كتاب الطالب فيزياء 2

http://www.ksa-teachers.com/library/%D9%83%D8%AA%D8%A7%D8%A8-%D8%A7%D9%84%D8%B7%D8%A7%D9%84%D8%A8-%D9%81%D9%8A%D8%B2%D9%8A%D8%A7%D8%A1-%D8%AB%D8%A7%D9%86%D9%8A-%D8%AB%D8%A7%D9%86%D9%88%D9%8A-%D9%85%D8%B7%D9%88%D8%B1

صور للصوت و الرنين في الاعمده الهوائية و الاوتار

الصوت

يمكن تعريف الصوت بأنه سلسلة من التضاغطات والتخلخلات التي تنتقل في الوسط المادي إلى أن تصل إلى طبلة الأذن فتسبب حركتها وبالتالي تؤدي إلى الإحساس بالسمع .
وإذا أردنا أن نفصل أكثر في ميكانيكا الصوت فإنه يمكن أن نقول أنه عندما يصدر الصوت من الجسم المهتز فإنه يسبب ازدياد ونقصان للضغط في تلك المنطقة عن الضغط الجوي الطبيعي . وعندما يزداد الضغط بسبب الصوت تسمى هذه الحالة تضاغطات وعندما يقل الضغط تسمى هذه الحالة تخلخلات ، هذه التضاغطات والتخلخلات تنتقل عبر الوسط الناقل إلى أن تصل إلى طبلة الأذن .
ومن المناسب أيضاً أن نتحدث عن إزاحات جزيئات الهواء تحت تأثير الموجة الصوتية بدلاً من الحديث عن الضغط فيها . حيث أن جزيئات الوسط تتحرك ذهاباً وإياباً بنفس الطريقة التي يتحرك يها مصدر الصوت ذهاباً وإياباً. ويلاحظ في هذه الحالة أن الحركة الإهتزازية لجزيئات الوسط هي في نفس اتجاه انتشار الموجة الصوتية ، لذلك فإن هذه الأمواج هي أمواج طولية .
ويمكن القول أن هناك شرطان أساسيان لحدوث الصوت واتقاله هما :
1 - وجود جسم مهتز يصدر الموجات التضاغطية .
2 - وجود وسط مادي لنقل الصوت .
سرعـــة الصـــوت
الصوت عبارة عن أمواج طولية تنتقل عبر الوسط المادي ، ولكي نحدد سرعة الصوت أو الموجة الطولية في الوسط لابد أن نتعرف على أهم العوامل لتحديد سرعة الصوت وهو عامل الحجم (K ).
ويعرف عامل الحجم بأنه النسبة بين الإجهاد والإنفعال .
والآن يمكننا أن نحدد سرعة الصوت من العلاقة التالية :
v = (K /d )-½
حيث d كثافة الوسط ............ K عامل الحجم ...............v سرعة الصوت
إذاً من العلاقة السابقة يتبين لنا أنه بازدياد عامل الحجم K تزداد سرعة الصوت في الوسط . ومن المفيد أن نعرض بعض السرعات للصوت في أوساط مختلفة للتوضيح :
سرعة الصوت ( م. ث-1 )
الكثافة ( كجم . م-3 )
الوسط
344
1.20
الهواء
1284
0.0899
الهيدروجين ( عند الصفر المئوي )
1207
790
الكحول
1295
870
البنزين
1498
998
الماء النقي
5000
2700
الألومنيوم

5120
7900
الحديد
1570
1056
الدم (عند 37 درجة مئوية)
الرنيــــــــــــــن
عندما تؤثر سلسلة من الدفعات على جسم قادر على الإهتزاز بحيث أن تردد هذه الدفعات يساوي أحد الترددات الطبيعية للجسم فإن الجسم يهتز بسعة كبيرة نسبياً . نسمي هذه الظاهرة بظاهرة الرنين ، ويقال بأن الجسم في حالة رنين مع الدفعات المطبقة .

وكمثال شائع على حادثة الرنين الميكانيكي نذكر حادثة الارجوحة ، فالارجوحة هي عبارة عن بندول بسيط لها تردد طبيعي وحيد يتعلق بطولها . فإذا أعطينا الأرجوحة سلسلة من الدفعات بتردد يساوي تردد الارجوحة فإنه يمكن جعل سعة الإهتزازة كبيرة لدرجة كافية .

وكذلك يمكن توضيح ظاهرة الرنين بواسطة اتخدام الأمواج الطولية التي تتولد في الهواء بسبب اهتزاز شوكة رنانة ، فإذا وضعنا شوكتين رنانتين متماثلتين تماماً بعيدتين بعض الشيء عن بعضهما وضربنا الشوكة الأولى فسنجد أن الشوكة الثانية سوف تتجاوب مع الشوكة الأولى وتبدأ في الإهتزاز بشكل مماثل وسنسمع صوت الشوكة الثانية حتى بعد إيقاف الرنانة الأولى عن الإهتزاز .

صور للاهتزازات و الموجات

خصائص الموجات

الخصائص العامة للموجات : هناك طريقتان لمشاهدة الموجة: إما إحداث إضطراب في الفضاء خلال لحظة من الزمن أو حسابالإضطراب بدلالة الزمن عند نقطة معينة في الفضاء ، في الطريقة الأولى ، فإننا نرسم حجم الإضطراب في الموجات في لحظة معينة من الزمن بدلالة المسافة وأما في وجهة النظر الثانية فنحن نرسم حجم إضطراب الموجات عند نقطة معينة في الفضاء بدلالة من الزمن ، كل من هذه الصور تبدو متشابهة بإستثناء التسميات على المحاور س و وحدات محور ص. الموجة العرضية يحدث فيها إضطراب عمودي على إتجاهه من الإنتشار ، موجات على الخيط ، و الموجات الكهرومغناطيسية وموجات الماء تعتبر أيضاً موجات عرضية. الموجة الطولية يحدث فيها إضطراب على طول الفترة الطولية من إتجاهه الإنتشار ، حيث تبدوا الموجات الطولية – على شكل تذبذبات ضغط للموجة وتكون في نفس إتجاه إنتقال الموجة. السعة: إزاحة الحد الأقصى لكمية الموجات المقاسة نسبة إلى وضع التوازن دون وجود عائق ، وتمثل (ذروة موجة ماء، ضغط الموجة الصوتية، والحد الأقصى للحقل الكهربائي، وغيرها) كثافة الموجة أو القدرة المشعة مع المصدر تتناسب مع مربع السعة. التردد: عدد الدورات في الثانية الواحدة بالنسبة لكمية الموجات، وتقاس في الهيرتز (دورة في الثانية)، كيلو هرتز، ميغاهيرتز، إلخ ، وعادةً ما يمثل التردد بالحرف N (نيو) وأحياناً من قبل حرف ف ، و يتم رصد التردد عند نقطة واحدة في الفضاء. الطول الموجي: المسافة بين النقاط المتقابلة على الدورات المتتالية (على سبيل المثال، بين قمم الموجات) ، ففي وحدات قياس الطول (على سبيل المثال، متر، نانو متر) ، وعادةً ما يتمثل الطول الموجي من قبل حرف ل (لامدا) ، ويتم إجراء قياس الطول الموجي من خلال مراقبة الموجة في الفضاء في لحظة واحدة من الزمن. الفترة: الزمن المستغرق بين القمم الموجات المتتالية ، و في وحدات قياس الوقت (على سبيل المثال، ثانية) Kوغالباً ما تمثل الفترة بدلالة الحرف T ، ويتم قياس الفترة من خلال مراقبة إزاحة الموجات عند نقطة واحدة في الفضاء. الطور: الوقت الذي يمر من خلال حدوث إزاحة محدد للموجة في نقطة محددة في الفضاء. وهناك مواصفات أكثر شيوعاً يتم الإشارة إليها بالزمن الذي يمثل إضطراب الموجات حيث يتم ضبطها إلى الصفر، وتتحرك في اتجاه إيجابي. على الرغم من أن هناك بعض التطبيقات للمواصفات المطلقة الطور، التي تعتبر أكثر شيوعاً لتوضيح الفرق بين الطور في دفعتين من الموجات .

الحركة الدورية

تنقسم الحركه الدوريه إلى قسمين :

1 . الحركه الدائريه المنتظمه ..
2 . الحركه الإهتزازيه ومن امثلتها الحركه التوافيقيه البسيطه ..




مفاهيم ..

- الحركه التوافيقيه البسيطه .. هي حركه اهتزازيه تتناسب فيها قوة الارجاع تناسب طردي مع الازاحه الحداثه للجسم المهتز وعكسيا مع اتجاه حركته .

- موضع الإتزان .. هو الموضع الذي يهتز فيه الجسم ذهابا وإيابا وتكون القوه المحصله به تساوي صفر ..

- الازاحه .. هو موضع الجسم عن موضع الاتزان وهي كميه متجهه ..

- الاهتزازه الكامله .. هي الحركه التي تعملها الجسم نتيجه مروره على نقطه معينه في مسار حركته مرتين متتاليتين وفي نفس الاتجاه .. خذوا بالكم لازم يكون في نفس الاتجاه ..

- قوة الارجاع .. هي القوه التي تعمل على إرجاع الجسم المهتز الى موضع الاتزان كلما ازيح عنه ..

- السعه .. هي اقصى ازاحه عن موضع الاتزان يصل اليه الجسم الذي يتحرك حركه توافيقيه بسيطه ..

- الزمن الدوري .. هو الزمن الازم لاكمال اهتزازه كامله ..

- التردد .. هي عدد الاهتزازات الكامله في الثانيه الواحده ..

رموز المتغيرات , ووحدات قياسها ..

0 : غالبا ما يكون موضع الاتزان .
d : الازاحه ووحدتها m وهي كميه متجهه .. تجاهها مع اتجاه حركة الجسم .
F : قوة الارجاع ووحدتها N وهي كميه متجهه .. اتجاهها عكس اتجاه حركة الجسم ..
v : السرعه ووحدتها m/s وهي كميه متجهه .. اتجاهها مع اتجاه حركة الجسم .. 
a : التسارع وطبعا وحدتها معروفه وهي كميه متجهه اتجاهها مع اتجاه قوة الارجاع ..
A : السعه ووحدتها m وهي كميه عدديه .
T : الزمن الدوري وطبعا وحدتها معروفه وهي كميه عدديه ..
f : التردد ووحدتها Hz وهي كميه عدديه
k : ثابت هوك .. قيمه ثابته في النابض الواحد لكنه يختلف من نابض لأخر على حسب نوع الماده المتكونه منه .. ووحدتها N/m .
L : طول الخيط .. والمعلومات الباقيه معروفه عنها 
T : قوة الشد ..والمعلومات الباقيه معروفه عنها 
w : الوزن .. والمعلومات الباقيه معروفه عنها 
w : السرعه الزاويه .. والمعلومات الباقيه معروفه عنها 



F = - w d/L

.. الإشاره السالبه تدل ان F عكس اتجاه d ..

لكن يتم التعويض عنه في حل المسائل مع التعويض بالقوه بالسالب ايضا اذا كانت d بالقيمه الموجبه ..

.
.
.
.
.
.
ثانيا :


سميت الحركه التوافيقيه بهذا الاسم .. 

لأن الحركه يمين موضع الاتزان توافق الحركه يسار موضع الاتزان ..
.
.
.
.
ثالثا :


شروط الحركه التوافيقيه ..

1 . وجود قوة ارجاع ..
2 . وجود موضع اتزان ..
3 . الزاويه 0 يجب ان تكون اقل من 15 ..

..

رابعا :


sin0 = 0 

لأنها تقاس بالزاويه النصف الدائري ( الراديان )

.
.
.
.

خامسا ..

اتجاه قوة الشد تكون على امتاد الخيط المعلق ..
اتجاه w sin0 يكون مماسيا على اتجاه حركة الكره ..

.
.
.
.
.

سادسا .. ( مهم )

في حالة النابض ..

F = - kd

عندما يكون النابض افقي فإن F عباره عن ma
لكن عدما يكون النابض من النوع الرأسي تكون F عباره عن mg

.
.
.
.

سادسا :

قوة النابض المرونيه هي نفسها قوة الارجاع ..

..
..
..
..

سابعا :

- الاهتزازه الكامله بها 4 سعه ..
- والسعه الواحده طبعا بها ربع اهتزازه ..
- لا يبقى الجسم في موضع الاتزان اثناء اهتزازه بسبب قصوره الذاتي 


ثامنا ..

قد تتسأل كيف التسارع يساوي صفر في موضع الاتزان والسرعه اعلى ما يمكن .. أليس من المفروض ان التسارع (( معدل التغير في السرعه .. ))

السبب هو تقريبا يشبه الحركه الدائريه المنتظمه .. حيث ان هذا التسارع ينشأ بسبب قوة الارجاع الذي تؤثر في الاتجاه المعاكس لحركة الجسم .. حيث عندما تكون قوة الارجاع بالصفر تكون السرعه بالصفر طبقا لقانون نيوتن الاول ..

يجب ان ندرك ايضا ان التسارع دائما يكون عكس اتجاه السرعه لذا التسارع هنا يكون تسارع تباطؤي .. فبتالي كلما زاد التسارع قل السرعه الى ان تختفي ..

حالات المادة القوى داخل السوائل

قوى التماسك  Cohesive Forces

تنشأ قوة التماسك في السوائل بسبب قوة تجاذب كهرومغناطيسية بين جزيئاته بعضها مع بعض

خاصية التوتر السطحي : قوة التماسك بين جزيئات المائع

نلاحظ قطرات الماء على سبيل المثال ، تتخذ شكل كروياً , وهذا مثال على التوتر السطحي

كيف يحدث التوتر السطحي  ؟

تتعرض جزًئات امسائل داخله لقوى متساوية في جميع الاتجاهات , لذلك تكون محصلتها صفر . أما عند السطح فمحصلةالقوى الى ا لسفل والى الجوانب , لذلك تعمل القوى على شد سطح السائل كغشاء مطاطي مشدود

يتمكن صرصور الماء من السير على سطح الماء ؟  لان جزيئات الماء عند السطح لها قوة تجاذب محصلة في اتجاه الداخل تولد التوتر السطحي

اللزوجة

تسبب قوى التماسك والتصادمات بين جزيئات المائع الى احتكاك داخلي يعمل على إبطاء تدفق السائل , وتبديد الطاقة الميكانيكية

تعريف اللزوجة على انها : مقياس للاحتكاك الداخلي للسائل

قوى التلاصقAdhesive Forces

القوى الناتجة عن تجاذب كهرومغناطيسية تؤثر بين جزيئات المواد المختلفة

الخاصية الشعرية :

عند وضع أنبوب زجاجي نصف قطرة الداخلي صغير , فأن الماء سيرتفع داخل الانبوب بفعل قوى التلاصق

إذا كانت قوى التلاصق اكبر من قوى التماسك فأن السائل يرتفع في الانبوب , مثل الماء . أما اذا كانت قوى التماسك أكبر من قوى التلاصق فأن سطح السائل ينخفض في الانبوب , مثل الزئبق :

Evaporation and Condensation التبخر والتكاثف

التبخر:

تتحرك جزيئات السوائل بسرعات عشوائية , ولا تستطيع النفاذ من خلال السطح بسبب قوة التماسك . فالجزيئات التي تمتلك طاقة كبيرة فإنها تستطيع النفاذ

يسمى هروب الجزيئات التبخر

التبريد بالتبخر:

عندما تهرب الجزيئات من السائل ( التبخر ) , فان متوسط الطاقة للجزيئات يقل , بسبب نقصان عددها وبالتالي تنخفض درجة حرارة السائل

يقترح أن يمسح الطفل بقطعة إسفنج مبللة بالكحول ؟

لأن الكحول من السوائل المتطايرة و حتى يتبخر يحتاج لدرجة حرارة يمتصها من حرارة الطفل

التكاثف :

عندما تفقد جزيئات بخار الماء شئ من طاقتها الحركية , بسبب التصادم مع الاجسام الاخرى فان قوة التماسك تأسرها فتبقيها في السائل .

حالات المادة خصائص الموائع

          

                            خصائص الموائع

       

     

أهمية الموائع :                                                

إن الموائع و القوى التي نبذلها تمكننا من السباحة و الغطس , و تمكن المناطيد من الطفو , و الطائرات من الطيران .

الضغط P:

تشترك كلاً من السوائل و الغازات في كونها موائع , و ليس لها شكل محدد .

الضغط في الموائع :

قوة الضغط تؤثر في السطح فإن أي شئ يولد ضغطاً لابد أن يكون قادراً على إنجاز شغل.

أي أن الضغط يساوي القوة مقسومة مقسومة على المساحة ----->              

الضغط يعد كمية قياسية (غير متجهه )

و يقاس الضغط بوحدة باسكال (pa) و تعادل= 

دائماً  تكون القوة المؤثرة تكون عاموديه على المساحة ما لم تتم الإشارة إلى غير ذلك .

المواد الصلبة و السوائل و الضغط :

ــــــــــــ

جزيئات الغاز و الضغط :

عندما يرتطم جزئ الغاز بسطح الإناء فإنه يرتد مغيراً زخمه الخطي,أي أنه ينتج دفعاً ،و يتولد

ضغط للغاز عند السطح بفعل الدفع الذي تؤثر به التصادمات .

الضغط الجوي :

في كل سنتمتر مربع من سطح الأرض يؤثر غاز الغلاف الجوي بقوة مقدارها10N ,تقريباً

و تعادل هذه القوة وزن جسم كتلته 1kg.

مثــــال 3/176 :

يجلس طفل وزنه 364N على كرسي ثلاثي الأرجل يزن 41N ,بحيث تلامس قواعد الأرجل سطح الأرض على

مساحه مقدارها 19cm2

a)      ما متوسط الضغط الذي يؤثر به الطفل و الكرسي في سطح الأرض ؟

     كيف يتغير الضغط عندما يميل الطفل و تلامس رجلان فقط من أرجل الكرسي الأرض ؟

قوانين الغاز:

قانون بويل :

هي أول علاقة تم اكتشافها بين الغازات و الضغط اكتشفها احد علماء القرن السابع عشر (روبرت بويل ).

ينص قانون بويل على ان حجم عينه محدده من الغاز يتناسب عكسياً مع الضغط المؤثر عليه

  كما موضح بالشكل 6-3/177 فإن هناك علاقة بين الضغط و الغاز و حجمه و تتمثل في حجم الفقاعات الخارجة

من المنظًم ,حيث يزداد حجم هذه الفقاعات في اثناء ارتفاعها .

عللي تزداد حجم الفقاعات اثناء ارتفاعها ؟

بسبب نقصان الضغط المؤثر فيها من الماء.

هناك ايضاً علاقة أخرى اكتشفت بعد 100 سنه من اكتشاف بويل على يد جاك تشارلز .

في اثناء تبريده للغاز اكتشف انه يتقلص بمقدار 1\273 لكل درجه كلفن واحدة .

إذا العلاقة بين حجم الغاز و درجة حرارته علاقة خطية .

تشير التجارب إلى انه عند ثبوت الضغط فإن حجم الغاز يتغير طردياً مع درجه حرارة الغاز تسمى هذه النتيجة

بقانون تشارلز

                                                                                   

القانون العام للغازات :   

هو دمج بين قانوني بويل و تشارلز الذي يربط بين الضغط و الحرارة و حجم معين للغاز المثالي .

إذا فإن القانون العام للغازات يُختزل لقانون بويل عند ثبات درجة الحرارة .

و يُختزل ايضاً لقانون تشارلز عند ثبات الضغط .

قانون الغاز المثالي :

إذا زاد عدد الجزيئات N سوف يزداد عدد التصادمات التي تؤثر بها الجزيئات في الإناء لذا يزداد الضغط .

في المقابل تقلل إزالة بعض الجزيئات من عدد التصادمات لذا يقل الضغط .

استنتج من ذلك ان الثابت في معادلة القانون العالم للغازيات يتناسب طردياً N .    

يسمى الثابت k بثابت بولتزمان , و يساوي  Pa.m^3 /K 1.48X10^-23 و بالطبع فإنN الذي يمثل عدد  

الجزيئات هو عدد كبير جداً , لذلك بدلاً من استخدام N لجأ العلماء إلى استخدام وحدة تسمى مول (mol) و تُمثل

في المعادلات بالحرف (N) , و المول الواحد يساوي 6.022x10^23 من الجزيئات ,و يسمى هذا العدد بعدد

افوجادرو نسبه إلى العالم الايطالي أميديو أفوجادرو .

إن إستخدام المولات عوضاً عن عدد الجزيئات يغير ثابت بولزمان , و يختصر هذا الثابت بالحرفR و قيمة

تساوي 8.31 pa.m^3/mol.K و بإعادة الترتيب تستطيع كتابة قانون الغاز المثالي بأكثر الصيغ شيوعاً

قانون الغاز المثالي :        PV = nRT

مثــــال 2/179 :

عينة من غاز الأرجون حجمها 20L و درجة حرارتها 273K عند ضغط جوي مقداره

101.3Kpa , فإذا انخفضت درجة الحرارة حتى 120K ,و ازداد الضغط حتى 145kpa

(a فما الحجم الجديد لعينة الأرجون؟

(b اوجد عدد مولات ذرات الأرجون في العينة؟

(c اوجد كتلة عينة الأرجون ,إذا علمت ان الكتلة المولية M لغاز الأرجون 39.9g/mol ؟

المعطيات :

المعط

المعطيات :

V1 =20L    

    P1=101.3kpa     

T1=273k     

R=8.31pam^3/molk  

    M=39.9g/mol  

m=?   

 V2 =?  

  P2=145kpa   

   T2 = 120k

    

 V2 = (101.3) (20) (120) /(145) (273)

 b)

    =(101.3X10^3) (0.0200) / (8.31) (273)

    =0.893mol

 c)

    =(39.9) (0.893)

    =35.6g

     

التمددالتمدد الحراري:

أن الغازات تتمدد كلما ارتفعت درجه حرارتها .

إذا فعندما تسخن المادة من حالتها تصبح أقل كثافة و تمتد لتملأ حيزاً أكبر .تسمى هذه الخاصية بالتمدد الحراري.

يحدث التمدد الحراري في معظم السوائل ,فعندما يسخن السوائل و تمتد هذه المجموعات بفعل الحركة الجزيئية تماماً كما تُدفع الجسيمات في المواد الصلبة فيبتعد بضعها عن بعض في اجزاء متفرقة,و عندما تتغير درجة الحرارة بصورة متساوية تتمدد السوائل بصورة أكبر كثيراً من المواد الصلبة , و لكن ليس بالقدر الذي تتمدد به الغازات .

:. لماذا يطفو الجليد ؟

في اعتقادك أن المادة تتمدد عند تسخينها فقد تتوقع أن الجليد أكثر كثافه من الماء , و في ضوء توقعاتك لابد أن يغطس الجليد في الماء!لكن الحقيقة أنه عند رفع درجة حرارة الماء من 0c إلى4c فإنه يتقلص بدلاً من أ يتمدد ,و ذلك بسبب تزايد قوى الترابط بين جزيئات الماء .
بمجرد أن ترفع درجه حرارة الماء فوق 4c يتزايد حجمه بسبب تزايد الحركة الجزيئية و النتيجة أن الماء يكون أكبر كثافة عند 4c , لذا يطفو الجليد فوق الماء .

البلازما :

إذا سخنت مادة صلبة فإنها تنصهر لتكون سائلاً و مع استمرار التسخين يتحول السائل إلى غاز , فماذا يحدث لو استمريت بالتسخين الغاز ؟

البلازما : هي الحالة شبه الغازيه لإلكترونات سالبة الشحنة و أيونات موجبة الشحنة .

و تعد البلازما حالة أخرى من حالات الموائع للمادة ,قد يبدو أن البلازما حالة غير شائعة ,رغم أن معظم المواد في الكون في حالة بلازما ,و الفرق المبدئي بين الغاز و البلازما ,هي أن البلازما لها قدرة على توصيل الكهرباء أما الغاز فلا .

علماً أن الصواعق المضيئة في حالة بلازما ,أيضاً إشارات نيون ,ومصابيح الفلورسنت ,و مصابيح غاز الصوديوم فإنها تحتوي جميعاً على البلازما المتوهجة