حل نموذج اختبار الفصل الأول في الفيزياء للسنة الرابعة متوسط: التكهرب والتوتر المتناوب والأمن الكهربائي

يتبع اختبار الفصل الأول في فيزياء السنة الرابعة متوسط بنية ثابتة تقريبا: تمرينان عن الظواهر الكهربائية (غالبا التكهرب ثم التوتر)، ووضعية إدماجية عن الأمن الكهربائي في المنزل. ولا تختلف النماذج المقترحة كثيرا عن بعضها، فمن حل أحدها بتأن عرف طريقة الباقي. تعرض الصفحة حلا مفصلا لنموذج كامل، مع شرح الفكرة الفيزيائية خلف كل جواب، لأن المصحح يمنح علامات على التعليل لا على النتيجة وحدها.

انتبه: في هذا النموذج تعتمد الحسابات في التمرين الثاني على قيم تقرأ من منحنى راسم الاهتزاز (الحساسيتان وعدد التدريجات). وقد اعتمدنا القيم المذكورة في حل النموذج، فتأكد من قراءتها من وثيقتك في الامتحان بالطريقة نفسها.

التمرين الأول: التكهرب والكاشف الكهربائي

المعطيات: قضيب إيبونيت مشحون يقرب، دون لمس، من ساق معدنية ⁦AB⁩ موضوعة على حامل عازل، وطرفها ⁦B⁩ يلامس كرية (قرص) الكاشف الكهربائي.

السؤال 1: سمّ العنصر رقم 1 في الوثيقة وما دور الكاشف؟

• العنصر رقم 1: ورقتان من الألمنيوم (ورقتا الكاشف الكهربائي).
• دور الكاشف الكهربائي: الكشف عن الأجسام المكهربة (المشحونة)، فإذا اقترب منه جسم مشحون تنافرت ورقتاه.

السؤال 2: ما نوع الشحنة على قضيب الإيبونيت؟ ولماذا؟

الشحنة سالبة، لأن الإيبونيت إذا دلك يكتسب إلكترونات (الإلكترون شحنته سالبة)، فيصير فائض الإلكترونات عليه. ولو كان القضيب زجاجا لفقد إلكترونات فصار موجب الشحنة.

السؤال 3: ماذا يحدث للورقتين؟ فسر مع رسم

الملاحظة: تتنافر الورقتان فتبتعد إحداهما عن الأخرى.

التفسير (تكهرب بالتأثير، لا لمس):

1. عند تقريب القضيب السالب من الطرف ⁦A⁩ للساق المعدنية يحدث إعادة توزيع للشحنات في الساق: الشحنات الموجبة تنجذب إلى الجزء ⁦A⁩ (الأقرب)، أما الشحنات السالبة فتتنافر مع شحنة القضيب فتنتقل إلى الجزء ⁦B⁩.
2. بما أن الساق ملامسة للكرية فإن الشحنات السالبة تنتقل من ⁦B⁩ عبر الكرية والساق المعدنية للكاشف حتى الورقتين.
3. تصبح الورقتان حاملتين لنفس الشحنة السالبة فتتنافران.

الرسم: نرسم القضيب السالب أمام الطرف ⁦A⁩ للساق، ثم نضع علامة ⁦+⁩ على ⁦A⁩ وعلامة ⁦-⁩ على ⁦B⁩، ونرسم السهم الذي يدل على انتقال الشحنات السالبة إلى الورقتين وعليهما علامات ⁦-⁩، مع ورقتين متباعدتين.

السؤال 4: هل يحدث الشيء نفسه عند استبدال الحامل العازل بآخر ناقل متصل بالأرض؟

لا، لا تتباعد الورقتان.

التفسير: الحامل الناقل المتصل بالأرض يسمح للإلكترونات (الشحنات السالبة) بالانتقال إلى الأرض، فلا تصل إلى الكاشف ولا إلى ورقتيه. فتبقى الورقتان غير مشحونتين وملتصقتين. وهذا هو سبب الفرق بين الناقل والعازل: الأول يسمح بمرور الشحنات والثاني يمنعها.

التمرين الثاني: التوتر الكهربائي المتناوب

المعطيات: مولد كهربائي موصول بفولتمتر رقمي وراسم اهتزاز مهبطي، وتحصل التلاميذ على المنحنى (وثيقة). الحساسية الشاقولية ⁦3 V/div⁩ والأفقية ⁦5 ms/div⁩، والمنحنى يبلغ ارتفاعه 3 تدريجات فوق المحور، ودورة كاملة تمتد على 4 تدريجات. والفولتمتر يشير إلى ⁦6.38 V⁩.

السؤال 1: ما نوع التوتر ورمزه؟

التوتر متناوب (يتغير دوريا بين قيم موجبة وسالبة، وتتناوب فيه الإشارة). رمزه ⁦AC⁩.

السؤال 2: احسب التوتر الأعظمي والدور والتواتر

التوتر الأعظمي:

⁦Umax = عدد التدريجات × الحساسية الشاقولية = 3 × 3 = 9 V⁩.

الدور (المدة الزمنية لدورة كاملة):

⁦T = عدد التدريجات × الحساسية الأفقية = 4 × 5 = 20 ms = 0.02 s⁩.

انتبه إلى تحويل ⁦ms⁩ إلى ⁦s⁩ بالقسمة على ⁦1000⁩.

التواتر:

⁦f = 1 / T = 1 / 0.02 = 50 Hz⁩.

وهو تواتر الكهرباء المنزلية في الجزائر.

السؤال 3: هل القيمة المسجلة على الفولتمتر صحيحة؟

الفولتمتر في وضع ⁦AC⁩ يقيس التوتر الفعال ⁦Ueff⁩ وليس الأعظمي، والعلاقة:

⁦Ueff = Umax / √2 = 9 / 1.41 ≈ 6.38 V⁩.

القيمة المحسوبة تساوي القيمة المسجلة، إذن القيمة المسجلة صحيحة.

الوضعية الإدماجية: الأمن الكهربائي في منزل أحمد

المعطيات: يقطع التيار عن كامل المنزل عند تشغيل الثلاجة والمكيف معا. ويصاب أحمد بصدمة كهربائية عند تغيير مصباح. وتصاب أمه بصعقة عند لمس هيكل الثلاجة أثناء اشتغالها.

السؤال 1: سبب انقطاع التيار والحل

السبب: الحمولة الزائدة؛ فتشغيل جهازين قويين معا رفع شدة التيار في الدارة فوق الحد الأقصى المسموح به لدى القاطع الآلي (أو الصمام)، فقطع التيار حماية للتركيب من الاحتراق.

الحل: توزيع الأجهزة على دارات مستقلة كل منها بقاطعها الخاص، أو استعمال قاطع بشدة مناسبة لمجموع الاستطاعات، وعدم توصيل عدة أجهزة قوية بالمأخذ الواحد.

السؤال 2: سبب صدمة الأم والحل

السبب: الهيكل المعدني للثلاجة غير متصل بالأرض، فإذا حدث تماس بين السلك الحي والهيكل (خلل في العزل) صار الهيكل تحت توتر خطر، وعند اللمس يعبر التيار جسم الإنسان إلى الأرض.

الحل: التوصيل الأرضي، أي ربط الهيكل المعدني بسلك الأرض (القابس ذو الثلاثة أسلاك)، فإذا حدث تسرب مر التيار إلى الأرض عبر سلك الحماية بدل جسم الإنسان، ويقطع القاطع التفاضلي التيار.

السؤال 3: سبب صدمة أحمد عند تغيير المصباح

الغالب أن القاطع (المفتاح) وضع على السلك المتعادل بدل السلك الحي (الطور)؛ فعند فتح المفتاح يبقى المصباح موصولا بالسلك الحي ويصعق المنزوع.

الحل: وضع القاطع على السلك الحي دائما، وقطع التيار من القاطع العام قبل تغيير المصباح.

السؤال 4: أعد رسم المخطط مع التعديلات

يشمل الرسم المعدل:

1. قاطعا آليا مستقلا لكل دارة (دارة الإنارة، دارة المآخذ، دارة الأجهزة القوية).
2. سلك الأرض موصولا بهيكل الثلاجة والمكيف.
3. المفتاح على السلك الحي في دارة المصباح.
4. قاطعا تفاضليا عاما يحمي الأشخاص.

ملخص ما يحمي الأجهزة وما يحمي الأشخاص

أخطاء شائعة في هذا النموذج

• الخلط بين الإلكترونات والبروتونات في تفسير الشحنات.
• القول إن القضيب السالب «يعطي» الساق شحنات موجبة.
• نسيان تحويل ⁦ms⁩ إلى ⁦s⁩.
• اعتبار القيمة على الفولتمتر هي ⁦Umax⁩.
• ذكر حل واحد لمشكلة الأم دون التعليل.
• رسم تخطيطي دون علامات الشحنات.

نصائح

• اقرأ الموضوع كاملا وسطر المطلوب قبل الحل.
• اكتب القانون ثم عوض ثم احسب مع الوحدة.
• في الوضعية الإدماجية قدم السبب ثم الحل لكل سؤال.

الشرح المصوّر

لمن يفضل المتابعة بالصوت والصورة، تقدم الأستاذة ياسمين في فيديو «أي تلميذ في 4 متوسط يحل هذا الاختبار في الفيزياء فصل 1 فهو مستعد» هذا النموذج بتفصيل.