دانلود پاور پونت اموزش فیزیک1

نام فایل	Lesson 1 - Bakefayat.ppsx
آدرس اینترنتی
حجم فایل	1,899 KB
تعداد دانلود	4198
تاریخ انتشار	1390/11/16 09:36 PM
تاریخ آخرین دانلود	1392/01/20 11:53 PM
توضیحات

فصل سوم و چهارم(قسمت اول)

«نور ـ بازتاب نور» اگر در یک فضای بدون نور واقع شویم، نمی توانیم اطلاعات زیادی درباره‌ی آن فضا بدست آوریم .وجود نور اطلاعات ما را از محیطی که در آن قرار داریم افزایش می دهد انتشار نور وقتی خورشید طلوع می کند، قسمتی از سطح زمین که به طرف خورشید است، روشن می‌شود شب هنگام نیز ستارگان و ماه در آسمان می‌درخشند ولی روشنایی کمی به زمین می‌دهند وقتی نور از خورشید و یا هر شیء دیگری به چشم ما برسد، می‌توانیم آن‌ها را ببینیم دلیل دیدن خورشید و یا هر شیء نورانی دیگر به سبب انتشارنور  آن‌هاست محیطی که نور ازآن عبور می کند، مانند هوا، آب و شیشه، محیط شفاف نامیده می‌شود محیطی که نور از آن عبور نمی‌کند،مانند چوب، سنگ، آهن، محیط غیر شفاف(کدر) نامیده می‌شود چشمه‌ی نور گسترده و نقطه‌ای هرگاه اندازه‌ی یک چشمه‌ی نور در مقایسه با اندازه‌ی جسمی که مقابل آن قرار می‌گیرد و همچنین فاصله‌ی بین این جسم تا چشمه بزرگ باشد، آن را چشمه‌ی نور گسترده می‌گویند خورشید و چراغ مطالعه  را می‌توان به عنوان چشمه های نور گسترده در نظر گرفت           اما اگر اندازه‌ی چشمه‌ی نور در مقایسه با اندازه‌ی جسم مقابل آن و  فاصله ی جسم تا چشمه کوچک باشد، آن را چشمه‌ی نور نقطه‌ای  می‌‌نامند. اگر در یک قطعه مقوا، روزنه‌ی کوچکی ایجاد کرده و آن را جلوی یک چراغ قرار دهیم، یک چشمه‌ی نور نقطه‌ای حاصل می‌شود   باریکه‌ی نور اگر در یک جنگل به نور خورشید که از لابه لای درختان می‌گذرد ، توجه کنیم، مسیر نوری که مشاهده می‌شود، نوعی باریکه‌ی نور را نشان می‌دهد. همچنین اگر درب یک اتاق را اندکی باز کنیم، نوری که از شکاف میان درب و دیوار می‌گذرد، یک باریکه‌ی نور را نشان می‌دهد .باریکه‌ی نور با پهنای بسیار کم را پرتو نور می‌نامند. هر باریکه‌ی نور، شامل دسته ای از پرتو های نور است برای به وجود آوردن یک باریکه‌ی نور می‌توانیم روی مقوا شکاف باریکی ایجاد کرده و آن را جلوی یک چراغ قرار دهیم انتشار نور به خط راست در یک محیط شفاف، نور به خط راست منتشر می‌شود. بنابراین هر پرتو نور را با یک خط راست و پیکانی بر روی آن، که جهت انتشار نور را مشخص می‌کند، نشان می‌دهیم           سایه و نیم سایه اگر یک جسم کدر مقابل یک چشمه نور قرار داده شود، پشت آن فضای تاریکی ایجاد می‌شود که به آن سایه می‌گویند. به عنوان مثال سایه‌ی انسان روی زمین به علت قرار گرفتن در مقابل خورشید است هرگاه یک جسم  کدر را مقابل یک چشمه‌ی نور گسترده قرار دهیم‌، اطراف سایه، ناحیه‌ای نیمه روشن ایجاد می‌شود که به آن نیم سایه می‌گویند اگر جسم کدر مقابل یک چشمه‌ی نور نقطه‌ای قرار بگیرد، فقط سایه تشکیل می‌شود با افزایش فاصله‌ی چشمه ی نور و جسم کدر از یک‌ دیگر، اندازه‌ی سایه کوچک تر می‌شود           هرگاه ماه، زمین و خورشید در یک راستا باشند و ماه بین زمین و خورشید قرار گیرد، سایه‌ی ماه روی زمین می افتد و ناحیه‌‌ای از زمین که در سایه‌ی ماه قرار می‌گیرد،تاریک می‌شود این پدیده را خورشیدگرفتگی (کسوف) می‌نامند . افرادی که در ناحیه‌ی سایه قرار می‌گیرند، خورشید گرفتگی را کامل می‌بینند . ولی افرادی که در ناحیه‌ی نیم سایه قرار دارند، می‌توانند بخشی از خورشید را ببینند یعنی برای آن‌ها خورشید گرفتگی جزئی است هرگاه ماه، زمین و خورشید در یک راستا باشند و زمین بین ماه و خورشید قرار گیرد، سایه‌ی زمین ماه را فرا می‌گیرد، بنابراین ماه قابل رؤیت نیست. این پدیده را ماه گرفتگی(خسوف) می نامند                 برای تعیین اندازه‌ی سایه، شکل مقابل را در نظر بگیرید با استفاده از تشابه دو مثلث       داریم          که در این رابطه،  اندازه‌ی سایه ،   اندازه‌ی جسم کدر،  فاصله‌ی سایه تا چشمه و  فاصله‌ی جسم تا چشمه است             بازتاب نور می دانیم جسم‌ها را می‌توان به دو دسته‌ی منیر و غیرمنیر تقسیم کرد. اجسام منیر مانند خورشید یا یک لامپ روشن از خودشان نور دارند. بنابراین نور آن‌ها می‌تواند به طور مستقیم به چشم ما برسد و آن‌ها را ببینیم. اما اجسام غیرمنیر در صورتی توسط چشم قابل رؤیت است که نور یک چشمه‌ی نور از روی آن‌ها بازتاب شود و به چشم ما برسد دیده شدن اشیای درون اتاق، هنگامی که چراغ روشن است، به دلیل انتشار نور در اتاق وباز گشت نور از سطح اشیاء و رسیدن آن به چشم است ماه نور خود را از خورشید می‌گیرد. نوری که از سطح ماه بازمی‌گردد به چشم ما می‌رسد ومی توانیم آن را ببینیم بازگشت نور از سطح جسم‌ها را بازتاب نور می‌نامند. هرگاه سطح برخی از جسم‌ها مانند ورقه‌های تمیز نیکل، نقره و شیشه‌ی جیوه‌اندود شده  ،صاف و صیقلی باشد پدیده‌ی بازتاب را به خوبی نشان‌می‌دهند. بازتاب نور از سطح ‌های      صیقلی را بازتاب آینه‌ای می‌نامند. از این جا به بعد فقط همین نوع بازتاب را مورد بررسی قرار می‌دهیم پرتو نوری را که به سطح جسم‌ می تابد، پرتو تابش و پرتو بازگشت از روی سطح را پرتو بازتاب می‌نامند. نقطه‌ای روی سطح جسم که نور به آن می‌تابد، نقطه‌ی تابش نام دارد. زاویه‌ی بین پرتو تابش و خط عمود بر سطح در نقطه‌ی تابش را زاویه‌ی تابش  و زاویه بین پرتو بازتاب و خط عمود را زاویه‌ی بازتاب  می‌نامند.زاویه تابش و زاویه‌ی بین پرتو تابش و سطح آینه ( ) ، متمم یک ‌دیگرند. همچنین زاویه‌ی بازتاب   و زاویه‌ی بین پرتو  بازتاب و سطح آینه   ، متمم یک ‌دیگرند روی یک مقوای ضخیم نقاله‌ای رسم می کنیم  و آن را عمود بر سطح یک آینه که روی یک میز افقی قرار دارد می گذاریم . باریکه‌ی نور را با زاویه‌ی تابش معین روی سطح آینه می تابانیم. مشاهده می کنیم زاویه‌ی بازتاب با زاویه‌ی تابش مساوی است. اگر این عمل را برای زاویه ی معین دیگری نیز انجام دهیم ، به همین نتیجه می‌رسیم قانون‌های بازتاب آزمایش نشان می دهد الف-  پرتو تابش، پرتو بازتاب و خط عمود بر سطح آینه در نقطه‌ی تابش، هر سه در یک صفحه‌اند ب- زاویه ی تابش و زاویه ی بازتاب با هم برابرند           تصویر در آینه‌های تخت وقتی به آب نگاه می‌کنیم ،تصویر  جسم های کنار آن را در آب مشاهده می‌کنیم               یا وقتی مقابل یک آینه‌ی تخت می‌ایستیم، تصویر خود را در آن می‌بینیم                         علت دیده شدن جسم ها در آب و آینه، به سبب بازتاب نور از سطح آن هاو رسیدن پرتوهای بازتاب به چشم است. هر آنچه در آینه دیده می‌شود ،تصویر شیء مقابل آینه است هر گاه یک شیء مانند یک شمع مقابل یک آینه‌ی تخت قرار گیرد،پرتوهای نور از هر نقطه‌ی آن به آینه می تابد و از سطح آن بازتاب می‌شوند. اگر پرتوهای بازتاب به چشم ما برسند تصویر شمع را می توانیم بببینیم. محلی که پرتوهای بازتاب و یا امتداد ‌های آن ها یک‌دیگر را قطع می‌کنند، محل تشکیل تصویر است     یک شیشه ‌ی معمولی را به طور قائم روی یک میز افقی نصب می کنیم ،دو شمع مشابه را در طرفین این شیشه قرار می‌دهیم و یکی از شمع ها را روشن کرده و از طرف شمع روشن به داخل شیشه نگاه می‌کنیم. شمع خاموش و تصویر شمع روشن را در شیشه می بینیم . شمع روشن را جا به جا می کنیم تا تصویر آن بر شمع خاموش منطبق شود، در این  وضعیت شمع خاموش، روشن به نظر می رسد با اندازه‌گیری فاصله‌ی شمع روشن و شمع خاموش تا شیشه ،مشاهده می‌شود این دو فاصله با هم مساوی هستند . اینک اگر شمع روشن را قدری به شیشه نزدیک یا از آن دور کنیم ،برای آن که شمع خاموش همچنان روشن دیده شود ، باید به همان اندازه که شمع روشن را نزدیک یا دور کرده‌ایم، شمع خاموش را نیز نزدیک یا دور کنیم         ویژگی‌های تصویر در آینه‌‌ی تخت  تصویر مجازی است  تصویر نسبت به شیء مستقیم است  طول تصویر با طول شیء برابر است  فاصله‌ی تصویر با فاصله‌ی شیء تا آینه برابر است. و تصویر نسبت به شیء دارای وارونی جانبی است هر گاه تصویر از امتداد پرتوهای بازتاب حاصل شود ،آن را تصویر مجازی می‌گویند       هنگامی که نوشته‌ای را مقابل یک آینه قرار می‌دهیم ، در حالی که این نوشته ها از راست به چپ است، در آینه از چپ به راست دیده می شود . این تغییر سمت ایجاد شده توسط آینه را وارونی جانبی می نامند             آینه های کروی سطح آینه‌های کروی بخشی از سطح یک کره است . اگر سطح درونی کره صیقلی باشد، آن را آینه‌ی کاو ( یا مقعر یا همگرا) و اگر سطح بیرونی آن صیقلی باشد،آن را آینه ی کوژ ( یا محدب یا واگرا) می نامند         مرکز ـ محور اصلی مرکز آینه ، مرکز کره ای است که آینه بخشی از آن است خطی که مرکز آینه را به نقطه‌ی وسط آینه (نقطه‌ی ) وصل می کند، محور اصلی آینه نامیده می‌شود   قانون های بازتاب نور در مورد آینه های کروی هم به کار می روند               کانون آینه‌ی مقعر یا کاو ورق کاغذی را جلوی یک آینه‌ی مقعر که مقابل نور خورشید قرار دارد، جابجا می کنیم تا دایره‌ی روشن تشکیل شده روی آن به یک لکه‌ی نوررانی تبدیل ‌شود. محل این لکه ی نورانی ، کانون آینه‌ی مقعر  است . فاصله ی کانون تا آینه را فاصله‌ی کانونی آینه می‌نامند .می‌توان نشان داد، فاصله‌ی کانونی به طور تقریبی نصف شعاع آینه است. یعنی رسم پرتوهای بازتاب در آینه‌ی مقعر الف ـ هر پرتوی نوری که از مرکز آینه می‌گذرد و به آینه میتابد تا به صورتی است که امتداد آن از مرکز آینه می گذرد ، روی خودش باز می تابد           ب ـ هر گاه یک دسته پرتو نور موازی با محور اصلی و نزدیک به آن به آینه‌ی مقعری بتابند پرتوهای بازتاب در نقطه‌ای روی محور اصلی هم‌دیگر را قطع می‌کنند. به این نقطه ،کانون اصلی آینه‌ی مقعر می‌گویند     هرگاه پرتو نوری موازی با محور اصلی به آینه ی مقعر بتابد ،پرتو بازتاب از کانون اصلی می‌گذرد                 پ ـ هرگاه پرتو تابش یا امتداد آن از کانون بگذرد و به آینه بتابد، پرتو بازتاب آن موازی محور اصلی خواهد بود

فصل دوم

«دما و گرما» گرما و روش‌های گرماسنجی در زندگی روزمره از واژه‌هایی مانند گرم،‌سرد، گرم‌تر، سردتر، داغ، ولرم و‌ خنک استفاده می‌کنیم‌. همه‌ی این واژه‌ها به موضوع مورد بحث این فصل ما مربوط می‌شوند که به بررسی آن می‌پردازیم‌  دما    دما معیاری است که میزان گرمی و سردی جسم‌ها را مشخص می‌کند‌ یک روش تقریبی برای تعیین دمای یک جسم،‌استفاده از حسّ لامسه است‌. این ساده‌ترین نوع دماسنجی است ولی با خطای زیادی مواجه می‌شویم‌     دماسنج‌ برای اندازه گیری دقیق دما از دماسنج استفاده می‌کنیم‌. ساده‌ترین و رایج‌ترین نوع دماسنج دماسنج‌های جیوه‌ای و الکلی است اساس کار دماسنج‌های جیوه‌ای و الکلی،‌ انبساط مایع‌ها است‌. اگر ظرف آبی را روی شعله قرار دهیم‌، انبساط آب را می‌توانیم مشاهده کنیم‌ ساختمان دماسنج جیوه‌ای یا الکلی این دماسنج،‌از یک لوله‌ی شیشه‌ای باریک سربسته که هوای آن تخلیه شده است، تشکیل شده است و مخزن آن پر از جیوه (یا الکل) است‌. وقتی دماسنج در تماس با جسمی قرار می‌گیرد، در صورتی که دمای آن جسم از دمای جیوه‌‌ی (یا الکل) داخل مخزن بیش‌تر باشد، دمای مایع درون مخزن بالا می‌رود و در نتیجه حجم مایع نیز بیش‌تر می‌شود‌. بنابراین مایع در لوله بالا می‌رود‌. هر چه ارتفاع مایع داخل لوله بیش‌تر باشد، دمای جسم بیش‌تر است‌     مدرّج ساختن دماسنج رایج‌ترین نحوه ی انتخاب اندازه‌ی دمای مربوط به هر ارتفاع از ستون مایع، نحوه‌ی انتخابی است که به درجه‌بندی سلسیوس یا سانتی‌گراد  معروف است‌.  در این درجه‌بندی،‌ابتدا دماسنج را درون مقداری یخ خرد شده‌ی در حال ذوب قرار می‌دهیم، به صورتی که مخزن دماسنج به طور کامل  داخل یخ باشد‌. هنگامی که سطح جیوه در لوله‌ی باریک در محلی ثابت شده آن را علامت می‌زنیم و عدد صفر را برای آن در نظر می‌گیریم‌ سپس دماسنج را بالای سطح آب خالص در حال جوش به صورتی می‌گذاریم که مخزن دماسنج در تماس کامل با بخار باشد‌ وقتی سطح جیوه در بالاترین ارتفاع قرار گرفت، آن را علامت می‌زنیم و عدد صد را برای آن در نظر می‌گیریم‌     اینک بین صفر و صد را به صد قسمت مساوی تقسیم می‌کنیم و هر قسمت را یک درجه‌ی سلسیوس می‌نامیم‌. این درجه‌بندی را به زیر صفر و بالای صد نیز ادامه می‌دهیم‌. دمای هر جسم بر حسب درجه سلسیوس را با نماد  نشان می‌دهیم‌ نحوه‌ی استفاده از دماسنج برای اندازه ‌‌گیری دمای هر جسم توسط دماسنج، آن را به صورتی در تماس با جسم قرار می‌دهیم که تمام مخزن دماسنج با جسم موردنظر در تماس باشد‌. آن گاه مدتی صبر می‌کنیم تا ارتفاع مایع داخل لوله ثابت شود‌. در این وضعیت‌، عددی که دماسنج نشان می‌دهد‌، دمای جسم است‌. به عنوان مثال‌، دمای بدن یک انسان را می‌توان با استفاده از یک دماسنج پزشکی تعیین کرد‌ برای اندازه‌ گیری دمای هوا، ‌دماسنج را در محلی نصب می‌کنیم و از روی آن می‌توان دمای هوا را در هر لحظه تعیین کرد‌         گستره‌ی سنجش دما در دماسنج‌های الکلی و جیوه‌ایحد پایین دما حدود   است‌. اما حد بالای آن را نمی‌توان تعیین کرد‌. به عنوان مثال دمای درون داغ‌ترین ستاره‌ها حدود   است‌ گستره‌ی قابل استفاده از این دماسنج‌ها بین نقطه‌های انجماد و جوش مایع داخل دماسنج است‌. یعنی فقط دماهایی را می‌توان با آن‌ها اندازه‌گیری کرد که بالاتر از نقطه‌ی انجماد و پایین‌تر از نقطه‌ی جوش مایع درون دماسنج باشد‌

تعادل گرمایی، دمای تعادل هرگاه دو جسم با دمای متفاوت در تماس با یک ‌دیگر باشند،‌دمای آن‌ها تغییر می‌کند‌. این تغییر دما تا جایی ادامه دارد که دمای هر دو جسم یکسان شود. این دما را دمای تعادل دو جسم می‌نامند‌ دو جسم، هنگامی با یک ‌دیگر در تعادل گرمایی هستند که اگر در تماس کامل با یک ‌دیگر قرار گیرند‌. دمای آن‌ها تغییری نکند‌ به عنوان مثال یک سکه را روی شعله گرفته و آن را گرم می‌کنیم‌. سپس آن را داخل یک ظرف آب می‌اندازیم‌. در ابتدا دمای سکه بالاتر از دمای آب است‌. اما پس از گذشت مدتی، دمای سکه و آب یکسان می‌شود‌  گــرما هرگاه بخواهیم دمای آب درون ظرفی را افزایش دهیم‌، ظرف آب را روی شعله قرار می‌دهیم‌. این شعله با مصرف انرژی شیمیایی سوخت‌، دمای آب را بالا می‌برد‌. به بیان دیگر انرژی درونی آن را افزایش می‌دهد‌. برای بالا رفتن دمای آب‌، انرژی از شعله به آب منتقل می‌شود‌ همچنین اگر جسمی را روی شعله گرم کنیم و آن را داخل آب بیاندازیم‌، دمای جسم داغ، کاهش و دمای آب افزایش می‌یابد‌. با این عمل، انرژی درونی جسم کاهش یافته و انرژی درونی آب افزایش می‌یابد و انرژی از جسم به آب منتقل می‌شود‌ انرژی فقط زمانی از یک جسم به جسم دیگر منتقل می‌شود که دمای دو جسم متفاوت باشد‌. وقتی دمای دو جسم یکسان باشد، می‌توان گفت‌: انرژی بین آن‌ها مبادله نمی‌شود‌. به مقدار انرژی‌ای که به دلیل اختلاف دما، بین یک جسم و جسم دیگری که با آن در تماس است‌، مبادله می‌شود، گرما می‌گویند‌. گرما را با نماد  نمایش می‌دهیم‌ رسانش گرما  هرگاه یک سر یک میله‌ی فلزی را در دست  خود گرفته و سر دیگر آن را روی شعله بگیریم، پس از مدتی، آن سر میله که در دست ما است نیز داغ می‌شود و دیگر نمی‌توانیم آن را نگه داریم‌ از این آزمایش و آزمایش مشابه نتیجه می‌گیریم،‌هرگاه بین دو نقطه از یک جسم،‌اختلاف دما وجود داشته باشد‌، گرما از بخش با دمای بالاتر به بخش با دمای پایین‌تر شارش می‌کند‌. در این نوع شارش یا انتقال گرما،‌هر مولکول گرما را به مولکول مجاور خود منتقل می‌کند ولی از محل خود به محل دیگر منتقل نمی‌شود‌. این نوع انتقال گرما را که بدون جابه‌جایی مولکول‌ها انجام می‌شود، رسانش گرما می‌گویند‌. رسانش گرما در جامدها بیش‌تر از مایع‌ها و گازها است‌ آهنگ شارش گرما در جسم‌ها به جنس آن‌ها بستگی دارد‌. به عنوان مثال آهنگ شارش گرما در مس بیش‌تر از آهن و در آهن بیش‌تر از شیشه است‌ جسم‌هایی مانند فلز‌ها که گرما را بسیار سریع‌تر از جسم‌های دیگری مانند چوب یا شیشه منتقل می‌کنند،  ‌رسانای گرما می‌گویند‌. جسم‌هایی مانند چوب،‌ شیشه و پلاستیک که سرعت انتقال گرما در آن‌ها کم‌تر است،‌ نارسانای گرما یا عایق گرما می‌گویند‌ آب رسانای خوبی برای گرما نیست چند قطعه یخ را داخل یک لوله‌ی آزمایش قرار می‌دهیم و روی آن را با یک توری فلزی می‌پوشانیم تا در ته لوله باقی بمانند‌. سپس مقداری آب داخل لوله ریخته و لوله را طوری روی شعله قرار می‌دهیم که گرمای شعله به ناحیه‌ای که آب است،‌منتقل شود‌. پس از مدتی آب جوش می‌آید ولی یخ در لوله همچنان وجود دارد‌. این آزمایش   نشان می‌دهد که آب رسانای خوبی برای گرما نیست‌ عایق بندی گرمایی یا صرفه‌جویی در مصرف انرژی در فصل زمستان،‌به دلیل وجود اختلاف دما بین هوای بیرون و درون یک ساختمان، مقدار زیادی گرما از طریق رسانش، در دیوارها، درها،‌شیشه‌ها و پنجره‌ها تلف می‌شود‌ برای جلوگیری از تلف شدن انرژی و صرفه‌جویی در مصرف انرژی می‌توان به عنوان مثال‌ منفذها را از بین برد،‌شیشه‌ها را دوجداره کرد،‌از ماده‌های با رسانایی گرمایی ضعیف در ساختن دیوارها و سقف‌ها استفاده کرد، بین دیوارها و سقف‌ها از ماده‌های عایق گرما استفاده کرد وغیره آهنگ عبور گرما به جنس ماده‌ی به کار رفته بستگی دارد‌. جدول زیر آهنگ عبور گرما از واحد سطح به ازای واحد اختلاف دما (که یکای آن   است)‌، را برای برخی از جسم ها نشان می دهد برای به دست آوردن اتلاف انرژی از رابطه‌ی زیر استفاده می‌کنیم‌ اتلاف انرژی = آهنگ عبور گرما از واحد سطح به ازای واحد اختلاف دما مساحت مدت زمان   اختلاف دما هوا رسانای بسیار ضعیف گرما است‌ در زمستان مشاهده می‌کنیم‌، پرندگان پرهای خود را باد می‌کنند‌. با باد کردن پرها، مقدار زیادی هوا در لابه‌لای آن‌ها محبوس می‌شود و این لایه‌ی هوا از خارج شدن  گرمای بدن آن‌ها جلوگیری می‌کند‌ انسان‌ها نیز در زمستان لباس‌های ضخیم و پشمی می‌پوشند‌. در این مورد نیز مقدار زیادی هوا بین تار و پودهای لباس حبس می‌شود و از خارج شدن گرمای بدن جلوگیری می‌شود‌. در واقع لباس‌ها، بدن انسان را گرم نمی‌کنند بلکه از خروج گرمای بدن جلوگیری می‌کنند‌ گرمای ویژه ظرف شیشه‌ای محتوی   آب را روی یک سه‌پایه،‌بالای چراغ خاموش قرار می‌دهیم‌. با هم زن آب را هم می‌زنیم و دمای آن را   یادداشت می‌کنیم‌. چراغ را روشن کرده و پس از پنج دقیقه دمای نهایی   را یادداشت می‌کنیم. اینک چراغ را خاموش می‌کنیم‌. افزایش دمای آب یعنی   را حساب می‌کنیم‌         اینک همان اعمال را با    آب تکرار می‌کنیم و می‌خواهیم اختلاف دما به همان مقدار قبلی یعنی   باشد‌. مشاهده می‌کنیم مدت زمان لازم برای انجام این کار دو برابر یعنی ده دقیقه است‌             در مرتبه ی سوم نیز همان   آب را روی شعله قرار می دهیم . ولی این بار می خواهیم اختلاف دما دو برابر یعنی   شود .مشاهده می کنیم در این جا نیز مدت زمان لازم دو برابر یعنی ده دقیقه است                 با توجه به آزمایش فوق،‌نتیجه می‌گیریم، برای یک ماده‌ی معین مقدار گرمایی که باید به کیلوگرم از ماده داده شود تا دمای آن به اندازه‌ی   افزایش یابد،‌با جرم جسم و اختلاف دما متناسب است،‌یعنی‌   در نتیجه به عبارت دیگر نسبت   همواره مقدار ثابتی است‌. این مقدار ثابت را گرمای ویژه‌ی آب می‌نامیم‌    =  گرمای ویژه‌ی آب بنا به تعریف، مقدار گرمای لازم برای گرم کردن یک کیلوگرم از هر ماده به اندازه‌ی یک درجه‌ی سلسیوس را گرمای ویژه‌ی آن ماده می‌نامند گرمای ویژه را با نماد  نمایش می‌دهیم و یکای آن در ، ژول بر کیلوگرم بر درجه‌ی سلسیوس   است‌. جدول زیر گرمای ویژه‌ی برخی از ماده‌ها را نشان می‌دهد‌. محاسبه انرژی گرمایی لازم برای ایجاد یک تغییر معین در دما‌ با استفاده از تعریف گرمای ویژه داریم‌ بنابراین، گرمای موردنظر از رابطه‌ی زیر به دست می‌آید‌ در این رابطه، انرژی  بر حسب ژول ، جرم  بر حسب کیلوگرم  گرمای ویژه  بر حسب ژول بر کیلوگرم بر درجه سلسیوس   و اختلاف دما   بر حسب درجه سلسیوس   است‌

فصل اول

«انرژی» همه ی موجودهای زنده و غیرزنده برای حرکت به انرژی نیاز دارند. انسان برای فعالیت های روزانه، اتومبیل برای حرکت، بخاری برای گرم کردن، لامپ برای روشن شدن، تلویزیون، رادیو، کامپیوتر، و . . . به انرژی نیاز دارند. در این فصل می خواهیم در باره ی انرژی، چگونگی مصرف ومنبع های انرژی صحبت کنیم  انرژی و شما بدن هر نوجوان فعال و در حال رشد، روزانه به طور متوسط حدود 12000  کیلوژول انرژیِ نیازدارد    بدن انسان، انرژی مورد نیاز برای انجام فعالیت های روزانه ی خود را از طریق خوردن مواد غذایی به دست می آورد. این مواد غذایی، شبیه سوخت های ماشین ها، دارای انرژی شیمیایی هستند و برای آزاد شدن این انرژی لازم است درآن ها تغییرات شیمیایی صورت پذیرد مواد غذایی که ما مصرف می کنیم و سوخت هایی که ماشین ها مورد استفاده قرار می دهند، دارای انرژی معینی هستند. انرژی موجود در آن ها را با یکای کیلوژول بر گرم و با نماد   بیان می کنند. به عنوان مثال، وقتی  می گوییم انرژی شیمیای پنیر تازه     است، یعنی در هر گرم از این ماده  انرژی وجود دارد. جدول زیر انرژی شیمیایی موجود در برخی غذاها و سوخت های معمولی را نشان می دهد      بدن انسان برای انجام فعالیت های داخلی و همچنین انجام فعالیت های روزانه، انرژی شیمیایی حاصل از ماده های غذایی را مصرف می کند. مقدار انرژی که بدن مصرف می کند به مدت زمان انجام فعالیت ها بستگی دارد. هر چه مدت زمان انجام یک فعالیت بیش تر باشد، انرژی بیش تری در آن فعالیت به مصرف  می رسد برای بیان مقدار انرژی مصرف شده از کمیتی به نام  آهنگ مصرف انرژی  استفاده می شود، طبق تعریف، مقدار انرژی که در یک مدت زمان معین به عنوان مثال یک دقیقه در جدول زیر مصرف می شود،  آهنگ مصرف انرژی  می گویند. آهنگ مصرف انرژی را توان مصرفی می نامند و یکای آن   است . به عنوان مثال وقتی می گوییم آهنگ مصرف انرژی درورزش تنیس   است ، یعنی در هر دقیقه ،  انرژی برای انجام این فعالیت در بدن ما مصرف می شود. جدول زیرآهنگ مصرف انرژی برخی از فعالیت های روزانه ی ما را نشان می دهد

انرژی جنبشی

انرژی ای که هر جسم، صرفاٌ به علت حرکتش دارد را انرژی جنبشی آن جسم می نامند.

 

انرژی جنبشی جسمی به جرم  که با سرعت  حرکت میکند، از حاصل ضرب نصف جرم آن جسم در مجذور سرعتش به دست می آید

در این رابطه، جرم  بر حسب کیلوگرم  ، سرعت  ، بر حسب متر بر ثانیه     و انرژی جنبشی  بر حسب ژول است. مطابق این رابطه هر چه جرم جسم و یا سرعت آن بیش تر باشد، انرژی جنبشی آن بیش تر است

 

 

انرژی درونی

هنگامی که دست های خود را به هم بمالیم، دست ها گرم تر می شوند. در این حالت انرژی جنبشی دست ها به انرژی درونی آن ها تبدیل می شود و انرژی درونی دست های ما افزایش می یابد، همچنین وقتی ظرف آبی را روی شعله قرار می دهیم، پس از مدتی آب گرم تر می شود، در این جا نیز انرژی شیمیایی سوخت باعث افزایش انرژی درونی ظرف آب می شود. معمولاٌ گرم تر شدن جسم افزایش انرژی درونی آن را نشان می دهد

 

 

 

 

مجموع انرژی های ذره های تشکیل دهنده ی هر جسم را انرژی درونی آن جسم می نامند.هنگامی که توپی را روی سطح زمین به حرکت در می آوریم و آن را رها می کنیم، بر اثر وجود نیرو اصطکاک، پس از مدت زمان معینی توپ متوقف می شود. در این مورد نیز انرژی جنبشی توپ باعث افزایش انرژی درونی توپ و زمین می شود

 

 

 

 

 

 

 

 

 

قانون پایستگی انرژی

انرژی ممکن است از صورتی به صورت های دیگر تبدیل شود. در لامپ، انرژی الکتریکی به انرژی نورانی و گرما تبدیل می شود. وقتی غذا می خوریم، انرژی موجود در غذا به صورت انرژی شیمیایی در بدن ما ذخیره می شود. در پیاده روی،
ا نرژی شیمیایی ذخیره شده در بدن به انرژی جنبشی تبدیل می شود. هنگامی که فنری را می فشاریم، انرژی شیمیایی ذخیره شده در بدن به صورت انرژی پتانسیل در فنر ذخیره می شود،

زمانی که یک ورزش کار توپی را می زند، انرژی شیمیایی موجود در بدن وی به انرژی جنبشی تبدیل می شود و پس از توقف توپ، انرژی جنبشی آن به انرژی درونی توپ و زمین تبدیل می شود

 

 

 

 

 

هرگاه یک توپ به توپ دیگری برخورد کند، انرژی جنبشی توپ اول (با صرف نظر از اصطکاک بین توپ ها و زمین)، به انرژی جنبشی توپ دوم تبدیل
می شود

 

 

 

 

 

 

 

 

هنگام حرکت یک اتومبیل، انرژی شیمیایی موجود در سوخت اتومبیل به انرژی جنبشی و گرما تبدیل می شود

 

 

 

 

 

 

 

 

 

همه ی این مثال ها نشان می دهند که انرژی، خودبه خود به وجود نمی آید و هیچ گاه از بین نمی رود. بنابراین انرژی یک جسم هیچ گاه از بین نمی رود و خودبه خود نیز به وجود نمی آید و همواره پایسته (ثابت) می ماند، مگر این که مقداری از آن را به جسم دیگری بدهد و یا اینکه از یک جسم دیگر انرژی دریافت کند

این مطلب، بیان قانون پایستگی انرژی است. در کاربرد قانون پایستگی انرژی باید به این نکته توجه کنیم که مقدار انرژی همواره پایسته (ثابت) می ماند اما ممکن است از یک نوع به نوع دیگر تبدیل شود

 

انرژی پتانسیل گرانشی انرژی که یک جسم صرفاٌ به علت ارتفاعش از سطح زمین دارد، انرژی پتانسیل گرانشی نامیده می شود. هنگامی که توپی بر اثر ضربه ای از تپّه بالا می رود سرعت آن به تدریج کاهش می یابد تا در نهایت متوقف شود و پس از لحظه ای توقف به طرف پایین بر می گردد           در ابتدا که توپ از نقطه ی   شروع به حرکت می کند دارای انرژی جنبشی است. با صرف نظر از اصطکاک وقتی توپ به نقطه ی   می رسد، این انرژی جنبشی به انرژی پتانسیل گرانشی تدبیل می شود و هنگام بازگشت،انرژی پتانسیل گرانشی به انرژی جنبشی توپ تبدیل می شود. اگر اصطکاک نیز در نظر گرفته شود، بخشی از انرژی در اثر اصطکاک به انرژی درونی توپ و سطح زمین تبدیل می شود                   انرژی پتانسیل گرانشی  جسمی به جرم  که در ارتفاع  از سطح زمین قرار دارد، از رابطه زیر به دست می آید   در این رابطه،  شتاب گرانشی زمین  نامیده می شود و مقدار آن برابر   است که برای راحتی در محاسبه، می توان مقدار آن را به طور تقریبی   در نظر گرفت. یکای انرژی پتانسیل گرانشی در ، ژول  است

انرژی پتانسیل کشسانی جسم هایی مانند فنر، کش و لاستیک، هنگامی که کشیده یا فشرده می شوند، مقداری انرژی در خود ذخیره می کنند که از نوع انرژی پتانسیل است. به انرژی ذخیره شده در این گونه جسم ها انرژی پتانسیل کشسانی می گویند به عنوان مثال وقتی گلوله ای روی سطح افق به یک فنر افقی برخورد می کند، آن را فشرده می کند. با فشرده شدن فنر، سرعت گلوله کاهش می یابد تا این که در نقطه ای برای لحظه ای می ایستد. در این لحظه کل انرژی جنبشی گلوله به صورت انرژی پتانسیل کشسانی در فنر ذخیره می شود. سپس گلوله برمی گردد و از فشردگی فنر کاسته می شود. در واقع انرژی پتانسیل کشسانی فنر به انرژی جنبشی گلوله تبدیل می شود                 منابع انرژی منابع انرژی را می توان به دو دسته ی تجدید پذیر و تجدید نا پذیر تقسیم بندی کرد منابع انرژی تجدیدناپذیراین نوع از انرژی ها فقط یک بار قابلیت مصرف دارند و منابع آن ها محدود است. دو نمونه از این سوخت ها را شرح می دهیم الف – سوخت های فسیلی وقتی تنه های پوسیدهِ درختان و باقیمانده ی جانوران در زیر گل و لای، تحت فشار و دمای مناسب قرار می گیرند به این نوع از سوخت ها تبدیل می شوند که به آن ها سوخت های فسیلی می گویند. از مجموعه ی این ماده ها می توان زغال سنگ، نفت سفید، بنزین، نفت گاز، روغن موتور، رنگ و . . . را نام برد. این سوخت ها با تولید گازهایی مانند    باعث آلودگی محیط زیست و گرم شدن زمین می شوند       ب – سوخت های هسته ای بر اثر واکنش نوترون با هسته ی برخی از اتم های سنگین مانند اورانیوم و توریم این هسته به دو یا چند هسته ی سبک ترشکافته می شود که بر اثر آن گرمای بسیار زیادی تولید می شود. به عنوان مثال انرژی حاصل از شکافت کامل  1   اورانیوم معادل با انرژی حاصل از سوختن حدود     زغال سنگ است           در یک راکتور هسته ای، ماده ی شکافت پذیر در کوره ای بر اثر واکنش با نوترون شکافته می شود. با گرمای حاصل می توان آب را  تبدیل کرد و توسط  بخار برق تولید کرد. از جمله مشکل هایی که استفاده از این سوخت ایجاد می کنند می توان به محدود بودن این سوخت ها، شکل آماده سازی این عنصرها برای فرآیند شکافت، پرتوزا بودن آن ها و پس مانده ی آن ها اشاره کرد                   منابع انرژی تجدید پذیراین منبع های انرژی تمام نمی شوند و معمولاً آلودگی به وجود نمی آورند. اینک به بررسی برخی از این منبع های انرژی می پردازیم         الف – انرژی خورشیدییکی از منبع های انرژی پایان ناپذیر خورشید است. انرژی ای که زمین از خورشید دریافت می کند بسیار زیاد است درهر ثانیه، هر متر مربع زمین حدود   انرژی از خورشید دریافت می کند. بخشی از انرژی خورشید صرف گرم کردن زمین و جسم های روی آن می شود. بخش دیگری برای فوتوسنتز در گیاهان استفاده می شود       یکی از راههای بهره گیری از این انرژی، آب گرم کن های با دمای کم است که می توان از آن ها در منزل استفاده کرد                 روش دیگر بهره گیری از انرژی خورشیدی به کار بردن سلول های خورشیدی است که نور را مستقیماً به الکتریسیته تبدیل می کند با استفاده از آینه های مقعر بزرگ (کوره ی خورشیدی) برای متمرکز کردن پرتوهای خورشید در یک ناحیه ی کوچک می توان دماهایی تا حدود    تولید کرد               ب – انرژی باد از انرژی باد می توان برای تولید الکتریسیته، آسیاب کردن آرد در آسیاهای بادی، بیرون آوردن از چاه و . . . استفاده کرد. در هر نیروگاه بادی که برای تولید الکتریسیته ایجاد شده است، حدود 40 تا 100 توربین بادی وجود دارد. از جمله مشکل های این توربین ها می توان ایجاد سروصدای زیاد و خراب کردن منظره ها نام برد                     پ – انرژی امواج دریااز افت و خیز موج های دریا می توان توسط نوعی مبدل، انرژی الکتریکی به دست آورد                   .             ت – انرژی هیدروالکتریک  یا   برق آبی با ایجاد سد آب در منطقه های پرآب در مسیر رودخانه ها و منطقه هایی که میزان بارندگی زیاد است و نصب توربین می توان از انرژی پتانسیل گرانشی آب پشت سد برای تولید برق استفاده کرد                     ث – انرژی زمین گرماییهر چه از سطح زمین به پوسته های داخلی آن می رویم دما افزایش می یابد. در ناحیه های مرکزی زمین، دما آن قدر زیاد است که ماده به صورت مذاب وجود دارد  انرژی گرمایی که در پوسته ی جامد کره ی زمین ذخیره شده است را انرژی زمین گرمایی می نامند. منشأ این انرژی، گدازه ها و واکنش های هسته ای در ناحیه های عمیق زمین است. وقتی از سطح زمین به طرف مرکز آن حرکت کنیم، دما به طور متوسط به ازای هر   100 در حدود      افزایش می یابد                       ج – سوخت های گیاهی یا  بیومَس محصول های زراعی مانند تفاله های دانه های روغنی، بقایای این محصول ها مانند کاه، چوب، فضله های حیوان ها وفاضلاب های انسانی می توانند به عنوان یک منبع انرژی مورد استفاده قرار بگیرند. سوزاندن چوب و ساقه ها و برگ های گیاهان از زمان قدیم مرسوم است. همچنین بر اثر تخمیر برخی سوخت های گیاهی توسط آنزیم ها و یا تجزیه ی آن ها به وسیله ی باکتری ها در فضایی که هوا نباشد، می توان ماده هایی مانند الکل یا اتانول و گاز متان به دست آورد. زیست گاز مخلوطی از متان و دی اکسید کربن است که می تواند به عنوان سوخت مورد استفاده قرار گیرد           بهینه سازی مصرف انرژی هرگونه مصرف انرژی، در نهایت باعث گرم تر شدن محیط و افزایش انرژی درونی محیط می شود. با مصرف این انرژی، عملاٌ دیگر دستیابی به آنها امکان پذیر نیست و بشر دائماً انرژی را به صورتی تبدیل می کند که برایش غیرقابل استفاده است. لذا باید هنگام استفاده نهایت دقت را به کار برد تا از تلف شدن انرژی جلوگیری شود. به عنوان مثال یکی از راه های جلوگیری از تلف شدن انرژی، عایق بندی دیوارها و سقف ساختمان ها و دو لایه کردن شیشه ها است در ضمن با مصرف انرژی، محیط زیست آلوده می شود. برای جلوگیری از آلودگی محیط زیست نیز باید تا حد امکان از فنآوری های جدید صنعتی استفاده کرد. به عنوان مثال استفاده از این فنآوری ها در اتومبیل می تواند درصد زیادی از آلودگی را از بین ببرد