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.

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