Browsing as a guest — you can read this lesson freely, but you'll need to sign in to save notes or track progress.

Sign In
1.1.6

١-٦ القدرة والكفاءة

الفيزياء · الفصل الأول — الميكانيكا (القوى والحركة)

الدرس ١-٦ص ٣٣ – ٣٩

القدرة والكفاءة

سؤال الدرس

يرفع مصعدان نفس الحمولة إلى الارتفاع الرأسي نفسه، لكن أحدهما ينهي الرفع في نصف الزمن. هل يبذل المصعدان الشغل المفيد نفسه؟ وأيهما له القدرة الأكبر؟

ستتعلم أن

بنهاية هذا الدرس، ستكون قادرًا على أن:

  1. ١
    تحسب قدرة آلة بدلالة الشغل المبذول والزمن المستغرق، أو من القوة والسرعة الثابتة.
  2. ٢
    تحدِّد كفاءة جهاز بدلالة طاقة الخرج المفيدة وإجمالي طاقة الدخل، معبِّرًا عنها كنسبة مئوية.
  3. ٣
    تفسِّر انتقال الطاقة في مخطط سانكي وتحدِّد أين تتبدد الطاقة المهدرة (المفقودة).

الظاهرة — توقَّع قبل أن تستمر

يرتفع مصعدان جنبًا إلى جنب في مبنى واحد. يحمل كل منهما الحمل نفسه إلى الطابق نفسه — أي الارتفاع نفسه. يستغرق المصعد (أ) زمن 20 s؛ ويقوم المصعد (ب) بذلك في 10 s، أي في نصف الزمن. يقول بعض الناس أحيانًا إن المصعد الأسرع «يبذل شغلًا أكبر». وقبل أن تكمل، اكتب توقُّعك.

( أ ) هل يبذل المصعد الأسرع شغلًا مفيدًا أكبر على الحمل، أم بذل المصعدان الشغل المفيد نفسه؟
(ب) يدَّعي بائع أن: «المحرك الأكثر قدرة يستهلك طاقة كهربائية أقل». هل يمكن أن يكون هذا صحيحًا؟

سجِّل توقُّعك أولًا. لا يظهر الشرح قبل ذلك — وهذه هي طريقة الكتاب نفسه: «ابدأ بالظاهرة، دع الأدلة تبني التفسير».

استكشف

ما ستفعله
تستخدم ميزانًا وساعة توقيت لقياس القدرة الناتجة أثناء صعود الدرج.
الزمن
١٢ دقيقة
الأدوات
ميزان رقمي · ساعة توقيت أو مؤقت هاتف · شريط قياس

الخطوات

  1. ١
    قِس كتلتك (m) على الميزان وسجِّلها بالكيلوجرام.
  2. ٢
    قِس الارتفاع الرأسي h لدرجة سلم واحدة، بالمتر — قِس الارتفاع الرأسي، لا طول الدرج.
  3. ٣
    احسب الشغل المبذول في رفع نفسك: W = mgh، بافتراض g = 9.8 m s⁻².
  4. ٤
    اصعد الدرج ببطء بينما يقيس زميلك الزمن. سجِّل النتيجة.
  5. ٥
    كرِّر الصعود بأسرع ما يمكن بأمان، وسجِّل الزمن الأقصر.
الصعودالزمنالشغل المبذول mghالشغل ÷ الزمن
ببطء
بسرعة

حلّل ما جمعته

( أ ) هل تغيَّر الشغل الذي بذلته بين الصعودين، أم بقي ثابتًا؟ فسِّر إجابتك.

(ب) في أي صعود كانت قيمة (W ⁄ t) أكبر؟ وماذا تمثِّل هذه الكمية؟

✍️ اكتب تفسيرك في سطرين قبل أن تقرأ الصفحة التالية.

جرِّب: الشغل والقدرة

حرِّك الزمن وحده. انظر أي الرقمين يتغيَّر وأيهما لا يتغيَّر.

الشغل المفيد W = mgh

٢٩٫٤٠ kJ

لا يعتمد على الزمن إطلاقًا

القدرة P = W ⁄ t

٢٫٤٥ kW

نصِّف الزمن يضاعفها — والشغل كما هو

الطريق الثاني P = F v

٢٫٤٥ kW  ·  v = ٠٫٥٠ m/s

الطريقتان تعطيان القيمة نفسها دائمًا — وهو تحقُّق من صحة الحساب

جرِّب: مخطط سانكي

عرض كل سهم يتناسب مع مقدار الطاقة التي يحملها.

١٠٠ J٦٠ J٤٠ J

الأزرق: الدخل  ·  الأخضر: خرج مفيد  ·  الأحمر: طاقة مهدرة

الكفاءة η

٦٠٫٠ %

الطاقة المهدرة

٤٠٫٠ J

بشكل أساسي طاقة حرارية

توازن الطاقة

٦٠ + ٤٠ = ١٠٠ J

لا يوجد جهاز كفاءته ١٠٠٪

اضبط 500 kg و6.0 m و 12 s: يقرأ الجهاز 29.4 kJ و2.45 kW — إجابتا المثال المحلول (ص ٣٦). ثم انصِّف الزمن إلى 6 s: الشغل كما هو، والقدرة تتضاعف.

من الملاحظة إلى النموذج

في نشاط الاستكشاف، بذلت مقدار الشغل نفسه في كلا الصعودين — إذ كانت كتلتك والارتفاع الرأسي ثابتين، فظلَّت (W = mgh) دون تغيير. ومع ذلك، فإن عملية الصعود الأسرع أنجزت هذا العمل في وقت أقل، وبالتالي أسفرت عن قيمة أكبر لـ (W ⁄ t). وتسمى هذه الكمية «القدرة المتوسطة».

القدرة — مدى سرعة أداء الشغل

يمكن لآلتين أن تؤديا مقدار الشغل نفسه أو تنقلا مقدار الطاقة نفسه، لكن في زمنين مختلفين. وتقيس القدرة هذا الفرق: فهي معدل أداء الشغل أو نقل الطاقة. والقدرة المتوسطة خلال فترة زمنية هي P = ΔW ⁄ Δt، حيث ΔW هو الشغل المبذول خلال تلك الفترة.

ووحدة القدرة هي الوات: 1 W = 1 J s⁻¹. ويُعبَّر عن القيم الأكبر للقدرة عادةً بالكيلووات والميجاوات: 1 MW = 10⁶ W و1 kW = 10³ W. ويمكن أيضًا ربط القدرة بالقوة F والسرعة. فإذا أثَّرت قوة في اتجاه الحركة: P = F v.

الكفاءة — ما نسبة طاقة الدخل المنقولة بصورة مفيدة؟

لا ينقل أي جهازٍ كل الطاقة الداخلة إلى طاقة خرج مفيدة؛ إذ تفقد دائمًا بعض الطاقة، عادةً في صورة طاقة حرارية. وتقيس الكفاءة جزء الطاقة الداخلة الذي تحوَّل إلى طاقة الخرج المفيدة: η = طاقة الخرج المفيدة ÷ إجمالي طاقة الدخل.

الكفاءة كمية بلا أبعاد، يُعبَّر عنها بصورة عشرية (بين 0 و1) أو كنسبة مئوية. ولا يوجد جهاز حقيقي كفاءته 100% لأن بعض طاقة الدخل تُفقَد دائمًا إلى المحيط.

ويمثِّل مخطط سانكي انتقالات الطاقة بصريًّا: ينقسم سهم دخل واحد إلى مسارٍ لخرج مفيد وطاقة مهدرة، بحيث يتناسب عرض كل سهم مع الطاقة التي يمثِّلها. وتُفسَّر مخططات سانكي بمقارنة العروض النسبية للأسهم بدلًا من حفظ القيم.

نقطة

  • يُحسب الشغل (W) الذي تبذله قوة ثابتة (F) لتحريك جسم مسافة إزاحة (s) وبزاوية (θ) بالنسبة لاتجاه القوة، بالمعادلة W = Fs cos θ. ويمكن لآلتين إنجاز نفس القدر من الشغل ولكن في فترات زمنية مختلفة؛ ويُطلق على معدل إنجاز الشغل اسم «القدرة المتوسطة» (P)، وتُحسب — عند إنجاز شغل مقداره ΔW خلال زمن Δt — بالمعادلة P = ΔW ⁄ Δt، وتُقاس بوحدة الوات (W).
  • عندما تؤثر قوة (F) على جسم يتحرك بسرعة (v)، يمكن التعبير عن القدرة دون الحاجة لقياس الزمن بالمعادلة P = Fv cos θ.
  • تُعرف النسبة المئوية للطاقة الداخلة التي تخرج من الجهاز كطاقة مفيدة (مخرجات مفيدة) باسم «الكفاءة». وهي كمية بلا أبعاد، يُعبَّر عنها بقيمة عشرية تتراوح بين 0 و1 أو كنسبة مئوية.

صندوق المعادلات

الشغل

W = F d cos θ

القدرة، من الشغل والزمن

P = ΔW ⁄ Δt

القدرة، من القوة والسرعة

P = F v cos θ

الكفاءة

η = طاقة الخرج المفيدة ÷ إجمالي طاقة الدخل

تطبيق سريع

⚡
يحمل مصعد مكتبي حمولته إلى أعلى بسرعة ثابتة 2.5 m s⁻¹، ويؤثر المحرك إلى أعلى بقوة 7840 N. أوجد القدرة.

مثال محلول

الموقف

ترفع رافعة في موقع بناء منصة نقالة كتلتها 5.0×10² kg رأسيًّا إلى أعلى بارتفاع 6.0 m بسرعة ثابتة خلال 12 s. أهمل مقاومة الهواء. أوجد: ( أ ) الشغل الذي بذلته الرافعة بالجول. (ب) القدرة المتوسطة التي تنتجها الرافعة. (جـ) تحقَّق باستخدام P = Fv.

المعطيات والمطلوب

المعطيات: m = 500 kg، h = 6.0 m، t = 12 s، g = 9.8 m s⁻².
المطلوب: ( أ ) الشغل W، (ب) القدرة P، (جـ) التحقق باستخدام P = Fv.

التمثيل

مصعد (أسانسير) رأسي بسرعة ثابتة، فتكون F = mg ثابتة.

الاستراتيجية

1) Use W = mgh
2) Use P = W ⁄ t
3) Find speed v = h ⁄ t and check using P = mgv

الحل الموضح

( أ ) W = 500 × 9.8 × 6.0 = 2.94×10⁴ J
(ب) P = (2.94×10⁴) ⁄ 12 = 2.45×10³ W = 2.45 kW
(جـ) v = 6.0 ⁄ 12 = 0.5 m s⁻¹
P = mgv = 500 × 9.8 × 0.5 = 2450 W = 2.45 kW

منطقية الحل

تُعطي الطريقتان القيمة نفسها للقدرة، مما يؤكد صحة الحساب.

🙂 فسِّرها بنفسك

إذا رفعت الرافعة الحمل نفسه لكن في نصف الزمن، كيف يؤثر ذلك في القدرة؟ ولماذا؟

جرِّب بنفسك

🛗
ترتفع مقصورة مصعد كتلتها 400 kg رأسيًّا بارتفاع 9.0 m بسرعة ثابتة خلال 15 s. خذ g = 9.8 m s⁻². احسب القدرة الناتجة عن محركها بالكيلووات، ثم تحقَّق من إجابتك باستخدام P = Fv.
أ
تسحب مضخة كهربائية في مزرعة بدلتا النيل قدرة كهربائية مقدارها 2000 W، وتُنتج قدرة خرج مفيدة مقدارها 1500 W لرفع مياه الري. أوجد كفاءة المضخة.
ب
تستقبل سخانة مياه كهربائية صغيرة 2400 W، وتُنتج قدرة حرارية مفيدة مقدارها 2040 W للماء. أوجد كفاءتها.
ج
يُزوَّد مصباح بطاقة كهربائية مقدارها 100 J. ويُصدر 25 J من الضوء، ويتبدد الباقي كحرارة. أوجد الطاقة المهدرة (المفقودة) كحرارة وكفاءة المصباح.
د
ارسم مخططًا سانكي بسيطًا للمصباح في (ج): ارسم سهم دخل واحدًا يمثِّل 100 J، ينقسم إلى خرج ضوئي مفيد وخرج حراري مفقود. اجعل عروض الأسهم متناسبة مع الطاقات التي تمثِّلها.

اختيار مصباح كفء

يمكن أن يؤدي استبدال مصباح فتيلي تقليدي بمصباح LED إلى تقليل الطاقة الكهربائية اللازمة لإضاءة غرفة. فمقابل كل 100 J من الطاقة الكهربائية المزوَّدة، قد ينقل المصباح الفتيلي نحو 10 J فقط كضوء مفيد. ويتبدد الباقي البالغ 90 J في المحيط، غالبًا كطاقة حرارية.

أما مصباح LED فقد ينقل نحو 40 J من دخل الـ100 J نفسه كضوء مفيد، بينما يتبدد نحو 60 J إلى المحيط. لذا يكون مصباح LED أكفأ لأن نسبة أكبر من دخله تُنقَل كضوء مفيد: η = 10% مقابل η = 40%.

✍️ دورك الآن

فسِّر، من مخططَي سانكي، لماذا يكلِّف تشغيل مصباح LED أقل من مصباح فتيل التنجستن بينما يُنتجان مقدار الضوء المفيد نفسه.
فكِّر أولًا، ثم افتح

لإنتاج 40 J من الضوء يحتاج مصباح LED إلى 100 J من الكهرباء، بينما يحتاج الفتيلي إلى 400 J لأنه لا ينقل إلا عُشر دخله. فالضوء نفسه بربع الفاتورة — والفرق كله ذهب حرارةً في المصباح الفتيلي.

طبيعة العلم — جيمس وات ووحدة الحصان

عندما سوَّق جيمس وات محركاته البخارية المحسَّنة في أواخر القرن الثامن عشر، احتاج الزبائن إلى طريقة مألوفة لمقارنة قدرتها بقدرة الخيول العاملة. استخدم وات تقديرًا لقدرة حصان عامل كأساس للمقارنة، وعرَّف الحصان الواحد بأنه معدل أداء شغل مقداره 33000 قدم – رطل في الدقيقة. وسمح ذلك بالتعبير عن قدرة المحرك بمصطلحات يمكن للزبائن فهمها ومقارنتها. ويُظهر هذا المثال كيف يمكن استخدام المقياسات وتعريف متفق عليه لإرساء وحدة عملية للتعبير عن كمية فيزيائية.

✍️ دورك الآن

اقترح ميزة واحدة للتعبير عن قدرة المحرك بوحدة الحصان بدلًا من استحداث وحدة جديدة تمامًا.

سؤال الدرس، وإجابته

يبذل المصعدان الشغل المفيد نفسه، لأن الحمل نفسه يُرفَع إلى نفس الارتفاع الرأسي (W = mgh). أما المصعد الذي ينهي الحركة في زمن أقل فله القدرة الأكبر (P = W ⁄ t).

وإذا اختلفت طاقتا دخلهما، فإن المصعد الأكفأ هو الذي يحوِّل جزءًا كبيرًا من الطاقة الداخلة إلى طاقة مفيدة ويبدد طاقة أقل إلى المحيط. لذا سيُظهر مخطط سانكي سهم خرج مفيد أعرض وسهم طاقة مهدرة أضيق للمصعد الأكفأ.

وعُد الآن إلى توقُّعك: الجواب عن (أ) هو «الشغل المفيد نفسه» — والزمن لا يظهر في W = mgh إطلاقًا. أما (ب) فجوابه نعم، يمكن: القدرة معدلٌ لا كمية، فمحرك أكثر قدرة ينهي المهمة أسرع وقد يستهلك طاقة كلية أقل إن كان أكفأ — والقدرة والكفاءة كميتان مختلفتان لا ينبغي الخلط بينهما.

تمرين

١
يرفع مصعد بضائع حملًا كتلته 1.5×10³ kg رأسيًّا بارتفاع 18 m بسرعة ثابتة، مستغرقًا 30 s. ( أ ) احسب الشغل الذي بذله المصعد على الحمل. (ب) أوجد القدرة الناتجة عن المصعد بالكيلووات. (جـ) بيِّن أن السرعة الثابتة للحمل تساوي 0.60 m s⁻¹. ( د ) باستخدام P = Fv، تحقَّق من إجابتك في (ب)، وفسِّر بإيجاز لماذا يجب أن تُعطي الطريقتان النتيجة نفسها.
٢
يرفع كل من المصعدين A وB حملًا كتلته 600 kg إلى الارتفاع الرأسي نفسه 9.0 m بسرعة ثابتة. ينهي المصعد A الرفع في 24 s، وينهي المصعد B الرفع نفسه في 12 s. ( أ ) فسِّر لماذا يبذل المصعدان الشغل المفيد نفسه على الحمل، واذكر قيمته. (ب) احسب القدرة الناتجة عن المصعد A وعن المصعد B بالكيلووات. (جـ) اذكر النسبة P_A : P_B وبيِّن كيف ترتبط بنسبة الأزمنة المستغرقة.
٣
يُزوَّد ونش كهربائي بطاقة كهربائية مقدارها 5.0×10⁴ J. ويبذل 3.5×10⁴ J من الشغل المفيد في رفع حمل؛ وتتبدد بقية الطاقة. ( أ ) احسب الطاقة المتبددة (المفقودة) بواسطة الونش. (ب) أوجد كفاءة الونش، معبِّرًا عنها كنسبة مئوية. (جـ) ارسم مخطط سانكي لانتقال الطاقة هذا. ( د ) اذكر الصورة الرئيسية للطاقة التي تتحول إليها الطاقة المتبددة.
٤
ترفع رافعة كهربائية حملًا كتلته 250 kg بارتفاع رأسي 6.0 m بسرعة ثابتة خلال 8.0 s. وأثناء ذلك، تُزوَّد الرافعة بطاقة كهربائية بمعدل ثابت مقداره 2.5 kW. ( أ ) احسب القدرة المفيدة الناتجة عن الرافعة بالكيلووات. (ب) أوجد كفاءة الرافعة، معبِّرًا عنها كنسبة مئوية.
📝
سؤال بأسلوب الامتحان (ص ٣٩): ترفع رافعة صغيرة حملًا كتلته 600 kg رأسيًّا بارتفاع 8.0 m بسرعة ثابتة خلال 16 s. خذ g = 9.8 m s⁻². احسب الشغل الذي بذلته الرافعة على الحمل، والقدرة الميكانيكية الناتجة عن الرافعة بالكيلووات.

📝 تدريبات الدرس — على هيئة الامتحان

٥٠٪

أسئلة الاختيار من متعدد

تقيسُ المعرفةَ والدقةَ: كلمةٌ واحدةٌ تُغيِّرُ الإجابة.

٥٠٪

الأسئلة المقالية

تقيسُ الفهمَ: لا تُقبلُ إجابةٌ بلا دليلٍ وتعليلٍ.

١تذكُّرمن إعدادنا

ما وحدة القدرة في النظام الدولي، وبم تعادل؟

٢فهمٌ واستيعابٌمن إعدادنا

مصعدان يرفعان الحمل نفسه إلى الطابق نفسه، أحدهما في نصف زمن الآخر. ما المقارنة الصحيحة؟

٣تطبيقٌمن إعدادنا

رافعة ترفع 200 kg بارتفاع 5.0 m في 10 s. ما القدرة؟ (g = 9.8)

٤تطبيقٌمن إعدادنا

جهاز يستقبل 800 J وينتج 200 J خرجًا مفيدًا. ما كفاءته والطاقة المهدرة؟

٥تحليلٌ واستنتاجٌمن إعدادنا

لماذا لا يمكن أن تبلغ كفاءة جهاز حقيقي 100%؟

٦تقويمٌ وإبداءُ رأيٍمن إعدادنا

قال بائع: «المحرك الأكثر قدرة يستهلك طاقة كهربائية أقل». ما التقييم الصحيح؟

٧فهمٌ واستيعابٌمن إعدادنا٣ درجات درجات

اشرح لماذا يبذل مصعدان الشغل المفيد نفسه رغم اختلاف زمنيهما، وما الذي يختلف بينهما.

  • خطَّةُ الإجابة:
  • • اكتب تعبير الشغل المفيد ولاحظ غياب الزمن عنه.
  • • اكتب تعريف القدرة وبيِّن أنها معدل.
  • • اذكر أن الفرق في المعدل لا في الكمية.
٠ كلمةاكتب أولًا، ثم قارن.
٨تطبيقٌمن إعدادنا٤ درجات درجات

مصعد كتلته 800 kg يرتفع 12 m بسرعة ثابتة خلال 20 s. أوجد الشغل والقدرة، ثم تحقق من القدرة بطريقة ثانية، وبيِّن لماذا تتفق الطريقتان.

  • خطَّةُ الإجابة:
  • • احسب الشغل من mgh.
  • • احسب القدرة من W ÷ t.
  • • تحقق بـ P = Fv واشرح التكافؤ جبريًّا.
٠ كلمةاكتب أولًا، ثم قارن.
٩تطبيقٌمن إعدادنا٤ درجات درجات

محرك يستهلك 4000 J وينتج 2600 J من الشغل المفيد. أوجد الكفاءة والطاقة المهدرة، ثم صف مخطط سانكي لهذا الانتقال.

  • خطَّةُ الإجابة:
  • • احسب الكفاءة كنسبة مئوية.
  • • احسب المهدر بالطرح.
  • • صف عرضَي السهمين بالنسبة إلى الدخل.
٠ كلمةاكتب أولًا، ثم قارن.
١٠تحليلٌ واستنتاجٌمن إعدادنا٤ درجات درجات

مصباح فتيلي كفاءته 10% ومصباح LED كفاءته 40%. أوجد طاقة الدخل اللازمة لكل منهما لإنتاج 40 J من الضوء، وعلِّق على النتيجة.

  • خطَّةُ الإجابة:
  • • أعد ترتيب تعريف الكفاءة لإيجاد الدخل.
  • • احسب الحالتين.
  • • قارن وعلِّق على الفاتورة.
٠ كلمةاكتب أولًا، ثم قارن.
١١فهمٌ واستيعابٌمن إعدادنا٣ درجات درجات

فرِّق بين الطاقة والقدرة والكفاءة، مع ذكر وحدة كل منها.

  • خطَّةُ الإجابة:
  • • عرِّف كل كمية بجملة.
  • • اذكر الوحدة.
  • • اذكر مثالًا يوضح استقلالها عن بعضها.
٠ كلمةاكتب أولًا، ثم قارن.
١٢تقويمٌ وإبداءُ رأيٍمن إعدادنا٤ درجات درجات

طالب حسب كفاءة رافعة فوجدها 136%. قوِّم النتيجة وحدِّد الخطأ على الأرجح.

  • خطَّةُ الإجابة:
  • • احكم على الاستحالة الفيزيائية.
  • • حدِّد الخطأ الأشيع.
  • • اذكر الفحص السريع الذي يمنع تكراره.
٠ كلمةاكتب أولًا، ثم قارن.

لماذا تُقاس فاتورة الكهرباء بالكيلووات·ساعة؟

الكيلووات·ساعة ليس وحدة قدرة رغم اسمه — إنه قدرة × زمن، أي طاقة. جهاز قدرته 1 kW يعمل ساعة يستهلك 1 kWh = 3.6×10⁶ J. ولهذا لا تدفع ثمن القدرة بل ثمن الطاقة: مكيِّف قدرته عالية يعمل دقيقة واحدة أرخص من مصباح ضعيف يعمل شهرًا.

معلومة برة المنهجbeyond the official book
هذه الوحدة ليست في نص الكتاب، وأضفناها لأن الطالب يراها على فاتورة بيته كل شهر، ولأنها تُظهر الفرق بين القدرة والطاقة في موضع يخلط فيه الجميع.

📌 خلاصةُ الدرسِ في سطورٍ

  • الشغل W = F d cos θ — ولا يظهر الزمن فيه إطلاقًا.
  • القدرة معدل أداء الشغل: P = ΔW ⁄ Δt، ووحدتها الوات، و1 W = 1 J s⁻¹.
  • وعند سرعة ثابتة في اتجاه القوة: P = F v — وهي التعبير نفسه لا قانون آخر.
  • الكفاءة η = الخرج المفيد ÷ إجمالي الدخل: كمية بلا أبعاد، ولا تبلغ 100% في جهاز حقيقي.
  • مخطط سانكي يُقرأ بمقارنة عروض الأسهم، ومجموع الخرج المفيد والمهدر يساوي الدخل دائمًا.

Keep reading — this lesson marks itself done automatically.