فان - 4 في الشكل المجاور انبوب افقي يجري فيه مائع غير قابل لالنكباس. فاذا كانت 2= m/s v 2 تساوي: v v 1m/s 2m/s -a -b v 3m/s 4m/s -c -d 5- يتوقف مقدار الفقدان من وزن الجسم الغاطس في سائل على : كتلة الجسم وزن الجسم شكل الجسم حجم الجسم -a -b -c -d 6- يستند مبدا برنولي على : قانون حفظ الطاقة مبدا ارخميدس مبدا باسكال االنابيب الشعرية -a -b -c -d 57

58 3 7- يطلق اسم الموائع على السوائل و الغازات المتالكها خاصية الجريان بسبب - b كبر المسافات البينية - a كبر االحتكاك الداخلي بين جزيئاتها - d قلة االحتكاك الداخلي بين جزيئاتها - c كبر القوة الجزيئية - b قوة الجاذبية - d القوة الضاغطة 8- للموائع قوة ترفع االجسام المغمورة فيها الى االعلى تسمى : - a قوة الطفو - c قوة االحتكاك 9- احد التطبيقات التالية ال تعتمد على تا ثير برنولي: - b الطائرة - d المرذاذ - a الزورق الشراعي - c المكبس الهايدروليكي 10- حوض سباحة طوله 100mوعرضه 20m وارتفاع الماء فيه 5m, فان الضغط على قاعدة الحوض تساوي: N/m 2 - a N/m 2 - b N/m 2 - c N/m 2 - d 11- عند تدفق السائل في وعاء مغلق كما في الشكل المجاور. من خالل صنبور جانبي نالحظ ارتفاع السائل في الا واني المختلفة بالمقدار نفسه يمكن تفسير ذلك تبعا ل : - a مبدا ارخميدس. - b مبدا باسكال. - c الضغط الجوي. - d ضغط السائل. 58

59 3 12- من الشكل المجاور اية من العالقات التالية صحيحة : h 3 = h 1 - a h 3 h 1 - b h 3 h 1 - c h 2 h 1 - d 13- اذا غمر جسم وزنه mg في سائل وبقى معلقا داخل السائل في حالة توازن فا ن قوة الطفو F B هي: F B > mg - a F B = mg - b F B < mg - c F B = 2mg - d 14 -عند وصف الجريان المنتظم لمائع في لحظة ما يتطلب معرفة: - a كثافته ووزنه وضغطه - b كثافته وسرعة جريانه فقط - c كثافته وحجمه وضغطه - d ضغطه وكثافته وسرعة جريانه 15- لو غمر جسم في سائل وكانت كثافة هذا الجسم اكبر من كثافة السائل فالجسم: - a يطفو على سطح السائل - b يغطس كليا في السائل - c يبقى معلقا داخل السائل وفي حالة توازن - d يبقى مغمورا جزئيا داخل السائل س 2 -علل ما ياتي 1. يمكن وضع شفرة حالقة على سطح ماء ساكن من غير ان تغطس 2.يلتصق قميص السباحة بجسم السابح عند خروجه من الماء وال يلتصق اذا كان مغمورا فيه 3.عند الضغط باالصبع على السطح الداخلي لخيمة اثناء هطول المطر ينساب الماء من ذلك الموضع 59

60 3 4.تمتص المنشفة الرطبة الماء من الجلد اسرع من المنشفة الجافة 5.تقعر سطوح السوائل التي تالمس جدران االوعية الشعرية 6.تطاير سقوف االبنية المصنوعة من صفائح االلمنيوم في االعاصير 7.يتا لم السابح الحافي من الشاطي الخشن ويقل المه كلما تغلغل في الماء س 1 - حوض لتربية االسماك على شكل متوازي مستطيالت طوله 20m وعرضه 12m وارتفاع الماء فيه 5m احسب : -a -b الضغط على قاعدة الحوض القوة المؤثرة على القاعدة ج/ a( 49000N/m 2 b(f= N س 2 - اذا كانت قراءة المرواز الزئبقي, 75cm فما مقدار الضغط الجوي بوحدة الباسكال ج/ الضغط الجوي P = Pa س 3 - مكبس في جهاز هيدروليكي مساحة مكبسه الكبير تبلغ 50 مرة بقدر مساحة مكبسه الصغير,فاذا كانت القوة المسلطة على المكبس الكبير 6000N. احسب القوة المسلطة على المكبس الصغير F 1 ج/ = 120N س 4 - شخص يكاد ان يطفومغمورا باكمله في الماء فاذا كان وزن الجسم 600N, احسب حجمه على فرض ان 10=g m/s 2 ج/ v = 0.06m 3 س 5- جسم صلب وزنة بالهواء 20N وفي الماء 15N احسب حجم الجسم ج/ v = m 3 س 6 - يتدفق الماء عبر المقطع الكبير النبوبة بسرعة 1.2 m/s وعندما يصل المقطع الصغير تصبح سرعته. 6 m/s احسب النسبة بين قطري المقطعين ج / 5 60

61 مفردات الفصل كمية الحرارة والحرارة النوعية للمادة 2-4 السعة الحرارية 3-4 االتزان الحراري 4-4 تا ثير الحرارة على المواد 5-4 تغير حالة المادة 6-4 طراي ق انتقال الحرارة 7-4 التلوث الحراري الخصاي ص الحرارية للمادة 61

62 االغراض السلوكية ينبغي للطالب ان يكون قادرا على ان : 1. يعرف كمية الحرارة. 2. يعرف الحرارة النوعية. 3. يميز بين انواع تمدد االجسام)تمدد طولي,تمدد سطحي, تمدد حجمي( 4. يميز بين التمدد الحقيقي والتمدد الظاهري للسائل. 5. يذكر طرائق انتقال الحرارة. 6. يعدد بعض التطبيقات العملية لتمدد المواد. Quantity of heat Specific heat Heat capacity Thermal equilibrium Latent heat Thermal expansion Phase change Latent heat of fusion Latent heat of vaporization Heat transfer mechanisms Thermal conduction Thermal conductivity Transfer of heat convection Thermal radiation Thermal gradient Free convection Forced convection Thermal pollution Sourses of thermal pollution كمية الحرارة الحرارة النوعية السعة الحرارية االتزان الحراري الحرارة الكامنة التمدد الحراري تغير حالة المادة الحرارة الكامنة لالنصهار الحرارة الكامنة للتبخر طرائق انتقال الحرارة انتقال الحرارة بالتوصيل التوصيلية الحرارية الحمل الحراري انتقال الحرارة باالشعاع االنحدار الحراري الحمل الحراري الحر الحمل الحراري االضطراري التلوث الحراري مصادر التلوث الحراري المصطلحات العلمية 62

63 1-4 كمية الحرارة والحرارة النوعية للمادة Quantity of Heat and Specific Heat درست سابقا ان المادة مكونه من جزيئات وهذه الجزيئات تمتلك طاقة حركية وكذلك طاقة كامنة وان مجموع الطاقة الحركية والطاقة الكامنة لهذه الجزيئات تسمى الطاقة الداخلية لها لذا فعندما نسخن االجسام فان معدل طاقتها الداخلية تزداد بزيادة درجة حرارتها وعليه فان كمية الحرارة التي تحتاجها المادة لتسخينها ورفع درجة حرارتها مقدارا معينا يعتمد على مقدار هذا التغير فتزداد بزيادته وتقل بنقصانه الحظ الشكل ( 1-4 ).اي ان كمية الحرارة تتناسب مع التغير في درجة حرارة المادة. شكل) 1-4 ) اذا اخذنا مقادير مختلفة من مادة معينة وحاولنا رفع درجة حرارتها الى نفس الدرجة فاننا نحتاج الى كميات متفاوتة من الحرارة تتناسب وكتل هذه المواد وبما ان كتلة المادة تعتمد على عدد الجزيئات المكونه لها وبالتالي تعتمد كمية الحرارة الالزمة لزيادة الطاقة الداخلية لهذه الجزيئات على كتلة المادة أي ان كمية الحرارة تتناسب وكتلة المادة. واذا اخذنا كتال متساوية من مواد مختلفة وحاولنا رفع درجة حرارتها بالمقدار نفسه نالحظ انها تحتاج كميات متفاوتة من الحرارة بالرغم من تساوي كتلها ومقدار التغير في درجة حرارتها وهذا يعود الى اختالف نوع المادة. فاذا اعطينا كميتين متساويتين من الحرارة لكتلتين متساويتين من مادتين مختلفتين ليس من الضروري ان ترتفع درجة حرارتيهما تقاس الطاقة الحرارية بوحدات بالمقدار نفسه. فعلى سبيل المثال اذا اخذنا وعاء من االلمنيوم الجول فلو احترق عود ثقاب لا نتج يحتوي كمية من الماء لهما نفس الكتلة ووضع على مصدر قرابة 2000J. حراري نالحظ بعد فترة ان الوعاء اصبح ساخنا واليمكن لمسه بينما الماء بداخله اليزال فاترا.أي ان كمية الحرارة التي اكتسبها الوعاء احدثت ارتفاعا في درجة حرارته اكثر من االرتفاع الذي احدثته الكمية نفسها من الحرارة في درجة حرارة الماء بالرغم من تساوي كتلتيهما. نستنتج مما سبق ان كمية الحرارة الالزمة لتسخين جسم تعتمد على : هل تعلم 63

64 1 كتلة الجسم 2 التغير في درجة حرارته 3 نوع المادة المصنوع منها. وبالتالي يمكن حساب كمية الحرارة )Q( الالزمة لرفع درجة حرارة جسم كتلته m من درجة حرارة معينة T 2 من خالل العالقة التالية: T 1 الى درجة حرارة كمية الحرارة = كتلة الجسم الحرارة النوعية للمادة التغير في درجات الحرارة Q = mc p ΔT = mc p )T 2 - T 1 ) C p هي الحرارة النوعية للمادة مقاسة عند ضغط حيث ان ثابت ( P ) وتعرف : بانها كمية الحرارة الالزمة لرفع درجة حرارة كتلة كيلو غرام واحد من المادة درجة سيليزية واحدة وتقاس بوحدات Joule/kg.ºC ومن الجدير بالذكر ان اشارة كل من Qموجبة T عندما تكتسب المادة طاقة حرارية من المحيط فترتفع درجة حرارتها وتكون باشارة سالبة عندما تفقد المادة طاقة حرارية الى المحيط فتنخفض درجة حرارتها. هل تعلم كمية الحرارة تقاس بوحدات السعرة والسعرة الحرارية الواحدة تساوي 4.2J 1 سعرة 4.2J= 2-4 السعة الحرارية Heat capacity لقد ارتبطت الحرارة النوعية برفع درجة حرارة كيلو غرام واحد من الجسم درجة سيليزية واحدة. ولكننا نطلق على كمية الحرارة الالزمة لرفع درجة حرارة الجسم بكامله درجة سيليزية واحدة بالسعة الحرارية للجسم ويمكن حسابها من العالقة االتية: كمية الحرارة = كتلة الجسم الحرارة النوعية التغير في درجات الحرارة كمية الحرارة = السعة الحرارية التغير في درجات الحرارة أي ان: السعة الحرارية = كتلة الجسم الحرارة النوعية C = mc p 64

65 حيث C هي السعة الحرارية للمادة. وتعرف السعة الحرارية لكتلة معينة من المادة بانها: كمية الحرارة الالزمة لرفع درجة حرارة الكتلة جميعها من المادة درجة سيليزية واحدة ووحدة قياسها الجدول ( 1 ) يوضح الحرارة النوعية لمواد مختلفة هي: ºC Joule / الحرارة النوعية J kg. o C الحرارة النوعية J kg. o C تذكر تعتمد الحرارة النوعية عىل المادة المادة 4186 زجاج 837 نوع املادة فقط وتختلف ماء نقي عند 15 0 C الفوالذ الحديد جليدC 0 0 بخار الماء عند C السعة الحرارية باختالف كتلة الجسم والحرارة النوعية ملادته خشب النحاس االلمنيوم الفضة مثال 1 ما مقدار الطاقة الحرارية الالزمة لرفع درجة حرارة 3kg من االلمنيوم من (C 15) 0 الى (900 J/kg. 0 C) (25 علما بأن الحرارة النوعية لاللمنيوم 0 C) الحل : كتلة االلمنيوم m = 3kg T 1 درجة الحرارة االبتدائية )قبل التسخين ) لاللمنيوم 15= 0 C T 2 درجة الحرارة النهائية )بعد التسخين ) لاللمنيوم 25= 0 C C p = 900 J / kg. 0 C الحرارة النوعية لاللمنيوم وطبقا للمعادلة : Q = m C p (T 2 -T 1 ) Q = 3kg 900 J / kg o C (25-15( 0 C Q = 27000J مقدار الطاقة الحرارية 65

66 ومن مالحظتك للجدول ( 1 ) تجد ان الحرارة النوعية للماء اكبر منها لجميع المواد المستعملة في حياتنا اليومية. يساعدنا هذا في تفسير الكثير من الظواهر الطبيعية وكما يفيد في العديد من التطبيقات الحياتية منها : - 1 تأثيره على المناخ ( نسيم البر والبحر (الحظ الشكل.) 2-4 ( - 2 استعماله في عملية تبريد محرك السيارة. - 3 تبريد االالت في المصانع باستعمال الماء. شكل) 2-4 ) مثال 2 ما السعة الحرارية لقطعة من الحديد كتلتها 4kg وحرارتها النوعية 448 J/kg.ºC السعة الحرارية = الكتلة الحرارة النوعية الحل :- C = mc P السعة الحرارية C = 4kg 448J/kg.ºC = 1792 Joule / ºC 66

67 سؤال اذا كان لديك ثالث قطع معدنية مختلفة وزودت بكمية الحرارة نفسها فارتفعت درجة حرارتها كما مبين في الشكل التالي فاي القطع لها سعة حرارية اكبر فسر اجابتك ΔT=5 0 C ΔT=9 0 C ΔT=3 0 C 3-4 االتزان الحراري Thermal equilibrium كما هو معروف ان الحرارة نوع من انواع الطاقة والطاقة التفنى والتستحدث فان الحرارة ايضا التفنى والتستحدث بل تنتقل من جسم الى اخر.وعلى فرض ان الجسمين معزولين حراريا عن الوسط الذي حولهما ( أي اليوجد تبادل مع الوسط المحيط(الحظ الشكل) 3-4 ) وحينئذ نقول ان الجسمين في حالة اتزان حراري كذلك عند مزج سائلين معا تنتقل الحرارة من الجسم الساخن الى الجسم البارد ويستمر التدفق الحراري حتى تتساوى درجة حرارة السائلين ويحدث اتزان حراري في النظام المعزول أي تكون: كمية الحرارة المكتسبة = كمية الحرارة المفقودة Heat lost = Heat gained تتساوى درجة الحرارة لكال الجسمين شكل) 3-4 ) 67

68

69 مثال 2 احسب السعة الحرارية لمسعر من النحاس فيه ماء كتلته 100g بدرجة حرارة 10ºC أضيف إليه كمية ماء اخرى كتلتها 100g بدرجة حرارة 80ºC فأصبحت درجة حرارة الخليط النهائية 38ºC الحل : نفرض ان السعة الحرارية للمسعر هي C كمية الحرارة المكتسبة كمية الحرارة التي اكتسبها الماء البارد = الكتلة الحرارة النوعية للماء التغير في درجات الحرارة Q 1 = mc p (T 2 T 1 ( = (38 10) Q 1 كمية الحرارة التي اكتسبها الماء = J كمية الحرارة التي اكتسبها المسعر=السعة الحراريةللمسعر التغير في درجات الحرارة Q 2 = C (T 2 T 1 ) Q = C (38 10( 2 Q 2 = 28 C كمية الحرارة المفقودة كمية الحرارة التي فقدها الماء الساخن = الكتلة الحرارة النوعية التغير في درجات الحرارة Q 3 = mc p (T f T 1 ( = (38-80) Q 3 = J عند االتزان الحراري كمية الحرارة المكتسبة ( Q )Q + = كمية الحرارة المفقودة ( Q ) كمية الحرارة التي اكتسبها الماء والمسعر = كمية الحرارة التي فقدها الماء الساخن Q 3 = Q 1 + Q = C C= C = 210 J/ ºC السعة الحرارية للمسعر 69

70 4-4 تاثير الحرارة على المواد تمدد المواد بالحرارة: عند رفع درجة حرارة المادة الصلبة او السائلة او الغازية يزداد معدل الطاقة الحركية للجزيئات فيزداد التباعد فيما بينهما فيحصل التمدد ولكن هذا التمدد يختلف باختالف حالة المادة فتمدد الغازات يكون اكبر مما هو عليه في السوائل وتمدد السوائل اكبر مما هو عليه في الصلب اذا كانت الحرارة المكتسبة متساوية للحاالت الثالثة للمادة. a. تمدد المواد الصلبة التمدد يعني زيادة في ابعاد المادة وعليه فهناك: تمدد طولي أي زيادة في طول الساق)التمدد في بعدواحد( تمدد سطحي أي زيادة في مساحة السطح)التمدد في بعدين( تمدد حجمي أي زيادة في حجم الجسم)تمدد في ثالثة ابعاد( التمدد الطولي نفرض ان الطول االصلي لجسم هو Lوبزيادة درجة الحرارة بمقدار Δ T يحدث زيادة في الطول مقدارهاL Δ وقد اثبتت التجارب ان التغير في الطول يتناسب طرديا مع التغير في درجات الحرارة والطول األصلي ونوع المادة الحظ الشكل ( 5-4 ). لذا يمكن كتابة معادلة التغير في الطول على النحو األتي: L L شكل) 5-4 ) Δ L التغير في الطول = معامل التمدد الطولي الطول األصلي مقدار التغير في درجة الحرارة قبل التسخين بعد التسخين Δ L = α L Δ T حيث ان: = Δ L الطول الجديد الطول االصلي = α معامل التمدد الطولي ويعطى بالعالقة التالية: α = 1 Δ L L Δ T شكل) 6-4 ) وعليه يمكن تعريف معامل التمدد الطولي α على انه: 70

71 مقدار الزيادة الحاصلة في وحدة االطوال من المادة عند تسخينها درجة سيليزية واحدة ويقاس بوحدة 1/ Cوهو يختلف باختالف المواد الحظ الجدول) 2( الجدول ( 2 ) معامل التمدد الطولي لبعض المواد معامل التمدد الطولي )α( / o C 1 المادة االلمنيوم النحاس الفوالذ الزجاج الرصاص االسمنت التمدد السطحي تزداد مساحة أي سطح عندما ترتفع درجة حرارته. وعلى هذا االساس تزداد المساحة السطحية A بمقدار ΔA نتيجة الرتفاع درجة الحرارة بمقدار. ΔT الحظ الشكل )7-4 ). لذا فان : التغير في المساحة = معامل التمدد السطحي المساحة األصلية مقدار التغير في درجة الحرارة Δ A ΔA = γ A ΔT A حيث ان: = ΔA المساحة الجديدة المساحة االصلية يسمى الرمز γ معامل التمدد السطحي ويعطى بالعالقة االتية: 71 1 ΔA = γ A ΔT شكل) 7-4 ) وعليه يمكننا تعريف معامل التمدد السطحي γ والذي يلفظ )كاما(على انه:

72 مقدار الزيادة الحاصلة في وحدة المساحة من الجسم عندما ترتفع درجة الحرارة درجة سيليزية واحدة. ويقاس بوحدات C /1 ليكن معلوم ا ان: معامل التمدد السطحي = γ ضعف معامل التمدد الطولي α أي ان : γ = 2 α التمدد الحجمي تغير حجم المادة مع تغير درجة الحرارة يوصف بوساطة معامل التمدد الحجمي للمادة) ) β الحظ الشكل ( 8-4 ). وهكذا يزداد حجم المادة V بمقدار ΔV نتيجة الرتفاع درجة الحرارة بمقدار ΔT.لذا فان: شكل) 8-4 ) التغير في الحجم = معامل التمدد الحجمي الحجم االصلي مقدار التغير في درجة الحرارة V = β V T V =V 2 - V 1 حيث ان: التغير بالحجم )V ( = الحجم الجديد الحجم االصلي يسمى الرمز β معامل التمدد الحجمي ويعطى بالعالقة االتية: 1 V = β V ΔT وعليه يمكننا تعريف معامل التمدد الحجمي β على انه مقدار الزيادة الحاصلة في وحدة الحجم من 72

73 المادة عند ارتفاع درجة حرارتها درجة سيليزية واحدة.ويقاس بوحدات C /1 ليكن معلوما ان : معامل التمدد الحجمي) β( = ثالثة امثال معامل التمدد الطولي) α ) أي ان β = 3α شكل) 9-4 ) تطبيقات على تمدد المواد الصلبة بالحرارة:- لقد تمت االستفادة من ظاهرة تمدد المواد بارتفاع درجة الحرارة وتقلصها بانخفاض درجة الحرارة في الكثير من التطبيقات العملية ومنها الضابط االوتوماتيكي الحراري في االجهزة الكهربائية مثل الثالجة والمكواة والمجمدة وجهاز انذار الحريق اذ يستعمل شريط ثنائي المعدن Bimetalic strip الحظ الشكل) 9-4 ( للسيطرة على فتح وغلق الدائرة الكهربائية. فالمعدن ذو معامل التمدد االكبر ينحني حول المعدن ذو معامل التمدد االقل عند ارتفاع درجة الحرارة مسببا فتح الدائرة الكهربائية للجهاز وعندما تنخفض درجة حرارته يرجع بصورة مستقيمة لغلق الدائرة وتشغيلها مرة ثانية. الحظ الشكل) 10-4 ( شكل) 10-4 ) 73

74 شكل) 11-4 ) ومن التطبيقات المهمة على ظاهرة اختالف تمدد المواد الصلبة بالحرارة. االستفادة من مادتين مختلفتين لهما معامل تمدد حراري متساوي اذ يستثمر ذلك في صناعة المصابيح الكهربائية اذ يمتلك زجاج المصباح معامل تمدد حراري مساو لمعامل التمدد الحراري للسلك المستعمل فان السلك الحامل لخويط المصباح والمغمور طرفه األخر في زجاج المصباح عند تمدده يتمدد الزجاج بالمقدار نفسه لمنعها من كسر قاعدة المصابيح الزجاجية الحظ الشكل) 11-4 (. كما روعي في تصميم االنشاءات تمدد المواد بالحرارة تجنبا للمخاطر وذلك عن طريق وضع فراغات او فواصل مناسبة في الجسور وترك مسافات بين خطوط سكك الحديد شكل) 12-4 ( هل تعلم ان زجاج البايركس يتحمل التغيرات السريعة في درجات الحرارة دون ان ينكسر وذلك لكون معامل تمدده الطولي صغير قياسا لما هو عليه في حالة الزجاج االعتيادي. شكل) 12-4 ) Thermal expantion of liquids تمدد السوائل بالحرارة.b مثلما تتمدد المواد الصلبة بارتفاع درجة الحرارة فان السوائل تتمدد بها ايضا وللتعرف على تمدد السوائل نجري النشاط االتي: تمدد السوائل بالحرارة االدوات : دورق زجاج وعاء كبير انبوب زجاج رفيع الشكل مفتوح الطرفين سدادة مطاط ينفذ منها االنبوب ماء ملون مصدر حراري. 74

75 الخطوات : 1- نمأل ثالثة ارباع الوعاء تقريبا بالماء ثم نقوم بتسخينه بوساطة المصدر الحراري. 2- نمأل الدورق بالماء الملون ثم نغلقه بوساطة السدادة كما في الشكل) a(.ونثبت عالمة عند سطح الماء في االنبوب. شكل) 13-4 ) 3- نضع الدورق في الوعاء ونراقب مايحدث الرتفاع الماء في األنبوب. عند بدء التسخين ينخفض سطح الماء قليال في االنبوب بسبب تمدد زجاج الدورق اوال فيزداد حجمه لذلك ينخفض مستوى الماء شكل) b-13-4 (ليحل محله الفراغ الناتج عن الزيادة في حجم الدورق.وعندما تصل الحرارة عبر زجاج الدورق الى الماء يتمدد ويرتفع في االنبوب بسبب زيادة حجمه شكل )13-4-c( ولكن التمدد الحجمي للسوائل اكبر من التمدد الحجمي للمواد الصلبة للتغير نفسه في درجات الحرارة وبسبب تمدد الوعاء الذي يحوي السائل فان التمدد الذي نشاهده ونقيسه يكون اقل من التمدد الحقيقي ويسمى التمدد الظاهري. لذلك يمكن تعريف كل من: معامل التمدد الحجمي الظاهري ( β ) للسائل الذي في وعاء: هو نسبة الزيادة الظاهرية في الحجم v لكل درجة سليزية واحدة. معامل التمدد الحجمي الحقيقي) ) β للسائل الذي في وعاء: هو نسبة الزيادة الحقيقية في الحجم r لكل درجة سليزية واحدة. ويكون من الضروري معرفة مايلي: β v β r <معامل التمدد الظاهري معامل التمدد الحقيقي للسائل كما ان: معامل التمدد الحقيقي للسائل ( β ) = معامل التمدد الظاهري) ) β + معامل التمدد الحجمي لألناء v r حيث ان α هو معامل التمدد الطولي لألناء β r = β v +3 α 75

76 ويبين الجدول) ) 3 معامل التمدد الحجمي لبعض السوائل جدول ( )3 المادة الكحول البنزين غليسرين زئبق معامل التمدد الحجمي )β( 10-4 / 0 C فكر عند وضع محرار زئبقي في سائل ساخن فانه ينخفض قليال في البداية ثم يرتفع فسر ذلك مثال م ليء خزان بنزين السيارة حجمه 60 بالبنزين litter تماما حينما كانت درجة الحرارة 45ºC ثم تركت السيارة تحت اشعة الشمس ساعات عدة الى ان اصبحت درجة حرارة الخزان 25ºC احسب حجم البنزين المتوقع ان ينسكب من الخزان )اهمل تمدد الخزان( الحل : 1 من الجدول) ) 3 نجد ان معامل التمدد الحجمي للبنزين هو =β C T = T 2 T 1 T = = 20ºC معامل التمدد الحجمي للبنزين 1 V = β V ΔT... V = V β ΔT V= V = Litter حجم البنزين المنسكب 76

77 C. تمدد الغازات تمدد الغازات أكثر من تمدد السوائل واكثر من المواد الصلبة بسبب قلة القوى الجزيئية بين جزيئاتها. وتمتاز الغازات بتساوي معامل التمدد الحجمي لجميعها عند ثبوت الضغط وقد ثبت ان تمدد االناء الحاوي على الغاز بتاثير الحرارة يكون صغيرا جدا قياسا لتمدد الغاز نفسه عندها يمكن اهمال تمدد االناء وبهذا يعد التمدد الظاهري للغازات تمددا حقيقيا. تذكر 2 1 )1/ 73 ان β لا ي غاز يساوي) C 0 بثبوت الضغط 5-4 تغير حالة المادة الحرارة الكامنة للانصهار Latent heat of fusion ان لكل مادة نقية درجة انصهار خاصة بها وان االنواع المختلفة من المواد تحتاج الى كميات مختلفة من الحرارة النصهار الكتل المتساوية منها. وتسمى كمية الحرارة الالزمة لتحويل وحدة الكتل من حالة الصالبة الى حالة السيولة و بدرجة الحرارة نفسها )مثال درجة حرارة انصهار الجليد 0 C( وبثبوت الضغط بالحرارة الكامنة لالنصهار وتقاس بوحدات J / kg ثلج ماء ويمكن حساب كمية الحرارة الالزمة لصهر كتلة معينة شكل) 14-4 ) من مادة معينة وعند درجة انصهارها الحظ الشكل) 14-4 ) على وفق العالقة التالية : كمية الحرارة الالزمة ألنصهار المادة = الكتلة الحرارة الكامنة لالنصهار Q = m L f 77

78 حيث ان : m تمثل كتلة الجسم L f تمثل الحرارة الكامنة لالنصهار والجدول ( 4 ) يبين درجة انصهار بعض المواد وكذلك الحرارة الكامنة النصهارها الجدول )4( المادة درجة االنصهار ºC الحرارة الكامنة لالنصهارkJoule/kg جليد المنيوم نحاس حديد مثال 1 احسب كمية الحرارة الالزمة لتحويل قطعة من الجليد كتلتها 25g بدرجة حرارة 0ºC الى ماء عند درجة الحرارة نفسها. كمية الحرارة =الكتلة الحرارة الكامنة لالنصهار الحل : Q=m L f Q = (25/1000) X 335 كمية الحرارة الالزمة Q = kj 78

79 مثال 2 احسب كمية الحرارة الالزمة لتحويل 2kg من الجليد بدرجة -15ºC الى ماء بدرجة حرارة 0ºC والحرارة الكامنة النصهار الجليد عند 4200J/kg ºC علما ان الحرارة النوعية للماء 25ºC هي: 335 kj/kg والحرارة النوعية للجليد تساوي 2093J /kg C الحل : لرفع درجة حرارة الجليد -15ºC إلى 0ºC يلزم تزويده بكمية من الحرارة مقدارها يساوي: كمية الحرارة =الكتلة الحرارة النوعية للجليد فرق درجات الحرارة Q 1 = m C ice T =2 x 2093x[0 - (-15)] =2 x 2093 x 15 =30 x 2093 Q 1 =62790 Joule لتحويل الجليد الى ماء عند درجة حرارة 0ºC يلزمنا تزويده بكمية من الحرارة مقدارها يساوي : كمية الحرارة =الكتلة الحرارة الكامنة النصهارالجليد Q 2 = m L f =2 x 335 kj/kg Q 2 =670000Joule ولرفع درجة حرارة الماء من 0ºC الى 25ºC نزوده بكمية من الحرارة مقدارها يساوي: كمية الحرارة =الكتلة الحرارة النوعية للماء فرق درجات الحرارة Q 3 = m x C water x T =2 x 4200 x (25-0) =50 x 4200 Q 3 =210000Joule ولحساب كميات الحرارة التي تم تزويد الجليد بها حتى اصبح ماء بدرجة حرارة 25ºC يساوي: Q total = Q 1 + Q 2 + Q 3 = Q total كمية الحرارة الكلية = Joule 79

80 الحرارة الكامنة للتبخر latent heat of vaporization لقد درست سابقا ان التبخر يحصل عند سطح السائل وباي درجة حرارة شريطة ان تكون جزيئات السائل القريبة من السطح قد اكتسبت طاقة حركية كافية تجعلها تتغلب على القوة الموجودة بينها, فتتبخر وتصبح حرة الحركة فتنطلق خارج سطح السائل على شكل بخار. الحظ الشكل) a-15-4 ) a أما في حالة الغليان فان جزيئات السائل جميعها )وليس فقط السطحية منها( تكتسب طاقة حركية تجعلها تتغلب على القوة الموجودة بينها, فتتصاعد بشكل بخار الحظ الشكل )b-15-4( وتسمى درجة الحرارة التي تبدأ عندها المادة بالتحول من الحالة السائلة الى الحالة الغازية بدرجة حرارة الغليان. وهي من الخواص b الفيزيائية المميزة للمادة, حيث ان لكل مادة نقية درجة حرارة شكل) 15-4 ) غليان خاصة بها عند ضغط جوي معين. وتسمى كمية الحرارة الالزمة لتحويل وحدة الكتل من المادة من حالة السيولة الى الحالة الغازية عند درجة الغليان بالحرارة الكامنة للتبخرالحظ الشكل) 16-4 ) ولكل مادة نقية درجة غليان خاصة بها. ويمكن حساب كمية الحرارة الالزمة لتحويل كتلة من سائل ما الى الحالة الغازية دون تغير درجة حرارتها بالعالقة ماء بخار شكل) 16-4( التالية : كمية الحرارة الالزمة لتحويل كمية من السائل الى بخار بالدرجة نفسها = الكتلة الحرارة الكامنة للتبخر Q = m L v حيث ان : m تمثل كتلة الجسم kj/kg تمثل الحرارة الكامنة للتبخر وتقاس بوحدات L V 80

81 والجدول )5 ) يبين درجة غليان بعض المواد والحرارة الكامنة للتبخر. الجدول 5( ) الحرارة الكامنة للتبخر المادة درجة الغليان ºC kj / kg الماء النقي الزئبق النحاس الحديد الفضة مثال احسب كمية الحرارة الالزمة لتحويل 3kgمن الماء درجة حرارته 20ºC الى بخار درجة حرارته 110 ºC علما ان الحرارة النوعية للماء تساوي 4200 J / kg والحرارة الكامنة لتبخر الماء 2260 kj / kg والحرارة النوعية لبخار الماء 2010 J / kg ºC الحل: كمية الحرارة الكلية = كمية الحرارة الالزمة لتسخين الماء منºC 20 إلى ºC كمية الحرارة الالزمة لتحويل الماء الى بخار عند درجة حرارة 100+ ºC كمية الحرارة الالزمة لرفع درجة حرارة بخار الماء من 100 ºC إلى 110 ºC Q total = Q 1 +Q 2 +Q 3 = mc (T 2 -T 1 ) + m L v +m c (T 3 -T 2 ) = (100-20) ( ) = Q total كمية الحرارة الكلية )J ( = 81

82 6-4 طراي ق انتقال الحرارة methods of heat transferes لقد مر بك في صفوف سابقة ان الحرارة تنتقل من جسم الخر بطرائق ثالث هي: 1 -التوصيل 2 -الحمل 3 -االشعاع حمل توصيل اشعاع شكل) 17-4 ) انتقال الحرارة بالتوصيل Thermal conduction مر بك سابقا ان الحرارة تنتقل في المواد الصلبة بطريقة التوصيل ويتفاوت المعدل الزمني للطاقة الحرارية المنقولة من مادة الى اخرى حسب التركيب الداخلي للمادة وتعد الفلزات مواد جيدة التوصيل الحراري ويعود ذلك الى احتوائها على االلكترونات الحرة وتقارب ذراتها بينما تنتقل الحرارة على نحو ضعيف في المواد رديئة التوصيل مثل الخشب والمطاط وغيرها الحظ الشكل) 18-4 ( شكل) 19-4 ) شكل) 18-4 ) التوصيلية الحرارية Thermal conductivity ان مقدار الطاقة الحرارية المنتقلة خالل جسم ما بطريقة التوصيل يعتمد على خاصية تدعى التوصيلية الحرارية للمادة فلو اخذنا حالة انسياب الطاقة الحرارية خالل ساق معدنية طولها )m( L ومساحة مقطعها العرضي) A m( 2 معزولة عزال حراريا عن المحيط)محاطة بمادة عازلة حراريا عن المحيط( ويوضع احد طرفي الساق المعدني على لهب الحظ الشكل) 19-4 ( والطرف االخر يوضع في اناء فيه جريش من الثلج بدرجة 0ºC ويتطلب خالل عملية التسخين المحافظة على بقاء الفرق في درجات الحرارة ثابتا ومستمرا. 82

83

84 ومن الجدير بالذكر ان المواد الصلبة المختلفة لها معامالت توصيل حرارية مختلفة ويبين الجدول ( 6( بعض هذه المواد. جدول ( 6 ) معامل التوصيل الحراري التقريبي لبعض المواد الصلبة المادة االلمنيوم الزجاج الحديد الفضة النحاس االحمر النحاس االصفر الفوالذ الذهب الزئبق الطابوق الخشب الهواء السمنت الماء جدول )6( معامل التوصيل الحراري (k) Watt m. 0 C سؤال لماذا يستعمل رجال اطفاء الحرائق خوذة على الرأس مصنوعة من النحاس االصفر بدال من خوذة مصنوعة من النحاس االحمر مثال 1 ساق من الحديد طوله 50cm ومساحة مقطعه 1cm 2 وضع احد طرفيه على لهب درجة حرارته 200ºC ووضع طرفه االخر في جليد مجروش 0ºC اذا كان الساق مغلفا بمادة عازلة علما ان معامل التوصيل الحراري للحديد يساوي 79watt/m.ºC فاحسب: 1 -االنحدار الحراري 2 -المعدل الزمني النسياب الطاقة الحرارية الحل : ΔT 1 -االنحدار الحراري = L ºC/m = -2 (200-0)/50 10 =االنحدار الحراري 84

85 2. المعدل الزمني النتقال الطاقة الحرارية = معامل التوصيل الحراري مساحة المقطع االنحدار الحراري H = KA ΔT L H = 79 ( ) (200-0)/ = 3.16 watt مثال 2 غرفة لها نافذة زجاجية ذات طبقة واحدة فاذا كان طول النافذة 2.2m وعرضها 1.2m وسمكها 5mm وعلى افتراض ان درجة حرارة سطح النافذة الزجاجية داخل الغرفة 22ºC ودرجة حرارتها من الخارج 3ºC احسب المعدل الزمني ألنتقال الطاقة الحرارية من الغرفة علما ان معامل التوصيل الحراري للزجاج. 0.8W/m ºC الحل : المعدل الزمني النتقال الطاقة الحرارية = معامل التوصيل الحراري مساحة المقطع العرضي االنحدار الحراري H = KA ΔT L H = KA (T 1 T 2 ) / L H = 0.8 ( ) (22-3) / H = 8026 watt ومن التطبيقات على التوصيل الحراري: 1 -استعمال المعادن لصناعة اواني الطبخ. 2 -استعمال مواد عازلة للمقابض في اواني الطبخ. 3 -العزل الحراري عند بناء البيوت باستعمال مواد عازلة مثل الهواء والزجاج والبوليسترين. )L 1,L 2 ويستعمل المهندسون نظام العزل الحراري لجدار مكون من طبقتين لهما سمكان مختلفان ( )T 1 الحظ الشكل 21-4( ). فحين,T 2 K( 1 ودرجة حرارة سطحيهما (,K 2 ومعامل توصيل حراري ( وصول هذا النظام الى حالة االستقرار الحراري فان درجة الحرارة عند أي نقطة في الجدار ومعدل انتقال الحرارة لن يتغير مع الزمن أي ان معدل انتقال الطاقة التي تنفذ من الطبقة االولى هي نفسها التي تنفذ من الطبقة الثانية. ومن التطبيقات العملية االخرى على العزل الحراري هي قنينة الترموس اذ تتكون من طبقة داخلية من البالستك وخارجية من البوليسترين ووفق شكل) 21-4 ) 85

86 هذا النظام يتم الحفاظ على درجة حرارة السائل الموضوع فيه من خالل تقليل تسرب الحرارة الى الخارج. هل تعلم اتخذ المهندسون مصطلح المقاومة الحرارية لطبقة عازلة وتحسب على وفق المعادلة التالية : سمك الطبقة المقاومة الحرارية = معامل التوصيل الحراري للطبقة سؤال اذا وضع قالب من الثلج في صندوق من االلمنيوم ووضع قالب اخر مماثل لالول في صندوق من الخشب فأي القالبين ينصهر اوال في درجة حرارة الغرفة الحمل الحراري Transfer of heat by convection عرفنا في طريقة التوصيل الحراري ان الطاقة الحرارية تنساب خالل المادة من غير ان يحصل انتقال لجزيئات المادة نفسها بينما نجد في طريقة الحمل الحراري ان جزيئات المادة نفسها تتحرك وتنتقل من مكان الى اخر والحمل الحراري يحصل فقط في الموائع واليحصل في المواد الصلبة. ومن المألوف لدينا أن وضع مدفأة في احد جوانب الغرفة يؤدي الى تدفئة الغرفة كلها بعد مدة من الزمن وهذه الظاهرة ناجمة عن انتقال الحرارة بالحمل. الحظ الشكل ( 22-4 ) شكل) 22-4 ) 86

87 شكل) 23-4 ) وتحصل تيارات الحمل كذلك في السوائل فعند وضع ابريق معدني فيه ماء فوق مصدر حراري الحظ الشكل) 23-4 ). فان الماء الذي في المناطق القريبة من المصدر الحراري يسخن اكثر من الماء الذي في المناطق االخرى فيتمدد وتقل كثافته عن كثافة الماء المحيط به فيرتفع حامال معه الطاقة الحرارية بطريقة تسمى الحمل الحراري ويحل محله ماء درجة حرارته اقل وتنتقل الحرارة في الغازات بالطريقة نفسها. أنواع الحمل الحراري 1 -الحمل الحراري الطبيعي الحر Free convection تتولد تيارات الحمل الحرارية في هذا النوع بتاثير الجاذبية االرضية الحظ الشكل ( 24-4 ) فالهواء البارد يكون اكبركثافة فيهبط الى االسفل الن القوة الصعودية تكون اقل من وزنه بينما كثافة الهواء الساخن تكون قليلة فيرتفع الى االعلى حامال معه الطاقة الحرارية الن القوة الصعودية تكون في هذه الحالة اكبر من وزنه. شكل) 24-4 ) 2 -الحمل الحراري االضطراري)القسري( Forced convection في هذا النوع يحرض المائع على الدوران من خالل تركيب مضخه او مروحه في مجرى المائع ينشا عنها فرق في الضغط يجبر الجزيئات على الحركة ففي بعض عمليات التدفئة المركزية اما يدفع الهواء الساخن في القاعات بوساطة مروحة او يضخ الماء الساخن الى مشعات حرارية )radiators( توضع على االرض الحظ الشكل ( 25-4.) فكر شكل ( 25-4 ) التبريد في محرك السيارة أي من طرائق انتقال الحرارة تستعمل في تبريد محرك السيارة وضح ذلك 87

88 انتقال الحرارة باإلشعاع درست سابقا أن حرارة الشمس تنتقل وتصل الى االرض وتسخنها ونحن نعلم انه يوجد فراغ هائل بين الشمس واالرض اليسمح بنقل الحرارة بطريقتي التوصيل والحمل لعدم وجود وسط مادي ناقل للحرارة ان الطريقة التي تنتقل الحرارة بها من الشمس تسمى طريقة االشعاع. تنتقل الحرارة باإلشعاع بشكل موجات كهرومغناطيسية بسرعة الضوء نفسها وتختلف اطوالها الموجية حسب درجة حرارة الجسم المشع فهي تتراوح بين االشعة البنفسجية واالشعة تحت الحمراء. واألجسام جميعها تشع طاقة بشكل موجات كهرومغناطيسية حتى المكعب الثلجي واجسامنا. وان مقدار الطاقة االشعاعية المنبعثة من االجسام يعتمد على: 1.طبيعة السطح الباعث للطاقة المشعة مثل مساحة سطحه فكلما زادت مساحة السطح ازداد مقدار الطاقة المنبعثة وكذلك لونه فالسطح االسود يشع طاقة بمعدل يفوق كثيرا معدل اشعاع السطح ذي اللون الفاتح. 2.درجة الحرارة :حيث ان االجسام تشع طاقة على شكل موجات كهرومغناطيسية يمكن رؤيتها اذا كانت درجة حرارة االجسام مرتفعة بينما تكون االشعاعات غير مرئية اذا كانت درجة حرارة االجسام منخفضة. ومن الجدير بالذكر ان المواد جيدة االشعاع الحراري تكون جيدة االمتصاص الحراري وان مقدار الطاقة الحرارية الممتصة تختلف باختالف مايلي: 1. نوع المادة. 2 لون المادة. 3 مدى صقلها حيث ان االجسام الفاتحة والمصقولة تمتص طاقة اشعاعية اقل من االجسام الخشنة والقاتمة. تطبيقات على انتقال الحرارة بطريقتي الحمل واالشعاع شكل) 26-4 ) 1.البيوت البالستيكية. الحظ الشكل ( 26-4.) 2.السخان الشمسي. الحظ الشكل ( 27-4.) 3.التدفئة المركزية. 4.التصوير الليلي باالشعة تحت الحمراء. اشعاع اشعاع حمل + اشعاع اشعاع شكل) 27-4 ) 88

89 7-4 التلوث الحراري يقوم اإلنسان في عصرنا الحالي بنشاطات عدة تعمل بعضها على رفع درجة حرارة البر والجو والماء مما يؤدي الى خلل في التركيبة البيئية وتسمى هذه الظاهرة بالتلوث البيئي الحراري. مصادر التلوث الحراري يعد التلوث الحراري معضلة صناعية على الرغم من ان الفضالت المدنية تسبب هي االخرى تغيرا محدودا في درجات حرارة المياه المستقبلة لهذه الفضالت واهم مصادر التلوث الحراري هي: 1 -مصادر توليد الطاقة الكهربائية : ت نشأهذه المحطات على مقربة من الموارد المائية ( مثل البحار واألنهار( الحظ الشكل ( 28-4(. وذلك لضخامة كميات المياه التي تحتاجها هذه المحطات لغرض التبريد والمياه الداخلة الى المحطة في عمليات التبريد تكتسب طاقة حرارية كبيرة تتسبب في رفع درجة حرارة المياه الخارجة بمقدار كبير وتصرف هذه المياه الى المورد المائي الذي أخذ منه وهذا يسبب ظاهرة التلوث الحراري لمياه المصدر المائي. وكذلك شكل) 28-4 ) محطات الطاقة النووية: إذ يتم طرح جزء من الحرارة الى الجو عن طريق المداخن وبسبب الكفاءة العالية في التوليد وإلعتبارا ت بيئية وحذرا من التسرب الى الجو يتعذر ذلك. فالجزء األكبر من الطاقة الحرارية الناتجة من المحطات النووية تطرح الى الموارد المائية القريبة منها الحظ الشكل ( 29-4 (. شكل) 29-4 ) 2 -الصناعات النفطية والمصافي : تستعمل المصافي النفطية كميات كبيرة من المياه لغرض التبريد وفي عمليات صناعية مختلفة وتطرح المياه الساخنة الناتجة عن هذه العمليات الى الموارد المائية )مثل البحر أو النهر( وهذا يسبب ضررا كبيرا لالحياء المائية الدقيقة الموجودة في المياه والمياه الخارجة من هذه المصافي تحتوي كذلك على زيوت وشحوم وهذا بدوره يؤدي الى تلوث مياه المصادر بالزيت. 89

90 4 س : 1 اختر العبارة الصحيحة لكل مما ياتي: 1- حينما يبدا الماء بالتحول من حالة الى اخرى فان درجة حرارته: a- ترتفع بمقدار درجة سيليزية واحدة. b- تتغير باستمرار c- تنخفض بمقدار درجة سيليزية واحدة ثم تثبت حتى تتحول كمية الماء جميعها d- تبقى ثابتة حتى تتحول كمية الماء جميعها. T 2 والمعزولين T 1 مع الجسم الثاني الذي درجة حرارته 2- عند اتصال الجسم االول الذي درجة حرارته T 1 فان انتقال الطاقة الحرارية بينهما يستمر الى ان >T 2 حراريا عن الوسط المحيط بهما فاذا كانت تصبح:- a- درجة حرارة الجسم الثاني اقل من درجة حرارة الجسم االول b- درجة حرارة الجسم االول اقل من درجة حرارة الجسم الثاني T 2 >T>T 1 c- عندما يصبح كالهما عند درجة الحرارة نفسها )T(. حيث d- درجة حرارة الجسم االول تصبح صفرا. 3.اذا كان المعدل الزمني النتقال الطاقة الحرارية من زجاج شباك الغرفة الى خارجها هو H فاذا قلت مساحة وسمك الزجاج الى النصف فان المعدل الزمني النتقال الطاقة الحرارية يساوي: 4H-a 2H-b H -c H/2 -d 4- انتقال الحرارة في الغازات يتم بواسطة: a- االشعاع فقط b -الحمل فقط c- االشعاع والحمل فقط d -االشعاع والحمل والتوصيل 90

91 4 5.عندما يتكثف البخار ويتحول الى سائل فان: a- درجة حرارته ترتفع b- درجة حرارته تنخفض c- يمتص حرارة d- يبعث حرارة 6.انتقال الحرارة في الفراغ يتم بوساطة: a- االشعاع فقط b- الحمل فقط c- االشعاع والحمل فقط d- االشعاع والحمل والتوصيل 7. عند ثبوت كل من الكتلة ودرجة الحرارة فان كمية الحرارة لجسم تتوقف على: a- حجم الجسم b- شكل الجسم c- نوعية مادة الجسم d- كل االحتماالت السابقة 8. عند تحول المادة من حالة السيولة الى الحالة الغازية عند درجة حرارة الغليان يلزم تزويدها بكمية من الحرارة تساوي : a- حاصل ضرب كتلة المادة الحرارة الكامنة للتبخر درجة الحرارة b- حاصل ضرب كتلة المادة فرق درجات الحرارة c- كمية الحرارة الكامنة للتبخر d- حاصل ضرب كتلة المادة الحرارة الكامنة للتبخر 91

92 4 س : 2 اجب عن االسئلة التالية : 1.ثالث قضبان من النحاس والفوالذ وااللمنيوم متساوية في الطول عند درجة حرارة 0 0 C أي منهما سيكون اطول عند درجة حرارة C 2.تضاف قضبان الفوالذ لالسمنت المسلح في االبنية لتقويته فلماذا يعد الفوالذ مناسبا لتقوية االسمنت 3.لماذا ينصح بعدم فتح غطاء المشع الحراري اال بعد ان يبرد محرك السيارة فسر ذلك 4. تدهن االنابيب في السخان الشمسي بطالء اسود لماذا 5.الماء الذي في كاس االلمنيوم يتجمد قبل الماء في كاس الزجاج عند وضعهما في مجمد الثالجة 6.حينما تلمس قطعتان احدهما من حديد واالخرى من خشب عند درجة الصفر السيليزي نشعر بان الحديد ابرد من الخشب. ماسبب ذلك 7.يصب الماء الساخن على غطاء علبة الزجاج التي تحتوي اطعمة معينة لكي نتمكن من فتحها بسهولة 1- قطعة من الذهب كتلتها 100g ودرجة حرارتها 25ºC وحرارتها النوعيةC 129J/Kg. 0 احسب: a- السعة الحرارية للقطعة 516Joule درجة حرارة قطعة الذهب اذا زودت بكمية من الحرارة مقدارها b- a. C=12.9Joule/ C, b. T 2 ج/ 65 C= 92

93 4 2 -ماهي كمية الحرارة التي فقدتها كتلة 160gمن بخار ماء بدرجة C حين اصبح الماء بدرجة Q total ج/ Joule = 20 0 C 3- اناء سعته الحرارية 50Joule / 0 C يحتوي 0.5kg ماء درجة حرارته 10 0 C اضيف الى الماء الموجود في االناء كمية من الماء الساخن كتلتها 1kg في درجة الحرارة 80 0 C كم تصبح درجة حرارة الخليط النهائية T f ج/ 56.3 C= 4- حائط من الطابوق مساحته الجانبية 10m 2 وسمكه 15cm احسب المعدل الزمني النتقال T 1 الحظ الشكل المجاور =20 0 C, T 2 الطاقة الحرارية اذا كانت درجتا الحرارة الجانبية لهما 10= 0 C علما ان معامل التوصيل الحراري للطابوق 0.63 watt /.m 0 C ج/ H=420watt T 1 T 1 >T 2 L A T 2 93

94 4 m 3 على مواقد =1kg و m 2 =0.1kg و m 1 5- عند تسخين ثالث كميات من الماء كتلتها = 0.5kg حرارية متماثلة لمدة ثالث دقائق أي الكتل ترتفع درجة حرارتها أكثر ولماذا 6- تم تسخين ولنفس المدة كمية من الماء كتلها 0.5kg وكمية من الزيت لها نفس الكتله. اي الجسمين يسخن اكثر ولماذا 7- ماكمية الحرارة التي تكتسبها كمية من الماء كتلتها 200g عندما ترتفع درجة حرارتها منC 20 0 الى 80 C ج/ Q = 50400Joule 8 -ماكمية الحرارة التي يفقدها جسم من النحاس كتلته 500g عندما تنخفض درجة حرارته من 75 0 C الى 25 C ج/ Q = -9675Joule 9- مادرجة الحرارة النهائية لكمية من الماء كتلتها 300g ودرجة حرارتها االبتدائية 20 C عندما تكتسب كمية من الطاقة الحرارية مقدارها 37800J ج/ T = 50 C 10- وضعت كمية من الماء كتلتها 0.5kg ودرجة حرارته 20 C في لوحة قوالب الثلج ثم ادخلت في قسم التجميد العلوي في الثالجة مامقدار الطاقة الواجب ازالتها من الماء لتحويله الى مكعبات ثلجية بدرجة حرارة 5 C-. Q total ج/ Joule = 94

95 مفردات الفصل المنظومة الشمسية 2-5 الشمس 3-5 الخصاي ص الفيزياي ية للشمس 4-5 طراي ق قياس بعض الخصاي ص الفيزياي ية للشمس 5-5 جو الشمس 6-5 البقع الشمسية 7-5 قوانين كبلر في الحركة الكوكبية 8-5 الكواكب السيارة 9-5 حزام الكويكبات 10-5 القمر 11-5 الخصاي ص الفيزياي ية للقمر 12-5 حركات القمر 13-5 ظاهرة الخسوف والكسوف 14-5 المذنبات 15-5 الشهب والنيازك المنظومة الشمسية 95

96 االغراض السلوكية ينبغي للطالب ان يكون قادرا على ان : 1- يتعرف على المنظومة الشمسية. 2- يعدد الخصائص الفيزيائية للشمس. 3- يبين كيفية قياس قطر الشمس وكتلتها. 4- يعرف البقع الشمسية. 5- يعدد حركات القمر. 6- يشرح ظاهرتي الخسوف والكسوف. 7- يتعرف على المذنبات. بعض المصطلحات الفلكية The solar system المنظومة الشمسية Astronomical unit الوحدة الفلكية Oort cloud غيمة اورت physical properties of the sun الخصائص الفيزيائية للشمس Surface temperature of the sun درجة الحرارة السطحية للشمس Solar atmosphere جو الشمس Photosphere الفوتوسفير Chromo sphere الكروموسفير 96

97 Corona Sunspots The planets Dwarf planets Asteroids Belt Solar and Lunar Eclipse Total Eclipse Partial Eclipse Annular Eclipse Umbra Penumbra Comets Meteors Meteorites Celestial object Star Angular Diameter Kuper Belt Nebula االكليل البقع الشمسية الكواكب السيارة الكواكب القزم حزام الكويكبات ظاهرة الكسوف والخسوف كسوف كلي كسوف جزئي كسوف حلقي الظل شبه الظل المذنبات الشهب النيازك الجرم السماوي نجم القطر الزاوي حزام كيوبر سديم 97

98 1-5 المنظومة الشمسية Solar System شكل) 1-5 ) المنظومة الشمسية من المعلوم اننا نعيش على كوكب سيار اسمه االرض الذي يدور مع اقرانه من الكواكب السيارة االخرى الحظ الشكل )1-5( بمدارات بيضوية حول الشمس التي تمتلك جاذبية قوية بفعل كتلتها الفائقة مما جعلت هذه الكواكب تدور حولها وتتخذها مركزا للدوران. يلتحق بالكواكب السيارة اقمارها وحزام الكويكبات والشهب والنيازك والمذنبات فضال عن بعض االجرام السماوية الصغيرة والمادة مابين الكواكب المكونة من الغازات واالتربة. حيث يتحرك جميعها بنظام دقيق وطبقا لقوانين فيزيائية معروفة ( قوانين كبلر وقانون نيوتن في الجذب العام وغيرها ) لذا تسمى هذه المجموعة بالمنظومة الشمسية. 2-5 الشمس The Sun نجم من ضمن آالف الماليين من النجوم الموجودة في مجرتنا) مجرة درب التبانة(, ولقرب االرض منها تبدو لنا الشمس كقرص متوهج والمع حيث تزودنا بالضوء والحرارة الالزمتين للعيش على سطح االرض. المجرة :)Galaxy( تكون محدودة الشكل والحجم وتحتوي عدد هائل من النجوم تعيش بالقرب من بعضها البعض وتسير منطلقة في الفضاء في نظام معين.وتسمى مجرتنا بمجرة درب التبانة او اللبانة 98

99 way( ) Milky حيث تحتوي تقريبا مئة الف مليون نجم. تتكون الشمس من كرة غازية متوهجة نتيجة التفاعالت النووية التي تحصل بداخلها والتي تؤدي الى ارتفاع درجة حرارة باطن الشمس الى حوالي K( 1.55 (الحظ x10 7 الشكل )2-5(,وتمتلك الشمس كتلة هائلة تعادل )99.86%( من كتلة المجموعة الشمسية مما يؤدي الى امتالكها جاذبية عاليةتخضعلهاالكواكبالسيارةواتباعها مع الكويكبات لكي تدور حولها بمدارات شكل) 2-5 ) الشمس بيضوية منتظمة وباالتجاه نفسه لحركة االرضمنالغربالىالشرقوفيمداراتقريبةمنمستويمداراالرضحولالشمسوالذييسمىبدائرةالبروجاو )دائرة الكسوف(وهذه المداراتتشغلحجمافيالفضاءامتدادهاكثرمن 80 وحدةفلكية.)الوحدة الفلكية. 15x10( 7 هي معدل البعد بين مركزي الشمس واالرض ومقدارها تقريبا) km : )Astronomical Unit 3-5 الخصا ي ص الفيزياي ية للشمس Physical Properties of the Sun ولدت الشمس من السديم الشمسي قبل حوالي 4600 مليون سنة)السديم Nebula :غيمة غازية ضخمة من الغازات املتأينة وقليل من االتربة فيها تولد النجوم وفيها متوت ) نتيجة دوران السديم حول نفسه وحول مركز مجرة درب التبانة و الشمس حاليا هي في منتصف عمرها تقريبا اذ ال تتغير خواصها الفيزياوية اال بعد حوالي 5000 مليون سنة عندما تتحول الشمس الى عمالق احمر Giant( )Red الحظ الشكل )3-5( 99 شكل )3-5( الخواص الفيزياوية للشمس

100 ( عمالق احمر : Red Giant مرحلة الشيخوخة من عمر النجم حيث تتغير خواصه الفيزياوية ) ان الشمس حاليا في حالة استقرار حيث ان قطر الشمس ال يتغير وسبب ذلك يعود الى تعادل قوتين هما قوة الضغط ان التفاعالت النووية )االندماج االشعاعي الناتج عن عمليات االندماج النووي التي تحصل في النووي(التي تحصل في باطن باطن الشمس واتجاهها نحو الخارج وقوة الجاذبية المركزية الشمس هي اتحاد اربع نويات من ذرة الهيدروجين)اي اربعة للشمس. تذكر ان مدة دوران الشمس حول بروتونات( لتكون نواة ذرة هيليوم محورها تختلف حسب )اي جسيم الفا( مع تحرير طاقة ان الشمس نجم) جرم غازي( خطوط العرض فعند خط نووية هائلة ناتجة عن فرق الكتل. متوهج بذاته و يدور حول االستواء الشمسي 25 محوره مثل دوران االرض يوم وعند القطبين 34 يوم حول محورها ( من الغرب ويعود سبب ذلك هو ان الشمس جرم غازي.بينما نالحظ ان االرض جرم صلب لذا فانها تكمل دورة واحدة حول محورها كل 24 ساعة. اىل الرشق(. هل تعلم 4-5 طراي ق قياس بعض الخواص الفيزياي ية للشمس نظرا لقرب االرض من الشمس تمكن العلماء من دراسة الكثير من خواصها الفيزيائية.لذا عدت الشمس نجما قياسيا و بداللته نتعرف على خواص النجوم االخرى مثل الكتلة النورانية انصاف االقطار درجات الحرارة السطحية وغيرها من الخواص الفيزيائية. )Diameter )D Θ 1 -القطر يمكن حساب قطر الشمس من المعادلة االتية : 2π r / 360 = D Θ /α Θ...)1( α Θ القطر الزاوي للشمس حيث تمثل : r متوسط البعد بين االرض و الشمس ( اي وحدة فلكية واحدة ) α Θ r =150 X10 6 km ومن معرفة = 100

101 وبعد تعويض القيم اعاله نحصل على مقدار قطر الشمس :- D Θ = 1.39 X 10 6 km :(Mass)M Θ 2- الكتلة تقاس كتلة الشمس بتطبيق العالقة االتية M Θ + M = 4 π 2 r 3 / GP 2...)2( حيث M هي كتلة االرض وتهمل النها صغيرة نسبة الى كتلة الشمس : G هي ثابت الجذب العام G = 6.67x10-11 N m 2 /kg 2 P :هي زمن دوران االرض حول الشمس دورة واحدة وتعادل سنة واحدة M Θ وبعد تعويض القيم اعاله نحصل على مقدار كتلة الشمس = 1.99 X kg (Surface Temperature of the Sun ) T Θ 3- درجة الحرارة السطحية للشمس صنف العلماء النجوم )بضمنها الشمس( كجسم اسود مشع مثالي حيث تخضع لقوانين االشعاع مثل قانون فين وقانون ستيفان بولتزمان وقانون بالنك في االشعاع واليجاد العالقة بين درجة الحرارة السطحية للشمس وكمية الطاقة لالشعاع والطول الموجي لالشعاع االعظم فاذاعلمنا ان الشمس تبعث طاقتها على مدى واسع من االطوال الموجية. لكن االشعاع االعظم لضوء الشمس يقع عند max ג(الحظ الشكل ) 4-5 (وبتطبيق قانون فين. الطول الموجي nm( = 500 T Θ = a / ג max...)3( حيث ان a ثابت فين ( K )a = 2.9x10-3 m. فنحصل على قيمة درجة الحرارة السطحية T Θ للشمس = 5800K شكل )4-5( مثال 1 نجم الشعرى اليمانية المع نجم في سمائنا ليال درجة حرارته السطحية حوالي ( 10000K(, جد الطول الموجي * max ג الذي عنده يبعث هذا النجم اعظم شدته. a=2.9x10-3 m. K ثابت فين Tوقيمة * بما ان درجة الحرارة السطحية للنجم ( 10000K(= * T max * = a / ג لذا فان : الطول الموجي لالشعاع االعظم لنجم الشعرى اليمانية max * = 2.9x10-7 m = 290 nm ג 101

102 5-5 جو الشمس Solar Atmosphere جو الشمس Solar Atmosphere االكليل Corona الفوتو سفير ( الكرة الضوئية ) photosphere الكرومو سفير ( الكرة اللونية ) Chromosphere لو رغبت في مشاهدة الشمس من خالل زجاج ملون. فانك ستشاهد قرص منتظم المع ومتألق ان هذا السطح هو الفوتوسفير.هذه الطبقة كثيفة بحيث ال تسمح لنا بمشاهدة ما يحصل في باطن الشمس ولونها اصفر ودرجة حرارتها تتراوح بين K) ( الحظ الشكل) 5-5 (. وبما انهاالطبقة االولى التي تالمس باطن الشمس فنشاهدعليها بعض الظواهرالسطحية الشمسية مثل البقع الداكنة وااللسنة الالمعة المتوهجة. الكرموسفير: حلقة شفافة لقلة كثافتهاتحيط طبقة الفوتوسفير. وتشاهد على شكل ومضة من ضوء الهيدروجين الوردي الساطع عند الكسوف. وهي منطقة الغازات المتوهجة وتصل درجة حرارتها الى K االكليل:الطبقة الخارجية لسطح الشمس والتي تمتدالى مسافات بعيدة جدا ودرجة حرارتها تصل الى 10 وبما 6 K انها طبقة ساخنةجدا ونسبة الجذب المركزي منخفضة عند المسافات البعيدة لذا ينشط االكليل فيقذف كميات كبيرة من الجسيمات المشحونة التي في غالبيتها تتكون من غازات متأينة فتولد الرياح الشمسية التي تتحرك بسرعات عالية وتمتد في الفضاء الى ماليين الكيلو مترات. ان هذه االنفجارات والمقذوفات لها تاثير على االرض وبعض هذه التاثيرات خطيرة لسكان االرض لوال وجود الغالف الجوي االرضي والمجال المغناطيسي االرضي. فالجزيئات القلب املركزي شكل )5-5(

103 الموجودة في الطبقات العليا من الغالف الجوي تمتص بعض االشعاعات السينية و بعض من انواع االشعة فوق البنفسجية القادمة من الشمس وتمنع وصولها االرض,اما المجال المغناطيسي االرضي فيعمل على تغيير مسار الجسيمات المشحونة في الرياح الشمسية الواصلة الى جو االرض ويحيدها نحو قطبي االرض فتتولد ظاهرة شكل )6-5( الشفق القطبي الحظ الشكل )6-5(. 6-5 البقع الشمسية) الكلف الشمسي ) spots Sun تظهر على طبقة الفوتوسفير مناطق داكنة درجة حرارتها اقل بمقدار 1500K من درجة حرارة الفوتوسفير ويظهر وسطها معتما ومحاطة بمنطقة اقل عتمة منها وذات مجاالت مغناطيسية عالية تعد منشأ لألنفجارات الشمسية العنيفة الحظ الشكل )7-5(. وان دورة نشاط الكلف الشمسي مدتها) 11 سنة ) خاللها يقل و يزيد متوسط عدد البقع الشمسية هل تعلم شكل )7-5( ان مقدار المجال المغناطيسي الشمسي يعادل االف المرات مقدار المجال المغناطيسي االرضي. 7-5 قوانين كبلر في الحركة الكوكبية. وضع العالم كبلر ثالثة قوانين وصف فيها حركة الكواكب السيارة حول الشمس وهي :- القانون االول: جميع الكواكب تدور حول الشمس في مدارات القطع الناقص)بيضوية الشكل(وتقع الشمس في احدى بؤرتيه. ان ابعد نقطة عن الشمس في المدار تسمى االوج واقرب نقطة تسمى الحضيض. القانون الثاني: المستقيم الواصل بين مركزي الشمس واي كوكب يمسح اثناء دورانه مساحات 103

104 متساوية في ازمان متساوية. اي المساحات الممسوحة في الثانية الواحدة تساوي كمية ثابتة. كما في الشكل) 8-5 (وفيه المساحة )x( مساوية للمساحة )y ) فكر هل السرعة المداريةلالرض حول الشمس ثابتة ام متغيرة خالل السنة الواحدة االوج الشمس y احلضيض x شكل )8-5( القانون الثالث: مربع زمن دوران كل كوكب حول الشمس يتناسب طرديا مع مكعب نصف قطرالمحور الكبيرلمدار الكوكب.اي ان :- P 2 α R 3...)4( كمية ثابتة = 3 P 2 / R حيث يمثل = P زمن دوران الكوكب لدورة واحدة حول الشمس = R نصف قطر المحور الكبير لمدار الكوكب ذي القطع الناقص 104

105 8-5 الكواكب السيارة The Planets تدور حول الشمس ثمانية كواكب سيارة اعتيادية وهي )عطارد الزهره االرض المريخ المشتري زحل اورانوس نبتون (. وتنقاد هذه الكواكب لقانون الجذب العام لنيوتن تبعا لكتلها حيث انها تتخذ اشكاال كروية باالضافة الى انها تنجذب الى الشمس وتدور حولها,وان لجاذبيتها تاثير في االجرام الصغيرة المحيطة بها الحظ الشكل )9-5(. المريخ االرض الزهره عطارد نبتون اورانوس المشتري زحل شكل )9-5( ويوجد في المجموعة الشمسية حزام من الكويكبات )كويكب مصغر كوكب( يقس م الكواكب السيارة الى قسمين هما : 105

106 الكواكب السيارة The Planets الكواكب الخارجية )الكواكب الغازيةالعمالقة( )The Outer Planets ( المشتري,Jupiter زحل, Saturn اورانوس,Uranus نبتون. Neptune الكواكب الداخلية )الكواكب االرضية( )The Inner Planets ( عطاردMercury, الزهرةVenus, االرض, Earth المريخ.Mars 1- الكواكب الداخلية: وهي الكواكب القريبة من الشمس )عطارد الزهرة االرض المريخ( وهي تشبه االرض بمكوناتها من الصخور والمعادن واكبرهم كتلة هو االرض وتسمى احيانا بالكواكب االرضية الحظ الشكل) 10-5 (.والتوجد اقمار حول عطارد والزهرة بينما يمتلك كوكب االرض قمرا واحد ا ويمتلك المريخ قمرين ويتصف المريخ بلونه االحمر لوجود الرمال الصحراوية على عطارد سطحه.ان اسخن كوكب في المجموعة المريخ الزهرة االرض الشمسية هو الزهرة بالرغم من ان عطارد شكل )10-5( اقرب للشمس وان سبب ذلك هو احتواء غالفه الجوي على نسبة عالية من غاز ثنائي اوكسيد الكربون الذي يعمل على امتصاص االشعة تحت الحمراء فتزداد درجة حرارته ويتصف كوكب الزهرة بانه يشاهد تارة قبل شروق الشمس وتارة اخرى بعد غروبها تبعا لموقعه عن الشمس وقد سمي سابقا ( بنجمة نبتون المساء ونجمةالصباح(.كما ويتميز بدورانه حول محوره من الشرق الى الغرب. اورانوس فكر ايهما مدته الدورية) زمن دورانه حول الشمس دورة واحدة( اطول عطارد ام املريخ. زحل شكل )11-5( 2- الكواكب الخارجية: وتسمى ايضا بالكواكب الغازية العمالقة لضخامة كتلها وحجمها وهي )المشتري, زحل, اورانوس, نبتون( الحظ الشكل) 11-5 (. المشتري 106

107 المشتري: هو اكبرالكواكب في المجموعة الشمسية ويمتلك 63 قمرا وباستطاعتنا رؤية اربعة اقمار منها بوساطة تلسكوب بسيط وذلك لكبر كتلها وحجومها ويكمل المشتري دورته حول محوره كل 10 ساعات ونالحظ على سطحه حزما من الغيوم المضيئة والمظلمة و بقعة تسمى البقعة الحمراء العظمى spot(.)great Red زحل: يمتلك على االقل 50 قمرا. وكان معروفا في السابق ان لكوكب زحل فقط حلقات ملونة تحيط به واالكتشافات الحديثة تؤكد ان جميع الكواكب العمالقة لها حلقات محيطة بها. اورانوس : يتميز بان محور دورانه موازي تقريبا لمستو مداره حول الشمس الحظ الشكل) 9-5 ( كما وانه يشبه الزهرة في دورانه حول محوره فهو يدور من الشرق الى الغرب ويمتلك اكثر من 20 قمرا. باالضافة لهذه الكواكب الثمانية االعتيادية هناك كوكب بلوتو كان يعد من ضمن الكواكب السيارة لغاية عام 2006 حيث تقرر اخراجه من قائمة الكواكب السيارة وادرج ضمن الكواكب القزمية )الكواكب القزمية هي الكواكب التي تخضع لقوانين الجاذبية حيث انها تنجذب الى الشمس كما في الكواكب االعتيادية ولكنها ال تتمكن من جذب االجرام الصغيرة المحيطة بها(. 9-5 حزام الكويكبات Asteroids Belt انحزامالكويكباتيحتويعلىعدةاالفمناالجرامصغيرة الحجم والكتلةنسبة الىحجموكتلة الكواكب السيارة.وهذه االجرام غير منتظمة الشكل تسمى الكويكبات. يقع الحزام بين كوكبي المريخ والمشتري ويبعد حوالي ) ) وحدة فلكية عن الشمس. ان نصف كتلة محتويات هذا الحزام موجودة في اكبر اربعة كويكبات واكبرهم كويكب اسمه سيرس وقد صنفه علماء الفلك حديثا من ضمن الكواكب القزمية. شكل )12-5( 10-5 القمر ( )Lunar The moon الزهره عطارد المريخ االرض المشتري معظم الكواكب السيارة تمتلك توابع نسميها اقمارا ولها اسماء تتميز بها فاالرض لها تابع واحد اسمه القمر. وهناك اقمار لبعض الكواكب االخرى اكبر كتلة من قمرنا ولكن التفاوت بين كتلة االرض و كتلة القمر اقل مما هو عليه بين الكواكب السيارة االخرى واقمارها فمثال اكبر توابع نبتون هو )تريتون( ال تتعدى كتلته / 1 من 750 كتلة نبتون بينما كتلة القمر تعادل /1 81 من كتلة االرض لذا يطلق على 107

108 االرض والقمر بالكوكب المزدوج اي planet( )double وهذا يعني ان القمر واالرض يدوران حول مركز كتلتيهما وليس صحيحا ان القمر يدور حول مركز االرض الخصاي ص الفيزياي ية للقمرmoon The physical properties of the α من قياسه اذا علمنا ان القطر الزاوي للقمر = :نتمكن D m ومعدل البعد بين مركزي القمر واالرض r = km 1- قطرالقمر وبعد تعويض اعاله في معادلة) 1 ( نحصل على ان قطر القمر : M m ان كتلة القمر تعادل / من كتلة االرض 2- كتلة القمر وبما ان كتلة االرض تساوي نحصل على كتلة القمر D m = 3476 km M E = 5.98 X kg M m = M E / 81.3 = 7.35 x kg g m = 1.62 m/s 2 ρ m -3 كثافة القمر = 3340 kg / m 3 : ρ m -4 معدل الجاذبية السطحية للقمر ( g ) : m g m تساوي ان معدل الجاذبية على سطح القمر وبما ان معدل الجاذبية على سطح االرض )g ) g m الى لذا فان نسبة معدل الجاذبية على سطح القمر معدل الجاذبية على سطح االرض g تساوي g = 9.8 m/s 2 g m / g = 1/ 6 ) Escape Velocity )V escm 5- سرعة االفالت على سطح القمر )) مقدار السرعة التي يحتاجها اي جرم )مثل مركبة فضائية( ليترك سطح القمر تماما وينطلق الى الفضاء فكر 6- المجال المغناطيسي للقمر: V escm =2.38x10 3 m/s=2.38km/s تزود المركبات الفضائية التي تدور حول القمر باجهزة لقياس المجال المغناطيسي تسمى مقاييس المغناطيسية ) Magnetometers (.وقد وجد ان مقدار المجال المغناطيسي للقمر ضعيفا جدا بالمقارنة مع المجال المغناطيسي االرضي. D m = α x 2πr ρ m = M m V اذا كان وزنك على سطح االرض 660N فكم هو وزنك على سطح القمر. 108

109 7- قياس بعد القمر عن االرض: يدور القمر حول االرض في مدار بيضوي و له شذوذ مركزي صغير لذا فان معدل بعدالقمرعن االرض = نصف )بعدالقمر من نقطة الحضيض + بعدالقمر من نقطة االوج( وهناك طرائق عدة لقياس بعد القمر واحدثها هي استعمال جهاز مقدرة المدى باشعة الليزر الذي وضعه رواد الفضاء على سطح القمر حيث ان معدل بعد القمر عن االرض يساوي km وبنسبة خطا. ± 10cm 8- جو القمر: اليوجد حول القمر غالفا جويا اي التوجد رياح على سطحه وكذلك اثبتت الدراسات الفلكية عدم وجود ماء على سطحه.لذا فال توجد غيوم او امطار على القمر ونتيجة لذلك نالحظ ان درجة الحرارة على سطحه متفاوتة جدا بين ليله ونهاره فلقد وضع رواد الفضاء اجهزة تسجل درجات الحرارة على سطح القمر وقياسها بدقة فكانت درجة الحرارة في النهار )400K+( بينما في الليل ( 100K _ ).وخالل ساعة واحدة من فترة الخسوف الكلي عندما تحجب االرض اشعة الشمس عن سطح القمر تنخفض درجة الحرارة 150 K بينما نالحظ عند ظاهرة الكسوف الكلي تنخفض درجة الحرارة على سطح االرض اقل من 10 K خالل عدة دقائق وذلك لوجود الغالف الجوي االرضي والمياه واللذان يساعدان في التوزيع الحراري لجو االرض. وقد توصل حديثا علماء الفلك في وكالة ناسا وبتاريخ بدالئل على وجود ماء متجمد تحت الصخور لسطح القمر والزالت الدراسات متواصلة حركات القمر حركات القمر الحركة المحورية دوران القمرحول نفسه )محوره( مدتها )27.32( يوما لكل دورة واحدة الحركة المدارية دوران القمر في مداره حول االرض مدتها تختلف حسب نوع دورة القمر الشهرية واهم انواعها الدورة االقترانية )الشهر القمري(: دوران القمر حول االرض بالنسبة الى الشمس, ومدتها )29.53( يوما الدورة النجمية )الشهر النجمي(: دوران القمر حول االرض نسبة الى نجم ما في الفضاء ومدتها ) (يوما. 109

110 الحركة المدارية للقمر: يدورالقمر حول االرض في مدارالقطع الناقص ( بيضوي( ويميل مستوي هذا المدار عن مستوي مدار االرض بزاوية قياسها ( 0 5.2( تقريبا كما في الشكل) 13-5 (. لذا يتقاطع المداران في موقعين يسميان بالعقدتين وهما العقدة الصاعدة) B ) والعقدة النازلة )A(. ان مدة الدورة المدارية هي يوما ولكن االرض تدور حول الشمس في الوقت نفسه لذا تتأخر الدورة االقترانية بمدة اطول من يومين لتكمل الشهر القمري. تذكر شكل )13-5( ان االشهر القمرية هي الدورات االقرتانية للقمر وتحسب من نقطة االقرتان باالرض اي عندما تكون الشمس واالرض والقمر عىل استقامة واحدة. ومدتها) ( يوما. اوجه القمر خالل دورته االقترانية : يتغير شكل الجزء المضئ من القمر خالل دورته االقترانية حول األرض أى خالل الشهر القمرى, حيث يبدأ تحدب اخير تربيع اخير هالل اخر الشهر هالل قديم بدر محاق االرض اشعة الشمس تحدب اول تربيع اول هالل اول الشهر هالل جديد شكل )14-5( 110

111 القمر على هيئة هالل رفيع فى أول الشهر بعد خروجه من المحاق ثم يكبر تدريجيا ويصبح تربيع أول ( الجزءالمضيء 50% من قرص القمر( بعد مرور االسبوع االول من الشهرالقمري. ثم ياخذ الجزء المضيء باالزدياد التدريجي حتى يصبح القمر بدرا في منتصف الشهر القمري حيث نشاهده من غروب الشمس الى شروقها.ثم يأخذ البدر فى التناقص التدريجى حتى يصبح تربيع اخير عند بداية الربع األخير من الشهر يتحول بعدها إلى هالل اخر الشهر)هالل قديم( ثم محاقا فى نهاية الشهر القمرى. يتميز هالل اول الشهر)الجديد( ان شكله يكون مقطع من حرف D ونشاهده عند الغروب ومن جهة الغرب بينما هالل اخر الشهر)القديم( يكون شكله يشبه حرف Cالحظ الشكل) 14-5 ( ونشاهده قبل شروق الشمس ومن جهة الشرق. هل تعلم ان سكان االرض يشاهدون دائما وجه واحد للقمر. اي اليمكن مشاهدة ظهر القمر. وسبب ذلك يعود الى تساوي المدة الزمنية لدوران القمر حول نفسه و المدة الزمنية لدوران القمر حول االرض يوما.مما يتعذر لنا رؤية الوجه الثاني للقمر ظاهرتا الخسوف والكسوف phenomenon of Solar & Lunar eclipse بما ان االرض والقمر اجراما صلبة وكرويةالشكل واصغر حجما من الشمس لذا فعند سقوط اشعة الشمس عليهما سيتكون خلفهما ظل مخروطي الشكل ورأس المخروط في الجهة المعاكس الشعة شكل )15-5( الشمس وهذا الظل غير مرئي ما لم يمر خلفه جرم اخر فيظهر مظلما وهذا مانسميه بظاهرة الخسوف او الكسوف. ان ظاهرة الخسوف والكسوف التحدث في كل شهر بسبب ميل مستوي مدار القمر عن مستوي مدار االرض بزاوية مقدارها )5.2 ),فاذا 111

112 اتفق واصبح القمر في احدى العقدتين او بالقرب منهما سنالحظ ظاهرة الخسوف -1 ظاهرة الكسوف ( Eclipse )Solar : تحصل هذه الظاهرة عندما يكون القمرفي المحاق وفي احدى العقدتين او بالقرب منها. وعلى الخط الواصل بين الشمس واالرض الحظ الشكل) 15-5 (. وهناك عدة انواع للكسوف: فعندما يتمكن قرص القمر حجب قرص الشمس تماما يسمى )كسوف كلي-) eclipse.total كما في الشكل) 16-5-a(. وعندما يكون القمر بعيدا عن االرض ( قريبا من منطقة االوج( لدرجة انه ال يحجب قرص الشمس كليا بل يترك حلقة رفيعة من ضوء الشمس حول قرص القمر فتحصل ظاهرة )الكسوف الحلقي- eclipse Annular (كما في الشكل) b-16-5 (. وعندما يكون القمر قريب من العقدتين وفي منطقة شبه الظل فيحصل )الكسوف الجزئي- Partial 16-5-c(. كما في الشكل) )eclipse a b c شكل )16-5( 2- ظاهرة الخسوف) eclipse )Lunar تحدث هذه الظاهرة عندما يكون القمر بدرا وفي احدى العقدتين او بالقرب منها. وعندما تقع االرض على الخط الواصل بين الشمس والقمر.عندها يقع القمر في ظل االرض كما في الشكل) 17-5 ) فعندما يكون البدر في منطقة الظل Umbra تحدث ظاهرة الخسوف الكلي.أما اذا كان في منطقة شبه الظلPenumbra فتحصل ظاهرة الخسوف الجزئي. نالحظ في حالة الخسوف الكلي ان القمر اليختفي كليا بل يبقى سطحه باهتا ذا لون برتقالي تقريبا. فكر شمس االرض القمر ظل شبه ظل شكل )17-5( نتمكن من مشاهدة الكسوف الحلقي واستحالة مشاهدة الخسوف الحلقي. 112

113 14-5 المذنبات Comets شكل )18-5( ان اجمل منظر في السماء هو مشاهدة المذنب اذ يبدو لك كنجمة لها راس ساطع ومتا لق وذيل مضيء وممتد بعيداعن الشمس. فالمذنب هو جرم من اجرام المنظومة الشمسية و يتميز معظمها بمدارات بيضوية ذات استطالة كبيرة. يتكون المذنب من راس يسمى بالكرة الثلجية المغبرة الحتوائه على نواة صخرية الكتلة محاطة بطبقة ثلجية من الغازات المتأينة والغبار وعند اقتراب المذنب نحو الشمس تتبخر هذه الغازات لتكون الذؤابة التي تحيط بالنواة) وهي هالة من الغازات المتأينة والغبار الذي يحيط بالنواة (. واخيرا عندما يدنو المذنب من الكواكب الداخلية فان الرياح الشمسية تدفع الغازات المتأينة والغبار الموجود في رأس المذنب الى الخلف ليولد ذيل المذنب الذي يمتد طوله احيانا الى اكثر من 150 مليون كيلومتر. وان شكل الذيل يتغير حسب نوع المادة التي يحتويها الحظ الشكل ( 18-5 (. ومن انواعه:- - a ذيل مستقيم نسبيا اذا كان يحتوي غازات متاينة. ) Ion tail( - b ذيل منحني اذا كان يحتوي دقائق غبارية. وتقسم المذنبات حسب نوع المدار: 1- مدار ذو القطع الناقص )البيضوي( ان معظم مذنبات هذه الفئة منشاها )حزام كيوبر( الذي يقع خلف الكوكب العمالق نبتون وتتخذ مدارها البيضوي الذي نقطة الحضيض فيه قريبة من الشمس بينما نقطة االوج تكون خلف الكوكب المشتري وتتميز هذه الفئة بمدتها الدورية القصيرة اي مدة دورتها حول الشمس دورة واحدة اقل من 200 سنة ومنهم هل تعلم ان مدى تا ثير مجال جاذبية الشمس اكبر من 80 وحدة فلكية. لذا فان بعض المذنبات أصلها من غيمة المذنبات تسمى غيمة اورت) cloud )O ort وهي ضمن المنظومة الشمسية الباردة اذ تبعد حوالي ( 4 5 x x10 (وحدة فلكية. الشمس موقع ومنطقة الكواكب السيارة ومدار غيمة اورت 113

114 مذنب هالي حيث يكمل دورته حول الشمس كل 76 سنة. - 2 مدار ذو القطع الزائد.يكون شكل مدارالمذنب مفتوح بحيث يزورالشمس مرة واحدة في حياته,وهذه المذنبات منشاها غيمة اورت clouds( )Oort التي تقع على حافة المنظومة وتسمى )غيمة المذنبات( وبتاثير جاذبية الكواكب العمالقة فيها تنجذب الى داخل المجموعة الشمسية قسم من هذه المذنبات فيصبح مدارها قطع ناقص.الحظ شكل) 19-5 ) شكل )19-5( 15-5 الشهب والنيازك Meteors & Meteorites هي مجموعة من االجرام السماوية الصغيرة قادمة من الفضاء اما غبار او صخور تخترق الغالف الجوي لالرض ويقدر كميتها اكثر من طن سنويا.فالجرم الذي يحترق في الفضاء يسمى شهابا.Meteorite اما الجرم الذي يصطدم باالرض يسمى نيزك Meteor وان نسبة عالية من هذه االجرام أصلها من حزام الكويكبات او الكتل الغبارية المتطايرة من المذنبات عند اقتراب المذنب من الشمس. الشهب: Meteors عند اختراق هذه االجرام الغالف الجوي لالرض تزداد مقاومة الهواء لها فتتولد عملية االحتكاك بينهما مما يؤدي الى ارتفاع درجة حرارتها وتزداد الحرارة بازدياد سرعتها وكتلتها حتى تحترق وتتطاير مولدة ذيال متوهجا ومضيئا وعلى ارتفاع 100 عن km االرض.كما في شكل )20-5( الشكل) 20-5 ) النيازك: Meteorites وهي االجرام التي تصطدم باالرض بعد ا ختراقها الغالف الجوي لالرض.وهي على انواع منها صخور فقط اوحديد و بعضها صخور وحديد وبما انها االجرام الوحيدة التي تصل لالرض لذا يهتم العلماء بدراسة خواصها لجمع المعلومات عن المنظومة الشمسية الحظ الشكل) 21-5 (. شكل )21-5( 114

115 هل تعلم توجد هناك بعض الظواهر التي تؤكد الصلة بين المذنبات والشهب فمثال هناك مذنبات تالشت تماما من الوجود ومنها مذنب )ببيال( الذي له مدة دورية )6.75 سنة( فقد انقسم الى شطرين في عام 1846 وشوهد هذان التوأمان عام 1852 وبعد عشرين عاما شوهد عوضا عنهما في المنطقة نفسها مجموعة من زخات الشهب. ملحق )1( 115

116 5 س 1 - اختر العبارة الصحيحة من العبارات االتية : 1- الكواكب االرضية هي الكواكب الداخلية االربعةعلى التوالي حسب بعدها عن الشمس - b االرض المريخ الزهرة عطارد - a عطارد المريخ الزهرة االرض - c عطارد الزهرة االرض المريخ. - d الزهرة عطارد المريخ االرض. 2- تتصف البقع الشمسية بدرجة حرارة اقل من المنطقة المحيطة بها وهي طبقة : - b الكروموسفير - a الفوتوسفير - d باطن الشمس - c االكليل - 3 تحدث ظاهرة الكسوف الكلي عندما يكون : - b القمر في المحاق وفي احدى العقدتين. - a القمرفي المحاق فقط - d القمر بدر - c االرض بين الشمس والقمر 4- ان اكبر الكواكب السيارة كتلة هو الكوكب العمالق الغازي : - b المشتري - a اورانوس - d نبتون. - c زحل 5- نطبق قانون فين اليجاد قيمة : - b قطر الشمس - a درجة الحرارة السطحية للشمس - d الخواص الفيزياوية كلها. - c كثافة الشمس 6- الجرم السماوي الذي يسقط على االرض يسمى : - b نيزك - a شهابا d -كويكب - c مذنب 7- كوكب زحل المعروف بعده عنا يمكن حساب قطره اذا علمنا مقدار : - b كثافته - a كتلته - d درجة حرارته. - c قطره الزاوي 116

117 5 س 2 - امالء الفراغات االتية - 1 يتجه ذيل المذنب باتجاه... التجاه الشمس. - 2 المدة الدورية للقمر حول محوره... يوما. - 3 تختلف مدة دوران الشمس حول محوره حسب خطوط العرض وذلك نتيجة ان الشمس جرم ان احدى وحدات القياس الفلكية هي معدل المسافة بين مركزي الشمس واالرض وتسمى... س - 3 عدد الكواكب السيارة حسب بعدها عن الشمس. س - 4 السرعة المدارية للكواكب عند منطقة الحضيض اكبر من سرعتها المدارية عند منطقة االوج.علل ذلك. س - 5 لماذا التحصل ظاهرة الكسوف في كل شهر. س - 6 قارن بين هالل اول الشهر)الهالل الجديد( وهالل اخر الشهر)الهالل القديم(. س - 7 الجرم السماوي الذي يخترق الغالف الجوي لالرض تارة يسمى شهابا وتارة اخرى نيزك.فسر ذلك. 117

118 مفردات الفصل طبيعة الضوء وانتشاره. 2-6 المصدر الضوي ي النقطي. 3-6 مبدأ هايجنز. 4-6 قوة االضاءة. 5-6 شدة االستضاءة. 6-6 قانون التربيع العكسي. الضوء 118

119 االغراض السلوكية ينبغي للطالب ان يكون قادرا على ان : 1- يشرح طبيعة الضوء وانتشاره عبر الفراغ واالوساط. 2- يتعرف على المعنى الهندسي للمصدر الضوئي النقطي. 3- يطبق مبدأ هايجنز في انتشار موجات الضوء. 4- يتعرف على وحدات القياس لكل من : )السيل الضوئي قوة األضاءة شدة االستضاءة(. 5- يبين العالقة بين السيل الضوئي وقوة االضاءة. 6- يشتق العالقة الرياضية بين : قوة االضاءة وشدة االستضاءة. المصطلحات العلمية Optics البصريات Sources of Light مصادر الضوء Propagation of Light انتشار الضوء Velocity of Light سرعة الضوء Luminous object الجسم المضيء illuminated object الجسم المستضيء Huygen s principle مبدأ هايجنز Wavefront جبهة الموجة Wave length طول الموجة frequency التردد Visible spectrum الطيف المرئي Luminous flux السيل الضوئي Luminous Intensity قوة االضاءة illuminance شدة االستضاءة 119

120 1-6 طبيعة الضوء وانتشاره مي كننا الضوء الساقط على االجسام جسم مضيء شكل )1-6( جسم مستضيء واملنعكس عنها والواصل الى العني من رؤيتها. فاالجسام التي تبعث الضوء ندعوها باالجسام املضيئة كالشمعة املتقدة والشمس واالجسام التي تعكس الضوء ندعوها باالجسام املستضيئة كالقمر شكل) 1-6 ( ولكن ال يقتصر فعل الضوء على هذا فمثال تسخن االجسام التي تسقط عليها اشعة الشمس وهذا يعني ان الضوء ميتلك طاقة ينقلها من الشمس الى االرض عبر الفضاء اخلالي. ومن املعلوم ان الطاقة تنقل اما بوساطة املوجات او اجلسيمات وعلى هذا االساس مت تفسير طبيعة الضوء على وفق فرضيتني : هما النظرية الدقائقية والنظرية املوجية. ووفق النظرية الدقائقية فأن الضوء عبارة عن سيل من اجلسيمات الصغيرة جدا التي دعاها نيوتن بالدقائق )corpuscles( املنتشرة في وسط ما.وقد فس ر مبوجبها ظواهر االنعكاس واالنكسار وانتشار الضوء بخطوط مستقيمة في الوسط املتجانس )اال ان تفسيره لظاهرة االنكسار كان خاطئا (. الحظ الشكل )2-6(. اما العالم هايجنز الذي عاصر نيوتن فقد افترض النظرية املوجية للضوء التي فس ر مبوجبها ظواهر شكل )2-6( االنعكاس واالنكسار والتداخل واحليود في الضوء. وكان لكل واحدة من هاتني النظريتني مؤيدون ومعارضون وقد سادت النظرية الدقائقية ألكثر من قرن ملا كان يتمتع به العالم نيوتن من مكانة علمية مرموقة على الرغم من ان اي من هاتني النظريتني وبصورة منفردة لم تستطيع تفسير جميع الظواهر البصرية تفسيرا كامال. في نهاية القرن التاسع عشر وضع العالم كالرك ماكسويل النظرية الكهرومغناطيسية ومبوجبها بني ان كل شعاع ضوئي هو عبارة عن موجات كهرومغناطيسية 120

121 شكل )3-6( وبذلك عزز دور النظرية املوجية من جديد ومن مالحظة الشكل )3-6( جند ان ترددات الطيف الكهرومغناطيسي يتضمن ترددات موجات الضوء املرئي التي اطوالها املوجية متتدمن 400nm تقريبا وهو اللون البنفسجي الى 700nm تقريبا وهو اللون االحمر. ميكن ايجاد تردد الضوء املرئي بداللة طوله املوجي )λ( وسرعة الضوء في الفراغ على وفق العالقة التالية: سرعة الضوء في الفراغ التردد = الطول الموجي اي ان : c = f ג حيث ان : ( m / s ) سرعة الضوء في الفراغ = c ג = طول املوجة = f التردد هل تعلم السنة الضوئية هي المسافة التي يقطعها الضوء في الفراغ بسرعة m/s في مدة 365 يوم والتي تقدر بحوالي km 121

122 ومن اجلدير بالذكر ان هناك ظواهر اخرى اخفقت النظرية الكهرومغناطيسية في تفسيرها مثل ظاهرة اشعاع اجلسم االسود والظاهرة الكهروضوئية والتي فسرت الحقا من قبل العالم ماكس بالنك Max( )plank اذ افترض ان الضوء ال يشع من مصدره على هيئة موجات بل على هيئة رزم محددة من الطاقة غير قابلة للتجزئة تدعى كم ات )فوتونات( وان طاقة الكم الضوئي )الفوتون( تتناسب طرديا مع تردد اشعاعه اي ان : طاقة الفوتون = ثابت بالنك تردد االشعاع photon energy = planck constant frequency of radiation E = h. f حيث ان: = E طاقة كم االشعاع. = f التردد J.S. ثابت بالنك ويساوي = h مثال 1 إحسب تردد الضوء البنفسجي الذي طوله املوجي )400nm(. علما أن سرعة الضوء في الفراغ تساوي 10 3=c 8 m/s سرعة الضوء في الفراغ الطول املوجي c = f λ = f التردد = الحل : تردد الضوء البنفسجي f = Hz 122

123 ג مثال 2 ما طاقة فوتون االشعاع للضوء االخضر الذي طوله املوجي 555nm E = h. f c = f ג احلل / طاقة الفوتون = ثابت بالنك التردد hc = E ג = 555nm = m = E E= J طاقة فوتون االشعاع للضوء االخضر 123

124 2-6 المصدر النقطي للضوء ان موجات الضوء تنتقل في الوسط املتجانس في خطوط مستقيمة وباجتاه انتشار االشعة الضوئية. فاذا صادفت هذه املوجات حاجزا فيه فتحة دائرية قطرها )d( اكبر كثيرا من طول موجة الضوء)ג<< d ( فان املوجة جتتاز هذه الفتحة مستمرة على احلركة بخط مستقيم الحظ الشكل )4-6-a ). اما اذا كان قطر فتحة احلاجز بقدر طول املوجة تقريبا لهذا الضوء )ג= d ( عندها ستنفذ منتشرة من الفتحة في جميع االجتاهات الحظ الشكل )4-6-b ). اما اذا كان قطر فتحة احلاجز اصغر بكثير من الطول املوجي للضوء )ג <<d( عندئذ تعد هذه الفتحة مصدرا نقطيا للضوء الحظ الشكل )4-6-c ). a b c شكل )4-6( 3-6 مبدأ هايجنز Huygen's Principle إن مبدأ هايجنز هذا ينص «كل نقطة من نقاط جبهة املوجة املفترضة تعد مصدرا نقطيا لتوليد موجات ثانوية كروية تسمى املويجات والتي تنتشر بعيدا عن املصدر خالل الوسط بسرعة معينة للموجات في ذلك الوسط وبعد انقضاء بعض الوقت يكون املوضع اجلديد جلبهة املوجة هو جبهة موجة جديدة جبهة موجة جبهة موجة جديدة جبهة موجة a شكل )5-6( b السطح املماس للمويجات.لنتأمل موجة مستوية تتحرك عبر الفضاء اخلارجي احلر الحظ الشكل) a-5-6 ( عند الزمن. AA' جبهة املوجة موضحة بوساطة املستوى )0=t(. 124

125 على وفق مبدأ هايجنز االفتراضي كل نقطة على جبهة املوجة تعد مصدرا نقطيا وبالطريقة نفسها يظهر الشكل )5-6-b( بناء نظرية هايجنز االفتراضي ملوجة كروية. الشكل )6-6( يظهر فيه مبدأ هايجنز موجات مستوية قادمة من بعيد نحو الشاطىء مارة من فتحات في اجلدار احلاجز بهيئة موجات دائرية ذات بعدين منتشرة نحو اخلارج باجتاه الساحل. شكل )6-6( 4-6 قوة االضاءة Luminous Intensity الحظنا سابقا اختالف املصادر الضوئية في اصدارها للضوء فالشمس تضيء اكثر مما يضيء املصباح على سطح معني واملصباح يضيء اكثر مما تضيء الشمعة للظروف نفسها. فلو اخذنا مصباحني متماثلني من النوع نفسه وقدرة احدهما 500 watt واالخر 40 watt فاملصباح االول يضيء اكثر من املصباح الثاني الحظ الشكل )7-6(. ان هذا االختالف يعود الى اختالف قوة االضاءة اي اختالف املعدل الزمني للطاقة املنبعثة من كل مصدر من املصدرين الضوئيني وعلى هذا االساس ميكننا القول : ان قوة اضاءة املصباح االول اكثر من قوة اضاءة املصباح الثاني وتعرف قوة االضاءة ملصدر ضوئي بانها كمية الطاقة الضوئية ( املرئية ) املنبعثة من مصدر ضوئي خالل وحدة الزمن. 40 watt شكل )7-6( 500 watt لتقييم تأثير االشعة الضوئية في العني تستعمل كمية فيزيائية تسمى السيل الضوئي والذي يعرف بأنه: ذلك اجلزي من سيل االشعاع الذي يولد احساسا ضوئيا في العني فهو مقياس لقوة إضاءة املصدر )I(. 125

126 ويعبر عنه وفق العالقة الرياضية االتية: السيل الضوئي = 4π قوة اضاءة املصدر Φ = 4π I حيث ان : هل تعلم ان مصباح االضاءة الكهربائي الذي قدرته 100W قوة إضاءته 139cd ويبعث عند اشتغاله سيال ضوئيا مقداره Lm( )1750. = I متثل قوة اضاءة املصدر النقطي مقدرة بالشمعة القياسية )cd( شكل )8-6( ويقاس السيل الضوئي Φ بوحدة اللومن )Lm( والذي يعرف بالسيل الساقط على وحدة املساحة ( 2 1m (من سطح كروي نصف قطره متر واحد ويقع في مركزه مصدر ضوئي نقطي قوة اضاءته شمعة قياسية واحدة ( cd ) الحظ الشكل ( 8-6(. 5-6 شدة االستضاءة )E( ILLuminance يصعب رؤية االجسام من حولنا في غرفة مظلمة ولكن عند وجود الشمعة املتقدة ميك ننا ضوئها من رؤية االجسام من حولنا ويفسر ذلك بانتشار سيل ضوئي من مصدر الضوء )الشمعة( حيث ينعكس قسما من السيل الساقط على تلك االجسام الى العني فيمكننا عندئذ من رؤية هذه االجسام. فكلما كان السيل الضوئي الساقط على االجسام املنظورة اكبر كانت رؤيتنا لهذه االجسام اكثر وضوحا اي ان كمية شدة االضاءة )E( هي التي متي ز اختالف رؤية االجسام الذي يسببه السيل الضوئي الساقط عليها وندعوها بشدة االستضاءة. فعندما يكون السيل الضوئي الساقط على السطح منتظما عندئذ تقاس كمية شدة االستضاءة بالسيل الضوئي الساقط عموديا على وحدة املساحة من هذا السطح. اي أن : السيل الضوئي شدة االستضاءة = املساحة 126

127 Φ =E A حيث : E= شدة االستضاءة وتقاس بوحدة Lumen / m 2 وتسمى اللوكس )Lux( اي ان Lux = Lm / m 2 m( 2 املساحة مقدرة ب) A= )Lm( السيل الضوئي مقدر ب = Φ تقاس شدة االستضاءة E بوساطة جهاز الفوتوميتر Photometer واللوكسميتر. الحظ الشكل) 9-6 (. شكل )9-6( 6-6 قانون التربيع العكسي : Law Inverse Square هناك طريقتان لزيادة شدة االستضاءة على سطح ما باستعمال مصدر نقطي قوة اضاءته معلومة وهما : 1( زيادة السيل الضوئي Φ الساقط على السطح املضاء. 2( نقصان املسافة بني املصدر الضوئي النقطي والسطح املضاء. وعلى هذا االساس فإن شدة االستضاءة )E( تتناسب طرديا مع السيل الضوئي للمصدر وعكسيا مع مربع املسافة بني املصدر الضوئي النقطي و السطح املستضيء املواجه للمصدر الضوئي وفق العالقة االتية: Φ =E 4πr 2 = Φ السيل الضوئي الساقط ويكون عموديا على املساحة. = r بعد املصدر الضوئي النقطي عن السطح املستضيء. - ان املعادلة اعاله تتحقق فقط في حالة السقوط العمودي للضوء الصادر عن مصدر ضوئي نقطي. 127

128 شدة االستضاءة لمصدر ضوئي نقطي تتناسب عكسيا مع مربع بعد المصدر عن السطح المضاء. أدوات النشاط.. مصدر ضوئي حاجز فيه فتحة مربعة الشكل شاشة بيضاء الخطوات.. r 1 من املصدر. فسوف يظهر على نثبت احلاجز أمام املصدر الضوئي وجنعل الشاشة على بعد 1m= الشاشة سطحا مضاء والذي A 1 مربع الشكل. مساحته A 2 r 2 من املصدر فسوف يظهر سط ح مضاء مربع الشكل مساحته جنعل الشاشة على بعد 2m= 1 مما كانت عليه اوال. A 1 اي ان شدة االستضاءة على الشاشة قل ت الى 4 تساوي اربع مرات بقدر r 3 من املصدر فسوف نستلم على الشاشة سط ح مضاء مربع الشكل جنعل الشاشة على بعد 3m= 1 مما كانت مساحته A 3 تساوي تسع مرات بقدر A 1 اي ان شدة االستضاءة على الشاشة قلت الى 9 عليه اوال. وان االستنتاج : مبا ان السيل الضوئي ø الساقط على السطح يبقى ثابتا constant في احلاالت الثالث ø= constant Φ =E 4πr 2 1 Eα 128 r 2

129 ان شدة االستضاءة على السطح املضاء تتناسب عكسيا مع مربع بعده عن املصدر الضوئي النقطي E 1 = Φ 2 4π r 1 Φ = 2 E و 4πr 2 2 اي ان : E 1 r 2 2 = E 2 r 1 2 مثال 1 وضعت شاشة بيضاء مبستوي عموديا على اجتاه سقوط اشعة ضوئية من مصدر نقطي قوة اضاءته )5cd(. احسب مقدار شدة االستضاءة على الشاشة إذا كان بعدها عن املصدر )5m(. الحل / قوة األضاءة شدة االستضاءة = مربع البعد عن املصدر في حالة السقوط العمودي I = E r 2 5 E= Lm/m E= Lm/m 2 25 E=0.2 Lux 129

130 مثال 2 مصباح قوة اضاءته )32cd( يبعد )0.6m( عن شاشة وهناك مصباح آخر من اجلهة الثانية من الشاشة يبعد عنها )1.2m( فإذا تساوت شدة االستضاءة على وجهي الشاشة. مامقدار قوة اضاءة املصباح الثاني E 1 =E 2 الحل / مبا ان I 1 I 2 = r 1 2 r 2 2 I 2 r 2 2 = I 1 r 1 2 I 2 )1.2( 2 = 32 )0.6( I 2 = 0.36 I 2 قوة اضاءة املصباح الثاني = 128 cd 130

131 6 س 1 / اختر العبارة الصحيحة لكل مما يلي : 1. ينتشر الضوء الصادر عن مصدر نقطي في الفراغ : a- باجتاه واحد. -b باجتاهني. c- بجميع االجتاهات. d- جميع االحتماالت السابقة. 2. عند انتقال حزمة من الضوء بصورة مائلة من وسط آلخر فالكمية التي ال تتغير هي: -a اجتاهها. -b انطالقها. c- طولها املوجي. -d ترددها. 3. ملضاعفة شدة االستضاءة مباشرة فوق سطح منضدة افقية فوقها متاما مصباح مضيء على ارتفاع 1m من مركزها وذلك بجعل املصباح على ارتفاع : 0.75m -a 0.707m -b 0.5m -c 0.25m -d 4. تقاس قوة االضاءة بوحدة :. )candle شمعة قياسية) -a 131

132 6.Lux -b.watt -c. lumen -d 5. تقاس شدة االستضاءة بوحدة : Joule -a. lumen -b Lux -c watt -d 6. كلما ازداد بعد السطح املضاء بوساطة مصدر نقطي فإن شدة االستضاءة للسطح : -a تقل. -b تزداد. c- ال تتأثر. d- جميع االحتماالت السابقة. 7. مصدر ضوئي نقطي موضوع عند مركز سطح كروي فلو ازداد نصف قطر تكور هذا السطح فان السيل الضوئي الساقط عليه من املصدر :- -a يتناقص. -b يتزايد. c- ال يتغير. d- كل االحتماالت السابقة. 132

133 6 س 2 - مصباحان قوة إضاءة االول تسعة امثال قوة إضاءة الثاني وكانت املسافة بينهما. 1m اين يجب وضع فوتومتر بني املصدرين لكي تصبح شدة االستضاءة متساوية على جانبي الفوتومتر ج : 0.75m x= س 3 - وضع مصباح قوة اضاءته )12cd( على بعد )1.2m( من فوتومتر ووضع في اجلهة الثانية منه مصباح آخر على بعد )1.32m( فتساوت شدة االستضاءة على جانبي الفوتومتر. احسب قوة اضائة املصباح الثاني. I 2 = 14.52cd ج : س 4 - مصباح مضيء يسلط عموديا على صفحة كتاب سيال ضوئيا مقداره )100πLm( ما بعد املصباح عن الكتاب اذا كانت شدة إضاءته.)4Lux( ج : 2.5m r= س 5 -في ليلة مقمرة كان القمر فيها بدرا شدة االستضاءة )0.6Lux( جد قوة إضاءة القمر في تلك الليلة علما ان املسافة بني االرض والقمر )m ( 8 ج : cd I= س 6 - فوتون ضوئي طول موجة اشعاعه )600nm(. ما مقدار طاقة هذا الكم علما ان ثابت بالنك E= J : ج -34 J.s 133

134 مفردات الفصل مقدمة في انعكاس وانكسار الضوء. 2-7 انعكاس الضوء وقانونا االنعكاس. 3-7 انكسار الضوء وقانونا االنكسار. 4-7 معامل االنكسار وقانون سنيل. 5-7 الزاوية الحرجة واالنعكاس الكلي الداخلي. 6-7 بصريات االلياف. انعكاس وانكسار الضوء 7-7 تطبيقات االلياف البصرية. 134

135 االغراض السلوكية ينبغي للطالب ان يكون قادرا على ان : - 1 يعرف انعكاس الضوء - 2 يعرف انكسار الضوء - 3 يعرف قانوني االنعكاس وقانوني االنكسار - 4 يستنتج عمليا قانوني االنعكاس وقانوني انكسار الضوء - 5 يعرف مفهوم معامل االنكسار - 6 يحل مسائل حسابية متنوعة على معامل االنكسار - 7 يوضح المقصود بالزاوية الحرجة - 8 يحدد فوائد بعض تطبيقات االنعكاس الكلي الداخلي. المصطلحات العلمية Critical angle الزاوية الحرجة Fiberoptics بصريات االلياف Index of refraction معامل االنكسار Optical density الكثافة الضوئية Reflection انعكاس Reflecting prism الموشور العاكس Refraction انكسار Sine of the angle جيب الزاوية Snells' law قانون سنيل Total internal reflection االنعكاس الكلي الداخلي Transparent medium وسط شفاف Vacuum فراغ Incident ray شعاع ساقط Reflected ray شعاع منعكس Refracted ray شعاع منكسر Air هواء Glass زجاج 135

136 مقدمة في انعكاس وانكسار الضوء. 1-7 Introduction to Reflection and Refraction of Light شكل )1-7( لو سئلنا السؤال التالي: ما سبب تكون صورة جملموعة اجلبال واالشجار في املاء كما في الشكل) 1-7 ( فان جوابك سيكون ان تكو ن الصورة هو نتيجة لظاهرة انعكاس الضوء فما الذي نقصده بانعكاس الضوء وماذا يحدث عند سقوط الضوء على سطح شفاف مثال يقصد بانعكاس الضوء بانه ظاهرة ارتداد الضوء الساقط على سطح فاصل بني وسطني الى الوسط الذي قدم منه. فاذا سقط الضوء على سطح ما انعكس جزء منه ونفذ جزء آخر من خالل االجسام الشفافة وامتص الباقي من لدن ذلك السطح الحظ الشكل )2-7(. وضحنا فيما سبق وبشكل موجز ظاهرة انعكاس الضوء فهل هذا هو سلوك الضوء دائما عندما يسقط على السطح الفاصل بني وسطني شفافني مختلفني سؤال يقتضي االجابة عليه كما اننا بحاجة ايضا االجابة على السؤالني التاليني : ملاذا تبدو السمكة في حوض فيه ماء على عمق اقل من عمقها احلقيقي وملاذا يبدو القلم مكسورا عند وضعه في كأس مملوءة باملاء الحظ الشكل )3-7(.ان السبب في ذلك هو ظاهرة انكسار شكل )2-7( الضوء فماذا نعني بانكسار الضوء ان انكسار الضوء هو تغير 136

137 في اجتاه الشعاع الضوئي عند انتقاله بني وسطني شفافني مختلفني في الكثافة الضوئية اذا سقط بصورة مائلة على السطح الفاصل بني الوسطني.فماذا نقصد بالكثافة الضوئية الكثافة الضوئية هي صفة للوسط الشفاف تعتمد عليها سرعة الضوء املار فيه فكلما كبرت الكثافة الضوئية للوسط الشفاف قلت سرعة الضوء فيه وبالعكس فمثال ان سرعة الضوء في الزجاج v (هي 2 اقل من سرعته في الهواء )نفترضها هنا شكل )3-7( v( 1 وسبب ذلك هو ان الكثافة الضوئية )نفترضها هنا للزجاج هي اكبر من الكثافة الضوئية للهواء الحظ الشعاع المنعكس العمود المقام الشعاع الساقط هواء زجاج θ 1 θ' 1 θ 2 v 1 v2 شكل )4-7(. الشعاع المنكسر شكل )4-7( انعكاس الضوء وقانونا االنعكاس 2-7 Reflection of light and the laws of Reflection 1 1 في الفقرة السابقة تطرقنا الى ظاهرة انعكاس الضوء الحظ الشكل )5-7( فما هي القوانني التي حتكمه وكيف ميكننا حتقيقها عمليا لتوضيح فكرة انعكاس الضوء عمليا جنري النشاط اآلتي: شكل )5-7( 137

138 1 مفاهيم خاصة بانعكاس الضوء ادوات النشاط: مصدر ضوئي ذو حزمة ضوئية متوازية ( ا ومصدر ليزري( مرآة مستوية قطعة من مادة البوليستيرين لنثبت املرآة عليها ورقة) ا و لوح شفاف ) وضعت )أو رسمت ) عليها منقلة مدرجة. الخطوات: نرتب ادوات النشاط كما في الشكل) 6-7 (. نسقط وبصورة مائلة حزمة رفيعة من اشعة ضوئية صادرة من مصدر ضوئي )او مصدر ليزري( باجتاه املرآة املستوية العمودية على الورقة فأننا سوف نالحظ انعكاس الضوء من سطح املرآة من نقطة تسمى نقطة السقوط. نرسم على الورقة عمودا من نقطة سقوط الشعاع الساقط على السطح العاكس. هل تستطيع االن ان تستنتج العالقة بني الشعاع الساقط والشعاع املنعكس والعمود املقام بالنسبة للسطح العاكس )θ 1 نحدد على الرسم زاوية السقوط ( )وهي الزاوية احملصورة بني الشعاع الساقط )Ò 1 والعمود املقام( وزاوية االنعكاس ( ( وهي الزاوية احملصورة بني الشعاع املنعكس والعمود املقام( ثم نقيس قيمتي زاوية السقوط وزاوية االنعكاس لهذه احلالة. نقوم بتغير زاوية السقوط عدة مرات ونعني قيمة زاوية االنعكاس املناظرة لها في كل حالة وندون النتائج في اجلدول) 1 (. االستنتاج : من خالل نتائجك التي حصلت عليها من هذا النشاط البد انك قد توصلت الى ان انعكاس الضوء هو ظاهرة ارتداد الضوء الساقط على سطح فاصل بني وسطني الى الوسط الذي قدم منه كما انك بالتأكيد قد توصلت الى قانوني االنعكاس : القانون االول لالنعكاس شكل )6-7( جدول) 1( )θ 1 زاوية السقوط) زاوية االنعكاس ( 1 θ( القانون الثاني لالنعكاس الشعاع الساقط و الشعاع املنعكس و العمود املقام من نقطة السقوط تقع جميعها في مستو واحد زاوية السقوط تساوي زاوية االنعكاس 138

139 انكسار الضوء وقانونا االنكسار. 3-7 Refraction of light and the laws of refraction لقد اصبح واضحا لديك بان عملية انكسار الضوء تعني تغيير اجتاه الشعاع الضوئي عندما ينتقل بني وسطني شفافني مختلفني في الكثافة الضوئية عند سقوطه بصورة مائلة على احد السطحني وان سبب ذلك هو تغير سرعة الضوء في الوسط الشفاف االول عنه في شكل )7-7( شكل )8-7( θ 1 > θ 2 θ 1 90 v 2 v 1 الوسط الشفاف الثاني الحظ شكل )7-7(. فكيف يكون مسار الشعاع املنكسر داخل الوسط الكاسر عندما ينتقل شعاع ضوئي ساقط بصورة مائلة من وسط شفاف اقل كثافة ضوئية كالهواء الى وسط شفاف آخر اكبر كثافة ضوئية كالزجاج فانه ينفذ الى الوسط اآلخر وينكسر مقتربا من العمود املقام على السطح الفاصل بني θ( 1 تكون اكبر الوسطني كما في الشكل )8-7( اي ان زاوية السقوط ( θ(. 2 وعندما ينتقل شعاع ضوئي ساقط بصورة من زاوية االنكسار ( مائلة من وسط شفاف اكبر كثافة ضوئية الى وسط شفاف آخر أقل العمود المقام v 1 هواء زجاج > θ 2 v 2 θ 1 90 θ 2 شكل )9-7( θ 1 > θ 2 كثافة ضوئية فانه ينفذ الى الوسط اآلخر وينكسر مبتعدا عن العمود املقام على السطح الفاصل بني الوسطني كما في الشكل )9-7( اي θ( 1 تكون اصغر من زاوية االنكسار ان زاوية السقوط ( ( 2 θ (. ولتوضيح فكرة انكسار الضوء عمليا جنري النشاط اآلتي: 2 مفاهيم خاصة بانكسار الضوء العمود المقام زجاج هواء v 2 > v 1 شكل )10-7( ادوات النشاط : حوض شفاف ( زجاجي او بالستيكي فيه ماء ( مصدر ضوئي )ذو طول موجي معني( مسحوق طباشير منقلة ورقة. الخطوات: نرتب ادوات النشاط كما في الشكل )10-7( مع مالحظة بانه يفضل ان يكون مكان العمل ذو خلفية مظلمة. 139

140 نسقط الشعاع الضوئي بحيث يكون عموديا على السطح الفاصل بني الوسطني الشفافني )الهواء واملاء في هذا النشاط( ماذا تالحظ انك سوف تالحظ بان الضوء ينفذ على استقامته وبصورة عمودية على السطح الفاصل بني الوسطني من غير ان ينحرف )او ينكسر(. اي ان الشعاع الضوئي ال ينكسر. نسقط الضوء ولكن هذه املرة بصورة مائلة على السطح الفاصل فعندما تنظر اليه بصورة عمودية من احد اجلوانب فانك ستالحظ ان الضوء النافذ )اي الشعاع املنكسر ) هو ليس على استقامة الضوء الساقط كما في حالة السقوط العمودي بل انه قد انحرف عن مساره )اي انكسر( الحظ الشكلني )10-7( )11-7(. على الورقة حدد السطح الفاصل بني الوسطني والشعاع الساقط والشعاع املنكسر وكذلك العمود املقام على السطح الفاصل من نقطة السقوط واالن البد انك قد الحظت بان الشعاع الساقط والشعاع املنكسر والعمود املقام كلها تقع في مستو واحد عمودي على السطح الفاصل θ 2 θ 1 90 شكل )11-7( 0 باستعمال املنقلة جد قيمة الزاوية احملصورة بني الشعاع الساقط والعمود املقام اي زاوية السقوط )θ 2 فهل θ( 1 كذلك جد قيمة الزاوية احملصورة بني الشعاع املنكسر والعمود املقام اي زاوية االنكسار ( ( وجدتهما متساويتني واحلقيقة انك ستالحظ بانهما غير متساويتني. غير عدة مرات قيمة زاوية السقوط فانك ستالحظ تغير قيمة زاوية االنكسار املناظرة لها في كل حالة ثم جد جيب زاوية السقوط وجيب زاوية االنكسار املناظرة لها لكل حالة )ميكنك ان ترتب هذه )sin θ 1 وجيب زاوية االنكسار القيم في جدول ( فانك ستجد ان النسبة بني جيب زاوية السقوط) )sin θ 2 مقدار ثابت في جميع احلاالت. من خالل النشاط السابق فانك قد تعرفت الى بعض املفاهيم ( املتعلقة بظاهرة انكسار الضوء والتي سبق لك ان درستها والتي تنص على: القانون االول لالنكسار الشعاع الساقط والشعاع املنكسر والعمود املقام من نقطة السقوط على السطح الفاصل تقع جميعها في مستو واحد عمودي على السطح الفاصل بني وسطني شفافني. القانون الثاني لالنكسار النسبة بني جيب زاوية السقوط وجيب زاوية االنكسار يساوي مقدار ثابتا. 140

141 تذكر لكل زاوية سقوط زاوية انكسار معينة خاصة بها بني وسطني مختلفني يف الكثافة الضوئية 4-7 معامل االنكسار وقانون سنيل Index of refraction and Snell, s law الحظنا سابقا بأن النسبة بني جيب زاوية السقوط للشعاع الساقط في الوسط الشفاف االول و جيب زاوية االنكسار في الوسط الشفاف الثاني هي نسبة ثابتة لهذين الوسطني.ان هذه النسبة تسمى معامل االنكسار من الوسط الشفاف االول الى الوسط الشفاف الثاني او معامل االنكسار النسبي بني الوسطني الشفافني ويعطى حسب العالقة االتية: حيث: : sin ө 1 جيب زاوية السقوط للشعاع الساقط في الوسط الشفاف االول. : sin ө 2 جيب زاوية االنكسار للشعاع املنكسر في الوسط الشفاف الثاني. 1 n 2 sin ө 1 )1-7(.... = sin ө 2 : 1 معامل االنكسار النسبي بني الوسطني الشفافني أو معامل االنكسار من الوسط الشفاف االول n 2 الى الوسط الشفاف الثاني. ان معامل االنكسار النسبي بني الوسطني الشفافني يساوي ايضا النسبة بني سرعة الضوء في الوسط )v 2 اي ان : v( 1 وسرعة الضوء في الوسط الشفاف الثاني ( الشفاف األول ( v 1 )2-7(.... = n 1 2 v 2 141

142 ومن املعادلتني )1-7( و )2-7( فانه ميكن كتابة: v 1 sin ө 1 (3-7).... = v 2 sin ө 2 وباستعمال مبدأ) هايجنز( principle( )Huygens, s والذي تعرفت عليه سابقا فانه : sin ө 1 1 ג (4-7).... = sin ө 2 2 ג حيث : λ( 1 : طول موجة الضوء في الوسط الشفاف األول)أو املادة الشفافة االولى(. ( λ( 2 :طول موجة الضوء في الوسط الشفاف الثاني)أو املادة الشفافة الثانية(. ( ومن املعادلتني )3-7( و )4-7( فانه ميكن احلصول على: v 1 1 ג (5-7).... = v 2 2 ג ) v 1 في معادلة )2-7( حيث وفي حالة كون الوسط الشفاف األول هو الفراغ فعند ذلك تصبح ( c= )c( متثل سرعة الضوء في الفراغ وتساوي m/s( ) وفي هذه احلالة فان معامل االنكسار يسمى مبعامل االنكسار املطلق )n( ويعطى حسب العالقة االتية: سرعة الضوء في الفراغ = معامل االنكسار املطلق للوسط الشفاف)أو للمادة الشفافة( سرعة الضوء في الوسط الشفاف)أو املادة الشفافة( c -7) (6.... = n v 142

143 حيث) v ( متثل سرعة الضوء في الوسط الشفاف املادي. اي ان معامل االنكسار املطلق للمادة الشفافة يساوي النسبة بني سرعة الضوء في الفراغ وسرعة الضوء في املادة الشفافة ومن اجلدير بالذكر أن سرعة الضوء في اي مادة )أو وسط( هي دائما أقل من سرعته في الفراغ. مثال 1 وجد ان سرعة الضوء في وسط شفاف تساوي m/s( (. جد معامل االنكسار املطلق لهذا الوسط اذا علمت ان سرعة الضوء في الفراغ تساوي m/s( ). احلل: لدينا العالقة: سرعة الضوء في الفراغ معامل االنكسار املطلق للوسط الشفاف = سرعة الضوء في الوسط الشفاف c = = = n v معامل االنكسار املطلق 1.92=n تذكر معامل االنكسار املطلق للفراغ يساوي واحد ( 1=n(. 143

144 اجلدول )2( يبني قيم معامل االنكسار املطلق لبعض املواد ( غازية سائلة صلبة ). ( لضوء الصوديوم طول موجته حوالي )589nm في درجة حرارة 20 C لقد تعرفت مما سبق على معامل االنكسار املطلق ملادة شفافة او وسط شفاف وكذلك على معامل االنكسار النسبي بني وسطني شفافني فهل توجد عالقة تربط بني معامل االنكسار النسبي بني وسطني شفافني ومعاملي االنكسار املطلقني لهما وماهي تلك العالقة من املعادلة )6-7( فانه ميكننا كتابة معامل االنكسار املطلق للوسط الشفاف االول : وكذلك فان معامل االنكسار املطلق للوسط الشفاف الثاني يساوي: c n 1 )7-7(... = v 1 c n 2 )8-7(... = v 2 وبقسمة معادلة )8-7( على معادلة )7-7( نحصل على : n 2 v 1 )9-7(... = n 1 v 2 * في ضغط واحد جو ودرجة حرارة 0 C ** مقربة الى مرتبتني بعد الفارزة 144

145 n 1 2 ג وكذلك من املعادلتني )2-7( و )9-7( فانه ميكننا كتابة : ومن املعادلة )5-7( فانه ميكن احلصول على : n 2 1 ג (10-7)... = n 2 (11-7)... = n 1 2 n 1 اي ان معامل االنكسار النسبي من الوسط الشفاف االول الى الوسط الشفاف الثاني يساوي النسبة بني معامل االنكسار املطلق للوسط الشفاف الثاني الى معامل االنكسار املطلق للوسط الشفاف االول. وبعد استنتاجنا العالقة السابقة اي املعادلة )11-7( اصبح في مقدورنا االن التوصل الى أحد القوانني املهمة في فيزياء البصريات أال وهو قانون سنيل law( )Snell, s فكيف ميكننا التوصل اليه باستعمال املعادلتني )1-7( و )11-7( فانه ميكننا كتابة: n 2 sin ө 1 (12-7)... = n 1 sin ө 2 اي ان : معامل االنكسار املطلق للوسط الشفاف االول جيب زاوية السقوط فيه = معامل االنكسار املطلق للوسط الشفاف الثاني جيب زاوية االنكسار فيه. ان املعادلة السابقة )13-7( تسمى بقانون سنيل اي ان : n 1 sin ө 1 = n 2 sin ө 2 (قانون سنيل) (13-7)

146 مثال 2 سقط شعاع ضوئي من الهواء على سطح املاء بزاوية سقوط قياسها ( 60 ( وكانت زاوية انكساره في املاء تساوي ( 40.5(. جد معامل االنكسار املطلق للماء )مع العلم بان )sin60 =0.866 sin40.5 =0.649 هواء احلل: من قانون سنيل : ماء 40.5 n 1 sin ө 1 = n 2 sin ө 2 1 sin 60 = n 2 sin = n n 2 = 1.33 = وهو معامل االنكسار املطلق للماء الزاوية الحرجة واالنعكاس الكلي الداخلي. 5-7 Critical angle and the total internal reflection اذا سقط شعاع ضوئي من وسط شفاف معامل انكساره املطلق كبير ( n () اكثف ضوئيا ( كالزجاج 1 n() 2 اقل كثافة ضوئية( كالهواء مثال فان مثال الى وسط شفاف آخر معامل انكساره املطلق اصغر ( الشعاع املنكسر يبتعد عن العمود املقام على السطح الفاصل عند نقطة السقوط. وكلما ازدادت زاوية السقوط في الوسط الشفاف االول ( الزجاج ) ازدادت زاوية االنكسار في الوسط الشفاف الثاني)الهواء( على وفق قانون سنيل الحظ الشكل )12-7( وعندما تصبح زاوية االنكسار مساوية الى )90 ( في الوسط الشفاف الثاني فان زاوية السقوط في الوسط الشفاف االول شكل )12-7( تسمى بالزاوية احلرجة فماذا نقصد بالزاوية احلرجة هواء زجاج 146

147 العمود المقام n 2 هواء n 1 زجاج θ c شكل )13-7( n 2 > n 1 الزاوية احلرجة هي زاوية السقوط في الوسط االكثف ضوئيا والتي زاوية انكسارها قائمة )90 ( في الوسط االخر االقل منه كثافة ضوئية. وحتدث الزاوية احلرجة دائما في الوسط الشفاف الذي معامل انكساره املطلق اكبر من معامل االنكسار املطلق للوسط الشفاف اآلخر عند السطح الفاصل بينهما ( الحظ الشكلني )12-7( و )13-7((.فماذا يحصل لو ازدادت زاوية السقوط بحيث اصبح قياسها اكبر من قيمة الزاوية احلرجة فاذا سقط الضوء بزاوية سقوط اكبر من الزاوية احلرجة داخل الوسط الشفاف االكثف ضوئيا ( ذو معامل االنكسار املطلق االكبر ) فان االشعة الضوئية سوف الينفذ منها اي جزء الى الهواء )اي التنكسر( بل تنعكس باكملها انعكاسا كليا داخليا عن السطح الفاصل بني الوسطني الشفافني مرتدة الى الوسط الشفاف االكثف ضوئيا الذي قدمت منه وفق قانوني االنعكاس وتسمى هذه الظاهرة بظاهرة االنعكاس الكلي الداخلي. تذكر شكل )14-7( ان ظاهرة االنعكاس الكيل الداخيل التحدث اال اذا توافر الرشطان اآلتيان: - 1 عندما ينتقل الضوء من وسط شفاف اىل وسط شفاف آخر أقل منه كثافة ضوئية. - 2 عندما تكون زاوية السقوط يف الوسط الشفاف االكثف ضوئيا اكرب من الزاوية الحرجة الخاصة به. n( 1 والذي حدثت وبتطبيق قانون سنيل بني الوسط الشفاف االكثف ضوئيا ذو معامل االنكسار املطلق ( )n 2 ө( c والوسط الشفاف اآلخر األقل كثافة ضوئية ذو معامل االنكسار املطلق) به الزاوية احلرجة ( :)sin90 فاننا جند ( حيث ان =1 ө 2 ө 1 و =90 = ө c وعندما n 2 sin ө =... (14-7) ( n <n ) c 2 1 n 1 n 2 وباستعمال املعادلة وفي حالة ان يكون الهواء هو الوسط الشفاف األقل كثافة ضوئية اي ان 1= )14-7( فأننا نحصل على: 147

148 1 (15-7)... = n sin ө c وهذا يعني ان معامل االنكسار املطلق لوسط شفاف )أومادة شفافة( يساوي مقلوب جيب الزاوية احلرجة لهذا الوسط )أو املادة الشفافة (. ومن اجلدير بالذكر ان املاس يدين بقدر كبير من جماله لظاهرة االنعكاس الكلي الداخلي حيث يعزى تألق املاس وبريقه الى ان زاويته احلرجة )حوالي 24.4 ( تعد من اصغر الزوايا احلرجة نسبيا لذا فان معامل انكساره املطلق ( حوالي ) 2.42 يعد نسبيا من اكبر معامالت االنكسار املطلقة فالضوء الساقط على املاس والنافذ الى داخله سيعاني عدة انعكاسات كلية ليخرج بعدها الى عني الناظر مكسبا املاس ذلك البريق املتألق الحظ الشكل) 15-7 (. شكل )15-7( مثال 3 اذا علمت ان الزاوية احلرجة) 41.1 ) للضوء املنتقل من مادة شفافة الى الهواء فما هو معامل االنكسار املطلق لهذه املادة مع العلم بان) = sin41.1 ) 1 = n احلل : لدينا العالقة : sin ө c 1 1 =1.52 = = n sin

149 تغير 90 شكل )16-7( شكل )17-7( شكل )18-7( تغير 180 هناك ظواهر طبيعية اخرى ميكن تفسيرها حسب ظاهرة االنعكاس الكلي الداخلي نذكر منها على سبيل املثال ظاهرة السراب والتي تعرفت عليها سابقا كما توجد تطبيقات كثيرة في االجهزة البصرية لظاهرة االنعكاس الكلي الداخلي نذكر منها املوشور العاكس وهو موشور زجاجي قائم ذو زوايا ( ( ومن استعماالته هي في تغيير مسار االشعة الضوئية بزاوية ) 90 (او زاوية )180 ( الحظ الشكل )16-7( كما يستعمل املوشور العاكس في عدد من التطبيقات البصرية نذكر منها استعماله في الناظور ذي املوشورين الحظ الشكل )17-7( وجهاز البيريسكوب )periscope( والذي عادة يستعمل في الغواصات لرؤية االجسام فوق سطح املاء الشكل )18-7(. كما يفضل استعمال املوشور العاكس في االجهزة البصرية على املرآة املستوية ألنه اكثر عكسا للضوء وذلك الن الضوء في املوشور العاكس ينعكس انعكاسا كليا داخليا بنسبة مقاربة جدا الى )100%( ولكن في املرآة يحدث امتصاص للضوء الساقط عليها بنسبة معينة جتعل انعكاسها أقل من املوشور العاكس ( املرآة النموذجية عادة تعكس نسبة حوالي 90%( ولذلك فان الصورة تبدو حادة املعالم وواضحة التفاصيل واكثر سطوعا في حالة استعمال املوشور العاكس. ومن التطبيقات املهمة االخرى لظاهرة االنعكاس الكلي الداخلي هي االلياف البصرية )أو االلياف الضوئية( وألهمية هذا املوضوع فأننا سوف نوضحه في الفقرة التالية. 149

150 6-7 بصريات الا لياف Fiberoptics هل خطر ببالك عزيزي الطالب انه ميكن نقل الضوء داخل ليف دقيق من مكان الى آخر واحلقيقة انه ميكننا ذلك حيث تسمى االلياف املستعملة لهذا الغرض بااللياف البصرية ( او االلياف الضوئية ) فما هي االلياف البصرية واين ميكن ان تستعمل االلياف البصرية هي الياف زجاجية او بالستيكية دقيقة تستعمل لنقل الضوء من مكان الى آخر حسب ظاهرة شكل )19-7( شكل )20-7( االنعكاس الكلي الداخلي شكل )19-7( حيث يكاد اليعاني الضوء خاللها اي فقدان في الطاقة سوى كمية قليلة جدا فحسب ( فمثال احلزمة الضوئية تستطيع ان تقطع مسافة طويلة جدا عده كيلومترات في بعض احلاالت قبل ان تضيع كمية محسوسة من الضوء( فاذا سقطت اشعة ضوئية على احدى نهايتي الليف البصري بحيث تكون زاوية سقوطه على غالفه الداخلي اكبر من الزاوية احلرجة ملادته فانه سينعكس انعكاسا كليا داخليا ويبقى الشعاع داخل الليف البصري ويخرج من طرفه اآلخر حتى ولو كان الليف البصري منحنيا الحظ شكل )20-7( وينقل جزء صغير من صورة اجلسم الى الطرف اآلخر من الليف البصري شكل )21-7( ويكون غالف الليف البصري ذو معامل انكسار اقل قليال من قلب الليف البصري وهذا مينع هروب الضوء من الليف البصري. شكل )21-7( 150

151 7-7 تطبيقات االلياف البصرية انبوبة االندوسكوب شكل )22-7( شكل )23-7( شكل )24-7( 1- تستعمل في الطب في عمليات التنظير اي النظر الى داخل اجلزء املراد فحصه في جسم االنسان مثل تنظير املعدة والكليتني وذلك باستعمال جهاز يسمى ناظور اجلوف )االندوسكوب ) Endoscope الحظ شكل) 22-7 (.وحديثا تعددت استعماالت ناظور اجلوف فأضافة الى استعماله للتشخيص فانه ميكن ربطه ببعض االجهزة االخرى بحيث متكن الطبيب من أخذ عينه من نسيج املريض أو كوي االوعية الدموية او حتى أجراء عملية جراحيه. كما استعمل نوع آخر مشابه الى ناظور اجلوف ولكن في تشخيص وعالج بعض امراض املفاصل يسمى االرثروسكوب )Arthroscope( والذي يستعمل في جراحة الركبة الحظ شكل) 23-7 (. - 2 تستعمل في فحص االجزاء الداخلية في املكائن واالجهزة االلكترونية وكذلك في فحص املفاعالت النووية. - 3 كما تستعمل ايضا لنقل املعلومات الضوئية والسمعية عبر احمليطات والقارات وهي محملة على اشعة الليزر. ومتتاز االلياف البصرية بانها تستطيع ان حتمل عدد أكبر من املكاملات الهاتفية باملقارنة مع االسالك الكهربائية فمثال الطرائق االلكترونية احلديثة تسمح وعلى االكثر حمل )32( مكاملة هاتفية في الوقت نفسه بوساطة زوج من االسالك النحاسية بينما اكثر من مليون مكاملة هاتفية ميكن حملها بوساطة ليف بصري واحد الحظ شكل )24-7(. 151

152 7 س 1 - اختر العبارة الصحيحة لكل مما يا تي: - 1 اي من العبارات اآلتية تعبر عن أحد قانوني االنعكاس: - a زاوية السقوط تساوي ضعف زاوية االنعكاس. b -زاوية السقوط تساوي نصف زاوية االنعكاس. c -زاوية السقوط تساوي زاوية االنعكاس. d -زاوية السقوط تساوي اجلذر التربيعي لزاوية االنعكاس - 2 سرعة الضوء في الزجاج هي: - a اقل من سرعة الضوء في الفراغ. - b اكبر من سرعة الضوء في الفراغ. - c تساوي سرعة الضوء في الفراغ. - d جميع االحتماالت السابقة. - 3 النسبة بني جيب زاوية السقوط للشعاع الساقط في الوسط الشفاف االول و جيب زاوية االنكسار في الوسط الشفاف الثاني هي نسبة ثابتة لهذين الوسطني تسمى: - a طاقة االشعاع الضوئي. - b زخم االشعاع الضوئي. - c معامل االنكسار النسبي بني الوسطني الشفافني. - d تردد االشعاع الضوئي. - 4 وحدة معامل االنكسار املطلق ملادة شفافة هي: 1 - b m -a m - d m 2 - c ليس له وحدات 152

153

154 7-4 سقط ضوء من الهواء على سطح املاء بزاوية سقوط قياسها ( 30 ( فانعكس جزء منه وأنكسر 4 جزء آخر فاذا علمت ان معامل االنكسار املطلق للماء يساوي ( ) جد : a- زاوية االنعكاس b- زاوية االنكسار { a- ө 1 =30 b- ө 2 =22.02 } 3 )مع العلم بأن sin22.02 = ) sin30 = 0.5,. ج : C - 5 اذا كانت سرعة الضوء في اجلليد تساوي ( ) حيث )c( هي سرعة الضوء في الفراغ 1.31 جد الزاوية احلرجة للضوء املنتقل من اجلليد الى الهواء. )ө c =49.73 ( ج : ( مع العلم بأن.)sin49.73 = يسقط ضوء من الهواء على مادة شفافة معامل انكسارها املطلق يساوي )1.5( وبزاوية سقوط قياسها ( )30 جد: a- زاوية االنكسار.)600nm ( طول موجة الضوء في املادة الشفافة اذا كانت طول موجته في الهواء تساوي b- )مع العلم بأن sin19.45 = )sin30 = 0.5 ) a-ө 2 2 ג b-, =19.45 ج : ( nm =

155 مفردات الفصل المرايا المرآة المستوية. 2-8 الصور المتكونة في المرايا المستوية. 3-8 تعدد الصور في المرايا المتزاوية. 4-8 المرايا الكروية. 5-8 خصاي ص الصور المتكونة في المرآة المقعرة. 6-8 خصاي ص الصور المتكونة في المرآة المحدبة. 7-8 المعادلة العامة للمرايا الكروية. 8-8 قانون التكبيرفي المرايا. 9-8 تطبيقات على المرايا. 155

156 االغراض السلوكية ينبغي للطالب ان يكون قادرا على ان : 1. يوضح المقصود بالمرايا الكروية 2. يذكر أنواع المرايا 3. يتعرف على بعض المصطلحات العلمية المتعلقة بالمرايا الكروية 4. يذكر صفات الصورة المتكونة في المرآة المستوية 5. يجد عمليا صفات الصورة المتكونة في مرآة مقعرة ومحدبة 6. يبين بالرسم صفات الصور المتكونة في مرآة مقعرة ومحدبة 7. يكتب القانون العام للمرايا 8. يتمكن من حل مسائل حسابية متنوعة على القانون العام للمرايا المصطلحات العلمية Types of Mirrors أنواع المرايا Plane mirrors المرايا المستوية Spherical Mirrors المرايا الكروية Concave Mirror مرآة مقعرة Convex Mirror مرآة محدبة Real focus البؤرة الحقيقية Virtual focus البؤرة التقديرية Images Formed by a plane Mirror الصور المتكونة بالمرايا المستوية Image formed by spherical Mirror الصور المتكونة بالمرايا الكروية 156

157 مقدمة: عرفت في دراستك السابقه أن الضوء ينعكس عن األجسام اخملتلفة عندما يسقط عليها وأن انعكاسه يكون منتظما عندما يسقط على سطوح صقيلة ومنها املرايا فما هي أنواع املرايا ومباذا تتميز كل منها تصنف املرايا حسب الشكل الهندسي لسطحها العاكس وتختلف الصور التي تكونها املرآة باختالف نوع املرآة وسندرس في هذا الفصل املرايا املستوية والكروية. 1-8 المرآة المستوية plane Mirror املرآة املستوية هي سطح مستو صقيل ينعكس عنه الضوء انعكاسا منتظما وإن صناعة املرآة اجليدة ليس باألمر اليسير فسطح املرآة البد وأن يكون على درجة عالية من النعومة وامتصاصه للضوء يكون قليال جدا وهذا يتوفر في املعادن تصنع املرآة املستوية التي تستعمل في حياتنا اليومية من لوح زجاجي مصقول صقال جيدا يطلى احد وجهيه بأحد مركبات الفضة او االملنيوم ويعتبر هو السطح العاكس وتعتمد جودة املرآة على نوعية الزجاج أو املعدن املستعمل وعلى درجة صقله الحظ الشكل) 1-8 ( شكل )1-8( الصور المتكونة في المرايا المستوية Images Formed by a plane Mirrors 2-8 شكل )2-8( قف أمام املرآة املستوية والحظ صورتك فيها أين تقع ما شكلها ماحجمها الحظ حركة الصورة عندما تقترب من املرآة أو تبتعد عنها كذلك حرك يدك اليمنى الحظ الشكل) 2-8 ( الشك انك سترى صورتك معتدلة وليست مقلوبة ومن دون إن يحدث لها تصغير أو تكبير. أي نفس حجمها وبعد الصورة عن املرآة مساويا لبعدك عنها كما لو كانت صورتك موجودة خلف املرآة 157

158 وتكون الصورة خيالية )تقديرية( وليست حقيقية أي الميكن استالمها على حاجز تقترب إذا اقتربنا من املراة وتبتعد إذا ابتعدنا عن املراة وإذا حركت يدك اليمنى ترى أن اليد اليسرى للصورة هي التي تتحرك أي معكوسة اجلوانب الحظ الشكل) 3-8 ( كذلك إذا وضعت كتابة مثال أمام املرآة املستوية ستجد إن الكتابة في الصورةمعكوسة ولهذا السبب شكل )3-8( فأن كلمة إسعاف التي تكتب على مقدمة سيارات اإلسعاف تكتب معكوسة) بشكل إسعاف ) ليراها سائق السيارة التي أمامها في مرآة سيارته معتدلة ويفسح له الطريق الحظ الشكل) 4-8 (.ميكن حتديد موقع الصورة في املرآة املستوية بأستعمال مخطط االشعة ray diagram والقانون الذي يحدد كيفية تشكيل الصور في املرآة هو قانونا االنعكاس. الحظ الشكل) 5-8 (يبني مصدرا نقطيا ضوئيا على شكل نقطة عند) o ( شكل )4-8( وعلى بعد )u( أمام املرآة املستوية وتسقط األشعة من املصدر بزاوية معينة مع العمود على املرآة وهي زاوية السقوط ثم ينعكس عن سطح املرآة بزاوية مساوية لزاوية السقوط تسمى زاوية االنعكاس.وتستمر األشعة املنعكسة متفرقة ولكنها تبدو وكأنها منبعثة من النقطة I خلف املرآة وتسمى النقطة I صورة للمصدر عند النقطة ) o (وميكن حتديد مكان صورة املصدر النقطي من نقطة تالقي امتدادات االشعة املنعكسة عن سطح املراة عند شكل )5-8( النقطة I( ) 158

159 فكر ما صفات الصورة املتكونة للفراشة )الحظ الشكل اجملاور عندما تكون امام املراة املستوية وكم تبعد صورة راس الفراشة عنها اذا كان بعد راسها عن سطح املراة يساوي )50cm( 3-8 تعدد الصور في المرايا المتزاوية جتد في صالونات احلالقة لقص الشعر مرآتني مستويتني متقابلتني أحداهما أمامك واألخرى خلفك وعندما جتلس على كرسي احلالق تشاهد صورا ال متناهية جلسمك حيث ترى صورا أمامية تتبعها صورا خلفية وهكذا أي ترى اجلزء اخللفي من رأسك. يا ترى هل هناك عالقة بني عدد الصور املتكونة في املرآتني والزاوية التي تصنعها أحداهما مع األخرى قد يساعدك هذا النشاط على اإلجابة عن هذا السؤال 1 عدد الصور املتكونة جلسم في مرآتني بينهما زاوية. ادوات النشاط : مرآتني مستويتني شمعة متقدة منقلة الخطوات: ثبت املرآتني على سطح أفقي بحيث يكون سطحاهما العاكسني متزاويني الحظ الشكل )6-8(. ضع شمعة متقدة بينهما انظر إلى املرآتني كم صورة ترى للشمعة نقيس الزاوية بني املرآتني لقياسات مختلفة. )90º 60º 30º( الحظ عدد الصور املتكونة وسجل مالحظاتك. نستنتج من هذا النشاط ان عدد الصور املتكونة للشمعة املتقدة يتغير بتغيير قياس الزاوية بني املراتني حسب املعادلة االتية: شكل )6-8( 159

160 ) ( عدد الصور المتكونة = الزاوية بين المرآتين ) ( = n θ حيث ان : n ميثل عدد الصور θ هي الزاوية بني املرآتني مثال وضع جسم بني مرآتني مستويتني الزاوية بينهما )24 (. كم يكون عدد 1- ) الصور املتكونة للجسم 360 احلل : عدد الصور املتكونة = ( الزاوية بني املراتني 360 ) ( = n θ ) ( = n 24-1 عدد الصور = = n 160

161 4-8 المرايا الكروية spherical mirrors شكل )7-8( هل شاهدت صورة وجهك في ملعقة طعام من سطحها الداخلي أواخلارجي ماذا تالحظ إن سطح امللعقة الداخلي واخلارجي كلها تعمل عمل سطح عاكس غير مستو الحظ الشكل )7-8( املرايا الكروية وهي املرايا التي يكون فيها السطح العاكس جزءا من سطح كرة مجوفة. فاذا كان السطح العاكس هو السطح الداخلي سميت مرآة مقعرة concave Mirror الحظ الشكل )8-8( واذا كان السطح العاكس هو السطح اخلارجي سميت مراة محدبة convex mirror السطح املعتم السطح املعتم قطب المرا ة المحور االساس مرآة مقعرة البؤرة مركز التكور شكل )8-8( البؤرة F شكل )9-8( شكل )10-8( مرآة محدبة R خلف البعد البؤري نصف قطر تكورالمرا ة امام اشعة متوازية مركز التكور c المحور االساس وللتعرف على كيفية تكون الصور في هذين النوعني من املرايا الكروية يجب أن نتعرف إلى املفاهيم التالية املتعلقة بها الحظ الشكلني )9-8( )10-8(: 1 -مركز تكور املرآة) c (:هو مركز الكرة الذي اقتطع منها سطح املرآة 2 -قطب املرآة )v( :هو النقطة التي تتوسط سطح املرآة الكروية 3 -احملور االساس للمرآة: هو اخلط الواصل بني مركز تكور املرآة وقطبها 4- نصف قطر تكور املرآة ( R ) : وهو نصف قطر الكرة التي اقتطع منه سطح املرآة 5- بؤرة املراة ( F ) :هي نقطة واقعة على احملور االساس للمرآة والناجتة عن التقاء االشعة املنعكسة عن سطح املراة )او امتداداتها ) والساقطة اصال بصورة موازية للمحور االساس الحظ الشكل )10-8(. 6 -البعد البؤري ( f (: هو البعد بني قطب املرآة وبؤرتها. والبعد البؤري لتكور املرآة يساوي ( R½= ) f. 161

162 البؤرة F مركز التكور شكل )11-8( θ θ قطب المرا ة ولغرض حتديد رسم الصورة املتكونة من املراة الكروية نأخذ بنظر االعتبار: 1 -الشعاع الضوئي املوازي للمحور األساسي للمرآة املقعرة ينعكس مارا ببؤرتها احلقيقية الحظ الشكل )11-8( إما الشعاع املوازي للمحور األساسي للمرآة احملدبة فينعكس بحيث امتداده مير ببؤرتها التقديرية الحظ الشكل )10-8(. 2 -الشعاع الضوئي )او امتداده( املار في بؤرة املرآة ينعكس موازيا حملورها االساسي الحظ شكل )12-8(. شعاع ضوئي مواز للمحور الرئيس العمود المقام شعاع ضوئي مار بالبؤرة البؤرة مركز التكور θ θ العمود المقام المحور الرئيس شكل )12-8( شعاع ضوئي مار بمركز التكور البؤرة مركز التكور 3 -الشعاع املار مبركز تكور املرآة املقعرة يرتد على نفسه بعد االنعكاس والشعاع الذي يتجه نحو مركز تكور املرآة احملدبة ينعكس على نفسه أيضا الحظ شكل )13-8(. 2 تكون الصور في املرايا املقعرة ادوا ت النشاط : مراة مقعرة حامل مراة شمعة قطعة كارتون بيضاء )شاشة( الخطوات : ضع املراة على احلامل اخلاص بها ثم اوقد الشمعة وضعها على شكل )13-8( بعد معني امام املرآة حرك احلاجز امام املرآة حتى تتكون صورة واضحة للهب خلف الشمعة. ما صفات الصورة الناجتة هل هي اكبر من لهب الشمعة ام اصغر منها هل هي معتدلة ام مقلوبة هل بعدها عن املرآة اكبر من بعد الشمعة عنها ام اصغر شكل )14-8( كرر اخلطوات السابقة مرات عدة وفي كل مرة غير بعد الشمعة عن املراة. نستنتج من هذا النشاط انه ميكن جتميع االشعة الصادرة من لهب الشمعة على احلاجز كما الحظنا ان اجلسم والصورة يقعان في جهة واحدة بالنسبة للمرآة املقعرة مثل هذا النوع من الصور التي تنتج عن جتميع االشعة املنعكسة على حاجز تسمى صورة حقيقية اما الصورة التي تنتج من امتدادات االشعة املنعكسة تدعى الصورة اخليالية. 162

163 فكر هل تختلف صفات الصورة المتكونة في المرآة المقعرة عن صفات الصورة المتكونة في المرآة المستوية 5-8 خصاي ص الصور المتكونة في المرآة المقعرة: 1- اذا كان بعد اجلسم عن املراة يزيد عن ضعف بعدها البؤري ( 2f ) فأن صورة اجلسم تقع بني البؤرة ومركز التكور و تكون حقيقية ومقلوبة ومصغرة الحظ الشكل )15-8( شكل )15-8( c F 2- إذا كان اجلسم في مركز التكور )اي على بعد ضعف البعد البؤري( فصورة اجلسم تكون حقيقية ومقلوبة تقع في مركز التكور ولها طول اجلسم نفسه وفي املوقع نفسه الحظ الشكل )16-8( الجسم الصورة شكل )16-8( الجسم c F الصورة 3 -إذا كان اجلسم بني البؤرة ومركز التكورفأن الصورة املتكونة تقع خلف مركز التكور وتكون حقيقية مقلوبة ومكبرة الحظ الشكل )17-8( شكل )17-8( F شكل )18-8( قطب المرا ة 4 -إذا كان اجلسم يقع على بعد يساوي البعد البؤري للمراة فأن االشعة تنعكس متوازية الحظ الشكل )18-8( الجسم اشعة متوازية ماهي صفات الصورة المتكونة في المرآة المقعرة لجسم يقع في الالنهاية. 163

164 5 -إذا كان اجلسم يقع على بعد اقل من البعد البؤري للمراة فأن صورة اجلسم تكون خيالية ومعتدلة ومكبرة وتقع خلف املرأة. الحظ الشكل )19-8( اجلسم شكل )19-8( الصورة 6-8 خصاي ص الصورة المتكونة في المرآة المحدبة: إذا أسقطنا شعاعا ضوئيا من جسم مضئ بشكل مواز o للمحور االساس فأنه سينعكس بحيث أن امتداده سيمر بالبؤرة وإذا أسقطنا شعاعا آخر من رأس اجلسم متجها نحو البؤرة فسينعكس موازيا للمحور االساس الحظ الشكل ) 20-8 (.أن املرآة احملدبة تفرق األشعة الضوئية الساقطة عليها ولذلك يطلق عليها اسم املرآة املفرقة. خلف امام I F c شكل )20-8( هل يعني ذلك أن الصورة التي تكونها املرآة احملدبة تقديرية أم حقيقية للا جابة على هذا السؤال جنري هذا النشاط: 3 الصورة املتكونة في املرآة احملدبة ادوات النشاط : مرآة محدبة حامل املرآة شمعة. حاجز الخطوات: امسك املرآة بيدك وانظر الى سطحها العاكس ماذا ترى ماصفات الصورة التي تراها هل هي معتدلة أم مقلوبة أم مكبرة قرب املرآة منك حينا وابعدها حينا آخر الحظ الصورة الحظ الشكل )21-8( سجل مالحظاتك ضع املرآة على احلامل ثم أوقد الشمعة وضعها أمام شكل )21-8( املرآة ومقابل سطحها العاكس 164

165 حاول أن تكون صورة للشمعة على احلاجز هل تنجح في ذلك انظر في املرآة ماذا تالحظ هل صورة الشمعة التي تراها حقيقية أم خيالية )تقديرية( وأين تقع وما صفاتها لذلك نستطيع القول انه مهما كان بعد اجلسم عن املرآة فان صفات الصورة هي خيالية معتدلة مصغرة. الزيغ الكروي: للحصول على صورة واضحة غير مشوهة للجسم في املراة الكروية فأن كل حزمة ضوئية صادرة من نقاط اجلسم يجب ان تنعكس عن سطح املراة متجمعة في نقطة واحدة مكونة صورة مناظرة للنقطة التي صدرت عنها وهذا في احلقيقة الميكن بسبب تكون صور عديدة للنقطة املضيئة وعلى ابعاد مختلفة من املراة ويسمى هذا بالزيغ الكروي هو عدم جتمع االشعة املنعكسة عن سطح مرآة كروية في نقطة واحدة. فاالشعة املوازية للمحور االساس والقريبة منه متر هي او امتداداتها بعد انعكاسها في البؤرة. اما االشعة املتوازية الساقطة على سطح املراة الكروية والبعيدة عن القطب فأنها او امتدادتها متر بعد االنعكاس في أقرب نقطة الى قطب املرآة من بؤرتها الحظ الشكل.)22-8( للتخلص من الزيغ الكروي تصنع املراة املقعرة بشكل قطع مكافئ ذات بؤرة نقطية ويفضل استعمال مرايا كروية صغيرة الوجه الحظ الشكل )23-8( كما في عاكسات الضوء وفي التلسكوبات الفلكية العاكسة. شكل )22-8( F شكل )23-8( F المعادلة العامة للمرايا الكروية 7-8 General Equation of spherical mirrors بعد ان عرفت كيفية رسم الصور املتكونة في املرايا الكروية )احملدبة واملقعرة( البد انك الحظت أن موقع الصورة يتغير بتغير موقع اجلسم.ومن هنا نستطيع أن نستنتج عالقة رياضية تربط بعد اجلسم ببعد الصورة عن املراة وهذا ي مكننا من استنتاج صفات صورته املتكونة.ان العالقة الرياضية هذه تسمى 165

166 القانون العام للمرايا الحظ الشكل )24-8( وهي كالتالي : = البعد البؤري للمرآة بعد اجلسم عن املرآة بعد الصورة عن املرآة حيث أن : : f البعد البؤري للمرآة = f u v : u متثل بعد اجلسم عن قطب املرآة قطب المرا ة : v متثل بعد الصورة عن قطب املرآة شكل )24-8( وعند تطبيق القانون العام للمرايا يجب مراعاة االشارات في احلاالت التالية: - 1 يكون بعد اجلسم )u( موجبا اذا كان اجلسم حقيقيا امام املرآة وسالبا اذا كان اجلسم خياليا ( تقديريا ) خلف املرآة. ( في نظام مكون من عدسة ومرآة كروية ). 2- يكون بعد الصورة )v( موجبا اذا كانت الصورة حقيقية وسالبا اذا كانت الصورة خيالية)تقديرية( - 3 يكون البعد البؤري )f( موجبا اذا كانت املراة مقعرة وسالبا اذا كانت املراة محدبة. 8-8 قانون التكبير في المرايا h C طول الصورة 'h u v طول الجسم تسمى النسبة بني طول الصورة املتكونة في املرايا الكروية الى طول اجلسم بالتكبير )magnification( ويرمز له M كما انها تساوي نسبة بعد الصورة الى بعد اجلسم عن املراة طول الصورة )'h( بعد الصورة عن املرآة ( v( = - طول اجلسم )h( بعد اجلسم عن املرآة) u ( التكبير = h v - = = M h u حيث أن : 'h : طول الصورة : h طول اجلسم : M التكبير الطولي عند تطبيق قانون التكبير يجب مالحظة مايلي : 1- طول الصورة تكون اشارته موجبة بالصورة املعتدلة )نحو االعلى( وتكون اشارته سالبة للصورة املقلوبة )نحو االسفل(. 166

167 2- طول اجلسم تكون اشارته موجبة للجسم املعتدل )نحو االعلى( وتكون اشارته سالبة للجسم املقلوب )نحو االسفل(. 3- تكون اشارة التكبير سالبة عندما تكون الصورة حقيقية مقلوبة بالنسبة للجسم. 4- تكون اشارة التكبير موجبة عندما تكون الصورة خيالية معتدلة بالنسبة للجسم. كما أن مقدار التكبير يعكس لنا مدى تكبير الصورة او تصغيرها وكماياتي: a- فأذا كان التكبير 1< M فأن الصورة تكون مكبرة بالنسبة للجسم. b- فأذا كان التكبير 1< M فأن الصورة تكون مصغرةبالنسبة للجسم. c- فأذا كان التكبير 1= M فأن الصورة تكون مساوية للجسم. d- يكون التكبير اشارته موجبة للصورة املعتدلة )نحو االعلى( وتكون اشارته سالبة للصورة املقلوبة احلقيقية )نحو االسفل(. مثال 1 مراة مقعرة بعدها البؤري ) 20cm (جد موضع الصورة املتكونة وصفاتها ومقدار التكبير جلسم موضوع على بعد) 30cm ( امام املرآة البعد البؤري للمرآة = بعد اجلسم عن املرآة + بعد الصورة عن املرآة الحل : = f u v = v = = v v = M u I F c O f u v الجسم الصورة الصورة حقيقية مقلوبة وعلى v = 60cm بعد ابعد من مركز التكور. P بما ان المرا ة مقعرة فا ن f تعوض باشارة موجبة 60 =-2 = M 30 مبا أن = 2 M فهذا يعني ان الصورة مكبرة مرتني. 167

168

169 = 15 3u 1 2 = 5 u بعد اجلسم عن املرآة u = 10cm الصورة تقديرية معتدلة ومكبرة v = -3 10= -30cm مثال 3 مرآة محدبة نصف قطر تكورها )8cm( وضع أمامها جسم على بعد )6cm( من قطبها جد بعد الصورة املتكونة وكذلك قوة التكبير 1 الحل: نصف قطر تكور املرآة f = R البعد البؤري= = 2 = 4cm = f u v = v مبا أن املرآة محدبة فان البعد البؤري يكون سالبا = v

170 = v = v = v 5 v = - 2.4cm v = M u = M 6 التكبير = M االشارة املوجبة تعني ان الصورة خيالية )تقديرية( 9-8 تطبيقات على المرايا شكل )25-8( للمرايا على اختالف أنواعها )املستوية والكروية( فوائد عدة في حياتنا : - 1 تطبيقات المرايا المستوية : لها استعماالت عديدة حيث توجد في جميع أرجاء املنزل لتزيني البيوت والصاالت وكذلك لالستعماالت الشخصية في غرف النوم وفي احلمام وغيرها. الحظ الشكل )25-8( املرآة في املنزل. 170

171 2- تستعمل املرآتان املتزاويتان للحصول على صور متعددة و تستثمر هذه الظاهرة في الزخزفة واحملال التجارية الحظ الشكل )26-8(. شكل )26-8( 3- وفي املرآة األمامية لسائق السيارة املوجودة امام السائق لرؤية خلف السائق عند قيادة السيارة الحظ شكل) 27-8 (. مراة القيادة املستوية امام السائق وفي بعض االحيان تسمى العني الثالثة للسائق. 2 -تطبيقات المراة المقعرة: شكل )27-8( 1- لتكبير الصور حيث يستعمل اطباء األسنان املراة املقعرة التي تعطي صورة مكبرة السنان املريض لتساعدهم على رؤية االسنان بصورة واضحة املعالم والتفاصيل. الحظ الشكل )28-8( شكل )29-8( شكل )28-8( 2- تستعمل في مصابيح السيارة االمامية حيث يوضع مصدر الضوء في بؤرة القطع املكافىء وتسقط األشعة الضوئيةعلى سطحها فتنعكس عنها متوازية فتضئ إلى مسافات بعيدة أمام السيارة الحظ الشكل )29-8( 171

172 واستعمال بؤرتها 3 -جتميع الطاقة الشمسية واستعمال املراة املقعرة لتركيز أشعة الشمس في )30-8( الطاقة إلغراض التدفئة والطبخ وهذا يسمى الطباخ الشمسي الحظ الشكل شكل )30-8( هل تعلم ان االطباق الالقطة )الستاليت( التي نضعها على منازلنا تعمل عمل مرآة كبيرة تعكس موجات البث الفضائي وتركزه على وحدة االستقبال والذي يسمى )LNB( شكل )31-8( 3- تطبيقات المراة المحدبة: اما املراة احملدبة فهي تسمى مراة القيادة حيث توجد على جانبي السائق لتعطي صورا مصغرة ومعتدلة وتعطي مجال رؤيا اوسع واشمل على اجلانبني الحظ الشكل )31-8( وتستعمل في السوق التجارية ملراقبة حركة املتسوقني في اثناء التسوق الحظ الشكل )32-8(. شكل )32-8( 172

173 8 س 1 : اختر العبارة الصحيحة لكل مما يلي : 1 -الصورة اخليالية : - a تكون معتدلة بالنسبة للجسم - c ميكن اسقاطها على حاجز - b تكون مقلوبة للجسم - d تقع امام املرآة 2 -املراة املقعرة تظهر صورة معتدلة للجسم عندما يكون بعده عنها : - b مساويا للبعد البؤري لها - a اقل من البعد البؤري )f( لها - d بعيدة جدا عن املرآة - c ضعف البعد البؤري 3 -عدد الصور املتكونة في املرايا املستوية املتقابلة واملتوازية : b 30 - a 0 - d النهائية - c 4 -احملور االساس ملراة كروية هو املستقيم املار : - a مبركز تكور املراة واية نقطة اخرى - b مبركز تكور املراة وقطبها - c ببؤرة املراة واي نقطة على سطحها - d مماسا لسطح املراة 5: اذا نظرت في مرأة وكانت صورتك مكبرة تكون املراة : - c مستوية - a مقعرة - d جميع االحتماالت السابقة - b محدبة 173

174 8 6: نصف قطر تكور املراة الكروية يساوي: - a نصف البعد البؤري - c ثالثة اضعاف البعد البؤري - b ضعف البعد البؤري - d ثلث البعدالبؤري 7: املراة املقعرة تظهر صورة معتدلة للجسم عندما يكون بعده عنها: - a اقل من البعد البؤري لها - c بني البؤرة ومركز التكور - b مساوية للبعد البؤري لها - d اكبر من ضعف البعد البؤري 8: مراة كروية بعدها البؤري 15cm فيكون نصف قطر تكورها يساوي: 60cm- c 15cm - a 30cm- d 7.5cm- b 9: مسطرة طولها 10cm وضعت بصورة عمودية امام مراة مقعرة بعدها البؤري cm( 50 +(وعلى بعد 100cmمن قطب املرآة فيكون طول الصورة املتكونة : 3cm- a معتدلة 3cm- c مقلوبة 10cm- b معتدلة 10cm- d مقلوبة س 1 : يقترح احدهم ان نضع مراة مقعرة على جانبي السيارة بدال من املراة احملدبة هل ترى اقتراحه صحيحا وملاذا س 2 : وقف احمد امام مراة مستوية مرتديا قميصا رياضيا كتب عليه رقم. 81 ماذا تقرا صورة الرقم 81 س 3 : الشكل التالي ميثل صورة ساعة وضعت امام مرآة مستوية فما الوقت الذي تشير اليه الساعة س 4 : ملاذا التتكون صورة جلسم موضوع في بؤرة مراة مقعرة 174

175 8 س 5 : ماهي البؤرة احلقيقية وماهي البؤرة التقديرية س 6 : ميز بني املراة احملدبة واملراة املقعرة من حيث السطح العاكس وصفات الصور املتكونة في كل منهما. س 7 : بني بالرسم موقع صورة جسم يقع على بعد أكبر من نصف قطر تكور : - b مراة محدبة - a مراة مقعرة س 1 - تكونت صورة معتدلة باستعمال مراة مقعرة نصف قطر تقعرها 36cm فاذا كانت قوة التكبير = 3. احسب موضع اجلسم بالنسبة للمرآة. ج : cm u= 12 س 2 - مراتان مستويتان الزاوية بينهما 120. احسب عدد الصور املتكون في املراتني. ج : 2 n= س 3 - وضع جسم على بعد 4cmمن مراة فتكونت له صورة تقديرية ومكبرة 3 مرات. ما نوع املراة وما ج : مرآة مقعرة f= +6 cm بعدها البؤري. س 4 - وضع جسم امام مراة مقعرة بعدها البؤري 12cm فتكونت له صورة حقيقية مكبرة اربع مرات. جد بعد اجلسم عن املراة وكذلك بعد صورته عنها ( اعتبر ان اجلسم عمودي على احملور الرئيس ج : cm u=15 للمرآة(. v= 60 cm س 5 - وضع جسم طوله 4cmامام مراة محدبة نصف قطر تكورها 20cm فاذا كان بعد اجلسم عن املراة.40cm جد نوع الصورة املتكونة وطولها ووضح اجابتك بالرسم. ج : صورة تقديرية معتدلة ومصغرة طولها h 0.8cm 175

176 مفردات الفصل العدسات الرقيقة. 2-9 بعض املفاهيم االساسية في العدسات. 3-9 الصور املتكونة جلسم خالل عدسة المة. 4-9 الصورة املتكونة جلسم خالل عدسة مفرقة. 5-9 قانون العدسات والتكبير. 6-9 قدرة العدسة. 7-9 الزيغ الكروي. 8-9 الزيغ اللوني. 9-9 تطبيقات على العدسات. العدسات الرقيقة 176

177 االغراض السلوكية ينبغي للطالب ان يكون قادرا على ان : 1. يتعرف على العدسات الرقيقة وانواعها 2. يتعرف على مصطلحات العدسات) المفاهيم المرتبطة بالعدسات(. 3. يتعرف على كيفية تكون الصور في العدسات وطرائق رسم الصور 4. يميز بين العدسات الالمة والمفرقة 5. يستنتج قانون العدسات 6. يبين كيفية حساب التكبير للصور في العدسات 7. يتعرف على مفهوم قدرة العدسة 8. يمييز بين الزيغ الكروي والزيغ اللوني باالضافة على معرفته لمعنى الزيغ 9. يتعرف على عدد من االجهزة البصرية واستعماالتها. المصطلحات العلمية Thin lens عدسة رقيقة Convex lens عدسة محدبة Converging lens عدسة المة Focus البؤرة Focal length البعد البؤري Optical center المركز البصري Principle axis المحور االساس Radius of curvature نصف قطر التكور Lens formula معادلة العدسة Real object الجسم الحقيقي Lateral magnification التكبير العرضي Power of lens قدرة العدسة Combination of thin lenses نظام من مجموعة عدسات رقيقة Chromatic aberration زيغ لوني spherical aberration زيغ كروي Aperture فتحة Achromatic lens عدسة اللونية 177

178 1-9 العدسات الرقيقة Thin Lenses لقد علمت من دراستك السابقة ان العدسات هي أجسام شفافة محددة بسطحني كرويني أو سطح كروي وآخر مستوي وهي مصنوعة عادة من الزجاج )أو مواد لدنة شفافة( في تطبيقات الضوء املرئي وتصنع من الكوارتز Quartz الستعماالت األشعة فوق البنفسجية UV( Ultraviolet (واجلرمانيوم الستعماالت االشعة حتت احلمراء البعيدة ( ray )far infrared في هذا الفصل تقتصر دراستنا على العدسات الرقيقة حيث يكون سمك مادة العدسة صغيرا مقارنة ببعدها البؤري. والعدسات نوعان : 1 -عدسة محدبة Convex Lens أو تسمى عدسة المة Converging Lens ويكون وسطها اكثر سمكا من حافتها و تعمل على جتميع األشعة الساقطة عليها بعد نفوذها من العدسة عندما يكون معامل إنكسار مادة العدسة أكبر من معامل إنكسار الوسط املتواجدة فيه وتوجد على انواع عدة كما في الشكل) 1-9 (:- Bi Convex محدبة الوجهني -a Convex-Concave مقعرة محدبة -b Convex - Plano - محدبة c -مستوية a b c شكل )1-9( a b c 2 -عدسة مقعر ة concave Lens )تسمى عدسة مفرقة Diverging Lens (ويكون وسطها اقل سمكا من حافتها و تعمل على تفريق األشعة الضوئية الساقطة عليها بعد نفوذها من العدسة وتوجد على انواع عدة كما في الشكل) 2-9 (:- )Double-concave ( مقعرة الوجهني -a ) Convex Concave ( محدبة - مقعرة -b )Plano - Concave ( مستوية مقعرة -c شكل )2-9( 178

179 تذكر تعمل العدسة الالمة عمل موشورين بقاعدة واحدة مشرتكة تقع عند املركز البصري تعمل العدسة املفرقة عمل موشورين يلتقي رأسيهام عند املركز البصري. عدسة المة عدسة مفرقة 2-9 بعض المفاهيم االساسيةفي العدسات تعلمت في دراستك السابقة بعض املصطلحات العامة في العدسات سنتطرق إليها ثانية ألهميتها في حتديد مواقع الصور املتكونة بالعدسات وفيما ياتي بعض منها:. -1 المركز البصري:) )Optical Center هي نقطة عند مركز العدسة إذا مر خاللها شعاعا ضوئيا ينفذ على إستقامته من غير إنحراف والسبب هو ان جانبي العدسة عند املركز البصري متوازيان تقريبا الحظ الشكل ( 3-9 ) أي ان الشعاع النافذ ينزاح قليال عن مساره األصلي مبقدار ميكن إهماله بسبب كون العدسة رقيقة. المركز البصري عدسة المة محور ثانوي F ' C F المحور االساس البعد البؤري f شكل )3-9( -2 المحور األساس Principle Axies هو املستقيم املار في املركز البصري للعدسة وبؤرتيها الحظ الشكل )3-9 ) 179

180

181 العدسة ينفذ منها مارا بالبؤرة 'F ( في اجلهة الثانية من العدسة ) الحظ الشكل ( 6-9 ) 2- الشعاع )3( املار خالل بؤرة العدسة F ينفذ من العدسة موازيا حملورها االساس. 3- الشعاع )2( املوجه نحو املركز البصري للعدسة ينفذ على استقامته دون انحراف. حيث ان : F البؤرة االبتدائية. F البؤرة الثانوية. 1 اجلسم o الصورة 2 3 F ' I C F شكل )6-9( لرسم صورة جسم يقع على بعد اكبر من ضعف بعدها البؤري نرسم شعاعني صادرين ( 1( و )2( من راس اجلسم كما في الشكل ( 7-9( فالشعاع الضوئي )1( موازيا للمحور االساس للعدسة ينفذ منها منكسرا مارا بالبؤرة 'F والشعاع االخر )2( مارا في مركز العدسة البصري فأنه ينفذ على استقامته. اجلسم 2F F F ' 2F الصورة 2 1 C شكل )7-9( ان نقطة التقاء الشعاعني ) 1 (و) 2 ( النافذين من العدسة متثل صورة رأس اجلسم ومن املمكن بسهوله حتديد صفاتها : -1 مقلوبة : -2 مصغرة : 3- حقيقية: ( real ) ألنها تكونت في اجلهة االخرى للعدسة وميكن استالمها على حاجز. 4- واقعة بني البؤرة و ضعف البعد البؤري للعدسة. 181

182 3-9 الصور المتكونة لجسم خلال عدسة المة a -عندما يكون اجلسم واقعا بني بؤرة العدسة و ضعف بعدها البؤري الحظ الشكل) 8-9 ( عدسة المة C البؤرة البؤرة الجسم F F ' الصورة شكل )8-9( 1- صفات الصورة المتكونه -1 حقيقية ( Real.) -2 مقلوبة) ) Inverted. -3 تقع على اجلهة االخرى من العدسة. 4- مكبرة. b- عندما يكون اجلسم واقعا بني البؤرة F واملركز البصري للعدسة الالمة الحظ الشكل) 9-9 (. البؤرة C الجسم صورة تقديرية البؤرة شكل )9-9( صفات الصورة املتكونة: -1 تقديرية ( Virtual.) -2 معتدلة ( Upright او )Erect. 3 -اكبر من اجلسم وعلى اجلهه نفسها من اجلسم وخلفه. 182

183 ماهي صفات الصورة المتكونة من خالل عدسة المة لجسم يقع على بعد: 1- في الالنهاية. 2- ابعد من بعدها البؤري. 3- بين البؤرة وضعف بعدها البؤري. 4- في البؤرة. 4-9 الصور المتكونه لجسم خلال عدسة مفرقة ' شكل )10-9( أن صفات الصورة المتكونة في حالة العدسة المفرقة )المقعرة( الحظ الشكل )10-9( و مهما كان موقع الجسم لهذا النوع من العدسات هي :- -1 تقديرية. 2- معتدلة. 3- أصغر من اجلسم. 4- على اجلهة نفسها من اجلسم وأمامه. 3 تعيني البعد البؤري لعدسة المة بصورة تقريبية وسريعة أدوات النشاط : عدسة المة حاجز 1- خارج اخملتبر : وذلك بتوجيه العدسة إلى قرص الشمس وإستالم صورته على حاجز )جدار أو ورقة( مع تغيير موقع العدسة حتى نحصل على اوضح صورة على احلاجز لنقطة شديدة االضاءة وهي متثل موقع البؤرة للعدسة بإعتبار ان األشعة القادمة من الشمس موازية حملورها األساسي فاملسافة بني العدسة والبؤرة متثل البعد البؤري للعدسة بصورة تقريبية. 183

184

185 = = M ويطبق القانون العام للعدسات سواء كانت العدسة محدبة او مقعرة مع مراعاة اشارة كل كمية عندما ينتقل الضوء الساقط على العدسة من اليسار الى اليمني وكما يلي: 1. يكون بعد اجلسم )u( موجبا اذا كان اجلسم حقيقيا واقعا على يسار العدسة وباشارة سالبة اذا كان اجلسم واقعا على ميينها. 2. يكون بعد الصورة )v( موجبا اذا كانت الصورة حقيقية واقعة على ميني العدسة وباشارة سالبة اذا كانت الصورة خيالية واقعة على يسارها. 3. يكون البعد البؤري )f( موجبا للعدسة الالمة )العدسة محدبة( وباشارة سالبة للعدسة املفرقة )العدسة مقعرة (. 4. طول اجلسم يكون باشارة موجبة للجسم املعتدل )نحو االعلى( وباشارة سالبة للجسم املقلوب )نحو االسفل(. 5. طول الصورة يكون باشارة موجبة للصورة املعتدلة )نحو االعلى( وباشارة سالبة للصورة املقلوبة )نحو االسفل(. اما بالنسبة الشارة التكبير )M( فعندما تكون : 1. موجبة : تكون الصورة تقديرية )خيالية( معتدلة بالنسبة للجسم. 2. سالبة : تكون الصورة حقيقية مقلوبة بالنسبة للجسم. وتدلنا قيمة التكبير على ما ياتي: h h v u a -اذا كان > 1 M فان الصورة تكون مكبرة بالنسبة للجسم b -اذا كان < 1 M فان الصورة تكون مصغرة بالنسبة للجسم c -اذا كان = 1 M فان الصورة تكون مساوية للجسم ان النسبة بني مساحتي الصورة واجلسم تساوي النسبة بني مربع بعديهما عن املركز البصري للعدسة اي ان : مساحة الصورة ( بعد الصورة عن العدسة ) 2 = مساحة اجلسم ( بعد اجلسم عن العدسة ) 2 A v 2 v = A u 2 u فكر ما معنى التكبير : 1 = M و = 2 M و = M 185

186 مثال 1 عدسة المة بعدها البؤري 10cm كونت صورا ألجسام تبعد عن العدسة باالبعاد: u=30cm u=10cm u= 5cm من احدى جهتي العدسة. جد بعد الصورة وصفاتها في كل حالة وكذلك التكبير. احلل : بتطبيق معادلة العدسات الرقيقة = f u v a- عندما يكون اجلسم على بعد 30cm من العدسة = v = = = - = v بعد الصورة عن العدسة v = +15cm اإلشارة املوجبة لبعد الصورة تعني ان الصورة واقعة في اجلهة الثانية على ميني العدسة و تكون حقيقية v = - = - M= u 30.اإلشارة السالبة للتكبير تعني ان الصورة مقلوبة وتكون مصغرة الن التكبير اقل من واحد b- عندما يكون بعد اجلسم u بقدر البعد البؤري للعدسة) 10cm ( يعني ان اجلسم واقع في بؤرة العدسة فالصورة تقع في الالنهاية.infinity 186

187 c -عندما يكون اجلسم على بعد. 5cm وبتطبيق معادلة العدسات الرقيقة = 10 5 v = = = v اإلشارة السالبة لبعد الصورة تعني ان الصورة تقديرية v = - 10 cm v = - = - = M u 5 ان اإلشارة املوجبة للتكبير تعني ان الصورة معتدلة ورقم )2( يعني ان الصورة مكبرة. مثال 2 وضع جسم على بعد 12cm أمام عدسة مفرقة بعدها البؤري. 6cm ما صفات الصورة املتكونة احلل : البعد البؤري للعدسة املفرقة f = - 6cm وبتطبيق قانون العدسات الرقيقة = f u v مبا ان العدسة مفرقة فأن f يكون باشارة سالبة = - - = + = v v اإلشارة السالبة ل v تعني ان الصورة تقديرية ( واقعة بجهة اجلسم ) وامامه v = - 4 cm v = - = - = M u 12 3 التكبير املوجب يعني ان الصورة معتدلة تقديرية. وطولها يساوي 1/3 طول اجلسم 187

188 a b c نظام مكون من مجموعة عدسات رقيقة Combination of thin lenses ان الكثير من االجهزة البصرية حتتوي على d عدستني رقيقتني او اكثر. يبني الشكل )12-9-a( نظاما مكون من عدستني محدبتني وضع جسم امام العدسة االولى u 1 فاين تتكون الصورة النهائية وعلى بعد بعد انكسار الضوء في العدستني ابتداءا نتعامل مع العدسة االولى كانها مفردة والعدسة الثانية كانها غير موجودة وبعد حتديد موقع الصورة التي كونتها العدسة االولى الشكل )12-9-b ) نعتبره جسما للعدسة الثانية ثم جند موقع الصورة النهائية انظر الشكل ) c-12-9 (.ومن مالحظتنا للشكل )12-9( ميكن معاملة املنظومة بالعالقة االتية : شكل )12-9( نظام مكون من عدستين التكبير الكلي) M ( =تكبير العدسة االولى ( M ( تكبير العدسة الثانية ( M ) 2 1 M Total = M 1 M 2 f 1 بالعالقة f 2 لقد وجد ان البعد البؤري للنظام f في هذه احلالة يرتبط مع البعدين البؤريني لعدستيه االتية: حيث d متثل البعد بني املركز البصري للعدستني d - + = f f 1 f 2 f 1 f 2 اما احلالة اخلاصة التي تكون فيها العدستني متالمستني )متالصقتني ) مع بعضهما ( )d=zero فالعالقة التي تربط البعد البؤري للنظام املتكون من عدستني متالمستني مع البعدين البؤريني لعدستيه 188 f 2 تعطى بالعالقة االتية :- f 1

189 1 1 1 = + )f 2 f( 1 البعد البؤري للعدسة الثانية ( البعد البؤري للمجموعة) f( البعد البؤري للعدسة االولى ( = f f 1 f قدرة العدسة lens power يستعمل فاحصو البصر ( )optometrists واطباء العيون )ophthamologists( وحدة الدايوبتر )Diopter( لقياس قدرة عدسة العني. وهي مقلوب البعد البؤري للعدسة مقاسا باالمتار 1 قدرة العدسة = البعد البؤري للعدسة) ) f باملتر lens power ) p ( 1 f ) meter ( فالعدسة الالمة ذات البعد البؤري 20 cm فان قدرة العدسة لهذه احلالة حتسب كاالتي : 1 1 P = = = +5 D f 0.2 بينما العدسة املفرقة ذات البعد البؤري 25cm فأن قدرة العدسة لهذه احلالة حتسب كاالتي: 1 1 P = - = = 4 D f R 2 ومعامل انكسار مادتها R 1 و وبتطبيق املعادلة العامة للعدسات ومعرفة نصفي قطري العدسة )n( ميكننا ايجاد قدرة العدسة من خالل املعادلة التي يستعملها صانعي العدسات : 1 1 قدرة العدسة )p(={ معامل االنكسار -1} } - { نصف قطر العدسة االولى نصف قطر العدسة الثانية 1 1 ) ) ( -1 n P = ) R 1 R 2 189

190 مثال 3 نظام مكون من عدستني محدبتني البعد البؤري لالولى 10cm والثانية 5cmوالبعد بينهما. 40cm وضع جسم على بعد 15cmيسار العدسة االولى جد موقع الصورة النهائية املتكونة وتكبيرها = f 1 u 1 v = v 1 v 1 =30cm تكبير العدسة االولى= _ بعد الصورة عن العدسة االولى بعد اجلسم عن العدسة االولى مبا ان الصورة املتكونة في العدسة االولى حقيقية وتكونت امام ( يسار ) العدسة u 2 الثانية لذلك يعد جسما حقيقيا للعدسة الثانية ويقع على بعد 7-9 الزيغ الكروي spherical aberration من العيوب الشائعة في العدسات هو ان احلزمة الضوئية الساقطة على احد وجهي العدسة بصورة موازية حملورها االساسي التتجمع في نقطة واحدة. فاالشعة الساقطة بصورة موازية للمحور االساس وبعيدة عنه تنكسر متجمعة في نقطة اقرب الى العدسة ( البؤرة( من مثيلتها االشعة القريبة من محورها االساس الحظ الشكل ) 13-9 (فاالشعة املارة خالل النقاط القريبة من مركز العدسة I( 2 من صور االشعة املارة خالل تكون صورها ابعد عن العدسة ( I( 1 وبذلك تكون الصور النقاط القريبة من حافة العدسة ( M 1 =- v 1 / u 1 M 1 = -30 / 15 =-2 u 2 = =10cm = f 2 u 2 v v 2 + = =10cm 5 10 v 2 M 2 =- v 2 / u 2 M 2 =-10 / 10 = -1 اذا التكبير النهائي M= تكبيرالعدسة االولى تكبيرالعدسة الثانية M = M 1 M 2 M = -2-1 = +2 االشارة املوجبة تعني ان الصورة معتدلة شكل )13-9( I 1 I

191 املتكونة في مثل هذه العدسات غير محددة املعالم والتفاصيل.وهذا العيب في العدسات يسمى الزيغ الكروي والذي يعرف على انه احد عيوب العدسات الناتج من عدم جتمع االشعة الضوئية الساقطة بصورة موازية للمحور االساس واملنكسرة عن العدسة في بؤرة واحدة.وميكن تقليل الزيغ الكروي باستعمال حاجز يوضع امام حافة العدسة ملنع االشعة البعيدة عن احملور االساس من النفوذ خالل العدسة, كما ميكن استعمال عدسة محدبة- مستوية للغرض نفسه لذلك استعملت العدسات احملدبة املستوية كعدسة شيئية في التلسكوب وفي النظارات الطبية. 8-9 الزيغ اللوني : aberration chromatic لقد تعلمت من دراستك السابقة ان الضوء االبيض الساقط على وجه موشور زجاجي يتحلل الى مجموعة من االلوان بسبب اختالف معامل انكسار مادة املوشور مع االطوال املوجية اخملتلفة ملكونات الضوء االبيض حيث سينفذ اللون البنفسجي معانيا االنحراف االكبر نحو قاعدة املوشور لقصرطول موجته بينما يكون اللون االحمر اقل انحرافا لكبر طوله املوجي. اما بقية االلوان فتقع اطوالها املوجية بني هذين اللونني من الضوء املرئي الحظ الشكل شكل )14-9( )14-9 (.ومبا ان العدسة الالمة ميكن اعتبارها مكونة من عدد من املواشير قواعدها متجهة نحو بنفسجي احمر مركز العدسة فاالشعة الضوئية املارة خالل عدسة المة تنكسر خالل العدسة بزوايا مختلفة تبعا لالطوال املوجية,وعند نفوذها خالل العدسة تالحظ احمر ان اللون البنفسجي يالقي احملور االساس للعدسة بنفسجي في نقطة اقرب الى العدسة من بقية االلوان الحظ شكل )15-9( الشكل )15-9( اما اللون االحمر فانه يالقي احملور االساس في نقطة ابعد عن العدسة من بقية االلوان يطلق على هذا االختالف في مواقع االلوان على احملور االساس بالزيغ اللوني. ميكن ازالة الزيغ اللوني بتركيب عدسة ال لونية lens( achromatic (المة مصنوعة من زجاج f 1 )ذات قدرة موجبة اكبر ) وتلصق على عدسة مفرقة مقعرة الكراون glass( )crown بعدها البؤري الوجهني 191

192 شكل )16-9( f 2 ومصنوعة او مقعرة - مستوية بعدها البؤري من زجاج الفلنت flint glass )ذات قدرة سالبة اصغر ) والشكل الكلي للعدسة املركبة هو عدسة محدبة مقعرة او محدبة - مستوية الحظ الشكل )16-9 ) والتفريق ( التشتيت ) dispersion الناتج من احدهما يلغي االخر عند النفاذ خارج العدسة وتتجمع االلوان في نقطة واحدة تقريبا وحلساب البعد البؤري لهذه العدسة املركبة f نطبق العالقة االتية: 9-9 تطبيقات على العدسات = f f 1 f 2 1- لمعالجة عيوب البصر عزيزي الطالب تعلمت في دراستك السابقة بان العني جهاز بصري مهم الستقبال الضوء الصادر من االجسام املضاءة احمليطة بنا وبذلك ميكننا رؤية هذه االجسام. فالعني السليمة ترى االجسام املضيئة واملضاءة بصورة واضحة اذا كانت على مسافة ابعد من ضعف البعد البؤري لعدسة العني ونتيجة لذلك تتكون على الشبكية صورة حقيقية مقلوبة واصغر من اجلسم. واذا ما عجزت العني عن رؤية االجسام القريبة او البعيدة فانها مصابة باحد عيوب البصر )الرؤيا( defects of vision والتي امكن معاجلتها باستعمال النظارات الطبية. a- قصر البصر الصورة امام الشبكية عدسة مفرقة نقطة بعيدة جسم a myopia ) nearsightedness ( عدم استطاعة العني رؤية االجسام البعيدة بوضوح ( تتكون صورها امام الشبكية( وتعالج باستعمال العدسات املفرقة الحظ الشكل) 17-9 (. الصورة على الشبكية نقطة بعيدة جسم b شكل )17-9( 192

193 hyperopia (far sightedness ( طول البصر -b عدم استطاعة العني رؤية االجسام القريبة بوضوح )تتكون صورها خلف الشبكية( وتعالج باستعمال العدسات الالمة الحظ الشكل الصورة خلف الشبكية نقطة قريبة جسم a.) 18-9 ( عدسة المة الصورة على الشبكية b نقطة قريبة جسم Astigmatism االستكماتزم: -c شكل )18-9( الصور املتكونة لالجسام النقطية في العني املصابة بهذا العيب التكون نقطا كما في حالة العني السليمة بل خطوطا على الشبكية الحظ الشكل) 19-9 (. و سبب هذا العيب هو عدم انتظام حتدب قرنية العني أو عدسة العني او كليهما باجتاهات مختلفة. فرمبا يكون التحدب اكبر باملقطع االفقي كما هو عليه في املقطع الشاقولي فمجموعة اخلطوط االفقية والشاقولية التتجمع في شكل )19-9( البؤرة بالتزامن. ميكن الكشف عن هذا العيب من خالل النظر الى مجموعة من اخلطوط السوداء فالعني السليمة ترى اخلطوط جميعها بالوضوح نفسه )متساوية السواد( بينما العني املصابة باالستكماتزم سترى تغيرا في وضوح هذه اخلطوط. ويصحح هذا العيب باستعمال عدسات اسطوانية Lenses( )Cylindrical وهي مقطع من اسطوانة يكون وجهها االخر مسطح الحظ الشكل) 20-9 (. شكل )20-9( 193

194 2. في اجهزة التصوير ( االالت التصوير( الة التصوير camera عبارة عن صندوق صغير في مقدمته عدسة المة او مجموعة عدسات تعمل عمل عدسة المة وفي جدارها اخللفي من الداخل يوضع الفلم احلساس للضوء ( الذي مياثل شبكية العني(الحظ الشكل) 21-9 (. وأللة التصوير فتحة امام العدسة ( )diaphragm ميكن التحكم بسعتها والسماح لكميات مختلفة من شكل )21-9( الضوء بالدخول الى االلة كما ميكن التحكم ببعد العدسة عن الفلم لتكوين صورة حقيقية مقلوبة واضحة على الفلم ما دام اجلسم على مسافة اكبر من ضعف البعد البؤري لعدسة االلة والصورة دائما مصغرة وللحصول على صورة مكبرة للحشرات الصغيرة مثال نقوم بتقريب عدسة المة بحيث يكون موقع احلشرة بني بؤرة العدسة وضعف بعدها البؤري..3 االالت البصرية optical instruments وهي على نوعني: A- االالت البصرية املكبرة لالجسام: تستعمل لتكوين صورة مكبرة للجسم ومنها: 1 -اجملهر البسيط ( العدسة املكبرة( simple magnifier v عدسة المة قصيرة البعد البؤري تستعمل لتكوين صورة تقديرية معتدلة مكبرة لالجسام الصغيرة ويتم ذلك بوضعها ضمن البعد البؤري للعدسةالحظ الشكل.)22-9 ( الجسم الصورة u شكل )22-9( 2 -اجملهر املركب compound microscope يستعمل اجملهر املركب لرؤية االجسام الدقيقة التي ال ميكن رؤيتها بالعني اجملردة كاجلراثيم والبكتيريا او شرائح صغيرة من انسجة االوراق والسيقان النباتية واالنسجة. يتكون من عدستني عدسة شيئية objective lens ذات بعد بؤري قصير يوضع اجلسم الصغير املراد فحصه )تكبيره( على مسافة اكبر قليال من بعدها البؤري للحصول على صورة حقيقية مكبرة مقلوبة ومن عدسة اخرى يتم النظر من خاللها يطلق عليها بالعدسة العينية eyepiece ذات بعد بؤري مناسب اطول من البعد البؤري للشيئية بحيث 194

195 يكون موقع الصورة املتكونة بالعدسة الشيئية ضمن بعدها البؤري للحصول على صورة مكبرة تقديرية معتدلة للصورة االولى التي تكونت بالعدسة الشيئية الحظ الشكل) 23-9 (.ميكن حتريك كل من هاتني العدستني على انفراد الى االعلى واالسفل بوساطة مسمار محوري.نستعمل مرآة مقعرة لتركيز الضوء على اجلسم املراد تكبيره الحظ الشكل) 24-9 (.وقد مت تطوير هذه االجهزة بزيادة تكبيرها باضافة عدسات شيئية عدة للجهاز ميكن اختيار أي منها. كما ميكن ربطها بكاميرا رقمية لغرض عرض صورها على الشاشة. عدسة عينية عدسة شيئية الصورة u v شكل )23-9( الصورة المكبرة الجسم اضافة الى ذلك هنالك اجهزة عرض مختلفة ( يتم خاللها عرض الصور على شاشة بعيدة( مثل: شكل )24-9( a- عارضة الصور الشفافة ) Epidiascope عارضة الصور املعتمة) b- وتستعمل لعرض صورة موجودة على ورقة من اوراق الكتاب او أي صورة اخرى لتكبير صورتها على شاشة او جدار ومالحظة تفاصيلها بدقة لعدد كبير من احلاضرين. ) over head projector ( عارض فوق الراس -c d- اجهزة عرض الصور املتحركة ( ماكنة السينما( الصورة تكون مقلوبة مكبرة حقيقية دائما ملثل هذه االجهزة. وان اجلسم يقع بني البؤرة وضعف البعد البؤري. 195

196 شاشاتها هتها على اجلمهور ويطلق هنالك اجهزة عرض حديثة تربط مع احلاسبات لعرض ما موجود على ا عليها datta show وهي مبنية على الفكرة نفسها. )Telescope( اجهزة الرصد لالجسام البعيدة B تستعمل لرؤية االجسام البعيدة وللرقابة العسكرية وفي حلبات السباق للخيول. اضافة الى رصد حركات االجرام السماوية وهي على انواع منها :- a- التلسكوب ( املرقاب ) الكاسر refracting telescope لهذا املنظار مجموعتني من العدسات الالمة. شيئية واسعة السطح ذات بعد بؤري طويل تسمح الكبر كمية من الضوء الصادر عن اجلسم املرصود بالدخول الى املنظار شكل )25-9( والعينية صغيرة املساحة وقصيرة البعد البؤري.الصورة النهائية املتكونة لهذه االجسام باجلهاز مكبرة تقديرية معتدلة نسبة الى الصورة املتكونة خالل الشيئية. واستعمل لرصد الكواكب ويسمى باملنظار الفلكي الحظ الشكل) 25-9 (. b- منظار غاليلو ميتاز هذا املنظار عن املنظار الفلكي بان الصورة التي يكونها معتدلة بالنسبة للجسم االصلي وبقصر طوله عدسة عينية مرا ة مستوية مرا ة مقعرة reflecting telescope التلسكوب العاكس -c وهو من اكبر املناظير في العالم حيث تستعمل مرآة مقعرة عوضا عن العدسة الشيئية لتجميع الضوء فشدة الضوء املنعكس عن سطح املرآة اكبر من شدة الضوء املار خالل العدسة الحظ الشكل) 26-9 (. شكل )26-9( 196

197 9 اختر العبارة الصحيحة لكل مما ياتي: 1- البعد البؤري لعدسة رقيقة ال يعتمد على: a- معامل انكسار مادة العدسة b- معامل انكسار الوسط احمليط بالعدسة c- نصفي قطري تكور العدسة d- قطر العدسة 2- للحصول على صورة حقيقية مقلوبة اكبر من اجلسم بعدسة المة يجب وضع اجلسم على مسافة من العدسة. a- اكبر من ضعف بعدها البؤري b- بني البؤرة وضعف البعد البؤري. c- اقل من بعدها البؤري d- بقدر ضعف بعدها البؤري. 3- للحصول على صورة معتدلة تقديرية اكبر من اجلسم باستعمال عدسة المة يجب وضع اجلسم على مسافة من العدسة. a- بقدر بعدها البؤري b- بقدر ضعف بعدها البؤري c- اقل من بعدها البؤري d- اكثر من ضعف بعدها البؤري 4- للحصول على صورة معتدلة تقديرية مكبرة يجب استعمال :- a- عدسة مفرقة )مقعرة الوجهني( b- عدسة مفرقة ( مقعرة مستوية( c- عدسة المة يوضع اجلسم ضمن بعدها البؤري. d- عدسة المة يوضع اجلسم على مسافة اكبر من بعدها البؤري 197

198 9 اجلسم على بعد: 5- للحصول على صورة مصغرة تقديرية يجب استعمال عدسة مفرقة يوضع a- اقل من بعدها البؤري b- على اي بعد كان من العدسة c- اكثر من بعدها البؤري d- بقدر ضعف بعدها البؤري 6- جسم يقع على مسافة ال نهائية من عدسة المة فتكونت له صورة: a- حقيقية b- تقديرية c- معتدلة d- اكبر من اجلسم. 7- عدسة المة ذات بعد بؤري f = 15cm بعد الصورة املتكونة جلسم في هذه العدسة يعتمد على: a- بعد اجلسم عن هذه العدسة b- ارتفاع اجلسم c- كون اجلسم معتدال ام مقلوبا d- كل االحتماالت السابقة. 8- عدسة مفرقة بعدها البؤري 10cm وضع جسم على بعد 40cm منها فأن موقع صورة اجلسم ستكون على بعد: +16 cm-a - 10cm-b +20 cm -c - 8cm -d 9- وضع جسم على بعد 40cm من عدسة المة بعدها البؤري 20cm فتكونت له صورة على بعد: 30 cm -a 20 cm -b 198

199

200 9 3- ما سبب الزيغ الكروي في العدسات وكيف يعالج 1- وضع جسم امام عدسة مفرقة بعدها البؤري )12cm( فتكونت له صورة طولها ثلث طول اجلسم ما بعد اجلسم عن العدسة وما بعد صورته. ج: u = 24 cm v = -8 cm 2- عدسة مكبرة )عدسة المة( بعدها البؤري 15cm على اي بعد يوضع جسم عنها للحصول على صورة معتدلة ومكبرة ثالث مرات. ج: u = 10cm 3- استعملت عارضة ساليدات للحصول على صورة على حاجز يبعد 6m فاذا كان ارتفاع الصورة 1.5m وكان ارتفاع الساليد 5cm ما البعد البؤري لعدسة العارض ج: f = 19.4cm 4- قلم رصاص طوله 10cm وضع على بعد 70cm الى يسار عدسة بعدها البؤري +50cm جد صفات الصورة املتكونة: ج: h = -25cm طول الصورة )حقيقية مكبرة مقلوبة بالنسبة للجسم( 200

201 مفردات الفصل 1-10 الشحنة الكهربائية قانون كولوم التوصيل الكهربائي توزيع الشحنات الكهربائية على سطوح املوصالت اجملال الكهربائي الفيض الكهربائي اجلهد الكهربائي فرق اجلهد الكهربائي سطح تساوي اجلهد تطبيقات على الكهربائية الساكنة. 10 الكهرباي ية الساكنة) المستقرة ) 201

202

203 1-10 الشحنة الكهرباي ية سبق وأن درسنا في املرحلة السابقة موضوع الشحنات الكهربائية الساكنة وطرائق الشحن بالكهربائية الساكنة والحظنا وجود نوعني من الشحنات الكهربائية ( شحنات موجبة وشحنات سالبة (. فعند تقريب جسم مشحون ومعزول بشحنة كهربائية من جسم آخر مشحون بالكهربائية ومعزول تظهر قوة كهربائية متبادلة بني اجلسمني إذ تكون هذه القوة تنافرا في حالة تشابه نوعا الشحنتني وجتاذبا في حالة إختالفهما بنوع الشحنة. تتميز الشحنات الكهربائية باخلصائص االتية : 1- الشحنات اخملتلفة بالنوع جتذب كل منها االخرى والشحنات املتشابهة تتنافر بعضها مع البعض االخر. 2- الشحنةالكهربائية محفوظة. 3- ان اصغر قيمة للشحنة الكهربائية هي شحنة االلكترون, وان أي جسم مشحون تكون شحنته مضاعفات لشحنة االلكترون اي ان الشحنة الكهربائية مكممة اي انها تساوي اعداد صحيحة من شحنة االلكترون وتعطى الشحنة الكهربائية الكلية بالعالقة التالية: الشحنة الكهربائية الكلية )Q(= عدد صحيح موجب ( n ) شحنة االلكترون ( e ) هل تعلم Q=ne حيث ان : اكتشف حديثا وجود ست انواع من الجسيمات داخل النواة تسمى كواركات) )Quarks ثالثة منها 2 تمتلك شحنة تساوي + من 3 شحنة البروتون والثالثة االخرى - من 1 تمتلك شحنة تساوي 3 شحنة البروتون.. )...,1,2,3,4=n( ميثل عدد صحيح موجب :- n C شحنة االلكترون وتساوي -:e 203

204 2-10 قانون كولوم Coulomb s law متكن العالم تشارلز كولوم من صياغة قانونا جتريبيا يوصف قوة التجاذب والتنافر بني جسمني مشحونني باستعمال ميزان االلتواء الذي ابتكره بنفسه اذ يحتوي على كرتني مشحونتني الحظ الشكل) 1-10 (..وان التجاذب او التنافر يسبب لي في خيط التعليق ومقدار الزاوية التي يدور بها اخليط يبني مقدار القوة الكهربائية سواء أكانت جتاذبا أم تنافرا. وقد أوضحت جتارب كولوم ان القوة الكهربائية ( F( املتبادلة بني شحنتني كهربائيتني نقطيتني ساكنتني تتناسب طرديا مع حاصل ضرب الشحنتني وعكسيا مع مربع البعد بينهما. شكل )1-10( q 2 q 1 فاذا كانت الشحنتان الكهربائيتان النقطيتان هما والبعد بينهما هو r الحظ الشكل) 2-10 (. فان القوة الكهربائية املتبادلة بينهما تعطى بالعالقة االتية: ) q 2 ) q 1 الشحنة ( الشحنة ( القوة الكهربائية ( F ) = ثابت التناسب ( K ) مربع البعد بينهما ( 2 ) r F = K q 1 q 2 / r 2 نص قانون كولوم تتناسب القوة الكهربائية املتبادلة بني شحنتني نقطيتني تناسبا طرديا مع مقدار كل من الشحنتني وعكسيا مع مربع البعد بينهما. q 2 مقاسة بالكولوم وr مقاسة باملتر,q 1 اذ كانت فان مقدار الثابت K تعتمد قيمته على نوع الوسط املوضوعة فيه الشحنتني ويقاس بوحدات N.m 2 / C 2 ومقداره في حالة كون الوسط فراغا يساوي : جتاذب تنافر تنافر شكل )2-10( 204 K= Nm 2 /C 2 وميكن كتابة الثابت K بالعالقة التالية : K = 1/ 4πЄ 0

205 Є 0 )احلرف االغريقي ابسيلون( ميثل سماحية الفراغ او الهواء وقيمته حيث ان الثابت C 2 / N.m 2 اذا كان الوسط مادة عازلة غير الهواء سماحيته Є فان القوة الكهربائية املتبادلة بني الشحنتني ستكون اقل مقدارا. مثال 1 وضعت شحنة نقطية كهربائية مقدارها ( C 2+ µ ) على بعد 90cm من شحنة نقطية موجبة اخرى مقدارها ( µc 5+ ). احسب القوة املتبادلة بني الشحنتني النقطيتني مبينا نوع القوة مع ذكر السبب احلل / q 2 = 5 µ c q 1 = 2 µ c r = 90 cm بتطبيق قانون كولوم F=K q 1 q 2 / r 2 = { N.m 2 /C 2 ) C) ( C) } / (0.9 m)² = 1/9N مبا أن القوى بني الشحنات الكهربائية متبادلة وحسب قانون نيوتن الثالث فأن : F 12 = - F 21 F 21 F 12 في اجتاه يعاكس وعليه فأن ان القوة بني الشحنتني النقطيتني هي قوة تنافر النهما مشحونتني بنفس الشحنة وهي الشحنة املوجبة F 12 F

206 مثال 2 في الشكل اجملاور ثالث شحنات نقطية كهربائية موضوعة على استقامة واحدة. احسب مقدار محصلة القوى املؤثرة في الشحنة السالبة F 1 والشحنة السالبة تنجذب q 1 بقوه من مالحظتنا للشكل اعاله جند ان الشحنة السالبة تنجذب نحو. F 2 ونحسب هاتني القوتني بتطبيق قانون كولوم على النحو االتي: q 2 بقوة نحو F = K q 1 q 2 / r 2 F 1 ={ ) ( ) ( } / )2( 2 قوة جتاذب نحو اليسار N = F 2 = { ) ( ) ( } / )4( 2 F R قوة جتاذب نحو اليمني N = ومبا ان هاتني القوتني في اجتاهني متعاكسني فان القوة احملصلة هي F R = F 1 - F 2 = ) ( = F R F 2 = N F 1 القوة احملصلة تكون نحو اليسار و باجتاه القوة االكبر 206

207 3-10 التوصيل الكهرباي ي تنقسم املواد حسب قابليتها للتوصيل الكهربائي الى موصالت وعوازل و أشباه موصالت. فاملواد العازلة تكون فيها االلكترونات على ارتباط وثيق بنوى ذراتها والتستطيع احلركة بحرية داخل املادة. فلو قربنا جسما مشحونا من مادة عازلة فال تتولد عليها شحنة محتثة. من امثلة املواد العازلة املطاط الزجاج املايكا احلرير اجلاف واملاء املقطر وغيرها. اما املواد املوصلة فسلوكها مختلف متاما. فلو قربنا جسما مشحونا من مادة موصلة فان الكترونات التكافؤ املوجودة في اجلزء اخلارجي لذرات املوصل)وهي الكترونات ضعيفة االرتباط بنوى ذراتها ) ستتاثر بشحنة اجلسم املشحون املقرب اليها.لذا فانها ستؤثر على االلكترونات وحتركها داخل املادة املوصلة ناقلة الكهربائية خاللها أي تسمح مبرور الشحنات الكهربائية خاللها في احلال. وتعتبر املعادن من اجود املواد ايصاال للكهربائية وعلى رأسها الفضة يلي ه النحاس فاالملنيوم اما اشباه املوصالت فهي تلك املواد التي لها خواص وسطية بني املوصالت والعوازل من حيث قابليتها في التوصيل الكهربائي ومن اشهرها السليكون )Si( واجلرمانيوم) Ge ( ولهذين العنصرين اهمية خاصة في التكنولوجيا ألستعمالها في تصنيع الترانزستورات والثنائيات البلورية واخلالية الشمسية توزيع الشحنات الكهرباي ية على سطوح الموصلات ملعرفة كيفية توزيع الشحنات الكهربائية على السطوح اخلارجية للموصالت جنري النشاط اآلتي: توزيع الشحنات الكهربائية على السطوح اخلارجية للموصالت. ادوات النشاط : شبكه معدنية على حاملني عازلني قطع ورقية صغيرة مصدرللشحنات الكهربائية املستقرة. 207

208 الخطوات : نلصق احد طرفي كل وريقة بالشبكة و يبقى طرفها االخر سائبا و يتم ذلك من اجلهتني. نشحن الشبكة بشحنة معينة فتبتعد النهايات السائبة للوريقات عن الشبكة بالتنافر من كال اجلهتني ( الحظ الشكل )a نثني الشبكة املعدنية بحيث يكون سطحها مقوسا )كما في الشكلb-3-10 ( نالحظ تنافر الوريقات التي على السطح اخلارجي للشبكة وبقاء الوريقات على السطح الداخلي بدون تنافر. b a شكل )3-10( نستنتج من هذا النشاط ان الشحنات الكهربائية تستقر على السطوح اخلارجية للموصالت املشحونة واملعزولة بسبب تنافر هذه الشحنات عند وضعها في داخل اجلسم املوصل ألنها من النوع نفسه الحظ الشكل) 4-10 (. شكل )4-10( كثافة الشحنه الكهربائية:- مقدار الشحنة الكهربائية لوحدة املساحة من سطح املوصل املشحون واملعزول. وحتسب كثافة الشحنه على السطح املعدني الكروي كاالتي: 208

209 مقدار الشحنة املوجودة على سطح املوصل كثافة الشحنة = املساحة السطحية للموصل charge )q( Charge density )σ( = area )A ( σ = q A C m 2 = σ كثافة الشحنة ( حرف التيني يلفظ سيكما ) ويقاس بوحدة = q مقدار الشحنة وتقاس بوحدات الكولوم. املساحة السطحية للموصل الكروي املشحون واملعزول وتقاس بوحدات m². = A تذكر ان الشحنات الكهربائية ترتكز عىل الرؤوس املدببة من سطح املوصالت املشحونة واملعزولة بكثافة شحنة اكرب. 209

210 5-10 المجال الكهرباي ي The Electric Field درست سابقا ان اجملال الكهربائي لشحنة كهربائية هو احليز احمليط بالشحنة الكهربائية والذي يظهر فيه تاثير القوة الكهربائية على شحنة اختبارية موجبة موضوعة في اي نقطة من اجملال. الحظ الشكل) 5-10 ) a اجملال الناشيء عن شحنة نقطية موجبة b اجملال الناشيء عن شحنة نقطيةسالبة شكل )5-10( واجملال الكهربائي كمية متجهة ويكون اجتاهها باجتاه محصلة القوة الكهربائية التي تؤثر في الشحنة االختبارية ويكون موجبا عندما يصدر عن شحنة موجبة واجملال يكون سالبا اذا صدر عن شحنة سالبة. واجملال الكهربائي ميثل بخطوط تسمى خطوط القوة الكهربائية او خطوط اجملال الكهربائي. ويعرف خط اجملال الكهربائي بأنه : املسار الذي تسلكه شحنة اختبارية موجبة حرة احلركة عند و ضعها في اجملال. وتتصف خطوط اجملال الكهربائي مبا يأتي: - 1 تنبع من الشحنة املوجبة وبصورة عمودية على السطح املشحون وتتجه نحو الشحنة السالبة عموديا على السطح املشحون بالشحنة السالبة الحظ الشكل) 6-10 ) شكل )6-10( 210

211 - 2 املماس خلط القوة في اية نقطة ميثل اجتاه اجملال الكهربائي في تلك النقطة شكل )7-10 ( a- اجملال الكهربائي لشحنتني مختلفتني b- اجملال الكهربائي لشحنتني متماثلتني شكل )7-10( - 3 خطوط القوة الكهربائية التتقاطع مع بعضها البعض بل تتنافر وتتوتر لتأخذ أقصر طول ممكن لها. الحظ الشكل. ) 8-10 ( شكل )8-10( وميكن ان نعرف اجملال الكهربائي كميا عند نقطة ما بانه : مقدار القوة الكهربائية التي يؤثر بها اجملال في شحنة موضوعة في تلك النقطة مقسوما على مقدار الشحنة اي ان: القوة الكهربائية اجملال الكهربائي = الشحنة املتأثرة باجملال F =E q' Newton Coloumb حيث: = E اجملال الكهربائي مقاسا بوحدة 211

212 )Newton ( القوة املؤثرة مقاسة بوحدة = F )μc( ومن اجزائها املايكروكولوم )Coloumb( الشحنة املتأثرة باجملال مقاسة بوحدة = q والبيكوكولوم.)PC( وعندما يكون اجملال الكهربائي ناشئا عن شحنة نقطية )q( فان القوة )F( املؤثرة في شحنة االختبار ( q ( تعطى بالعالقة األتية: F = K q q' r 2 قانون كولوم E = q F ومبا أن اجملال الكهربائي: E = K q r 2... حيث: : E اجملال الكهربائي الناشيء عن الشحنة النقطية عند نقطة تبعد مسافة )r( عنها : q الشحنة النقطية املسببة للمجال الكهربائي : r بعد النقطة عن الشحنة النقطية ثابت ويساوي Nm2 : K C 2 المجال الكهربائي المنتظم وغير المنتظم : اجملال الكهربائي املنتظم : هو اجملال الثابت املقدار واالجتاه عند كل نقطة من نقاطه وخطوط القوة الكهربائية فيه تكون متوازية ومنتظمة الكثافة. وميكن احلصول على اجملال الكهربائي املنتظم عند شحن لوحني متوازيني واسعني بشحنتني متساويتني ومختلفتني بالنوع

213 - ان خطوط اجملال الكهربائي في املنطقة بني اللوحني متوازية واالبعاد بينهما متساوية ( باهمال تأثير احلافات املقوسة(. وهذا يعني ان للمجال املقدار نفسه وكذلك االجتاه نفسه عند جميع النقاط الحظ الشكل) 9-10 ). بطارية + + q - q + q شكل )9-10( اما اجملال الكهربائي غير املنتظم : فهو ذلك اجملال الذي يتغير مقداره بني نقطة واخرى. مثل اجملال املتولد عن شحنة نقطية او حول كره موصلة مشحونة الحظ الشكل ( ) اذ يقل مقدار اجملال كلما ابتعدنا عنها بسبب نقصان كثافة خطوط القوة الكهربائية مثال 1 شكل )10-10( صفيحتان متوازيتان مشحونتان بشحنتني متساويتني في املقدار ومختلفتني في النوع. وضعت شحنة مقدارها C 2 عند النقطة )a( )الحظ الشكل اجملاور (بني اللوحني فتأثرت بقوة كهربائية مقدارها N 6 في اجتاه خطوط اجملال 1- ما نوع الشحنة النقطية 2- احسب مقدار اجملال الكهربائي عند النقطة )a( 3- إذا انتقلت الشحنة الى النقطة ( b(. ما مقدار القوة املؤثرة فيها احلل/ 1- مبا أن القوة الكهربائية باجتاه اجملال فان الشحنة النقطية موجبة a b E = F q القوة الكهربائية الشحنة املتأثرة باجملال 2- اجملال الكهربائي = E = Newton = Coloumb 3- عندما تنتقل الشحنة الى النقطة )b ) تتأثر بالقوة نفسها مقدارا ( N F = اي في اجتاه اجملالE ) الن اجملال الكهربائي بني الصفيحتني منتظم 213

214 كره موصله مشحونة مقدار شحنتها pc) ) 100 ونصف قطرها 1cm( ) احسب : 1- اجملال الكهربائي في نقطة تبعد )50cm( عن مركزها. 2- اجملال الكهربائي على سطحها. r =1cm مثال 2 3- اجملال الكهربائي في نقطة داخل الكرة q =100pc احلل : 1Pc = 1x10-12 C 100Pc= c =10-10 c مبا ان اجملال الكهربائي غير منتظم نستعمل العالقة التية :- E= K q/r 2-1 = N.m 2 / C 2 )10-10 ( / ) m( 2 = 3.6 N / C r =1cm = o.o1m 2 -عند سطح الكرة فان E = K q / r 2 = N.m 2 / C 2 )10-10 )C / ( m( 2 = 9000 N / C - 3 ان اجملال الكهريائي داخل الكرة املوصلة يساوي صفرا النه خالي من الشحنات اذ تظهر الشحنات E=0 على سطح الكرة اخلارجي اي ان : 214

215 في الشكل اجملاور شحنتان نقطيتان مقدار كل منهما ) 1µc +(والبعد بينهما )2m( احسب مقدار اجملال الكهربائي في نقطه من q 1 = +1 µ c a 0.5m 1.5m مثال 3 q 2 نقاط اخلط الواصل بني الشحنتني بحيث 1µ+= c تبعد )0.5m( عن الشحنة األولى وتبعد )1.5m( عن الشحنة الثانية الحل: مبا ان املطلوب هو ايجاد اجملال الكهربائي عند النقطة )a( فاننا نفترض وجود شحنه اختبارية موجبة عند النقطة )a(. وبعدها نحسب مقدار اجملاالت الكهربائية الناشئة q 2 q 1 وكذلك بقوة تتنافر مع عن هذه الشحنات النقطية.ان شحنة االختبار ستتأثر بقوة تتنافر مع لذلك فان : E= K q / r 2 E 1 = / )0.5( 2 E 1 = N / C q 1 اجملال الكهربائي الناشيء عن الشحنة E 2 = / )1.5( 2 E 2 = N / C q 2 اجملال الكهربائي الناشيء عن الشحنة E R تكون بأجتاه اجملال الكهربائي االكبر E 2 فأن محصلة اجملال الكهربائي E 1 يعاكس اجتاه مبا ان اجتاه E R = E 1 ( محصلة اجملال الكهربائي ) -E 2 = E R = N C 215

216 6-10 الفيض الكهرباي ي the Electric Flux يتوقف اجملال الكهربائي في منطقة معينة على كثافة خطوط القوة الكهربائية املارة من تلك املنطقة فتزداد بزيادتها ولذلك تعد كثافة خطوط القوة الكهربائية مقياسا للمجال الكهربائي. إن عدد خطوط القوة الكهربائية التي تقطع السطح عموديا يدعى بالفيض الكهربائي ويرمز له بالرمز االغريقي ( (.من مالحظتنا للشكل) ( جند ان مقدار الفيض الكهربائي يزداد بزيادة عدد خطوط القوة الكهربائية التي تخترق السطح )A( عموديا وكذلك بزيادة مقدار مساحة السطح اخملترق. a b c يزداد مقدارالفيض الكهربائي بزيادة عدد خطوط القوة الكهربائية يزداد مقدار الفيض الكهربائي بزيادة مساحة السطح اخملترق الفيض الكهربائي الناشيء عن مجال كهربائي منتظم عمودي على املساحة )A( e مقدار الفيض الكهربائي يساوي صفرا الن السطح اخملترق يوازي اجتاه اجملال الكهربائي d الفيض مقدار يقل السطح الن الكهربائي اخملترق غير عمودي على اجتاه اجملال الكهربائي شكل )11-10( وبذلك ميكن استنتاج العالقة بني الفيض الكهربائي واجملال الكهربائي كما يأتي: E ) مساحة السطح اخملترق الفيض الكهربائي ( ) = اجملال الكهربائي العمودي ( = E A 216

217

218 7-10 الجهد الكهرباي ي Electric Potential +q +q r B r A شكل )12-10( B شكل )13-10( لو فرضنا وجود شحنة كهربائية موجبة )q( r A من شحنة اختبارية موجبة على بعد +q' q ( فان الشحنة االختبارية املوجبة). q ( ( تكون متأثرة باجملال الكهربائي للشحنة )q( حسب قانون كولوم باالجتاه بعيدا عن q كما في الشكل )12-10( وان هذه الشحنة متتلك طاقة كامنةكهربائية معينة. واذا حتركت الشحنة االختبارية) q ( قريبا من r B الحظ الشكل الشحنة) q ( وعلى بعد ) (وبأجتاه معاكس الجتاه اجملال الكهربائي فأن ذلك يتطلب اجناز شغل للتغلب على قوة التنافر فيتحول هذا الشغل ايضا الى طاقة كامنة كهربائية. عندها سيكون مقدار الطاقة الكامنه في نقطة B اكبر من مقدار الطاقة الكامنة في النقطة A مبقدار الشغل املبذول. ووفقا لذلك ميكن تعريف اجلهد الكهربائي بانه: الطاقة الكامنة الكهربائية لوحدة الشحنة في نقطة داخل اجملال الكهربائي وهو كمية غير اجتاهية. أي ان : A r +q' الطاقة الكامنة الكهربائية )الشغل ) w اجلهد الكهربائي) V ( = الشحنة املتأثرة )q( V ) volt ( = w ) joule( q ) coloumb ( 218

219 وحلساب اجلهد الكهربائي على بعد r من مركز كرة معزولة ومشحونة بشحنة q نطبق العالقة األتية: حيث: ثابت التناسب ويساوي Nm2 : K C 2 ويقاس اجلهد الكهربائي بوحدات. volt ويكون اجلهد موجبا اذا تولد من شحنة موجبة ويكون سالبا اذا تولد من شحنة سالبة ( للهواء ) q V = k r 8-10 فرق الجهد الكهرباي ي Potential difference إن فرق اجلهد بني جهدي النقطتني ( A ) B ( ( داخل اجملال الكهربائي الحظ الشكل )14-10( هو الفرق في الطاقة الكامنة الكهربائية لوحدة الشحنة بني هاتني النقطتني وهو مقدار الشغل الالزم لنقل الشحنة الكهربائية املوجبة من احدى النقطتني الى االخرى مقسوما على مقدار تلك الشحنة. شكل )14-10( فرق الجهد الكهربائي = الجهد عندB - الجهد عند A V AB =V B -V A = W AB q 219

220 ومنها : الشغل = فرق اجلهد الشحنة املنقولة W AB = q V AB العالقة بين المجال الكهربائي وانحدار الجهد لقد بينا أن : فرق اجلهد = الشغل الشحنة املنقولة V AB = W AB q W AB وعند التعويض عن الشغل مبا يساويها وفي مجال كهربائي منتظم ) x ( االزاحة ) F القوة) = )W AB الشغل ( W AB = F x V AB = F x q ومنها نحصل على V AB = x F q F q اجملال الكهربائي ( E ) يساوي 220

221

222 هل تعلم ان اختبار االجهاد الذي يستعمل في فحص مرضى القلب يتم من خالل حساب العالقة بين فرق الجهد بين قطبين معدنيين كدالة للزمن. وهذا االختبار يظهر ما اذا كان القلب يعمل بصورة طبيعية أم ال 9-10 سطح تساوي الجهد Equipotential Surface سطح تساوي اجلهد هو ذلك السطح الذي تكون نقاط سطحه جميعا بنفس قيمة اجلهد الكهربائي اي ان فرق اجلهد بني اي نقطتني من نقاطه يساوي صفرا. وأهم خواص سطوح تساوي اجلهد هي: - 1 التتقاطع بعضها مع البعض اآلخر الحظ الشكل ( 15-10( - 2 خطوط القوة الكهربائية تكون عمودية على سطوح تساوي اجلهد شكل )15-10( - 3 تتقارب سطوح تساوي اجلهد فيما 222

223 بينها في املناطق التي يكون اجملال الكهربائي ( E (فيها كبيرا فتزداد كثافة خطوط القوة الكهربائية ايضا ولهذا السبب فأن سطوح تساوي اجلهد تتقارب قرب النهايات املدببة لالجسام املشحونة املعزولة الشكل ( ) يبني سطوح تساوي اجلهد ( وقد رسمت بشكل خطوط متقطعة( وخطوط القوة الكهربائية املرسومة بشكل خطوط مستمرة لشكلني مختلفني في اجملاالت الكهربائية. فعندما يكون اجملال ناشئا عن شحنة نقطية كما في ) a (تكون سطوح تساوي اجلهد كروية الشكل ومتحدة املركز. أما في حالة اجملال املنتظم )كالذي ينشأ بني لوحني متوازيني ) كما في الشكل) b ( فتكون سطوح تساوي اجلهد مستوية ومتوازية. شكل )16-10( 223

224 مثال 1 كرة معدنية معزولة نصف قطرها 5cmعليها شحنه مقدارها 20µc جد اجلهد الكهربائي في نقطة :- 1- على سطحها 2- على بعد cm( 15 (من سطحها q = 20 µ c = c الحل:- V= K q / r -1 V 1 = { } / 0.05 V 1 = volt وهو جهد جميع نقاطها V 2 ={ } / ( ) -2 V 2 اجلهد على بعد) cm 15( من سطحها volt = مثال 2 الشكل اجملاور يبني سطحان متوازيان من سطوح تساوي اجلهد جهد احدهما ) 5V -(وجهد اآلخر )3V+ ) والبعد بينهما )4m( احسب اجملال الكهربائي بينهما. احلل:- مبا ان اجملال الكهربائي منتظم بني السطحني فان خطوط اجملال ستكون متوازية وعمودية على كال السطحني لذلك فأن : 4m V -5V اي ان: اجملال الكهربائي = اجملال الكهربائي = انحدار اجلهد فرق اجلهد الكهربائي البعد v E= x 224

225 v 2 -v 1 E= x 3- )-5( E= 4 8 v مقدار اجملال الكهربائي 2 = E E= 4 m مثال 3 النقطه A تبعد )30cm( عن مركز كرة نصف قطرها) 1cm (مشحونة بشحنة C( ) ونقطه B تبعد )90cm( عن مركز الكرة نفسها. احسب الشغل الالزم لنقل شحنة مقدارها )1µc( من نقطة Bالى نقطة. A ثابت الشحنة اجلهد الكهربائي = البعد V= k q /r حيث q متثل الشحنة املولدة للمجال V A = / 0.3 = 60 volt V B = / 0.9 = 20 volt اجلهد عند النقطة A اجلهد عند النقطة B 225

226 اجلهد عند النقطة - B اجلهد عند النقطة = A فرق اجلهد بني النقطتني ) A ( B, V AB = V A V B = = 40 volt الشغل = فرق اجلهد الشحنة W AB = q V AB W AB = = Joule الجهد الكهربائي لالرض : يعد اجلهد الكهربائي لألرض صفرا. وهذا ال يعني ان االرض خالية من الشحنات الكهربائية وامنا الن سطحها كبير جدا الى حد اليسمح ألية شحنة تعطى لها او تؤخذ منها ان تغير من جهدها اذ تعد خزانا كبيرا للشحنات املوجبة والسالبة. فاملوصالت املشحونة بشحنة موجبة وبعيد عن املؤثرات الكهربائية يكون جهدها موجبا فإذا وصلت باالرض انتقلت اليها شحنات سالبة من االرض فتعادلها ويصبح جهدها صفر كجهد االرض أما إذا كان املوصل سالب الشحنة فان جهده يكون سالب فاذا وصل باالرض انتقلت الشحنات السالبة من املوصل الى االرض ويصبح جهده صفرا مثل جهد األرض. 226

227 شكل )16-10( عمل الرؤوس المسننة في تفريغ الشحنات الكهربائية إن كثافة الشحنة تتناسب عكسيا مع نصف قطر املوصل لذا ستكون كثافة الشحنة في الرؤوس املدببة كبيرة جدا.فتتفرغ الكهرباء منها إلى اجلو عن طريق االيونات احلرة املوجودة دائما في الهواء بسب اجملال الكهربائي العالي الذي يسبب تأين الهواء احمليط بهذا الطرف املدبب الحظ الشكل ) (.الذي يقوم بجذب دقائق الهواء املتعادلة او املشحونة بشحنة مخالفة فتتعادل الشحنات ثم تكتسب شحنة مماثلة لشحنة الطرف املدبب فتتنافر معه.ويتم بذلك تفريغ الشحنة الكهربائية منه إلى اجلو. الكهرباء الجوية هناك العديد من الظواهر الكهربائية املرئية تظهر في مناطق من الكرة االرضية منها الشفق القطبي والزوابع الرعدية والبرق والصواعق. وسنتناول في دراستنا بعض هذه الظواهر مثل البرق والرعد في اجلو املمطر الحظ الشكل )17-10( بصورة خاصة تصبح السحب محملة بالكهرباء وتكون شحنتها موجبة في الطبقات العليا وسالبة في الطبقات السفلى من الغيمة شكل )17-10( 227

228 فاذا حصل تفريغ )على شكل ضربات متقاربة( بني االجزاء اخملتلفة من السحابة الواحدة اوبني سحابتني مختلفتني فتسمى )برقا( وهو اليستمر اكثر من / من الثانية الحظ الشكل )18-10( ويحصل مبعدل )100( ومضة في الثانية الواحدة تقريبا.وبقدرة 4x10 9 kilowatts وقد يصل طول الشرارة الى عدة كيلومترات وبقطر) 10cm - ) 15cm فيؤدي الى تأين الهواء وتسخينه بشكل مفاجيء الى) C ( مما يعطي ضوءا وهاجا. ان هذا االرتفاع املفاجيء في درجة احلرارة يعمل على متديد الهواء بشكل مفاجيء ايضا مولدا صوتا يتكرر صداه بني الغيوم فيسمى )رعدا(. شكل )18-10( الصاعقة : إذا حصل تفريغ كهربائي بني السحابة املشحونة واي جسم يحمل شحنه مخالفة لها 1 على سطح األرض فيسمى عندئذ صاعقة التي معدل زمن حدوثها يساويsec 4 الحظ الشكل )19-10(. 228

229 شكل )19-10( مانعة الصواعق : تستعمل حلماية الدور واملنشات من التفريغ الكهربائي اجلوي. فهي تعمل على تفريغ الشحنة الكهربائية نحو األرض ببطء وعملها يتوقف على فعل األسنة فهي تتركب من موصل احد طرفيه مثبت في ارض رطبة وطرفه اآلخر يعلو فوق سطح البناية حيث يكون مدببا. فاذا كان اجلو مشحونا بالشحنات السالبة تتولد على سطح األرض شحنات موجبة تنتقل الى هل تعلم يبدو للعين المجردة بانه يحصل تفريغا واحدا للبرق اال ان الحقيقة هي حصول عدد من الضربات المتعاقبة السريعة تسلك المسار نفسه في الهواء. الرأس املدبب. 229

230 ملانعة الصواعق ثم تندفع مبتعدة عنه محدثة تفريغا تدريجيا بفعل فرق اجلهد بني األرض واجلو احمليط بالرأس املدبب وبذلك يقل خطر التفريغ اخلارجي الحظ الشكل )20-10(. شكل )20-10( 230

231 .1 المرشحات الكهروستاتيكية Electrostatic Filters تقوم الكثير من املعامل واملصانع باطالق غازات محملة بدقائق صغيرة على شكل سحابة من الدخان مما يؤدي الى تلوث الهواء.وقد استعملت اجهزة املرشحات الكهروستاتيكية في تنقية البيئة من ذلك يبني الشكل )21-10( عمل املرشح الكهروستاتيكي. حيث يحتوي املرشح على اسالك فلزية رفيعة مشحونة بشحنة سالبة وتعمل على شحن دقائق الدخان بشحنة سالبة عند مرور الغازات امللوثة عبر املرشح فتنجذب دقائق الدخان بالواح فلزية موجبة الشحنة وبأستعمال شحنات شحنات شكل )21-10( مطرقة ميكانيكية سيتم هز هذه االلواح لتجميع الدقائق في االسفل 2. جهاز االستنساخ الضوئيPhotocopier يعد جهاز تصوير الوثائق من التطبيقات املهمة على الكهربائية الساكنة.يبني الشكل ) (اخلطوات الرئيسية التي تتم داخل جهاز تصوير الوثائق. شكل )22-10( 231