الكتل والنوابض – الأساسيات
الفيزياءالقوى والديناميكا15–16 سنةمختبر افتراضي
جارٍ التحميل…
سجّل الدخول للتشغيلعلّق الكتل على نابض واحدة تلو الأخرى، وقِس الاستطالة عند الاتزان في ثلاث شاشات: التمدد والاهتزاز والمختبر. يبني الطلاب جدولًا للكتلة والاستطالة ليكتشفوا أن النسبة mg/الاستطالة تبقى ثابتة للنابض نفسه، ويشاهدون اهتزازات مخمّدة في شاشة الاهتزاز، ثم يستخدمون النابضين اللين والصلب المعلومي الثابت لإيجاد كتلة جسم مجهول في شاشة المختبر. مقتبسة من محاكاة "Masses and Springs: Basics" من PhET Interactive Simulations، جامعة كولورادو بولدر (CC BY 4.0)؛ وأُعيدت كتابتها.
الدرس: تشوه الأجسام الصلبة
ماذا تعرض
عندما تُعلَّق كتلة m على نابض، يستطيل النابض حتى تتوازن قوته مع وزن الكتلة mg. ووفق قانون هوك تتناسب قوة النابض طرديًا مع الاستطالة s، فيكون عند الاتزان mg = ks، أي k = mg/s. والنابض الصلب ثابته k كبير فيستطيل قليلًا، والنابض اللين ثابته صغير فيستطيل كثيرًا. وإذا أُزيحت الكتلة عن موضع الاتزان اهتزت حوله بزمن دوري T = 2π√(m/k)، ويُضعف التخميد هذه الاهتزازات تدريجيًا. ومعرفة k والاستطالة تكفي لحساب كتلة جسم مجهول.
طريقة الاستخدام
في شاشة «التمدد» علّق كتلة واقرأ الاستطالة عند الاتزان، ثم اضغط «تسجيل البيانات»، وكرّر بكتل أخرى أو بقيمة أخرى لـ«ثابت النابض k». في شاشة «الاهتزاز» غيّر «التخميد b» وفعّل «ساعة الإيقاف» لقياس الزمن الدوري. في شاشة «المختبر» اسحب الجسم P أو Q إلى «النابض اللين» أو «النابض الصلب»، واستخدم «المسطرة»، ثم اكتب الكتلة واضغط «تحقّق».
المعاملات القابلة للتغيير
- الشاشة التمدد, الاهتزاز, المختبر
- ثابت النابض (التمدد/الاهتزاز) 5–25 N/m
- معامل التخميد (الاهتزاز) 0–2 N·s/m
- الجاذبية (المختبر) الأرض, القمر, المشتري, الكوكب X
أسئلة للاستكشاف
- إذا ضاعفت الكتلة المعلقة على النابض نفسه، كيف تتغير الاستطالة عند الاتزان؟
- لماذا يستطيل النابض الصلب أقل من النابض اللين تحت الكتلة نفسها؟
- كيف تجد كتلة جسم مجهول إذا عرفت ثابت النابض وقست الاستطالة عند الاتزان؟
