Physics Lecture Notes - Mansoura University PDF

‫مقرر الفيزياء‬ ‫خواص المادة‬ ‫طالب الفرقة األولى‬ ‫كلية التربية‬ ‫‪1‬‬ ‫المحاضرة األولى‪ -‬الفرقة األولي ‪ -‬كلية التربية‬ ...

‫مقرر الفيزياء‬ ‫خواص المادة‬ ‫طالب الفرقة األولى‬ ‫كلية التربية‬ ‫‪1‬‬ ‫المحاضرة األولى‪ -‬الفرقة األولي ‪ -‬كلية التربية‬  ‫محتوي المقرر‬ ‫المحتوى‬ ‫الفصل االول‬ ‫الفيزياء والقياس‬ ‫الفصل الثانى‬ ‫المرونة‬ ‫الفصل الثالث‬ ‫الموائع‬ ‫الفصل الرابع‬ ‫الحركة االهتزازية‬ ‫‪2‬‬ ‫المحاضرة األولى‪ -‬الفرقة األولي ‪ -‬كلية التربية‬  ‫الفصل االول‪ :‬الفيزياء والقياس‬ ‫الفيزياء من العلوم األساسية التي تهتم بأساسيات الكون‪.‬يشكل علم الفيزياء القاعدة األساسية‬ ‫للكثير من العلوم مثل الفلك والبيولوجي والكيمياء والجيولوجيا‪.‬ويمكن تقسيم علم الفيزياء إلى‬ ‫ستة أقسام‪:‬‬ ‫‪.1‬الفيزياء الكالسيكية‪ ،‬والتي تهتم بدراسة حركة األجسام الكبيرة بالمقارنة مع األجسام الذرية‬ ‫والتي تتحرك بسرعات اقل بكثير من سرعة الضوء‪.‬‬ ‫‪.2‬النسبية‪ ،‬وهي نظرية تصف ألجسام التي تتحرك بسرعات قريبة من سرعة الضوء‪.‬‬ ‫‪.3‬الديناميكا الحرارية‪ ،‬والتي تتعامل مع الحرارة والشغل ودرجة الحرارة ودراسة السلوك‬ ‫اإلحصائي ألنظمة تحتوي على عدد كبير من الجسيمات‪.‬‬ ‫‪.4‬الكهرومغناطيسية‪ ،‬والتي تهتم بدراسة الكهربية والمغناطيسية والمجالت الكهرومغناطيسية‪.‬‬ ‫‪.5‬الضوء‪ ،‬والذي يهتم بدراسة سلوك الضوء وتفاعله مع المواد األخرى‪.‬‬ ‫‪.36‬ميكانيكا الكم‪ ،‬ويشمل النظريات التي تتعلق بدراسة سلوك المادة المكونة من جسيمات دقيقة‪.‬‬ ‫المحاضرة األولى‪ -‬الفرقة األولي ‪ -‬كلية التربية‬  ‫تعريف الطول والكتلة والزمن‬ ‫نحن نعبر عن قوانين الفيزياء باستخدام كميات فيزيائية محددة يتطلب منها أن نعرفها بدقة وبوضوح‪.‬‬ ‫وفي علم وجميع الكميات الفيزيائية األخرى في علم الميكانيكا‪ ،‬هناك ثالث كميات فيزيائية اساسية هي‬ ‫الطول ‪L‬والكتلة ‪M‬والزمن ‪.T‬و هناك كميات فيزيائية مشتقة يتم الحصول عليها من الكميات الفيزيائية‬ ‫األساسية الثالثة (‪.)L, M T‬‬ ‫فإذا أردنا أن نقوم بإعطاء نتائج قياسات شيء ما لشخص أخر يريد أن يعيد تلك القياسات‪ ،‬فانه من‬ ‫الضروري إن يكون هناك معايير ‪standard‬متفق عليها‪.‬فمثل لو زارنا زائر من كوكب آخر مثل وقال‬ ‫لنا انه قطع مسافة قدرها ‪ 8‬جلتش! فإننا لن نستطيع تقدير تلك المسافة إذا لم نكن نعرف ماذا تعن‬ ‫كلمة جلتش تلك‪.‬ومن ناحية أخرى إذا كان هناك شخص يعرف نظام القياسات الذي نستخدمه‬ ‫فإننا عندما نقول له إن طول هذا الجدار ‪ 2‬مت وهنا استخدمنا وحدة تعرف بالمت‪ ،‬حيث أن طول‬ ‫اختنا شخص آخر بان كتلته ‪ 75‬كيلوجرام وهنا‬ ‫الجدار يعادل ‪ 2‬من وحدة القياس المت‪.‬وبالمثل‪ ،‬إذا ر‬ ‫نلحظ إن وحدة الكتلة الن استخدمت ه الكيلوجرام‪ ،‬فان هذا يعن أن ذلك الشخص يعادل ‪75‬‬ ‫مرة كتلة ‪ 1‬كيلوجرام‪.‬ومهما كانت الوحدات المستخدمة فإنه يجب أن تكون هذه الوحدة معممة‬ ‫عىل الجميع ويستخدمها الكل لتكون قياساتهم بها تعادل قياساتنا مهما اختلف مكاننا‪.‬‬ ‫‪4‬‬ ‫المحاضرة األولى‪ -‬الفرقة األولي ‪ -‬كلية التربية‬ ‫في العام ‪ 1960‬عقد المؤتمر العالمي لتأسيس المعايير المستخدمة للطول والكتلة وكميات فيزيائية‬ ‫أخرى‪.‬وهذه المعايير التي وضعت في ذلك المؤتمر تعرف باسم النظام المتري ‪،metric system‬‬ ‫ويعرف بنظام ‪SI‬وهي اختصارللمصطلح الفرنسي ‪.System of International‬في هذا النظام‬ ‫وحدات الطول والكتلة والزمن هي "المتر" "الكيلوجرام" و"الثانية"‪.‬باإلضافة إلى وحدات أخرى هي‬ ‫"الكلفن" وحدة درجة الحرارة و"األمبير" وحدة التيار الكهربي "الشمعة" وحدة شدة اإلضاءة‬ ‫و"المول" وحدة قياس كمية المادة‪.‬وفي دراستنا لعلم الميكانيكا سوف نركز علىالوحدات الكميات‬ ‫األساسية والتي هي الطول والكتلة والزمن‪.‬‬ ‫في ‪ 16‬نوفمبر ‪ ،2018‬صوتت اللجنة الدولية لألوزان والمقاييس باإلجماع على إجراء تعديالت بسيطة‬ ‫على الوحدات األساسية‪ ، SI‬خالل المؤتمر العام السادس والعشرين بشأن األوزان والمقاييس وستدخل‬ ‫التعديالت حيز التنفيذ في ‪ 20‬مايو ‪. 2019‬‬ ‫‪5‬‬ ‫المحاضرة األولى‪ -‬الفرقة األولي ‪ -‬كلية التربية‬ ‫وباإلضافة إلى الوحدات المعروفة للطول والكتلة والزمن فقد نجد وحدات أخرى‬ ‫مثل المليمتر والنانوثانية‪ ،‬وهي مسميات إضافية متعارف عليها تعبر عن أجزاء‬ ‫من الوحدة األصلية وهى‬ ‫‪10-1‬‬ ‫‪deci-‬‬ ‫‪deca-‬‬ ‫‪101‬‬ ‫‪10-2‬‬ ‫‪centi-‬‬ ‫‪hecto-‬‬ ‫‪102‬‬ ‫‪10-3‬‬ ‫‪milli-‬‬ ‫‪kilo-‬‬ ‫‪103‬‬ ‫‪10-6‬‬ ‫‪micro-‬‬ ‫‪mega-‬‬ ‫‪106‬‬ ‫‪10-9‬‬ ‫‪nano-‬‬ ‫‪giga-‬‬ ‫‪109‬‬ ‫‪10-12‬‬ ‫‪pico-‬‬ ‫‪tera-‬‬ ‫‪1012‬‬ ‫‪6‬‬ ‫المحاضرة األولى‪ -‬الفرقة األولي ‪ -‬كلية التربية‬  ‫المادة وبناء النماذج‬ ‫تتركب المادة من ذرات وفي مركز كل ذرة يوجد نواة مكونة من بروتونات ونيوترونات‪.‬البروتونات‬ ‫والنيوترونات مكونة من الكواركات‪.‬‬ ‫‪7‬‬ ‫المحاضرة األولى‪ -‬الفرقة األولي ‪ -‬كلية التربية‬  ‫الكثافة وكتلة الذرة‬ ‫عدد البروتونات والنيترونات في نواة ذرة عنصر ما مرتبط بالعدد الكتلي ‪atomic mass‬لهذا العنصر‪ ،‬والتي‬ ‫تقدربوحدة الكتلة الذرية )‪atomic mass units (u‬‬ ‫‪8‬‬ ‫المحاضرة األولى‪ -‬الفرقة األولي ‪ -‬كلية التربية‬  ‫سؤال للتفكت ‪1.1‬‬ ‫قام مصنع بإنتاج علبتين واحدة من األلومنيوم واألخرى من الحديد‪.‬كال من العلبتين لهما نفس الكتلة‪.‬أي‬ ‫من العلبتين اكبر؟ (أ) علبة األلومنيوم (ب) علبة الحديد (جـ) العلبتين لهما نفس الحجم‪.‬‬ ‫‪9‬‬ ‫المحاضرة األولى‪ -‬الفرقة األولي ‪ -‬كلية التربية‬  ‫‪10‬‬ ‫المحاضرة األولى‪ -‬الفرقة األولي ‪ -‬كلية التربية‬  ‫‪11‬‬ ‫المحاضرة األولى‪ -‬الفرقة األولي ‪ -‬كلية التربية‬  ‫تحليل األبعاد ‪Dimensional Analysis‬‬ ‫كلمة األبعاد في الفيزياء لها معني مختلف‪.‬فهي تشير إلى طبيعة الكمية الفيزيائية‪.‬عندما نقيس المسافة‬ ‫نستخدم وحدة المتر أو أي وحدة طول اخرى‪ ،‬ولهذا فإننا نقول إن لهذه الكمية الفيزيائية بعد طول‪.‬‬ ‫للتعبير عن أي كمية فيزيقية يلزمنا اختيار وحدة للقياس ثم الحصول على مضاعفات أو‬ ‫أجزاء من هذه الوحدة‪ ،‬والوحدة المثالية ال بد وأن يتوافر فيها الدقة والثبات وإمكانية الحصول‬ ‫عليها‪ ،‬وتنقسم الكميات الفيزيقية إلى قسمين‪:‬‬ ‫كميات أساسية‪:‬‬ ‫أ‪-‬‬ ‫وهى التي ال يعبر عنها بداللة كميات فيزيقية أخرى وال تعرف إال بذاتها مثل الطول والكتلة‬ ‫والزمن ودرجة الحرارة‪.‬‬ ‫كميات مشتقة‪:‬‬ ‫أ‪-‬‬ ‫وهى التي يمكن تعريفها بداللة كميات فيزيقية أساسية أخرى هذه الكميات المشتقة مثل‬ ‫الحجم والكثافة والسرعة والعجلة والقوة والطاقة والقدرة ‪...‬‬ ‫‪12‬‬ ‫المحاضرة األولى‪ -‬الفرقة األولي ‪ -‬كلية التربية‬  ‫(‪ )1-1‬التحليل البعدى ‪Dimensional Analysis‬‬ ‫إذا رمزنا ألبعاد الكميات األساسية مثل الكتلة (‪ )M‬والطول (‪ )L‬وللزمن (‪ )T‬ودرجة الحرارة (‪ )K‬يمكن‬ ‫الم‬ ‫استخدام التحليل البعدي فيما يأتى‪:‬‬ ‫أوال‪ :‬استنتاج أبعاد الكميات المشتقة بواسطة الكميات األساسية‪:‬‬ ‫أبعاد الكميات الم تقة ا تية‬ ‫‪ :)1‬استنت‬ ‫المسافة ‪L‬‬ ‫‪LT 1 ‬‬ ‫‪‬‬ ‫=‬ ‫)‬ ‫‪T‬‬ ‫الزمن‬ ‫‪2‬‬ ‫‪LT -1‬‬ ‫السرعة‬ ‫=‬ ‫‪LT‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫=‬ ‫)‬ ‫‪T‬‬ ‫الزمن‬ ‫= ‪MLT-2 = (LT-2)M‬‬ ‫‪X‬‬ ‫)‬ ‫‪M L2 T-2 = (L) (MLT-‬‬ ‫‪X‬‬ ‫=‬ ‫)‬ ‫‪2‬‬ ‫)‬ ‫‪1‬‬ ‫‪MLT -2‬‬ ‫القوة‬ ‫‪ ML T‬مثال (‬ ‫‪-2‬‬ ‫‪‬‬ ‫‪‬‬ ‫=‬ ‫)‬ ‫‪L‬‬‫‪2‬‬ ‫المساحة‬ ‫‪13‬‬ ‫المحاضرة األولى‪ -‬الفرقة األولي ‪ -‬كلية التربية‬ ‫‪‬‬ ‫ثانيا‪ :‬التأكد من صحة القوانين الفيزيقية‪:‬‬ ‫نون يكون ه نفس الب‬ ‫ى ن كل حد ى‬ ‫و نين فيزيقي البد ن كون تج نس ألب‬ ‫آل ي ‪:‬‬ ‫وحد ت كم هو طرف أليسر و حه أل ث‬ ‫ى ن طر ه أليمن ه نفس الب‬ ‫‪ )S‬والزمن( ‪ )t‬والسرعة االبتدا ية( ‪)v‬‬ ‫مثال ( ‪ )2‬نعلم أن القانون الذى ير المسافة (‬ ‫والعجلة (‪ )a‬لجسم يسير بعجلة منت مة هو‪:‬‬ ‫‪1 2‬‬ ‫اختبر صحة القانون من وجهة ن ر األبعاد‪.‬‬ ‫‪S  Vo t ‬‬ ‫‪at‬‬ ‫‪2‬‬ ‫حل‪:‬‬ ‫‪[S] = L‬‬ ‫ال طرف أليسر‪:‬‬ ‫‪ Vot = LT-1. T= L‬حد أل‬ ‫ني ‪ :‬طرف أليمن‪:‬‬ ‫‪ ½ a t2 = LT-2. T2 = L‬حد ث ن‬ ‫ه ن ر ألب ‪.‬‬ ‫ن‬ ‫حيح‬ ‫تج نس‬ ‫ن م‬ ‫ن د‬ ‫ت‬ ‫‪‬‬ ‫‪14‬‬ ‫المحاضرة األولى‪ -‬الفرقة األولي ‪ -‬كلية التربية‬  ‫‪15‬‬ ‫المحاضرة األولى‪ -‬الفرقة األولي ‪ -‬كلية التربية‬ ‫سؤال ‪ 1.2‬صح أم خطأ‪ :‬تحليل األبعاد يمكن أن يزودنا بقيمة عددية‬ ‫لثابت التناسب الذي يظهر في العالقات الجبرية‪.‬‬ ‫‪16‬‬ ‫المحاضرة األولى‪ -‬الفرقة األولي ‪ -‬كلية التربية‬  ‫‪17‬‬ ‫المحاضرة األولى‪ -‬الفرقة األولي ‪ -‬كلية التربية‬  ‫‪18‬‬ ‫المحاضرة األولى‪ -‬الفرقة األولي ‪ -‬كلية التربية‬  ‫الفصل االول‪ :‬الفيزياء والقياس‬ ‫تحويل الوحدات‬ ‫‪1 mile = 1609 m = 1.609 km‬‬ ‫‪1 m = 39.37 in = 3.218 ft‬‬ ‫‪1ft = 0.3048 m = 30.48 cm‬‬ ‫‪1 in =0.0254 m = 2.54 cm‬‬ ‫‪19‬‬ ‫المحاضرة الثانية ‪-‬الفرقة األولي ‪ -‬كلية التربية‬  ‫‪20‬‬ ‫المحاضرة الثانية ‪-‬الفرقة األولي ‪ -‬كلية التربية‬  ‫‪21‬‬ ‫المحاضرة الثانية ‪-‬الفرقة األولي ‪ -‬كلية التربية‬