الاختبار الأول في العلوم الفيزيائية للفصل الأول، السنة الثانية متوسط
المدة: ساعتان (2 س) المحاور: التحول الكيميائي: المتفاعلات والنواتج ومعادلة التفاعل، النموذج الجزيئي للمادة: الذرة والجزيء والصيغة الكيميائية، انحفاظ الكتلة خلال التحول الكيميائي، احتراق الكربون والميثان والكشف عن ثنائي أكسيد الكربون، التيار الكهربائي المستمر: شدة التيار والتوتر الكهربائي، الدارة على التسلسل وعلى التفرع: قانون الجمع وقانون العقدة، قياس شدة التيار والتوتر الكهربائي
التمرين الأول: احتراق الكربون (6 نقاط)
في حصة الأعمال المخبرية أحرق الأستاذ مراد قطعة من الفحم (الكربون $C$) داخل دورق مغلق يحتوي على غاز ثنائي الأكسجين $O_2$، فتشكّل غاز ثنائي أكسيد الكربون $CO_2$.
كتلة الكربون المحترق $m(C)=3$ g، وكتلة ثنائي الأكسجين المستهلك $m(O_2)=8$ g.
- حدّد المتفاعلات والنواتج في هذا التحول الكيميائي. (1 ن)
- اكتب معادلة التفاعل بالكلمات ثم بالرموز الكيميائية. (1 ن)
- أ) اذكر قانون انحفاظ الكتلة. (0,5 ن)
ب) احسب كتلة ثنائي أكسيد الكربون $m(CO_2)$ الناتجة. (1 ن)
- كيف نكشف عن غاز ثنائي أكسيد الكربون في المخبر؟ اذكر الملاحظة. (0,5 ن)
- نعتبر 5 جزيئات من ثنائي أكسيد الكربون $CO_2$.
أ) كم ذرة كربون وكم ذرة أكسجين تحتوي هذه الجزيئات؟ (1 ن)
ب) كم جزيئة من ثنائي الأكسجين $O_2$ استُهلكت لتشكيلها؟ علّل. (1 ن)
الحل وسلم التنقيط
حل التمرين الأول (6 ن)
- المتفاعلات والنواتج (1 ن):
- المتفاعلات: الكربون $C$ وثنائي الأكسجين $O_2$ (0,5 ن).
- الناتج: ثنائي أكسيد الكربون $CO_2$ (0,5 ن).
- معادلة التفاعل (1 ن):
- بالكلمات: كربون + ثنائي الأكسجين ⟶ ثنائي أكسيد الكربون (0,5 ن).
- بالرموز: $C + O_2 \longrightarrow CO_2$ (0,5 ن).
- أ) قانون انحفاظ الكتلة (0,5 ن): خلال التحول الكيميائي تنحفظ الكتلة، أي أن مجموع كتل المتفاعلات يساوي مجموع كتل النواتج.
ب) حساب الكتلة (1 ن):
$$m(CO_2)=m(C)+m(O_2)$$ (0,5 ن)
$$m(CO_2)=3+8=11\ \text{g}$$ (0,5 ن)
- الكشف (0,5 ن): نمرر الغاز في رائق الكلس (ماء الجير) فيتعكر ويصبح حليبيا.
- أ) عدد الذرات (1 ن): كل جزيئة $CO_2$ تحتوي ذرة كربون واحدة وذرتي أكسجين. إذن 5 جزيئات تحتوي:
- 5 ذرات كربون (0,5 ن)
- 10 ذرات أكسجين (0,5 ن)
ب) عدد جزيئات $O_2$ (1 ن): كل جزيئة $O_2$ تحتوي ذرتي أكسجين، وتحتاج 10 ذرات أكسجين إلى $10\div 2=5$ جزيئات $O_2$ (0,5 ن). تنحفظ الذرات خلال التحول (لا تفنى ولا تُستحدث)، فعدد ذرات الأكسجين في المتفاعلات يساوي عددها في النواتج (0,5 ن).
التمرين الثاني: الدارة الكهربائية على التسلسل وعلى التفرع (6 نقاط)
ركّبت أمينة دارة كهربائية على التسلسل تضم مولدا توتره بين طرفيه $U_G=6$ V، ومصباحين $L_1$ و$L_2$، وقاطعة. يشير مقياس الأمبير المربوط بين المولد والمصباح $L_1$ إلى القيمة $150$ mA.
الجزء الأول: الدارة على التسلسل
- ارسم مخطط هذه الدارة مستعملا الرموز النظامية (مولد، قاطعة، مصباحان، مقياس أمبير). (1 ن)
- حوّل $150$ mA إلى الأمبير (A)، ثم استنتج شدة التيار المار في المصباح $L_2$. (1 ن)
- قيس التوتر بين طرفي المصباح $L_1$ فوُجد $U_1=2{,}5$ V. احسب التوتر $U_2$ بين طرفي المصباح $L_2$ مع ذكر القانون المستعمل. (1 ن)
الجزء الثاني: الدارة على التفرع
تربط أمينة المصباحين نفسيهما $L_1$ و$L_2$ على التفرع مع المولد نفسه. شدة التيار في الفرع الرئيسي $I=0{,}50$ A، وشدة التيار في فرع المصباح $L_1$ هي $I_1=0{,}30$ A.
- احسب شدة التيار $I_2$ المار في فرع المصباح $L_2$ مع ذكر القانون المستعمل. (1 ن)
- ما قيمة التوتر بين طرفي كل مصباح؟ علّل. (1 ن)
- كيف يُربط كل من مقياس الأمبير ومقياس الفولت في الدارة لقياس شدة التيار والتوتر على الترتيب؟ (1 ن)
الحل وسلم التنقيط
حل التمرين الثاني (6 ن)
الجزء الأول
- المخطط (1 ن): مولد وقاطعة ومصباحان $L_1$ و$L_2$ ومقياس أمبير، كلها في حلقة واحدة مغلقة على التسلسل. الرموز النظامية صحيحة (0,5 ن)، والتركيب على التسلسل في حلقة واحدة (0,5 ن).
- التحويل (1 ن):
$$150\ \text{mA}=150\times 10^{-3}=0{,}15\ \text{A}$$ (0,5 ن)
في الدارة على التسلسل شدة التيار واحدة في كل نقاط الدارة، إذن $I_2=0{,}15$ A (0,5 ن).
- حساب $U_2$ (1 ن): قانون جمع التوترات في الدارة على التسلسل: توتر المولد يساوي مجموع التوترات بين طرفي المصباحين (0,5 ن).
$$U_G=U_1+U_2 \Rightarrow U_2=6-2{,}5=3{,}5\ \text{V}$$ (0,5 ن)
الجزء الثاني
- حساب $I_2$ (1 ن): قانون العقدة: شدة التيار في الفرع الرئيسي تساوي مجموع شدتي التيار في الفرعين (0,5 ن).
$$I=I_1+I_2 \Rightarrow I_2=0{,}50-0{,}30=0{,}20\ \text{A}$$ (0,5 ن)
- التوتر (1 ن): في الدارة على التفرع التوتر بين طرفي كل فرع يساوي التوتر بين طرفي المولد، أي $U_1=U_2=6$ V (0,5 ن لكل من التعليل والقيمة).
- كيفية الربط (1 ن):
- مقياس الأمبير يُربط على التسلسل مع العنصر المراد قياس شدة التيار فيه (0,5 ن).
- مقياس الفولت يُربط على التفرع (على التوازي) بين طرفي العنصر المراد قياس التوتر بين طرفيه (0,5 ن).
الوضعية الإدماجية: الأمان في المنزل (8 نقاط)
في ليلة باردة من شهر ديسمبر شغّلت عائلة كريم مدفأة تعمل بالغاز الطبيعي (الميثان $CH_4$) في غرفة مغلقة النوافذ. بعد ساعة شعر كريم بصداع وتعب. أخبره جاره المهندس عمر أن نقص التهوية يؤدي إلى احتراق غير تام ينتج غاز أحادي أكسيد الكربون $CO$ السام، ونصحه بتركيب جهاز إنذار.
الجزء الأول: احتراق الميثان
معادلة الاحتراق التام للميثان غير موزونة:
$$CH_4 + O_2 \longrightarrow CO_2 + H_2O$$
عند احتراق $1{,}6$ g من الميثان مع $6{,}4$ g من ثنائي الأكسجين تتشكل كتلة $4{,}4$ g من ثنائي أكسيد الكربون وكتلة من بخار الماء.
- أعد كتابة المعادلة السابقة موزونة. (1,5 ن)
- احسب كتلة بخار الماء الناتجة مع ذكر القانون المستعمل. (1,5 ن)
- كم جزيئة ماء تتشكل من احتراق 5 جزيئات من الميثان؟ علّل. (1 ن)
- فسّر سبب شعور كريم بالصداع، واقترح إجراءين للوقاية. (1 ن)
الجزء الثاني: دارة جهاز الإنذار
يضم جهاز الإنذار الذي ركّبه عمر مولدا توتره $9$ V، وجرسا ومصباحا مربوطين على التفرع. يمر في الفرع الرئيسي تيار شدته $0{,}35$ A، وفي فرع الجرس تيار شدته $200$ mA. يحمي الدارةَ صهيرٌ يتحمل تيارا أقصى شدته $0{,}40$ A.
- احسب شدة التيار المار في فرع المصباح بالأمبير. (1 ن)
- ما التوتر بين طرفي الجرس؟ علّل. (0,5 ن)
- أراد عمر إضافة مصباح ثان مماثل للأول على التفرع. هل يبقى الصهير سليما؟ برّر إجابتك بحساب. (1,5 ن)
الحل وسلم التنقيط
حل الوضعية الإدماجية (8 ن)
الجزء الأول
- موازنة المعادلة (1,5 ن):
$$CH_4 + 2\,O_2 \longrightarrow CO_2 + 2\,H_2O$$
- موازنة ذرات الهيدروجين: 4 ذرات في كل طرف (0,5 ن).
- موازنة ذرات الأكسجين: 4 ذرات في كل طرف (0,5 ن).
- المعادلة النهائية صحيحة (0,5 ن).
- كتلة بخار الماء (1,5 ن): قانون انحفاظ الكتلة: مجموع كتل المتفاعلات يساوي مجموع كتل النواتج (0,5 ن).
$$m(CH_4)+m(O_2)=m(CO_2)+m(H_2O)$$ (0,5 ن)
$$m(H_2O)=1{,}6+6{,}4-4{,}4=3{,}6\ \text{g}$$ (0,5 ن)
- عدد جزيئات الماء (1 ن): حسب المعادلة الموزونة تعطي جزيئة ميثان واحدة جزيئتي ماء (0,5 ن). إذن 5 جزيئات ميثان تعطي $5\times 2=10$ جزيئات ماء (0,5 ن).
- التفسير والوقاية (1 ن):
- التفسير: الغرفة مغلقة فنقص ثنائي الأكسجين أدى إلى احتراق غير تام، فتشكل غاز $CO$ السام الذي سبب الصداع والتعب (0,5 ن).
- إجراءان للوقاية، مثل: تهوية الغرفة بفتح النوافذ، وإطفاء المدفأة عند النوم، وصيانة المدفأة دوريا، ويُقبل أي إجراءين صحيحين (0,5 ن).
الجزء الثاني
- شدة التيار في فرع المصباح (1 ن): $200$ mA $=0{,}20$ A (0,5 ن).
قانون العقدة: $I=I_{\text{جرس}}+I_{\text{مصباح}}$ ومنه
$$I_{\text{مصباح}}=0{,}35-0{,}20=0{,}15\ \text{A}$$ (0,5 ن)
- التوتر بين طرفي الجرس (0,5 ن): في الدارة على التفرع التوتر بين طرفي كل فرع يساوي توتر المولد، إذن $U=9$ V.
- إضافة مصباح ثان (1,5 ن): المصباح الجديد مماثل للأول وتحت التوتر نفسه، فشدة التيار المارة فيه $0{,}15$ A (0,5 ن). شدة التيار الجديدة في الفرع الرئيسي:
$$I'=0{,}35+0{,}15=0{,}50\ \text{A}$$ (0,5 ن)
بما أن $0{,}50\ \text{A}>0{,}40\ \text{A}$ فإن الصهير ينصهر ولا يبقى سليما، ويجب اختيار صهير يتحمل شدة أكبر أو عدم إضافة المصباح (0,5 ن).