أهلاً بكم أبنائي وبناتي تلاميذ السنة الرابعة متوسط، معكم الأستاذ والمصحح الأول للامتحانات الرسمية. يسعدني جداً أن أرافقكم اليوم في هذا الحل المفصل والدقيق لفرض الفصل الأول في مادة العلوم الفيزيائية.

الفيزياء علم ممتع وجميل، وفهم قواعده يضمن لكم العلامة الكاملة (20/20) بإذن الله في شهادة التعليم المتوسط (BEM). دعونا نبسط المفاهيم معاً خطوة بخطوة بأسلوب تربوي واضح ومشوق.

يستهدف هذا التمرين قياس مدى فهمكم لظاهرة التكهرب باللمس وبالتأثير، وكيفية انتقال الشحنات الكهربائية (الإلكترونات).

في هذه التجربة، قام التلاميذ بدلك قضيب من الإيبونيت بقطعة صوف (فتكهرب بشحنة سالبة) ثم لمسوا به رأس الكاشف الكهربائي.

أ) دور الكاشف الكهربائي:

دور الكاشف الكهربائي هو: الكشف عن وجود الشحنات الكهربائية (التكهرب) في الأجسام ومعرفة نوعها.

ب) ماذا يحدث لورقتي الكاشف الكهربائي وتفسير ذلك:

تذكر دائماً يا بني أن الإلكترونات (الشحنات السالبة) هي الوحيدة القادرة على الانتقال والحركة في المواد الناقلة، بينما الشحنات الموجبة (البروتونات) تبقى ثابتة في نواة الذرة ولا تنتقل أبداً.

ج) نوع الشحنة الكهربائية التي تظهر على الورقتين:

الشحنة الكهربائية التي تظهر على الورقتين هي: شحنة كهربائية سالبة ($-$).

في هذه التجربة، تم تقريب قضيب زجاجي مدلوك (A) من ساق نحاسية موضوعة فوق حامل عازل ومتصلة بكاشف كهربائي.

أ) تحديد شحنة القضيب (A):

بما أن القضيب (A) مصنوع من الزجاج المدلوك، فإن شحنته الكهربائية تكون موجبة ($+$) (لأن الزجاج يفقد إلكترونات عند دلكه).

ب) ماذا يحدث لورقتي الكاشف الكهربائي؟

تتباعد (تتنافر) ورقتا الألمنيوم للكاشف الكهربائي.

ج) التفسير المجهري للظاهرة:

عند تقريب القضيب الزجاجي (A) المشحون إيجاباً (دون لمس) من الطرف الأول للساق النحاسية (الناقلة)، يحدث استقطاب للشحنات:

انجذاب الإلكترونات (الشحنات السالبة الحرة) من ورقتي الألمنيوم وساق الكاشف والطرف الآخر للساق النحاسية نحو الطرف القريب من القضيب الزجاجي (A).

نتيجة هجرة الإلكترونات نحو الأعلى، يحدث نقص في الإلكترونات على مستوى ورقتي الألمنيوم، فتظهر عليهما شحنة كهربائية موجبة ($+$). وبما أنهما تحملان نفس الشحنة الموجبة، فإنهما تتنافران وتتباعدان.

هذا النوع من التكهرب يسمى التكهرب بالتأثير (التحريض)، حيث لا يحدث انتقال فعلي للشحنات من القضيب المؤثر إلى الجسم المتأثر، بل يحدث فقط إعادة تموضع وتوزيع للشحنات.

د) نوع الشحنة التي تحملها ورقتا الكاشف:

الشحنة التي تحملها الورقتان في هذه الحالة هي: شحنة كهربائية موجبة ($+$).

هـ) وصف وتفسير ما يحدث عند استبدال الساق النحاسية بساق من الخشب الجاف:

و) ماذا يحدث عند إبعاد القضيب الزجاجي (A)؟

يزول التباعد وتعود ورقتا الألمنيوم إلى حالتهما الأصلية (تنطبقان)، وذلك لزوال التأثير الخارجي وعودة الإلكترونات إلى مواضعها الأصلية وتوزعها بانتظام (رجوع الكاشف للحالة التعادلية).

ز) هل يحافظ قضيب الإيبونيت على شحنته الكهربائية؟

نعم، يحافظ قضيب الإيبونيت على شحنته الكهربائية لفترة معينة بشرط عدم لمسه باليد أو بجسم ناقل آخر، وبشرط أن يكون الجو جافاً، لأن الإيبونيت مادة عازلة تحتفظ بالشحنات المتولدة بالدلك في مكان الدلك ولا تسمح لها بالحركة.

يتمحور هذا التمرين حول إنتاج التيار الكهربائي المتناوب باستعمال مغناطيس ووشيعة.

الظاهرة هي: ظاهرة التحريض الكهرومغناطيسي (Induction Électromagnétique).

جهاز الفولتمتر الرقمي عند ربطه بين طرفي وشيعة في دارة تيار متناوب يقيس لنا التوتر الفعّال (المنتج) $U_{eff}$. ومن خلال الوثيقة 03، نلاحظ أن الشاشة تشير إلى القيمة $5\text{ V}$. إذن: $U_{eff} = 5\text{ V}$.

العلاقة بين التوتر الأعظمي والتوتر الفعال هي:

الحساب:

إذن، القيمة الأعظمية للتوتر هي: $U_{max} \approx 7.07\text{ V}$.

المخطط عبارة عن منحنى جيبي (تموجات منتظمة متماثلة حول المحور الأفقي للزمن) يتناوب بين قيمتين حديتين هما $+U_{max}$ و $-U_{max}$.

يرسم التلميذ محورين متعامدين:

سندرس هنا المنحنى البياني الظاهر على شاشة راسم الاهتزاز المهبطي لتحديد خصائص التوتر الكهربائي لـمنوبة الدراجة.

1. متغير القيمة: تتغير قيمته بين الصفر وقيمتين حديتين (أعظمية موجبة وأعظمية سالبة).

2. متغير الاتجاه: يسري في اتجاهين متعاكسين (نوبات موجبة ونوبات سالبة).

3. دوري: يكرر نفسه بانتظام خلال فترات زمنية متساوية متتالية تسمى الدور $T$.

القانون المستعمل لحساب التوتر الأعظمي بيانيا هو:

حيث:

من الوثيقة 04:

التعويض العددي:

إذن: $U_{max} = 15\text{ V}$.

القانون المستعمل لحساب الدور هو:

حيث:

من الوثيقة 04:

التعويض العددي:

تحويل الدور إلى الثانية ($\text{s}$):

إذن: $T = 0.04\text{ s}$.

التواتر هو مقلوب الدور ويقاس بالهرتز ($\text{Hz}$):

التعويض العددي:

إذن: $f = 25\text{ Hz}$.

أ) قيمة التوتر المناسبة لتشغيل مصباح الدراجة:

الأجهزة الكهربائية والمصابيح تشتغل بالتوتر الفعّال (المنتج) $U_{eff}$ وليس بالتوتر الأعظمي $U_{max}$. لذلك يجب أولاً حساب قيمة التوتر الفعّال الذي تنتجه المنوبة.

حساب التوتر الفعّال $U_{eff}$:

إذن، قيمة التوتر المناسبة لتشغيل المصباح هي تقريباً: $10.6\text{ V}$ (أو مصباح دلالته تتراوح بين $10\text{ V}$ و $11\text{ V}$).

ب) تسمية هذا التوتر:

يُسمى هذا التوتر بـ: التوتر الكهربائي المنتج أو التوتر الكهربائي الفعّال (Tension efficace)، ويرمز له بالرمز $U_{eff}$.

يا أبنائي، سر التميز في الفيزياء هو المنهجية والترتيب. عند الإجابة، اكتبوا القوانين أولاً بالرموز، ثم قوموا بالتعويض العددي، ولا تنسوا أبداً كتابة الوحدات الدولية (مثل: الفولت $\text{V}$، الثانية $\text{s}$، الهرتز $\text{Hz}$). حافظوا على نظافة أوراقكم، وثقوا بقدراتكم فأنتم جيل الغد المشرق!

أتمنى لكم جميعاً التوفيق والنجاح الباهر ونيل شهادة التعليم المتوسط بمعدلات ممتازة ترفع الرأس! 🎓✨