فصل سوم فیزیک دهم تجربی
فیزیک دهم تجربی فصل 3
فیزیک دهم فصل سوم در مورد کار , انرژی و توان است. این فصل شامل دروس : انرژی جنبشی , کار و انرژی جنبشی , کار و انرژی پتانسیل , پایستگی انرژی مکانیکی , کار و انرژی درونی , توان و بازده میباشد.
کار چیست فیزیک دهم تجربی
کار نشان دهنده نوعی انرژی است . کار زمانی انجام میشود که نیرویی بر چیزی وارد شود که از یک موقعیت به موقعیت دیگر تغییر مکان دهد.
انرژی چیست؟
انرژی عبارت از ظرفیت و توانایی انجام کار است.
کار و انرژی فیزیک دهم تجربی
رابطه بین کار و انرژی چیست؟
انرژی باید به یک جسم منتقل شود تا به حرکت کمک کند و انرژی میتواند به شکل نیرو منتقل شود. انرژی منتقل شده توسط نیرو برای حرکت هر جسم به عنوان کار یا کار انجام شده شناخته میشود.
بنابر این کار و انرژی رابطه مستقیمی با هم دارند.
پایستگی انرژی مکانیکی فیزیک دهم تجربی
وقتی در زندگی روزمره به اطرافمان نگاه میکنیم، بارها پدیده هایی را می بینیم که در آن ها جسمی حرکت میکند، بالا میرود یا پایین میآید، سرعت میگیرد یا کند میشود. شاید برایت سوال شده باشد که انرژی در این فرآیندها چه می شود؟ آیا از بین میرود یا جایی ذخیره میشود؟ پاسخ این پرسشها در قانونی نهفته است که در فیزیک به آن پایستگی انرژی مکانیکی میگوییم. این قانون یکی از مهمترین اصول فیزیک است و کمک میکند جهان اطرافمان را بهتر بفهمیم.
انرژی مکانیکی چیست؟
برای درک پایستگی انرژی مکانیکی، قبل از هر چیز باید مفهوم انرژی مکانیکی را بشناسیم. انرژی مکانیکی در واقع مجموع دو نوع انرژی است: انرژی جنبشی و انرژی پتانسیل.
انرژی جنبشی همان انرژی ناشی از حرکت است. هر جسمی که سرعت داشته باشد، دارای انرژی جنبشی است. هرچه جرم جسم یا سرعت آن بیشتر باشد، این انرژی نیز بیشتر خواهد بود. فرمول محاسبه انرژی جنبشی چنین است:
انرژی پتانسیل برعکس، به موقعیت جسم مربوط است. هر وقت جسمی را در ارتفاعی بالاتر از سطح زمین قرار دهیم، در آن انرژی پتانسیل ذخیره میشود. این انرژی در واقع آماده است تا در شرایط مناسب به جنبشی تبدیل شود. فرمول انرژی پتانسیل گرانشی به شکل زیر نوشته می شود:
Ep=mgh
در این فرمول m جرم، g شتاب گرانش (حدود ۹.۸ متر بر مجذور ثانیه روی زمین) و h ارتفاع جسم نسبت به یک سطح مرجع است.
پس انرژی مکانیکی کل یک جسم برابر است با:
Etotal=Ek+Ep
یعنی هر جسم در حال حرکت یا در حالتی که موقعیت خاصی نسبت به زمین دارد، میتواند ترکیبی از این دو انرژی را داشته باشد.
قانون پایستگی انرژی مکانیکی فیزیک دهم تجربی
حالا به اصل موضوع میرسیم. قانون پایستگی انرژی مکانیکی میگوید:
اگر تنها نیروهای پایستار مانند نیروی گرانش یا نیروی کشسان فنر بر جسم اثر کنند، مقدار کل انرژی مکانیکی جسم ثابت باقی میماند.
این به آن معناست که انرژی از بین نمیرود و به وجود هم نمیآید، بلکه فقط از شکلی به شکل دیگر تغییر میکند. ممکن است انرژی جنبشی کم شود و در عوض انرژی پتانسیل زیاد شود یا برعکس، اما مجموع آنها همیشه یکسان باقی میماند.
به عنوان نمونه، وقتی توپی را به سمت بالا پرتاب میکنیم، در ابتدا بیشترین انرژی جنبشی را دارد. هر چه بالاتر میرود سرعتش کم میشود و بخشی از انرژی جنبشیاش به انرژی پتانسیل تبدیل میشود. در بالاترین نقطه، جنبشی تقریباً صفر و پتانسیل در بیشترین مقدار است. سپس توپ پایین میآید و این بار انرژی پتانسیل دوباره به جنبشی تبدیل میشود. اما اگر اصطکاک و مقاومت هوا را نادیده بگیریم، مقدار کل انرژی در تمام این مراحل تغییر نمیکند.
نیروهای پایستار و ناپایستار
برای اینکه دقیقتر بفهمیم چه زمانی این قانون برقرار است، باید بین نیروها تفاوت قائل شویم.
نیروهای پایستار نیروهایی هستند که انرژی مکانیکی را حفظ میکنند. مثالهای رایج آنها نیروی گرانش زمین و نیروی کشسان فنر است. این نیروها میتوانند انرژی را از شکلی به شکل دیگر تغییر دهند، اما مقدار کل آن را ثابت نگه میدارند.
نیروهای ناپایستار مثل اصطکاک یا مقاومت هوا بخشی از انرژی مکانیکی را به شکلهای دیگری مثل گرما یا صدا تبدیل میکنند. وقتی چنین نیروهایی در سیستم وجود داشته باشند، انرژی مکانیکی کل کاهش مییابد.
به همین دلیل، قانون پایستگی انرژی مکانیکی فقط در شرایطی دقیقاً برقرار است که نیروهای ناپایستار حضور نداشته باشند یا اثرشان ناچیز باشد.
مثال : سقوط توپ
برای درک بهتر این قانون، یک مثال عددی بررسی کنیم. فرض کن توپی با جرم ۲ کیلوگرم از ارتفاع ۱۰ متر رها میشود. میخواهیم انرژی پتانسیل و جنبشی آن را در مسیر سقوط محاسبه کنیم.
در لحظه رها شدن، توپ در بالاترین ارتفاع قرار دارد. پس سرعتش صفر و انرژی جنبشیاش نیز صفر است. انرژی پتانسیل برابر خواهد بود با:
Ep=mgh=2×9.8×10=196 J
در این لحظه کل انرژی توپ همان ۱۹۶ ژول است.
وقتی توپ به نیمه راه میرسد (ارتفاع ۵ متر)، انرژی پتانسیل نصف میشود یعنی ۹۸ ژول. چون کل انرژی باید ۱۹۶ ژول باقی بماند، بقیه آن یعنی ۹۸ ژول به انرژی جنبشی تبدیل میشود.
در لحظه برخورد با زمین ارتفاع صفر است، پس انرژی پتانسیل صفر میشود. اما تمام انرژی به جنبشی تبدیل میشود و توپ دارای ۱۹۶ ژول انرژی جنبشی خواهد بود.
این مثال نشان میدهد که در تمام مسیر، انرژی کل تغییر نکرد و فقط نوع آن عوض شد.
نکات مهم
- انرژی مکانیکی کل برابر است با مجموع انرژی جنبشی و پتانسیل.
- در یک سیستم بدون اصطکاک یا مقاومت هوا، انرژی مکانیکی کل ثابت میماند.
- در ارتفاعهای زیاد انرژی پتانسیل بیشتر است و در نزدیکی سطح زمین انرژی جنبشی بیشتر میشود.
- حضور نیروهای ناپایستار باعث کاهش انرژی مکانیکی میشود، چون بخشی از انرژی به گرما یا صدا تبدیل میگردد.
جمع بندی
قانون پایستگی انرژی مکانیکی یکی از بنیادیترین اصول فیزیک است که میگوید انرژی نه از بین میرود و نه ایجاد میشود، بلکه فقط بین جنبشی و پتانسیل جابهجا میشود. این اصل به ما کمک میکند حرکت اجسام را بهتر بفهمیم و بتوانیم مسائل فیزیکی را دقیقتر حل کنیم.
پس دفعه بعد که توپی را پرتاب کردی یا نوسان پاندولی را دیدی، یادت باشد انرژی در آن لحظه از شکلی به شکل دیگر تبدیل میشود اما مقدار کل آن پایدار و ثابت باقی میماند.
توان و بازده فیزیک دهم تجربی
وقتی در زندگی روزمره درباره “قدرت” صحبت میکنیم، معمولاً منظورمان این است که کسی یا چیزی چهقدر توانایی دارد تا کار انجام دهد. در فیزیک هم مفهومی شبیه به همین وجود دارد، اما با تعریف دقیقتر و علمیتر به آن توان (Power) میگوییم. همچنین برای سنجیدن کارایی یک دستگاه یا ماشین، مفهومی به نام بازده (Efficiency) داریم. این دو موضوع در فیزیک پایه دهم بسیار مهم هستند و هم در مسائل درسی و هم در زندگی واقعی کاربردهای زیادی دارند.
مفهوم توان فیزیک دهم تجربی
توان در فیزیک یعنی: نرخ انجام کار یا مقدار کاری که در واحد زمان انجام میشود.
به بیان سادهتر، اگر دو نفر یک کار مشابه انجام دهند، اما یکی سریعتر آن را به پایان برساند، میگوییم توان او بیشتر است. پس توان فقط به مقدار کار بستگی ندارد، بلکه به زمان انجام آن نیز مرتبط است.
فرمول توان:
P=W/t
در این رابطه:
P : توان (بر حسب وات – W)
W : کار انجام شده (بر حسب ژول – J)
t : زمان صرف شده (بر حسب ثانیه – s)
مثال
فرض کن تو و دوستت هرکدام جعبهای با وزن مساوی را ۵ متر جابهجا میکنید. هر دو مقدار کار یکسانی انجام دادهاید، اما اگر تو در ۱۰ ثانیه این کار را بکنی و دوستت در ۲۰ ثانیه، توان تو بیشتر است، چون کار مشابه را در زمان کوتاهتری انجام دادهای.
توان مکانیکی و ارتباط با نیرو و سرعت
گاهی در مسائل به جای اینکه ابتدا کار و زمان را حساب کنیم، مستقیماً از رابطه نیرو و سرعت استفاده میکنیم.
P=F×v
در اینجا:
F : نیروی وارد شده (نیوتن – N)
v : سرعت جسم (متر بر ثانیه – m/s)
این فرمول نشان میدهد که توان وابسته است به مقدار نیرویی که وارد میکنیم و سرعتی که در همان لحظه جسم دارد.
واحد توان؛ وات (Watt)
واحد توان در دستگاه SI، وات است. یک وات یعنی یک ژول کار در مدت یک ثانیه.
برای مثال:
یک لامپ ۶۰ وات یعنی در هر ثانیه ۶۰ ژول انرژی مصرف میکند.
یک اسب بخار (Horsepower) معادل حدود ۷۴۶ وات است.
مفهوم بازده (Efficiency)فیزیک دهم تجربی
حالا به بخش مهم دوم میرسیم: بازده. در دنیای واقعی، هیچ دستگاهی ۱۰۰٪ کامل کار نمیکند. همیشه بخشی از انرژی هدر میرود، معمولاً به شکل گرما، اصطکاک یا صدا.
بازده یعنی نسبت انرژی یا توان مفید به انرژی یا توان مصرفی کل.
که در آن ηetaη بازده است و معمولاً به صورت درصد بیان میشود.
مثال
فرض کن موتوری ۲۰۰ ژول انرژی مصرف میکند، اما فقط ۱۵۰ ژول آن صرف جابهجایی جسم میشود و بقیه به صورت گرما تلف میشود.
یعنی بازده این موتور ۷۵ درصد است. این یعنی دستگاه کامل نیست، اما نسبتاً کارآمد محسوب میشود.
چرا بازده مهم است؟
بازده در زندگی واقعی اهمیت زیادی دارد. مثلاً:
در لامپهای قدیمی رشتهای بیشتر انرژی به گرما تبدیل میشد تا نور، پس بازده پایینی داشتند.
لامپهای LED بازده بالاتری دارند چون بیشتر انرژی الکتریکی را به نور تبدیل میکنند.
در موتور خودرو، بخشی از انرژی سوخت به حرکت تبدیل میشود و بخش زیادی به گرما. مهندسان تلاش میکنند بازده موتور را بالا ببرند تا سوخت کمتری مصرف شود.
مقایسه توان و بازده فیزیک دهم تجربی
جمع بندی
توان و بازده دو مفهوم کلیدی در فیزیک هستند. توان به ما میگوید چهقدر سریع کار انجام میشود، و بازده نشان میدهد دستگاه چهقدر از انرژی ورودی را به کار مفید تبدیل کرده است. هیچ دستگاهی بازده ۱۰۰٪ ندارد، چون همیشه بخشی از انرژی به شکلهای دیگری هدر میرود. اما شناخت این مفاهیم به ما کمک میکند هم مسائل فیزیکی را بهتر حل کنیم و هم در زندگی روزمره انتخابهای بهتری داشته باشیم؛ مثل خرید لوازم خانگی کممصرف یا انتخاب موتورهای پربازده.