الشغل والطاقه
الدرس الأول
الشغل والطاقة
أنظر وأتساءل
يشعر ركاب هذه اللعبة الأفعوانية بقوة تعادل ضعفي قوة الجاذبية الأرضية.
ما مصدر القوة المحركة لهذه الآلة في مسارها؟
أستكشف
نشاط استقصائي
ما الذي يحدث للطاقة؟
أكون فرضية
تتغير طاقة الجسم بفعل الجاذبية. فماذا يحدث لكرة زجاجية إذا جعلتها تتدحرج داخل إطار دراجة؟ أكتب فرضية على النحو التالي:
"إذا زاد الارتفاع الذي أفلت منه الكرة الزجاجية فإن ............"
أختبر فرضيتي
الخطوات
- أعمل معًا في مجموعة صغيرة، بحيث يمسك زميلي بالإطار، كما في الصورة، واستعمل أنا شريطًا لاصقًا لتحديد النقطة التي سأفلت الكرة منها وأقيس ارتفاعها، ويقيس زميلي زمن دحرجة الكرة.
- أقيس. أفلت الكرة من نقطة البداية، وأدعها تتدحرج داخل الإطار، وألاحظ أقصى ارتفاع تصل إليه الكرة على الطرف الآخر، ثم أقيسه، ويسجل زميلي الزمن الذي تستغرقه الكرة منذ لحظة إفلاتها حتى تتوقف تمامًا، وأسجل النتائج في الجدول.
- أستخدم المتغيرات. أكرر الخطوتين الأولى والثانية من ارتفاعات مختلفة.
أستخلص النتائج
- أفسر البيانات. اعتمادًا على ملاحظاتي، هل فرضيتي صحيحة؟ أوضح ذلك.
- أستنتج. أي المحاولات كانت طاقة الكرة فيها أكبر ما يمكن؟ وكيف أعرف ذلك؟
أستكشف أكثر
لماذا توقفت الكرة في النهاية؟ هل سطح الإطار له علاقة بذلك؟ أكتب فرضية، وأصمم تجربة أتحقق فيها من ذلك.
أحتاج إلى
قطعة من إطار دراجة هوائية قديم، أو مقطع من أنبوب ري حديثة.
شريط لاصق.
كرة زجاجية صغيرة.
مسطرة.
ساعة إيقاف.
جدول النشاط
رقم المحاولة
ارتفاع البداية
أقصى ارتفاع
الزمن
أقرأ وأتعلم
السؤال الأساسي
ما العلاقة بين الشغل والطاقة؟
المفردات
الشغل
الاحتكاك
الطاقة
طاقة الوضع
طاقة الحركة
قانون حفظ الطاقة
مهارة القراءة
الاستنتاج
ماذا أعرف؟
ماذا أريد أن أعرف؟
أستنتج
ما مفهوم الشغل؟
قد يكون رفع مجموعة صناديق على رف عملًا ممتعًا؛ لأن عاملًا قد شغل يدهما من سطح الأرض إلى الرف. والصناديق الخفيفة تحتاج إلى قوة أقل لتحريكها، ومن ثم شغلًا أقل لوضعها على الرف. وكلما زاد ارتفاع الرف زاد الشغل اللازم لوضع صناديق عليه. ما المقصود بالشغل؟
الشغل هو القوة المبذولة لتحريك جسم ما مسافة معينة؛ فإذا أثرت بقوة ثابتة المقدار في جسم، وتحرك هذا الجسم في أثناء ذلك مسافة ما بتأثير هذه القوة وفي اتجاهها، فإن هناك شغلًا قد أنجز. ويحسب الشغل على الجسم بالعلاقة التالية:
الشغل = القوة × المسافة المقطوعة في اتجاه القوة.
ووحدة قياس الشغل هي وحدة القوة "نيوتن" مضروبة في وحدة المسافة "متر" فتصبح: نيوتن.م، وتطلق على "نيوتن.م" اسم الجول. فإذا رفعت صندوقًا وزنه ١٠ نيوتن فوق رف ارتفاعه ١ متر فإن الشغل الذي بذلته يساوي ١٠ نيوتن.متر، أو ١٠ جول.
رفع الصناديق
القوة
المسافة
الشغل = القوة × المسافة
أقرأ الشكل
أي الصناديق يتطلب شغلًا أكثر لوضعه على الرف إذا كانت جميعها مملوءة بالمادة نفسها؟
إرشاد: انظر إلى حجم الصندوق وارتفاع الرف.
عندما أرفع كرة عن سطح الأرض فإني بلا شك أبذل قوة في تحريكها مسافة معينة إلى أعلى، وبذلك أكون قد أنجزت شغلًا، ولو احتفظت بالكرة بين يدي فترة من الوقت فقد بذلت قوة أيضًا في حمل الكرة، لكني لم أنجز شغلًا؛ لأن الكرة لم تتحرك.
أقوم بالكثير من الأعمال التي أتخيل أني أبذل فيها شغلًا، ولكني في الحقيقة لا أبذل شغلًا. فمثلًا، هل أبذل شغلًا عندما أمسك بكرة فوق رأسي؟ عندما أدفع أنا وزميلي مجسمًا لسيارة واقفة، في اتجاهين متعاكسين، وبمقدار القوة نفسه، فإننا لا ننجز شغلًا. أما إذا دفعت أنا السيارة بقوة أكبر من زميلي فإن السيارة تتحرك، وعندئذ نقول إن هناك شغلًا قد أنجز.
إذا بذلت قوة لتحريك جسم على سطح خشن، فإنه يلزم إنجاز شغل أكبر من الشغل اللازم لتحريكه لو كان على سطح أملس؛ لأن قوة الاحتكاك مقاومة تؤثر في عكس اتجاه القوة المبذولة.
صور
رفع الأثقال شغل، أما الاحتفاظ بها مرفوعة فليس شغلًا.
يلزم بذل شغل للتغلب على قوة الاحتكاك.
القوة المبذولة
الاحتكاك
أختبر نفسي
أستنتج. كيف يؤثر الاحتكاك في الشغل المبذول لدفع صندوق على الأرض؟
التفكير الناقد. إذا دفعت صندوقًا من فوق سطح الأرض، ثم مشيت به بسرعة منتظمة، فأي المرحلتين أبذل فيها شغلًا؟
حقيقة
ليس كل عمل متعب أقوم به يعد شغلًا.
ما مفهوم الطاقة؟
عندما أشعر بالتعب وأنا أمارس الرياضة أقول: "لم يعد عندي طاقة لأستمر"، فالطاقة هي المقدرة على إنجاز شغل ما. إننا نستعمل الطاقة يوميًا بطرق مختلفة، وكل ما يحدث من حولنا يحتاج إلى طاقة. ووحدة قياس الطاقة هي الجول، كوحدة قياس الشغل.
والأجسام أيضًا لها طاقة، فعند الضغط على نابض "زنبرك" فإن شغلًا يبذل عليه، أي تنتقل إليه طاقة وتخزن فيه في صورة طاقة وضع تظهر في صورة حركة عند إفلاته تسمى طاقة الحركة، وهي الطاقة الناتجة عن حركة الجسم.
تسمى حركة النابض بالحركة الاهتزازية. وتنتشر الطاقة في الحركة الاهتزازية من طاقة وضع إلى طاقة حركة، ومن طاقة حركة إلى طاقة وضع. وعند اللعب بالكرة فإن طاقة الوضع المختزنة في الكرة تزداد عند رفعها إلى أعلى، وإذا دفعتها بقوة فإنها تكتسب طاقة حركية. أما عند إسقاط الكرة من ارتفاع معين فإن طاقة الوضع الكامنة فيها تتحول إلى طاقة حركة بفعل الجاذبية الأرضية.
صورة
عند تحرير النابض تتحول طاقة الوضع إلى طاقة حركة.
طاقة الوضع والحركة
رفع
دفع
إسقاط
أقرأ الصورة
أي أشكال طاقة الوضع أكبر؟
إرشاد: أي ارتفاعات الكرة أعلى؟
أشكال الطاقة
هناك أشكال عدة لطاقة الوضع وطاقة الحركة، فهل تعلم أن هناك طاقة وضع في الروابط بين الذرات والجزيئات، وتأخذ شكل طاقة كيميائية، والطاقة النووية طاقة وضع مختزنة في الروابط بين البروتونات والنيوترونات في الذرة، والطاقة المغناطيسية شكل آخر من طاقة الوضع، وهي تنشأ في عمليات طاقة الجاذبية الأرضية في جذب الأجسام.
وتأخذ طاقة الحركة أشكالًا متعددة؛ فالحرارة طاقة حركية ناتجة عن اهتزازات الجزيئات. والكهرباء طاقة حركية ترجع إلى حركة الإلكترونات. والصوت والضوء أيضًا شكلان من أشكال الطاقة الحركية؛ لأن الجزيئات فيهما تنتقل خلال الموجات. فجميع أشكال الطاقة بينها صفة مشتركة، وهي قدرتها على إنجاز شغل.
نشاط
قياس الطاقة المستعملة
- أربط الخيط حول الكتاب وأعلقه في الميزان، كما في الصورة.
- أقيس. أسحب الكتاب على سطح الطاولة بالميزان النابض "الزنبركي"، مع المحافظة على قراءة ثابتة، وأسجلها.
- أعلّق الكتاب تعليقًا حرًا في الميزان لقياس وزن الكتاب.
- أيهما يبذل شغلًا أكثر: رفع الكتاب إلى ارتفاع ١ م أم سحبه المسافة نفسها؟ أفسر ذلك.
- أستنتج. إذا رفعت الكتاب إلى ارتفاع معين فإنه يكتسب طاقة وضع، وإذا سحبته مسافة محددة فإنه لا يرتفع بفعل الطاقة الحركية. فأين ذهبت الطاقة من الشغل في أثناء سحب الكتاب؟
صورة
المغناطيس ينجز شغلًا عند جذب الأشياء ونقلها.
أختبر نفسي
أستنتج. أيهما ينجز شغلًا أكثر: جول واحد من الطاقة الحرارية أم جول واحد من الطاقة الصوتية؟
التفكير الناقد. أين توجد كل من طاقة الوضع وطاقة الحركة عندما تقفز في بركة السباحة من مكان مرتفع؟
كيف تتحول الطاقة؟
عندما تسقط كرة من ارتفاع ما تكتسب طاقة حركية، وفي الوقت نفسه تفقد طاقة الوضع الكامنة فيها تدريجيًا. من هذه المشاهدات ومن التجارب العلمية الدقيقة وأمثالها وجد العلماء أن الطاقة تتحول من شكل إلى آخر دون أن يفقد منها شيء أثناء ذلك التحول؛ فالطاقة - كما توصل العلماء - لا تفنى ولا تستحدث من العدم - إلا بقدرة الله تعالى - ولكنها تتحول من شكل إلى آخر. ويعرف هذا بقانون حفظ الطاقة.
ويكشف لنا قانون حفظ الطاقة بعض ما أودعه الخالق عز وجل في الكون من أسرار وحكمة وقدرة، قال تعالى:
﴿إِنَّا كُلَّ شَيْءٍ خَلَقْنَاهُ بِقَدَرٍ﴾ القمر: ٤٩
يحدث تحول في الطاقة كلما استعملناها لإنجاز شغل. فطاقة الماء الحركية تحرك المولدات لتوليد الطاقة الكهربائية. وتتحول الطاقة الكهربائية إلى طاقة حرارية في الفرن الكهربائي. كما تتحول الطاقة الحرارية إلى طاقة كيميائية عند خبز العجين في الفرن، وتتحول بدورها في الجسم - بعد تناول الخبز - إلى طاقة حركة في أثناء قذف الكرة.
والطاقة أحيانًا تؤدي شغلًا غير مرغوب فيه. ويحدث هذا غالبًا عندما يكون هناك احتكاك؛ ففي السدود مثلًا يسبب الاحتكاك في التوربين تحول بعض طاقة الحركة إلى حرارة لا إلى كهرباء، مما قد يسبب تلفًا لهذه التوربينات.
صور
طاقة الوضع في الماء الساقط يمكن أن تتحول إلى طاقة كهربائية في السدود.
تتحول الطاقة الحركية إلى طاقة حرارية بسبب الاحتكاك.
أختبر نفسي
أستنتج. عند سقوط كرة من ارتفاع ما لا ترتد إلى الارتفاع نفسه الذي سقطت منه. كيف تتحقق في هذه الحالة مبدأ حفظ الطاقة؟
التفكير الناقد. كيف يمكن للطاقة الحرارية في الفرن أن تنتج شغلًا مطلوبًا إنجازه وشغلًا غير مرغوب فيه؟
مراجعة الدرس
ملخص مصور
يبذل الشغل عندما تحرك قوة جسمًا ما.
الطاقة ضرورية لإنتاج الشغل.
يمكن أن تتحول الطاقة من شكل إلى آخر.
أفكر، وأتحدث، وأكتب
- المفردات. الطاقة الناتجة عن حركة الجسم تسمى ................
- أستنتج. متى تتحول الطاقة الحركية إلى طاقة صوتية؟
جدول:
ماذا أعرف؟
ماذا أريد أن أعرف؟
أستنتج
- التفكير الناقد. ما تحولات الطاقة التي تحدث في أثناء حركة بندول الساعة؟
- أختار الإجابة الصحيحة. في أثناء سقوط كرة من ارتفاع ما تكتسب طاقة:
أ. كيميائية
ب. حركية
ج. ضوئية
د. وضع
- أختار الإجابة الصحيحة. يقاس كل من الشغل والطاقة بوحدة:
أ. النيوتن
ب. الجول
ج. نيوتن/م
د. نيوتن.م/ث
- السؤال الأساسي. ما العلاقة بين الشغل والطاقة؟
المطويات
أنظم أفكاري
أعمل مطوية، ألخص فيها ما تعلمته عن الشغل والطاقة.
يبذل شغلًا عندما...
الطاقة ضرورية لـ...
من أشكال الطاقة...
العلوم والكتابة
الكتابة الوصفية
تعد الشمس مصدرًا للطاقة. أبحث في إمكانية استعمال الإنسان الطاقة الشمسية في إنجاز الأعمال.
العلوم والرياضيات
حساب الشغل
يحمل مصعد كهربائي كتلته ووزنه ٢٠٠ نيوتن مسافة ١٠ م، ويبذل شغلًا ضد قوة الاحتكاك قدره ١٠٠٠ جول. ما مقدار الشغل الذي ينجزه المصعد؟
جاري تحضير الدرس المعاد صياغته وبناء الأنماط
نحافظ على المعنى العلمي ونربط كل فقرة بنواتجها ومفاهيمها.
إعادة إنتاج الدرس حسب نمط التعلم
طلب واحد ينتج المسارات البصري والسمعي والحركي والقرائي معًا، بصياغة تراعي سياق المناهج السعودية.
اختر نمط التعلم
تُنتج الأنماط الأربعة دفعة واحدة، ثم تُستدعى الحزمة المحفوظة في الزيارات التالية.