الشغل في الفيزياء: مفهومه وتعريفه القانوني وحسابه مع تمارين محلولة — العلوم الفيزيائية — الأولى ثانوي — المنهاج الجزائري

الشغل في الفيزياء (Travail d une force)

أهداف الدرس:

• أن يتعرف المتعلم على مفهوم الشغل في الفيزياء.
• أن يميز بين الشغل الحركي والشغل المقاوم والشغل المعدوم.
• أن يحسب الشغل باستخدام العلاقة الرياضية المناسبة.
• أن يطبق مفهوم الشغل في مسائل فيزيائية متنوعة.

أولاً: مفهوم الشغل في الفيزياء

الشغل كمية فيزيائية يعبر عن الطاقة المنقولة عندما تؤثر قوة على جسم وتحركه مسافة معينة. يرمز للشغل بالحرف W (work) ويقاس بوحدة الجول (Joule) تكريماً للعالم الفيزيائي جيمس بريسكوت جول.

يختلف مفهوم الشغل في الفيزياء عن المفهوم اليومي، فالشغل في الفيزياء يعني بالضرورة وجود إزاحة (حركة) تحت تأثير قوة.

ثانياً: العلاقة الرياضية للشغل

عندما تؤثر قوة F ثابتة على جسم وتزاح بمسافة d، فإن الشغل W يعطى بالعلاقة التالية:

W = F x d x cos θ

حيث:

• W: الشغل بالجول (J)
• F: القوة المؤثرة بالنيوتن (N)
• d: المسافة التي يقطعها الجسم بالمتر (m)
• θ: الزاوية بين اتجاه القوة واتجاه الإزاحة

ثالثاً: أنواع الشغل

1. الشغل الحركي (الموجب):

عندما تكون الزاوية θ = 0° فإن cos 0 = 1، ويكون الشغل موجباً أي أن القوة تساعد على الحركة. مثال: دفع صندوق على أرضية أفقية.

2. الشغل المقاوم (السالب):

عندما تكون الزاوية θ = 180° فإن cos 180 = -1، ويكون الشغل سالباً أي أن القوة تعيق الحركة. مثال: قوة الاحتكاك التي تعيق حركة صندوق.

3. الشغل المعدوم:

عندما تكون الزاوية θ = 90° فإن cos 90 = 0، ويكون الشغل معدومًا. أي أن القوة عمودية على الإزاحة ولا تؤثر فيها. مثال: شخص يحمل حقيبة ويمشي أفقياً (القوة رأسية والإزاحة أفقية).

تمارين محلولة:

التمرين الأول: يسحب عامل صندوقاً بقوة مقدارها 50 N على أرضية أفقية لمسافة 10 m، بحيث تصنع القوة زاوية 30° مع الأفقي. احسب الشغل الذي تبذله القوة.

الحل: W = F x d x cos θ = 50 x 10 x cos 30° = 50 x 10 x 0.866 = 433 J

التمرين الثاني: يرفع رجل جسماً كتلته 20 kg إلى ارتفاع 2 m. احسب الشغل الذي يبذله الرجل، علماً أن g = 10 N/kg.

الحل: القوة اللازمة لرفع الجسم F = m x g = 20 x 10 = 200 N. الإزاحة رأسية للأعلى، والزاوية θ = 0°. إذن: W = 200 x 2 x cos 0 = 200 x 2 x 1 = 400 J

الخلاصة:

الشغل كمية فيزيائية هامة مرتبطة بنقل الطاقة، وهو إما حركي (موجب) أو مقاوم (سالب) أو معدوم (صفر). العلاقة W = F x d x cos θ أساسية لحساب الشغل في مختلف الحالات الفيزيائية.