باختصار
- قسم كامبريدج
- 0625 الموضوع 1.7
- قسم إدكسل
- 4PH1 البنود 4.2 إلى 4.5 و4.11 إلى 4.19P
- الشغل
- W = F × d = الطاقة المنقولة (جول)
- معادلات الطاقة
- KE = ½mv^2، GPE = mgh
- القدرة
- P = W ÷ t (واط)
- الكفاءة
- الناتج المفيد ÷ المدخل الكلي × ١٠٠٪
الأفكار الأساسية في كل منهج
يذكر المستوى الأساسي في كامبريدج مخازن الطاقة ويطلب وصف انتقالها بالشغل الميكانيكي والتيار الكهربائي والتسخين والموجات، وتطبيق حفظ الطاقة على مخططات بسيطة. ويضيف المستوى الموسع معادلتي الطاقة الحركية وطاقة الوضع ومخططات سانكي للعمليات متعددة المراحل. الشغل W = Fd والقدرة P = W/t من المستوى الأساسي، والكفاءة وصفية في الأساسي ومعادلتها في الموسع.
يذكر إدكسل المخازن بترتيب مختلف قليلًا ويضيف المخزن المغناطيسي، ويطلب من كل الطلاب حفظ الطاقة والكفاءة ومخططات سانكي والشغل وطاقة الوضع والطاقة الحركية والقدرة. وينص الملحق ٧ على أن معادلات الكفاءة والشغل والطاقة الحركية وطاقة الوضع لا تُعطى في الامتحان، فيجب حفظها.
مصادر الطاقة في كامبريدج من المستوى الأساسي: الوقود الأحفوري والحيوي، والماء (الأمواج والمد والسدود)، والحرارة الجوفية، والنووية، والخلايا والألواح الشمسية، والرياح، مع المزايا والعيوب. ويضيف المستوى الموسع أن الشمس المصدر الرئيسي لمعظم المصادر وأن طاقتها من الاندماج النووي. أما إدكسل فيضع توليد الكهرباء في البندين 4.18P و4.19P للورقة الثانية فقط.
المعادلات ووحداتها
| الكمية | المعادلة | الوحدة | كامبريدج | إدكسل |
|---|---|---|---|---|
| الشغل | W = F × d | جول | أساسي، للحفظ | 4.11، للحفظ |
| الطاقة الحركية | KE = ½ × m × v^2 | جول | موسع، للحفظ | 4.14، للحفظ |
| طاقة الوضع الجاذبية | GPE = m × g × h | جول | موسع، للحفظ | 4.13، للحفظ |
| القدرة | P = W ÷ t | واط = جول/ث | أساسي، للحفظ | 4.17، للاستخدام |
| الكفاءة | الناتج المفيد ÷ المدخل الكلي × ١٠٠٪ | بلا وحدة | موسع، للحفظ | 4.4، للحفظ |
"للحفظ" تعني أن المنهج يتوقع معرفة المعادلة دون أن تُعطى لك.
مثال محلول ١: كرة ساقطة
تسقط كرة كتلتها ٠٫٥٠ كجم من ارتفاع ٣٫٢ م. بإهمال مقاومة الهواء احسب سرعتها قبل الارتطام (g = ٩٫٨ نيوتن/كجم).
طاقة الوضع المفقودة = ٠٫٥٠ × ٩٫٨ × ٣٫٢ = ١٥٫٦٨ جول، وتتحول كلها إلى طاقة حركية: ½ × ٠٫٥٠ × v^2 = ١٥٫٦٨، فتكون v^2 = ٦٢٫٧٢ وv = ٧٫٩ م/ث. لاحظ أن الكتلة تُختصر. وفي الواقع تنتقل بعض الطاقة إلى المخزن الحراري بسبب مقاومة الهواء.
مثال محلول ٢: القدرة والكفاءة
يرفع محرك حملًا كتلته ٥٠٠ كجم مسافة ١٢ م في ٢٠ ثانية، ويستهلك قدرة كهربائية ٤٠٠٠ واط. الشغل المفيد = ٥٠٠ × ٩٫٨ × ١٢ = ٥٨٨٠٠ جول، والقدرة المفيدة = ٥٨٨٠٠ ÷ ٢٠ = ٢٩٤٠ واط.
الكفاءة = ٢٩٤٠ ÷ ٤٠٠٠ × ١٠٠٪ = ٧٣٫٥٪، أي نحو ٧٤٪. وتنتقل البقية إلى المخزن الحراري للمحرك والمحيط بسبب الاحتكاك وتسخين الأسلاك. وإذا تجاوزت الكفاءة ١٠٠٪ فقد قلبت الكسر.
أخطاء شائعة
- القول إن الطاقة "استُهلكت" أو "فُقدت" أو "صُنعت"، والصحيح أنها انتقلت وتبددت في المحيط.
- تربيع ½mv كله بدل تربيع v فقط.
- استخدام المسافة الأفقية في حساب طاقة الوضع بدل الارتفاع الرأسي.
- نسيان تحويل الجرام إلى كيلوجرام أو الكيلوجول إلى جول.
- إعطاء الكفاءة وحدة أو قيمة أكبر من ١٠٠٪.
- القول إن الطاقة الشمسية موثوقة دائمًا، فهي متجددة لكنها تعتمد على الوقت والغيوم.
- الخلط بين القدرة (معدل بالواط) والطاقة (كمية بالجول).
أسلوب الإجابة ولغة سلم التصحيح
في أسئلة "صف انتقالات الطاقة" سمِّ المخزن والمسار: "يقل المخزن الكيميائي للوقود، وتنتقل الطاقة بالتسخين إلى المخزن الحراري للماء". المنهجان مكتوبان بلغة المخزن والمسار، فاستخدمها، لأن عبارة "تتحول الطاقة الكيميائية إلى حرارة" أقل دقة مما يبحث عنه المصحح.
عند مقارنة مصادر الطاقة استخدم المعايير التي تذكرها كامبريدج: التجدد، والتوفر، والموثوقية، والحجم، والأثر البيئي، واربط كل نقطة بسبب. وفي مخططات سانكي يتناسب عرض السهم مع الطاقة، وعرض المدخل يساوي مجموع المخرجات.
كيف تساعد الدروس الفردية في هذا الموضوع
الطاقة موضوع يربط المنهج كله، والطالب الذي يكتب وصفًا مبهمًا للانتقالات يخسر درجات في كل مكان. يدرب المدرس الطالب على مصطلحات المخزن والمسار، ثم يحل معه حسابات متعددة الخطوات على السبورة المشتركة، ويصحح أسئلة مقارنة المصادر الطويلة وفق سلالم التصحيح الحقيقية.
قائمة التحقق الذاتي
- أذكر مخازن الطاقة كما يسميها منهجي.
- أصف انتقالات الطاقة عند كبح سيارة حتى تتوقف.
- أستخدم W = Fd وKE وGPE وأعيد ترتيبها.
- أحل مسألة جسم ساقط بحفظ الطاقة.
- أحسب القدرة من الشغل والزمن.
- أحسب الكفاءة وأشرح أين تذهب الطاقة المهدرة.
- أقارن مصدرين للطاقة بثلاثة معايير على الأقل.
أسئلة شائعة
هل يحتاج طلاب المستوى الأساسي في كامبريدج معادلة الطاقة الحركية؟
لا، فمعادلتا الطاقة الحركية وطاقة الوضع من المستوى الموسع. ويحتاج طلاب الأساسي W = Fd وP = W/t ومخازن الطاقة، بينما يحتاج طلاب إدكسل كل المعادلات.
هل مصادر الطاقة في الورقة الأولى لإدكسل؟
لا، فتوليد الكهرباء ومزايا المصادر وعيوبها في البندين 4.18P و4.19P، فلا تظهر إلا في الورقة الثانية.
هل الكيلوواط ساعة جزء من هذا الموضوع؟
في كامبريدج يقع ضمن الكهرباء (4.2.5)، وهو وحدة طاقة: جهاز قدرته ١ كيلوواط يعمل ساعة واحدة ينقل ١ كيلوواط ساعة، أي ٣٦٠٠٠٠٠ جول.
كم تكلفة دروس الفيزياء في LiveTutor؟
١٥ $ للدرس لكل المواد، ضمن خطة أسبوعية من درس إلى خمسة دروس تُدفع شهريًا. الدرس ٦٠ دقيقة فردي عبر الإنترنت، والأول تجريبي مجاني.
لماذا تهم الشمس معظم مصادر الطاقة؟
ينص المستوى الموسع في كامبريدج على أن إشعاع الشمس المصدر الرئيسي لكل مصادر الطاقة عدا الحرارة الجوفية والنووية والمد والجزر، فالوقود الأحفوري والرياح والأمواج والطاقة الكهرومائية تعود كلها إلى ضوء الشمس.
المصادر
التواريخ والأرقام في هذه الصفحة مأخوذة من هذه المصادر الرسمية والمنشورة. تأكد دائماً من المواعيد النهائية في الصفحة الرسمية قبل الاعتماد عليها.