آموزش فصل دوم قسمت دوم

اگر برای مثال جرم آب یا مقدار افزایش دما را دو برابر کنیم. مقدار گرمای لازم دو برابر می شود. به عبارت دیگر نسبت همواره مقدار ثابتی است. این مقدار ثابت را گرمای ویژه ی آب می نامیم.

مقدار گرمای لازم برای افزایش دما	=		= گرمای ویژه آب
(جرم آب )× (افزایش دما)

اگر برای مثال جرم آب یا مقدار افزایش دما را دو برابر کنیم. مقدار گرمای لازم دو برابر می شود. به عبارت دیگر نسبت همواره مقدار ثابتی است. این مقدار ثابت را گرمای ویژه ی آب می نامیم.

مقدار گرمای لازم برای افزایش دما	=		= گرمای ویژه آب
(جرم آب )× (افزایش دما)

محاسبه انرژی گرمایی لازم برای ایجاد یک تغییر معین در دما :
برای آنکه دمای m کیلوگرم از جسمی با گرمای ویژه c را به اندازه ?? تغییر دهیم . Q ژول انرژی گرمایی لازم است. از تعریف گرمای ویژه داریم :

Q= mc∆θ= mc( θ₂ -θ₁ ) به عبارت دیگر

در این رابطه Q (انرژی) بر حسب ژول ، m( جرم) بر حسب کیلوگرم، C (گرمای ویژه) ‌بر حسب ژول بر کیلوگرم بردرجه سلسیوس و ∆θ (تغییر دما) بر حسب درجه ی سلسیوس است.

  رابطه (2-1) درباره جسمی که گرما از دست می دهد درست است. به این ترتیب که اگر دمای θ₂ کمتر ازθ₁ باشد(θ_{2 -} θ₁ ) منفی خواهد شد و در نتیجه θ نیز منفی می شود. علامت منفی نشان می دهد که جسم انرژی از دست داده است.

مثال :
چقدر انرژی گرمایی لازم است تا دمای 5/2 کیلوگرم مس را از°20 (سانتی گراد) به °30 (سانتی گراد ) برسانیم؟
C = 200 J/k°gc

از جدول (2-3) داریم:
در نتیجه با نشاندن اعداد بالا در رابطه (2-1) پاسخ مثال را بدست می آوریم:

Q=mc(θ_{2 -} θ₁ ) = 2/5×400×(30-20)=10000j= 10 kj مقدار انرژی لازم

فرمول ها و واژه های کلیدی، فصل 2:
1 – دما کمیت مقایسه ای است که درجه گرمی و سردی یک جسم را مشخص می کند.
2 – یک دما سنج با استفاده از نقاط ثابت دماسنجی مدرج می شود.
3 – درجه حرارت یخ خالص خرد شده در حال ذوب نقطه ای ثابت پائینی دما سنج است و درجه حرارت بخار آب در حال جوش نقطه ای ثابت بالایی دما سنج است.
4 – در دما سنج سلسیوس نقطه ی ثابت پائین صفر و نقطه ی ثابت بالا 100 می باشد.
5 – در دماسنج کلوین نقطه ی ثابت پائین 273 و نقطه ثابت بالا 373 می باشد.
6 – هر گاه بین دو جسم اختلاف دما وجود داشته باشد. جسمی که دمای بیشتری دارد گرما از دست می دهد و جسمی که دمای کمتری دارد گرما می گیرد تا هر دو جسم به یک دما برسند (دمای تعادل)
7 – اگر به یک ماده گرما بدهیم انرژی درونی آن افزایش می یابد.
8 – در رسانش گرما، انرژی گرمایی به وسیله مولکول ها، اتمها و الکترون های آزاد ماده از جسم گرم به جسم سرد منتقل می شود.
9 – فلزات رسانای خوب گرما هستند.
10 – آب رسانای ضعیف گرما است.
11 – هوا رسانای ضعیف گرما است
12 – مقدار گرمایی که به یکای جرم از یک ماده داده می شود تا دمای آن یک درجه سلسیوس افزایش یابد از ظرفیت گرمایی ویژه ماده می گویند.

فرمول های کلیدی :

T = 273 +θ (رابطه ی دما سنج کلوین با دماسنج سلسیوس)
مساحت)×(مدت زمان)×(اختلاف دما)× (آهنگ عبور گرما از واحد سطح به ازای واحد اختلاف دما) = انرژی تلف شده )
مقدارگرما Q =mc(θ_{2 -} θ₁ ) = mc∆θ

ظرفیت گرمایی ویژه C=

دمای تعادل =

تمرین های فصل 2
پاسخ دهید : فصل 2 :
1 – آیا می شود با یک دما سنج الکلی دمای جوش آب را اندازه گیری کرد؟ توضیح دهید.
نقطه جوش الکل برابر 79 درجه سانتی گراد و نقطه جوش آب برابر 100 درجه سانتی گراد است و چون نقطه ی جوش آب بالاتر از گستره ی دما سنج الکلی است. لذا نمی توان ازدما سنج الکلی برای اندازه گیری نقطه جوش آب استفاده کرد.


2 – یک لیوان آب داریم. اگر به جای یک جسم با دمای بالاف جسمی با دمای پائین تر از دمای آب را به درون آن بیندازیم، آیا تغییری در انرژی درونی آب و انرژی درونی جسم صورت خواهد گرفت ؟ انرژی از کدامیک به دیگری منتقل خواهد شد؟
همیشه گرما از جسم گرمتر به جسم سردتر ماده ی پائین شارش می یابد. در این صورت وقتی فلز سرد در داخل آب قرار می گیرد. گرما از آب به فلز شارش پیدا می کند و قسمتی از انرژی آب به فلز منتقل می شود و در پایان انرژی درونی آب کاهش و انرژی درونی فلز افزایش می یابد که اگر تبادل گرمایی با محیط نباشد ، مقدار کاهش انرژی درونی آب را برابر مقدار افزایش انرژی درونی فلز خواهد بود و هر دو هم دما خواهند شد.


3 – با مراجعه به جدول (2-2) فکر می کنید کدامیک از موارد فوق باعث بیشترین اتلاف انرژی هستند؟
شیشه ی پنجره ی تک لایه بیشترین آهنگ عبور گرما از واحد سطح به ازاء واحد اختلاف دما را دارد. پس در این صورت استفاده از پنجره های بزرگ با شیشه ی تک لایه و بیشترین اتلاف انرژی را خواهد داشت.

تمرین های فصل 2 :
1 – پاسخ دهید :
الف – چرا دیواره های شیشه ای مخزن دما سنج باید نازک باشد؟
زیرا شیشه رسانای خوبی برای گرما نیست و انتقال گرما در آن سرعت زیادی ندارد. در این صورت با نازک گرفتن دیواره ی شیشه ای مخزن سرعت انتقال گرمای بدن به جیوه بیشتر می شود.

ب – چرا در زمستان هنگامی که سطح آب دریاچه یخ می بندد، با افزایش ضخامت یخ، آهنگ افزایش ضخامت یخ کند می شود؟
یخ رسانای برگرماست . در این صورت هر چقدر ضخامت بیشتر می شود، گرمای آب کمتر به هوای سرد منتقل می شود و آهنگ تشکیل یخ کند می شود.


2 – پاسخ دهید :
الف) چرا موادی مانند پشم و تارهای شیشه ای عایق های گرمایی خوبی هستند؟
زیرا این مواد بسته هایی از هوا را بین تارها و منفذهای خود نگه می دارند و چون هوا رسانای ضعیف گرما است. می توان از این مواد برای عایق کاری گرما استفاده کرد.

ب) یک قطعه چوب و یک قطعه آهن هم دما را لمس کنید. چرا آهن سردتر به نظر می آید؟ آیا این به دلیل خطای لامسه است؟ توضیح دهید.
زیرا آهن رسانای خوب گرما است و وقتی به آن دست می زنیم گرمای دست ما با سرعت به آهن منتقل می شود و ما احساس سرما می کنیم. ولی چوب رسانای بر گرما است و وقتی به آن دست می زنیم، چون گرمای دست ما با سرعت بسیار کم به چوب منتقل می شود، احساس می کنیم که چوب گرم است ، در این صورت نمی توان برای تعیین دما ی یک جسم به حس لامسه ی خود اعتماد کنیم.


3 – دمای یک قطعه آلومینیوم 15 کیلوگرمی از ° 60 (سانتی گراد) ‌به ° 10 (سانتی گراد) می رسد. این قطعه ی آلومینیوم چه مقدار از انرژی درونی خود را از دست داده است؟
مقدار گرمای از دست داده برابر کاهش انرژی درونی قطعه آلومینیومی است.

انرژی درونی آلومینیوم ژول 5 10 * 75/6 کاهش می یابد.

ب – اگر 15 کیلوگرم آب از دمای ° 60 (سانتی گراد) به دمای ° 10 (سانتی گراد) برسد چه مقدار از انرژی درونی خود را از دست داده است؟
مقدار گرمایی که آب از دست می دهد، برابر کاهش انرژی درونی آب می باشد.

Q= mc(θ₂ - θ₁)
C= 4200J/Kg ْc=  = Q = 3/15 * 10"Q=15×4200(10-60)⁶ J

انرژی درونی آب (ژول) 6 10 * 15/3 کاهش می یابد.

HTML clipboard v\:* { behavior: url(#default#VML) } o\:* { behavior: url(#default#VML) } .shape { behavior: url(#default#VML) } table.MsoNormalTable {mso-style-parent:""; font-size:10.0pt; font-family:"Times New Roman"; }

3 – گرمای ویژه آب بالاست. چند مورد استفاده برای این ویژگی را بیابید.
1) در موتور ماشین از آب به عنوان خنک کاری استفاده می شود، زیرا ظرفیت گرمایی ویژه آب بالاست و مقدار گرمای زیادی را بین موتورو رادیاتور جابجا می کند.
2) استفاده از آب در لوله کشی مخصوص گرم کردن ساختمان ها.
3) استفاده از آب در سیستم خنک کاری نیروگاهها
4) در کولرهای آبی


4 – یک آبگرمکن الکتریکی در هر ثانیه 1100 ژول انرژی الکتریکی را به گرما تبدیل می کند. این گرمکن را در درون 3 کیلوگرم آب قرار می دهیم اگر گرمکن برای 120 ثانیه روشن باشد دمای آب در هر یک از حالتهای زیر چه مقدار افزایش می یابد؟
الف) همه انرژی گرمایی گرمکن به آب داده شود.
ب) 80 درصد انرژی گرمایی به آب داده شود.


الف) توان گرمکن برابر
(J/S)
210
است ، پس :

∆θ = 10/47 ° C

ب) Q = 0/8 p * t = 0/8 *1100*120 = 105600 J

∆θ = Q/mc = 105600 / 3*4200 = 8/38 °c

5 – تجربه نشان می دهد دمای قسمتی از مین که برف روی آن است تقریباً 10 درجه سلیسوس بیشتر از دمای زمین بدون برف است.علت را توضیح دهید.
با توجه به اینکه برف رسانای ضعیف گرما است. وقتی زمین پوشیده از برف است همانند یک عایق عمل کرده و مانع از انتقال گرما از زمین به هوای سرد می گردد که در این صورت دمای زمین در این حالت بیشتر از شرایطی است که زمین بدون پوشش برف است.



تمرین های تکمیلی و پرسشهای چهار گزینه ای
تمرین های تکمیلی فصل 2 :
1 – چرا الکل در اندازه گیری دماهای پائین به جیوه ارجحیت دارد؟
1) نقطه انجماد آن پائین است و در حدود -114c می باشد.
2) انبساط آن نسبت به جیوه بیشتر است.
3) ارزان تر از جیوه است.


2 – در چه مواردی از تغییر مقاومت برای اندازه گیری دما استفاده می شود؟
در فرایندهای صنعتی اندازه گیری دما و کنترل آن بسیار مهم است و استفاده از دما سنج های مایعی برای موارد کارهای صنعتی مناسب نیستند. در دما سنج های مایعی اندازه گیری دما محدود است و از طرفی می توان دما سنج مقاومتی را طوری طراحی کرد که به کمک یک وسیله ی عقربه ای یا رقعی که مقداری دورتر از منبع قرار دارد، دما را اندازه گیری و فرایند گرمایی را کنترل کرد.


3 – چرا در خلاء گرما از طریق رسانایی منتقل نمی شود؟
زیرا رسانش گرما از طریق مولکول ها و الکترون های آزاد ماده انجام می شود و حال اینکه در شرایط خلاء، هیچ ماده ای وجود ندارد که گرما را از طریق رسانش منتقل کند.


4 – چرا لوله های آب که از زیر زمین عبور می کنند، در سرمای شدید یخ نمی زنند؟
زیرا خاک رسانای ضعیف گرما است و به هنگام سرمای شدید گرمای زمین حفظ شده و باعث گرم ماندن لوله های آب در زیر زمین می گردد، از طرفی هوا رسانای ضعیف گرما است و مقدار کمی گرما را از زمین می گیرد.


5 – اگر هوا رسانای ضعیف گرماست. در نتیجه چرا شخص نباید بدون لباس احساس گرمای بیشتری را کند؟
این مطلب درست است که هوا رسانای ضعیف گرماست، اما حرکت هوا در جریان همرفتی گرما را منتقل می کند ووقتی شخص بدون لباس است، هوای متحرک گرما را از بدنش منتقل می کند و وی احساس سردی می نماید.


6 – یک گلوله فلزی به جرم 2100 گرم و گرمای ویژه 400J/kg °c و دمای 30ْ (سانتی گراد) ‌را تا° 80 ‌ گرم می کنیم. مقدار گرمایی که گلوله آهنی دریافت می کند چقدر است؟

7 – 100 گرم آب
C
°80
را با چند گرم آب
20°C
مخلوط کنیم تا دمای تعادل
50°C
شود.


مقدار گرمایی که آب
C
°20
می گیرد=
مقدار گرمایی که آب
80°C
از دست می دهد

M ₁=100gr
θ ₁= 80ْc
θ₂ = 20° c

θ _t= 50° c

Q = Q₂

m₁c(θ₁ - θ₂) = m₂c(θ_t - θ₂)

100(80-50) = m₂ (50-20) => m ₂= 100 gr

8 – یک قطعه فلز برجرم 5/0 کیلوگرم را تا 100 درجه سانتی گراد گرم کرده و در 200 گرم آب 15 درجه سانتی گراد می اندازند. اگر دمای تعادل 21 درجه سانتی گراد بشود، ظرفیت گرمایی ویژه ی فلز را حساب کنید. (ظرفیت گرمایی ویژه آب 4200j/kg°c است)

M ₁=0/5 kgr
θ ₁= 100ْc

M ₂=0/2 kgr

θ₂ = 15° c

θ _t= 21

m₁c₁(θ₁ - θ₂) = m₂c₂(θ_t - 0)

0/5 * c₁(100-21) = 0/2 * 4200(21-15)

39/5 c₁ = 5040 => c₁=127/5  J/Kg ° c

آموزش فصل دوم

اتومبیل‌های زغال سنگ سوز

پودر ذغال سنگ ارزانتر، سریعتر تبدیل به انرژی می‌شود.

مهندسان کارخانه‌های اتومبیل‌سازی جهان مدتی است که روی مورتورهائی که با گرد زغال بجای سوخت استفاده می‌کند کار کرده و موفقیت‌هائی بدست آورده‌اند. در سال1899م موتوری که «رودلف دیزل» اختراع کرده بود، برای کارخانجات اتومبیل‌سازی مورد توجه قرار نگرفته بود، زیرا با گرد زغال سنگ کار میکرد. دو نمونه از موتور مدرن که با گرد زغال سنگ کار می‌کند بوسیلهکمپانیهای اتومبیل سازی امریکا، جنرال موتورز اکنون به نمایش گذاشته شده. که می‌تواند بازسازی و توسازی ایده قدیمی دیزل باشد.رئیس بخش پژوهشی کارخانه‌ی جنرال موتور می‌گوید:«آزمایشهای بر روی موتور توربین که بنامAGT5نامگذاری شده، نشان داد، که ما در آتیه هم اتومبیلهائی خواهیم داشت که تا حدی شبیه به اتومبیلهای امروزی است، شاید از نقطه نظر ظاهری. حتی صدائی که از لوله اگزوز موتور جدید شنیده می‌شود، صدایی غیر از صدای موتورهای بنزینی و یا وانکل و یا موتور دیزل می‌باشد.زیرا صدایی که از اگزوز این موتور زغال سنگی شنیده می‌شود، ماند صدای جرقه‌ها می‌باشد».

سوخت این موتور از ظریف‌ترین گرد زغال سنگ می‌باشد،که هر ذره‌ی آن باندازه‌ی3میکرون است. یعنی سه هزار میلیمتر،که از آرد هم ظریف‌تر و نرم‌تر است.گرد زغال سنگ در وقایع ناگوار در معادن زغال سنگ شناخته شده، که ایجاد انفجارهای بسیار شدید می‌نماید. فقط70گرم از این گرد زغال در یک متر مکعب هوا، مخلوطی قابل انفجار می‌باشد. یک جرقه کافیست تا آنرا مشتعل سازد.

حال اگر با احتیاط کامل آنرا تحت کنترل درآورند، این مخلوط پر قدرت در موتورها ایجاد قوه محرکه می‌نماید هوای فشرده شده این ماده سوخت گردی را از تانک وارد محل اشتعال موتور می‌نماید، در آنجا با کمی مایع سوختنی، از طریق جرقه الکتریکی مشتعل می‌شود. هنگامیکه موتور بحرکت درآمد، کمپر سوری، همانند پمپ بنزین، پیوسته میزان تعیین شده‌ای از این ماده سوخت را به موتور می‌رساند تا هنگامیکه این موتورهای گرد زغال آماده ساختن بطور سری بشوند، قدری طول خواهد کشید. تصور می‌رود در آغاز قرن بعد، این موتورها بطور سری ساخته خواهند شد.

کارشناسان می‌گویند ذغال‌سنگ برای قرنهای آتیه هم بقدر کافی موجود می‌باشد.  آنچه که باید بهتر و کاملتر شود سیستم مکانیکی تانک و رساندن به سر سیلندر و تزریق در محفظه اشتغال میباشد. هر چند قسمتهای دیگر نیز احتیاج به تکمیل دارند، تا بتوان به سوزاندن کامل ذرات مواد سوختنی موفق شد. زیرا اکنون ذرات زغالی که سوخته باشند در دیوار محفظه سوخت«سرسیلندر» او توربین جمع میشوند. که نتیجه کم شدن عمر موتور و تقلیل قدرت آن می‌باشد. اینها مشکلاتی بودند که باعث شدند رودلف دیزل در زمان خود از ادامه تحقیقات و مطالعاتش صرفنظر کند.

مشکلاتی که در سالهای پیش غیر قابل حل بنظر میرسید، امروزه با پائین آوردن میزان خاکستر موجود در زغال سنگ رفع شده، آنهم با یک سیستم ساده تجزیه و جدا کردن.تا کنون موتورهای آزمایشی از گرد. زغال سنگ بیش از 11/000ساعت کار کرده‌اند، بدون کوچکترین عیب و با نقصی. اگر این ساعتها را در جاده‌ها حرکت میکردند،بمعنی آن بود که مسافتی بطول300/000کیلومتر راه را با قدرت کافی طی کرده باشند. همانقدر که یک موتور معمولی دیزل بطور کلی می‌تواند کار کند.

بنظر کارشناسان شانس زیادی که این موتورهای با سوخت گرد زغال اکنون دارند آنست، که ابتدا آنها را برای تولید انرژی الکتیسیته و پمپ‌های آب در دهات و شهرک‌های کوچک بکار گیرند. آنوقت این موتور، ژنراتوری را برای تولید برق بچرخش در می‌آورد. و در عین حال گرمای موتور آن میتوان آب را هم گرم کند.

خلاصه فصل دوم

 بعضی‌ از اجسام مثل آب جوش یا شعله کبریت خیلی داغ هستند، آتقدر داغ که می‌توانند به ما
آسیب برسانند. در طرف دیگر یک تکه یخ خشک خیلی سرد است. آنقدر که می‌تواند  بدن ما را
 بلرزاند. به همین دلیل  گرمی یا سردی اجسام را با لمس کردن نمی‌توان بطور دقیق تعیین کرد.
اگر آن جسم خیلی داغ یا خیلی سرد باشد، به ما آسیب می‌رساند و اگر به اندازه‌ای که ما احساس می‌کنیم سرد یا گرم نباشد، تنها با لمس کردن نمی‌توان گفت که آن جسم به چه اندازه گرم یا سرد است. ما برای سنجش گرمی یا سردی اجسام به کمیتی نیاز داریم، که از لمس کردن مطمئن‌تر باشد. هرقدر جسمی سردتر باشد دمایش پایین تر و به هر اندازه گرمتر باشد دمایش نیز بالاتر است. دما معیاری برای اندازه‌گیری و سنجش گرمی و سردی جسم است. پس ابتدایی ترین روش اندازه گیری دما استفاده از حس لامسه است. یک دانشمند ایتالیایی به نام گالیله در حدود سال 1592 دست به سلسله آزمایشهایی زد. گالیله دماسنجی درست کرد که بهتر است آنرا دماسنج هوایی بنامیم. زیرا وی این دماسنج را با یک لوله شیشه‌ای که یک سر آن آزاد و در سر دیگرش حباب شیشه‌ای قرار داشت، ساخته بود. گالیله سر آزاد لوله را به درون آب فرو برده بود. هنگامی که به لوله حرارت می‌داد، هوای داخل آن منبسط شده، سطح مایع داخل لوله را پایین می‌آورد. برعکس هنگامی که لوله سرد می‌شد، هوای داخل آن نیز فشرده شده و سطح مایع را بالا می‌برد. گالیله این دماسنج را برای اندازه‌گیری حرارت یا برودت هوا بکار برد. اما یک اشکال بزرگ در کار این نوع دماسنج جلوه می‌نمود و آن اینکه بالا یا پایین آمدن سطح مایع تنها بعلت حرارت یا برودت هوا صورت نمی‌گرفت. بلکه عوامل دیگری مانند تغییرات فشار جوی نیز در این کار سهیم بودند که دقیق نبودن دماسنج گالیله را آشکار می‌ساخت.   
 دماسنج 
دماسنج  می‌تواند اندازه‌گیری دقیقی از درجه سردی یا گرمی جسم داشته باشد. رایج‌ترین دماسنجها دماسنج جیوه‌ای یا الکلی است. اساس این دماسنجها براساس انبساط مایعات است. تقریباً همه مواد چه جامد ، مایع یا گاز وقتی گرم  می‌شوند منبسط می‌شوند. هرگاه در اطراف یک دماسنج دمای محیط افزایش پیدا کند، ارتفاع مایع دماسنج افزایش پیدا می‌کند و بالعکس هر گاه دمای محیط کاهش یابد، ارتفاع مایع درون دماسنج کاهش می‌یابد. معمولترین دماسنجها، دماسنج جیوه‌ای والکلی می‌باشند.   
 ساختمان دماسنج جیوه‌ای و الکلی
 این دما‌سنجها مطابق شکل از یک لوله شیشه‌ای باریک سربسته و خالی از هوا تشکیل شده که قسمت پایین آن متصل به یک مخزن است. این مخزن می‌تواند مملو از جیوه یا الکل باشد. با بالا رفتن دمای محیط اطراف دماسنج، دمای مایع درون دماسنج انبساط پیدا کرده، حجم آن افزایش پیدا می‌کند و مایع در لوله باریک بالا می‌رود، تا جاییکه سطح بالایی آن در ارتفاع مشخصی قرار می‌گیرد. هرچه دما بالاتر برود ارتفاع مایع بالاتر می‌رود و هر چه دما پایین‌تر بیاید ارتفاع مایع پایین‌تر می‌آید. دماسنجی که ما اکنون به کار می‌بریم درست همان کار دماسنج گالیله را انجام می‌دهد. با این تفاوت که در دماسنج ما به بجای هوا، جیوه تعبیه شده است. جیوه براثر حرارت یا بردوت منبسط یا منقبض شده و بدین وسیله در درون یک لوله شیشه‌ای بالا و پایین می‌رود. هنگامی که جیوه گرم می‌شود، خود را از دیواره شیشه بالا می‌کشد، انبساط حجم پیدا می‌کند و چون سرد می‌‌شود منقبض شده و در حباب شیشه‌ای پائین لوله دماسنج، جمع می‌شود. دماسنج جیوه‌ای را گراند دوک فردیناند دوم، در حدود سال 1654 میلادی برای نخستین بار به کار برد. 

 دماسنج پزشکی

 دماسنج پزشکی دارای یک لوله خیلی باریک شیشه‌ای است، که به مخزن جیوه‌ای با جداره‌ای خیلی نازک مربوط شده است. وقتی دماسنج پزشکی در دهان یک مریض قرار می‌گیرد، در اثر گرمای بدن بیمار جیوه در مخزن منبسط‌ شده، و در لوله بالا می‌رود. اما این جیوه به سهولت پایین نمی‌آید. زیرا بین مخزن و لوله یک معبر خیلی تنگ پیش‌بینی شده است، تا جیوه فوراً پایین نرود، و پزشک امکان خواندن درجه تب مریض را داشته باشد. پایین نرفتن جیوه در لوله، علاوه بر وجود این شکاف تنگ، علت دیگری هم دارد و آن اینکه نیروی جاذبه مولکولی مولکولهای جیوه بیشتر از مولکولهای شیشه و جیوه است، بنابراین از شکاف به سادگی عبور نمی‌کند. همان‌طور که اگر به یک صافی چایی که مانند یک الک کوچک است، روغن مالیده شود، یک قاشق آب را می‌توان به سادگی داخل آن نگه داشت.    زیرا جاذبه مولکولی مولکولهای آب بیشتر از مولکولهای آب و روغن است. اما راه ساده‌ای برای برگرداندن جیوه به مخزن دماسنج وجود دارد: اگر دماسنج را یک لحظه در آب گرم فرو برده، و فوراً بیرون بکشیم، جیوه به سهولت سرجای خود برمی‌گردد. زیرا در این صورت ظرف شیشه‌ای زودتر از جیوه گرم شده، منبسط می‌شود و بزرگ شدن نسبی این سوراخ باریک نیز باعث برگشت فوری جیوه به مخزن می‌گردد. به شرطی که آب بیش از حد گرم نباشد تا سبب شکستن دماسنج نشود.

آموزش فصل اول قسمت دوم

انرژی پتانسیل ذخیره شده در فنر را انرژی پتانسیل کشسانی می گویند.
1-8- منابع انرژی :منابع انرژی به دو دسته تجدید پذیر و تجدید ناپذیر تقسیم می شوند. انرژیهای تجدید ناپذیر فقط یکبار قابلیت مصرف دارند، اما انرژیهای تجدید پذیر تمام نمی شوند. برخی از این منابع عبارتند از :
الف – انرژی خورشیدی، باد، امواج دریا، انرژی ...

انرژی پتانسیل ذخیره شده در فنر را انرژی پتانسیل کشسانی می گویند.
1-8- منابع انرژی :منابع انرژی به دو دسته تجدید پذیر و تجدید ناپذیر تقسیم می شوند. انرژیهای تجدید ناپذیر فقط یکبار قابلیت مصرف دارند، اما انرژیهای تجدید پذیر تمام نمی شوند. برخی از این منابع عبارتند از :
الف – انرژی خورشیدی، باد، امواج دریا، انرژی هیدروالکتریک (برق آبی)، انرژی زمین گرمایی، سوخت های گیاهی (بیومس)

الف – منابع انرژیهای تجدید ناپذیراین انرژیها فقط یکبار قابلیت مصرف دارند.
منابع انرژی محدود است و پس از مدتی تمام می شود
سوخت های فسیلی و سوخت های هسته ای از منابع انرژی تجدید ناپذیر هستند

سوخت های فسیلی ( منابع انرژی تجدید ناپذیر) :
1.سوخت های فسیلی چگونه تشکیل می شوند؟ به چه کاربردی در صنایع پالایش دارند؟
جواب : تنه های پوسیده درختان و باقی مانده ی جانوران در زیر گل و لای در طی میلیون ها سال تحت فشار و دمای مناسب به زغال سنگ نفت و گاز تبدیل می شوند که به آنها سوخت های فسیلی می گویند.
با استفاده از سوخت های فسیلی هزاران ماده چون قطران، بنزین، نفت سفید، نفت ، گاز ، روغن موتور، رنگ ، کود شیمیایی، دارو، پلاستیک و حتی غذا در صنایع پالایش و پتروشیمی بدست می آید.

2 – سوخت هسته ای چیست و چگونه از آن استفاده می شود؟
جواب :الف) هسته اتمهای سنگین مانند اورانیوم و توریسم می توانند با واکنش شکافت هسته ای انرژی زیادی را آزاد کنند. به این مواد سوخت هسته ای می گویند.

ب ) در واکنش شکافت هسته ای، هسته ی اتم سنگین بر اثر واکنش با نوترون به دو هسته ی سبک تر شکافته می شود و گرمای زیاد آزاد می شود. این واکنش معمولاً در راکتور هسته ای انجام می شود.


3 – راکتور هسته ای چیست؟کوره ای که سوخت آن ماده ی شکافت پذیر است مانند اورانیوم


4 – استفاده از سوخت های هسته ای چه مشکلاتی دارد؟
جواب
الف. مقدار عناصر شکافت پذیر محدود و تمام شدنی است.
ب : بهره برداری از راکتورهای هسته ای مشکل و پرهزینه می باشد.
پ : سوخت های هسته ای (هسته ی اتم های شکافت پذیر) پرتو او بسیار خطرناک است.
ت: محصولات حاصل از شکافت شدیداً پرتوزا نگهداری و دفن آنها از نظر زیست محیطی بسیار مشکل و پرهزینه است.
ث: حوادث راکتورها خطرناک است و در صورت وقوع محیط زیست آلوده می شود.


منابع انرژی تجدید پذیر و تجدید ناپذیر
منابع انرژی تجدید پذیر :• منابع انرژی تجدید پذیر تمام نمی شوند.
• منابع معمولاً محیط زیست را آلوده نمی کنند
• منابع انرژی چون انرژی خورشیدی و ... از جمله منابع انرژی تجدید پذیر می باشند.
منابع انرژی تجدید پذیر :• منابع انرژی تجدید پذیر تمام نمی شوند.
• منابع معمولاً محیط زیست را آلوده نمی کنند
• منابع انرژی چون انرژی خورشیدی و ... از جمله منابع انرژی تجدید پذیر می باشند.
انرژی خورشید :
1 – انرژی که زمین از خورشید می گیرد چه می شود؟نیمی از این انرژی به سطح زمین و آب اقیانوسها می رسد و آب و هوای زمین را گرم می کند و مقداری از آن بر اثر فتوسنتز به صورت انرژی شیمیایی جذب گیاهان و سبب گرم شدن آنها می شود.

2 – مقدار کل انرژی دریافتی زمین از خورشید چقدر است؟در هر ثانیه معادل انرژی حاصل از سوختن سه میلیون تن بنزین است.

3- روش های بهره گیری از انرژی خورشیدی را بنویسید.الف) استفاده از صفحه های خورشیدی در آب گرم کن ها با دمای کم که نور خورشید را به انرژی گرمایی تبدیل می کند.
ب) استفاده از آینه های مقعر بزرگ در کوره های خورشیدی که پرتوهای خورشید در ناحیه ای کوچک متمرکز می شود. از این روش می توان برای تبدیل آب به بخار در یک نیروگاه برق استفاده کرد.
پ) استفاده از سلول های خورشیدی که نور خورشید را مستقیماً به الکتریسته تبدیل می کنند. از این روش می توان انرژی لازم برای دستگاههای برقی ، مخابراتی و ماهواره ها را تهیه کرد.

ب : انرژی باد :
از انرژی باد چگونه استفاده می شود؟توربین های بادی نیروگاههای بادی و پره های بزرگ آسیاهای بادی را در مسیر باد قرار می دهند تا پره های آنها را به گردش در آورد. اما توربین های بادی معمولاً پر سر و صدا هستند و منظره های طبیعی را خراب می کنند. بنابراین طرفداران محیط زیست با استفاده از این نیروگاهها مخالفند.

ج) انرژی امواج دریا :
1. از انرژی امواج دریا چگونه استفاده می شود؟افت و خیر امواج دریا را به کمک نوعی مبدل می توان به انرژی الکتریکی تبدیل کرد. شکل (1-18) طرحی از چگونگی مهار انرژی امواج دریا را مشاهده می کنید.

ت ) انرژی هیدرو الکتریک( برق آبی) :
1. انرژی هیدروالکتریک چیست؟جمع آوری آب از ارتفاع زیاد به سطح پائین تر در پشت یک سد برای راه اندازی توربین آبی متصل به یک مولد برق را انرژی هیدروالکتریک (برق آبی) می گویند.
بیشتر نیروگاهها در مناطقی ساخته می شوند که آب کافی دارند و میزان بارندگی سالیانه در آنها بیشتر از نقاط دیگر است.

2. استفاده از سدهای آبی چه مشکلاتی دارد؟الف) زمین های منطقه ی پشت سد به زیر آب می رود
ب) زیستگاه منطقه عوض می شود.

ث) انرژی زمین گرمایی:
1. منظور از انرژی زمین گرمایی چیست؟ و در چه مناطقی می توان از آن استفاده کرد؟گرمای موجود در زیر سطح کره زمین انرژی زمین گرمایی می گویند. در مناطقی که به عنوان محل آتش فشان یا زلزله شناخته می شوند می توان ازاین انرژی استفاده کرد.


2. چگونه از انرژی زمین گرمایی استفاده می شود؟در یک سیستم آب سرد از طریق مجرایی به طرف صخره های داغ در عمق زمین می رود و از طریق مجرایی دیگر به صورت آب گرم یا بخار خارج می شود که از آن برای گرم کردن خانه ها و یا به راه انداختن توربین بخار استفاده می شود.
انرژی زمین گرمایی در صورتی تجدید پذیر محسوب می شود که انرژی که از آن برداشته می شود. بیش از انرژی ای نباشد که از طریق مرکز جایگزین می شود همچنین مقدار آب تزریق شده و آب خارج شده برابر باشد.

ج) سوخت های گیاهی (بیومس)‌:
1. سوخت های گیاهی (بیومس) شامل چه سوخت هایی می باشند؟این سوخت ها شامل محصولات زراعی، بقایای محصولات گیاهان طبیعی، فضولات حیوانات و فاضلاب های انسانی می باشد.


2 – چگونه ازسوخت های گیاهی استفاده می شود؟با تخمیر سوخت های گیاهی توسط آنزیم ها و یا تجزیه آن ها توسط باکتریها در نبود هوا می توان مواد سوختی از قبیل الکل و گاز متان تولید کرد و سوخت های گیاهی مایع را می توان به جای بنزین استفاده کرد.

3 – مزایای استفاده از سوخت های گیاهی مایع به جای بنزین چیست؟انرژی سوخت های گیاهی مایع 50 درصد کمتر از بنزین است. ولی سرب و گوگرد ندارند و در اثر سوختن آنها آلودگی کمتری ایجاد می شود.


4 – زیست گاز چیست؟مخلوطی از متان و کربن دی اکسید و با انرژی حدود 70 درصدگاز طبیعی است.


1-8 – بهینه سازی مصرف انرژی :به هنگام استفاه از انرژیهایی که در دسترس داریم، قسمتی از آنها به صورت انرژی درونی درآمده و به اصطلاح تلف می شود. به طور مثال در موتور اتومبیل اصطکاک قسمت قابل توجهی از انرژی را به صورت گرما در می آورد. برای استفاده از این انرژی باید موارد زیر را بکار گرفت:
1. استفاده از وسایل نقلیه ی عمومی
2. عایق بندی بهتر ساختمانها
3. استفاده از موتورهایی که راندمان بالاتری دارند.
4. استفاده درست از انرژی الکتریکی
5. با استفاده ی مناسب از منابع کشاورزی و منابع طبیعی، انرژی شیمیایی در گیاهان و طبیعت وجود دارد را حفظ کنیم.
انرژی الکتریکی چیست؟
قابلیت انجام کار به وسیله جریان الکتریکی را انرژی الکتریکی می گویند. وقتی وسایل برقی روشن می شوند، انرژی الکتریکی به انرژی مکانیکی تبدیل می شود و یا در یک لامپ روشن انرژی الکتریکی به انرژی نورانی و حرارتی تبدیل می شود.

واژه ها و فرمول های کلیدی :1 – قابلیت انجام کار یا ظرفیت انجام کار را انرژی آن جسم می گویند و در SI یکای اندازه گیری آن ژول است.
2- قابلیت انجام کار به لحاظ انرژی ای که در مواد شیمیایی مختلف وجود دارد را انرژی شیمیایی می گویند. در SI یکای اندازه گیری آن KJ/g می باشد.
3 – آهنگ مصرف انرژی ، مقدار انرژی است که در یک زمان معین مصرف می شود (توان مصرف انرژی) . در SI یکای اندازه گیری آهنگ مصرف انرژی kj\min می باشد.
4 – انرژی یک جسم متحرک را انرژی جنبشی می گویند.
5 – به مجموع انرژیهای جنبشی . پتانسیل ذرات یک ماده انرژی آلی آن جسم می گویند.
6- در حالی که انرژی پایسته می ماند، ممکن است از یک نوع به نوع دیگر تبدیل شود (قانون پایستگی انرژی)
7 – انرژی ذخیره شده در یک جسم به خاطر اختلاف سطح با زمین را انرژی پتانسیل گرانشی می گویند.
8 – انرژی ذخیره شده در فنر را انرژی پتانسیل کشسانی می گویند.
9 – منابع انرژی به دو دسته ی تجدید پذیر و تجدید ناپذیر تقسیم می شوند.
10 – منابع انرژی که فقط یکبار قابلیت مصرف دارند را تجدید ناپذیر می گویند (سوخت های فسیلی)
11 – منابع انرژی ای که تمام نمی شوند را تجدید پذیر می گویند (انرژی خورشید)

1-2 – انرژی جنبشی :انرژی یک جسم متحرک را انرژی جنبشی می گویند. این انرژی با جسم متناسب و با مجذور سرعت جسم نیز متناسب است و از رابطه ی زیر محاسبه می شود:
در این رابطه k= 1/2 m v2
M جرم جسم بر حسب کیلوگرم (kg)
V سرعت جسم بر حسب متر بر ثانیه( K(m/s ، انرژی جنبشی جسم بر حسب ژول (J) برای تبدیل یکای Km/h به متر بر ثانیه و بالعکس به صورت زیر عمل می کنیم .

Km/h × /13/6 m/s
m/s × /13/6 km/h
نکته :‌انرژی جنبشی یک جسم با جرم جسم و مجذور سرعت آن نسبت مستقیم دارد. اگر جرم جسم دو برابر شود . انرژی جنبشی دو برابر و اگر سرعت جسم دو برابر شود، انرژی جنبشی آن چهار برابر می شود.
تمرین 2 :
گلوله ای به جرم 100g و انرژی جنبشی 20j با سرعت ثابت در حال حرکت است. سرعت این گلوله چقدر است ؟
ابتدا جرم را به کیلوگرم تبدیل می کنیم

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 دهید وتمرینات پایانی فصل 1 : (انرژی)
1 – توپی را که در روی زمین است و حرکت می کند، در نظر بگیرید. سرعت توپ رفته رفته کم شده و بالاخره متوقف می شود.انرژی جنبشی توپ کجا رفته است؟اصطکاک عاملی است که باعث توقف توپ می گردد و در اثر اصطکاک انرژی جنبشی توپ تبدیل به انرژی درونی در توپ و زمین می گردد.

2 – در فصل سوم کتاب علوم تجربی سال اول راهنمایی با اثرگرما بر حالت مواد آشنا شدید. با توجه به آنچه تاکنون فرا گرفته اید حالت هایی 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.
الف) میله ای فلزی را گرم می کنیم تا دمای آن از °20 (سانتی گراد) به °80 برسد. با گرم کردن میله انرژی درونی آن افزایش می یابد و دمای آن از 20ْ C درجه به 80ْ C می رسد.
ب) مخلوط آب و یخ را گرم می کنیم تا زمانی که تمام یخ ذوب نشده است ، دمای آب و یخ صفر درجه سانتی گراد است. این نشان می دهد که پددیده ی ذوب یک فرآیند گرماگیر است و با گرفتن گرما در دمای ثابت انرژی درونی جسم افزایش یافته و از حالت جامد به مایع تبدیل می شود.


3- الف – فرض کنید توپی را بدین راه‌، مثلاً نقطه C در شکل (1-10) 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 ؟ شکل (1-10( ص 13الف – هر گاه توپ تا نقطه ی cبالا برده شود در آن انرژی پتانسیل گرانشی نسبت به سطح زمین ذخیره می گردد هر گاه آن را در نقطه Cرها کنیم. به لحاظ انرژی پتانسیلی که دارد، به طرف پائین حرکت می کند و هر لحظه انرژی پتانسیل آن به انرژی جنبشی تبدیل می گردد.
انرژی پتانسیل توپ در نقطه c برابر (u=mgh) می باشد که hc ارتفاع قائم نقطه ی c تا سطح زمین می باشد.

ب) فرض کنیم در شکل (1-10) اصطکاک وجود نداشته باشد آیا توپ می تواند بالاتر از نقطه B برود؟
وقتی توپ سطح شیبدار را بالا می رود. قسمتی از آن انرژی صرف غلبه بر اصطکاک می گردد. به صورت انرژی درونی در می آید تا به نقطه B برسد. حال اگر سطح بدون اصطکاک باشد، در نقطه B توپ باز همه انرژی جنبشی خواهد داشت و می تواند از این نقطه نیز بالاتر برود.

4 – در شکل (1-13) هنگامیکه گلوله در نقطه C بین دو نقطه A,B قرار دارد. آیا انرژی پتانسیل در فنر ذخیره شده است؟ آیا گلوله دارای انرژی جنبشی است؟در نقطه c قسمتی از انرژی جنبشی گلوله به صورت انرژی پتانسیل کشسانی در فنر تبدیل می گردد و چون گلوله هنوز متوقف نشده است، دارای انرژی جنبشی است.

ب) فرض کنید پس از برخورد گلوله با فنر، گلوله فنر بچسبد، حرکت بعدی گلوله را توصیف کنید و تبدیل های انرژی را با استفاده از قانون پایستگی انرژی توضیح دهید.
اگر گلوله به فنر بچسبد، در دستگاه فنر و گلوله انرژی پتانسیل کشسانی به انرژی جنبشی بالعکس تبدیل می شوند و چون سطح دارای اصطکاک است. رفته رفته انرژی دستگاه به انرژی درونی تبدیل می شود و پس از چند حرکت رفت و برگشت گلوله در راستای افقی در آخر تمام انرژی دستگاه به صورت انرژی درونی درآمده و گلوله متوقف می شود.


5 – در اسباب بازیهای کودکی ، انرژی لازم برای حرکت آنها از کجا تأمین می شود؟به وسیله انرژی کشسانی فنر، در کوک اسباب بازی انرژی مکانیکی به صورت انرژی کشسانی در فنر ذخیره می شود. به هنگام کار کردن اسباب بازی مورد استفاده قرار می گیرد.

تمرینات پایانی فصل اول
1 – با توجه به جدول (1-2) به پرسش های زیر پاسخ دهید :
الف – اگر شخصی یک شبانه روز بخوابد، چه مقدار انرژی مصرف می کند؟باتوجه به این جدول، آهنگ مصرف انرژی برای خوابیدن 5kJ/min می باشد که به صورت زیر در یک شبانه روز محاسبه می گردد:

5×60×24=7200kJ

ب : انرژی که برای یک ساعت نشستن در کلاس مصرف می شود بیشتر است یا انرژی که صرف ده دقیقه دوچرخه سواری می شود؟
باز با توجه به این جدول آهنگ مصرف انرژی برای نشستن در کلاس درس
KJ/MIN
6/12

و آهنگ مصرف انرژی برای دوچرخه سواری باسرعت
(13-18km/h)
برابر
23/9kJ/min
و با سرعت 21km/h برابر 42kj/min می باشد.

12/6×60=756kj یک ساعت در کلاس
23/9×10=239kj دوچرخه سواری معمولی در ده دقیقه
42 × 10 = 420 KJ دوچرخه سواری تند در ده دقیقه

پس نشستن در کلاس درس به مدت یک ساعت انرژی بیشتری لازم دارد.


2 – توپی را از ارتفاع یک متری سطح زمین از حال سکون رها می کنیم. توپ بعد از برخورد با زمین با ارتفاع کم تر از یک متر بالا می رود این مثال را بر اساس پایستگی انرژی توضیح دهید.وقتی یک توپ از ارتفاع h رها می شود. انرژی پتانسیل آن به اندازه U=mgh می باشد و وقتی به سطح زمین می رسد تمام انرژی پتانسیل توپ به انرژی جنبشی تبدیل می گردد و قسمتی از آن صرف مقاومت هوا می گردد، در برخورد با زمین و تغییر جهت توپ قسمتی از انرژی توپ به انرژی درونی تبدیل می گردد در این صورت انرژی توپ به خاطر مقاومت هوا و برخورد با زمین کاهش می یابد و توپ تا ارتفاع کمتر از یک متر بالا می رود.
3 – با استفاده از رابطه ی انرژی پتانسیل گرانشی جدول زیر را کامل کنید.

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

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

4 – گلوله ای به جرم 5/0 کیلوگرم با سرعت اولیه 20m/s در امتداد قائم به طرف بالا پرتاب می کنیم هر گاه 10% انرژی گلوله صرف غلبه بر مقاومت هوا شود، گلوله تا چه ارتفاعی بالا می رود؟ (g=10m/s2)انرژی جنبشی اولیه ی گلوله برابر انرژی پتانسیل ثانویه به علاوه انرژی که صرف غلبه بر مقاومت هوا شده است می 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- توپی به جرم یک کیلوگرم را با سرعت 5m/s در امتداد قائم به طرف بالا پرتاب می کنیم. انرژی پتانسیل گرانشی بالاترین ارتفاعی که توپ به آن می رسد، چقدر است؟ سرعت آن در نیمه راه چقدر است ؟ از مقاومت هوا چشم پوشی کنید.بدلیل چشم پوشی از مقاومت هوا ، وقتی توپ به بالا پرتاب می شود، تمام انرژی جنبشی آن به انرژی پتانسیل تبدیل می 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 : برای بدست آوردن سرعت گلوله در نیمه راه مسیر ابتدا ارتفاع کل را بدست می آوریم.

V2=mgh

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

اگر انرژی پتانسیل و انرژی جنبشی در نیمه راه مسیر v3 , k3 باشد، می 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 های زیر را کامل کنید:الف) در یک لامپ روشنایی انرژی الکتریکی به انرژی نورانی تبدیل می شود
ب) در پنکه، انرژی الکتریکی به مکانیکی تبدیل می شود
پ) به وسیله ی مالش دستها به هم می توانیم انرژی جنبشی را به انرژی درونی تبدیل کنیم
ت) در پر کردن باتری ماشین ، انرژی الکتریکی به انرژی شیمیایی تبدیل می شود.


7 – انرژی زمین گرمایی در چه صورت تجدید پذیر محسوب می شود؟انرژی زمین گرمایی در صورتی تجدید پذیر محسوب می شود که انرژی برداشت شده بیش از انرژی که از طریق مرکز زمین جایگزین می شود نباشد و همچنین مقدار آب تزریق شده و آب خارج شده برابر باشد.

آموزش فصل اول قسمت اول

انرژی: اهداف آموزشی درس فیزیک در آزمایشگاه (1):می دانید که علوم تجربی را می توان به دو شاخه علوم فیزیکی و علوم زیستی تقسیم کرد.فیزی واژه ای یونانی و در لغت به معنای طبیعت است. بنابراین علم فیزیک، پدیده های طبیعی را مورد بحث و بررسی قرار داده و در پی کشف راز و رمز این پدیده هاست. در این شاخه از دانش بشر می کوشد علت بروز هر پدیده را دریابد و به کمک آن رفتار طبیعت را قانونمند ببیند که در نتیجه از یک طرف رفتارهای آینده طبیعت را پیش بینی می کند و از طرف دیگر در فناوری و صنعت با ساخت ابزارها و ماشین ها ، زندگی را انرژی: اهداف آموزشی درس فیزیک در آزمایشگاه (1):می دانید که علوم تجربی را می توان به دو شاخه علوم فیزیکی و علوم زیستی تقسیم کرد.فیزی واژه ای یونانی و در لغت به معنای طبیعت است. بنابراین علم فیزیک، پدیده های طبیعی را مورد بحث و بررسی قرار داده و در پی کشف راز و رمز این پدیده هاست. در این شاخه از دانش بشر می کوشد علت بروز هر پدیده را دریابد و به کمک آن رفتار طبیعت را قانونمند ببیند که در نتیجه از یک طرف رفتارهای آینده طبیعت را پیش بینی می کند و از طرف دیگر در فناوری و صنعت با ساخت ابزارها و ماشین ها ، زندگی را راحت تر و ایمن تر خواهد کرد. علوم فیزیکی به مطالعه و بررسی پدیده های مربوط به ماده و انرژی و رابطه ی آن ها با یکدیگر می پردازد و علوم زیستی همین پدیده ها را در دنیای زنده مورد بررسی قرار می دهد. در علوم فیزیکی، مفهوم ها بیشتر شامل موضوع هایی از فیزیک و شیمی است. شما در این درس با مباحثی چون : 1- ماهیت انرژی انواع آن ، منابع و بهینه سازی مصرف انرژی 2- دما و گرما، تعادل گرمایی 3- الکتریسته ، جسم رسانا و نارسانا، مولد، مقاومت الکتریکی، توان الکتریکی و بهای انرژی الکتریکی 4- بازتاب نور، انتشار نور ، کانون آینه مقعر، محاسبه فاصله تصویر تا آینه ی مقعر 5- شکست نور ، زاویه ی حد ، ویژگی های عدسیهای همگرا، محاسبه ی فاصله ی تصویر تا عدسی و ... آشنا می شوید. درس فیزیک 1 و آزمایشگاه جزء دروس عمومی متوسطه است بنابراین سعی شده است که مبحث هایی از فیزیک که یک شهروند به آن نیاز بیشتری دارد انتخاب آورده شود. در واقع سعی شده است بخشهایی انتخاب شود که دانش آموز را به تفکر وا دارد و با بررسی مسائل راه وروش حل آنها را کشف کند. فصل 1 – انرژی: هنگامی که به اطراف خود نگاه می کنیم، با پدیده های مختلفی مواجه می شویم و سؤال های زیادی برای ما مطرح می شود. با استفاده از علم فیزیک می توان به این پرسشها پاسخ داد. امروزه فیزدانان به بررسی و مطالعه پدیده ها، از ذره های خیلی ریزی همچون اجزای تشکیل دهنده اتم ها گرفته تا اجسام بسیار بزرگی همچون ستارگان و کهکشان ها می پردازند. شکل های (1-1 تا 1-8) نمونه ای از نتایج پژوهش های گسترده فیزیک دانان را نشان می دهد که موجب دگرگونی بینش ما نسبت به جهان شده است. تمرین 1 : الف) در ده دقیقه دوچرخه سواری با سرعت 21km/h چه مقدار انرژی مصرف می شود؟با جدول (1-2) آهنگ مصرف انرژی برای دو چرخه سواری با سرعت 21km/h برابر 42kJ/min تعیین شده است که در این صورت انرژی مصرف شده در ده دقیقه به صورت زیر بدست می آید. E=42×10=420khJ یعنی در ده دقیقه دوچرخه سواری 420 کیلوژول انرژی مصرف می شود. ب ) اگر بازده بدن شخص 15 درصد باشد، با خوردن چه مقدار شیر این انرژی برای او فراهم می شود؟انرژی شیمیایی موجود در شیر 217kj/g می باشد. E=42kj E / E0 = 15/100 => 420 / E0 = 15 / 100 => E 0 = 2800 KJ برای انجام این ورزش لازم است ورزشکار 2800kJ انرژی از شیر بگیرد، پس : m = E 0 / 2/7 = 2800 / 2/7 = 1037 gr => m = 1/037 kg ورزشکار باید 037/1 کیلوگرم شیر بخورد تا بتواند انرژی ده دقیقه دوچرخه سواری را از شیر کسب کند. 1-3- انرژی درونی :به مجموع انرژیهای جنبشی و پتانسیل ذرات یک ماده انرژی درونی آن جسم گویند. هر گاه به ماده گرما بدهیم. انرژی درونی آن افزایش می یابد در اثر مالش دو سطح بر روی یکدیگر مقداری انرژی به انرژی درونی دو جسم تبدیل می شود که به آن اصطلاحاً اصطکاک می گویند. در واقع انرژی حاصل از اصطکاک که به صورت گرما در می آید تلف نشده و فقط انرژی مکانیکی به انرژی درونی تبدیل شده است. تمرین 3 : اتومبیلی به جرم 1000kg با سرعت 20m/s (72km/h) در حال حرکت است. اگر اتومبیل ترمز کند و متوقف شود. چه مقدار انرژی به انرژی درونی جاده و لاستیک ها تبدیل می شود؟وقتی اتومبیلی ترمز می کند، تمام انرژی جنبشی اتومبیل به انرژی درونی جاده و لاستیک ها تبدیل می شود، یعنی تغییر انرژی جنبشی اتومبیل برابر افزایش انرژی درونی جاده و لاستیک ها می باشد. Q = -∆K = -(K2 - K2) K1 = 1/2 mv2 = 1/2 * 1000 * 202 = 200000 J K2 = 0 Q = -(0-200000) = 200000 J قانون پایستگی انرژی , انرژی پتانسیل گرانشی و منابع انرژی و... 1-4 – قانون پایستگی انرژی :انرژی یک جسم هیچ گاه از بین نمی رود و خود به خود نیز بوجود نمی آید و همواره پایسته (ثابت) می ماند، مگر اینکه مقداری از آن را به جسم دیگری بدهد و یا اینکه از جسم دیگر انرژی دریافت کند. در حالی که انرژی پایسته می ماند، ممکن است از یک نوع به نوع دیگر تبدیل شود. تمرین 4: در مثال 3، اگر در اثر ضربه، 5 ژول انرژی به توپ منتقل شود و جرم توپ 5/0 کیلوگرم باشد، سرعت آن چقدر می شود؟ انرژی منتقل شده به توپ برابر انرژی جنبشی توپ در لحظه ای شروع حرکت است ، پس : 1-5- انرژی پتانسیل گرانشی : هر گاه جسمی به جرم m را به ارتفاع h از سطح زمین بالا ببریم، کاری که روی جسم انجام می دهیم به صورت انرژی پتانسیل درآن ذخیره می شود و اگر جسم به سطح اولیه خود باز گردد، همین مقدار کار را پس می دهد. این انرژی پتانسیل گرانشی گویند و از رابطه ی زیر محاسبه می گردد. u=mgh در رابطه بالا M جرم جسم بر حسب کیلوگرم g شتاب گرانشی زمین که برابر 9/8 /s2 است . H ارتفاع از سطح زمین بر حسب متر v انرژی پتانسیل گرانشی جسم بر حسب ژول در رابطه فوق g شتاب گرانشی زمین است که تقریباً در تمام نقاط و سطح زمین مقدار ثابت 9/8 m/s2 است. را دارد که تقریباً برابر 10 m /s2 درنظر گرفته می شود. مقدار g در ارتفاع های بسیار زیاد تغییر می کند. مثال :‌انرژی پتانسیل توپی به جرم 5/0 کیلوگرم که در ارتفاع 2 متری سطح زمین قرار دارد چقدر است؟ تمرین 5 جرمی به جسم 200 گرم را با سرعت 10m/s در راستای قائم به طرف بالا پرتاب می کنیم. با نادیده گرفتن اتلاف انرژی، الف : انرژی جنبشی آن در لحظه ی پرتاب چقدر است؟ ب) جسم تاچه ارتفاعی بالا می رود؟اگر از مقاومت هوا صرف نظر شود در هر لحظه انرژی جنبشی به انرژی پتانسیل تبدیل می گردد و در نقطه ای اوج که جسم برای یک لحظه ساکن می شود و تمام انرژی جنبشی به انرژی پتانسیل تبدیل شده است پس می توان نوشت : V 1= 0 K1= 1/2 m V0 یعنی جسم تا ارتفاع 5 متر بالا می رود. پ ) سرعت توپ در نیمه ی راه چقدر است؟اگر انرژی پتانسیل و انرژی جنبشی گلوله در نیمه راه k3,v3 باشد، می 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 تعیین انرژی پتانسیل گرانشی یک جسم انتخاب سطح پتانسیل صفر بسیار مهم است. اگر سطح زمین را پتانسیل صفر در نظر بگیریم، هر جسمی که بالاتر از سطح زمین است دارای انرژی پتانسیل مثبت و هر جسمی که پائین تر از سطح زمین است دارای پتانسیل منفی است. 1-6 – انرژی پتانسیل کشسانی در شکل بالا گلوله با سرعت V به فنر افقی برخورد کرده و آن را فشرده می کند. در این حرکت انرژی جنبشی گلوله به فنر منتقل شده و در آن به صورت انرژی پتانسیل کشسانی ذخیره می شود پس از اینکه گلوله متوقف شد. انرژی پتانسیل کشسانی فنر باعث می شود گلوله این بار بر خلاف جهت قبلی شروع به حرکت کند و انرژی پتانسیل کشسانی فنر به انرژی جنبشی در گلوله تبدیل می گردد. اگر از اصطکاک صرف نظر شود، بر اساس قانون پایستگی انرژی، سرعت جدا شدن گلوله از فنر برابر سرعت برخورد گلوله با فنر خواهد بود.