الطاقة الحركية، الشغل والقدرة، طاقة الوضع وحفظ الطاقة، كمية الحركة والتصادمات
Kinetic Energy, Work & Power, Potential Energy & Energy Conservation, Momentum & Collisions
⏱️ 37 سؤال اختيار من متعدد بتصحيح فوري، و8 مسائل محلولة بالكامل⏱️ 37 multiple-choice questions with instant feedback, plus 8 fully-solved problems
\[1\,\star\]
أي من العبارات التالية يصف بشكل صحيح طبيعة الطاقة الحركية؟Which of the following correctly describes the nature of kinetic energy?
كمية متجهة تعتمد على اتجاه السرعةA vector quantity depending on velocity direction
كمية قياسية دائمًا موجبة أو تساوي صفرًاA scalar quantity, always positive or zero
يمكن أن تكون سالبة إذا تحرك الجسم عكس الاتجاه الموجبCan be negative if the body moves opposite to the positive direction
تعتمد على كتلة الجسم فقطDepends only on the body's mass
الحلSolution
📌 الفكرة: \(K=\tfrac12mv^2\) تعتمد على \(v^2\) (مربّع السرعة)، وهو دائمًا موجب أو صفر بغض النظر عن اتجاه الحركة — لذا الطاقة الحركية كمية قياسية غير سالبة أبدًا.
✅ كمية قياسية دائمًا موجبة أو تساوي صفرًا
📌 Idea: \(K=\tfrac12mv^2\) depends on \(v^2\) (speed squared), which is always positive or zero regardless of direction — so kinetic energy is a scalar that is never negative.
✅ A scalar quantity, always positive or zero
\[2\,\star\star\]
أحد الخطوط البيانية التالية لا يمكن أن يمثل العلاقة بين الطاقة الحركية لجسم والزمنWhich of the following graphs could NOT represent the relationship between a body's kinetic energy and time?
A
B
C
D
الحلSolution
📌 الفكرة: بما أن \(K\geq0\) دائمًا، فأي خط بياني يُظهر قيمًا سالبة لـ\(K\) مستحيل فيزيائيًا. الخط D هو الوحيد الذي يمتد إلى ما تحت المحور الأفقي (قيم سالبة).
✅ D
📌 Idea: since \(K\geq0\) always, any graph showing negative \(K\) values is physically impossible. Line D is the only one extending below the horizontal axis (negative values).
✅ D
\[3\,\star\]
تُقدَّر الطاقة بوحدة الجول. أي من العبارات التالية صحيحة عن وحدات الطاقة؟Energy is measured in joules. Which of the following statements about energy units is correct?
إلكترون فولت وحدة طاقةThe electron-volt is a unit of energy
كيلوواط ساعة وحدة طاقةThe kilowatt-hour is a unit of energy
السعرة الحرارية وحدة طاقةThe calorie is a unit of energy
جميع ما سبقAll of the above
الحلSolution
📌 الفكرة: الإلكترون فولت (طاقة فيزياء الجسيمات)، والكيلوواط ساعة (الاستهلاك الكهربائي)، والسعرة الحرارية (الطاقة الحرارية/الغذائية) جميعها وحدات طاقة بديلة عن الجول، قابلة للتحويل إليه.
✅ جميع ما سبق
📌 Idea: the electron-volt (particle physics energy), kilowatt-hour (electrical consumption), and calorie (thermal/food energy) are all alternative energy units, each convertible to joules.
✅ All of the above
\[4\,\star\star\]
قُذفت كرة كتلتها \(m=0.5\,kg\)، وكانت سرعتها في لحظة ما في الفضاء \(\vec v=(5\hat X+3\hat Y-2\hat Z)\,m/s\). فإن الكرة تمتلك طاقة حركية قدرهاA ball of mass \(m=0.5\,kg\) is thrown, and at some instant its velocity in space is \(\vec v=(5\hat X+3\hat Y-2\hat Z)\,m/s\). The ball's kinetic energy is
\(K=9\,J\)
\(K=12.4\,J\)
\(K=9.5\,J\)
\(K=6.25\,J\)
الحلSolution
📌 مقدار السرعة تربيعًا: \(v^2=5^2+3^2+(-2)^2=25+9+4=38\)
جسم كتلته \(m=3\,kg\) يسقط سقوطًا حرًا (بإهمال مقاومة الهواء)، فيتحرك من ارتفاع \(10\,m\) إلى \(4\,m\). الشغل الذي تبذله قوة الجاذبية يعادلA body of mass \(m=3\,kg\) is in free fall (neglecting air resistance), moving from a height of \(10\,m\) to \(4\,m\). The work done by gravity is
📌 Sign: the body descends in the same direction as gravity, so the work is positive.
✅ \(W=+176.4\,J\)
\[6\,\star\star\star\]
جسم كتلته \(m=5\,kg\) يتحرك لأعلى على مستوٍ مائل بزاوية 37° مع الأفقي بسرعة ثابتة \(v=2\,m/s\)، بوساطة قوة شدّ موازية للمستوى المائل. إذا كانت قوة الاحتكاك \(F_K=10\,N\)، فإن القدرة اللحظية التي تبذلها القوة المُطبَّقة تعادلA body of mass \(m=5\,kg\) moves up a 37° incline at constant speed \(v=2\,m/s\), pulled by a tension force parallel to the incline. If the friction force is \(F_K=10\,N\), the instantaneous power delivered by the applied force is
\(P=131.3\,W\)
\(P=981\,W\)
\(P=79\,W\)
\(P=20\,W\)
الحلSolution
📌 توازن القوى (سرعة ثابتة ⟹ تسارع صفري): \(F_{applied}=mg\sin37°+F_K=(5)(9.8)(0.6018)+10\approx29.5+10=39.5\,N\)
إذا كان جهاز تلفاز يستهلك في الشهر طاقة قدرها \(5\,kW\cdot h\)، فكم تعادل بوحدة الجول؟If a TV consumes \(5\,kW\cdot h\) of energy per month, how much is this in joules?
الخط البياني التالي يبيّن العلاقة بين القوة والإزاحة لجسم متأثر بقوة متغيّرة. الشغل المبذول من القوة يعادلThe graph below shows force vs. displacement for a body under a variable force. The work done by the force is
\(W=3\,J\)
\(W=-6\,J\)
\(W=6\,J\)
\(W=-3\,J\)
الحلSolution
📌 الشغل = المساحة تحت المنحنى: المثلث الموجب (0 إلى 4m، ارتفاع 3N): \(\tfrac12(4)(3)=6\,J\). المثلث السالب (4 إلى 6m، عمق 3N): \(-\tfrac12(2)(3)=-3\,J\)
📌 المجموع: \(W=6+(-3)=3\,J\)
✅ \(W=3\,J\)
📌 Work = area under the curve: positive triangle (0 to 4m, height 3N): \(\tfrac12(4)(3)=6\,J\). Negative triangle (4 to 6m, depth 3N): \(-\tfrac12(2)(3)=-3\,J\)
📌 Total: \(W=6+(-3)=3\,J\)
✅ \(W=3\,J\)
\[9\,\star\star\star\]
يتحرك جسيم على المحور الأفقي بتأثير قوة متغيّرة وفق المعادلة \(F_X=12(N)X^2+8(N)\). الشغل المبذول على الجسيم عند حركته من \(X_i=2\,m\) إلى \(X_f=4\,m\) يعادلA particle moves along the horizontal axis under a variable force \(F_X=12(N)X^2+8(N)\). The work done on the particle moving from \(X_i=2\,m\) to \(X_f=4\,m\) is
القوى نوعان: محافظة وغير محافظة. بالنظر إلى الأشكال الأربعة أدناه (كل منها موسوم بما يمثّله)، أي منها يمثّل خصائص القوى المحافظة؟Forces are of two types: conservative and non-conservative. Looking at the four labeled figures below, which represent properties of conservative forces?
\(B\,,\,D\)
\(A\,,\,C\)
\(A\,,\,B\)
\(B\,,\,C\)
الحلSolution
📌 الفكرة: القوة المحافظة (كالجاذبية): الشغل ضدها لا يعتمد على المسار (A)، والشغل على مسار مغلق يساوي صفرًا (C). أما B وD (سطح خشن بالاحتكاك) فهما خاصيتا القوة غير المحافظة.
✅ A, C
📌 Idea: for a conservative force (like gravity): work against it is path-independent (A), and work over a closed path is zero (C). B and D (rough surface with friction) are non-conservative properties.
✅ A, C
\[11\,\star\star\]
أي من العبارات التالية تُميّز بشكل صحيح بين القوة المحافظة والقوة غير المحافظة؟Which of the following correctly distinguishes a conservative force from a non-conservative force?
المحافظة: يعتمد الشغل ضدها على المسار. غير المحافظة: لا يعتمد على المسار.Conservative: work against it depends on the path. Non-conservative: does not.
المحافظة: الشغل المبذول في مسار مغلق يساوي صفرًا. غير المحافظة: لا يساوي صفرًا.Conservative: work over a closed path is zero. Non-conservative: is not zero.
المحافظة: تُحافظ على الطاقة الحركية للجسم. غير المحافظة: تُغيّر الطاقة الحركية.Conservative: preserves the body's kinetic energy. Non-conservative: changes it.
المحافظة: مثالها الاحتكاك. غير المحافظة: مثالها الجاذبية.Conservative: example is friction. Non-conservative: example is gravity.
الحلSolution
📌 الفكرة: هذا هو التعريف الرياضي الدقيق: \(\oint \vec F\cdot d\vec l=0\) للقوة المحافظة فقط. باقي الخيارات إما معكوسة أو غير دقيقة (كلتا القوتين قد تغيّران الطاقة الحركية، والاحتكاك مثال كلاسيكي على قوة غير محافظة لا محافظة).
✅ المحافظة: الشغل في مسار مغلق=صفر
📌 Idea: this is the precise mathematical definition: \(\oint \vec F\cdot d\vec l=0\) only for a conservative force. The other options are either reversed or inaccurate (both force types can change kinetic energy, and friction is the classic example of a non-conservative, not conservative, force).
✅ Conservative: work over a closed path = zero
\[12\,\star\star\]
بندول: حبل ثُبِّت من أحد طرفيه وعُلِّقت في الطرف الحر كرة، أُبعِدت بزاوية 30° عن موضع الاتزان الرأسي وتُركت لتهتز. باعتبار مستوى السقف المُعلَّق فيه الحبل مستوى مرجعيًا صفريًا، حُسِبت طاقة الوضع الجاذبية والطاقة الحركية للكرة عند الموضع الرأسي: \(K=8\,J\)، \(U_g=-12\,J\). فإن طاقة الوضع الجاذبية عند أعلى موضع يصل إليه البندول تعادلA pendulum: a string fixed at one end with a ball at the free end, displaced 30° from vertical equilibrium and released. Taking the ceiling (where the string is fixed) as the zero reference level, the gravitational PE and KE at the vertical position were found: \(K=8\,J\), \(U_g=-12\,J\). The gravitational PE at the pendulum's highest point is
\(U_g=-2\,J\)
\(U_g=-8\,J\)
\(U_g=-4\,J\)
\(U_g=-6\,J\)
الحلSolution
📌 حفظ الطاقة الميكانيكية: \(ME=K+U_g=8+(-12)=-4\,J\) (ثابتة طوال الحركة، بلا احتكاك)
📌 عند أعلى موضع: الكرة لحظيًا ساكنة (\(K=0\))، لذا \(U_{g,top}=ME-K=-4-0=-4\,J\)
✅ \(U_g=-4\,J\)
📌 Conservation of mechanical energy: \(ME=K+U_g=8+(-12)=-4\,J\) (constant throughout, no friction)
📌 At the highest point: the ball is momentarily at rest (\(K=0\)), so \(U_{g,top}=ME-K=-4-0=-4\,J\)
✅ \(U_g=-4\,J\)
\[13\,\star\star\]
كرة معلّقة بحبل تشكّل بندولًا، ترتفع عن سطح الأرض \(2\,m\) في وضع الاتزان. أُبعِد البندول عن موضع الاتزان وتُرك ليهتز، فكانت سرعة الكرة لحظة مرورها بموضع الاتزان \(3\,m/s\). فإن الارتفاع الذي تُرِكت منه الكرة لتهتز يعادلA ball on a string forms a pendulum, standing \(2\,m\) above the ground at equilibrium. Displaced and released, the ball's speed passing through equilibrium is \(3\,m/s\). The height from which the ball was released is
\(h=2.56\,m\)
\(h=2.11\,m\)
\(h=2.28\,m\)
\(h=2.46\,m\)
الحلSolution
📌 حفظ الطاقة بين نقطة الإطلاق (v=0) ونقطة الاتزان (h=2m، v=3m/s): \(mgh=mg(2)+\tfrac12mv^2\)
لاعب غولف على سطح القمر (حيث \(g=1.63\,m/s^2\)) ضرب كرة بزاوية 45° وسرعة \(30\,m/s\)، فوصلت الكرة إلى أقصى ارتفاع بسرعة \(21.2\,m/s\). أقصى ارتفاع تصل إليه الكرة عن سطح القمر يعادلA golfer on the Moon (\(g=1.63\,m/s^2\)) hits a ball at 45° and \(30\,m/s\); the ball reaches maximum height with speed \(21.2\,m/s\). The maximum height reached is
\(h=138.2\,m\)
\(h=264.7\,m\)
\(h=234.2\,m\)
\(h=115.4\,m\)
الحلSolution
📌 السرعة عند القمة = المركّبة الأفقية فقط: \(v_{0y}=30\sin45°\approx21.21\,m/s\) (يطابق السرعة المعطاة 21.2، مؤكِّدًا أن المركّبة الرأسية انعدمت تمامًا عند القمة)
📌 Speed at the peak = horizontal component only: \(v_{0y}=30\sin45°\approx21.21\,m/s\) (matches the given 21.2, confirming the vertical component vanishes exactly at the peak)
صندوق خشبي كتلته \(0.7\,kg\) وُضِع على قمّة مستوٍ مائل يرتفع \(h=1.5\,m\) عن سطح الأرض وتُرك لينزلق. إذا بذلت القوى غير المحافظة شغلًا مقداره \(2.3\,J\) (طاقة مفقودة بسبب الاحتكاك)، فإن سرعة الصندوق عند نهاية المستوى المائل تعادل (\(g=9.81\,m/s^2\))A wooden block of mass \(0.7\,kg\) is placed atop an incline of height \(h=1.5\,m\) and released to slide down. If non-conservative forces do \(2.3\,J\) of work (energy lost to friction), the block's speed at the bottom is (\(g=9.81\,m/s^2\))
\(v_f=4.78\,m/s\)
\(v_f=2.85\,m/s\)
\(v_f=3.56\,m/s\)
\(v_f=5.32\,m/s\)
الحلSolution
📌 نظرية الشغل والطاقة (المعمَّمة): \(mgh+W_{nc}=\tfrac12mv_f^2-0\)، حيث \(W_{nc}=-2.3\,J\) (سالبة لأنها طاقة مفقودة بالاحتكاك)
سيارة تتحرك بسرعة \(10\,m/s\). النسبة بين الطاقة الحركية إلى مقدار الزخم (كمية الحركة) تعادلA car moves at \(10\,m/s\). The ratio of kinetic energy to the magnitude of momentum is
\(10\,m/s\)
\(20\,m/s\)
\(5\,m/s\)
\(15\,m/s\)
الحلSolution
📌 الفكرة: \(\dfrac{K}{p}=\dfrac{\tfrac12mv^2}{mv}=\dfrac{v}{2}\) — النسبة لا تعتمد على الكتلة إطلاقًا!
📌 الحساب: \(\dfrac{v}{2}=\dfrac{10}{2}=5\,m/s\)
✅ \(5\,m/s\)
📌 Idea: \(\dfrac{K}{p}=\dfrac{\tfrac12mv^2}{mv}=\dfrac{v}{2}\) — the ratio does not depend on mass at all!
إذا زاد زخم جسم (كمية حركته) إلى أربعة أضعاف نتيجة تغيّر سرعته (والكتلة ثابتة)، فما نسبة الطاقة الحركية الجديدة إلى القديمة؟If a body's momentum increases fourfold due to a change in speed (mass constant), what is the ratio of the new kinetic energy to the old?
\(k_2=2k_1\)
\(k_2=4k_1\)
\(k_2=8k_1\)
\(k_2=16k_1\)
الحلSolution
📌 الفكرة: \(K=\dfrac{p^2}{2m}\) — الطاقة الحركية تتناسب مع مربّع الزخم (بثبات الكتلة).
في نظام محفوظ، حدث التحام بين ثلاثة جسيمات كانت كمية حركتها قبل الالتحام موضّحة بالشكل الأول. أي من الرسوم الأربعة في الشكل الثاني يمثّل كمية الحركة النهائية للجسم الواحد الناتج عن الالتحام (\(\vec P_f=\vec P_1+\vec P_2+\vec P_3\))؟In an isolated system, three particles collide and stick together; their momenta before the collision are shown in the first figure. Which of the four diagrams in the second figure represents the final momentum of the single resulting body (\(\vec P_f=\vec P_1+\vec P_2+\vec P_3\))?
A
B
C
D
الحلSolution
📌 حفظ كمية الحركة: في نظام محفوظ (بلا قوى خارجية)، مجموع كميات الحركة قبل الالتحام يساوي كمية الحركة الواحدة بعده: \(\vec P_f=\vec P_1+\vec P_2+\vec P_3\).
📌 الجمع المتجهي: بجمع المركّبات الأفقية والرأسية للمتجهات الثلاثة من الشكل الأول، ينتج متجه محصّل يتجه للأعلى ولليمين بزاوية حادة كبيرة (أقرب للعمودي) — وهذا يطابق الخيار B فقط من بين الخيارات الأربعة.
✅ B
📌 Conservation of momentum: in an isolated system (no external forces), the sum of momenta before sticking equals the single momentum afterward: \(\vec P_f=\vec P_1+\vec P_2+\vec P_3\).
📌 Vector addition: adding the horizontal and vertical components of the three vectors from the first figure gives a resultant pointing up and to the right at a steep angle (closer to vertical) — matching only option B among the four choices.
✅ B
\[19\,\star\star\]
أحد الحالات التالية لا يمكن تطبيق مبدأ حفظ كمية الحركة \(\vec P_{i1}+\vec P_{i2}=\vec P_{f1}+\vec P_{f2}\) عليهاIn which of the following cases can the momentum conservation principle \(\vec P_{i1}+\vec P_{i2}=\vec P_{f1}+\vec P_{f2}\) NOT be applied?
تصادم بين جسيمات داخل النظامA collision between particles within the system
تصادم بين جسيمات بوجود قوى خارجية تؤثر على النظامA collision between particles with external forces acting on the system
تصادم بين جسمين يصبحان بعده جسمًا واحدًاA collision where two bodies become one afterward
تصادم بين جسيمات بوجود قوى داخلية فقطA collision between particles with only internal forces
الحلSolution
📌 الفكرة: حفظ كمية الحركة يتطلب نظامًا معزولًا (محصّلة القوى الخارجية=صفر). وجود قوة خارجية صافية يُبطل الحفظ البسيط لكمية الحركة الكلية.
✅ تصادم بوجود قوى خارجية على النظام
📌 Idea: momentum conservation requires an isolated system (net external force = zero). A net external force invalidates simple conservation of total momentum.
✅ A collision with external forces on the system
\[20\,\star\star\star\]
كرتا بلياردو متطابقتان في الشكل والوزن والحجم؛ الأولى تتحرك نحو اليمين بسرعة \(v\) والثانية ساكنة. حدث بينهما تصادم مباشر. أي الأشكال التالية يمثّل تصادمًا مرنًا؟Two identical billiard balls (same shape, weight, size); the first moves right at speed \(v\), the second is at rest. A direct collision occurs. Which figure represents an elastic collision?
A
B
C
D
الحلSolution
📌 حالة خاصة معروفة: عند تصادم مرن بين كتلتين متساويتين، إحداهما ساكنة، تتوقف الكرة المتحركة تمامًا (v=0) وتتحرك الكرة الساكنة سابقًا بنفس السرعة الابتدائية v بالضبط — "تبادل كامل للسرعة".
📌 التحقق (الشكل C): الزخم: \(mv+0=0+mv\) ✓. الطاقة الحركية: \(\tfrac12mv^2=0+\tfrac12mv^2\) ✓ (محفوظة تمامًا، تأكيد أنه تصادم مرن).
📌 استبعاد الباقي: A يزيد الطاقة الحركية (مستحيل فيزيائيًا)، وB وD يُنقصانها (تصادمان غير مرنين).
✅ C
📌 A known special case: in an elastic collision between equal masses, one initially at rest, the moving ball stops completely (v=0) and the previously-at-rest ball moves off with exactly the original speed v — a "complete velocity exchange."
📌 Ruling out the rest: A increases kinetic energy (physically impossible), while B and D decrease it (inelastic collisions).
✅ C
\[21\,\star\star\]
حدث تصادم بين كرتي بلياردو، وقيست طاقتاهما الحركية قبل التصادم \(KE_{i1}=15\,J\)، \(KE_{i2}=18\,J\)، وبعده \(KE_{f1}=20\,J\)، \(KE_{f2}=13\,J\). من خلال هذه المعلومات، فإن نوع التصادمTwo billiard balls collide; their kinetic energies before the collision were \(KE_{i1}=15\,J\), \(KE_{i2}=18\,J\), and after, \(KE_{f1}=20\,J\), \(KE_{f2}=13\,J\). Based on this information, the type of collision is
تصادم فائق المرونةSuper-elastic collision
تصادم لا مرن تمامًاPerfectly inelastic collision
تصادم مرنElastic collision
تصادم لا مرنInelastic collision
الحلSolution
📌 مجموع الطاقة الحركية قبل التصادم: \(15+18=33\,J\)
📌 مجموع الطاقة الحركية بعده: \(20+13=33\,J\)
📌 الاستنتاج: الطاقة الحركية الكلية محفوظة تمامًا (33J=33J) — وهذا هو تعريف التصادم المرن بالضبط.
✅ تصادم مرن
📌 Total KE before: \(15+18=33\,J\)
📌 Total KE after: \(20+13=33\,J\)
📌 Conclusion: total kinetic energy is exactly conserved (33J=33J) — precisely the definition of an elastic collision.
✅ Elastic collision
\[22\,\star\star\star\]
مكعب ثلج يتحرك نحو اليمين، كتلته \(m_1=3\,kg\) وسرعته \(v_1=4\,m/s\). مكعب آخر يتحرك في اتجاه معاكس، كتلته \(m_2=5\,kg\) وسرعته \(v_2=2\,m/s\). حدث بينهما تصادم مرن مباشر. التغيّر في الطاقة الحركية للمكعب الثاني (\(\Delta K_2\)) يعادلAn ice cube moves right, mass \(m_1=3\,kg\), speed \(v_1=4\,m/s\). Another moves in the opposite direction, mass \(m_2=5\,kg\), speed \(v_2=2\,m/s\). They undergo a direct elastic collision. The change in kinetic energy of the second cube (\(\Delta K_2\)) is
جسم كتلته \(m=4\,kg\) بدأ من السكون، وبذلت عليه قوة محصّلة شغلًا مقداره \(W=50\,J\). سرعته النهائية تعادلA body of mass \(m=4\,kg\) starts from rest, and a net force does \(W=50\,J\) of work on it. Its final speed is
\(v=5\,m/s\)
\(v=25\,m/s\)
\(v=12.5\,m/s\)
\(v=10\,m/s\)
الحلSolution
📌 نظرية الشغل والطاقة: \(W=\Delta K=\tfrac12mv^2-0\)
قوة \(F=20\,N\) تؤثر على جسم بنفس اتجاه حركته بسرعة \(v=3\,m/s\). القدرة اللحظية التي تبذلها القوة تعادلA force \(F=20\,N\) acts on a body in the same direction as its motion at \(v=3\,m/s\). The instantaneous power delivered is
كرة كتلتها \(m=0.5\,kg\) سقطت سقوطًا حرًا من ارتفاع \(h=5\,m\) (بإهمال مقاومة الهواء). سرعتها لحظة وصولها للأرض تعادل (باستخدام حفظ الطاقة)A ball of mass \(m=0.5\,kg\) falls freely from height \(h=5\,m\) (neglecting air resistance). Its speed upon reaching the ground, using energy conservation, is
\(v\approx9.90\,m/s\)
\(v\approx7\,m/s\)
\(v\approx49\,m/s\)
\(v\approx4.95\,m/s\)
الحلSolution
📌 حفظ الطاقة: \(mgh=\tfrac12mv^2 \Rightarrow v=\sqrt{2gh}\)
زنبرك ثابت مرونته \(k=200\,N/m\) ضُغِط مسافة \(x=0.1\,m\). طاقة الوضع المرونية المختزنة فيه تعادلA spring with constant \(k=200\,N/m\) is compressed \(x=0.1\,m\). The elastic PE stored is
جسم يبدأ من السكون وينزلق على مسار أملس (بلا احتكاك) من ارتفاع \(h=2\,m\). سرعته عند الوصول لأسفل المسار تعادلA body starts from rest and slides down a frictionless track from height \(h=2\,m\). Its speed at the bottom of the track is
\(v\approx6.26\,m/s\)
\(v\approx4.43\,m/s\)
\(v\approx19.6\,m/s\)
\(v\approx9.8\,m/s\)
الحلSolution
📌 حفظ الطاقة (بلا احتكاك، لا يعتمد على شكل المسار): \(mgh=\tfrac12mv^2 \Rightarrow v=\sqrt{2gh}\)
جسم كتلته \(m=4\,kg\) يبدأ من السكون وينزلق من ارتفاع \(h=3\,m\) على مسار خشن، حيث بذلت قوة الاحتكاك شغلًا مقداره \(-15\,J\). سرعة الجسم عند أسفل المسار تعادلA body of mass \(m=4\,kg\) starts from rest and slides down from height \(h=3\,m\) on a rough track, where friction does \(-15\,J\) of work. The body's speed at the bottom is
\(v\approx7.16\,m/s\)
\(v\approx7.67\,m/s\)
\(v\approx5.61\,m/s\)
\(v\approx3.58\,m/s\)
الحلSolution
📌 نظرية الشغل والطاقة المعمَّمة: \(mgh+W_{friction}=\tfrac12mv^2\)
القدرة الميكانيكية تُعرَّف بأنهاMechanical power is defined as
معدّل بذل الشغل بالنسبة للزمنThe rate at which work is done with respect to time
مقدار القوة المؤثرة فقطJust the magnitude of the applied force
إجمالي الطاقة المستهلكة بغض النظر عن الزمنTotal energy consumed regardless of time
التغيّر في الإزاحة فقطJust the change in displacement
الحلSolution
📌 الفكرة: \(P=\dfrac{dW}{dt}\) (أو \(P=Fv\) للقوة الثابتة) — القدرة تقيس سرعة إنجاز الشغل، وليس مقداره الكلي فقط.
✅ معدّل بذل الشغل بالنسبة للزمن
📌 Idea: \(P=\dfrac{dW}{dt}\) (or \(P=Fv\) for constant force) — power measures how fast work is done, not just its total amount.
✅ The rate at which work is done with respect to time
\[32\,\star\star\]
سيارة كتلتها \(m=1500\,kg\) تتحرك بسرعة \(v=20\,m/s\). مقدار كمية حركتها (زخمها) يعادلA car of mass \(m=1500\,kg\) moves at \(v=20\,m/s\). The magnitude of its momentum is
\(p=30000\,kg\cdot m/s\)
\(p=75\,kg\cdot m/s\)
\(p=1500\,kg\cdot m/s\)
\(p=300000\,kg\cdot m/s\)
الحلSolution
📌 القانون: \(p=mv=(1500)(20)=30000\,kg\cdot m/s\)
✅ \(p=30000\,kg\cdot m/s\)
📌 Formula: \(p=mv=(1500)(20)=30000\,kg\cdot m/s\)
✅ \(p=30000\,kg\cdot m/s\)
\[33\,\star\star\star\]
جسم كتلته \(m=10\,kg\) ساكن، أثرت عليه قوة \(F=500\,N\) لمدة \(t=0.2\,s\). سرعته النهائية تعادل (باستخدام نظرية الدفع وكمية الحركة)A body of mass \(m=10\,kg\) is at rest; a force \(F=500\,N\) acts on it for \(t=0.2\,s\). Its final speed is (using the impulse-momentum theorem)
\(v_f=10\,m/s\)
\(v_f=100\,m/s\)
\(v_f=1\,m/s\)
\(v_f=50\,m/s\)
الحلSolution
📌 نظرية الدفع-كمية الحركة: \(F\Delta t=\Delta p=mv_f-0\)
جسم \(m_1=2\,kg\) يتحرك بسرعة \(v_1=6\,m/s\) يصطدم بجسم ساكن \(m_2=3\,kg\)، فيلتصقان معًا بعد التصادم (تصادم لا مرن تمامًا). سرعتهما المشتركة بعد التصادم تعادلA body \(m_1=2\,kg\) moving at \(v_1=6\,m/s\) collides with a stationary body \(m_2=3\,kg\), and they stick together (perfectly inelastic collision). Their common speed afterward is
للتصادم اللامرن تمامًا في السؤال السابق (\(m_1=2\,kg,v_1=6\,m/s\) يصطدم بـ\(m_2=3\,kg\) الساكن ويلتصقان)، مقدار الطاقة الحركية المفقودة يعادلFor the perfectly inelastic collision in the previous question (\(m_1=2\,kg,v_1=6\,m/s\) hits stationary \(m_2=3\,kg\) and they stick), the amount of kinetic energy lost is
\(\Delta K\approx-21.6\,J\)
\(\Delta K\approx-14.4\,J\)
\(\Delta K\approx+21.6\,J\)
\(\Delta K\approx-36\,J\)
الحلSolution
📌 الطاقة قبل التصادم: \(K_i=\tfrac12(2)(6)^2+0=36\,J\)
📌 الطاقة بعده (\(v_f=2.4\,m/s\) من السؤال السابق): \(K_f=\tfrac12(5)(2.4)^2=\tfrac12(5)(5.76)=14.4\,J\)
📌 التغيّر: \(\Delta K=14.4-36=-21.6\,J\) (فُقِدت هذه الطاقة كحرارة وصوت وتشوّه أثناء الالتصاق)
✅ \(\Delta K\approx-21.6\,J\)
📌 Energy before: \(K_i=\tfrac12(2)(6)^2+0=36\,J\)
📌 Energy after (\(v_f=2.4\,m/s\) from the previous question): \(K_f=\tfrac12(5)(2.4)^2=\tfrac12(5)(5.76)=14.4\,J\)
📌 Change: \(\Delta K=14.4-36=-21.6\,J\) (lost as heat, sound, and deformation during sticking)
✅ \(\Delta K\approx-21.6\,J\)
\[36\,\star\]
في أي أنواع التصادم التالية تكون الطاقة الحركية الكلية للنظام محفوظة تمامًا؟In which type of collision is the system's total kinetic energy exactly conserved?
📌 الفكرة: كمية الحركة محفوظة في جميع أنواع التصادم (نظام معزول)، لكن الطاقة الحركية الكلية لا تُحفَظ إلا في التصادم المرن تحديدًا (تُفقَد جزئيًا في اللامرن، وأقصى ما يمكن في اللامرن تمامًا).
✅ التصادم المرن
📌 Idea: momentum is conserved in all collision types (isolated system), but total kinetic energy is conserved only in an elastic collision specifically (partially lost in inelastic, maximally lost in perfectly inelastic).
✅ Elastic collision
\[37\,\star\star\star\]
جسم \(m_1=4\,kg\) يتحرك بسرعة \(v_1=5\,m/s\) نحو جسم ساكن \(m_2=2\,kg\)، وحدث بينهما تصادم مرن مباشر. سرعتا الجسمين بعد التصادم تعادلانA body \(m_1=4\,kg\) moves at \(v_1=5\,m/s\) toward a stationary body \(m_2=2\,kg\); they undergo a direct elastic collision. Their speeds after the collision are
صندوق كتلته \(m=6\,kg\) على سطح أفقي خشن، رُبِط بحبل وسُحِب بقوة ثابتة \(F_a=23\,N\) تميل بزاوية 35° فوق الأفق، فتحرك مسافة \(d=6\,m\). قوة الاحتكاك \(F_K=12\,N\). (أ) احسب الشغل الكلي المبذول على الصندوق. (ب) احسب سرعة الصندوق عند نهاية المسافة المقطوعة (بافتراض بدئه من السكون).A box of mass \(m=6\,kg\) on a rough horizontal surface is pulled by a constant force \(F_a=23\,N\) at 35° above horizontal, moving a distance \(d=6\,m\). Friction is \(F_K=12\,N\). (a) Calculate the total work done on the box. (b) Calculate the box's speed at the end of the distance (assuming it starts from rest).
الحلSolution
📌 (أ) شغل القوة المُطبَّقة (المركّبة الأفقية فقط تعمل شغلًا مع الإزاحة الأفقية): \(W_F=F_a\cos35°\times d=(23)(0.8192)(6)\approx113.05\,J\)
📌 شغل الاحتكاك: \(W_f=-F_K\times d=-(12)(6)=-72\,J\)
📌 (a) Work by applied force (only horizontal component does work with horizontal displacement): \(W_F=F_a\cos35°\times d=(23)(0.8192)(6)\approx113.05\,J\)
📌 Work by friction: \(W_f=-F_K\times d=-(12)(6)=-72\,J\)
عربة كتلتها \(m=10\,kg\) تتحرك على سطح أفقي خشن بسرعة ابتدائية \(v_0=5\,m/s\)، وأثّرت عليها قوة \(F_a=30\,N\) بزاوية 60° فوق الأفق حتى أصبحت سرعتها \(v_f=8\,m/s\). (أ) احسب التغيّر في الطاقة الحركية. (ب) إذا كانت قوة الاحتكاك \(F_K=6\,N\)، احسب الإزاحة المقطوعة باستخدام نظرية الشغل والطاقة.A cart of mass \(m=10\,kg\) moves on a rough horizontal surface at initial speed \(v_0=5\,m/s\), acted on by a force \(F_a=30\,N\) at 60° above horizontal until its speed becomes \(v_f=8\,m/s\). (a) Calculate the change in kinetic energy. (b) If friction is \(F_K=6\,N\), calculate the displacement using the work-energy theorem.
الحلSolution
📌 (أ) التغيّر في الطاقة الحركية: \(\Delta K=\tfrac12m(v_f^2-v_0^2)=\tfrac12(10)(64-25)=\tfrac12(10)(39)=195\,J\)
📌 (ب) نظرية الشغل والطاقة: \(W_{net}=\Delta K \Rightarrow (F_a\cos60°-F_K)\,d=\Delta K\)
زنبرك طوله \(L_1=50\,cm\) ثُبِّت من أحد طرفيه، وعُلِّقت في الطرف الآخر كتلة \(m=0.6\,kg\)، فأصبح طوله \(L_2=55\,cm\). (اعتبر \(g=9.81\,m/s^2\)). (أ) احسب ثابت الزنبرك. (ب) احسب طاقة الوضع المختزنة فيه.A spring of length \(L_1=50\,cm\) is fixed at one end, with a mass \(m=0.6\,kg\) hung from the other, stretching it to \(L_2=55\,cm\) (\(g=9.81\,m/s^2\)). (a) Calculate the spring constant. (b) Calculate the PE stored in it.
الحلSolution
📌 الاستطالة: \(x=L_2-L_1=55-50=5\,cm=0.05\,m\)
📌 (أ) توازن القوى عند التعليق: \(kx=mg \Rightarrow k=\dfrac{mg}{x}=\dfrac{(0.6)(9.81)}{0.05}\approx117.7\,N/m\)
📌 (ب) طاقة الوضع المرونية: \(U_s=\tfrac12kx^2=\tfrac12(117.7)(0.05)^2\approx0.147\,J\)
✅ \(k\approx117.7\,N/m\)، \(U_s\approx0.147\,J\)
📌 Extension: \(x=L_2-L_1=55-50=5\,cm=0.05\,m\)
📌 (a) Force balance at equilibrium: \(kx=mg \Rightarrow k=\dfrac{mg}{x}=\dfrac{(0.6)(9.81)}{0.05}\approx117.7\,N/m\)
زنبركان مثبَّتان على التوازي، ثابتاهما \(k_1=400\,N/m\)، \(k_2=600\,N/m\)، عُلِّق بهما جسم كتلته \(m=10\,kg\) (\(g=9.81\,m/s^2\)). (أ) احسب الثابت المكافئ للنظام. (ب) احسب الإزاحة الكلية. (ج) احسب طاقة الوضع المختزنة في كل زنبرك وفي النظام ككل.Two springs in parallel, constants \(k_1=400\,N/m\), \(k_2=600\,N/m\), support a hanging mass \(m=10\,kg\) (\(g=9.81\,m/s^2\)). (a) Calculate the system's equivalent constant. (b) Calculate the total displacement. (c) Calculate the PE stored in each spring and in the system overall.
📌 (ب) الإزاحة الكلية عند التوازن: \(x=\dfrac{mg}{k_{eq}}=\dfrac{(10)(9.81)}{1000}\approx0.0981\,m\)
📌 (ج) طاقة الوضع في كل زنبرك: \(U_1=\tfrac12k_1x^2=\tfrac12(400)(0.0981)^2\approx1.925\,J\)، \(U_2=\tfrac12k_2x^2=\tfrac12(600)(0.0981)^2\approx2.887\,J\)
📌 طاقة الوضع الكلية: \(U_{total}=U_1+U_2\approx4.812\,J\) (يطابق \(\tfrac12k_{eq}x^2=\tfrac12(1000)(0.0981)^2\approx4.812\,J\) ✓)
عربة كتلتها \(m=10\,kg\) تتحرك على مسار أملس متغيّر الارتفاع؛ سرعتها عند الموضع A (ارتفاع \(h_A=0.8\,m\)) تساوي \(v_A=2\,m/s\)، ثم اصطدمت بزنبرك ثابت عند الموضع B (ارتفاع \(h_B=0.4\,m\))، فانضغط الزنبرك مسافة \(x=20\,cm\) وتوقفت العربة. احسب ثابت الزنبرك.A cart of mass \(m=10\,kg\) moves on a frictionless track of varying height; its speed at point A (height \(h_A=0.8\,m\)) is \(v_A=2\,m/s\), then it hits a spring at point B (height \(h_B=0.4\,m\)), compressing it \(x=20\,cm\) and stopping. Calculate the spring constant.
الحلSolution
📌 حفظ الطاقة الميكانيكية (من A إلى نقطة التوقف عند الانضغاط الأقصى): \(\tfrac12mv_A^2+mgh_A=mgh_B+\tfrac12kx^2\)
كرة بلياردو كتلتها \(m=0.3\,kg\) تُركت من السكون على مسار أملس متغيّر الارتفاع من موضع يرتفع \(h_i=0.6\,m\)، حتى وصلت إلى مستوى أفقي يرتفع \(h_f=0.2\,m\)، ثم اصطدمت بزنبرك \(k=100\,N/m\) فانضغط حتى توقفت الكرة. (أ) اثبت أن سرعة الكرة عند أي نقطتين بنفس الارتفاع على المسار متساويتان (بمبدأ حفظ الطاقة). (ب) احسب التغيّر في طاقة الوضع بين نقطة الانطلاق والمستوى الأفقي. (ج) احسب الطاقة الميكانيكية عند المستوى الأفقي. (د) احسب مسافة انضغاط الزنبرك.A billiard ball of mass \(m=0.3\,kg\) is released from rest on a frictionless track of varying height at \(h_i=0.6\,m\), reaching a horizontal level at \(h_f=0.2\,m\), then hits a spring \(k=100\,N/m\) which compresses until the ball stops. (a) Prove that the ball's speed is equal at any two points on the track at the same height (via energy conservation). (b) Calculate the change in PE between the release point and the horizontal level. (c) Calculate the mechanical energy at the horizontal level. (d) Calculate the spring's compression distance.
الحلSolution
📌 (أ) البرهان: بما أن المسار أملس (بلا احتكاك)، فالطاقة الميكانيكية \(ME=K+U_g\) محفوظة طوال الحركة. عند أي نقطتين لهما نفس الارتفاع h، تكون \(U_g\) متساوية فيهما، وبما أن \(ME\) ثابتة، فإن \(K\) يجب أن تكون متساوية أيضًا — وبما أن الكتلة ثابتة، فالسرعة (بمقدارها) متساوية عند النقطتين، بغض النظر عن شكل المسار بينهما.
📌 (ب) التغيّر في طاقة الوضع: \(\Delta U_g=mg(h_f-h_i)=(0.3)(9.81)(0.2-0.6)\approx-1.177\,J\) (نقصان، لأن الكرة هبطت)
📌 (ج) الطاقة الميكانيكية (محفوظة، تُحسب من نقطة الانطلاق حيث \(K_i=0\)): \(ME=mgh_i=(0.3)(9.81)(0.6)\approx1.766\,J\)
📌 (د) عند نهاية الانضغاط (الكرة ساكنة، كل الطاقة أصبحت في الزنبرك وطاقة وضع عند \(h_f\)): \(ME=mgh_f+\tfrac12kx^2 \Rightarrow 1.766=(0.3)(9.81)(0.2)+\tfrac12(100)x^2\)
📌 (a) Proof: since the track is frictionless, mechanical energy \(ME=K+U_g\) is conserved throughout. At any two points of equal height h, \(U_g\) is the same at both, and since \(ME\) is constant, \(K\) must also be equal — and since mass is constant, the speed magnitude is equal at both points, regardless of the track's shape between them.
📌 (b) Change in PE: \(\Delta U_g=mg(h_f-h_i)=(0.3)(9.81)(0.2-0.6)\approx-1.177\,J\) (a decrease, since the ball descended)
📌 (c) Mechanical energy (conserved, computed from the release point where \(K_i=0\)): \(ME=mgh_i=(0.3)(9.81)(0.6)\approx1.766\,J\)
📌 (d) At maximum compression (ball at rest, all energy is spring PE plus gravitational PE at \(h_f\)): \(ME=mgh_f+\tfrac12kx^2 \Rightarrow 1.766=(0.3)(9.81)(0.2)+\tfrac12(100)x^2\)
كرة مضرب كتلتها \(m=0.2\,kg\) تتحرك أفقيًا نحو اليمين بسرعة \(v_i=15\,m/s\)، ضربها طالب بمضرب فرَدّها أفقيًا نحو اليسار بسرعة \(v_f=20\,m/s\). (أ) احسب التغيّر في كمية الحركة. (ب) إذا لامست الكرة المضرب لمدة \(t=1.2\,ms\) (ملّي ثانية — المدة الواقعية لملامسة كرة لمضرب)، احسب متوسط القوة المؤثرة على الكرة.A tennis ball of mass \(m=0.2\,kg\) moves horizontally right at \(v_i=15\,m/s\); a player's racket returns it left at \(v_f=20\,m/s\). (a) Calculate the change in momentum. (b) If the ball contacts the racket for \(t=1.2\,ms\) (milliseconds — the realistic contact duration), calculate the average force on the ball.
الحلSolution
📌 ملاحظة على النص الأصلي: ذُكرت مدة التلامس كـ"1.2 ثانية" في المصدر، لكن هذه مدة طويلة جدًا وغير واقعية فيزيائيًا لتلامس كرة مضرب (المدة الحقيقية بالمللي ثانية) — استُخدمت هنا \(t=1.2\,ms=1.2\times10^{-3}\,s\) كقيمة واقعية.
📌 (أ) اصطلاح الإشارة (اليمين موجب): \(v_i=+15\,m/s\)، \(v_f=-20\,m/s\)
📌 التغيّر في كمية الحركة: \(\Delta p=m(v_f-v_i)=(0.2)(-20-15)=(0.2)(-35)=-7\,kg\cdot m/s\)
📌 (ب) متوسط القوة: \(F_{avg}=\dfrac{\Delta p}{\Delta t}=\dfrac{-7}{1.2\times10^{-3}}\approx-5833\,N\)
✅ \(\Delta p=-7\,kg\cdot m/s\) (نحو اليسار) | \(F_{avg}\approx5833\,N\) نحو اليسار
📌 Note on the original text: the contact duration was stated as "1.2 seconds" in the source, but this is far too long to be physically realistic for a racket-ball contact (real durations are milliseconds) — \(t=1.2\,ms=1.2\times10^{-3}\,s\) is used here as the realistic value.
صندوق كتلته \(8\,kg\) يتحرك على مستوٍ أفقي، أثّرت عليه قوة ثابتة خلال \(t=2\,s\) فتغيّرت كمية حركته من \(P_i=80\,kg\cdot m/s\) إلى \(P_f=100\,kg\cdot m/s\). (أ) احسب التغيّر في كمية الحركة. (ب) احسب سرعة الصندوق النهائية. (ج) احسب متوسط القوة المؤثرة.An 8 kg box moves on a horizontal plane; a constant force acts over \(t=2\,s\), changing its momentum from \(P_i=80\,kg\cdot m/s\) to \(P_f=100\,kg\cdot m/s\). (a) Calculate the change in momentum. (b) Calculate the box's final speed. (c) Calculate the average force.
الحلSolution
📌 (أ) التغيّر في كمية الحركة: \(\Delta P=P_f-P_i=100-80=20\,kg\cdot m/s\)
📌 (ب) السرعة النهائية: \(v_f=\dfrac{P_f}{m}=\dfrac{100}{8}=12.5\,m/s\)
📌 (ج) متوسط القوة: \(F_{avg}=\dfrac{\Delta P}{\Delta t}=\dfrac{20}{2}=10\,N\)
لاحظت خطأ؟ أو عندك سؤال عن التجربة؟ اكتبه بالتعليقات وحدد مكانه بالضبط.Noticed an error? Or have a question? Write it in the comments and specify exactly where.