📚

الحل النموذجي لـ الموضوع رقم 117 - فرض الفصل الأول - العلوم الفيزيائية - 4 متوسط

الحل النموذجي المعتمد والشامل

المستوى الدراسي: السنة الرابعة متوسط (التعليم المتوسط)
المادة: العلوم الفيزيائية والتكنولوجيا
الفصل الدراسي: فروض الفصل الأول
📌

الوضعية الأولى: ظواهر التكهرب (10 نقاط)

1. التجربة 1: دلك قضيب الزجاج (V) وقضيب الأيبونيت (E)

نوع الشحنات الكهربائية المتموضعة بعد الدلك:

✅الإجابة النموذجية:
قضيب الزجاج (V): يحمل شحنة كهربائية موجبة (+)(+).
قضيب الأيبونيت (E): يحمل شحنة كهربائية سالبة (−)(-).

شرح كيفية اكتساب كل قضيب لشحنته:

💡إضاءة وتنبيه:
التكهرب بالدلك يعتمد أساساً على انتقال الإلكترونات (الشحنات السالبة) حصرًا، بينما تبقى الشحنات الموجبة (البروتونات) محبوسة داخل النوى لا تنتقل.
قضيب الزجاج (V): عند دلكه، يفقد عدداً من الإلكترونات (شحنات سالبة) لصالح قطعة القماش/الحرير، فيصبح عدد الشحنات الموجبة فيه أكبر من الشحنات السالبة، فتظهر عليه شحنة إجمالية موجبة (+)(+).
قضيب الأيبونيت (E): عند دلكه، يكسب إلكترونات إضافية (شحنات سالبة) من قطعة الصوف/القماش، فيصبح عدد الشحنات السالبة فيه أكبر من الشحنات الموجبة، فتظهر عليه شحنة إجمالية سالبة (−)(-).

2. التجربة 2: تقريب أحد القضيبين من الكاشف الكهربائي

تسمية الجهاز:

✅الإجابة النموذجية:

اسم الجهاز هو: الكاشف الكهربائي (الكتروسكوب - Électroscope).

وصف وتفسير ما يحدث لورقتي الكاشف الكهربائي:

الوصف: تنافر (انفراج/تباعد) ورقتي الألومنيوم للكاشف الكهربائي.
التعليل والتفسير العلمي:
عند تقريب قضيب مشحون (مثلاً قضيب الأيبونيت EE المشحون بالسالب) من القرص المعدني للكاشف دون لمسه، يحدث تكهرب بالتأثير.
تتدافع الشحنات السالبة (الإلكترونات) الموجودة على القرص المعدني بفعل قوة التنافر الكهربائي مع القضيب المشحون بالسالب، وتنتقل عبر الساق المعدنية نحو الأسفل باتجاه ورقتي الألومنيوم.
تتجمع الإلكترونات على ورقتي الألومنيوم فتصبح كلاهما مشحونة بشحنة كهربائية سالبة (−)(-)، وبما أن الشحنات المماثلة تتنافر، تتنافر الورقتان وتتباعدان.
💡رسم توضيحي لتوزيع الشحنات وجريانها:

```text

قضيبأيبونيتمشحونبالسالب(−)قضيب أيبونيت مشحون بالسالب (-)

|| (تقريب دون لمس)

( --- القرص المعدني --- ) <-- تتجمع فيه شحنات موجبة (+)

||

[ الساق المعدنية ] <-- جهة انتقال الإلكترونات (أسفل)

/ \

/ \

(-) (-) <-- تنافر ورقتي الألومنيوم لتشابه الشحنة

```

استبدال الساق المعدنية للماكينة/الجهاز بعود خشب جاف:

✅الإجابة النموذجية:
التوقع: لا يحدث شيء لورقتي الكاشف الكهربائي (تبقى الورقتان منطبقتين ولن تتنافرا).
التعليل: لأن الخشب الجاف مادة عازلة للكهرباء (لا تحتوي على إلكترونات حرة الحركية)، وبالتالي لا تسمح بانتقال الشحنات الكهربائية (الإلكترونات) من القرص العلوي إلى الورقتين.
📌

الوضعية الثانية: ظاهرة التحريض الكهرومغناطيسي والتيار المتناوب (10 نقاط)

1. تسمية الجهاز والعناصر المرقمة (الوثيقة 10)

اسم الجهاز: المُنَوِّبْ (منوب الدراجة الهوائية / Dynamo).
أسماء العناصر المرقمة:
العنصر (1): عجلة مسننة (محور الدوران).
العنصر (2): مغناطيس (مغناطيس دائم).
العنصر (3): وشيعة (ملف من سلك نحاسي معزول).
العنصر (4): نواة من الحديد اللين (أو هيكل معدني).

2. ظاهرة إنتاج التيار والعناصر الأساسية

اسم الظاهرة: ظاهرة التحريض الكهرومغناطيسي.
العنصران الأساسيان لتتحقق الظاهرة:

1. العنصر المَحَرِّض: المغناطيس.

2. العنصر المُتَحَرِّض: الوشيعة.

3. شرح باختصار كيفية إنتاج التيار بالمنوب

عند دوران عجلة الدراجة، تدور العجلة المسننة للمنوب مما يؤدي إلى دوران المغناطيس (المحرّض) أمام أو داخل الوشيعة الثابتة (المتحرّض). يتولد نتيجة هذا الدوران تدفق مغناطيسي متغير عبر الوشيعة، مما يحرضها على إنتاج تيار كهربائي متناوب يجري في الدارة.

4. نوع التيار الناتج

✅الإجابة النموذجية:

نوع التيار الناتج هو: تيار كهربائي متناوب (Courant Alternatif - AC).

5. المدلول الفيزيائي للقيم المجهزة والحسابات

مدلول القيمة 10.6 V10.6\text{ V}: تمثل التوتر الكهربائي الفعال (المنتج) وتُقاس بجهاز الفولط متر:

( U_{eff} = 10.6\text{ V} )

مدلول القيمة 100 mA100\text{ mA}: تمثل شدة التيار الكهربائي الفعالة (المنتجة) وتُقاس بجهاز الأمبير متر:

( I_{eff} = 100\text{ mA} = 0.1\text{ A} )

حساب التوتر الأعظمي (UmaxU_{max}):

القانون:

Ueff=Umax2  ⟹  Umax=Ueff×2U_{eff} = \frac{U_{max}}{\sqrt{2}} \implies U_{max} = U_{eff} \times \sqrt{2}

التعويض الحسابي:

Umax=10.6×1.414=14.9884 V≈15 VU_{max} = 10.6 \times 1.414 = 14.9884\text{ V} \approx 15\text{ V}

حساب شدة التيار الأعظمية (ImaxI_{max}):

القانون:

Ieff=Imax2  ⟹  Imax=Ieff×2I_{eff} = \frac{I_{max}}{\sqrt{2}} \implies I_{max} = I_{eff} \times \sqrt{2}

التعويض الحسابي:

Imax=0.1×1.414=0.1414 A=141.4 mAI_{max} = 0.1 \times 1.414 = 0.1414\text{ A} = 141.4\text{ mA}

6. حساب دور هذا التيار (TT)

نعلم أن التواتر (التكرار) f=20 Hzf = 20\text{ Hz}.

القانون:

f=1T  ⟹  T=1ff = \frac{1}{T} \implies T = \frac{1}{f}

التعويض الحسابي:

T=120=0.05 sT = \frac{1}{20} = 0.05\text{ s}

تحويل الدور إلى الملي ثانية (ms):

T=0.05×1000=50 msT = 0.05 \times 1000 = 50\text{ ms}

7. تحديد خصائص المنحنى البياني ورسمه على راسم الاهتزاز المهبطي

لدينا حساسيات الجهاز:

الحساسية الشاقولية (Vertical Sensitivity): ( S_v = 5\text{ V/div} )
الحساسية الأفقية (Horizontal Sensitivity): ( S_h = 25\text{ ms/div} )

أ. حساب عدد مربعات الارتفاع الأعظمي (nvn_v):

Umax=nv×Sv  ⟹  nv=UmaxSvU_{max} = n_v \times S_v \implies n_v = \frac{U_{max}}{S_v}
nv=155=3 div(ثلاثة تدريجات عمودياً)n_v = \frac{15}{5} = 3\text{ div} \quad (\text{ثلاثة تدريجات عمودياً})

ب. حساب عدد مربعات دورة واحدة كاملة (nhn_h):

T=nh×Sh  ⟹  nh=TShT = n_h \times S_h \implies n_h = \frac{T}{S_h}
nh=50 ms25 ms/div=2 div(تدريجتان أفقياً للدورة الواحدة)n_h = \frac{50\text{ ms}}{25\text{ ms/div}} = 2\text{ div} \quad (\text{تدريجتان أفقياً للدورة الواحدة})
💡شكل المنحنى على شاشة راسم الاهتزاز المهبطي:

المنحنى عبارة عن موجة جيبية متناوبة تظهر على الشاشة:

تتراوح الذروة العلوية عند التدريجة ( +3 div+3\text{ div} ).
تتراوح الذروة السفلية عند التدريجة ( −3 div-3\text{ div} ).
تستغرق الدورة الكاملة (نوبة موجبة + نوبة سالبة) مسافة أفقية مقدارها ( 2 div2\text{ div} ).

```text

U(V)

^

+15| .-. .-.

| / \ / \

+5| / \ / \

0+----+-------+---+-------+---> t(ms)

-5| \ / \ /

| \ / \ /

-15| '-' '-'

+----+---+---+---+---+---+

0 25 50 75 100 125 150

<---> (الدور T = 50ms = 2 div)

```

📌

الوضعية المقترحة: الأمن الكهربائي في التجهيزات المنزلية

1. السبب الحقيقي لنشوب الحريق

السبب الرئيسي لنشوب الحريق هو حدوث دارة مستقصرة (Court-circuit) نتيجة تلامس مباشر بين سلك الطور (PhPh) وسلك الحيادي (NN) لعدم وجود عزل سليم أو بسبب حمولة زائدة، مما أدى إلى سريان تيار كهربائي ذي شدة عالية جداً ارتفعت معه درجة حرارة الأسلاك وتسببت في اندلاع شرارة وحريق، وذلك في غياب وسائل الحماية (كالمنصهرات والقاطع الآلي).

2. جهاز الحماية المهم غير المستعمل

جهاز الحماية الأساسي الذي لم يستعمله التقني والذي كان سيتدخل تلقائياً لقطع التيار ومنع الحريق هو:

القاطع التفاضلي (Disjoncteur Différentiel) أو المنصهرات (Fusibles).

3. الأخطاء الواردة في المخطط والمشاكل المترتبة عنها

مالخطأ الوارد في المخططالمشكلة والخطر المترتب عنه
1وضع القاطعة على سلك الحيادي (NN) بدلاً من سلك الطور (PP).خطر تعرض الشخص لصدمة كهربائية عند تغيير المصباح حتى وإن كانت القاطعة مفتوحة، لأن الطور يبقى متصلاً بالمصباح.
2غياب المنصهرات على سلك الطور للدارات والأجهزة.تلف الأجهزة الكهربائية واندلاع حرائق في الأسلاك عند حدوث ارتفاع مفاجئ في شدة التيار أو استقصار الدارة.
3عدم توفر مأخذ أرضي (TT) موصول بالهيكل المعدني للجهاز.خطر التكهرب والإصابة بصدمة كهربائية لكل من يلمس الهيكل المعدني للجهاز في حال تسرب التيار.
4التوصيل المباشر والاستقصار بين سلك الطور وسلك الحيادي.حدوث شرارة كهربائية وارتفاع مهول في درجة حرارة السلك مما يسبب حريقاً مباشراً بالمنزل.

4. إعادة رسم مخطط الدارة الكهربائية مع تطبيق شروط الأمن الكهربائي

لإصلاح المخطط وجعله آمناً ومطابقاً للمعايير النظامية للوزارة، نتبع التعديلات التالية:

1. إدراج قاطع تفاضلي رئيسي بعد العداد مباشرة.

2. تركيب قاطعة التحكم للمصباح على سلك الطور (PhPh).

3. إضافة منصهرة (FF) مناسبة على سلك الطور لكل فرع (دارة المصباح ودارة المآخذ).

4. ربط المأخذ الجداري بسلك المأخذ الأرضي (TT) وإيصاله بالأرض مع ربطه بهيكل الجهاز المعدني.

5. فصل سلك الطور عن سلك الحيادي لمنع الاستقصار.

💡التوصيل التخطيطي المصحح للدارة:

```text

[العداد الكهربائي] ─── (L) الطور ────[قاطع تفاضلي]───┬───[منصهرة]───(قاطعة)───(مصباح)───┐

─── (N) الحيادي ──────────────────┼─────────────────────────┤

├───[منصهرة]───[مأخذ كهربائي]──────┤

│ │ │

(T) الأرضي ───────┴────────────────────┴────────────┘

```