بطاقة الدرس:
- عنوانه: القانون الأول لنيوتن في الحركة
- ترتيبه: الأول من الوحدة الثالثة «القوى».
- مادة: الفيزياء.
- الصف: العاشر الأساسي.
- الفصل الدراسي: الأول.
- المدارس: الأردنية.
- الهدف: شرح وتلخيص/مراجعة وحل أسئلة.
- الدرس السابق «والأخير من الوحدة الثانية»: الحركة في بعدين
القوة
كل ما يؤثر في الأجسام فيغير من أشكالها أو حالاتها الحركية ويرمز إليها بالرمز (F)، وتقاس بوحدة (N) بحسب النظام الدولي لوحدات القياس.
ملاحظات مهمة:
- تتغير حالة الجسم الحركية بتغير مقدار سرعته أو تجاهها أو كليهما معا.
- القوة كمية فيزيائية متجهة تحدد بكمية واتجاه.
- تمثل القوة على شكل سهم يتناسب طوله مع مقدار القوة التي يمثلها وفق مقياس رسم مناسب ويدل اتجاه السهم على اتجاه تأثير القوة أو خط عملها.
تمثيل القوى بأسهم تتناسب أطوالها مع مقادير القوى التي تمثلها.
- F1 = 30 N
- F2= 20 N
- F3 = 25 N
مخطط الجسم الحر:
هو رسم تخطيطي يبين جميع القوى الخارجية المؤثرة في جسم ما.
- يُستخدم نموذج الجسيم النقطي في تمثيل الجسم بنقطة.
- تمثل كل قوة خارجية مؤثرة في الجسم بسهم يتناسب طوله مع مقدار المتجه ويشير إلى اتجاه تأثيرها.
- يطلق على الجسم الذي ندرس تأثير القوى فيه اسم النظام.
سؤال: كيف نرسم مخطط الجسم الحر؟
الإجابة:
- تحديد النظام الذي سنقوم بتحليله.
- تمثيل الجسم على شكل نقطة.
- تمثيل كل قوة بسهم يشير إلى الاتجاه الذي تؤثر به.
- راعي أن يكون طول السهم يمثل مقدار القوة.
يوضح المخطط البياني أربع قوى تؤثر في الجسم (المربع):
ويمثل طول السهم المستخدم مقدار القوة كما تبدو مقادير القوى المؤثرة في هذه الحالة متساوية، كما يوضح اتجاه كل سهم اتجاه تأثير القوة.
- يوضح المخطط الآتي مخطط الجسم الحر لكتاب (نظام) يتزن على يد طالب حيث يتأثر الكتاب بقوتين هما قوة دفع اليد للكتاب إلى أعلى وقوة جذب الأرض للكتاب إلى أسفل.
القانون الأول في الحركة لنيوتن
مفهوم القوة والحركة على مر العصور:
- في زمن أرسطو اعتقد العلماء أن الحالة الطبيعية للأجسام هي السكون وأن القوة ضرورية لتحريك جسم ما، وأنه يجب أن تؤثر قوة في الجسم باستمرار لكي يظل الجسم متحركا، وأن زوال تأثير هذه القوة يوقف الجسم عن الحركة.
- في بدايات القرن السابع عشر للميلاد جاء العالم غاليليو لتصحيح أفكار العلماء السابقين واقترح أن الحركة بسرعه متجهه ثابته هي حالة طبيعية للأجسام مثل حالة السكون، وأن كرة صلبه ملساء تتحرك بسرعه متجهه ثابته على مستوى أفقي أملس سوف تستمر بحركتها بسرعه متجهه ثابته في حال انعدام الاحتكاك ومقاومة الهواء.
سؤال: إذا كانت القوة المحصلة المؤثرة في جسم ما تساوي صفرًا فكيف تكون حالة الجسم الحركية؟
ج: يكون الجسم في حالة اتزان إما اتزان سكوني أو اتزان ديناميكي (حركي).
سؤال: إذا تحركت سيارة على طريق أفقي بسرعة متجهة ثابتة، فهل يعني ذلك عدم وجود قوى مؤثرة في السيارة؟
ج: لا، لأنه يؤثر بها كل من: المحرك (قوة دفع) والطريق بـ (قوة احتكاك وقوة عمودية) والأرض ب (قوة الوزن والهواء بـ (قوة الاحتكاك).
مفهوم الاتزان
يكون الجسم في حالة الاتزان عندما تكون محصلة القوة المؤثرة عليه تساوي صفر.
الاتزان السكوني:
يكون الجسم في حالة الاتزان السكوني عندما تكون محصلة القوة المؤثرة عليه تساوي صغرًا والجسم ساكن متوقف في مكانه لا يتحرك.
كمثال: في الصورة كتابًا ساكنًا على سطح طاولة أفقي يتأثر الكتاب بقوتين متساويتين في المقدار ومتعاكسان في الاتجاه هما وزنه إلى الأسفل وقوة قوة جذب الأرض دفع سطح الطاولة للكتاب نحو الأعلى.
الاتزان الحركي (الديناميكي):
إذا تحرك جسم ما بسرعة ثابته مقدارًا واتجاها فأن القوة المحصلة المؤثرة فيه تساوي صفرًا وبالتالي يكون في حالة اتزان ديناميكي كمثال في الصورة حركة سيارة بسرعة متجهة ثابته على طريق أفقي.
سؤال: ما هو نص القانون الأول لنيوتن؟
ج: الجسم يظل على حالته من حيث السكون أو الحركة بسرعة ثابتة مقدارًا واتجاها ما لم تؤثر فيه قوة خارجية محصلة تغير حالته الحركية.
ملاحظات مهمة:
- يجب أن تتوافر قوة محصلة لتغيير مقدار سرعة الجسم أو اتجاهها أو كليهما.
- القوة المحصلة المؤثرة في كل من الجسم الساكن والجسم المتحرك بسرعة ثابتة مقدارًا واتجاها تساوي صغرا لذلك يكون الجسم متزنا. ΣF = 0 → Fy = 0, ΣFx = 0
- الجسم يكون عاجز أو قاصر عن تغيير حالته الحركية من تلقاء نفسه أو لوحده لذلك يتطلب تأثير قوة محصلة في الجسم لتغيير حالته الحركية وهذا ما يعرف باسم القصور الذاتي.
- يسمى القانون الأول لنيوتن باسم قانون القصور الذاتي.
سؤال: ما هو المقصود بالقصور الذاتي؟
ج: ممانعة الجسم لأي تغيير في حالته الحركية، فإذا كان ساكنا أو متحركا بسرعة متجهه ثابتة فإنه يظل في حالته ما لم تؤثر فيه قوة محصلة.
في الشكل أعلاه توضيح بسيط لقانون القصور الذاتي حيث عند اصطدام الشاحنة بالحاجز يندفع السلم إلى الأمام بالسرعة نفسها قبل التصادم بسبب القصور الذاتي وعدم تثبيت السلم بالشاحنة.
سؤال: أعط مثال على القصور الذاتي من المشاهدات اليومية؟
الإجابة:
- اندفاع السائق والطلبة إلى الأمام عند توقف حافلة المدرسة فجأةً وميلانهم إلى اليمين أو اليسار عند تغير اتجاه سرعتها.
- أو اندفاع الصناديق المحملة على الشاحنة إلى الخلف أو إلى الأمام عند توقفها المفاجئ أو انطلاقها بتسارع إلى الامام.
سؤال: في الصورة تظل اطباق السفرة ثابتة على سطح الطاولة عند سحب المفرش من أسفلها بسرعة كبيرة. فسر ذلك؟
ج: عند سحب مفرش السفرة الأملس الموضوع على طاولة ملساء بقوة أفقية كبيرة فإن الأطباق التي على المفرش تبقى ثابتة في مكانها تقريبا على سطح الطاولة بسبب قصورها الذاتي إذ أثرت قوة السحب في المفرش فقط ولم تؤثر في الأطباق.
ملاحظات مهمة:
- كتلة الجسم مقياس لقصوره الذاتي وكتلة الجسم تتناسب طرديا مع القصور الذاتي فكلما زادت كتلة الجسم زاد قصوره واحتجنا تأثير قوة محصلة أكبر لتغيير حالته الحركية.
سؤال: ميزان نابض (زنبرك) علق في نهايته صندوق خشبي:
1) حدد القوى المؤثرة في هذا الصندوق؟
ج: وزن الصندوق رأسيا إلى الأسفل وقوة شد الميزان رأسيا إلى الأعلى.
2) هل محصلة القوى المؤثرة في الصندوق تساوي صفرا أم لا؟
ج: حسب قانون نيوتن الأول فإن القوى المحصلة المؤثرة فيه تساوي صفرًا لأن الجسم في حالة سكون.
3) لو قمنا بتحريك الميزان النابض والصندوق معلق به رأسيًا إلى الأعلى بسرعة ثابتة فهل يبقى الصندوق متزن أم لا ولماذا؟
ج: نعم يبقى متزن، لأنه يتحرك بسرعة متجهة ثابتة وحسب قانون نيوتن الأول تكون القوة المحصلة المؤثرة في الصندوق صفر.
سؤال: سيارة تتحرك بسرعة ثابتة مقدارًا واتجاهًا على طريق أفقي مستقيم، إذا كانت قوة دفع محرك السيارة (100N) فما هي القوة المحصلة المؤثرة في السيارة؟ وما هو مقدار القوة المعيقة المؤثرة في السيارة وما هو اتجاهها؟
ج: السيارة تتحرك بسرعة ثابتة مقدارًا واتجاها لذلك تكون القوة المحصلة المؤثرة فيه تساوي صفر أما مقدار القوة المعيقة المؤثرة في السيارة مساوي لمقدار قوة دفع محرك السيارة ومعاكس له في الاتجاه.
إيجاد محصلة القوى في حالة عدم الاتزان
وجب التنبيه أن هذه الحالة من الأسئلة لم ترد ضمن أمثلة الكتاب لكنها وردت ضمن أسئلة مراجعة الوحدة لذلك يجب علينا شرحها رغم أن تفاصيلها أكبر وأزخم من الأفكار السابقة.
- بالبداية نقوم بإيجاد محصلة القوى على المحور الأفقي ثم محصلة القوى على المحور العمودي من خلال القوانين التي تم شرحها سابقا.
ΣFx = F1x+ F2x + F3x + F4x
ΣFy = F1y + F2y + F3y + F4y
- نقوم بإيجاد محصلة القوى الكلية المؤثرة على الجسم من خلال قانون إيجاد القوة المحصلة في حالة التعامد (شرحناه سابقا جزء المتجهات):
يكون اتجاه المتجه المحصل يقع بين المتجهين الممثلين لكل متجه محصلة القوى على المحور الأفقي ومتجه محصلة القوى على المحور العمودي بحيث يصنع زاوية مع أقرب محور أفقي له.
حل أسئلة مراجعة الدرس الأول من الوحدة الثالثة
سؤال: لماذا يشترط قانون السير ربط حزام الأمان عند ركوب السيارة؟
ج: للتغلب على القصور الذاتي للسائقين والركاب إذ أن سرعته مساوية لسرعة السيارة وعند تغير السرعة فجأة فإنهم يندفعون بقوة إلى الأمام فتقلل أحزمة الأمان من اندفاعهم وتجنبهم الارتطام بعجلة القيادة أو الزجاج الأمامي أو الاندفاع خارج السيارة.
سؤال: تتحرك سيارة بسرعة ثابتة مقدارًا واتجاها على طريق أفقي مستقيم، إذا كانت قوة دفع محركها (6000N) (6000) فما مقدار القوة المعيقة المؤثرة في السيارة؟ وما اتجاهها؟
ج: القوة المحصلة المؤثرة في السيارة تساوي صغر لأنها تتحرك بسرعة ثابتة مقدارًا واتجاها على طريق أفقي مستقيم وبالتالي يكون مقدار القوة المعيقة المؤثرة في السيارة (6000N) بعكس اتجاه حركتها.
⇐ مُقترح للمراجعة: إجابات & حل أسئلة الوحدة 2 «الحركة» فيزياء 10 «أردني» الفصل الأول