العلوم الفيزيائية🎓 هدف البكالوريا

التطورات المهتزة

إنجاز تجارب: اهتزاز جسم مثبت بنابض و نواس بسيط، و حالة التخامد

🔊 المعلّمة تقرأ لك
ميقاتية في اليد، ونابض يحمل جسما يهتزّ صعودا ونزولا: كلّ الطاولات تقيس الشيء نفسه، ومع ذلك تختلف الأرقام من طاولة إلى أخرى. ما الذي يحدّد فعلا دور اهتزازات جملة حرّة، وكيف نقيسه قياسا موثوقا ؟
🎓في نهاية هذا الدرس ستكون قادرا على:
  • أن تقيس دور اهتزازات نواس مرن بطريقة تقلّل خطأ الميقاتية
  • أن تُبيّن تجريبيّا كيف تؤثّر الكتلة وثابت المرونة في الدور
  • أن تميّز على بيان بين نظام شبه دوري ونظام غير دوري
  • أن تستخرج المقاومة الداخلية لوشيعة من جدول قياسات
  • أن تقرأ شبه الدور على راسم اهتزازات وتتحقّق من تعلّقه بالذاتية والسعة
🔑يفترض هذا الدرس أنّك تتقن:
  • مفهوم الدور والتواتر في حركة دورية
  • تفريغ مكثفة في وشيعة ومعنى شبه الدور
  • رسم بيان على ورقة ميليمترية وقراءة ميل مستقيم

❓إشكالية: في هذه الحصّة لا نتعلّم قانونا جديدا، بل نتحقّق منه بأيدينا. نقيس، ثمّ نرسم، ثمّ نقارن ما قسناه بما تتوقّعه النظرية. وأوّل سؤال يطرحه العمل التطبيقي بسيط في ظاهره: إذا علّقنا جسما بنابض وأزحناه ثمّ تركناه، فما الذي يقرّر مدّة الاهتزازة الواحدة ؟

انتبه إلى حدود هذه البطاقة التجريبية: التجارب المقترحة فيها تخصّ النواس المرن، أي جسما معلّقا بنابض، ثمّ المهتزّ الكهربائي. أمّا النواس البسيط، وهو كتلة في طرف خيط، فلا تجد له تجربة هنا، ولا يمكن استخراج دوره من قياسات هذه الحصّة.

📌التجربة الأولى: تأثير الكتلة في دور النواس المرن

🧭الهدف: دراسة العوامل المؤثّرة في دور اهتزازات النواس المرن، بدءا بالكتلة المعلّقة.

🧰الأدوات:

  • نابض مرن مهمل الكتلة، حلقاته غير متلاصقة
  • أجسام كتلها 100 و 200 و 300 و 400 غرام
  • حامل شاقولي
  • ميقاتية
  • ورقة ميليمترية

📌التجربة:

  1. نعلّق بالنابض جسما كتلته معلومة.
  2. نزيح الجملة، أي النابض والجسم معا، عن وضع توازنها بسحب الجسم شاقوليّا نحو الأسفل.
  3. نترك الجسم لحاله دون سرعة ابتدائية.
  4. بواسطة الميقاتية نقيس الزمن الموافق لعشر اهتزازات كاملة.
  5. نقسم هذا الزمن على عشرة فنحصل على الدور، ثمّ نحسب مربّعه.
  6. نكرّر العمل من أجل الكتل الأربع، ونسجّل النتائج في جدول.
  7. نمثّل مربّع الدور بدلالة الكتلة، ثمّ نكتب العبارة البيانية.

🔍الملاحظة: كلّما كبرت الكتلة المعلّقة طال زمن العشر اهتزازات، فيكبر الدور. وعند تمثيل مربّع الدور بدلالة الكتلة تصطفّ النقاط على مستقيم يمرّ بمبدأ المعلم.

يكبر دور النواس المرن كلّما كبرت الكتلة المعلّقة. وبعبارة أدقّ: مربّع الدور يتناسب طردا مع الكتلة، لأنّ بيانه مستقيم يمرّ بالمبدأ.
جداول القياس تُترك فارغة عن قصد: سطر الكتل وحده مملوء، وأسطر الزمن والدور ومربّعه تُملأ في القسم أثناء المناولة. لذلك لن تجد في هذه الحصّة أرقاما جاهزة للزمن ولا للدور: ما هو مضمون هنا شكل البيان وما يُستنتج منه، أمّا الأعداد فهي أعداد طاولتك أنت.

📌التجربة الثانية: تأثير ثابت مرونة النابض في الدور

🧭الهدف: معرفة كيف يؤثّر ثابت مرونة النابض في الدور، مع إبقاء الكتلة المعلّقة ثابتة.

📌التجربة:

  1. نأخذ نابضا مناسبا ونعلّق به جسما كتلته 200 غرام.
  2. نعيد مراحل التجربة الأولى بالكامل: إزاحة شاقولية، ترك دون سرعة ابتدائية، ثمّ قياس زمن عشر اهتزازات.
  3. نكرّر العمل من أجل عدّة نوابض، لكلّ منها ثابت مرونة يختلف عن الآخر، والكتلة نفسها في كلّ مرّة.
  4. نسجّل النتائج في جدول، ثمّ نمثّل مربّع الدور بدلالة مقلوب ثابت المرونة.

🔍الملاحظة: النابض الأقسى، أي الذي ثابت مرونته أكبر، يعطي اهتزازات أسرع: يقصر زمن العشر اهتزازات فيصغر الدور. ومربّع الدور بدلالة مقلوب ثابت المرونة يعطي بدوره مستقيما يمرّ بالمبدأ.

يصغر دور النواس المرن كلّما كبر ثابت مرونة النابض: مربّع الدور يتناسب طردا مع مقلوب ثابت المرونة.
دور اهتزازات النواس المرن

لأنّ التجربتين أعطتا نتيجتين متكاملتين: مربّع الدور يتناسب مع الكتلة، ويتناسب مع مقلوب ثابت المرونة. والعبارة التي تجمع النتيجتين في سطر واحد هي هذه.

T = 2π√(mk)
Tدور الاهتزازات(s)mالكتلة المعلّقة(kg)kثابت مرونة النابض(N/m)
مثال 1: حساب دور نواس مرن وزمن عشر اهتزازات

نأخذ الجسم نفسه المستعمل في التجربة الثانية، وكتلته 200 غرام، ونعلّقه بنابض ثابت مرونته عشرون نيوتنا لكلّ متر. هذه القيمة الأخيرة قيمة تطبيق، لا قياسا تجريبيّا.

🎯المطلوب: احسب دور اهتزازات هذه الجملة، ثمّ استنتج الزمن الذي تقرؤه الميقاتية لعشر اهتزازات كاملة

📌المعطى
m = 200 g ; k = 20 Nm
🔹الخطوة 1: التحويل إلى الجملة الدولية

لأنّ عبارة الدور مكتوبة في الجملة الدولية: الكتلة فيها بالكيلوغرام لا بالغرام

m=200 g=0,200 kg
🔹الخطوة 2: كتابة عبارة الدور والتعويض فيها

لأنّ التجربتين أعطتا التناسب مع الكتلة ومع مقلوب ثابت المرونة معا، وهذه العبارة هي التي تجمعهما

T=2π√(mk)=2π√(0,20020)
🔹الخطوة 3: حساب الجذر ثمّ الدور

لأنّ حساب ما تحت الجذر أوّلا يجنّبك خطأ ترتيب العمليات على الآلة الحاسبة

T=2π × √(0,010)=2π × 0,10=0,63 s
✅النّتيجة

لأنّ الميقاتية لا تُشغَّل ولا تُوقَف على اهتزازة واحدة: التجربة تقيس عشر اهتزازات، وهذا هو العدد الذي ستقرؤه فعلا على الشاشة

t=10 × T=10 × 0,63=6,3 s
لا تقس اهتزازة واحدة بالميقاتية: خطأ ردّ الفعل عند الضغط يقارب عُشر الثانية، وهو هنا سُدس الدور تقريبا. قياس عشر اهتزازات ثمّ القسمة على عشرة يقسّم هذا الخطأ على عشرة، وهذا هو سبب العدد عشرة في نصّ التجربة.

إلى هنا اعتبرنا الاهتزازات مستمرّة بلا نهاية. والواقع غير ذلك: تتناقص سعة الاهتزازات حتّى تنعدم، وهذا ما نسمّيه التخامد. وفي هذه البطاقة يُدرس التخامد على مهتزّ كهربائي، أي دارة تحوي وشيعة ومكثفة وناقلا أوميّا، حيث يكفي تغيير قيمة المقاومة للتحكّم في شدّة التخامد.

📌التجربة الثالثة: تأثير المقاومة في نظام الاهتزازات

🧭الهدف: دراسة تأثير المقاومة في نظام الاهتزازات، وقياس شبه الدور.

🧰الأدوات:

  • مكثفة سعتها متغيّرة بين 0,5 و 15,5 ميكروفاراد
  • وشيعة ذاتيتها متغيّرة بين 0,14 و 1,1 هنري
  • مولّد توتر مستمرّ من صفر إلى 5 فولط
  • علبة مقاومات
  • مقياس فولط ومتعدّد القياسات
  • كمبيوتر مع حبكة إعلامية، ويمكن تعويضها براسم اهتزازات

📌التجربة:

  1. نقيس بمتعدّد القياسات المقاومة الداخلية للوشيعة.
  2. نحقّق الدارة: مولّد، بادلة ذات وضعين، وشيعة، ناقل أومي، ومكثفة، مع مقياس فولط على التفرّع.
  3. نشغّل الحبكة الإعلامية، ثمّ نضع البادلة في وضع شحن المكثفة.
  4. نضع البادلة في وضع تفريغ المكثفة، ونتابع تغيّرات التوتر بين طرفيها.
  5. نعطي للمقاومة عدّة قيم، ونعيد التفريغ في كلّ مرّة.
  6. نبعث المعطيات إلى الحبكة الإعلامية، فنتحصّل في كلّ تجربة على بيان.

🔍الملاحظة: لا تعطي التجارب الثلاث الشكل نفسه: في إحداها يعود التوتر إلى الصفر دون أن يتذبذب ولو مرّة واحدة، وفي الثانية يتذبذب التوتر مدّة طويلة قبل أن ينطفئ، وفي الثالثة يتذبذب قليلا ثمّ ينطفئ بسرعة.

المقاومة هي التي تقرّر نظام الاهتزازات: كلّما كبرت المقاومة المكافئة للدارة اشتدّ التخامد، فتنتقل الجملة من نظام شبه دوري تتناقص فيه السعة تدريجيّا، إلى نظام غير دوري لا اهتزاز فيه أصلا.
📌المعطى: قيم المقاومة في التجارب الثلاث
المقاومة المضبوطة ⁦(Ω)⁩المقاومة المكافئة للدارة ⁦(Ω)⁩
010
100110
500510
القيم منقولة عن الكتاب المدرسي، الصفحة 361.
مثال 2: استخراج المقاومة الداخلية للوشيعة من الجدول

🎯المطلوب: أوجد المقاومة الداخلية للوشيعة انطلاقا من قيم الجدول، وتحقّق من ثباتها في التجارب الثلاث

📌المعطى
R = 0 Ω ; Req = 10 Ω
🔹الخطوة 1: كتابة العلاقة بين المقاومات

لأنّ الوشيعة ليست ملفّا مثاليّا: لها مقاومة خاصّة تُضاف إلى المقاومة المضبوطة، والمقاومات على التسلسل تُجمع

Req = R + r
🔹الخطوة 2: التعويض في سطر التجربة الأولى

لأنّ التجربة الأولى تُنجز عند مقاومة مضبوطة معدومة، فلا يبقى في الدارة إلا ما تحمله الوشيعة نفسها

r=Req − R=10 − 0=10 Ω
🔹الخطوة 3: التحقّق على التجربة الثانية

لأنّ قيمة واحدة لا تُثبت شيئا: نعيد الحساب على السطر الثاني

r=110 − 100=10 Ω
🔹الخطوة 4: التحقّق على التجربة الثالثة

لأنّ ثلاث قراءات متطابقة تجعل النتيجة قراءة مؤكّدة لا صدفة

r=510 − 500=10 Ω
✅النّتيجة

لأنّ الأسطر الثلاثة أعطت العدد نفسه، فهذه هي مقاومة الوشيعة الداخلية

r = 10 Ω
الكتاب يطلب قياس مقاومة الوشيعة بمتعدّد القياسات في أوّل خطوة من العمل، ولا يكتب قيمتها. الجدول يسمح لك بالتحقّق من قياسك دون جهاز: إن لم تجد العدد نفسه في الأسطر الثلاثة، فالخطأ في القراءة أو في القياس، لا في الفيزياء.

تُعاد التجربة نفسها مرّتين أخريين، لكن بتغيير مكوّنات الدارة لا مقاومتها: مرّة نغيّر ذاتية الوشيعة، ومرّة نغيّر سعة المكثفة. وفي كلّ مرّة يُقاس شبه الدور مباشرة على الشاشة، فنتحصّل على الأعداد الوحيدة المطبوعة في هذه البطاقة.

📌المعطى: أشباه الأدوار المقيسة على الشاشة
الذاتية ⁦(H)⁩السعة ⁦(µF)⁩شبه الدور ⁦(ms)⁩
115,524
0,515,517
11019
الأعداد الثلاثة منقولة عن الراسمات المطبوعة في الكتاب المدرسي، الصفحة 361. لاحظ أنّ السطر الأوّل يظهر في التجربتين معا بالقيمة نفسها.
القوس فوق كلّ منحنى هو ما يُقاس فعلا: شبه الدور، لا الدور، لأنّ الاهتزازات متخامدة.
مثال 3: هل يتناسب شبه الدور مع جذر الذاتية ؟

🎯المطلوب: أوجد النسبة بين شبهي الدور المقروءين، وقارنها بجذر النسبة بين الذاتيتين

📌المعطى
L1 = 0,5 H ; L2 = 1 H ; T1 = 17 ms ; T2 = 24 ms
🔹الخطوة 1: حساب نسبة شبهي الدور

لأنّ النسبة تُلغي الوحدة: يكفي أن يكون الزمنان مقيسين بالوحدة نفسها، فلا حاجة إلى أيّ تحويل

T1T2=1724=0,708
🔹الخطوة 2: حساب جذر نسبة الذاتيتين

لأنّ السؤال يقارن هذه النسبة بجذر نسبة الذاتيتين: نحسب الطرف الثاني وحده أوّلا ثمّ نضع العددين وجها لوجه

√(L1L2)=√(0,51)=0,707
✅النّتيجة

لأنّ الفرق بين العددين أصغر من جزأين في الألف، وهو أدقّ بكثير من دقّة قراءة قوس على شاشة

T1T2=0,708 ≈ √(L1L2)=0,707
لا تقارن زمنين مباشرة، قارن نسبتين: النسبة بلا وحدة، فتُلغي خطأ التدريج وخطأ القراءة معا. وهذا ما يجعل نتيجة عمل تطبيقي بسيط مقنعة رغم أنّ القياس بالعين.
مثال 4: وهل يتناسب شبه الدور مع جذر السعة ؟

🎯المطلوب: أوجد النسبة بين شبهي الدور، وقارنها بجذر النسبة بين السعتين، ثمّ ناقش الفرق

📌المعطى
C1 = 10 µF ; C2 = 15,5 µF ; T1 = 19 ms ; T2 = 24 ms
🔹الخطوة 1: حساب نسبة شبهي الدور

لأنّ الخطوة الأولى هي نفسها في كلّ مرّة: نبني نسبة بلا وحدة من العددين المقروءين

T1T2=1924=0,792
🔹الخطوة 2: حساب جذر نسبة السعتين

لأنّ السؤال هنا يقارن بجذر نسبة السعتين، تماما كما قارن قبله بجذر نسبة الذاتيتين

√(C1C2)=√(1015,5)=0,803
🔹الخطوة 3: حساب الفرق النسبي

لأنّ الحكم على المقارنة لا يكون بالنظر بل بالفرق النسبي: نقسم الفرق على القيمة المرجعية

0,803 − 0,7920,803 = 0,014
✅النّتيجة

لأنّ فرقا قدره أربعة عشر في الألف، أي واحد وأربعة أعشار بالمئة، يبقى في حدود خطأ قراءة قوس على شاشة مدرّجة

T1T2=0,792 ≈ √(C1C2)=0,803
شبه الدور يُقرأ بالعين على شاشة: فرق ميليمتر واحد على التدريج يكفي ليعطي فرقا من واحد إلى اثنين بالمئة. لذلك يُعتبر الفرق المتحصّل عليه هنا مقبولا، ولا يُقال إنّ القانون خاطئ لأجله. في البكالوريا يُطلب منك أن تحكم على الفرق، لا أن تنكره.
لاحظ التوازي بين جزأي الحصّة: في الميكانيك يكبر الدور مع الكتلة ويصغر مع ثابت المرونة؛ وفي الكهرباء يكبر شبه الدور مع الذاتية ومع السعة. الكتلة تلعب دور الذاتية، وثابت المرونة يلعب دور مقلوب السعة. وهذا التطابق بين الميكانيك والكهرباء يُدرس بتفصيل في درس مستقلّ من هذه الوحدة.
في البكالوريا يأتي هذا الدرس في صورة تمرين تجريبيّ: جدول قياسات لدور نواس مرن بدلالة الكتلة أو ثابت المرونة، أو تسجيل لاهتزازات دارة كهربائية، ويُطلب: «ارسم البيان واستنتج المقدار المجهول»، أو «سمِّ النظام الملاحظ»، أو «اقرأ شبه الدور». جهّز ثلاثة عناصر: ① الدور خاصّية للجملة لا لطريقة إطلاقها: في النواس المرن ⁦T = 2π √(m/k)⁩، فيحدّده مقداران فقط: الكتلة المعلّقة وثابت مرونة النابض ؛ ② القياس الموثوق: قِس مدّة عشر اهتزازات ثمّ اقسم على عشرة ؛ ③ في المهتزّ الكهربائي: الذاتية والسعة تحدّدان شبه الدور، والمقاومة تقرّر النظام: تذبذب شبه دوريّ، أو عودة إلى السكون دون اهتزاز. ⚠️ الخطأ الشائع: قياس الدور على اهتزازة واحدة، فيكبر خطأ الميقاتية. ⚠️ وخطأ ثانٍ: نسبة تغيّر شبه الدور إلى المقاومة ؛ المقاومة تقرّر هل تتذبذب الجملة، والذاتية والسعة تحدّدان شبه الدور.
خلاصة: الدور خاصّية للجملة نفسها، لا لطريقة إطلاقها. في النواس المرن يحدّده مقداران اثنان: الكتلة المعلّقة وثابت مرونة النابض. وفي المهتزّ الكهربائي يحدّد الذاتية والسعة شبه الدور، بينما تقرّر المقاومة شيئا آخر تماما: هل تتذبذب الجملة أصلا، أم تعود إلى السكون دون اهتزاز. وأمّا القياس الموثوق فلا يكون على اهتزازة واحدة، بل على عشر اهتزازات ثمّ قسمة.

الصفحة 1/8

© مدرستي — هذا الدرس من تأليف مدرستي · madrassati.net