انرژی:
اهداف آموزشی درس فیزیك در آزمایشگاه (1):
می دانید كه علوم تجربی را می توان به دو شاخه علوم فیزیكی و علوم زیستی تقسیم كرد.فیزی واژه ای یونانی و در لغت به معنای طبیعت است. بنابراین علم فیزیك، پدیده های طبیعی را مورد بحث و بررسی قرار داده و در پی كشف راز و رمز این پدیده هاست. در این شاخه از دانش بشر می كوشد علت بروز هر پدیده را دریابد و به كمك آن رفتار طبیعت را قانونمند ببیند كه در نتیجه از یك طرف رفتارهای آینده طبیعت را پیش بینی می كند و از طرف دیگر در فناوری و صنعت با ساخت ابزارها و ماشین ها ، زندگی را
انرژی:
اهداف آموزشی درس فیزیك در آزمایشگاه (1):
می دانید كه علوم تجربی را می توان به دو شاخه علوم فیزیكی و علوم زیستی تقسیم كرد.فیزی واژه ای یونانی و در لغت به معنای طبیعت است. بنابراین علم فیزیك، پدیده های طبیعی را مورد بحث و بررسی قرار داده و در پی كشف راز و رمز این پدیده هاست. در این شاخه از دانش بشر می كوشد علت بروز هر پدیده را دریابد و به كمك آن رفتار طبیعت را قانونمند ببیند كه در نتیجه از یك طرف رفتارهای آینده طبیعت را پیش بینی می كند و از طرف دیگر در فناوری و صنعت با ساخت ابزارها و ماشین ها ، زندگی را راحت تر و ایمن تر خواهد كرد.
علوم فیزیكی به مطالعه و بررسی پدیده های مربوط به ماده و انرژی و رابطه ی آن ها با یكدیگر می پردازد و علوم زیستی همین پدیده ها را در دنیای زنده مورد بررسی قرار می دهد. در علوم فیزیكی، مفهوم ها بیشتر شامل موضوع هایی از فیزیك 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- الكتریسته ، جسم رسانا و نارسانا، مولد، مقاومت الكتریكی، توان الكتریكی و بهای انرژی الكتریكی
4- بازتاب نور، انتشار نور ، كانون آینه مقعر، محاسبه فاصله تصویر تا آینه ی مقعر
5- شكست نور ، زاویه ی حد ، ویژگی های عدسیهای همگرا، محاسبه ی فاصله ی تصویر تا عدسی و ... آشنا می شوید.
درس فیزیك 1 و آزمایشگاه جزء دروس عمومی متوسطه است بنابراین سعی شده است كه مبحث هایی از فیزیك كه یك شهروند به آن نیاز بیشتری دارد انتخاب آورده شود. در واقع سعی شده است بخشهایی انتخاب شود كه دانش آموز را به تفكر وا دارد و با بررسی مسائل راه وروش حل آنها را كشف كند.
فصل 1 – انرژی:
هنگامی كه به اطراف خود نگاه می كنیم، با پدیده های مختلفی مواجه می شویم و سؤال های زیادی برای ما مطرح می شود. با استفاده از علم فیزیك می توان به این پرسشها پاسخ داد. امروزه فیزدانان به بررسی و مطالعه پدیده ها، از ذره های خیلی ریزی همچون اجزای تشكیل دهنده اتم ها گرفته تا اجسام بسیار بزرگی همچون ستارگان و كهكشان ها می پردازند. شكل های (1-1 تا 1-8) نمونه ای از نتایج پژوهش های گسترده فیزیك دانان را نشان می دهد كه 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 كه 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 كیلوژول 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 ورزشكار 2800kJ انرژی از شیر بگیرد، پس :
m = E 0 / 2/7 = 2800 / 2/7 = 1037 gr => m = 1/037 kg
ورزشكار باید 037/1 كیلوگرم شیر بخورد تا بتواند انرژی ده دقیقه دوچرخه سواری را از شیر كسب كند.
1-3- انرژی درونی :
به مجموع انرژیهای جنبشی و پتانسیل ذرات یك 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 یكدیگر مقداری انرژی به انرژی درونی دو جسم تبدیل می شود كه به آن اصطلاحاً اصطكاك می گویند. در واقع انرژی حاصل از اصطكاك كه به صورت گرما در می آید تلف نشده و فقط انرژی مكانیكی به انرژی درونی تبدیل شده است.
تمرین 3 :
اتومبیلی به جرم 1000kg با سرعت
20m/s
(72km/h)
در حال حركت است.
اگر اتومبیل ترمز كند و متوقف شود. چه مقدار انرژی به انرژی درونی جاده و لاستیك ها تبدیل می شود؟
وقتی اتومبیلی ترمز می كند، تمام انرژی جنبشی اتومبیل به انرژی درونی جاده و لاستیك ها تبدیل می شود، یعنی تغییر انرژی جنبشی اتومبیل برابر افزایش انرژی درونی جاده و لاستیك 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 یك جسم هیچ گاه از بین نمی رود و خود به خود نیز بوجود نمی آید و همواره پایسته (ثابت) می ماند، مگر اینكه مقداری از آن را به جسم دیگری بدهد و یا اینكه از جسم دیگر انرژی دریافت كند.
در حالی كه انرژی پایسته می ماند، ممكن است از یك 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 كیلوگرم باشد، سرعت آن چقدر می شود؟
انرژی منتقل شده به توپ برابر انرژی جنبشی توپ در لحظه ای شروع حركت است ، پس :
1-5- انرژی پتانسیل گرانشی :
هر گاه جسمی به جرم m را به ارتفاع h از سطح زمین بالا ببریم، كاری كه روی جسم انجام می دهیم به صورت انرژی پتانسیل درآن ذخیره می شود و اگر جسم به سطح اولیه خود باز گردد، همین مقدار كار 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 كیلوگرم g شتاب گرانشی زمین كه 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
كه تقریباً در تمام نقاط و سطح زمین مقدار ثابت
9/8 m/s2
است.
را دارد كه تقریباً برابر
10 m /s2
درنظر گرفته می شود. مقدار g در ارتفاع های بسیار زیاد تغییر می كند.
مثال :انرژی پتانسیل توپی به جرم 5/0 کیلوگرم كه 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 كنیم. 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 كه جسم برای یك لحظه ساكن 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 یك جسم انتخاب سطح پتانسیل صفر بسیار مهم است. اگر سطح زمین را پتانسیل صفر در نظر بگیریم، هر جسمی كه بالاتر از سطح زمین است دارای انرژی پتانسیل مثبت و هر جسمی كه پائین تر از سطح زمین است دارای پتانسیل منفی است.
1-6 – انرژی پتانسیل كشسانی
در شكل بالا گلوله با سرعت V به فنر افقی برخورد كرده و آن را فشرده می كند. در این حركت انرژی جنبشی گلوله به فنر منتقل شده و در آن به صورت انرژی پتانسیل كشسانی ذخیره می شود پس از اینكه گلوله متوقف شد. انرژی پتانسیل كشسانی فنر باعث می شود گلوله این بار بر خلاف جهت قبلی شروع به حركت كند و انرژی پتانسیل كشسانی فنر به انرژی جنبشی در گلوله تبدیل می گردد. اگر از اصطكاك صرف نظر شود، بر اساس قانون پایستگی انرژی، سرعت جدا شدن گلوله از فنر برابر سرعت برخورد گلوله با فنر خواهد بود.
انرژی پتانسیل ذخیره شده در فنر را انرژی پتانسیل كشسانی می گویند.
1-8- منابع انرژی :
منابع انرژی به دو دسته تجدید پذیر و تجدید ناپذیر تقسیم می شوند. انرژیهای تجدید ناپذیر فقط یكبار 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 كشسانی می گویند.
1-8- منابع انرژی :
منابع انرژی به دو دسته تجدید پذیر و تجدید ناپذیر تقسیم می شوند. انرژیهای تجدید ناپذیر فقط یكبار قابلیت مصرف دارند، اما انرژیهای تجدید پذیر تمام نمی شوند. برخی از این منابع عبارتند از :
الف – انرژی خورشیدی، باد، امواج دریا، انرژی هیدروالكتریك (برق آبی)، انرژی زمین گرمایی، سوخت های گیاهی (بیومس)
الف – منابع انرژیهای تجدید ناپذیر
این انرژیها فقط یكبار 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 تشكیل می شوند؟ به چه كاربردی 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 كه 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 ، كود شیمیایی، دارو، پلاستیك 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 واكنش شكافت هسته ای انرژی زیادی را آزاد كنند. به این مواد سوخت هسته ای می گویند.
ب ) در واكنش شكافت هسته ای، هسته ی اتم سنگین بر اثر واكنش با نوترون به دو هسته ی سبك تر شكافته می شود و گرمای زیاد آزاد می شود. این واكنش معمولاً در راكتور هسته ای انجام می شود.
3 – راكتور هسته ای چیست؟
كوره ای كه سوخت آن ماده ی شكافت پذیر است مانند اورانیوم
4 – استفاده از سوخت های هسته ای چه مشكلاتی دارد؟
جواب
الف. مقدار عناصر شكافت پذیر محدود و تمام شدنی است.
ب : بهره برداری از راكتورهای هسته ای مشكل و پرهزینه می باشد.
پ : سوخت های هسته ای (هسته ی اتم های شكافت پذیر) پرتو او بسیار خطرناك است.
ت: محصولات حاصل از شكافت شدیداً پرتوزا نگهداری و دفن آنها از نظر زیست محیطی بسیار مشكل و پرهزینه است.
ث: حوادث راكتورها خطرناك 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 كنند
• 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 كنند
• منابع انرژی چون انرژی خورشیدی و ... از جمله منابع انرژی تجدید پذیر می باشند.
انرژی خورشید :
1 – انرژی كه 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 كند و مقداری از آن بر اثر فتوسنتز به صورت انرژی شیمیایی جذب گیاهان و سبب گرم شدن آنها می شود.
2 – مقدار كل 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 كن ها با دمای كم كه نور خورشید را به انرژی گرمایی تبدیل می كند.
ب) استفاده از آینه های مقعر بزرگ در كوره های خورشیدی كه پرتوهای خورشید در ناحیه ای كوچك متمركز می شود. از این روش می توان برای تبدیل آب به بخار در یك نیروگاه برق استفاده كرد.
پ) استفاده از سلول های خورشیدی كه نور خورشید را مستقیماً به الكتریسته تبدیل می كنند. از این روش می توان انرژی لازم برای دستگاههای برقی ، مخابراتی و ماهواره ها را تهیه كرد.
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 كنند. 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 كمك نوعی مبدل می توان به انرژی الكتریكی تبدیل كرد. شكل (1-18) طرحی از چگونگی مهار انرژی امواج دریا را مشاهده می كنید.
ت ) انرژی هیدرو الكتریك( برق آبی) :
1. انرژی هیدروالكتریك چیست؟
جمع آوری آب از ارتفاع زیاد به سطح پائین تر در پشت یك سد برای راه اندازی توربین آبی متصل به یك مولد برق را انرژی هیدروالكتریك (برق آبی) می گویند.
بیشتر نیروگاهها در مناطقی ساخته می شوند كه آب كافی دارند و میزان بارندگی سالیانه در آنها بیشتر از نقاط دیگر است.
2. استفاده از سدهای آبی چه مشكلاتی 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 كرد؟
گرمای موجود در زیر سطح كره زمین انرژی زمین گرمایی می گویند. در مناطقی كه به عنوان محل آتش فشان یا زلزله شناخته می شوند می توان ازاین انرژی استفاده كرد.
2. چگونه از انرژی زمین گرمایی استفاده می شود؟
در یك 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 كه از آن برای گرم كردن خانه ها و یا به راه انداختن توربین بخار استفاده می شود.
انرژی زمین گرمایی در صورتی تجدید پذیر محسوب می شود كه انرژی كه از آن برداشته می شود. بیش از انرژی ای نباشد كه از طریق مركز 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 باكتریها در نبود هوا می توان مواد سوختی از قبیل الكل و گاز متان تولید كرد و سوخت های گیاهی مایع را می توان به جای بنزین استفاده كرد.
3 – مزایای استفاده از سوخت های گیاهی مایع به جای بنزین چیست؟
انرژی سوخت های گیاهی مایع 50 درصد كمتر از بنزین است. ولی سرب و گوگرد ندارند و در اثر سوختن آنها آلودگی كمتری ایجاد می شود.
4 – زیست گاز چیست؟
مخلوطی از متان و كربن دی اكسید و با انرژی حدود 70 درصدگاز طبیعی است.
1-8 – بهینه سازی مصرف انرژی :
به هنگام استفاه از انرژیهایی كه در دسترس داریم، قسمتی از آنها به صورت انرژی درونی درآمده و به اصطلاح تلف می شود. به طور مثال در موتور اتومبیل اصطكاك قسمت قابل توجهی از انرژی را به صورت گرما در می آورد. برای استفاده از این انرژی باید موارد زیر را بكار گرفت:
1. استفاده از وسایل نقلیه ی عمومی
2. عایق بندی بهتر ساختمانها
3. استفاده از موتورهایی كه راندمان بالاتری دارند.
4. استفاده درست از انرژی الكتریكی
5. با استفاده ی مناسب از منابع كشاورزی و منابع طبیعی، انرژی شیمیایی در گیاهان و طبیعت وجود دارد را حفظ كنیم.
انرژی الكتریكی چیست؟
قابلیت انجام كار به وسیله جریان الكتریكی را انرژی الكتریكی می گویند. وقتی وسایل برقی روشن می شوند، انرژی الكتریكی به انرژی مكانیكی تبدیل می شود و یا در یك لامپ روشن انرژی الكتریكی به انرژی نورانی و حرارتی تبدیل می شود.
واژه ها و فرمول های كلیدی :
1 – قابلیت انجام كار یا ظرفیت انجام كار را انرژی آن جسم می گویند و در SI یكای اندازه گیری آن ژول است.
2- قابلیت انجام كار به لحاظ انرژی ای كه در مواد شیمیایی مختلف وجود دارد را انرژی شیمیایی می گویند. در SI یكای اندازه گیری آن KJ/g می باشد.
3 – آهنگ مصرف انرژی ، مقدار انرژی است كه در یك زمان معین مصرف می شود (توان مصرف انرژی) . در SI یكای اندازه گیری آهنگ مصرف انرژی kjmin می باشد.
4 – انرژی یك جسم متحرك را انرژی جنبشی می گویند.
5 – به مجموع انرژیهای جنبشی . پتانسیل ذرات یك ماده انرژی آلی آن جسم می گویند.
6- در حالی كه انرژی پایسته می ماند، ممكن است از یك نوع به نوع دیگر تبدیل شود (قانون پایستگی انرژی)
7 – انرژی ذخیره شده در یك جسم به خاطر اختلاف سطح با زمین را انرژی پتانسیل گرانشی می گویند.
8 – انرژی ذخیره شده در فنر را انرژی پتانسیل كشسانی می گویند.
9 – منابع انرژی به دو دسته ی تجدید پذیر و تجدید ناپذیر تقسیم می شوند.
10 – منابع انرژی كه فقط یكبار قابلیت مصرف دارند را تجدید ناپذیر می گویند (سوخت های فسیلی)
11 – منابع انرژی ای كه تمام نمی شوند را تجدید پذیر می گویند (انرژی خورشید)
1-2 – انرژی جنبشی :
انرژی یك جسم متحرك 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 كیلوگرم (kg)
V سرعت جسم بر حسب متر بر ثانیه( K(m/s ، انرژی جنبشی جسم بر حسب ژول (J) برای تبدیل یكای Km/h به متر بر ثانیه و بالعكس به صورت زیر عمل می كنیم .
Km/h × /13/6 m/s
m/s × /13/6 km/h
نكته :انرژی جنبشی یك 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 حركت است. سرعت این گلوله چقدر است ؟
ابتدا جرم را به كیلوگرم تبدیل می كنیم 
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 => K1+V1=K2+V2 |
(پایستگی انرژی) |
پاسخ دهید وتمرینات پایانی فصل 1 : (انرژی)
1 – توپی را كه در روی زمین است و حركت می كند، در نظر بگیرید. سرعت توپ رفته رفته كم شده و بالاخره متوقف می شود.انرژی جنبشی توپ كجا رفته است؟
اصطكاك عاملی است كه باعث توقف توپ می گردد و در اثر اصطكاك انرژی جنبشی توپ تبدیل به انرژی درونی در توپ و زمین می گردد.
2 – در فصل سوم كتاب علوم تجربی سال اول راهنمایی با اثرگرما بر حالت مواد آشنا شدید. با توجه به آنچه تاكنون فرا گرفته اید حالت هایی را نام ببرید كه :
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 كنیم تا دمای آن از °20 (سانتی گراد) به °80 برسد. با گرم كردن 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 كنیم تا زمانی كه تمام یخ ذوب نشده است ، دمای آب و یخ صفر درجه سانتی گراد است. این نشان می دهد كه پددیده ی ذوب یك 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 كنید توپی را بدین راه، مثلاً نقطه C در شكل (1-10) متوقف كنیم. اگر آن را رها كنیم حركت توپ چگونه خواهد بود. آیا می توان گفت كه در نقطه C توپ دارای انرژی پتانسیل گرانشی است ؟ شكل (1-10( ص 13
الف – 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 كنیم. به لحاظ انرژی پتانسیلی كه دارد، به طرف پائین حركت می كند و هر لحظه انرژی پتانسیل آن به انرژی جنبشی تبدیل می گردد.
انرژی پتانسیل توپ در نقطه c برابر (u=mgh) می باشد كه hc ارتفاع قائم نقطه ی c تا سطح زمین می باشد.
ب) فرض كنیم در شكل (1-10) اصطكاك 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 اصطكاك می گردد. به صورت انرژی درونی در می آید تا به نقطه B برسد. حال اگر سطح بدون اصطكاك باشد، در نقطه B توپ باز همه انرژی جنبشی خواهد داشت و می تواند از این نقطه نیز بالاتر برود.
4 – در شكل (1-13) هنگامیكه 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 كشسانی در فنر تبدیل می گردد و چون گلوله هنوز متوقف نشده است، دارای انرژی جنبشی است.
ب) فرض كنید پس از برخورد گلوله با فنر، گلوله فنر بچسبد، حركت بعدی گلوله را توصیف كنید 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 كشسانی به انرژی جنبشی بالعكس تبدیل می شوند و چون سطح دارای اصطكاك است. رفته رفته انرژی دستگاه به انرژی درونی تبدیل می شود و پس از چند حركت 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 كودكی ، انرژی لازم برای حركت آنها از كجا تأمین می شود؟
به وسیله انرژی كشسانی فنر، در كوك اسباب بازی انرژی مكانیكی به صورت انرژی كشسانی در فنر ذخیره می شود. به هنگام كار كردن 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 یك شبانه روز بخوابد، چه مقدار انرژی مصرف می كند؟
باتوجه به این جدول، آهنگ مصرف انرژی برای خوابیدن 5kJ/min می باشد كه به صورت زیر در یك شبانه روز محاسبه می گردد:
5×60×24=7200kJ
ب : انرژی كه برای یك ساعت نشستن در كلاس مصرف می شود بیشتر است یا انرژی كه صرف ده دقیقه دوچرخه سواری می شود؟
باز با توجه به این جدول آهنگ مصرف انرژی برای نشستن در كلاس 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 یك ساعت در كلاس
23/9×10=239kj دوچرخه سواری معمولی در ده دقیقه
42 × 10 = 420 KJ دوچرخه سواری تند در ده دقیقه
پس نشستن در كلاس درس به مدت یك ساعت انرژی بیشتری لازم دارد.
2 – توپی را از ارتفاع یك متری سطح زمین از حال سكون رها می كنیم. توپ بعد از برخورد با زمین با ارتفاع كم تر از یك متر بالا می رود این مثال را بر اساس پایستگی انرژی توضیح دهید.
وقتی یك 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 كاهش می یابد و توپ تا ارتفاع كمتر از یك متر بالا می رود.
3 – با استفاده از رابطه ی انرژی پتانسیل گرانشی جدول زیر را كامل كنید.
|
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 كنیم 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 كه 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 یك كیلوگرم را با سرعت 5m/s در امتداد قائم به طرف بالا پرتاب می كنیم. انرژی پتانسیل گرانشی بالاترین ارتفاعی كه توپ به آن می رسد، چقدر است؟ سرعت آن در نیمه راه چقدر است ؟ از مقاومت هوا چشم پوشی كنید.
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 كل 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 كامل كنید:
الف) در یك لامپ روشنایی انرژی الكتریكی به انرژی نورانی تبدیل می شود
ب) در پنكه، انرژی الكتریكی به مكانیكی تبدیل می شود
پ) به وسیله ی مالش دستها به هم می توانیم انرژی جنبشی را به انرژی درونی تبدیل كنیم
ت) در پر كردن باتری ماشین ، انرژی الكتریكی 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 كه انرژی برداشت شده بیش از انرژی كه از طریق مركز زمین جایگزین می شود نباشد و همچنین مقدار آب تزریق شده و آب خارج شده برابر باشد.
هسته‌ها و الكترونها در اتحاد با یكدیگر اتمها را ایجاد می‌كنند و اتمها نیز دنیا را بوجود می‌آورند. هر انسان در بدن خود میلیاردها سلول دارد، اما با تمامی تفاوتهائی كه انسانها، جانوران، گیاهان، سیاره‌ها و ستاره‌ها با یكدیگر دارند باز هم تمامی آنها فقط از سه ذره زیربنایی(الكترون - پروتون و نوترون) ساخته شده‌اند. ستارگان اندازه‌های متفاوتی دارند. برخی از آنها بزرگتر، درخشانتر... هسته‌ها و الكترونها در اتحاد با یكدیگر اتمها را ایجاد می‌كنند و اتمها نیز دنیا را بوجود می‌آورند. هر انسان در بدن خود میلیاردها سلول دارد، اما با تمامی تفاوتهائی كه انسانها، جانوران، گیاهان، سیاره‌ها و ستاره‌ها با یكدیگر دارند باز هم تمامی آنها فقط از سه ذره زیربنایی(الكترون - پروتون و نوترون) ساخته شده‌اند. ستارگان اندازه‌های متفاوتی دارند. برخی از آنها بزرگتر، درخشانتر و برخی دیگر كوچكتر وكم‌نورتر می‌باشند. تمام ستارگان عمدتاً از ئیدروژن كه ساده‌ترین عنصر طبیعت است، تشكیل شده‌اند. عمر جهان هستی پانزده تا بیست میلیارد سال است. در جهان هستی دو میلیارد كهكشان وجود دارد و هر كهكشان نیز بیش از دو میلیارد ستاره دارد. پس می‌توان اندیشید كه جهان به چه اندازه بزرگ است.
انرژی چیست؟
توانایی انجام كار را انرژی می‌نامند. انرژی به صورتهای متفاوت در طبیعت یافت می‌شود. در بادها، امواج دریاها، رعد و برق آسمانی، برای به حركت درآمدن یك ماشین یا پرتاب یك موشك و یا پرواز هواپیماهای غول‌پیكر، شهابسنگهای آسمانی، گردش زمین بدور خورشید و هزاران رفتار یا فعالیت دیگری كه انرژی برای انجام آنها همراه است. در بدن ما نیز هنگامی كه ماهیچه‌هایمان منقبض می‌شود آثار انرژی وجود دارد. در زمانهای بسیار قدیم انسانها تنها به انرژی ماهیچه‌ای خود متكی بودند، اما بعداز هزاران سال پس از دستیابی به ماشینهای ساده همچون گوه، اهرم، سطح شیبدار و ماشینهای دیگر بالاخره انسان توانسته است از دیگر منابع انرژی نیز استفاده كند. اما این انرژیها از كجا بوجود می‌آیند؟ هیچكس نمی‌تواند انرژی خلق كند یا آن را پدید آورد. انسان همواره مجبور است انرژی را از یك چشمه بدست آورد. او انرژی را از طبیعت می‌یابد و به صورتهای دیگر انرژی تبدیل می‌كند. مانند انرژی آبی كه در پشت سدها گرفته می‌شود، انرژی حاصل از سوخت زغالهای گداخته یا آتش زدن نفت و دیگر مواد جامد یا مایع و گازها. در طبیعت صورتهای گوناگون انرژی همواره به یكدیگر تبدیل می‌شوند. گونه‌های مختلف انرژی را می‌توان بصورت انرژی الكتریكی، انرژی جنبشی، انرژی شیمیایی، انرژی درونی، انرژی نورانی، انرژی هسته‌ای، انرژی ماهیچه‌ای و گونه‌های متفاوتی از حالات انرژی یافت.
عرضه و تقاضای انرژی در جهان به صورت یكی از مسائل روز در آمده است. انرژیهای فسیلی مانند نفت و گاز و ذغال سنگ روزی تمام خواهد شد و با پایان یافتن آن چرخ تمدن بشری كه بستگی مستقیم به انرژی دارد متوقف خواهد گشت. این مساله موجب شده كه كشورهای توسعه یافته صنعتی با جدیت هر چه بیشتر استفاده از سایر انرژیهای موجود در طبیعت را مورد توجه قرار دهند. استفاده از انرژیهای نو: خورشید، باد، گرمای درون زمین و جزر و مد، مستلزم كار و كوشش و تحقیقات زیادی می‌باشد كه باید از قبل انجام شده باشد. كشورهای توسعه یافته سالهاست كه مطالعات دامنه‌داری را در این زمینه شروع كرده‌اند. كشورهای در حال توسعه اگر از هم اكنون به فكر استفاده از انرژیهای نو نباشند و مطالعات جامع و كامل خود را در این زمینه شروع نكنند، روزی خواهد رسید كه برای جبران كمبود انرژی مجبور خواهد شد، دست نیاز به دامان كشورهای پیشرفته بزنند، آن وقت فاصله موجود بین كشورهای توسعه یافته و كشورهای در حال توسعه زیادتر خواهد شد. از اوایل دهه 1970 آشكار شد كه سوختهای فسیلی كه از سالها پیش پایه و اساس موازنه انرژی را در اقتصاد جهان تشكیل می‌داد، در آینده‌ای نه چندان دور تمام خواهد شد در این زمان تناسب بین كشف ذخایر سوختهای فسیلی و رشد مصرف سوخت بهم خورد و محاسبات علمی، چشم جهانیان را باز كرد كه تا سالهای نه چندان دور این ذخایر به پایان خواهد رسید. روی آوردن به انرژیهای نو مستلزم صرفه هزینه‌های كلانی است كه برای كشورهای در حال توسعه بسیار گران تمام می‌شود. تا این اواخر بهای انرژی ارزان بود و قیمت نفت پایین نگهداشته می‌شد. اما از این پس برای تهیه انرژی باید بهای بیشتری پرداخت و این مساله‌ای است كه ابعاد آن نامشخص می‌باشد. تاریخ نشان میدهد كه جایگزین كردن یك منبع انرژی به جای منبع دیگر دهها سال طول می‌كشد استفاده از از ذغال سنگ بجای هیزم و سپس قرار دادن نفت و گاز به جای ذغال سنگ بیش از نیم‌قرن طول كشیده است. در آینده دسترسی به انرژی به مقادیر كافی از جهات بسیاری مشكلتر خواهد بود. در راس این مشكلات مساله افزایش بی‌سابقه جمعیت جهان قرار دارد. از زمان نخستین بحران نفت تا كنون بیش از 400 میلیون نفر به جمعیت جهان اضافه شده كه نیازهای مادی آنان از هم اكنون مشهود است. حتی اگر میزان زاد و ولد در هر خانواده كاهشی صورت گیرد جمعیت جهان در 50 سال آینده تقریبا دو برابر خواهد شد. مطالعات دقیق نشان می‌دهند كه كمبود منابع انرژی طی 50 سال آینده همچنان توسعه اقتصادی جهان را با مانع روبرو خواهد ساخت. با پیشرفت تمدن، انرژی مورد نیاز انسان بالا خواهد رفت و مقدار كل انرژی مورد نیاز چنان عظیم خواهد بودكه دیگر جای انتخاب باقی نمی‌گذارد. لذا استفاده از همه منابع انرژی باید مد نظر قرار گیرد. تمامی دست اندركاران بزرگ جهان عقیده‌اشان بر این است كه باید پایه قابل تجدید مستمر انرژیهای مانند انرژیهای خورشیدی، باد و آبی و بیوگاز قرار داد. یك مجموعه انرژی باد قادر به تامین برق با قیمت ارزان می‌باشد، بنابراین انرژی باد می تواند وابستگی كشورها به سوخت فسیلی را كاهش دهد و از آلودگی محیطی نیز جلوگیری كند. اگر شما در یك منطقه دور افتاده زندگی می‌كنید، انرژی باد می‌تواند هزینه تامین برق را برای محل زندگی شما تا حد زیادی كاهش دهد. دستگاههای كوچك انرژی باد را می‌توان هم به صورت یك دستگاه مستقل مورد استفاده قرار داد. توربینهای بادی كه در كنار شبكه برق سراسری كار می‌كنند می‌توانند از مقدار مصرف برق شبكه سراسری برای روشنایی، تجهیزات برقی و گرمایش بكاهند. اگر توربین بادی توانایی تولید برق به اندازه كافی را نداشته باشد ما به‌التفاوت آن از شبكه برق سراسری تامین می‌گردد و در زمانی كه برق تولیدی توربینها بیشتر از مقدار مورد نیاز باشد، اضافه آن به شبكه برق سراسری فروخته می‌شود. با استفاده از تجهیزات الكترونیكی جدید، اتصال به صورت خودكار امكان پذیر می‌باشد. دستگاههای مستقل را می‌توان برای خانه‌ها، كارخانجات و سایر موارد مشابه كه از شبكه برق سراسری فاصله زیادی دارند به كار برد.
اگر شرایط زیر برقرار باشد استفاده از هر یك از دستگاههای یادشده امكانپذیر است:
1-سرعت متوسط سالیانه باد در منطقه مورد نظر حداقل 15 كیلومتر در ساعت باشد.
2- شبكه برق سراسری در دسترس نباشد و یا با هزینه خیلی زیاد قابل دسترسی باشد. یعنی اتصال به شبكه سراسری، بسته به شرایط منطقه حدود5/6 الی 21 میلیون تومان به ازای هر كیلومتر هزینه داشته باشد.
3- اگر علاقمند باشید تا برق مورد نیاز خود را بدون استفاده از شبكه سراسری تامین كنید.
4- اگر خواهان این باشید كه اثرات زیست محیطی تولید برق را كاهش دهید.
5- باید از دورههای وزش باد در منطقه آگاه باشید و برنامه‌ریزی شما برای مصرف برق متناسب با این دوره‌ها باشد. دستگاه تولید انرژی بادی متشكل از اجزا زیر است: توربین بادی، توربینهای بادی خانگی تشكیل شده است از یك موتور، یك ژنراتور، و معمولا یك دنباله. در اثر عبور ها از روی پره‌ها، روتور، انرژی جنبشی باد را گرفته و به حركت چرخشی تبدیل می‌كند و ژنراتور را به چرخش در می‌آورد. روتور می‌تواند دو پره یا سه پره داشته باشد. روتور سه پره متداول تر است. مقدار انرژی، كه توربین می تواند تولید كند در درجه اول بستگی به قطر روتور دارد كه (سطحی را كه توسط باد قطع می‌شود معین می‌كند). اسكلت توربین متشكل از یك میله محوری محكم است كه روتور، ژنراتور و دنباله روی آن نصب شده است. وظیفه دنباله این است كه جهت توربین را همیشه سمت باد نگه دارد. توربین بادی یك كیلوواتی می‌تواند نیازهای یك خانه با مصرف300کیلو وات ساعت در ماه را در منطقه‌ای كه سرعت متوسط سالیانه باد5/22كیلومتر بر ساعت است، تامین كند. تولید كنندگان معمولا اطلاعاتی در مورد حداكثر سرعتی كه توربین به طور ایمن می‌تواند كار كند، ارائه می‌دهند.اكثر توربینها دارای سامانه خود كار كنترل سرعت می باشند تا از آسیب دیدن روتور در دورههای بالا جلوگیری كند. این اطلاعات و همچنین توزیع سرعت باد در منطقه و مقدار انرژی مورد نیاز برای تعیین اندازه توربین كفایت می‌كند. برجها، به عنوان یك اصل كلی در انرژی باد می‌تواند گفت: بهترین بادها در ارتفاعات زیاد وجود دارند. در یك دشت صاف به دلیل اینكه سرعت باد با افزایش ارتفاع افزایش می‌یابد، توربینها را روی یك برج نصب می‌كنند هر چه ارتفاع برج بیشتر باشد، مقدار انرژی تولیدی توربین بیشتر است. باید برج توربین را به ارتفاعات بالا برد تا از تلاطمهایی كه در نزدیكی سطح زمین وجود دارد در امان باشد. اصلی كلی برای نصب توربینها این است كه توربین باید در ارتفاعی روی برج نصب شود كه پایین ترین قسمت پره‌های آن9 متر بالاتر از هر عارضه‌ای در شعاع90متری برج باشد. آزمایشها نشان میدهد، سرمایه گذاری نسبتا كمی در افزایش ارتفاع برج می‌تواند بازده زیادی در تولید انرژی داشته باشد. به عنوان مثال برای افزایش ارتفاع یك ژنراتور10كیلو واتی از ارتفاع18متری به ارتفاع30متری ده درصد افزایش قیمت كل دستگاه را در بردارد، اما این كار باعث25درصد افزایش در قدرت توربین می‌گردد. دو نوع كلی از برجها كه مورد استفاده قرار می‌گیرد عبارت است از برجهای خود اتكا (آزاد و ایستاده) و برجهای مهار شده استفاده می‌كنند. برجهای مهار شده، ارزانترین نوع برجها هستند. آنها از یك ساختار ارزان قیمت كه از یك ستون فلزی تشكیلشده و توسط كابلهایی از اطراف به تكیه گاههایی روی زمین متصل و مهار شده، تشكیل شده است. بنابراین به دلیل ایكه شعاع كابلهای مهار باید حدودا نصف یا سه چهار ارتفاع برج باشد، برجهای بلند مهار ده باید فضای كافی برای نصب داشته باشند. امكان ترك خوردن و شكستن برجهای آلومینیومی وجود دارد، بنابراین استفاده از آنها توصیه نمی‌شود. در دستگاههای مستقل برای ذخیره كردن برق و استفاده از آن در مواقعی كه باد وجود ندارد نیاز به باطری داریم. این باطریها نیاز به كنترل كننده شارژ (پر شدن) برای جلوگیری از پر شدن بیش از حد باطریها دارند. باطریهای مرغوب پرتناوب را می‌توان صدها بار تا 80% ظرفیت آنها پر و یا خالی كرد، به این دلیل یكی از انتخاب‌های خوب برای استفاده در دستگاههای انرژیهای نو شونده به شمار می‌روند. باطریهای خودكار و باطریهای كم تناوبی هستند و استفاده از آنها به دلیل عمر كوتاه‌شان در تناوب‌های زیاد در دستگاههای انرژیهای نو توصیه نمی‌شود. در دستگاههای كوچك كه با استفاده از جریان مستقیم كار می‌كنند. مصرف كننده‌ها مستقیما از باطریها تغذیه می‌شوند. اما در صورت استفاده از مصرف كننده‌هایی كه با استفاده از برق متناوب خانگی كار می‌كنند، نیاز به نصب یك دستگاه اینورتر (واژگونه ساز) نیز می‌باشد، تا جریان مستقیم باطریها را به جریان متناوب تبدیل كند. البته اینورتر باعث كاهش كمی در بازده دستگاه می‌شود ولی اجازه میدهد تا برق كشی خانه جریان متناوب باشد كه از نظر عمومی مقبولیت بیشتری دارد.
به اطراف خود نگاه كنید. چه می بینید؟ از آنچه كه می‌بینید چه احساسی دارید؟ برای شما چه پرسشهائی در این زمینه ایجاد می‌شود؟ برای یافتن پرسشهای خود چه پاسخهائی دارید. ما پدیده‌های بسیار گوناگونی را درمحیط اطراف خود مشاهده می‌كنیم و همواره درصدد پیداكردن نظم یا نظام یا ارتباط بین پدیده‌های طبیعی ... به اطراف خود نگاه كنید. چه می بینید؟ از آنچه كه می‌بینید چه احساسی دارید؟ برای شما چه پرسشهائی در این زمینه ایجاد می‌شود؟ برای یافتن پرسشهای خود چه پاسخهائی دارید. ما پدیده‌های بسیار گوناگونی را درمحیط اطراف خود مشاهده می‌كنیم و همواره درصدد پیداكردن نظم یا نظام یا ارتباط بین پدیده‌های طبیعی هستیم. با مشاهدات دقیقتر انسان به این نتیجه می‌رسد، اگرچه پدیده‌هائی كه در محیط اطراف او رخ میدهد ممكن است از نظر ظاهری با هم متفاوت باشندولی همه آنها از نظامهای كاملاً مشخصی پیروی می‌كنند. هدف اصلی علم فیزیك كشف، بیان و بررسی این نظامها و قوانین است. فضای اطراف ما از ماده و انرژی تشكیل شده است. شاید نیم میلیون سال پیش بود كه انسانهای اولیه آتش را كشف كردند. پیش از این كشف آدمی، بوته و جنگلهایی را كه بر اثر صاعقه یا توفان به آتش كشیده شده بود، دیده و از برابر آنها گریخته بوده است. اما كشف آتش به عنوان یك منبع انرژی میسر شد كه بشر درباره مزایای آن اندیشیده و بر ترس غریزی خود چیره شود. پس از كشف آتش او توانست با سوزاندن چوب و افروختن آتش، مأمن خود را روشن و گرم كند. با این كه اختراع آتش و استفاده از چوب به عنوان اولین انرژی و مهمترین اختراع تاریخ بشری محسوب می شد. ولی طی هزاران سال بشر از چوب تنها برای گرم كردن خود، ایجاد روشنایی در شب، و گداختن فلزها و ساختن ظروف سفالی و شیشه‌ای استفاده كرده است. در قرون وسطای میلادی، انسان ماده دیگری را به نام زغال سنگ را شناخت و از آن به عنوان منبع انرژی استفاده كرد. از این ماده علاوه بر گداختن فلزات و ساخت شیشه و سفالینه، توانست ماشین بخار را راه‌اندازی كند. در سال 1764 میلادی یك مهندس اسكالندی به نام جیمز وات نخستین ماشین بخار واقعا عملی را ساخت در این ماشین مصرف سوخت باعث می‌شد كه ماشین كار كند به این ترتیب به تدریج ماشین جای نیروی ماهیچه‌ای انسان را گرفت. و راه رسیدن به دنیای جدید را هموار كرد. از ماشین بخار ابتدا برای كشیدن آب از معدن یا چاه استفاده می‌شد ولی به تدریج از آن به عنوان انرژی برای راه‌اندازی كشتی‌های عظیم الجثه، و لوكومتیو و نیز دستگاههای كارخانجات صنعتی استفاده شد و به این ترتیب انسان توانست با تبدیل انرژی نیروی زغال سنگ را جانشین نیرو و زور بازوی آدمی كند. استفاده از نیروی زغال سنگ در ماشینهای بخار اگر چه در قرنهای گذشته برای تولید نیرو به مقدار زیاد و مداوم بسیار مناسب بود اما بشر به دنبال كارمایه‌ای بود تا كارهایی انجام دهد كه از عهده بخار بر نمی‌آید؛ استفاده از نیروی زغال سنگ در ماشینهای بخار اگر چه در قرنهای گذشته برای تولید نیرو به مقدار زیاد و مداوم بسیار مناسب بود اما بشر به دنبال كارمایه‌ای بود تا كارهایی انجام دهد كه از عهده بخار بر نمی‌آید؛ جان تاردیر دانشمند فرانسوی برای اولین بار در سال 1618 میلادی راه تولید گاز از زغال سنگ را برای روشنایی به كار برد. طبیعتاً توجه دانشمندان به خصوص به این جلب شد كه چگونه می‌توان انرژی را از جایی به جای دیگر منتقل كرد. دانشمندان می‌خواستند بدانند كه از یك مقدار معین سوخت دقیقا چه مقدار انرژی می‌توان به دست آورد. برای این كار آنها كم كم فهمیدند كه چگونه می‌توان مقدار انرژی را دقیقتر و دقیقتر اندازه‌گیری كرد. در دهه 1840 میلادی دانشمندی انگلیسی به نام ژول (1889- 1818 میلادی) اندازه‌گیری‌های بسیاری در این مورد انجام داد. او با شكلهای گوناگون انرژی مثل نور، صوت، حركت، گرما، الكتریسیته و مغناطیس كار كرده و انرژی را از شكلی به شكل دیگر و از جایی به جای دیگر تبدیل و منتقل می‌ساخت. چون متوجه شده بود كه در همه این تغییرها و جابه‌جایی‌ها مقدار كل انرژی هیچ وقت تغییر نمی‌كند. در سال 1842 نیز یك پزشك آلمانی به نام روبرت مایریل نتیجه‌گیری ژول را با انجام اندازه‌گیری‌های دقیق تایید كرد. از سوی دیگر بشر با تكمیل فرضیات و آزمایشات دو هزار و پانصد ساله خود به تولید الكتریسیته و به منبع عظیم انرژی الكتریكی دست یافته و با انجام فرضیه ها و نتایج تكمیلی توانست هم الكتریسیته را در معرض خدمت به جامعه قرار دهد و هم به آرزوی صد هزار ساله‌اش تبدیل شب به روز تحقق بخشد. به كمك آن هزاران وسیله مثل مورس، تلفن، تلویزیون كه تاریخ تمدن بشر را به سرعت بهبود بخشیده است را راه‌اندازی كند. این تلاش در سال 1890 از انرژی باد و در سال 1941 از اولین آسیاب بادی كه قادر بود بیش از هزار كیلو وات الكتریسیته تولید كند، به خدمت گرفته شد. همچنین به سال 1882 با استفاده از انرژی آب اولین مولد الكتریسیته هیدروالكتریك در ایالات متحده امریكا به كار گرفته شد. افق دید بشر تا بدان جا انجامید كه با استفاده از آینه‌ها به تمركز پرتوهای خورشیدی دست یابند و با استفاده از انرژی هسته‌ای غوغا و انفجاری از تولید انرژی را در اذهان نقش ببند. اینك با همایشی از مجموعه انرژیها انسان با مطالعه اجسام خیلی ریزی مانند الكترونها ، پروتونها و نوترونها) و اجسام بسیار بزرگی همچون منظومه شمسی، ستارگان و كهكشانها و با دستیابی به تكنولوژی و فن‌آوری لازم به سیستم‌های الكتریكی و الكترونیكی حتی هسته‌ای دست یافته كورات بسیار دور را درنوردیده و با لیزر و تابش‌های هسته ای به اعماق دور دست نادیده‌ها دست یافته است. اما این تلاش در خدمت انسان و جامعه تا كجا پیش خواهد رفت باید دید، شنید و یا بگذاشت كه آیندگان ببینند و بشنوند.
آموزش فصل اول (انرژی) فیزیک اول دبیرستان