آموزش فیزیک اول متوسطه -فصل اول (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 ...

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 دوم

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

وبلاگ آموزشی دروس ریاضی و فیزیک دبیرستان

وبلاگ آموزشی دروس ریاضی و فیزیک دبیرستان

نظرسنجی

تقویم