القوة والديناميكا الانتقالية

الهدف التعليمي 2.1.A: وصف خصائص وتفاعلات النظام.

• 2.1.A.1 تُحدد خصائص النظام من خلال التفاعلات بين الأجسام داخل النظام.
• 2.1.A.2 إذا لم تكن خصائص أو تفاعلات الأجسام المكونة للنظام مهمة في نمذجة سلوك النظام العياني، يمكن اعتبار النظام ككائن واحد.
• 2.1.A.3 قد تسمح الأنظمة بالتفاعلات بين أجزاء النظام المكونة والبيئة، مما قد يؤدي إلى انتقال الطاقة أو الكتلة.
• 2.1.A.4 قد تتصرف الأجسام الفردية داخل نظام مختار بشكل مختلف عن بعضها البعض وكذلك عن النظام بأكمله.
• 2.1.A.5 يؤثر البنية الداخلية للنظام على تحليل هذا النظام.
• 2.1.A.6 عندما تتغير المتغيرات الخارجية للنظام، قد تتغير البنية الفرعية للنظام.

الهدف التعليمي 2.1.B: وصف موقع مركز كتلة النظام بالنسبة لأجزائه المكونة.

• 2.1.B.1 بالنسبة للأنظمة ذات توزيع كتلة متماثل، يقع مركز الكتلة على خطوط التماثل.
• 2.1.B.2 يمكن حساب موقع مركز كتلة النظام على طول محور معين باستخدام المعادلة ⟦number⟧
  • المعادلة: $\vec{x}_{cm} = \dfrac{\sum m_i \vec{x}_i}{\sum m_i}$
• 2.1.B.3 يمكن نمذجة النظام ككائن مفرد يقع في مركز كتلة النظام.

عبارة الحدود: يتوقع من طلاب AP Physics 1 فقط حساب مركز الكتلة لأنظمة مكونة من خمسة جسيمات أو أقل مرتبة في تكوين ثنائي الأبعاد، أو لأنظمة ذات تماثل عالٍ.

الهدف التعليمي 2.2.A: وصف القوة كتفاعل بين جسمين أو نظامين.

• 2.2.A.1 القوى كميات متجهة تصف التفاعلات بين الأجسام أو النظم.
  • 2.2.A.1.i تكون القوة المؤثرة على جسم أو نظام دائمًا نتيجة لتفاعل ذلك الجسم مع جسم أو نظام آخر.
  • 2.2.A.1.ii لا يمكن لجسم أو نظام أن يمارس قوة صافية على نفسه.
• 2.2.A.2 تصف قوى التلامس تفاعل جسم أو نظام يلمس جسمًا أو نظامًا آخر، وهي تأثيرات عيانية لقوى كهربائية بين الذرات.

الهدف التعليمي 2.2.B: وصف القوى المؤثرة على جسم أو نظام باستخدام مخطط الجسم الحر.

• 2.2.B.1 تُعد مخططات الجسم الحر أدوات مفيدة لتصوير القوى المؤثرة على جسم أو نظام واحد ولتحديد المعادلات التي تمثل الحالة الفيزيائية.
• 2.2.B.2 يُظهر مخطط الجسم الحر لكل القوى المؤثرة على الجسم بواسطة البيئة المحيطة.
• 2.2.B.3 يتم تمثيل القوى المؤثرة على جسم أو نظام كمتجهات تنطلق من تمثيل مركز الكتلة، مثل نقطة. يُعامل النظام وكأن كتلته كلها تقع في مركز الكتلة.
• 2.2.B.4 تبسيط نظام إحداثي يحتوي على محور موازٍ لاتجاه تسارع الجسم أو النظام يسهّل التحويل من مخطط الجسم الحر إلى التمثيل الجبري. على سبيل المثال، في مخطط جسم حر لجسم على سطح مائل، يكون من المفيد جعل أحد المحاور موازيًا لسطح الانحدار.

عبارة الحدود: يتوقع من طلاب AP Physics 1 فقط تصوير القوى المؤثرة على الأجسام، وليس مركبات القوى على مخططات الجسم الحر. في امتحانات AP Physics، يجب رسم القوى الفردية الممثلة على مخطط الجسم الحر作为 أسهم مستقيمة فردية، تنطلق من النقطة وتشير في اتجاه القوة. يجب رسم القوى الفردية المتشابهة الاتجاه جنبًا إلى جنب، دون تداخل.

هدف التعلم 2.3.A: وصف تفاعل جسمين باستخدام قانون نيوتن الثالث وتمثيل القوى المتزاوجة المؤثرة على كل جسم.

• 2.3.A.1 يصف قانون نيوتن الثالث تفاعل جسمين من حيث القوى المتزاوجة التي يؤثر بها كل منهما على الآخر.
  • المعادلة: $\vec{F}_{\text{A on B}} = -\vec{F}_{\text{B on A}}$
• 2.3.A.2 لا تؤثر التفاعلات بين الأجسام داخل نظام ما (القوى الداخلية) في حركة مركز كتلة ذلك النظام.
• 2.3.A.3 الشد هو النتيجة الكلية المجهرية للقوى التي تبذلها أجزاء من حبل أو كابل أو سلسلة أو نظام مشابه بعضها البعض استجابة لقوة خارجية.
  • 2.3.A.3.i الحبل المثالي له كتلة مهملة ولا يتمدد عند تعرضه للشد.
  • 2.3.A.3.ii يكون الشد في الحبل المثالي متساوياً عند جميع نقاطه داخل الحبل.
  • 2.3.A.3.iii في الحبل ذي الكتلة غير المهملة، قد لا يكون الشد متساوياً عند جميع نقاطه داخل الحبل.
  • 2.3.A.3.iv البكرة المثالية هي بكرة ذات كتلة مهملة تدور حول محور يمر بمركز كتلتها مع احتكاك مهمل.

عبارة الحدود: يقتصر امتحان AP Physics 1 على أن يصف الطلاب الشد بشكل نوعي في حبل أو كابل أو سلسلة أو نظام مشابه له كتلة. على سبيل المثال، قد يلاحظ الطلاب أن الشد في سلسلة معلقة يكون أكبر نحو الجزء العلوي من السلسلة.

عبارة الحدود: تقتصر التفاعلات بين الأجسام أو الأنظمة عن بُعد في AP Physics 1 على القوى الجاذبة فقط. أما في AP Physics 2، فقد تُعتبر القوى الجاذبة والكهربائية والمغناطيسية.

هدف التعلم 2.4.A: وصف الظروف التي تظل فيها سرعة النظام ثابتة.

• 2.4.A.1 محصلة القوى المؤثرة على النظام هي المجموع الاتجاهي لكل القوى المؤثرة عليه.
• 2.4.A.2 الاتزان الانتقالي هو حالة من القوى تكون فيها محصلة القوى المؤثرة على النظام مساوية للصفر.
  • معادلة مستنتجة: $\sum_i \vec{F}_i = 0$
• 2.4.A.3 ينص قانون نيوتن الأول على أنه إذا كانت محصلة القوى المؤثرة على نظام ما تساوي الصفر، فإن سرعة ذلك النظام ستبقى ثابتة.
• 2.4.A.4 يمكن أن تكون القوى متوازنة في بُعد واحد وغير متوازنة في بُعد آخر. ستتغير سرعة النظام فقط في اتجاه القوة غير المتوازنة.
• 2.4.A.5 الإطار المرجعي القصوري هو إطار يتحقق منه المراقب قانون نيوتن الأول للحركة.

هدف التعلم 2.5.A: وصف الظروف التي تتغير فيها سرعة النظام.

• 2.5.A.1 القوى غير المتوازنة هي حالة من القوى تكون فيها محصلة القوى المؤثرة على النظام لا تساوي الصفر.
• 2.5.A.2 ينص قانون نيوتن الثاني للحركة على أن تسارع مركز كتلة النظام له مقدار متناسب طردياً مع مقدار محصلة القوى المؤثرة على النظام ويكون في نفس اتجاه تلك المحصلة.
  • المعادلة: $\vec{a}_{\text{sys}} = \dfrac{\sum \vec{F}}{m_{\text{sys}}} = \dfrac{\vec{F}_{\text{net}}}{m_{\text{sys}}}$
• 2.5.A.3 لن تتغير سرعة مركز كتلة نظام ما إلا إذا أثرت عليه محصلة قوى خارجية غير صفرية.

هدف التعلم 2.6.A: وصف التفاعل الجاذب بين جسمين أو نظامين لهما كتلة.

• 2.6.A.1 ينص قانون نيوتن للجذب العام على أن القوة الجاذبة بين جسمين أو نظامين تتناسب طردياً مع كتلة كل منهما وتتناسب عكسياً مع مربع المسافة بين مركزي كتلتهما.
  • المعادلة: $\left|\vec{F}_g\right| = G\dfrac{m_1 m_2}{r^2}$
  • 2.6.A.1.i القوة الجاذبة قوة تجاذبية.
  • 2.6.A.1.ii تُؤثر القوة الجاذبة دائماً على طول الخط الواصل بين مركزي كتلة النظامين المتفاعلين.
  • 2.6.A.1.iii يمكن اعتبار أن القوة الجاذبة المؤثرة على نظام ما تُؤثر على مركز كتلته.
• 2.6.A.2 المجال يمثل تأثير قوة غير تلامسية تُؤثر على جسم في مواقع مختلفة في الفضاء.
  • 2.6.A.2.i مقدار المجال الجاذب الذي يولده نظام كتلته $M$ عند نقطة في الفضاء يساوي نسبة القوة الجاذبة التي يبذله该系统 على جسم اختبار كتلته $m$ إلى كتلة الجسم الاختبار.
    • معادلة: $\left|\vec{g}\right| = \dfrac{\left|\vec{F}_g\right|}{m} = G\dfrac{M}{r^2}$
  • 2.6.A.2.ii إذا كانت القوة الجاذبة هي القوة الوحيدة المؤثرة على جسم، فإن التسارع المرصود للجسم (بوحدة m/s$^2$) يساوي عددياً مقدار شدة المجال الجاذب (بوحدة N/kg) في ذلك الموقع.
• 2.6.A.3 تسمى القوة الجاذبة التي يبذرها جرم فلكي على جسم صغير قريب منه بالوزن.
  • المعادلة: $\text{Weight} = F_g = mg$

هدف التعلم 2.6.B: وصف الحالات التي يمكن فيها اعتبار القوة الجاذبة ثابتة.

• 2.6.B.1 إذا كان التغير في القوة الجاذبة بين مركزي كتلة نظامين مهملاً مع تغير وضعيهما النسبي، فيمكن اعتبار القوة الجاذبة ثابتة عند جميع النقاط بين الوضعين الابتدائي والنهائي للنظامين.
• 2.6.B.2 بالقرب من سطح الأرض، تكون شدة المجال الجاذب $g \approx 10 \text{ N/kg}$

هدف التعلم 2.6.C: وصف الظروف التي يكون فيها مقدار الوزن الظاهري لنظام مختلفاً عن مقدار القوة الجاذبة المؤثرة عليه.

• 2.6.C.1 مقدار الوزن الظاهري لنظام هو مقدار القوة العمودية المؤثرة عليه.
• 2.6.C.2 إذا كان النظام يتسارع، فإن وزنه الظاهري لا يساوي مقدار القوة الجاذبة المؤثرة عليه.
• 2.6.C.3 يبدو النظام خفيف الوزن عندما لا توجد قوى مؤثرة عليه أو عندما تكون الجاذبية هي القوة الوحيدة المؤثرة عليه.
• 2.6.C.4 تنص مبدأ التكافؤ على أن المراقب في إطار مرجعي غير قصوري لا يستطيع التمييز بين الوزن الظاهري لجسم ما والقوة الجاذبة المؤثرة عليه من قبل مجال جاذبية.

الهدف التعليمي 2.6.D: وصف الكتلة القصورية والكتلة الجاذبة.

• 2.6.D.1 تمتلك الأجسام كتلة قصورية، أو قصوراً (إنرفيا)، وهي خاصية تحدد مدى مقاومة حركة الجسم للتغيرات عند تفاعله مع جسم آخر.
• 2.6.D.2 ترتبط الكتلة الجاذبة بقوة التجاذب بين نظامين لهما كتلة.
• 2.6.D.3 تم التحقق تجريبياً من تكافؤ الكتلة القصورية والكتلة الجاذبة.

الهدف التعليمي 2.7.A: وصف الاحتكاك الحركي بين سطحين.

• 2.7.A.1 يحدث الاحتكاك الحركي عندما يتحرك سطحان متلامسان بالنسبة لبعضهما البعض.
  • 2.7.A.1.i تُمارس قوة الاحتكاك الحركي في اتجاه معاكس لحركة كل سطح بالنسبة للسطح الآخر.
  • 2.7.A.1.ii لا تعتمد قوة الاحتكاك بين سطحين على مساحة سطح التلامس.
• 2.7.A.2 مقدار قوة الاحتكاك الحركي المؤثرة على جسم هو حاصل ضرب القوة العمودية التي يمارسها السطح على الجسم ومعامل الاحتكاك الحركي.
  • المعادلة: $\left|\vec{F}_{f,k}\right| = \left|\mu_k \vec{F}_n\right|$
  • 2.7.A.2.i يعتمد معامل الاحتكاك الحركي على الخصائص المادية للأسطح المتلامسة.
  • 2.7.A.2.ii القوة العمودية هي المكون العمودي للقوة المؤثرة على جسم بواسطة السطح الذي يتلامس معه؛ وتكون موجهة بعيداً عن السطح.

الهدف التعليمي 2.7.B: وصف الاحتكاك السكوني بين سطحين.

• 2.7.B.1 قد يحدث الاحتكاك السكوني بين أسطح التلامس لجسمين غير متحركين بالنسبة لبعضهما البعض.
• 2.7.B.2 يأخذ الاحتكاك السكوني القيمة والاتجاه اللازمين لمنع انزلاق جسم أو انزلاقه على سطح.
  • المعادلة: $\left|\vec{F}_{f,s}\right| \leq \left|\mu_s \vec{F}_n\right|$
  • 2.7.B.2.i يشير الانزلاق والانزلاق إلى مواقف تتحرك فيها سطحان بالنسبة لبعضهما البعض.
  • 2.7.B.2.ii يوجد حد أقصى لقيمة الاحتكاك السكوني التي تمنع جسماً من الانزلاق على سطح معين.
    • معادلة: $F_{f,s,\max} = \mu_s F_n$
• 2.7.B.3 عادة ما يكون معامل الاحتكاك السكوني أكبر من معامل الاحتكاك الحركي لنظام معين من الأسطح.

الهدف التعليمي 2.8.A: وصف القوة المؤثرة على جسم بواسطة زنبرك مثالي.

• 2.8.A.1 للزنبرك المثالي كتلة مهملة ويؤثر بقوة متناسبة مع التغير في طوله مقارنة بطوله المسترخى.
• 2.8.A.2 يُعطى مقدار القوة المؤثرة من قبل زنبرك مثالي على جسم بواسطة قانون هوك:
  • المعادلة: $\vec{F}_s = -k\Delta\vec{x}$
• 2.8.A.3 تكون القوة المؤثرة على جسم بواسطة زنبرك دائماً موجهة نحو وضع التوازن لنظام الجسم-الزنبرك.

الهدف التعليمي 2.9.A: وصف حركة جسم يسير في مسار دائري.

• 2.9.A.1 التسارع المركزي هو مركب تسارع الجسم الموجه نحو مركز المسار الدائري للجسم.
  • 2.9.A.1.i مقدار التسارع المركزي لجسم يتحرك في مسار دائري هو مربع السرعة المماسية للجسم مقسوماً على نصف قطر المسار الدائري.
    • معادلة: $a_c = \dfrac{v^2}{r}$
  • 2.9.A.1.ii التسارع المركزي موجه نحو مركز المسار الدائري للجسم.
• 2.9.A.2 يمكن أن ينتج التسارع المركزي عن قوة واحدة، أو أكثر من قوة، أو مكونات لقوى مؤثرة على جسم في حركة دائرية.
  • 2.9.A.2.i في أعلى حلقة دائرية رأسية، يحتاج الجسم إلى سرعة دنيا للحفاظ على الحركة الدائرية. عند هذه النقطة وبهذه السرعة الدنيا، تكون قوة الجاذبية هي القوة الوحيدة التي تسبب التسارع المركزي.
    • معادلة: $v = \sqrt{gr}$
  • 2.9.A.2.ii يمكن لمكونات قوة الاحتكاك السكوني والقوة العمودية أن تساهم في محصلة القوى التي تنتج التسارع المركزي لجسم يسير في دائرة على سطح مائل.
  • 2.9.A.2.iii تساهم مركبة الشد في محصلة القوى التي تنتج التسارع المركزي الذي يتعرض له البندول المخروطي.
• 2.9.A.3 التسارع المماسي هو معدل تغير سرعة الجسم وهو موجه مماسياً للمسار الدائري للجسم.
• 2.9.A.4 محصلة تسارع جسم يتحرك في دائرة هي المجموع الاتجاهي للتسارع المركزي والتسارع المماسي.
• 2.9.A.5 يمكن وصف دوران جسم يسير في مسار دائري بسرعة ثابتة (الحركة الدائرية المنتظمة) باستخدام الفترة والتردد.
  • 2.9.A.5.i يُعرف الزمن اللازم لإكمال مسار دائري كامل واحد، أو دورة كاملة واحدة، أو دورة كاملة من الحركة الاهتزازية بالفترة، $T$.
  • 2.9.A.5.ii يُعرف معدل إتمام الجسم للدورات بالتردد، $f$.
    • معادلة: $T = \dfrac{1}{f}$
  • 2.9.A.5.iii بالنسبة لجسم يسير بسرعة ثابتة في مسار دائري، تُعطى الفترة بالمعادلة المشتقة
    • معادلة: $T = \dfrac{2\pi r}{v}$

الهدف التعليمي 2.9.B: وصف المدارات الدائرية باستخدام قانون كبلر الثالث.

• 2.9.B.1 بالنسبة لقمر صناعي في مدار دائري حول جسم مركزي، يكون التسارع المركزي للقمر الصناعي ناتجاً فقط عن التجاذب الجاذبي. ترتبط الفترة ونصف قطر المدار الدائري بكتلة الجسم المركزي.
  • المعادلة: $T^2 = \dfrac{4\pi^2}{GM} R^3$

عبارة الحدود: يقتصر امتحان AP Physics 1 على توقع التحليل الكمي للمنحنيات المائلة التي لا يتطلب الحفاظ على الحركة الدائرية المنتظمة احتكاكاً. يقتصر تحليل الحالات التي يتطلب فيها الاحتكاك على المنحنيات المائلة على الأوصاف النوعية.

عبارة حدود: لا يُتوقع من طلاب AP Physics 1 معرفة قانون كبلر الأول أو الثاني لحركة الكواكب.