الفيزياء12 فصل أول

حلول أسئلة مراجعة الدرس (كتاب الطالب)

1. الفكرة الرئيسة: أوضّحُ المقصود بالمقاومة الكهربائيّة لمُوصلٍ فلزّي، وأذكرُ العوامل التي تعتمد عليها مُبينًا كيف تتناسبُ المقاومة مع كلٍّ منها.

المقاومة مقياس لممانعة الموصل لسريان تيار كهربائي فيه. 

تعتمد مقاومة الموصل الفلزي عند درجة ح ا ررة ثابتة على ثلاثة عوامل: الطول ومساحة المقطع والمقاومية؛ فالمقاومة تتناسب طرديًا مع طول الموصل وعكسيًا مع مساحة مقطعه، وتختلف المقاومة باختلاف نوع المادة. وإذا اختلفت درجة ح ا ررة الموصل تتغير مقاومته.

2. أستنتج: عند توصيل بطارية مع مقاومة وسريان تيار كهربائي في الدارة، أو عند شحن البطارية القابلة لإعادة الشحن نلاحظ ارتفاع درجة حرارة البطارية نفسها. أفسر سبب ذلك.

عند تفريغ البطارية يسري فيها تيار كهربائي، وعند شحنها يسري تيار كهربائي باتجاه معاكس، وفي الحالتين يواجه هذا التيار ممانعة المقاومة الداخلية للبطارية، فتتصادم الإلكترونات الحرة مع ذرات المادة الكيميائية المكونة للبطارية، فيزداد اهتزاز ذراتها وتسخن، فترتفع درجة حرارة البطارية.

3. أستخدم الأرقام: أحسب المقاومة الكهربائيّة في جهاز حاسوب يسري فيه تيّار كهربائيٌّ (800mA) عند فرق جُهدٍ (220V).

$𝑅=\frac{𝑉}{𝐼}=\frac{220}{0.8}=275=\Omega$

4.أستنتج: موصل أوميّ يتصل طرفاه بمصدر فرق جهد ثابت (V)، ويسري فيه تيّار كهربائي (I) عند درجة حرارة (20˚C)، ماذا يحدث لكلٍّ من فرق الجُهد والتيار والمقاومة إذا ارتفعت درجة حرارة الموصل إلى (50˚C)؟ أُفسّرُ إجابتي.

بارتفاع درجة الح ا ررة تزداد سعة اهتزاز ذرات الموصل، فتزداد التصادمات بين الإلكترونات وهذه الذرت وتزداد مقاومة الموصل الأومي، نتيجة لذلك يقل التيار الكهربائي فيه، أما فرق الجهد بين طرفيه فلا يتغير؛ لأنه يعتمد على جهد المصدر فقط.

5. أفسّر زيادة مقاومة الموصل بزيادة طوله.

زيادة الطول تزيد من طول مسار الشحنات؛ فيزداد عدد التصادمات بين الإلكترونات الحرة وذرات الموصل، وتزداد المقاومة الكهربائية له.

6. أستخدم الأرقام: سخّانٌ كهربائيٌّ صغيرٌ يعمل على جُهد (220V). إذا كان سلك التسخين فيه المصنوعٌ من
سبيكة النيكروم طولهُ (83m)، ونصفُ قُطرهِ (0.3mm). فما مقدارُ التيّار الكهربائيّ المارّ في السخان؟

$𝐴=𝜋{𝑟}^2{=}^2=3.14\times 0.09\times {10}^{-6}=2.83\times {10}^{-7} m^2$

$𝑅=\frac{𝜌𝐿}{𝐴}=\frac{1.50\times {10}^{-6}\times 83}{2.83\times {10}^{-7}}=440\Omega$

$𝐼=\frac{𝑉}{𝑅}=\frac{220}{440}=0.5A$

7. أستخدم الأرقام: تتكون دارة كهربائية من بطارية ومقاومة كما في الشكل المجاور. عندما كان المفتاح (S) مفتوحًا كانت قراءة الفولتميتر (12V)، وعند إغلاق المفتاح أصبحت قراءته (10V)، إذا علمتُ أن المقاومة الداخلية للبطارية (0.5Ω)؛ أحسب :

أ . قراءة الأميتر والمفتاح مغلق.                 

$𝑉=𝜀-𝐼𝑟$

$10=12-𝐼\times 0.5\to 𝐼=\frac{12-10}{0.5}=4 A$

ب. مقدار المقاومة (R).

$𝑉=𝐼𝑅$

$10=4𝑅⟹𝑅={10}^4=2.5 \Omega$

8. أضع دائرةً حول رمز الإجابة الصحيحة لكل جملة ممّا يأتي:

1. عندما يسري تيار (10mA) في موصل مدّة نصف ساعة؛ فإنّ مقدار الشحنة الكهربائية بوحدة كولوم (C) التي تعبر مقطعًا عرضيًا في هذا الموصل خلال هذه المدّة تساوي:

أ. 0.3                 ب. 5.0                ج. 18                    د. 300

2. الثنائي الباعث للضوء (LED)، يمتاز بأن العلاقة بين التيار الذي يسري فيه وفرق الجهد بين طرفيه:

أ . خطية، عند ثبات درجة الحرارة.

ب. خطية، حتى عند تغير درجة الحرارة.

ج. غير خطية عند ثبات درجة الحرارة، وكذلك عند تغيرها.

د . خطية عند ثبات درجة الحرارة، وغير خطية عند تغيرها.

3. في الشكل المجاور موصلان (1) و (2) من النحاس؛ طول الأول (L) ونصف قطر مقطعه (r)، وطول الثاني (2L) ونصف قطر مقطعه (2r). العلاقة بين مقاومتي الموصلين (R₁) و (R₂) تكون على إحدى الصور الآتية:

 

أ. R₁ = R₂                  ب. R₁ = 2R₂                ج. R₂ = 2R₁             ج. R₂ = 4R₁

4. يبين الشكل المجاور العلاقة البيانية بين فرق الجهد والتيار لثلاثة مواد ( A, B, C ) عند درجة حرارة ثابتة،

معتمدًا على الشكل؛ أحدد العبارة الصحيحة في ما يأتي:

أ . المواد جميعها موصلات أوميّة، والموصل (A) أكبرها مقاومة.

ب. المواد جميعها موصلات أوميّة، والموصل (A) أقلها مقاومة.

ج. المادتان (B) و (C) موصلات أوميّة، والمادة (A) لا أوميّة.

د . المادة (A) موصل أوميّ، والمادتان (B) و (C) لا أوميّة.

5. بطارية قوتها الدافعة الكهربائية (ε) ومقاومتها الداخلية (r) وصلت مع مقاومة متغيرة (R)، كما يبين الشكل المجاور. بزيادة مقدار المقاومة المتغيرة (R)؛ فإن ما يحدث لفرق الجهد بين قطبي البطارية (V) والتيار (I) في الدارة، هو:

أ. يزداد (V) ويزداد (I).

ب. يزداد (V) وينقص (I).

ج. ينقص (V) ويزداد (I).

د. ينقص (V) وينقص (I).

---

حلول أسئلة كتاب الأنشطة والتجارب العملية

التجربة (1): استنتاج العوامل التي تعتمد عليها المقاومة الكهربائية لموصل

الأهداف:

- اكتسابُ مهارة قراءة القياسات وتدوينها بدقّة.

- استنتاجُ تأثير زيادة طول الموصل في مقاومته الكهربائية.

- استنتاجُ تأثير زيادة مساحة مقطع الموصل في مقاومته الكهربائية.

- استنتاجُ تأثير نوع مادة الموصل في مقدار مقاومته الكهربائية.

الموادُّ والأدوات:

ميكروميتر، مَسطرةٌ متريّةٌ خشبيةٌ، أميتر وفولتميتر، أسلاكُ توصيل، مصدر طاقة منخفض الجهد وقابل للضبط، سلك نيكروم رفيعٍ طولُه (1m)، ثلاثةُ أسلاك: نيكروم، وحديد، وتنغستن، طول كلٍّ منها (40cm) وأقطارُها متساوية.

إرشادات السلامة:

الحذر من لمس الوصلات الكهربائية غير المعزولة والعناصر الساخنة.

خطوات العمل:

(الجزء 1)

بالتعاون مع أفراد مجموعتي؛ أنفّذ الخطوات الآتية:

1. أُثبّتُ سلك النيكروم من طرفيه على المسطرة المتريّة الخشبيّة؛ بشكل مستقيمٍ ومشدودٍ بدءًا من الصفر.

2. أصلُ أحدَ قطبي مصدر الطاقة مع نقطة الصفر، والقطبَ الآخر مع الأميتر، وأضعُ في نهاية السلك المُتّصل بالأميتر مسمار توصيل مدبّب. وأصلُ الفولتميتر على التوازي مع سلك النيكروم، كما في الشكل.

3. أشغّلُ المصدر وأضبِطُه على (1V)؛ حتى لا ترتفع درجةُ حرارة سلك النيكروم وتؤثّرَ في القراءات.

4. ألامسُ المسمار المدبّب (طرف الأميتر الحرّ) مع سلك النيكروم على مسافة (20cm) من الصفر.

5. أدوِّنُ قراءات الأميتر والفولتميتر في الجدول المُخصّص للجزء الأول.

6. أغيّرُ موقع المسمار المدبّب إلى المسافات ($40 , 60 , 80cm$)،ثم أدوّن قِيَمَ فرق الجُهد والتيار.

(الجزء 2)

1. أقيسُ أقطارَ الأسلاك جميعها باستخدام الميكروميتر وأدوّنُها، ثم أثبّت سلك النيكروم الثاني ( 40 cm ) على المسطرة بدلً من الأوّل.

2. ألامسُ المسمار المدبّب إلى نهاية السلك، وأضبطُ فرقَ الجُهد على ( 1 V ) وأدوّن قيمتي الجُهد والتيار.

(الجزء 3)

1. ضبطُ المتغيّرات: أستخدم سلك الحديد (المُماثل بالقياسات) مكان سلك النيكروم، ثم أكرّرُ خطوات الجزء 2.

2. أكرّرُ الخطوةَ السابقة باستخدام سلك التنغستن (المماثل بالقياسات)، وأدوّن النتائج.

البيانات والملاحظات:

الجزء الأول من التجربة:

الجزء الثاني من التجربة:

الجزء الثالث من التجربة:

التحليل والاستنتاج:

1. أستنتجُ: بالاعتماد على بيانات الجدول الأول؛ ما العلاقة بين طول الموصل ومقاومته؟

العلاقة بين طول الموصل ومقاومته طردية، فعند زيادة طول الموصل حسب القيم المحددة في خطوات التجربة، تزداد المقاومة بالنسب نفسها.

2. أستنتجُ: بالاعتماد على بيانات الجدول الثاني؛ ما العلاقة بين مساحة مقطع الموصل ومقاومته؟

العلاقة بين مساحة مقطع الموصل ومقاومته عكسية، فعند زيادة نصف القطر تزداد مساحة المقطع وتقل المقاومة.

3. أُقارنُ بين مقاومة الأسلاك المُتماثلة في أطوالها ومساحة مَقطعِها والمختلفة في المواد المصنوعة منها.

عندما تتشابه الأسلاك في أبعادها الهندسية )الطول ومساحة المقطع(، فإن مقاوماتها تختلف باختلاف نوع مادتها.

4. أُفسّر: أتوصّلُ إلى العوامل التي تعتمد عليها مقاومةُ الموصل، وأُفسّرها.

- كيف تتغير مقاومة الموصل بزيادة طوله؟

تفسير العلاقة:

- كيف تتغيّ مقاومة الموصل مع زيادة مساحة مقطعه؟

تفسير العلاقة:

- أُفسُّر سبب تغيّ مقاومة الموصل من مادّةٍ لأُخرى.

 

تعمد مقاومة الموصل على ثلاثة عوامل: الطول ومساحة المقطع ونوع المادة. فالمقاومة تتناسب . طرديًا مع طول الموصل وعكسيًا مع مساحة مقطعه، وتختلف المقاومة باختلاف نوع المادة.

التفسير: زيادة الطول تزيد من طول مسار الشحنات وتزيد من عدد التصادمات، فتزداد المقاومة زيادة مساحة المقطع تزيد من عدد الإلكترونات الحرة التي تعبر مقطع الموصل في الثانية الواحدة فتقل المقاومة. أما اختلاف نوع المادة فيغير من عدد الإلكت رونات الحرة الناقلة للتيار في وحدة الحجم من الموصل.

5. أتوقّعُ: إذا تسبّب التيّار الكهربائيّ في أيٍّ من المراحل في تسخين الموصل؛ كيف سيؤثّر ذلك في النتائج؟

عند زيادة مقدار التيار المار في الموصل تزداد التصادمات فترتفع درجة حرارة الموصل، وهذا يزيد من . سعة اهتزاز ذرات المادة فتزداد التصادمات مرة أخرى مما يزيد من مقدار المقاومة.