خلاصه فصل دوم فیزیک دهم

درسنامه فیزیک

در فصل دوم فیزیک دهم با ۷ سرفصل مهم آشنا می شویم.

۷ موضوع فصل دوم فیزیک دهم

  1. انرژی جنبشی
  2. کار انجام شده توسط نیروی ثابت
  3. کار و انرژی جنبشی
  4. کار و انرژی پتانسیل
  5. پایستگی انرژی مکانیکی
  6. کار و انرژی درونی
  7. توان

۱- انرژی جنبشی

هر چیزی که حرکت کند، انرژی دارد و انرژی وابسته به حرکت یک جسم را انرژی حرکتی یا انرژی جنبشی نامیدیم.

همچنین دیدید هر چه جسمی تندتر حرکت کند، انرژی جنبشی بیشتری دارد و هنگامی که جسم ساکن باشد، انرژی جنبشی آن صفر است.

انرژی جنبشی کمیتی نرده ای و همواره مثبت است؛ این کمیت تنها به جرم و تندی جسم بستگی دارد و به جهت حرکت جسم وابسته نیست.

۲- کار انجام شده توسط نیروی ثابت

اگر نیروی وارد شده بر جسم ثابت و با جابه‌جایی جسم در یک جهت باشد، برای محاسبه‌ی کار می‌توان گفت:  W=Fd

در این رابطه F اندازه‌ی نیروی وارد بر جسم و d اندازه‌ی جابه‌جایی آن است.
کار همان یکای انرژی را دارد (J) و یک کمیت نرده‌ای است.
برای استفاده از این رابطه به منظور محاسبه کار به دو نکته زیر توجه داشته باشید:
۱- نیروی ثابت باید با جابه‌جایی هم‌جهت باشد.
۲- باید بتوان جسم را مانند یک ذره‌ فرض کرد.

 رابطه W=Fd فقط برای حل مسئله هایی به کار می رود که نیرو و جابه جایی در یک جهت باشند. اگر نیروی وارد بر جسم ثابت و با جابه جایی زاویه θ بسازد:

کار انجام شده روی جسم تنها ناشی از مؤلفه‌ای از نیرو است که در راستای جابه‌جایی است. W=(Fcosθ)d

کار کل

 مجموع کار نیروهای وارد بر یک جسم در یک جابه جایی (کار کل) برابر جمع جبری کار هر نیرو در آن جابه جایی است.
برای محاسبه کار کل می توان به دو روش زیر عمل کرد:

روش اول
کار انجام شده توسط هر نیرو را به‌طور جداگانه محاسبه می‌کنیم. سپس با جمع جبری کار تک‌تک نیروها کارکل (Wt ) را می‌یابیم.

 Wt=W۱+W۲+W۳+⋯

 روش دوم
ابتدا مؤلفه در امتداد جابه‌جایی را برای هر نیرو مشخص می‌کنیم. آن‌گاه با توجه به جهت این مؤلفه‌ها، اندازه نیروی خالص را، که در امتداد بردار جابه‌جایی است، به‌دست می‌آوریم. سرانجام توسط این نیروی خالص کار کل (Wt ) را می‌یابیم.

Wt=(F۱x+F۲x+⋯)d

۳- کار و انرژی جنبشی

 وقتی در حین جابه‌جایی جسمی، نیروی خالصی به آن وارد می‌شود، کار کل انجام شده روی جسم ممکن است مثبت یا منفی باشد.

بنابراین می توان گفت: وقتی نیروی خالصی به جسمی وارد می‌شود، اگر کار مثبتی روی جسم انجام دهد به معنای دادن انرژی به آن است و اگر کار منفی روی جسم انجام دهد، به معنای گرفتن انرژی از آن است.

قضیه کار – انرژی جنبشی

بین کار کل انجام شده روی یک جسم و تغییر انرژی جنبشی آن رابطه ای وجود دارد که به قضیه کار – انرژی جنبشی معروف است، مطابق این قضیه: 

کار کل انجام شده روی یک جسم با تغییر انرژی جنبشی آن برابر است.

 Wt=K۲−K۱

 قضیه‌ی کار – انرژی جنبشی نه‌تنها برای حرکت روی مسیر افقی معتبر است، بلکه اگر جسم روی هر مسیری حرکت کند نیز، می‌توان از آن استفاده کرد. انرژی جنبشی و کار کمیت‌های نرده‌ای هستند و به جهت سرعت بستگی ندارند.

۴- کار و انرژی پتانسیل

انرژی پتانسیل، برخلاف انرژی جنبشی که به حرکت یک جسم وابسته است، ویژگی یک سامانه (دستگاه یا سیستم) است تا ویژگی یک جسم منفرد. انرژی پتانسیل به مکان اجسام یک سامانه نسبت به یکدیگر بستگی دارد.

 وقتی انرژی پتانسیل یک سامانه کاهش می یابد، به شکل های دیگری از انرژی تبدیل می شود. برای مثال، وقتی شخصی از یک تخته پرش به درون استخری پر از آب شیرجه می زند، انرژی پتانسیل سامانه شخص – زمین به تدریج به انرژی جنبشی شخص تبدیل می شود و شخص با تندی نسبتاً زیادی با سطح آب برخورد می کند.

به‌طور کلی در مورد انرژی پتانسیل می‌توان گفت:
انرژی پتانسیل، کمیتی مربوط به یک سامانه است. در اغلب موارد وقتی دو یا چند جسم به یکدیگر نیرو وارد می‌کنند، به‌دلیل موقعیت مکانی‌شان در سامانه، انرژی پتانسیل دارند.

انرژی پتانسیل گرانشی 

انرژی پتانسیل گرانشی، انرژی که جسم به دلیل ارتفاع h از سطح زمین یا سطح مبنا دارد. این مقدار برابر با mgh می باشد.

کار نیروی وزن به مسیر بستگی ندارد و همواره برابر با منفی تغییر انرژی پتانسیل گرانشی سامانه‌ی جسم – زمین است.

۵- پایستگی انرژی مکانیکی

مجموع انرژی پتانسیل و جنبشی جسم در نقطه های مختلف مسیر حرکت با هم برابر است. مجموع انرژی های پتانسیل و جنبشی هر جسم را انرژی مکانیکی آن می نامیم.

نادیده گرفتن نیروی مقاومت هوا، انرژی مکانیکی در تمام نقاط مسیر مقدار یکسانی دارد و پایسته می ماند. این نتیجه، اصل پایستگی انرژی مکانیکی نام دارد و برای شرایطی که بتوان اثر ناشی از نیروهایی مانند اصطکاک و مقاومت هوا را نادیده گرفت، کاربرد دارد.

۶-کار و انرژی درونی

 انرژی درونی یک جسم، مجموع انرژی‌های ذره‌های تشکیل‌دهنده آن است و معمولاً با گرم تر شدن یک جسم، انرژی درونی آن بالا می رود.
انرژی درونی یک جسم به دو عامل زیر بستگی دارد:

  1. تعداد ذرات جسم   
  2. انرژی هر ذره

به طوری که هرچه تعداد ذرات سازنده یک جسم و انرژی هر ذره آن بیشتر باشد، انرژی درونی آن نیز بیشتر است.
مثلاً چون در حین ترمز گرفتن یک خودرو، لاستیک های آن و سطح جاده گرم تر شده اند، می توان نتیجه گرفت که انرژی درونی هر دو (لاستیک ها و سطح جاده) افزایش یافته است.
در واقع می توان گفت: « در اثر کار نیروی اصطکاک، انرژی جنبشی خودرو به انرژی درونی لاستیک های آن و سطح جاده تبدیل شده است.»

 چون این انرژی را در اغلب موارد و در عمل نمی توان دوباره مورد استفاده قرار داد، معمولاً از اصطلاح انرژی تلف شدهاستفاده می شود.

 با حضور نیروهای اتلافی،‌ انرژی مکانیکی جسم یا سامانه پایسته نمی‌ماند و تغییر می‌کند و این تغییر به‌صورت افزایش انرژی درونی جسم و محیط اطراف آن (سطح مسیر و هوا) در می‌آید.

قانون پایستگی انرژی:

 در یک سامانه منزوی، مجموع کل انرژی ها پایسته می ماند. انرژی را نمی توان خلق یا نابود کرد و تنها می توان آن را از یک شکل به شکل دیگر تبدیل کرد.

این بیان، که براساس آزمایش های بسیاری بنا شده است قانون پایستگی انرژی نامیده می شود و تا کنون هیچ مورد استثنایی برای آن یافت نشده است.
 قانون پایستگی انرژی با اصل پایستگی انرژی مکانیکی تفاوت دارد، قانون پایستگی انرژی برای محدوده بسیار وسیعی از تبدیل انرژی ها (تمام تبدیل انرژی ها) کاربرد دارد و صادق است، در واقع انرژی تلف شده هم نوعی از انرژی (انرژی درونی) است، بنابراین حتی با تلف شدن انرژی هم، انرژی از بین نرفته است. اما اصل پایستگی انرژی مکانیکی برای گستره محدودی از پدیده ها که در آنها اتلاف انرژی مکانیکی نداریم کاربرد دارد و صادق است.

۷- توان

یکی از مهمترین ویژگی‌های هر ماشین، چه ساده باشد چه پیچیده، مدت زمانی است که طول می‌کشد تا کار معینی انجام دهد. یک ماشین می تواند کار معینی را آرام یا تند انجام دهد.
در فیزیک، آهنگ انجام کار را با کمیتی نرده ای به نام توان توصیف می کنند.

اگر کار W در بازه زمانی Δt انجام شود، کار انجام ‌شده در واحد زمان یا توان متوسط P به صورت زیر تعریف می‌شود:

P=W/Δt

یکای توان در SI، وات (W) است و مطابق تعریف توان یک وات برابر است با یک ژول بر ثانیه.

بازده

در هر سامانه تنها بخشی از انرژی ورودی (انرژی مصرفی سامانه) به انرژی مورد نظر ما تبدیل می‌شود. همواره بخشی از انرژی ورودی به سامانه، به انرژی تلف شده یا کار غیرمفید تبدیل می‌شود. تنها بخشی از انرژی ورودی قابل استفاده است که به آن انرژی خروجی (کارمفید) می‌گویند.

نسبت انرژی خروجی به انرژی ورودی را بازده می‌نامیم. معمولاً بازه هر سامانه را بر حسب درصد بیان می‌کنند که همواره عددی کوچک‌تر از ۱۰۰ است.

پاسخی بگذارید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *