فیزیک س: فیزیک چیست؟
ج: فیزیک علم مطالعه پدیده های مختلف طبیعت و کشف قانونهای حاکم بر این پدیده ها است.انرژی: قابلیت انجام کار را انرژی گویند. واحد انرژی در سیستم si ژول است. س: انرژی چگونه بدست می آید؟ج: گاهی انرژی مستقیماً قابل دسترس است مثل انرژی نور خورشید. اما در بیشتر مواقع انرژی ذخیره شده در مواد مختلف به انرژی قابل مصرف تبدیل می شود. مثلاً از سوختن چوب یا نفت که یک تبدیل شیمیایی است، انرژی حرارتی به دست می آید. یا ماهیچه ها انرژی حرکتی خود را از تبدیل انرژی شیمیایی ذخیره شده در مواد غذایی به دست می آورند، یا دینام دوچرخه انرژی جنبشی چرخ را به انرژی الکتریکی تبدیل می کند.انواع انرژی : انرژی الکتریکی ، انرژی شیمیایی ، انرژی جنبشی ، انرژی درونی ، انرژی پتانسیل گرانشی ، انرژی پتانسیل الکتریکی ، انرژی پتانسیل کشسانی ، انرژی نورانی ،.....انرژی الکتریکی: انرژی ای است که از طریق برق تولید می شود . مانند : انرژی حاصل از یک لامپ روشن انرژی شیمیایی: انرژی ای است که از طریق یک تغییر شیمیایی در ماده تولید می شود .مانند :انرژی شیمیایی موجود در مواد غذایی مختلف جدول 1-6انرژی موجود در غذا هاkJ/gr سیب 2.4نوشابه 1.5پرتغال 2.1حبوبات 5پلو 4.6نخود 3کره 30.2انگور 2.9تخم مرغ 6.8هویج 1.8گوشت پخته 9.4گوشت راسته 7کرفس 0.6بستنی 9.3سیب زمینی 3.9پنیر تازه 4.5چربی 39.1شکر 16.8مرغ 6.7شیر 2.7گوجه 0.9شکلات 22.2شیر کم چربی 1.8تن ماهی 8.3جدول 1-6انرژی موجود در مواد سوختنیزغال33.6نفت47.9گاز طبیعی54.6چوب16.8مثال : انرژی موجود در سیب 2.4 کیلو ژول بر گرم است . یعنی چه ؟جواب : یعنی یک گرم سیب 2.4 کیلو ژول انرژی برای ما فراهم می کند . مسئله : با خوردن نیم کیلو گوشت پخته چه مقدار انرژی شیمیایی در بدن تولید می شود ؟جواب : توجه : چون واحد داده شددر جدول 1-6 بر حسب Kj/gr است لذا باید Kg را به gr تبدیل کنیم .گوشت پخته شده =9.4 کیلو ژول بر گرمنیم کیلو = 500 گرم در نتیجه داریم : 9.4*500=4700 kjآهنگ مصرف انرژی مقدار انرژی ای است که در یک زمان معین مصرف می شود. ( توان مصرفی ) آهنگ مصرف انرژی برای فعالیتهای زیر (واحد بر حسب کیلوژول بردقیقه)آهنگ مصرفنوع فعالیتآهنگ مصرفنوع فعالیت7.1نشستن در حالت استراحت5خواب12.6نشستن در کلاس7.6ایستادن در حالت معمولی42دوچرخه سواری با سرعت21 Km/h16به آرامی راه رفتن26.5تنیس111.3دوچرخه سواری مسابقه41.2بالا رفتن از پله28.6شنا 47.9 بسکتبالسوال : آهنگ مصرفی انرژی در هنگام مسابقه دوچرخه سواری111.3 کیلو ژول بر دقیقه است یعنی چه؟ یعنی در هر یک دقیقه دوچرخه سواری 111.3 کیلو ژول انرژی مصرف می شود مسئله: در یک ساعت بازی تنیس چه مقدار انرژی مصرف می شود؟تنیس = 26.5 کیلو ژول بر دقیقه یک ساعت =60 دقیقه 60*26.5=1590 kjمسئله: نیم کیلو مرغ چه مقدار انرژی تولید می کند و برای مصرف آن چند دقیقه باید به آرامی راه برویم ؟ با استفاده از جدول 1- 6 داریم : مرغ =6.7 کیلو ژول بر گرم به آرامی را ه رفتن = 16 کیلو ژول بر گرم با توجه به اینکه نیم کیلو مرغ=500گرم است ، لذا خواهیم داشت : 500*6.7=3350 kj 3350/16 =209.37 min فعالیت 2: فهرستی از غذاهایی که در یک روز معین مصرف می کنید ، بهمراه مقدار تقریبی آنها تهیه کنید . با استفاده از این فهرست و جدول (1-1) کتاب ، مشخص کنید که در این روز معین بدن شما چه مقدار انرژی از این مواد غذایی کسب میکند؟وعده غذاییمواد غذایی مصرفیمقدار مصرف بر حسب gمقدار انرژی مصرفیصبحانهپنیر تازهشکرنان لواششیر50204002504.5*5016.8*2011.3*4002.7*250نهارحبوبات و غلهگوشت پختهچربیپلو20015050400200*5150*9.450*39.1400*4.6شامتخم مرغنان لواشسیب زمینیگوجه فرنگی100200150100100*6.8200*11.3150*3.9100*0.9جمع کل15576 Kj تمرین 1 :الف )در ده دقیقه دوچرخه سواری با سرعت 21 ، چه مقدار انرژی مصرف می شود؟ب)اگر بازده بدن شخصی 15 درصد باشد ، با خوردن چه مقدار شیر این مقدار انرژی برای او فراهم می شود؟جواب: الف) از جدول( 2-1) کتاب درسی معلوم می شود آهنگ مصرف انرژی برای سرعت 21 برابر 42Kjبرای یک دقیقه است. لذا برای ده دقیقه نتیجه می شود: ب)420*0.15=6363/2.7=23.3 grانرژی جنبشی :انرژی ای است که در ا جسام متحرک بوجود می آید و واحد آن در سیستم SI ژول (J) است . هر گاه جسمی به جرم M با سرعت V حرکت کند ، انرژی جنبشی آن از رابطه زیر بدست می آید :که در آن : K= انرژی جنبشی بر حسب ژول m= جرم برحسب kg و v سرعت بر حسب متر بر ثانیه است نکته: انرژی جنبشی k با مجذور سرعت v رابطه مستقیم دارد ، یعنی اگر سرعت جسمی 4 برابر شود ، انرژی جنبشی آن 16 برابر می شود.نکته: هرچه سرعت جسم بیشتر با شد انرژی جنبشی آن بیشتر خواهد بود . نکته :واحدهای سرعت :متر بر ثانیه m/sKm/h ÷ 3.6 =m/sکیلو متر بر ساعت Km/h مثال : 90 کیلو متر بر ساعت چند متر بر ثانیه می باشد ؟ 90/3.6=25 m/sg/1000=Kg g گرمواحد های جرم Kg کیلو گرممثال : 50 گرم چند کیلو گرم است ؟ 50/1000=0.05 kgمسئله : اگر در اثر ضربه زدن به یک جسم 200 گرمی ، 50 ژول انرژی جنبشی به آن منتقل شود ، سرعت جسم چقدر می شود ؟ ==>50=(1/2)(200/1000)(v2) در نتیجه خواهیم داشت : مسئله 2 :سرعت یک جسم متحرک 36 کیلومتر بر ساعت می باشد . در صورتی که جرم آن 300 گرم باشد ، انرژی جنبشی آن چند ژول می شود ؟ V=36 km/h نکته => 36/3.6=10m/s M =300 gr نکته => 300/1000=0.3 kg==> مثال 1: انرژی جنبشی اتومبیلی به جرم 1500kg که با سرعت 20 حرکت می کند چقدر است؟جواب: k=(1/2)1500*202= 3*105 مثال 2:جسمی با سرعت 5 حرکت می کند و انرژی جنبشی آن 10kj است. جرم جسم را بر حسب کیلوگرم تعیین کنید.جواب مثال 3:جسمی به جرم 500gr دارای 2500jانرژی جنبشی است سرعت جسم را بر حسب تعیین کنید:جواب: مثال :درشکل مقابل انرژی جنبشی در کدام نقطه بیشتر است ؟( جسم از نقطه A رها میشود )جواب : در نقطه C . تمرین2گلوله ای بجرم 100 گرم و انرژی جنبشی 20 ژول با سرعت ثابت در حال حرکت است . سرعت این گلوله چقدر است ؟ ==>V2=(2*k)/m=(2*20)/(100*10-3)=400 ==>V=20m/s انرژی درونی:انرژی ذرات تشکیل دهنده جسم را می گویند .اگر جسمی گرما بگیرد ، انرژی درونی آن افزایش می یابد.اصطکاک نوعی انر ژی درونی است س: اثر مالش (یا اصطکاک) بر پایستگی انرژی یک جسم چگونه است؟ج: در اثر مالش سطح دو جسم بر روی یکدیگر مقداری از انرژی جنبشی آنها به انرژی درونی دو جسم تبدیل می شود و دمای آنها را بالا می برد. در این مورد چون مقداری از انرژی به صورت گرما عملاً غیرقابل استفاده مجدد می شود، اصطلاحاً می گوییم انرژی تلف شده است. اما در واقع انرژی تلف نمی شود بلکه به انرژی درونی دو سطح تبدیل شده است.پاسخ دهید1:1- توپی را که در روی زمین در حال حرکت است، در نظر بگیرید سرعت توپ رفته رفته کم شده و بالاخره متوقف می شود.انرژی جنبشی توپ کجا رفته است؟2- پنکه ای را که روشن است، خاموش می کنیم .چه اتفاقی می افتد؟ مشاهده خود را بر اساس قانون پایستگی انرژی توضیح دهید.پاسخ 1- هنگامی که توپ روی زمین حرکت می کند، در اثر اصطکاک بین سطح های زمین و توپ و انرژی جنبشی توپ به تدریج به زمین منتقل شده و تبدیل به انرژی درونی آن می شود در نتیجه از سرعت توپ کاسته می شود تا زمانی که به طور کامل متوقف شود.( از مقاومت هوا در مقابل حرکت توپ صرفه نظر می شود).پاسخ 2- با خاموش کردن پنکه پروانه آن به علت داشتن انرژی جنبشی بلافاصله متوقف نمی شود بلکه این انرژی در اثر وجود اصطکاک در بین قطعات آن و نیز به علت مقاومت هوا در مقابل حرکت پروانه به تدریج به گرما تبدیل می شود تا زمانی که به طور کامل بایستد. تمرین 3:اتومبیلی به جرم 1000kg با سرعت( 20m/s ( 72 در حال حرکت است اگر اتومبیل ترمز کند و متوقف شود، چه مقدار انرژی به انرژی درونی جاده و لاستیکها تبدیل شده است؟جواب: انرژی جنبشی اتومبیل هنگام حرکت برابر است با: همین مقدار انرژی هنگام توقف اتومبیل به انرژی درونی جاده و لاستیکها تبدیل می شود.در آپلتهای زیر اثر گرما را بر مولکولهای گاز ملاحظه نمایید:دردمای پایینتر دردمای بالاتر مثال : در اثر مالش دو دست به یکدیگر انرژی جنبشی به انرژی درونی تبدیل می شود.پاسخ دهید 2:در فصل سوم کتاب علوم تجربی سال اول را هنمایی با اثر گرما بر حالت مواد آشنا شدید . با توجه به آنچه که تا کنون فرا گرفته اید ، حالتهایی را نام ببرید که :الف : افزایش انرژی درونی جسم بصورت گرمتر شدن آن ظاهر می شود.ب: افزایش انرژی درونی جسم بصورت گرمتر شدن آن ظاهر نمی شود.جواب : الف) جوش آمدن آب کتری - گرم شدن هوای اتاق - آب شدن یخ -و....جواب : ب ) جمع شدن فنر - رشد گیاهان - خوردن غذا و قوی تر شدن و .....قانون پایستگی انرژی انرژی نه خود به خود به وجود می اید و نه خود به خود از بین می رود بلکه ازصورتی به صورت دیگر تبدیل می شود.مثال : در یک لامپ روشن انرژی الکتریکی به : 1. انرژی نورانی2. انرژی گرمایی تبدیل می شود.س: چند مثال برای قانون پایستگی انرژی بیان کنید؟ج: مثال1: هنگامی که به توپ ساکنی ضربه می زنید، انرژی از پای شما به توپ منتقل می شود و آن را به حرکت در می آورد اما تا وقتی به توپ ضربه زده نشده است انرژی آن پایسته می ماند و قادر به حرکت نخواهد بود.مثال 2: وقتی دو توپ مشابه که با سرعتهای مختلف در حال حرکت هستند با هم برخورد کنند سرعتشان تغییر می کند زیرا بنا به قانون بایستگی انرژی توپی که سرعت بیشتری دارد انرژی جنبشی بیشتری نیز دارد و مقداری از این انرژی را به توپ دیگر که سرعت کمتر و در نتیجه انرژی جنبشی کمتری دارد می دهد لذا با تغییر انرژی توپها بعد از برخورد سرعت آنها نیز تغییر می کند.تمرین 4 در مثال 3 کتاب (یا مثال 1فوق) ، اگر در اثر ضربه، 5 ژول انرژی به توپ منتقل شود و جرم توپ 0.5 کیلوگرم باشد ، سرعت آن چقدر می شود ؟ k=(1/2)mv2 --> V2 =2.k/m=2*5/0.5=20 -->V=4.47 m/s فعالیت 3: با بحث در گروه خود قانون پایستگی انرژی را در مورد راه رفتن انسان بکار برید و نتیجه را به کلاس درس ارایه دهید.پاسخ: هنگام راه رفتن انسان بر روی زمین انرژی جنبشی حاصل از حرکت او به دو طریق به زمین منتقل می شود و در نهایت انرژی مجموع( زمین-شخص) ثابت باقی می ماند .اول آنکه مقداری انرژی در اثر اصطکاک بین سطح های زمین و کفش به زمین منتقل می شود و انرژی درونی آنها را افزایش می دهد. دوم آنکه وقتی راه می رویم به اندازه بسیار جزئی زمین را در جهت خلاف حرکت خودمان به چرخش در می آوریم در نتیجه مقدار نا محسوسی از انرژی جنبشی انسان به زمین منتقل می شود.انواع انرژی پتانسیل: انرژی پتانسیل گرانشی انرژی پتانسیل الکتریکی انرژی پتانسیل کشسانیانرژی پتانسیل گرانشی(U) : هرگاه جسمی به جرم M در ارتفاع h از یک سطح قرار بگیرد می گوییم ، در جسم انرژی پتانسیل گرانشی ذخیره شده است .یعنی این PE همان انرژی پتانسیل گرانشی است . U=mghکه در آن :M = جرم جسم و واحد آن در سیستم Si کیلو گرم می باشد .g= شتاب جاذبه زمین که مقدار آن برابر است با :9.8m/s2 ≈ 10 m/s2 h= ارتفاع از سطح پتانسیل که واحد آن در سیستم Si متر می باشد . چگونگی تبدیل انرژی پتانسیل گرانشی به جنبشی و بالعکس مسئله : انرژی پتانسیل جسمی به جرم 0.2 کیلو گرم را در نقاط A ،B،C،D بیابید .(g=10m/s2) نکته: هرگاه جسمی از یک ارتفاعی بسمت پایین حرکت کند ، انرژی پتانسیل گرانشی آن رفته رفته کاهش می یابد .پس از رسیدن به زمین ، انرژی گرانشی آن صفر می شود. مسئله :اگر جرم جسم را 1 کیلو گرم و شتاب ثقل را 10 m/s2 در نظر بگیریم ، آنگاه مطلوبست انرژی پتانسیل در A.B.C.D.E جواب :A=30 j B=30 j C=20 j D=10 j E=0 j مسئله : انرژی پتانسیل گرانشی جسمی به جرم 30 گرم که در ارتفاع 12 متری از سطح زمین قرار دارد چند ژول می باشد .(g=10) U=mghm=30g = (30/1000)kg --> U=(30/1000)(10)(12)=3.6 jپاسخ دهید 3:1- فرض کنید در مثال قبل، توپ را در بین راه، مثلاً نقطه C متوقف کنیم اگر آن را رها کنیم، حرکت توپ چگونه خواهد بود؟ آیا می توان گفت که در نقطه C توپ دارای انرژی پتانسیل گرانشی است؟ 2- اگر توپ را در نقطه D واقع در بخش افقی مسیر متوقف و سپس رها کنیم، حرکت توپ چگونه خواهد بود؟ آیا می توان نتیجه گرفت که توپ در نقطه D دارای انرژی پتانسیل گرانشی است؟3- با استفاده از قانون پایستگی انرژی، بالا رفتن توپ و برگشتن آن از تپه را توضیح دهید؟4- اگر اصطکاک وجود نداشته باشد، آیا توپ می تواند بالاتر از نقطه B برود؟پاسخ 1: در اثر نیروی گرانش یا جاذبه زمین توپ به طرف پایین بر می گردد. در این حالت انرژی پتانسیل گرانشی که توپ در نقطه C دارد تبدیل به انرژی جنبشی آن می شود. توپ در نقطه C به این علت انرژی پتانسیل گرانشی دارد که دارای ارتفاع از سطح زمین است.پاسخ 2: در نقطه D چون توپ ارتفاعی از سطح زمین ندارد، بنابر این انرژی پتانسیل گرانشی نیز ندارد و اگر آنرا در این تقطه متوقف و سپس رها کنیم ، دوباره به حرکت در نمی آید.پاسخ 3 : با صرفنظر کردن از اصطکاک هنگام بالا رفتن توپ از تپه ، انرژی جنبشی توپ به تدریج به انرژی پتانسیل گرانشی تبدیل میشود تا وقتی که در نقطه B به طور کامل متوقف شود. در این نقطه توپ فقط دارای انرژی پتانسیل گرانشی است. سپس توپ در اثر نیروی گرانشی زمین به طرف پایین تپه بر میگردد و انرژی پتانسیل گرانشی آن دوباره و به تدریج تبدیل به انرژی جنبشی شده و سرعت توپ افزایش می یابد. پاسخ 4: وجود اصطکاک مقداری از انرژی جنبشی توپ را به صورت گرما تلف می کند. اگر اصطکاک ناچیز باشد، توپ می تواد بالاتر از نقطه B برود. تمرین 5 :جسمی به جرم 200گرم را با سرعت 10 در راستای قائم به طرف بالا پرتاب می کنیم . با نا دیده گرفتن اتلاف انرژی ،الف)- انرژی جنبشی آن در لحظه پرتاب چقدر است؟ب) جسم تا چه ارتفاعی بالا می رود؟ج) سرعت توپ در نیمه را چقدر است ؟جواب الف) k=(1/2)mv2 =(1/2)(200*10-3)*102 =10 jجواب ب)U=K =10 -->k=U=mgh -->10= (200*10-3 *10)*h --> h=5 mجواب ج) Uنیمه راه =mgh/2=[200*10-3 *10*5]/2=5 j U=K k = (1/2)mv2 5= (1/2)0.2v2 --> V=7.1 m/s آزمایش کنید 1جواب: هنگامی که آونگ را بالا می بریم انرژی مصرف می کنیم. این انرژی در آونگ به صورت انرژی پتانسیل گرانشی ذخیره می شود. سپس هنگامی که آونگ را رها می کنیم تا به نوسان درآید، موقع پایین آمدن تا نقطه آویز انرژی پتانسیل گرانشی به انرژی جنبشی تبدیل می شود و از نقطه آویز به بعد عکس این تبدیل روی می دهد و در هر نوسان این عمل تکرار می گردد. انرژی پتانسیل کشسانی: انرژی ای است که در فنر فشرده شده یا فنر کشیده شده ذخیره شده است . توجه : هرگاه یک فنر فشرده شده یا یک فنر کشیده شده ، رها شود ، تمام انرژی پتانسیل کشسانی ان به به انرژی جنبشی تبدیل می شود .نکته: اگر نیرو های اصطکاک و مقاومت هوا و نیروها ی مقاوم دیگر ، صرف نظر شود ، آنگاه انرژی مکانیکی جسم در یک نقطه با انرژی مکانیکی جسم در نقطه دیگر برابر است پاسخ دهید 41- در شکل (1-13) کتاب هنگامی که گلوله در نقطه C بین دو نقطه A وB قرار دارد ، آیا انرژی پتانسیل در فنر ذخیره شده است ؟ آیا گلوله دارای انرژی جنبشی است ؟2-فرض کنید پس از برخورد گلوله با فنر، گلوله به فنر بچسبد. حرکت بعدی گلوله را توصیف کنید و تبدیل های انرژی را با استفاده از قانون پایستگی انرژی توضیح دهید.پ- اگر سطح بدون اصطکاک باشد فنر بیشتر فشرده می شود و یا وقتی که سطح دارای اصطکاک است ؟ چرا؟ پاسخ 1: بله - چون گلوله در نقطه C هنوز در حال حرکت و فشردن فنر است، پس در این نقطه دارای انرژی جنبشی است.پاسخ 2: با چسبیدن گلوله به فنر، انرژی جنبشی گلوله به تدریج تبدیل به انرژی پتانسیل کشسانی فنر می شود تا زمانی که گلوله برای لحظهای به طور کامل متوقف شود. در این حالت مجموعه گلوله و فنر فقط انرژی پتانسیل کشسانی دارند. با باز شدن مجدد فنر دوباره انرژی پتانسیل فنر به انرژی جنبشی گلوله تبدیل شده و آنرا در جهت خلاف قبل به حرکت در می آورد.پاسخ 3: اگر سطح بدون اصطکاک باشد، فنر بیشتر فشرده می شود. زیرا مقداری از انرژی جنبشی گلوله در اثر اصطکاک به صورت گرما تلف نمی شود. پاسخ دهید 5در اسباب بازی های کوکی ، انرژی لازم برای حرکت آنها از کجا تا مین می شود ؟جواب : از انرژی پتانسیل ذخیره شده در فنرانرژی مکانیکی :مجموع انرژی پتانسیل گرانشی و انرژی جنبشی یک جسم را گویند ْْ: یا توانایی انجام کار E=K+U , U=mghاز شکل روبرو چه بر داشتی می نمایید ؟ جواب : بله درست است ! اگر از اثر نیروهای دیگر بر حرکت اسکیت سوار صرف نظر نماییم » می بینیم که همواره انرژی مکانیکی او ثابت است .یعنی در همه نقاط kE + PE =50000 j می باشد. مسئله :اگر جرم جسم را 1 کیلو گرم و شتاب ثقل را 10 m/s2 در نظر بگیریم » آنگاه مطلوبست پارامتر های خواسته شده در شکل .PE=انرژی پتانسیل گرانشیKE = انرژی جنبشی نقطه (1) a=g.sin45=10.(Ö2/2)=5Ö2 PE=mgh®hA=45000 m KE=0 ® vB=0نقطه (2) KE+PE =ثابت=450000 KE+200000=450000 Þ KEC=250000j PE=mgh ® hD=20000 m KE=(1/2)mv2 ®vE=707.106 m/sنقظه (3) h=0 ÞPEG=0 ÞKEF=450000 j VH=948.68 m/sس :آیا می دانید شکل روبرو چه می خواهد بگویید ؟ مسئله : توپی به جرم 25 گرم رابا سرعت اولیه 20 متر بر ثانیه به سمت بالا پرتاب می کنیم . اگر از مقاومت هوا چشم پوشی شود » مطلوبست :الف) انرژی جنبشی و پتانسیل توپ در لحظه پرتاب چقدر است ؟ب) توپ تا چه ارتفاعی می تواند بالا برود ؟(g=10) m =25gr÷ 1000=0.025 kg انر ژی جنبشی و پتانسیل در لحظه پرتاب K1 = انر ژی جنبشی در نقطه 1U1= انرژی پتانسیل در نقطه 1K2 = انر ژی جنبشی در نقطه 2U2= انرژی پتانسیل در نقطه 2 K2 برابر صفر است زیرا توپ تا ارتفاعی می تواند بالا رود که سرعت دارد . وقتی که سرعت صفر شود توپ دیگر نمی تواند بالا رود. مسئلهگلوله ای به جرم 4 کیلوگرم را با سرعت اولیه 10 متر بر ثانیه از یک ارتفا ع 40 متری به سمت پایین پرتاب می شود . انر ژی جنبشی گلوله هنگام برخورد به زمین چقدر است ؟از مقاومت هوا صرف نظر شود .( g=10) مسئله : جسمی به جرم 2 کیلوگرم را از ارتفاع 100 متری زمین بدون سرعت اولیه رها میکنیم . اگر 5/1 انرژی جسم صرف غلبه بر اصطکاک شود » مطلوبست : الف )سرعت برخورد گلوله با زمینب) انرژی جنبشی جسم در هنگام برخورد به زمین اگر 5/1 انرژی جسم صرف غلبه براصطحکاک شود 5/4 انرژی دیگر پتانسیل است حل قسمت دوم : مسئله: یک جسم به جرم 0.1 کیلوگرم با سرعت اولیه 40 متر بر ثانیه در راستای قائم بطرف بالا پرتاب می شود . انرژی پتا نسیل گلوله در نقطه اوج چقدر است ؟( از مقاومت هوا صرف نظر شود ). نکته: نقطه اوج جایی است که ارتفاع جسم به حد اکثر رسیده و سرعت جسم (V2 ) به صفر می رسد . مسئله : گلوله ای از ارتفاع 31.25 متری سطح زمین رها می شود . سرعت برخورد جسم با زمین چقدر است ؟ از مقاومت هوا صرف نظر شود .(g=10 m/s2) تذکر : هنگامی که جسم رها می شود » سرعت اولیه آن صفر است.v1=0 منابع انرژی س: منابع عمده انرژی مورد استفاده بشر کدامند؟ ج: عبارتند از: انرژی سوخت های فسیلی( گاز، نفت، گازوئیل و زغال سنگ) و انرژی الکتریکی که توسط نیروگاههای آبی، حرارتی، هسته ای و بادی تولید می شود. س: دلایل صرفه جویی و استفاده بهینه از منابع انرژی کدامند؟ ج: 1- منابع انرژی و به خصوص منابع انرژی های فسیلی چون نفت و گاز محدود هستند و استفاده بی رویه از آنها این منابع را به سرعت به اتمام می رساند و احیای این منابع هرگز ممکن نیست. 2- مصرف بی رویه منابع انرژی به خصوص سوختهای فسیلی با تولید ضایعات و گازهای نامطلوب محیط را به سرعت آلوده می کنند و این آلودگی حیات گیاهان و جانوران و انسان را به خطر می اندازد و در انسان باعث تشدید بیماری های قلبی و عروقی می شود. 3- مصرف تمامی اشکال انرژی در نهایت موجب گرمتر شدن محیط می شود. این گرما قابل بازیافت و استفاده مجدد نیست. در نتیجه منابع انرژی قابل استفاده به تدریج به صورت انرژی غیر قابل دسترس تبدیل می شوند. برای صرفه جویی در مصرف انرژی و استفاده بهینه از آن می توان برای رفت و آمد از خودروهای عمومی مثل اتوبوس و مترو و قطار استفاده کرد، یا برای صرفه جویی در انرژی مورد نیاز برای گرمایش خانه ها در زمستان، می توان آنها را به صورت بهتری عایقبندی کرد. یا در بکار گیری و استفاده از وسایل و ابزارهای الکتریکی چون لامپ های روشنایی، سماور برقی، اتو و غیره از مصرف بیهوده خودداری کنیم. Eتذکر: در کلیه تبدیلات انرژی که در نهایت یک یا چند انرژی به نوعی از انرژی پتانسیل تبدیل می شود، بخش زیادی از انرژی اولیه قابل بازیافت و استفاده مجدد می باشد. چند نمونه از اینگونه تبدیلات عبارتند از: 1- هنگامی که جسمی به ارتفاعی از سطح زمین برده می شود، انرژی مصرف شده برای این انتقال در جسم به صورت انرژی پتانسیل گرانشی ذخیره می شود. هنگام سقوط این انرژی دوباره به صورت انرژی جنبشی بازیافت می شود. 2- مشابه نمونه قبل، انرژی مصرف شده برای انباشت آب در پشت یک سد در آب فوق به صورت انرژی پتانسیل گرانشی ذخیره می شود. هنگام خروج آب از دریچه های زیر سد، این انرژی به انرژی جنبشی تبدیل می شود. و توربین های تولید برق به چرخش در می آیند. 3- مقدار زیادی از انرژی الکتریکی که برای شارژ یک باتری مصرف می شود در آن به صورت انرژی پتانسیل شیمیایی ذخیره شده و قابل بازیافت و استفاده مجدد می باشد. 4- انرژی نورانی خورشید که به گیاهان می تابد در مواد غذایی و اندام آنها به صورت انرژی پتانسیل شیمیایی ذخیره شده و هنگام مصرف دوباره بازیافت می شود. 5- هنگامی که فنری را می کشید یا فشرده می کنید، مقدار زیادی از انرژی مصرفی برای اینکار در آب به صورت انرژی پتانسیل کشسانی ذخیره می شود. زمان برگشتن فنر به حالت عادی این انرژی قابل بازیافت مجدد است. فعالیت 5 : چند وسیله برقی خاصرا در نظر بگیرید و توضیح دهید که انرژی الکتریکی که به آن ها داده می شود، چگونه در نهایت به گرمتر شدن محیط می انجامد.پاسخ: اگر یک وسیله برقی مثل اتو را در نظر بگیریم، هنگامی که روشن است سطح داغ آن موجب گرم شدن هوای اطراف خود می شود و به این ترتیب محیط را گرم می کند. پاسخ تمرین های فصل اول 1-با توجه با جدول (1-2) کتاب به پرسش های زیر پاسخ دهید: الف- اگر شخصی یک شبانه روز بخوابد، چه مقدار انرژی مصرف می کند؟ ب- انرژی ای که برای یک ساعت نشستن در کلاس مصرف می شود بیشتر است یا انرژی ای که صرف ده دقیقه دوچرخه سواری می شود؟ جواب: با استفاده از جدول(1-2) کتاب درسی خواهیم داشت: (الف 5 kj =انرژی لازم برای یک دقیقه خواب دقیقه =یک شبانه روز بر حسب دقیقه = انرژی لازم برای خواب یک شبانه روز (ب = انرژی لازم برای یکساعت نشستن در کلاس = انرژی لازم برای ده دقیقه دوچرخه سواری بنابراین هنگام یک ساعت نشستن در سر کلاس بیشتر از ده دقیقه دوچرخه سواری انرژی مصرف می شود. 2- گلوله ای به جرم 50 گرم با سرعت 200 به مانع برخورد می کند و در آن فرو رفته و متوقف می شود. انرژی درونی گلوله و مانع چه اندازه افزایش می یابد؟ جواب: علت توقف گلوله وجود اصطکاک شدید بین سطح گلوله و جداره داخلی مانع است. لذا بنا به قانون پایستگی انرژی، انرژی جنبشی گلوله به صورت گرما به انرژی درونی گلوله و مانع تبدیل می شود. خواهیم داشت افزایش انرژی درونی گلوله و مانع 3- توپی را از ارتفاع یک متری سطح زمین از حال سکون رها می کنیم. توپ بعد از برخورد با زمین، تا ارتفاع کمتر از یک متر بالا می رود. این مثال را براساس پایستگی انرژی توضیح دهید. جواب: در اثر برخورد توپ با زمین، مقداری از انرژی جنبشی آن به صورت انرژی گرمایی به زمین منتقل شده و انرژی درونی مجموعه زمین و توپ افزایش می یابد. در نتیجه تمام انرژی پتانسیل را که توپ در ارتفاع یک متری داشت دوباره به طور کامل به انرژی جنبشی تبدیل نمی شود و توپ نمی تواند مجدداً تا ارتفاع یک متر بالا رود. 4- گلوله ای به جرم یک کیلوگرم به فنری که در یک سطح افقی قرار دارد نزدیک شده و با سرعت 10 به آن برخورد می کند. اگر از صطکاک چشم پوشی کنیم. حداکثر انرژی پتانسیل کشسانی که در فنر ذخیره می شود چقدر است؟ جواب: چون از اصطکاک چشم پوشی شده است، پس بنا به قانون پایستگی انرژی تمام انرژی جنبشی گلوله به انرژی پتانسیل کشسانی فنر تبدیل می شود. نتیجه می شود: 5- استفاده از رابطه انرژی پتانسیل گرانشی جدول زیر را کامل کنید. با توجه به رابطه U=mgh داریم : U(j)h(m)g(m/s2)m(kg)2.41.2100.2282101.419659.8478.4109.80.86- توپی به جرم 0.5 کیلوگرم را با سرعت 20 در امتداد قائم به طرف بالا پرتاب می کنیم.هرگاه 10% انرژی گلوله صرف غلبه بر مقاومت هوا شود ، گلوله تا چه ارتفاعی بالا می رود ؟ ( g=10 m/s2 )جواب: K=100 j انرژی در لحظه پرتابk*%10=100*%10=10 j میزان انرژی اتلافیU= K- 10 j=100-10=90j میزان انرژی پتانسیل در نقطه اوجU=mgh --> h=U/mg=90/(0.5*20)=9 m7- سه گلوله A و B و C با جرمهای مساوی از ارتفاع معینی رها می شوند ( شکل 1-22) کتاب.الف ) سرعت کدام یک به هنگام رسیدن به زمین بیشتر است ؟ب) کدامیک زودتر می رسند؟پاسخ خود را یک با ر با در نظر گرفتن اصطکاک و با ر دیگر با نادیده گرفتن اصطکاک بیان کنید.جواب :بدون در نظر گرفتن اصطکاک :الف ) سرعت همه با هم برابر است زیرا هیچ مقاومتی در مقابل حرکت گلوله ها وجود ندارد . ضمن اینکه هر سه گلوله با شتاب g با سمت پایین کشیده می شوند.ب) هرسه با هم به زمین می رسند. زیرا هرسه با شتاب g به طرف زمین کشیده می شوند. با در نظر گرفتن اصطکاک الف ) سر عت A بیشتر است . زیرا اتلاف انرژی در حین مسیر آن صفر است . پس کل انرژی پتانسیل آن به انرژی جنبشی انتهای مسیر تبدیل می شود . ولی در دو تای دیگر بخشی از انرژی پتانسیل اولیه صرف غلبه بر اصطکاک مسیر می شود.ب) باز هم A . به همان دلیل شرح داده شده در بالا.در کل : A زودتر از B و B زودتر از C8- توپی به جرم 1 کیلو گرم را با سرعت 5 متر بر ثانیه در امتداد قائم به طرف بالا پرتاب می کنیم . انرژی پتانسیل گرانشی در بالاترین ارتفاعی که توپ به آن می رسد ، چقدر است ؟ سرعت آن در نیمه را چقدر است ؟ از مقاومت هوا چشم پوشی کنید . U=K=12.5 j انرژی پتانسیل گرانشی در بالاترین ارتفاعی که توپ به آن می رسدU = 12.5 j = mgh --> h= U/mg= 12.5/(1*10)=1.25 mh/2=1.25/2=0.625 mU0.625=1*10*0.625=6.25 jK0.625=U0.625=6.25 j = 1/2 mv2 -->V2=(2*6.25)/1 --> V=3.53 m/s سرعت در نیمه راه9- مطابق شکل مقابل(1-10 کتاب) توپی به جرم یک کیلوگرم در نقطه B از حال سکون رها می شود. اگر ارتفاع نقطه B از پایین تپه 5 متر باشد:الف) سرعت آن در پایین تپه چه اندازه است؟ از اصطکاک چشم پوشی می شود. ب) اگر 10 در صد انرژی توپ در اثر اصطکاک تلف شود. سرعت توپ در پایین تپه چه اندازه می شود؟جواب: انرژی پتانسیل گرانشی توپ در نقطه B برابر است با: در این حالت چون از اصطکاک چشم پوشی شده است پس بنا به قانون پایستگی انرژی تمام انرژی پتانسیل گرانشی جسم در نقطه B هنگام پایین رفتن از تپه به انرژی جنبشی توپ تبدیل می شود. در نتیجه خواهیم داشت: ب) 10درصد انرژی پتانسیل گرانشی توپ در نقطه B برابر است با:انرژی تلف شده در اثر اصطکاکنتیجه می شود هنگام رسیدن توپ به پایین تپه از انرژی آن در اثر اصطکاک به اندازه 5 ژول کاسته می شود. نتیجه خواهد شد: 10- جمله های زیر را کامل کنید:0الف- در یک لامپ روشنایی، انرژی...............به انرژی نورانی تبدیل می شود.ب- در پنکه، انرژی الکتریکی به ..................تبدیل می شود.پ- به وسیله...............می توانیم انرژی جنبشی را به انرژی درونی تبدیل کنیم.ت- در پر کردن باتری ماشین انرژی..................به انرژی شیمیایی تبدیل می شود.جواب: الف- در یک لامپ روشنایی، انرژی الکتریکی به انرژی نورانی تبدیل می شود.ب- در پنکه، انرژی الکتریکی به انرژی جنبشی تبدیل می شود.پ- به وسیله برخورد و مالش می توانیم انرژی جنبشی را به انرژی درونی تبدیل کنیم.ت- در پر کردن باتری ماشین انرژی الکتریکی به انرژی شیمیایی تبدیل می شود.11- سوخت هایی مانند زغال سنگ و نفت و گاز به هنگام مصرف مقداری گاز متصاعد می کنند که سبب آلودگی هوا می شود. تحقیق کنید برای جلوگیری از آلودگی هوا چه باید کرد؟ و نتیجه تحقیقات خود را به صورت پیشنهاد ارائه دهید.جواب الف- منابع مصرف سوخت های فسیلی غالباً عبارتند از: کارخانه ها، نیروگاههای حرارتی، خودروهای عمومی و شخصی، وسایل گرمازای عمومی و خصوصی و غیره. برای کاهش میزان آلودگی توسط این منابع باید تا حدی که امکان دارد در مصرف آنها صرفه جویی کرد و استفاده بهینه به عمل آورد. در مورد کارخانه ها و نیروگاههای حرارتی باید از فیلترهای مخصوص تسویه کننده گازهای خروجی استفاده کرد و نیز باید این تأسیسات را در فاصله مناسب و دور از شهرها احداث نمود. در مورد خودروهای عمومی و شخصی باید ضمن رسیدگی و تنظیم مداوم موتور، در صورت امکان سوخت گازوئیل یا بنزین آنها را با سوخت گاز طبیعی جایگزین کرد و خودروهای عمومی برقی چون قطار و مترو را بکار گرفت. سالم ترین نوع منبع انرژی، انرژی الکتریکی است و جانشین مناسبی برای سوخت های فسیلی چون نفت، گاز، گازوئیل می باشد. انرژی الکتریکی امروزه توسط نیروگاههای بزرگ آبی، حرارتی، بادی و به خصوص هسته ای به مقدار زیاد قابل تولید می باشد. مناسب است تا حد امکان وسایلی که با سوخت های فسیلی کار می کنند، با وسایل مشابه آنها که با برق عمل می کنند جایگزین شوند.12- تحقیق کنید که در محل زندگی شما ، امکان استفاده از کدام یک از انرژی های تجدید پذیر وجود دارد ؟جواب : بسته محل زندگی شما ، ممکن است یکی از منابع انرژی تجدید پذیر قابل استفاده با شد . مثلا چنانچه شما در منطقه منجیل یا رودبار استان گیلان زندگی می کنید ، می توانید از انرژی باد یا آب استفاده نمایید.13- انرژی زمین گرمایی در چه صورت تجدید پذیر محسوب می شود ؟ جواب : در صورتیکه انرژی برداشت شده بیش از انرژی ای که از طریق مرکز زمین جایگزین می شود نباشد.