مختبر الفيزياء

مختبر الفيزياء

تذبذب البندول Pendulum Vibrations

يمكن أن يوفر البندول البسيط نموذجًا لاستقصاء خصائص الموجات. ستصمم في هذه التجربة طريقة لاستعمال البندول لإيجاد سعة موجة، وزمنها الدوري، وترددها. وستحدد أيضًا تسارع الجاذبية الأرضية باستعمال البندول البسيط.

سؤال التجربة

كيف يوضح البندول البسيط خصائص الموجات؟

الأهداف

• تحدد المتغيرات التي تؤثر في الزمن الدوري للبندول.
• تستقصي تردد البندول وزمنه الدوري وسعة اهتزازه.
• تقيس قيمة تسارع الجاذبية الأرضية g.

احتياطات السلامة

رموز السلامة الظاهرة في الصفحة:

| الرمز | الدلالة |
| ----------------- | -------------------------------- |
| نظارات واقية | حماية العينين أثناء التجربة |
| مريلة / لباس واقٍ | حماية الملابس والجسم أثناء العمل |

المواد والأدوات

| المواد والأدوات |
| ------------------------ |
| خيط طوله 1.5 m |
| ثلاثة أثقال رصاصية صغيرة |
| مشبك ورق |
| حامل حلقي |
| ساعة إيقاف |

الصورة التابعة لهذه الفقرة:
مختبر_الفيزياء_تذبذب_البندول_إعداد_التجربة.png

الخطوات

1

صمم بندولًا باستعمال المواد والأدوات المتوفرة لديك. وتحقق من فحص المعلم لتصميمك إذا كان ملائمًا أم لا، وذلك قبل المضي قدمًا في إجراء التجربة.

2

يكون طول البندول في هذا الاستقصاء مساويًا لطول الخيط مضافًا إليه نصف طول ثقل البندول.

والسعة هي البعد بين النقطة التي سحب إليها ثقل البندول ونقطة اتزانه.

والتردد هو عدد دورات ثقل البندول في الثانية.

أما الزمن الدوري فهو الزمن الذي يتطلبه ثقل البندول حتى يعمل دورة واحدة.

وعند جمع البيانات حول الزمن الدوري يتعين عليك إيجاد الزمن الذي يحتاج إليه البندول حتى يكمل عشر دورات، ثم تجد بعد ذلك الزمن الدوري بوحدة ثانية s.

كما يتعين عليك عد الدورات التي تحدث في 10 s، ومنها تجد التردد بوحدة s⁻¹.

3

صمم طريقة بحيث تبقي كتلة ثقل البندول وسعة حركته ثابتتين، في حين تغير طول البندول، ثم تحدد تردده وزمنه الدوري.

سجل نتائجك في جدول البيانات، وكرر المحاولات مع أطوال مختلفة للبندول لجمع البيانات.

4

صمم طريقة بحيث تبقي طول البندول وسعته ثابتين، بينما تغير كتلة ثقل البندول، ثم حدد تردده وزمنه الدوري.

سجل نتائجك في جدول البيانات. وكرر المحاولات لجمع البيانات.

5

صمم طريقة أخرى بحيث تبقي طول البندول وثقله ثابتين، في حين تغير سعة حركته، ثم حدد تردده وزمنه الدوري.

سجل نتائجك في جدول البيانات، وكرر المحاولات لجمع البيانات.

6

صمم طريقة باستعمال البندول لحساب تسارع الجاذبية الأرضية g، مستخدمًا المعادلة الآتية:

T = 2π √(l / g)

حيث تمثل:

| الرمز | المعنى |
| ----- | --------------- |
| T | الزمن الدوري |
| l | طول خيط البندول |

تذكر تنفيذ عدة محاولات لجمع البيانات.

جدول البيانات 1

جدول البيانات هذا مصمم للخطوات 2-5.

الصورة التابعة لهذه الفقرة:
مختبر_الفيزياء_جدول_البيانات_1_تأثير_الطول_والكتلة_والاتساع.png

| المتغير | المحاولة 1 | المحاولة 2 | المحاولة 3 | المتوسط | الزمن الدوري (s) | التردد (s⁻¹) |
| --------- | ---------- | ---------- | ---------- | ------- | ---------------- | ------------ |
| الطول 1 | | | | | | |
| الطول 2 | | | | | | |
| الطول 3 | | | | | | |
| الكتلة 1 | | | | | | |
| الكتلة 2 | | | | | | |
| الكتلة 3 | | | | | | |
| الاتساع 1 | | | | | | |
| الاتساع 2 | | | | | | |
| الاتساع 3 | | | | | | |

جدول البيانات 2

جدول البيانات هذا مصمم للخطوة 6، لإيجاد قيمة g.

الصورة التابعة لهذه الفقرة:
مختبر_الفيزياء_جدول_البيانات_2_إيجاد_تسارع_الجاذبية.png

| المتغير | المحاولة 1 | المحاولة 2 | المحاولة 3 | المتوسط | الزمن الدوري (s) | طول الخيط (m) |
| ------- | ---------- | ---------- | ---------- | ------- | ---------------- | ------------- |
| الطول 1 | | | | | | |
| الطول 2 | | | | | | |
| الطول 3 | | | | | | |

التحليل

1. لخص

ما العلاقة بين سعة حركة البندول وزمنه الدوري؟

2. لخص

ما العلاقة بين كتلة ثقل البندول وزمنه الدوري؟

3. قارن

كيف يرتبط الزمن الدوري للبندول مع طوله؟

4. حلل

أوجد مقدار g من البيانات في الخطوة 6.

5. تحليل الخطأ

ما النسبة المئوية للخطأ في التجربة عند إيجاد قيمة g؟ وما الأسباب المحتملة لوجود فرق بين القيمة التجريبية لـ g والقيمة المقبولة لها؟

الاستنتاج والتطبيق

1. استنتج

ما المتغير أو المتغيرات التي تؤثر في الزمن الدوري للبندول؟

2. قارن

كيف تكون حركة البندول مشابهة لحركة الموجة؟

3. حلل

لماذا يفضل تكرار الخطوة ثلاث مرات أو أكثر لإيجاد التردد والزمن الدوري للبندول؟

4. حلل واستنتج

متى يكون لثقل البندول أكبر طاقة حركية؟

5. حلل واستنتج

متى يكون لثقل البندول أكبر طاقة وضع؟

التوسع في البحث

افترض أن لديك بندولًا طويلًا، ما الملاحظات التي تتوقعها على حركة هذا البندول مدة يوم كامل؟

الفيزياء في الحياة

يستعمل البندول في تشغيل بعض أنواع الساعات. استعن بملاحظاتك خلال هذه التجربة لتحديد مشكلات التصميم الموجودة في بندولك عند استعماله أداة لضبط الوقت.

التقنية والمجتمع

الحماية من الزلازل Earthquake Protection

الزلزال يعادل انفجارًا شديدًا وعنيفًا في مكان ما تحت سطح الأرض. وتتكون الموجات الميكانيكية المنتشرة من الزلازل موجات مستعرضة وموجات طولية.

فتعمل الموجات المستعرضة على هز المباني أفقيًا، في حين تهز الموجات الطولية المباني رأسيًا. ولا يمكن توقع وقت حدوث الزلازل أو منع حدوثها حتى الآن، وما دام الأمر كذلك فكيف يمكن اتقاء أضرارها؟

نتيجة المعرفة المتزايدة حول الزلازل، بعد الاكتشافات الحديثة لكيفية التي تسبب بها الزلازل تدمير المنشآت المختلفة، يجب أن تصمم المباني بحيث تصمد في وجه الزلازل وتكون قادرة على مقاومة آثارها التدميرية، بالإضافة إلى تحديث المباني القائمة.

تقليل الدمار

تبنى معظم الجسور والممرات المنحدرة باستعمال طبقات خرسانية مدعومة بالفولاذ بعضها فوق بعض، وتحافظ قوة الجاذبية الأرضية عليها في مكانها.

وتكون هذه التراكيب والمباني قوية جدًا في ظل الظروف العادية، ولكنها تهتز جزئيًا إذا تعرضت لزلازل قوية.

لذا تتطلب قواعد البناء الحديثة ربط أجزاء المبنى معًا بواسطة قطع فولاذية ثقيلة وقوية.

ويمكن الحد من الأضرار التي يسببها الزلزال للمباني عن طريق السماح بحدوث كمية صغيرة من الحركة المسيطر عليها بين هيكل البناء وقواعده.

ولتقليل الاهتزاز الرأسي للبناء توضع نوابض رأسية داخل الأجزاء الرأسية لهيكل البناء، وتصنع هذه النوابض من مركب مطاطي قوي مضغوط داخل أسطوانات مصنوعة من الفولاذ الثقيل والقوي.

كما يمكن التقليل من الاهتزاز الجانبي بوضع دعائم انزلاقية تحت أعمدة البناء، تحفظ هيكل البناء ثابتًا إذا تحركت الأرض تحته إلى جانب من الجوانب.

أما التراكيب البنائية الطويلة، ومنها الأنفاق والجسور، فيجب أن تبنى بحيث تبقى رأسية أو أفقية إذا حدث قص أو صدع في الأرض أسفلها. فالجسر الذي يربط ملكة البحرين بالمملكة العربية السعودية له وصلات وروابط مرنة تجعله ثابتًا.

الصورة التابعة لهذه الفقرة:
ملحق_التقنية_والمجتمع_الحماية_من_الزلازل_تصميم_المبنى.png

تعليق الشكل:

تقلل التصاميم الحديثة للأبنية الدمار الناتج عن الهزات الأرضية.

التوسع

1. ابحث

ما المواد التي يتركب منها بناء مدرستك؟ وكيف ثبتت قواعد هذا البناء؟

2. لاحظ

ابحث عن بناء فيه تصدع أو تشقق في أحد جدرانه، وبين سبب حدوثه، ولماذا اتخذ ذلك الشكل أو المسار؟ وماذا يحدث للبناء إذا تعرض لزلزال؟