فصل 1 – انرژي:
اهداف آموزشي درس فيزيك در آزمايشگاه (1):مي دانيد كه علوم تجربي را مي توان به دو شاخه علوم فيزيكي و علوم زيستي تقسيم كرد.فيزي واژه اي يوناني و در لغت به معناي طبيعت است. بنابراين علم فيزيك، پديده هاي طبيعي را مورد بحث و بررسي قرار داده و در پي كشف راز و رمز اين پديده هاست. در اين شاخه از دانش بشر مي كوشد علت بروز هر پديده را دريابد و به كمك آن رفتار طبيعت را قانونمند ببيند كه در نتيجه از يك طرف رفتارهاي آينده طبيعت را پيش بيني مي كند و از طرف ديگر در فناوري و صنعت با ساخت ابزارها و ماشين ها ، زندگي را راحت تر و ايمن تر خواهد كرد.
علوم فيزيكي به مطالعه و بررسي پديده هاي مربوط به ماده و انرژي و رابطه ي آن ها با يكديگر مي پردازد و علوم زيستي همين پديده ها را در دنياي زنده مورد بررسي قرار مي دهد. در علوم فيزيكي، مفهوم ها بيشتر شامل موضوع هايي از فيزيك و شيمي است.

شما در اين درس با مباحثي چون : 1- ماهيت انرژي انواع آن ، منابع و بهينه سازي مصرف انرژي
2- دما و گرما، تعادل گرمايي
3- الكتريسته ، جسم رسانا و نارسانا، مولد، مقاومت الكتريكي، توان الكتريكي و بهاي انرژي الكتريكي
4- بازتاب نور، انتشار نور ، كانون آينه مقعر، محاسبه فاصله تصوير تا آينه ي مقعر
5- شكست نور ، زاويه ي حد ، ويژگي هاي عدسيهاي همگرا، محاسبه ي فاصله ي تصوير تا عدسي و ... آشنا مي شويد.

درس فيزيك 1 و آزمايشگاه جزء دروس عمومي متوسطه است بنابراين سعي شده است كه مبحث هايي از فيزيك كه يك شهروند به آن نياز بيشتري دارد انتخاب آورده شود. در واقع سعي شده است بخشهايي انتخاب شود كه دانش آموز را به تفكر وا دارد و با بررسي مسائل راه وروش حل آنها را كشف كند.


فصل 1 – انرژي: هنگامي كه به اطراف خود نگاه مي كنيم، با پديده هاي مختلفي مواجه مي شويم و سؤال هاي زيادي براي ما مطرح مي شود. با استفاده از علم فيزيك مي توان به اين پرسشها پاسخ داد. امروزه فيزدانان به بررسي و مطالعه پديده ها، از ذره هاي خيلي ريزي همچون اجزاي تشكيل دهنده اتم ها گرفته تا اجسام بسيار بزرگي همچون ستارگان و كهكشان ها مي پردازند. شكل هاي (1-1 تا 1-8) نمونه اي از نتايج پژوهش هاي گسترده فيزيك دانان را نشان مي دهد كه موجب دگرگوني بينش ما نسبت به جهان شده است.


تعريف انرژي:قابليت انجام كار يا ظرفيت انجام كار در يك جسم يا ماده انرژي آن جسم مي گويند.
منبع انرژي زمين نور خورشيد است. مقدار زيادي از انرژي مورد نياز زمين از نور خورشيد تأمين مي شود. اين انرژي لازم است به صورت هاي قابل استفاده در آيد.
انرژي و شما :بدن يك نوجوان روزانه به طور متوسط 12000 كيلوژول انرژي لازم دارد.
انرژي ذخيره شده در مواد غذايي با تغييرات شيميايي در آنها آزاد مي شود. با خوردن مواد غذايي و هضم آن ها در مواد غذايي تغييرات شيميايي رخ مي دهد و انرژي آنها آزاد مي شود.
انرژي مواد غذايي را با يكاي كيلوژول بر گرم KJ/g بيان مي كنند.
قابليت انجام كار به لحاظ انرژي كه در مواد شيميايي مختلف وجود دارد و انرژي شيميايي مي گويند.
بنزين و مواد سوختني انرژي را در پيوندهاي شيميايي خود ذخيره كرده اند.
انرژي مورد نياز بدن ما از طريق انرژي شيميايي مواد غذايي تأمين مي شود.
جدول زير انرژي شيميايي موجود در غذاها و سوخت هاي معمولي را بر حسب (kJ/g) نشان مي دهد.
آهنگ مصرف انرژي :مقدار انرژي است كه در يك زمان معين مصرف مي شود، به طور به هنگام خوابيدن در هر دقيقه 5 كيلو ژول انرژي مصرف مي شود.آهنگ مصرف انرژي را توان مصرف انرژي نيز مي نامند.



تمرين 1 :
الف) در ده دقيقه دوچرخه سواري با سرعت 21km/h چه مقدار انرژي مصرف مي شود؟
با جدول (1-2) آهنگ مصرف انرژي براي دو چرخه سواري با سرعت 21km/h برابر 42kJ/min تعيين شده است كه در اين صورت انرژي مصرف شده در ده دقيقه به صورت زير بدست مي آيد.

E=42×10=420khJ
يعني در ده دقيقه دوچرخه سواري 420 كيلوژول انرژي مصرف مي شود.

ب ) اگر بازده بدن شخص 15 درصد باشد، با خوردن چه مقدار شير اين انرژي براي او فراهم مي شود؟انرژي شيميايي موجود در شير 217kj/g مي باشد.


E=42kj
E / E0 = 15/100 => 420 / E0 = 15 / 100 => E 0 = 2800 KJ


براي انجام اين ورزش لازم است ورزشكار 2800kJ انرژي از شير بگيرد، پس :


m = E 0 / 2/7 = 2800 / 2/7 = 1037 gr => m = 1/037 kg

ورزشكار بايد 037/1 كيلوگرم شير بخورد تا بتواند انرژي ده دقيقه دوچرخه سواري را از شير كسب كند.

 

 

1-3- انرژي دروني :به مجموع انرژيهاي جنبشي و پتانسيل ذرات يك ماده انرژي دروني آن جسم گويند. هر گاه به ماده گرما بدهيم. انرژي دروني آن افزايش مي يابد در اثر مالش دو سطح بر روي يكديگر مقداري انرژي به انرژي دروني دو جسم تبديل مي شود كه به آن اصطلاحاً اصطكاك مي گويند. در واقع انرژي حاصل از اصطكاك كه به صورت گرما در مي آيد تلف نشده و فقط انرژي مكانيكي به انرژي دروني تبديل شده است.

تمرين 3 :
اتومبيلي به جرم 1000kg با سرعت
20m/s
(72km/h)
در حال حركت است.

اگر اتومبيل ترمز كند و متوقف شود. چه مقدار انرژي به انرژي دروني جاده و لاستيك ها تبديل مي شود؟وقتي اتومبيلي ترمز مي كند، تمام انرژي جنبشي اتومبيل به انرژي دروني جاده و لاستيك ها تبديل مي شود، يعني تغيير انرژي جنبشي اتومبيل برابر افزايش انرژي دروني جاده و لاستيك ها مي باشد.


Q = -
K = -(K2 - K2)
K1 = 1/2 mv2 = 1/2 * 1000 * 202 = 200000 J
K2 = 0
Q = -(0-200000) = 200000 J


قانون پايستگي انرژي , انرژي پتانسيل گرانشي و منابع انرژي و...
1-4 – قانون پايستگي انرژي :
انرژي يك جسم هيچ گاه از بين نمي رود و خود به خود نيز بوجود نمي آيد و همواره پايسته (ثابت) مي ماند، مگر اينكه مقداري از آن را به جسم ديگري بدهد و يا اينكه از جسم ديگر انرژي دريافت كند.
در حالي كه انرژي پايسته مي ماند، ممكن است از يك نوع به نوع ديگر تبديل شود.


تمرين 4:
در مثال 3، اگر در اثر ضربه، 5 ژول انرژي به توپ منتقل شود و جرم توپ 5/0 كيلوگرم باشد، سرعت آن چقدر مي شود؟
انرژي منتقل شده به توپ برابر انرژي جنبشي توپ در لحظه اي شروع حركت است ، پس :

 

 

 

 


1-5- انرژي پتانسيل گرانشي : هر گاه جسمي به جرم m را به ارتفاع h از سطح زمين بالا ببريم، كاري كه روي جسم انجام مي دهيم به صورت انرژي پتانسيل درآن ذخيره مي شود و اگر جسم به سطح اوليه خود باز گردد، همين مقدار كار را پس مي دهد. اين انرژي پتانسيل گرانشي گويند و از رابطه ي زير محاسبه مي گردد.

 

 

 

 


u=mgh
در رابطه بالا

M جرم جسم بر حسب كيلوگرم g شتاب گرانشي زمين كه برابر
9/8 /s2
است .

H ارتفاع از سطح زمين بر حسب متر v انرژي پتانسيل گرانشي جسم بر حسب ژول
در رابطه فوق g شتاب گرانشي زمين است

كه تقريباً در تمام نقاط و سطح زمين مقدار ثابت
9/8 m/s2
است.
را دارد كه تقريباً برابر
10 m /s2

درنظر گرفته مي شود. مقدار g در ارتفاع هاي بسيار زياد تغيير مي كند.
مثال :‌انرژي پتانسيل توپي به جرم 5/0 کيلوگرم كه در ارتفاع 2 متري سطح زمين قرار دارد چقدر است؟

 

 


تمرين 5
جرمي به جسم 200 گرم را با سرعت 10m/s در راستاي قائم به طرف بالا پرتاب مي كنيم. با ناديده گرفتن اتلاف انرژي،
الف : انرژي جنبشي آن در لحظه ي پرتاب چقدر است؟

ب) جسم تاچه ارتفاعي بالا مي رود؟اگر از مقاومت هوا صرف نظر شود در هر لحظه انرژي جنبشي به انرژي پتانسيل تبديل مي گردد و در نقطه اي اوج كه جسم براي يك لحظه ساكن مي شود و تمام انرژي جنبشي به انرژي پتانسيل تبديل شده است پس مي توان نوشت :


V 1= 0
K1= 1/2 m V0

 

 


يعني جسم تا ارتفاع 5 متر بالا مي رود.

 



پ ) سرعت توپ در نيمه ي راه چقدر است؟اگر انرژي پتانسيل و انرژي جنبشي گلوله در نيمه راه k3,v3 باشد، مي توان نوشت :


V2 = V3 + K3
mgh = mg(h/2) + 1/2 m V23
0/2×10 × 5×= 0/2×10× 2/5 + 1/2 ×0/2 × V23 => V3 = 5?2 m/s


در تعيين انرژي پتانسيل گرانشي يك جسم انتخاب سطح پتانسيل صفر بسيار مهم است. اگر سطح زمين را پتانسيل صفر در نظر بگيريم، هر جسمي كه بالاتر از سطح زمين است داراي انرژي پتانسيل مثبت و هر جسمي كه پائين تر از سطح زمين است داراي پتانسيل منفي است.

 

1-6 – انرژي پتانسيل كشساني


در شكل بالا گلوله با سرعت V به فنر افقي برخورد كرده و آن را فشرده مي كند. در اين حركت انرژي جنبشي گلوله به فنر منتقل شده و در آن به صورت انرژي پتانسيل كشساني ذخيره مي شود پس از اينكه گلوله متوقف شد. انرژي پتانسيل كشساني فنر باعث مي شود گلوله اين بار بر خلاف جهت قبلي شروع به حركت كند و انرژي پتانسيل كشساني فنر به انرژي جنبشي در گلوله تبديل مي گردد. اگر از اصطكاك صرف نظر شود، بر اساس قانون پايستگي انرژي، سرعت جدا شدن گلوله از فنر برابر سرعت برخورد گلوله با فنر خواهد بود.


انرژي پتانسيل ذخيره شده در فنر را انرژي پتانسيل كشساني مي گويند.
1-8- منابع انرژي :منابع انرژي به دو دسته تجديد پذير و تجديد ناپذير تقسيم مي شوند. انرژيهاي تجديد ناپذير فقط يكبار قابليت مصرف دارند، اما انرژيهاي تجديد پذير تمام نمي شوند. برخي از اين منابع عبارتند از :
الف – انرژي خورشيدي، باد، امواج دريا، انرژي هيدروالكتريك (برق آبي)، انرژي زمين گرمايي، سوخت هاي گياهي (بيومس)

 

 

 

الف – منابع انرژيهاي تجديد ناپذيراين انرژيها فقط يكبار قابليت مصرف دارند.
منابع انرژي محدود است و پس از مدتي تمام مي شود
سوخت هاي فسيلي و سوخت هاي هسته اي از منابع انرژي تجديد ناپذير هستند

سوخت هاي فسيلي ( منابع انرژي تجديد ناپذير) :
1.سوخت هاي فسيلي چگونه تشكيل مي شوند؟ به چه كاربردي در صنايع پالايش دارند؟
جواب :
تنه هاي پوسيده درختان و باقي مانده ي جانوران در زير گل و لاي در طي ميليون ها سال تحت فشار و دماي مناسب به زغال سنگ نفت و گاز تبديل مي شوند كه به آنها سوخت هاي فسيلي مي گويند.
با استفاده از سوخت هاي فسيلي هزاران ماده چون قطران، بنزين، نفت سفيد، نفت ، گاز ، روغن موتور، رنگ ، كود شيميايي، دارو، پلاستيك و حتي غذا در صنايع پالايش و پتروشيمي بدست مي آيد.

2 – سوخت هسته اي چيست و چگونه از آن استفاده مي شود؟
جواب :
الف) هسته اتمهاي سنگين مانند اورانيوم و توريسم مي توانند با واكنش شكافت هسته اي انرژي زيادي را آزاد كنند. به اين مواد سوخت هسته اي مي گويند.

ب ) در واكنش شكافت هسته اي، هسته ي اتم سنگين بر اثر واكنش با نوترون به دو هسته ي سبك تر شكافته مي شود و گرماي زياد آزاد مي شود. اين واكنش معمولاً در راكتور هسته اي انجام مي شود.


3 – راكتور هسته اي چيست؟كوره اي كه سوخت آن ماده ي شكافت پذير است مانند اورانيوم


4 – استفاده از سوخت هاي هسته اي چه مشكلاتي دارد؟
جواب

الف. مقدار عناصر شكافت پذير محدود و تمام شدني است.
ب : بهره برداري از راكتورهاي هسته اي مشكل و پرهزينه مي باشد.
پ : سوخت هاي هسته اي (هسته ي اتم هاي شكافت پذير) پرتو او بسيار خطرناك است.
ت: محصولات حاصل از شكافت شديداً پرتوزا نگهداري و دفن آنها از نظر زيست محيطي بسيار مشكل و پرهزينه است.
ث: حوادث راكتورها خطرناك است و در صورت وقوع محيط زيست آلوده مي شود.


منابع انرژي تجديد پذير و تجديد ناپذير
منابع انرژي تجديد پذير :
• منابع انرژي تجديد پذير تمام نمي شوند.
• منابع معمولاً محيط زيست را آلوده نمي كنند
• منابع انرژي چون انرژي خورشيدي و ... از جمله منابع انرژي تجديد پذير مي باشند.
منابع انرژي تجديد پذير :• منابع انرژي تجديد پذير تمام نمي شوند.
• منابع معمولاً محيط زيست را آلوده نمي كنند
• منابع انرژي چون انرژي خورشيدي و ... از جمله منابع انرژي تجديد پذير مي باشند.
انرژي خورشيد :
1 – انرژي كه زمين از خورشيد مي گيرد چه مي شود؟
نيمي از اين انرژي به سطح زمين و آب اقيانوسها مي رسد و آب و هواي زمين را گرم مي كند و مقداري از آن بر اثر فتوسنتز به صورت انرژي شيميايي جذب گياهان و سبب گرم شدن آنها مي شود.

 

 


 

 


2 – مقدار كل انرژي دريافتي زمين از خورشيد چقدر است؟در هر ثانيه معادل انرژي حاصل از سوختن سه ميليون تن بنزين است.

3- روش هاي بهره گيري از انرژي خورشيدي را بنويسيد.الف) استفاده از صفحه هاي خورشيدي در آب گرم كن ها با دماي كم كه نور خورشيد را به انرژي گرمايي تبديل مي كند.
ب) استفاده از آينه هاي مقعر بزرگ در كوره هاي خورشيدي كه پرتوهاي خورشيد در ناحيه اي كوچك متمركز مي شود. از اين روش مي توان براي تبديل آب به بخار در يك نيروگاه برق استفاده كرد.
پ) استفاده از سلول هاي خورشيدي كه نور خورشيد را مستقيماً به الكتريسته تبديل مي كنند. از اين روش مي توان انرژي لازم براي دستگاههاي برقي ، مخابراتي و ماهواره ها را تهيه كرد.



ب : انرژي باد :
از انرژي باد چگونه استفاده مي شود؟
توربين هاي بادي نيروگاههاي بادي و پره هاي بزرگ آسياهاي بادي را در مسير باد قرار مي دهند تا پره هاي آنها را به گردش در آورد. اما توربين هاي بادي معمولاً پر سر و صدا هستند و منظره هاي طبيعي را خراب مي كنند. بنابراين طرفداران محيط زيست با استفاده از اين نيروگاهها مخالفند.

 

 


ج) انرژي امواج دريا :
1. از انرژي امواج دريا چگونه استفاده مي شود؟
افت و خير امواج دريا را به كمك نوعي مبدل مي توان به انرژي الكتريكي تبديل كرد. شكل (1-18) طرحي از چگونگي مهار انرژي امواج دريا را مشاهده مي كنيد.

 

 


ت ) انرژي هيدرو الكتريك( برق آبي) :
1. انرژي هيدروالكتريك چيست؟
جمع آوري آب از ارتفاع زياد به سطح پائين تر در پشت يك سد براي راه اندازي توربين آبي متصل به يك مولد برق را انرژي هيدروالكتريك (برق آبي) مي گويند.
بيشتر نيروگاهها در مناطقي ساخته مي شوند كه آب كافي دارند و ميزان بارندگي ساليانه در آنها بيشتر از نقاط ديگر است.



2. استفاده از سدهاي آبي چه مشكلاتي دارد؟الف) زمين هاي منطقه ي پشت سد به زير آب مي رود
ب) زيستگاه منطقه عوض مي شود.




ث) انرژي زمين گرمايي:
1. منظور از انرژي زمين گرمايي چيست؟ و در چه مناطقي مي توان از آن استفاده كرد؟
گرماي موجود در زير سطح كره زمين انرژي زمين گرمايي مي گويند. در مناطقي كه به عنوان محل آتش فشان يا زلزله شناخته مي شوند مي توان ازاين انرژي استفاده كرد.


2. چگونه از انرژي زمين گرمايي استفاده مي شود؟در يك سيستم آب سرد از طريق مجرايي به طرف صخره هاي داغ در عمق زمين مي رود و از طريق مجرايي ديگر به صورت آب گرم يا بخار خارج مي شود كه از آن براي گرم كردن خانه ها و يا به راه انداختن توربين بخار استفاده مي شود.
انرژي زمين گرمايي در صورتي تجديد پذير محسوب مي شود كه انرژي كه از آن برداشته مي شود. بيش از انرژي اي نباشد كه از طريق مركز جايگزين مي شود همچنين مقدار آب تزريق شده و آب خارج شده برابر باشد.



ج) سوخت هاي گياهي (بيومس)‌:
1. سوخت هاي گياهي (بيومس) شامل چه سوخت هايي مي باشند؟
اين سوخت ها شامل محصولات زراعي، بقاياي محصولات گياهان طبيعي، فضولات حيوانات و فاضلاب هاي انساني مي باشد.


2 – چگونه ازسوخت هاي گياهي استفاده مي شود؟با تخمير سوخت هاي گياهي توسط آنزيم ها و يا تجزيه آن ها توسط باكتريها در نبود هوا مي توان مواد سوختي از قبيل الكل و گاز متان توليد كرد و سوخت هاي گياهي مايع را مي توان به جاي بنزين استفاده كرد.

3 – مزاياي استفاده از سوخت هاي گياهي مايع به جاي بنزين چيست؟انرژي سوخت هاي گياهي مايع 50 درصد كمتر از بنزين است. ولي سرب و گوگرد ندارند و در اثر سوختن آنها آلودگي كمتري ايجاد مي شود.


4 – زيست گاز چيست؟مخلوطي از متان و كربن دي اكسيد و با انرژي حدود 70 درصدگاز طبيعي است.


1-8 – بهينه سازي مصرف انرژي :به هنگام استفاه از انرژيهايي كه در دسترس داريم، قسمتي از آنها به صورت انرژي دروني درآمده و به اصطلاح تلف مي شود. به طور مثال در موتور اتومبيل اصطكاك قسمت قابل توجهي از انرژي را به صورت گرما در مي آورد. براي استفاده از اين انرژي بايد موارد زير را بكار گرفت:
1. استفاده از وسايل نقليه ي عمومي
2. عايق بندي بهتر ساختمانها
3. استفاده از موتورهايي كه راندمان بالاتري دارند.
4. استفاده درست از انرژي الكتريكي
5. با استفاده ي مناسب از منابع كشاورزي و منابع طبيعي، انرژي شيميايي در گياهان و طبيعت وجود دارد را حفظ كنيم.
انرژي الكتريكي چيست؟
قابليت انجام كار به وسيله جريان الكتريكي را انرژي الكتريكي مي گويند. وقتي وسايل برقي روشن مي شوند، انرژي الكتريكي به انرژي مكانيكي تبديل مي شود و يا در يك لامپ روشن انرژي الكتريكي به انرژي نوراني و حرارتي تبديل مي شود.

واژه ها و فرمول هاي كليدي :1 – قابليت انجام كار يا ظرفيت انجام كار را انرژي آن جسم مي گويند و در SI يكاي اندازه گيري آن ژول است.
2- قابليت انجام كار به لحاظ انرژي اي كه در مواد شيميايي مختلف وجود دارد را انرژي شيميايي مي گويند. در SI يكاي اندازه گيري آن KJ/g مي باشد.
3 – آهنگ مصرف انرژي ، مقدار انرژي است كه در يك زمان معين مصرف مي شود (توان مصرف انرژي) . در SI يكاي اندازه گيري آهنگ مصرف انرژي kj\min مي باشد.
4 – انرژي يك جسم متحرك را انرژي جنبشي مي گويند.
5 – به مجموع انرژيهاي جنبشي . پتانسيل ذرات يك ماده انرژي آلي آن جسم مي گويند.
6- در حالي كه انرژي پايسته مي ماند، ممكن است از يك نوع به نوع ديگر تبديل شود (قانون پايستگي انرژي)
7 – انرژي ذخيره شده در يك جسم به خاطر اختلاف سطح با زمين را انرژي پتانسيل گرانشي مي گويند.
8 – انرژي ذخيره شده در فنر را انرژي پتانسيل كشساني مي گويند.
9 – منابع انرژي به دو دسته ي تجديد پذير و تجديد ناپذير تقسيم مي شوند.
10 – منابع انرژي كه فقط يكبار قابليت مصرف دارند را تجديد ناپذير مي گويند (سوخت هاي فسيلي)
11 – منابع انرژي اي كه تمام نمي شوند را تجديد پذير مي گويند (انرژي خورشيد)

 


1-2 – انرژي جنبشي :انرژي يك جسم متحرك را انرژي جنبشي مي گويند. اين انرژي با جسم متناسب و با مجذور سرعت جسم نيز متناسب است و از رابطه ي زير محاسبه مي شود:
در اين رابطه k= 1/2 m v2
M جرم جسم بر حسب كيلوگرم (kg)
V سرعت جسم بر حسب متر بر ثانيه( K(m/s ، انرژي جنبشي جسم بر حسب ژول (J) براي تبديل يكاي Km/h به متر بر ثانيه و بالعكس به صورت زير عمل مي كنيم .

Km/h × /13/6 m/s
m/s × /13/6 km/h
نكته :‌انرژي جنبشي يك جسم با جرم جسم و مجذور سرعت آن نسبت مستقيم دارد. اگر جرم جسم دو برابر شود . انرژي جنبشي دو برابر و اگر سرعت جسم دو برابر شود، انرژي جنبشي آن چهار برابر مي شود.
تمرين 2 :
گلوله اي به جرم 100g و انرژي جنبشي 20j با سرعت ثابت در حال حركت است. سرعت اين گلوله چقدر است ؟
ابتدا جرم را به كيلوگرم تبديل مي كنيم

 

 

 

 

فرمول ها:

(مقدار انرژی در هر گرم بر حسب kJ / g)

* (جرم بر حسب گرم)

= مقدار انرژی یک ماده غذایی

مقدار انرژی لازم برای یک فعالیت

k = 1/2 mv2

= انرژی جنبشی

(زمان بر حسب دقیقه)

( KJ/MIN آهنگ مصرف بر حسب انرژی ) *

V = mgh

= انرژی پتانسیل

E = K+V

= انرژی مکانیکی

E1 = E2 =>

K 1+V1=K2+V2

(پایستگی انرژی)


پاسخ دهيد وتمرينات پاياني فصل 1 : (انرژي)
1 – توپي را كه در روي زمين است و حركت مي كند، در نظر بگيريد. سرعت توپ رفته رفته كم شده و بالاخره متوقف مي شود.انرژي جنبشي توپ كجا رفته است؟
اصطكاك عاملي است كه باعث توقف توپ مي گردد و در اثر اصطكاك انرژي جنبشي توپ تبديل به انرژي دروني در توپ و زمين مي گردد.

2 – در فصل سوم كتاب علوم تجربي سال اول راهنمايي با اثرگرما بر حالت مواد آشنا شديد. با توجه به آنچه تاكنون فرا گرفته ايد حالت هايي را نام ببريد كه :
الف – افزايش انرژي دروني جسم بصورت گرمتر شدن آن ظاهر مي شود.
ب- افزايش انرژي دروني جسم بصورت گرمتر شدن آن ظاهر نمي شود.

الف) ميله اي فلزي را گرم مي كنيم تا دماي آن از °20 (سانتي گراد) به °80 برسد. با گرم كردن ميله انرژي دروني آن افزايش مي يابد و دماي آن از 20ْ C درجه به 80ْ C مي رسد.
ب) مخلوط آب و يخ را گرم مي كنيم تا زماني كه تمام يخ ذوب نشده است ، دماي آب و يخ صفر درجه سانتي گراد است. اين نشان مي دهد كه پدديده ي ذوب يك فرآيند گرماگير است و با گرفتن گرما در دماي ثابت انرژي دروني جسم افزايش يافته و از حالت جامد به مايع تبديل مي شود.


3- الف – فرض كنيد توپي را بدين راه‌، مثلاً نقطه C در شكل (1-10) متوقف كنيم. اگر آن را رها كنيم حركت توپ چگونه خواهد بود. آيا مي توان گفت كه در نقطه C توپ داراي انرژي پتانسيل گرانشي است ؟ شكل (1-10( ص 13الف – هر گاه توپ تا نقطه ي cبالا برده شود در آن انرژي پتانسيل گرانشي نسبت به سطح زمين ذخيره مي گردد هر گاه آن را در نقطه Cرها كنيم. به لحاظ انرژي پتانسيلي كه دارد، به طرف پائين حركت مي كند و هر لحظه انرژي پتانسيل آن به انرژي جنبشي تبديل مي گردد.
انرژي پتانسيل توپ در نقطه c برابر (u=mgh) مي باشد كه hc ارتفاع قائم نقطه ي c تا سطح زمين مي باشد.

ب) فرض كنيم در شكل (1-10) اصطكاك وجود نداشته باشد آيا توپ مي تواند بالاتر از نقطه B برود؟
وقتي توپ سطح شيبدار را بالا مي رود. قسمتي از آن انرژي صرف غلبه بر اصطكاك مي گردد. به صورت انرژي دروني در مي آيد تا به نقطه B برسد. حال اگر سطح بدون اصطكاك باشد، در نقطه B توپ باز همه انرژي جنبشي خواهد داشت و مي تواند از اين نقطه نيز بالاتر برود.

4 – در شكل (1-13) هنگاميكه گلوله در نقطه C بين دو نقطه A,B قرار دارد. آيا انرژي پتانسيل در فنر ذخيره شده است؟ آيا گلوله داراي انرژي جنبشي است؟در نقطه c قسمتي از انرژي جنبشي گلوله به صورت انرژي پتانسيل كشساني در فنر تبديل مي گردد و چون گلوله هنوز متوقف نشده است، داراي انرژي جنبشي است.


ب) فرض كنيد پس از برخورد گلوله با فنر، گلوله فنر بچسبد، حركت بعدي گلوله را توصيف كنيد و تبديل هاي انرژي را با استفاده از قانون پايستگي انرژي توضيح دهيد.
اگر گلوله به فنر بچسبد، در دستگاه فنر و گلوله انرژي پتانسيل كشساني به انرژي جنبشي بالعكس تبديل مي شوند و چون سطح داراي اصطكاك است. رفته رفته انرژي دستگاه به انرژي دروني تبديل مي شود و پس از چند حركت رفت و برگشت گلوله در راستاي افقي در آخر تمام انرژي دستگاه به صورت انرژي دروني درآمده و گلوله متوقف مي شود.


5 – در اسباب بازيهاي كودكي ، انرژي لازم براي حركت آنها از كجا تأمين مي شود؟به وسيله انرژي كشساني فنر، در كوك اسباب بازي انرژي مكانيكي به صورت انرژي كشساني در فنر ذخيره مي شود. به هنگام كار كردن اسباب بازي مورد استفاده قرار مي گيرد.

تمرينات پاياني فصل اول
1 – با توجه به جدول (1-2) به پرسش هاي زير پاسخ دهيد :
الف – اگر شخصي يك شبانه روز بخوابد، چه مقدار انرژي مصرف مي كند؟
باتوجه به اين جدول، آهنگ مصرف انرژي براي خوابيدن 5kJ/min مي باشد كه به صورت زير در يك شبانه روز محاسبه مي گردد:


5×60×24=7200kJ


ب : انرژي كه براي يك ساعت نشستن در كلاس مصرف مي شود بيشتر است يا انرژي كه صرف ده دقيقه دوچرخه سواري مي شود؟
باز با توجه به اين جدول آهنگ مصرف انرژي براي نشستن در كلاس درس
KJ/MIN
6/12

و آهنگ مصرف انرژي براي دوچرخه سواري باسرعت
(13-18km/h)
برابر
23/9kJ/min
و با سرعت 21km/h برابر 42kj/min مي باشد.

12/6×60=756kj يك ساعت در كلاس
23/9×10=239kj دوچرخه سواري معمولي در ده دقيقه
42 × 10 = 420 KJ دوچرخه سواري تند در ده دقيقه

پس نشستن در كلاس درس به مدت يك ساعت انرژي بيشتري لازم دارد.


2 – توپي را از ارتفاع يك متري سطح زمين از حال سكون رها مي كنيم. توپ بعد از برخورد با زمين با ارتفاع كم تر از يك متر بالا مي رود اين مثال را بر اساس پايستگي انرژي توضيح دهيد.وقتي يك توپ از ارتفاع h رها مي شود. انرژي پتانسيل آن به اندازه U=mgh مي باشد و وقتي به سطح زمين مي رسد تمام انرژي پتانسيل توپ به انرژي جنبشي تبديل مي گردد و قسمتي از آن صرف مقاومت هوا مي گردد، در برخورد با زمين و تغيير جهت توپ قسمتي از انرژي توپ به انرژي دروني تبديل مي گردد در اين صورت انرژي توپ به خاطر مقاومت هوا و برخورد با زمين كاهش مي يابد و توپ تا ارتفاع كمتر از يك متر بالا مي رود.
3 – با استفاده از رابطه ي انرژي پتانسيل گرانشي جدول زير را كامل كنيد.

J)

h(m)

g(m/s)

m(kg)

2/4

1/2

10

0/2

28

2

10

1/4

196

5

9/8

4K

78/4

10

9/8

0/8


رديف اول ) U= mgh "v=0/2×10×1/2=2/4 J
رديف دوم ) U=mgh " => h=U /mg = (28 / 1.4 * 10)
رديف سوم ) U=mgh => m = U/gh = (196 / 9.8 *5)"
رديف چهارم ) U=mgh " => g = U / mh = 78.4 / 0.8 * 10 = 9/8 m/s2


4 – گلوله اي به جرم 5/0 کيلوگرم با سرعت اوليه 20m/s در امتداد قائم به طرف بالا پرتاب مي كنيم هر گاه 10% انرژي گلوله صرف غلبه بر مقاومت هوا شود، گلوله تا چه ارتفاعي بالا مي رود؟ (g=10m/s2)انرژي جنبشي اوليه ي گلوله برابر انرژي پتانسيل ثانويه به علاوه انرژي كه صرف غلبه بر مقاومت هوا شده است مي باشد.



K1 = U2 + 0.2 K1
K 1- 0.2 K1 = V2 = > 0.8 K1 = U2
0.8 (1/2 mv2) = mgh => 0.472 = gh => 0.4 * (15)2 = 10 * h => h = 9m



5- توپي به جرم يك كيلوگرم را با سرعت 5m/s در امتداد قائم به طرف بالا پرتاب مي كنيم. انرژي پتانسيل گرانشي بالاترين ارتفاعي كه توپ به آن مي رسد، چقدر است؟ سرعت آن در نيمه راه چقدر است ؟ از مقاومت هوا چشم پوشي كنيد.بدليل چشم پوشي از مقاومت هوا ، وقتي توپ به بالا پرتاب مي شود، تمام انرژي جنبشي آن به انرژي پتانسيل تبديل مي شود . پس :


K1=V2
K1= 1/2 mV2
m = 0.5 kg
V = 8 m/s" => V 2=k1= 1/2 × 0/5× (8)2


 


ب : براي بدست آوردن سرعت گلوله در نيمه راه مسير ابتدا ارتفاع كل را بدست مي آوريم.


 

V2=mgh


16=0/5×10×h=> h=3/2m
h' = h/2 = 3.2 / 2 = 1.6 m


اگر انرژي پتانسيل و انرژي جنبشي در نيمه راه مسير v3 , k3 باشد، مي توان نوشت :


U2 = U 3+ K
mgh = mgh' + 1/2 m (v3)2
gh = gh '+ 1/2 v23 => 10*3.2 = 10 * 1.6 + 1/2 V23
=> 10 * 3.2 = 10 * 1/6 + 1/2 V23 => V 3= 4?2 m/s


6 - جمله هاي زير را كامل كنيد:الف) در يك لامپ روشنايي انرژي الكتريكي به انرژي نوراني تبديل مي شود
ب) در پنكه، انرژي الكتريكي به مكانيكي تبديل مي شود
پ) به وسيله ي مالش دستها به هم مي توانيم انرژي جنبشي را به انرژي دروني تبديل كنيم
ت) در پر كردن باتري ماشين ، انرژي الكتريكي به انرژي شيميايي تبديل مي شود.


7 – انرژي زمين گرمايي در چه صورت تجديد پذير محسوب مي شود؟انرژي زمين گرمايي در صورتي تجديد پذير محسوب مي شود كه انرژي برداشت شده بيش از انرژي كه از طريق مركز زمين جايگزين مي شود نباشد و همچنين مقدار آب تزريق شده و آب خارج شده برابر باشد.



تمرين هاي تكميلي فصل 1 وپرسش هاي چهار گزينه اي فصل 1
1 – منشأ سوخت فسيلي چيست؟
انرژي نور خورشيد به وسيله گياهان سبز از طريق فرآيند فتوسنتز به صورت انرژي شيميايي در گياهان در مي آيد. گياهاني كه در زير زمين مدفون مي شوند، طي سالهاي زياد به صورت سوخت فسيلي در مي آيند.

2 – در يك دستگاه توليد برق انرژي شيميايي سوخت طي چه مراحلي به انرژي الكتريكي تبديل مي گردد؟انرژي شيميايي سوخت در كوره به انرژي گرمايي و نوراني تبديل مي شود و آب را به صورت بخار در مي آورد. در توربين بخار داغ پره هاي توربين را به حركت در آورده و انرژي جنبشي ايجاد مي كند در ژنراتور انرژي جنبشي به انرژي الكتريكي تبديل مي شود.

3 – جسم m=5kg مطابق شكل از ارتفاع 4 متري از حال سكون رها مي شود و از آنجا وارد سطح افقي مي گردد و طي مسافتي در نقطه B متوقف مي شود. كار نيروي اصطكاك در طول مسير چند ژول است؟وقتي جسم را از بالاي سطح منحني رها مي كنيم ، تمام انرژي پتانسيل جسم صرف غلبه بر اصطكاك مي گردد پس :


Mgh=E( انرژي صرف غلبه بر اصطكاك)
انرژي صرف غلبه بر اصطكاك E = mgh = E = 5×10× 4 = 200 j


4 – دو اتومبيل مشابه از يك سر بالايي بالا مي روند. ارتفاع يكي از اتومبيل ها از زمين دو برابر ارتفاع ديگري است. انرژي پتانسيل آن ها را با يكديگر مقايسه كنيد. اگر آن ها روي يك جاده صاف حركت كنند و سرعت يكي از آنها دو برابر سرعت ديگري باشد، انرژي جنبشي آن ها را چگونه مقايسه مي كنيد؟ وقتي يك جسم تا ارتفاع معيني بالا برده مي شود، انرژي پتانسيل آن برابر mgh است. وقتي ارتفاع يكي از اتومبيل ها دو برابر ديگري باشد، انرژي پتانسيل آن نيز دو برابر خواهد بود.


وقتي دو اتومبيل در سطح افقي در حال حركت باشند، انرژي جنبشي آن ها با مجذور سرعت متناسب است پس نسبت انرژي جنبشي آنها در شرايطي كه سرعت يكي دو برابر سرعت ديگري است به صورت زير است.
يعني انرژي جنبشي 4 برابر است

5- انواع ديگر انرژي پتانسيل علاوه بر انرژي پتانسيل گرانشي كدام ها هستند؟الف – انرژي پتانسيل كشساني : وقتي فنر ساعت كوك مي شود و در آن انرژي پتانسيل كشساني ذخيره مي شود.
ب – انرژي پتانسيل مغناطيسي : يك جسم مغناطيسي يا يك آهنربا در ميدان مغناطيسي آهنربايديگر قرار گرفته باشد.
پ – انرژي پتانسيل الكترومغناطيسي: جسم باردار در ميدان الكترو استاتيكي يك جسم باردار ديگر قرار گيرد.


6-گلوله تفنگي به جرم 30 گرم با سرعت 300M/S از دهانه تفنگي خارج مي شود،انرژي جنبشي گلوله به هنگام خروج چقدر است ؟ اگر سرعت گلوله دو برابر شود نسبت انرژي جنبشي آن نسبت به حالت اول چقدر است ؟


M=30 gr v=300m/s
الف)

ب)


 

اگر سرعت دو برابر شود، انرژي جنبشي گلوله 4 برابر مي شود.

 


پرسش هاي چهار گزينه اي فصل 1 (بدون پاسخ)
1 – از نقطه اي به ارتفاع 15 متر از سطح زمين وزنه 5/0 كيلوگرمي با سرعت اوليه V0 در راستاي قائم به سمت بالا پرتاب مي شود تا ارتفاع 20 متر از سطح زمين بالا مي رود .' V برابر چند m/s است؟ مقاومت هوا ناچيز و g=10m/s2 فرض شود.
1) 5
2) 5/7
3)10
4)20

2 – جسمي به جرم 2kg را با سرعت m/s 10 در راستاي قائم رو به بالا پرتاب مي كنيم. انرژي مكانيكي جسم در نصف ارتفاع اوج چند ژول است (مبدأ پتانسيل گرانشي، محل پرتاب فرض شده است)1)2?25
2)50
3)2?50
4)100

3 – جسمي به جرم 4kg از ارتفاع h بدون سرعت اوليه در خلاء سقوط مي كند. در لحظه اي كه انرژي جنبشي جسم به 200 ژول مي رسد، فاصله ي آن از سطح زمين4m است. ارتفاع h چند متر است؟(g=10m/s2)
1)9
2)10
3)20
4)5

4 – مي خواهيم جسمي به جرم 150kg را در مدت 5/1 دقيقه تا ارتفاع 12m بالا ببريم، توان لازم بر حسب وات به كدام گزينه نزديكتر است؟1) 200
2) 120
3)1200
4)600

 


5 – در يك ماشين با كارآيي 80 درصد، نسبت توان تلف شده به توان مفيد چقدر است؟1)4/1
2)5/4
3)4/5
4)4

6 – توان يك تلمبه ي برقي 2kw (كيلووات) و بازده آن 95% است. اين تلمبه در هر دقيقه چند كيلوگرم آب را از عمق 5/9 متر بالا مي آورد؟ (g=10m/s2)1) 104 * 2/1
2)3 10 * 2/1
3) 200
4)20


7 – شخصي وزنه اي به جرم m را از سطح زمين تا ارتفاع h بالا مي برد و سپس آن را با سرعت v به طرف پائين پرتاب مي كند. اگر مقاومت هوا صفر باشد انرژي جنبشي جسم به هنگام برخورد با زمين چقدر است؟

+ نوشته شده در ساعت 16:45 توسط عبدا...محمدی |