الثانوية العامة 2026الاستعلام عن النتيجةاعرف الكليات المناسبة لمجموعكتنسيق 2026

الفيزياء · الصف الثاني الثانوي · الترم الأول

البندول البسيط

القوة الرادة في البندول البسيط (المركبة المماسية للوزن)، وتقريب الزاوية الصغيرة، واشتقاق الزمن الدوري T = 2π√(L/g)، ولماذا لا يعتمد على كتلة الثقل ولا على السعة الصغيرة، واستخدام البندول لقياس عجلة الجاذبية.

آخر تحديث: · كيف نراجع المحتوى

أهداف التعلم

  • أن تحدد القوة الرادة في البندول البسيط وتحللها.
  • أن تستخدم تقريب الزاوية الصغيرة لتبين أن حركة البندول توافقية بسيطة تقريبًا.
  • أن تحسب الزمن الدوري من T=2πL/gT = 2\pi\sqrt{L/g}.
  • أن تفسر لماذا لا يعتمد الزمن الدوري على الكتلة ولا على السعة الصغيرة، وتستخدم البندول لقياس gg.

شرح الدرس

البندول البسيط

البندول البسيط ثقل صغير كثيف معلق من نقطة ثابتة بخيط خفيف غير قابل للاستطالة. تؤثر في الثقل قوتان: الوزن mgmg رأسيًّا لأسفل، والشد في اتجاه الخيط.

القوة الرادة

عند إزاحة الثقل بزاوية θ\theta عن الرأسي نحلل الوزن إلى مركبتين: مركبة على امتداد الخيط، ومركبة مماسية للقوس مقدارها mgsin⁡θmg\sin\theta. المركبة المماسية وحدها تعيد الثقل نحو أخفض نقطة OO، فهي القوة الرادة:

F=−mgsin⁡θF = -mg\sin\theta

بندول بسيط طول خيطه L مزاح بزاوية ثيتا عن الرأسي؛ على الثقل سهم أحمر للوزن لأسفل، وسهم بنفسجي للشد على امتداد الخيط، وسهم أخضر للمركبة المماسية للوزن mg جا ثيتا يتجه على القوس نحو أخفض نقطة O

تقريب الزاوية الصغيرة

للزوايا الصغيرة (مقيسة بالراديان) يكون sin⁡θ≈θ\sin\theta \approx \theta. وإزاحة الثقل على القوس s=Lθs = L\theta، أي θ=sL\theta = \frac{s}{L}. إذن:

F≈−mgθ=−mgL sF \approx -mg\theta = -\frac{mg}{L}\,s

فالقوة الرادة تتناسب مع الإزاحة وعكسها، والحركة توافقية بسيطة تقريبًا بثابت فعال k=mgLk = \frac{mg}{L}.

الزمن الدوري: الكتلة تختصر

بالتعويض عن kk في T=2πm/kT = 2\pi\sqrt{m/k}:

T=2πmmg/L=2πLgT = 2\pi\sqrt{\frac{m}{mg/L}} = 2\pi\sqrt{\frac{L}{g}}

الكتلة تظهر في البسط والمقام فتختصر؛ لذلك لا يعتمد الزمن الدوري على كتلة الثقل، ويعتمد فقط على طول الخيط وشدة مجال الجاذبية. ولم تدخل السعة في الاشتقاق، فالزمن الدوري للاهتزازات الصغيرة مستقل عن السعة أيضًا، وهي خاصية «تساوي أزمنة الاهتزاز» التي اكتشفها جاليليو.

قياس عجلة الجاذبية

من العلاقة نفسها: g=4π2LT2g = \frac{4\pi^{2}L}{T^{2}}. نقيس زمن عدد كبير من الاهتزازات (مثل 20 اهتزازة) ثم نقسم على العدد، فيقل أثر خطأ بدء الساعة وإيقافها.

أمثلة وتطبيقات

نستخدم g=9.8g = 9.8 م/ث².

مثال 1: بندول طوله 1.0 م: T=2π1.09.8≈2.0T = 2\pi\sqrt{\frac{1.0}{9.8}} \approx 2.0 ث.

مثال 2 (أثر الطول): لكي يصبح الزمن الدوري 1.0 ث: L=gT24π2=9.8×139.5≈0.25L = \frac{g T^{2}}{4\pi^{2}} = \frac{9.8 \times 1}{39.5} \approx 0.25 م. لاحظ أن تقليل الطول إلى الربع نصّف الزمن الدوري، لأن T∝LT \propto \sqrt{L}.

مثال 3 (قياس gg): بندول طوله 0.56 م أتم 20 اهتزازة في 30 ث، فزمنه الدوري 1.5 ث، و:

g=4π2×0.561.52=39.5×0.562.25≈9.8\begin{aligned} g &= \frac{4\pi^{2} \times 0.56}{1.5^{2}} \\ &= \frac{39.5 \times 0.56}{2.25} \\ &\approx 9.8 \end{aligned}

مثال 4 (على سطح القمر): شدة الجاذبية على القمر نحو 1.6 نيوتن/كجم. البندول الذي طوله 1.0 م يصبح زمنه الدوري 2π1.01.6≈5.02\pi\sqrt{\frac{1.0}{1.6}} \approx 5.0 ث؛ أي أبطأ منه على الأرض بنحو مرتين ونصف.

ملاحظات مهمة

  • العلاقة T=2πL/gT = 2\pi\sqrt{L/g} تقريبية وتصلح للزوايا الصغيرة فقط (نحو 10° أو أقل)؛ عند الزوايا الكبيرة يزيد الزمن الدوري قليلًا.
  • LL هو الطول من نقطة التعليق إلى مركز الثقل.
  • الإزاحة على القوس ss تُقاس من أخفض نقطة OO، والقوة الرادة صفر عند OO.
  • بندول يُستخدم على قمة جبل (حيث gg أصغر قليلًا) يكون زمنه الدوري أكبر قليلًا.

المفاهيم الأساسية

  • القوة الرادة: F=−mgsin⁡θF = -mg\sin\theta (المركبة المماسية للوزن).
  • للزوايا الصغيرة: F≈−mgLsF \approx -\frac{mg}{L}s، فالحركة توافقية بسيطة تقريبًا.
  • T=2πL/gT = 2\pi\sqrt{L/g}: يعتمد على LL و gg فقط.
  • لا يعتمد الزمن الدوري على الكتلة ولا على السعة الصغيرة.
  • g=4π2L/T2g = 4\pi^{2}L / T^{2}.

ملخص الدرس

القوة التي تعيد البندول البسيط إلى موضع اتزانه هي المركبة المماسية لوزنه. وعندما تكون الزاوية صغيرة تتناسب هذه القوة مع الإزاحة على القوس، فتصبح الحركة توافقية بسيطة زمنها الدوري 2πL/g2\pi\sqrt{L/g}. تختصر الكتلة من العلاقة، ولا تدخل السعة فيها، فيتحدد زمن البندول بطول خيطه وبشدة الجاذبية فقط؛ ولذلك نستخدمه لقياس عجلة الجاذبية.

أسئلة للتدريب

  1. احسب الزمن الدوري لبندول طوله 0.40 م.
  2. إذا زاد طول البندول إلى أربعة أمثاله، ماذا يحدث لزمنه الدوري؟
  3. بندولان متساويان في الطول، ثقل أحدهما ضعف الآخر، أُزيحا بزاويتين صغيرتين مختلفتين. قارن بين زمنيهما الدوريين.
  4. بندول طوله 0.64 م أتم 20 اهتزازة في 32 ث. احسب قيمة gg.
  5. لماذا لا تصح العلاقة T=2πL/gT = 2\pi\sqrt{L/g} لبندول أُزيح بزاوية 60°؟
حلّ أسئلة هذا الدرساختبر فهمك بأسئلة اختيار من متعدد وأسئلة مقالية مع نموذج إجابة، أو خض اختبارًا تفاعليًا سريعًا
أبلغ عن خطأ في هذا الدرس