درسنامه کامل علوم تجربی هفتم فصل 8 انرژی و تبدیل های آن

مفهوم کار در علوم تجربی:

هنگامی کار انجام می شود که نیروی وارد شده به جسم سبب جا به جا شدن آن شود .

عوامل مؤثر در انجام کار:

کار انجام شده روی جسم به مقدار نیروی وارد شده و مقدار جابه جایی بستگی دارد. به عبارت دیگر هر چه مقدار نیروی وارد شده به جسم و جابجایی آن بیشتر باشد کار انجام شده نیز بیشتر است. وارد کردن نیرو ممکن است سبب حرکت، توقف، تغییر اندازه سرعت، تغییر شکل یا تغییر جهت جسم شود .

فرمول محاسبه ی کار:

در این رابطه نیرو بر حسب نیوتون (N)، جا به جایی بر حسب متر (m) و کار بر حسب ژول (J) اندازه گیری و بیان می شود. با توجه به فرمول کار اگر هر یک از کمیت های نیرو یا جا به جایی صفر باشند کار رخ نخواهد داد . بنابراین در حالات زیر کار انجام نمی شود :

1) اگر نیروی وارد شده به جسم برای حرکت دادن آن کافی نباشد ، کار رخ نمی دهد (جابه جایی صفر است)؛ مثل هل دادن جعبه ای بزرگ که باعث حرکتش نشود.

2) اگر نیروی وارد شده به جسم فقط برای جلوگیری از نیروی جاذبه زمین و در جهت سقوط نکردن جسم باشد، کار انجام نشده است ( جابه جایی صفر است )؛ مثل وزنه برداری که وزنه را بالای سرش نگه داشته است (البته وزنه بردار برای بلند کردن وزنه کار انجام داده است).

3) اگر حرکت جسمی در اثر وارد شدن نیرو به آن نباشد، کار صورت نگرفته است؛ مثل حرکت اجسام و برخی شهاب سنگ ها در فضای بیکران (نیرو صفر است).

اگر نیرو بر جهت جابه جایی عمود باشد، کار انجام نمی شود، زیرا این نیرویی که وارد می شود (نیروی تکیه گاه) برای غلبه بر نیروی جاذبه زمین است و در جهت جا به جایی جسم وارد نمی شود.

انرژی:

به توانایی انجام کار انرژی گفته می شود. انرژی به شکل های متفاوتی وجود دارد و مهم ترین ویژگی آن قابلیت تبدیل آسان از یک شکل به شکل دیگر است. انواع صورت های انرژی به صورت زیر است:

انرژی های گرمایی، نورانی، حرکتی(مکانیکی)، صوتی، الکتریکی، شیمیایی و هسته ای.

انواع انرژی:

انرژی جنبشی و انرژی پتانسیل

انرژی جنبشی:

به انرژی که جسم به علت حرکت خود دارد، انرژی جنبشی گفته می شود. باد، آب جاری، اتومبیل در حال حرکت، پرنده ای در حال پرواز و ... دارای انرژی جنبشی هستند.

عوامل مؤثر در انرژی جنبشی:

انرژی جنبشی هر جسم ، به جرم جسم و مقدار سرعت آن بستگی دارد. یعنی هر چه جسمی سنگین تر باشد و تندتر حرکت کند، انرژی جنبشی آن بیشتر است.

فرمول محاسبه انرژی جنبشی:

در این رابطه یکای اندازه گیری جرم کیلوگرم (Kg)، سرعت متر بر ثانیه (m/s) و انرژی جنبشی ژول (J) است. می توان روی یک جسم کار انجام داد بدون آن که انرژی جنبشی آن تغییر کند.

انرژی پتانسیل:

انرژی ذخیره شده در اجسام را انرژی پتانسیل می گویند. وقتی فنری کشیده یا فشرده می شود و یا شیئی از سقف آویزان می شود دارای انرژی ذخیره شده است. انرژی پتانسیل یا پنهان نوعی از انرژی است که تا آزاد نشوند کاری انجام نمی دهند.

انواع انرژی پتانسیل:

1- انرژی پتانسیل گرانشی:

انرژی ذخیره شده در اجسامی که با ارتفاع از زمین ثابت هستند. مثل کتابی که در قفسه کتابخانه قرار دارد. انرژی پتانسیل گرانشی به وزن جسم و ارتفاع جسم از سطح زمین وابسته است. هر چه وزن جسم و ارتفاعش از سطح زمین بیشتر باشد، انرژی پتانسیل گرانشی اش بیشتر است.

2- انرژی پتانسیل کشسانی:

انرژی ذخیره شده در اجسامی مثل کش، فنر و نوار لاستیکی که هر گاه آن ها را بکشیم این نوع از انرژی پتانسیل در آن ها ذخیره می شوند.

3- انرژی پتانسیل شیمیایی:

انرژی ذخیره شده در انواع مواد غذایی و سوخت ها که برای آزاد شدن انرژی آن ها باید یک تغییر شیمیایی رخ بدهد .

4- انرژی پتانسیل هسته ای یا اتمی:

انرژی ذخیره شده در هسته ی برخی از اتم ها مثل هسته اورانیوم

فرمول محاسبه ی انرژی پتانسیل گرانشی:

در این رابطه یکای اندازه گیری وزن نیوتون (N)، ارتفاع متر(m) و انرژی پتانسیل گرانشی ژول (J) است.

یکی از وسایلی که با آن در مورد انرژی ها آزمایش انجام می شود آونگ نام دارد. هر گاه سر یک قطعه نخی را به گلوله ای وصل کنیم و سر دیگر نخ را از نقطه ای آویزان کنیم، به مجموعه ی نخ و گلوله آونگ گفته می شود.

تاندون (زردپی) آشیل در پشت پا همانند یک فنر طبیعی عمل می کند. این تاندون با کشیده شدن و سپس رها شدن انرژی پتانسیل گرانشی را ذخیره و سپس آزاد می کند. این عمل فنر گونه، مقدار فعالیتی را که عضله های پا هنگام دویدن باید انجام دهند، کاهش می دهد.

انواع تبدیل صورت های انرژی:

1) تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی گرمایی؛ در وسایلی مثل اتو و کتری برقی

2) تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی حرکتی؛ در وسایلی مثل پنکه و ماشین لباسشویی

3) بالا بردن سنگ به بالای تپه و ذخیره کردن آب پشت سد : تبدیل انرژی جنبشی به انرژی پتانسیل گرانشی

4)تبدیل انرژی جنبشی به انرژی پتانسیل کشسانی؛ کشیدن کمان و فشرده کردن فنر

5) تبدیل انرژی پتانسیل گرانشی به انرژی جنبشی؛ غلتیدن سنگ از بالای کوه به سمت پایین و رها کردن آب پشت سد

6) تبدیل انرژی پتانسیل کشسانی به انرژی جنبشی؛ رها شدن تیر از کمان و آزاد شدن فنر فشرده شده

7) تبدیل انرژی الکتریکی به انرژی نورانی و گرمایی؛ در وسایلی مثل لامپ و پرژکتور

8) تبدیل انرژی شیمیایی به انرژی نورانی؛ کرم شب تاب

9) تبدیل انرژی نورانی به انرژی الکتریکی؛ صفحات خورشیدی

تبدیل انرژی های توپ در حال حرکت:

در نقطه ۱ توپ به سمت بالا پرتاب شده است و چون هم جرم دارد و هم سرعت پس دارای انرژی جنبشی است ولی به دلیل اینکه ارتفاعش صفر است، انرژی پتانسیل گرانشی ندارد. هرچه توپ به سمت بالا می رود، به دلیل کاهش سرعت و افزوده شدن ارتفاعش از انرژی جنبشی آن کم می شود و به انرژی پتانسیلش اضافه می گردد. در نقطه ۴ گلوله لحظه بسیار کوتاه متوقف می شود که در این لحظه به دلیل صفر شدن سرعت، انرژی جنبشی ندارد و همچنین به دلیل نهایت ارتفاعی که دارد، تمام انرژی در توپ به صورت پتانسیل گرانشی است. در حرکت توپ به سمت پایین از مقدار انرژی پتانسیل کاسته شده و به انرژی جنبشی اضافه می گردد؛ به دلیل افزایش سرعت و کاهش ارتفاع. لحظه ای قبل از برخورد توپ به زمین انرژی توپ تماما جنبشی است چون بیشترین سرعت را در آن جا دارد و همچنین به دلیل صفر بودن ارتفاع انرژی پتانسیل گرانشی صفر است. اما در لحظه برخورد ( نقطه ۷) انرژی جنبشی توپ به انرژی گرمایی تبدیل می شود.

تبدیل انرژی های گوناگون یک ورزشکار پرش با نیزه را در حال اوج گرفتن:

وقتی این ورزشکار به طرف مانع می رود انرژی شیمیایی ذخیره شده در بدنش به انرژی جنبشی تبدیل می شود. با قرار گرفته شدن نیزه روی زمین انرژی جنبشی به انرژی پتانسیل کشسانی نیزه و سپس انرژی پتانسیل گرانشی ورزشکار تبدیل می شود و با فرود آمدن ورزشکار(قبل از برخورد با تشک) انرژی پتانسیل گرانشی به انرژی جنبشی تبدیل می شود. با برخورد ورزشکار با سطح تشک و توقف او، انرژی جنبشی به انرژی گرمایی تبدیل می شود.

قانون پایستگی انرژی:

بر طبق این قانون انرژی هرگز به وجود نمی آید یا از بین نمی رود، تنها شکل آن تغییر می کند و مقدار کل آن ثابت می ماند. به طور مثال وقتی در هر ثانیه مقداری انرژی الکتریکی، مثلا ۱۰ ژول به یک لامپ روشنایی داده می شود، باید در هر ثانیه همان مقدار انرژی به صورت گرمایی و نورانی از لامپ آزاد شود (۹ ژول انرژی گرمایی و 1 ژول انرژی نورانی).

تبدیل انرژی در بدن:

بدن ما در همه ی حالات به انرژی نیاز دارد. بدن انرژی مورد نیاز برای انجام فعالیت ها را از مواد غذایی که مصرف می شوند به دست می آورد. حتی موقع خواب هم بدن ما انرژی مصرف می کند. وقتی که خوابیم، بدن ما انرژی مصرف می کند تا قلب و شش ها و سایر قسمت ها به کارشان ادامه دهند. اما وقتی بیدار می شویم انرژی بیشتری مصرف می کنیم. بعضی کارها مثل دویدن، پریدن یا کارهای سخت به انرژی زیادی نیاز دارد.

انرژی شیمیایی موجود در خوراکی ها:

انرژی شیمیایی ذخیره شده در خوراکی ها با یک کیلوژول (KJ) و کیلوکالری (Kcal) بیان می شود. به این ترتیب می توان گفت در هر گرم از غذایی که می خوریم انرژی شیمیایی نهفته است که معمولا آن را با یکای کیلوژول بر گرم (KJ/g) بیان می کنند.

معمولا انرژی موجود در خوراکی های بسته بندی شده را بر حسب کیلو کالری می نویسند . هر کیلو کالری معادل 4/2 کیلوژول یا ۴۲۰۰ ژول است . در جدول زیر انرژی موجود در برخی از خوراکی ها بر حسب کیلوژول بر گرم (مقدار انرژی در هر گرم ) آمده است:

   انرژی موجود در برخی از خوراکی ها بر حسب کیلو ژول بر گرم

منبع انرژی ها:

منبع اصلی اکثر انرژی ها از جمله انرژی های ذخیره شده در بدنمان از خورشید است. گیاهان سبز با استفاده از انرژی نورانی خورشید عمل غذاسازی را انجام می دهند. در این عمل انرژی نورانی خورشید به انرژی شیمیایی تبدیل می شود. این انرژی در گیاهان ذخیره می شود. با خوردن این گیاهان و یا حیواناتی که از این گیاهان تغذیه کرده اند، این انرژی به بدن ما منتقل می شود. در هنگام فعالیت های روزمره این انرژی آزاد شده و به صورت های مختلفی به خصوص گرما و حرکتی تبدیل می شود.

متوسط انرژی مورد نیاز در یک شبانه روز برای افراد مختلف در سنین گوناگون متفاوت است. به طور طبیعی پسران و مردان نسبت به دختران و زنان کمی بیشتر به انرژی نیاز دارند. انرژی های مورد نیاز برای برخی از افراد در نمودار مقابل مشخص شده است:

انرژی تقریبی مورد نیاز در افراد مختلف در یک شبانه روز

آهنگ مصرف انرژی:

منظور از این کمیت این است که در یک زمان معین (مثلا یک دقیقه) چه مقدار انرژی مصرف می شود؛ به عنوان مثال، آهنگ مصرف انرژی برای راه رفتن معمولی ۱۶ کیلوژول در دقیقه است و این بدان معناست که برای هر دقیقه راه رفتن معمولی، بدن ما حدود ۱۶ کیلو ژول انرژی مصرف می کند.

در جدول زیر، آهنگ مصرف انرژی برای برخی از فعالیت ها گوناگون آمده است: