تدریس فصل شش عوم سوم راهنمایی

فصل6
بخش سوم
انرژي ،‌زندگي

در علم فيزيك كار دقيقاً همان معنايي را كه روزانه از آن استفاده مي كنيم ندارد. مثلاً گاهي مي گوئيم هيچ كاري انجام نشده است. در حاليكه از نظر فيزيكي كار انجام شده است و بر عكس گاهي از نظر فيزيكي كاري انجام نشده است. ميدانيد وقتي به يك جسم ساكن نيرو وارد شود، ممكن است جسم در جهتي كه نير بر آن وارد مي شود به حركت درآيد. در اين صورت مي گوئيم نيرو روي جسم كار انجام داده است.

البته فقط در هنگام به حركت درآوردن اجسام ساكن كار انجام نمي شود. بلكه اگر نيرويي بر يك جسم متحرك نيز وارد شود، ممكن است سرعت يا جهت حركت جسم،‌در جهت وارد شدن نيرو تغيير كند. در چنين حالتي هم كار انجام مي شود،‌گاهي بر يك جسم نيرو وارد مي شود ولي چون جسم به حركت در نمي آيد، در واقع كاري انجام نشده است.

براي مثال وقتي يك وزنه بردار،‌وزنه اي را از روي زمين بلند مي كند و به بالاي سرش مي برد، كار انجام مي دهد اما زماني كه وزنه را بالاي سر خود نگه مي دارد، ديگر از نظر فيزيكي كاري انجام نداده است. ممكن است تصور كنيد كه در اين حالت وزنه بردار انرژي مصرف مي كند و در نتيجه، به سرعت خسته مي شود، بله اين امر كاملاً درست است اما بايد توجه داشت كه در اين حالت ،‌انرژي وزنه بردار صرف فعاليت هاي داخلي بدن او مي شود ولي بر روي ج سم كاري انجام نمي شود. زيرا جسم در اين حالت ساكن است و هيچ گونه حركتي ندارد. وقتي براي بلند كردن يك وزنه يا نگهداشتن آن تلاش مي كنيد، ماهيچه هاي شما مرتباً برا ثر پيام هاي عصبي كه از مغز دريافت مي كند منقبض مي شود. در ماهيچه ها با هر بار انقباض،‌تعداد بسيار كمي كار انجام مي شود. در طول چند ثانيه، تعداد انقباض ها به هزاران بار مي رسد و در نتيجه در مجموعه تعداد بسيار زيادي كار انجام مي شود.

هم چنين گاهي نيرويي بر يك جسم وارد مي شود اما جسم در جهت وارد شدن نيرو حركت نمي كند، مثلآً فردي را در نظر بگيريد كه جعبه چوبي سنگيني را در دست دارد و آن را در جهت افقي حركت مي دهد. در اين حالت فرد دو نيرو بر جسم اثر مي كند، يك نيرو درست برابر با نيروي وزن جسم اما در جهت بالا (خلاف جهت گرانش) به منظور نگهداشتن جسم و جلوگيري از افتادن آن بر روي زمين و نيروي ديگري بصورت افقي بهمنظور به حركت درآوردن جسم به طرف جلو.
نيروي اول كار انجام نميدهد چون در جهت وارد شدن آن، جسم جابه جا نمي شود، اما نيروي دوم يعني نيرويي كه از سوي فرد براي به حركت درآوردن جسم به طرف جلو وارد مي شود، كار انجام مي دهد.

محاسبه اندازه گيري كار :
براي محاسبه مقدار كار انجام شده مي توان از معادله ي زير استفاده كرد:
جابجايي × نيرو = كار
اين معادله نشان ميدهد كه مقدار كار انجام شده روي يك جسم به ميزان نيرويي كه بر جسم وارد مي شود و كار انجام مي دهد و نيز اندازه ي جابجايي جسم بستگي دارد و هر چه اين دو بيشتر باشند، مقدار كار انجام شده نيز بيشتر است.
در اين معادله، نيرو بر حسب نيوت ن(N) جابجايي بر حسب متر (M) و مقدار كار بر حسب ژول (J) است.
به خاطر داشته باشيد كه وزن هر جسم بر روي زمين، نيروي گرانشي است كه از طرف زمين بر آن جسم وارد مي شود و از نظر عددي،‌تقريباً مساوي با ده برابر جرم آن جسم بر حسب كيلوگرم است يعني :
10× جرم جسم بر حسب كيلوگرم = وزن جسم بر حسب نيوتون

كار و انرژي :
از سالهاي قبل ب انرژيهاي گوناگون هم چون انرژي پتانسيل ، جنبشي، الكتريكي تابشي، مكانيكي، صوتي، گرمايي، شيميايي و هسته اي آشنا شويد. هم چنين دانستيد كه براي اندازه گيري انرژي از يكاي ژول، استفاده مي شود. مثلاً اگر جسمي به وزن يك نيوتون در فاصله ي متري سطح مين قرار داشته باشد. مقدار انرژي پتانسيل گرانشي آن نسبت به سطح زمين برابر با يك ژول است.
انرژي و كار به يكديگر كاملاً مربوطند. بطوريكه مي توان گفت: هر گاه كاري انجام شود ممكن است حالت هاي زير براي انرژي پيش آيد:
1- هنگام انجام كار،‌انرژي از صورتي يا نوعي به صورت يا نوع ديگر تبديل مي شود.

2 – هنگام انجام كار، انرژي از يك جسم به جسم ديگر انتقال يابد

در فيزيك انرژي چنين تعريف مي شود: انرژي توانايي انجام كار است. طبق اين تعريف اگر جسمي انرژي داشته باشد، مي تواند كار انجام دهد. البته گاهي يافتن راهي براي عملي ساختن اين امر مشكل است. يعني بعضي اوقات ممكن است جسمي انرژيداتشه باشد اما آزاد سازي انرژي آن و به حركت درآوردن اجسام بوسيله ي آن كار آساني نباشد، مثلاً در هسته ي اتم ها انرژي فراواني ذخيره شده است اما آزادسازي اين انرژي و انجام كار به وسيله آن نيازمند فناوري در سطح بالاست. همانطور كه گفته شد كار و انرژي ارتباط بسيار نزديكي با هم دارند. بطوري كه مي توان گفت هر كاري كه انجام مي شود حتماً انجام كار باتبديل انرژي همراه است و با انرژي از جسمي به جسم ديگر انتقال يافته است. هم چنين هر گاه جسمي داراي انرژي باشد مي توان در صورت ايجاد شرايط مناسب به كمك آن انرژي جسمي را به حركت درآورد.

توان، سرعت انجام كار:
هنگام بالا دويدن از پله ها، درست به اندازه ي بالارفتن آهسته و قدم به قدم كار انجام مي شود. هم چنين كار انجام شده به وسيله دو دونده ي دوي صدمتر تقريباً با هم برابراست در حاليكه فقط يكي از آن ها به عنوان برنده اعلام مي شود. در زندگي ما مدت زمان كه طول مي كشد تا كاري معين انجام شود يكي از عوامل مهم در انجام آن كار به شمار مي آيد. ما اين عامل را در فيزيك با نام توان مي شناسيم . توان به معني سرعت انجام كار است. به عبارت ديگر توان نشان دهنده ي ميزان كار انجم شده در واحد زمان است. سرعت انجام كار به وسيله دونده اي كه مسير مسابقه را زودتر طي مي كند بيشتر است. به عبارت ديگر توان اين دونده از دونده ي ديگربيشتر است.
براي محاسبه توان از معدله زير كه به آن معادله توان مي گوئيم، استفاده كنيم.

در اين معادله مقدار كار انجام شده بر حسب ژول (J) مقدار زمان انجام كار بر حسب ثانيه (S) و توان بر حسب وات (W) است.
يك وات توان ماشيني است كه در مدت يك ثانيه يك ژول كار انجام ميدهد. مفهوم توان هم براي نشان دادن سرعت انجام كار توسط يك فرد يا يك ماشين و هم براي مشخص كردن سرعت توليد يا مصرف انرژي بوسيله دستگاهها استفاده مي شود. مثلاً وقتي گوئيم توان يك لامپ برقي 100 وات است يعني در هر ثانيه 100 ژول انرژي الكتريكي توسط اين لامپ مصرف و مطابق قانون پايستگي انرژي 100 ژول انرژي گرمايي و تابشي (نور) به وسيله آن توليد مي شود.

شايد تصور كنيد كه استفاده از جك براي بلند كردن اتومبيل سبب مي شود كه ما كار كم تري براي بلند كردن آن انجام دهيم اما هرگز چنين نيست . طبق معادله كار ، براي بلند كردن اتومبيل، بايد مقدار معين كار انجام مي شود و اين مقدار با به كارگيري جك كاهش پيدا نمي كند. جك تنها كار را آسانتر مي كند. جك به شما كمك مي كند تا با نيرويي در حدود 100 نيوتون اتومبيل را بلند كنيد.به وسايلي كه در انجام كارها به ما كمك مي كنند تا كارها آسانتر انجام شود ماشين گفته مي شود مانند جك اتومبيل. ماشين ها به صورت هاي گوناگون در انجام كارها به ما كمك مي كنند. يكي از راه هاي كمك ماشين ها به ما ،تغيير محل وارد شدن نيرو به جسم و گاهي نيز تغيير جهت نيرو است.
هم چنين ماشين ها گاهي با افزايش مقدار نيرو به ما كمك مي كنند كه كارهايي را كه نمي توانيم انجام دهيم يا انجام آنها ممكن است سخت باشد به آساني انجام دهيم. گاهي هم با افزايش مسافت اثر نيرو بر جسم و افزايش سرعت انجام كارماشين ها به ما كمك مي كنند.
بعضي ديگر از ماشين ها به جاي افزايش نيرو. مسافتي را كه نيرو بر آن اثر مي كند افزايش مي دهند.

مزيت مكانيكي يك ماشين :
ماشين ها مي توانند مقدار نيرويي كه به آن ها وارد مي شود. افزايش يا كاهش دهنده مزيت مكانيكي يك ماشين نسبت بين نيرويي كه ماشين به جسم وارد مي كند نيرويي كه به ماشين وارد مي شود را نشان مي دهد. مزيت مكانيكي يك ماشين از طريق معادله ي زير بدست مي آيد:

كار داده شده و كار گرفته شده از ماشين :

همان طور كه مشاهده مي شود وقتي كه شخص جعبه را مستقيماًاز روي زمين به داخل كاميون منتقل مي كند نيروي بيشتري را بكار مي برد اما مقدار جابجايي بار كم تراست. در نتيجه مقدار كار با حالتي كه فرد با استفاده از نيروي كم تر، همراه با جابه جايي بيشتر بار را به داخل كاميون مي برد. در مقايسه با حالت قبل – برابر است . يعني مقدار كلي كار انجام شده در هر دو حالت مساوي است و مي توان نتيه گرفت كه ماشين (سطح شيبدار) در مقدار كار انجام شده ، كاهش ايجاد نمي كند، بلكه فقط انجام كار را آسان تر مي نمايد.
مطابق قانون «پايستگي انرژي» هنگام تبديل شدن از يك صورت به صورت ديگر يا انتقال از يك جسم به جسم ديگر خلق و نابود نمي شود، بنابراين مقدار انرژي داده شده به يك ماشين نيز هميشه بامقدار انرژي كه از ماشين گرفته مي شود برابراست.
(انرژي گرفته شده از ماشين = انرژي داده شده به ماشين)
البته معمولاً مقداري از انرژي داده شده به ماشين ، صرف انجام كار مورد نظر مي شود كه به آن كار مفيد مي گوئيم. بقيه آن به صورت هاي مختلف مثلاً به صورت گرماي ناشي از اصطكاك هدر مي رود. به اين مقدار از انرژي به هدر رفته، انرژي تلف شده گفته مي شود.
در هر وسيله ميتوان نسبت كار مفيد به كل انرژي داده شده به دستگاه را به عنوان يك عامل مهم در كيفيت آن وسيله در نظر گرفت اين نسبت بازده نام دارد. به معادله ي زير توجه كنيد:

ماشين هاي ساده :
گروهي از ماشين ها كه پايه و اساس ساخت ماشين هاي ديگر را تشكيل مي دهند. ماشين ساده ناميده مي شوند. مي توان گفت ماشين هاي ديگر حالت تغيير شكل يافته ماشين ساده يا تركيبي از چند ماشين ساده با يكديگر هستند.

اهرم :
براي درك چگونگي كار با اهرم، يك الاكلنگ را در نظر بگيريد. وقتي به يك طرف آلاكلنگ نيرويي به سمت پائين وارد شود. آن سمت به طرف پائين وسعت مقابل به طرف بالا حركت مي كند. يعني ميله ي الا آكلنگ به عنوان يك اهرم عمل مي كند.
در هر اهرم يك تكيه گاه يك بازوي محرك و يك بازوي مقاوم وجود دارد. اهرم ها را مي توان بر حسب قرارگرفتن حمل تكيه گاه، نيروي محرك و نيروي مقاوم به شكل هاي زير در نظر گرفت.
مزيت مكانيكي اهرم همچون هر ماشين ديگري از معامله ي مزيت مكانيكي بدست مي آيد. البته در صورتيكه از اصطكاك صرف نظر كنيم مزيت الكتريكي اهرم را از معادله زير نيز مي توان محاسبه كرد :

قرقره :
قرقره يكي ديگر از ماشين هاي ساده است. هر قرقره محوري دارد كه حول آن مي تواند ازادانه بچرخد.

چرخ و محور:
چرخ و محور چرخي است كه به مركز آن يك ميله وصل شده است. با چرخاندن چرخ ميله نيز مي چرخد.

در چرخ و محور معمولاً نيروي محرك را به چرخ و نيروي مقاوم را به محور وارد مي كند. اما برعكس اين حالت نيز امكان پذيراست. براي اينكه افزايش يا كاهش نيرو را در اين دو حالت احساس كنيد، آزمايش ص 72 را انجام دهيد.
در چرخ و محور بين شعاع (قطر) چرخ و شعاع (قطر) محوري نيروهايي كه به چرخ و محور وارد مي شود. رابطه ي زير برقراراست:

سطح شيبدار :
سطح شيبدار هم نوعي ماشين ساده است و سبب مي شود كه بتوانيم به كمك يك نيروي كم اما در مسافتي طولاني جسمي را به سمت بالا حركت دهيم. در حاليكه ممكن است جابه جا كردن اين جسم بطور مستقيم از سطح زمين بر روي سطح بالايي، در حد نيروي ما نباشد.

گره و پيچ:
گره و پيچ نيز جزء ماشين هاي ساده هستند و مي توان آن ها را نوع سطح شيبدار به حساب آورد. چاقوي معمولي يك گره به حساب مي آيد. تيغه هاي قيچي نيز گره هستند. در واقع گره يك سطح شيبدار متحرك است. پيچ نيز سطح شيبداري است كه بدور يك ميله پيچيده شده است. از تركيب پيچ گره، متد بوجود مي آيد.

بحث كنيد .
در كداميك از موارد زير كار انجام مي شود؟ چرا؟
شخص از نردبان بالا مي رود؟
بله، زيرا وقتي شخص از نردبان بالا مي رود در جهت نيرو حركت مي كند، در اين صورت كار انجام مي شود.

شخص روي صندلي مي نشيند.
خير، زيرا شخص ساكن است و حركت نمي كند، پس كاري انجام نمي شود.

جرثقيل باري را به درون كاميون منتقل مي كند.
بله. زيرا جرثقيل، به بار نيرويي را به بالا وارد مي كند و بار به طرف بالا حركت مي كند و چون جسم در جهتي كه نيرو به آن وارد مي شود به حركت در مي آيد ، در اين صورت كار انجام مي شود.

قطعه اي آهن به وسيله اره به دو قسمت تقسيم مي شود.
خير زرا وقتي قطعه ي آهن به دو قسمت تقسيم مي شود ساكن است و حركت نمي كند پس كاري انجام نمي شود.

تفسير كنيد
با توجه به دو عبارت زير مشخص كنيد كه مقدار كار انجام شده به چه عواملي بستگي دارد؟
1- وقتي يك وزنه بردار، وزنه ي 1500 نيوتوني (حدوداً 150 كيلوگرمي) را بلند مي كند، نسبت به هنگامي كه وزنه 1200 نيوتوني را به بالاي سر مي برد، كار بيشتري انجام مي دهد.
2- وزنه برداربراي بلند كردن وزنه تا بالاي سر نسبت به بلند كردن آن تا مقابل سينه خود، بايد كار بيشتري انجام دهد.
از دو عبارت فوق دو نتيجه را مي توان گرفت.
الف) مقدار كار انجام شده روي يك جسم به ميزان نيرويي كه بر جسم وارد مي شود بستگي دارد.
ب) مقدار كارانجام شده روي يك جسم به اندازه جابه جايي جسم بستگي دارد.

فكر كنيد :
آيا مي دانيد از يكسان بودن يكاي اندازه گيري كار (ژول) چه نتيجه اي مي توان گرفت؟
نتيجه مي گيريم كه كار شكلي از انرژي است و مي توان گفت انرژي توانايي انجام كار است.

جمع آوري اطلاعات
توان مصرفي بيشتر وسيله هاي برقي چگونه مشخص مي شود؟
توان مصرفي آن ها بر حسب وات روي بدنه ي آنها نوشته شده است.

آيا همه وسايل برقي مشابه، مثلاً همه ي يخچال ها مصرف برق مشابهي دارند؟
خير، زيرا ظرفيت مصرف انرژي آن ها بر حسب كاري كه انجام مي دهند متفاوت است.

به نظر شما هنگام خريد وسيله هاي برقي به چه نكاتي بايد توجه كرد؟ چرا؟
هنگام خريد وسيله هاي برقي بايد به توان مصرفي دستگاه و حجم كاري آن توجه كرد. چون توان مصرفي ، ميزان انرژي مصرفي دستگاه رادر هر ثانيه نشان مي دهد.

فكر كنيد :
براي آسان تركردن كارهاي زير از چه وسيله هايي استفاده مي كنيد.
بلند كردن ماشين براي تعويض چرخ : جك
بريدن درخت : اره
بستن پيچ يا باز كردن آن آچار پيچ گوشتي
بازكردن در بطري نوشابه : در باز كن


فكر كنيد :‌
تعدادي ماشين را نام ببريد و بگوئيد هر كدام به چه طريق به ما كمك مي كنند؟
دوچرخه با افزايش مسافت اثر نيرو به ما كمك مي كند. اهرم با افزايش مقدار نيروي در بلند كردن اجسام به ما كمك مي كند. استفاده از قرقره براي بالابردن مصالح ساختماني با تغيير جهت دادن نيروي وارد بر طناب به ما كمك مي كند.

فكر كنيد
چگونه مي توان بازده يك ماشين را به عنوان يك ملاك براي كيفيت عملكرد آن را در نظر گرفت ؟
با توجه به اينكه بازده ماشين نسبت به كار مفيد به كل انرژي داده شده به ماشين است . پس هر چه بازده يك ماشين بالاتر باشد. كيفيت عملكرد آن بهتراست، زيرا به ازاء انرژي معيني كار مفيد بيشتري انجام مي دهد.

فكر كنيد
هميشه مزيت مكانيكي اهرم نوع دوم بيشتر از يك و مزيت مكانيكي اهرم نوع سوم كمتر از يك است. يعني اهرم نوع دوم،نيرو را افزايش مي دهد . در حالي كه اهرم نوع سوم نيرو را كاهش مي دهد. به نظر شما، مزيت مكانيكي اهرم نوع اول چگونه است؟ چرا؟
مزيت مكانيكي اهرم نوع اول برابر يك است. زيرا طول بازوي مقاوم برابر طول بازوي محرك است.

محاسبه كنيد
1 – هرم بزرگ در حدود 140 متر ارتفاع دارد. براي بردن يك سنگ متوسط به بالاي اين اهرم چقدر كار بايد انجام شود؟

(kg) 2500= 1000×5/2 = جرم سنگ
(N) 2500= 10×2500= 10× جرم سنگ = نيرو
(N) 2500= نيرو
(m) 140 = جابه جايي
(j)106×5/3=140×25000= جابه جايي × نيرو = مقدار كار انجام شده

اطلاعات جمع آوري كنيد براي سطح شيبدار ،‌گره و پيچ در زندگي مثال هايي ذكر كنيد و بگوئيد هر كدام چگونه به ما كمك مي كنند؟
الف) براي سطح شيبدار مي توان راه پله ي ساختمان را مثال زد كه با افزايش مسافت با نيروي كم مي توان به طبقه بالاتر رفت.
ب) براي گره مي توان چاقوي معمولي را مثال زد. چاقو در سطح شيبدار به هم چسبيده است كه لبه ي تيزي دارد و در بريدن به ما كمك مي كند.
پ) براي پيچ مي توان پيچ مايه ي يخچال را مثال زد كه با پيچاندن آن مي توان ارتفاع يخچال را تغيير داد.