درسنامه آموزشی علوم تجربی کلاس هفتم
فصل 8: انرژی و تبدیل های آن
یکی از مهمترین مفهومهای تمام شاخههای علوم که همواره در زندگی خود با آن سروکار داریم، انرژی است. آیا میدانید مطالعه و شناخت این مفهوم چه اهمیتی برای ما دارد؟ مهمترین ویژگی انرژی قابلیت تبدیل آن از یک شکل به شکل دیگر است. در این فصل خواهیم دید که انرژی در «همه چیز و همهجا» وجود دارد، اما وقتی به وجود آن پی میبریم که منتقل یا تبدیل شود. یکی از راههای انتقال انرژی، انجام کار است. در این فصل ابتدا با کار و سپس با انرژی و ویژگیهای آن آشنا میشوید.
کار و انرژی
در زبان روزمره فعّالیتهایی همچون دویدن در بازی فوتبال، ضربهزدن به توپ و گرفتن آن را «بازی کردن» میگوییم؛ اما نشستن پشت میز، خواندن کتاب، نوشتن و اندیشیدن را را «کار کردن» مینامیم. همچنین شستوشوی ظرف و چیدن دیوار را نیز کارکردن میگوییم.
فعّالیت (صفحهٔ 66 کتاب درسی)
به فهرست زیر، جملههایی اضافه کنید که واژۀ «کار» در آنها معنای متفاوتی داشته باشد.
- امروز خیلی کار دارم.
- من در یک شرکت تولید بازیهای رایانهای کار میکنم.
- کار خوبی کردی به من سر زدی.
- بلند کردن وزنهٔ 200 کیلوگرمی کار سختی است.
فکر کنید (صفحهٔ 67 کتاب درسی)
در درس علوم، مفهوم کار را چنان تعریف میکنیم که اندازهگیری آن با استفاده از ابزارهایی مانند نیروسنج، مترنواری، زمانسنج، ترازو و... ممکن باشد. بهنظر شما کار انجام شده در کدامیک از جملههای فعّالیت بالا، قابل اندازهگیری با این ابزارها است؟ چگونه کار انجام شده را اندازه میگیرید؟
جملهٔ آخر مقدار کار انجام شده به نیرویی که برای انجام آن کار صرف شده و مقدار جابهجایی جسم بستگی دارد. با اندازهگیری این دو مقدار و ضرب آنها مقدار کار انجام شده را به دست میآوریم. (مقدار نیروی لازم برای بلند کردن وزنه برابر وزن جسم است.
آزمایش کنید (صفحهٔ 67 کتاب درسی)
وسایل و مواد: نیروسنج، متر یا خطکش و دو قطعه چوب (یا آجر)
روش آزمایش
1- نیروسنج را به قطعه چوبی وصل کنید که روی سطح افقی یک میز قرار دارد (شکل الف).
2- چوب را به آرامی توسط نیروسنج بکشید تا به مقدار دلخواه (مثلاً 30 سانتیمتر) جابهجا شود.
3- هنگام حرکت جسم به نیروسنج نگاه کنید و مقدار نیروی وارد شده بر قطعۀ آجر را بخوانید و در جدول زیر وارد کنید.
4- مراحل 2 و 3 را برای حالتی که قطعه چوب 50 سانتیمتر جابهجا میشود، تکرار کنید.
5- اکنون دو قطعه چوب را مطابق شکل (ب) روی یکدیگر قرار دهید و مراحل 2 و 3 را برای آن تکرار کنید. در این آزمایش نیز باید سعی کنید تا اجسام به آرامی و با سرعت ثابتی جابهجا شوند.
اگر در یک جابجایی ثابت نیرو دو برابر شود مثلاً: به جابه جایی همان 0٫5 متر باشد ولی نیرو را دو برابر کنیم، مقدار کار دو برابر میشود پس نیرو و جابه جایی با کار رابطه مستقیم دارد.
|
|
| جابهجایی (m) | نیرو (N) | جابهجایی × نیرو | |
|---|---|---|---|
| آزمایش اول (با یک قطعه چوب) | 0/30 | ||
| 0/50 | |||
| آزمایش دوم (با دو قطعه چوب) | 0/15 | ||
| 0/25 |
در آزمایش بالا دیدید که وقتی به جسمی نیرو وارد میکنیم و جسم به آرامی جابهجا میشود به سادگی میتوانیم مقدار نیرو و جابهجایی را اندازه بگیریم. همانطور که پیش از این اشاره کردیم در علوم نیز کار را به صورتی تعریف میکنیم تا بتوانیم مقدار آن را از طریق اندازهگیری عاملهای مؤثر در آن به دست آوریم.
یکی از عاملهای مؤثر در انجام کار، نیرویی است که به جسم وارد میشود. برای یادآوری آنچه در علوم پایهٔ ششم در خصوص مفهوم نیرو و اثرهای آن آموختید به شکل زیر توجه کنید.
|
|
|
|
|
|
علاوه بر نیروی وارد شده به جسم، جابهجایی یا تغییر مکان جسم نیز یکی دیگر از عاملهای مهم در انجام کار است. به این ترتیب میتوان گفت: «هنگامی کار انجام میشود که نیروی وارد شده به جسم، سبب جابهجا شدن آن شود» (شکل زیر). در شکل (الف) نیروی افقی سبب جابهجایی افقی و در شکل (ب) نیروی عمودی سبب جابهجایی عمودی جسم شده است.
در این کتاب، کار را فقط برای حالتی شبیه آزمایشی که انجام دادید، تعریف میکنیم. در این حالت مقدار نیروی وارد شده به جسم ثابت است، جسم در جهت نیرو جابهجا میشود (شکل بالا). در این حالت کار انجام شده روی جسم با رابطهٔ زیر تعریف میشود:
جابجایی × نیرو = کار
در این رابطه نیرو برحسب نیوتون (N)، جابهجایی برحسب متر (M) و کار بر حسب ژول (J) اندازهگیری و بیان میشوند.
مثال: شکل زیر وزنهبرداری را نشان میدهد که با وارد کردن نیروی 2000N، وزنهای را به آرامی تا ارتفاع 1/8m بالای سرش جابهجا میکند. کار انجام شده توسط این وزنه بردار چقدر است؟
پاسخ: با توجه به فرضهای مسئله داریم:
نیروی وارد شده به وزنه از طرف وزنهبردار: 2000N.
جابهجایی وزنه در جهت نیروی وارد شده به آن: 1/8m
با جایگذاری این مقادیر در رابطۀ کار داریم:
ژول 3600 = (متر) 1/8 × (نیوتن) 2000 = جابجایی × نیرو = کار
نیروهایی که کار انجام نمیدهند: اگر در مثال بالا وزنهبردار، وزنه را برای چند لحظه بالای سرش نگه دارد یا مطابق شکل زیر شخصی دیوار خانهای را هُل دهد، آیا کاری انجام میشود یا خیر؟ با توجه به تعریف کار میتوان گفت: چون در هر دو مورد جسم جابهجا نمیشود (جابهجایی جسم صفر است)، کار انجام شده توسط این نیروها هم صفر است.
اکنون شخصی را درنظر بگیرید که جعبهای در دست دارد و به آرامی راه میرود. در این وضعیت خاص نیز، که نیروی دست شخص بر جهت جابهجایی جسم عمود است، کاری انجام نمیدهد.
خود را بیازمایید (صفحهٔ 70 کتاب درسی)
1- شکل زیر شخصی را نشان میدهد که با نیروی افقی 325 نیوتونی جعبهای را به اندازۀ 2 متر در امتداد نیروی وارد شده به آن جابهجا میکند. کاری که این شخص روی جعبه انجام میدهد، چقدر است؟
با توجه به فرضهای مسئله داریم:
نیروی وارد شده به جعبه از طرف شخص: 325 نیوتون
جابهجایی جعبه در جهت نیروی وارد شده به آن: 2 متر
با جای گذاری این مقادیر در رابطهٔ کار داریم:
ژول 650 = 2 × 325 = کار
2- به شکل زیر و عددهای نوشته شده روی آن توجه کنید. برداشت خود را از این شکل با توجه به مفهوم کار بیان کنید. شما کدام روش را برای جابهجایی جسم ترجیح میدهید؟ دلیل انتخاب خود را توضیح دهید.
$100N\times 1M=100J$ = کار انجام شده در امتداد قائم
$50N\times 2M=100J$ = کار انجام شده در امتداد سطح شیبدار
جابه جایی جسم روی سطح شیب دار بهتر است. زیرا برای انجام کار میزان انرژی کم تری مورد نیاز است.
هر چیزی که حرکت کند، انرژی دارد
در علوم پایهٔ ششم آموختید که انرژی به شکلهای گوناگون مانند انرژی حرکتی، گرمایی، نورانی، صوتی و شیمیایی وجود دارد و میتواند از شکلی به شکل دیگر تبدیل شود.
|
|
|
فعّالیت (صفحهٔ 70 کتاب درسی)
عبارتهای زیر را با استفاده از جعبۀ کلمهها کامل کنید. هر واژه ممکن است یک بار یا بیش از یک بار استفاده شود یا هیچ استفادهای از آن نشود.
گرمایی - صوتی - الکتریکی - شیمیایی - جنبشی - نورانی
الف) در یک رادیو، بخش زیادی از انرژی الکتریکی به انرژی صوتی تبدیل میشود.
ب) در یک چراغ قوه، انرژی شیمیایی ذخیره شده در باتری به انرژی الکتریکی تبدیل میشود. پس از آن لامپ، انرژی الکتریکی را به انرژی نورانی و انرژی گرمایی تبدیل میکند.
وقتی توپی را پرتاب کنیم، توپ شروع به حرکت میکند. در این صورت تا هنگامی که توپ در حرکت است، انرژی حرکتی دارد. معمولاً انرژی حرکتی را، «انرژی جنبشی» مینامند. انرژی جنبشی هر جسم، به جرم جسم و مقدار سرعت آن بستگی دارد؛ یعنی هرچه جسمی سنگینتر باشد و تندتر حرکت کند، انرژی جنبشی بیشتری دارد.
فکر کنید (صفحهٔ 71 کتاب درسی)
در هریک از حالتهای زیر انرژی جنبشی (حرکتی) دو جسم را با هم مقایسه کنید.
الف) در شکل زیر هر دو اتومبیل مشابهاند، ولی اتومبیل سبز رنگ تندتر از اتومبیل قرمز رنگ حرکت میکند.
جرم هر دو اتومبیل یکسان است ولی اتومبیل سبز رنگ سرعت بیشتری دارد. بنابراین انرژی جنبشی آن بیشتر است.
ب) در شکل زیر اتومبیل و کامیون با یک سرعت حرکت میکنند.
سرعت اتومبیل و کامیون یکسان است ولی جرم کامیون بیشتر از جرم اتومبیل است در نتیجه انرژی جنبشی کامیون بیشتر است.
فعّالیت (صفحهٔ 72 کتاب درسی)
با توجه به شکل زیر، هر یک از عبارتهای زیر را در گروه خود به بحث بگذارید و نتیجه را به کلاس ارائه کنید.
الف) اگر روی جسمی کار انجام دهیم، میتواند انرژی جنبشی به دست آورد. جسمی که انرژی جنبشی داشته باشد، میتواند کار انجام دهد.
وقتی روی جسمی که کار انجام میدهیم و انجام کار سبب حرکت آن میشود، جسم انرژی جنبشی به دست میآورد. جسمی که انرژی جنبشی داشته باشد، حرکت میکند. در صورت برخورد این جسم به اجسام دیگر به آن نیروها وارد میکند و در صورتی که باعث جابجایی اجسام شود، روی آنها کار انجام داده است.
ب) کار، انرژی را منتقل میکند.
جسمی که دارای انرژی است با وارد کردن نیرو به جسم دیگر، روی آن کار انجام میدهد، یعنی انرژی خود را به جسم دیگر انتقال میدهد.
انرژی میتواند ذخیره شود
تا اینجا دیدیم که انجام کار روی یک جسم میتواند انرژی جنبشی آن را تغییر دهد؛ اما در ادامه خواهیم دید که همیشه اینگونه نیست؛ به عبارت دیگر میتوان روی یک جسم کار انجام داد بدون اینکه انرژی جنبشی آن تغییر کند.
برای مثال، کتابی را در نظر بگیرید که به آرامی و با سرعتی ثابت از طبقۀ پایین کتابخانهای به طبقۀ بالای آن جابهجا میکنیم. به نظر شما در این حالت کار انجام شده روی کتاب به چه شکلی از انرژی تبدیل شده است؟ پاسخ این است که «کار انجام شده» روی کتاب به شکل انرژی پتانسیل گرانشی ذخیره شده است. توجه کنید که در طول مسیر انرژی جنبشی کتاب تغییری نکرده است.
آزمایش کنید (صفحهٔ 72 کتاب درسی)
وسایل و مواد: چند گلوله به جرمهای متفاوت، یک قطعه نخ و یک تکه چوب
روش آزمایش
1- یک سر قطعه نخ را به گلولهای و سر دیگر آن را همانند شکل بالا از نقطهای آویزان کنید. به مجموعۀ نخ و گلوله، «آونگ» گفته میشود.
2- همانند شکل زیر، قطعه چوب را در مسیر حرکت آونگ قرار دهید.
3- آونگ را از وضعیت قائم منحرف و رها کنید. ارتفاعی که گلوله را از آن رها کردهاید، اندازه بگیرید. همچنین پس از برخورد گلولۀ آونگ به قطعه چوب، جابهجایی آن را اندازه بگیرید.
4- آزمایش را به ازای چند ارتفاع متفاوت گلوله نسبت به سطح زمین انجام دهید و در هر مورد ارتفاع اولیهٔ گلوله و جابهجایی قطعه چوب را پس از برخورد گلولۀ آونگ با آن یادداشت کنید.
هرچه ارتفاع گلوله نسبت به سطح زمین بیشتر باشد، جابجایی قطعه چوب بیشتر است.
5- آزمایش را برای گلولههای دیگری با جرم متفاوت تکرار کنید و نتیجهٔ هر آزمایش را یادداشت کنید، سپس نتایج حاصل را در گروه خود به بحث بگذارید و به کلاس درس ارائه کنید.
هر چه جرم گلوله بیشتر باشد، جابهجایی قطعه چوب بیشتر است. با توجه به مشاهدات بالا میتوان نتیجه گرفت که هر چه جرم جسم و ارتفاع آن از سطح زمین بیشتر باشد، انرژی آن بیشتر است.
همانطور که از آزمایش قبل نتیجه گرفتید، انرژی پتانسیل گرانشی به وزن جسم و ارتفاع جسم از سطح زمین وابسته است. هرچه وزن جسم و یا ارتفاع جسم از سطح زمین بیشتر باشد، انرژی پتانسیل گرانشی جسم بیشتر میشود.
فکر کنید (صفحهٔ 73 کتاب درسی)
دریافت خود را از شکلهای زیر با توجه به مفاهیم انرژی جنبشی، انرژی پتانسیل گرانشی و تبدیل انرژی بیان کنید.
|
|
|
الف) وقتی سنگ را از زمین بلند کرده و در ارتفاعی نگه داشتهایم دارای انرژی پتانسیل گرانشی است.
ب) وقتی سنگ را رها میکنیم انرژی پتانسیل گرانشی تبدیل به انرژی جنبشی شده و بیشترین انرژی جنبشی در قبل از لحظه برخورد است.
انرژی پتانسیل به جز شکل گرانشی، شکلهای دیگری نیز دارد. انرژی ذخیره شده در انواع سوختها و مواد غذایی از نوع انرژی پتانسیل شیمیایی است. همچنین هرگاه یک نوار لاستیکی یا یک فنر را بکشیم، انرژی پتانسیل کشسانی در آن ذخیره میشود. وقتی نوار لاستیکی یا فنر را رها میکنیم، انرژی پتانسیل کشسانی ذخیره شده در آن میتواند به شکل انرژی جنبشی آزاد شود.
آیا میدانید
«زردپی» (تاندون) آشیل که در پشت پا قرار دارد، همانند یک فنر طبیعی عمل میکند. این زردپی با کشیده شدن و سپس رها شدن، انرژی پتانسیل کشسانی را ذخیره و سپس آزاد میکند. این عمل فنرگونه، مقدار فعالیتی را که عضلههای پا هنگام دویدن باید انجام دهند، کاهش میدهد.
مقدار کل انرژی ثابت میماند
در این فصل مثالهایی را بررسی کردیم که در آنها روی یک جسم کار انجام میدادیم و در نتیجه انرژی جنبشی یا انرژی پتانسیل آن جسم زیاد میشد. در این مثالها در واقع شکلی از انرژی به شکلی دیگر تبدیل میشود. برای مثال وقتی توپی را به طرف بالا پرتاب میکنیم، انرژی شیمیایی ذخیره شده در بدن ما به انرژی جنبشی و انرژی پتانسیل گرانشی توپ تبدیل میشود. همانطور که دیده میشود، حتی در یک فعّالیت ساده چندین تبدیل انرژی وجود دارد.
وقتی در هر ثانیه مقداری انرژی الکتریکی، مثلاً 10 ژول، به یک لامپ روشنایی داده شود، باید در هر ثانیه همان مقدار انرژی نورانی و گرمایی از لامپ خارج شود.
بررسی انواع انرژی و تبدیل آن از شکلی به شکل دیگر به یکی از بزرگترین قانونها در فیزیک به نام قانون پایستگی انرژی انجامیده است که تاکنون هیچ استثنایی برای آن دیده نشده است. این قانون به شکل زیر بیان میشود:
انرژی هرگز به وجود نمیآید یا از بین نمیرود. تنها شکل آن تغییر میکند و مقدار کل آن ثابت میماند.
خود را بیازمایید (صفحهٔ 74 کتاب درسی)
با توجه به قانون پایستگی انرژی در شکل زیر جای خالی را روی نمودار انرژی یک خودرو کامل کنید. 900 ژول به انرژی گرمایی تبدیل میشود.
بدن ما به انرژی نیاز دارد
بدن ما همواره به انرژی نیاز دارد. ما هنگام راه رفتن، دویدن، خندیدن و صحبت کردن انرژی مصرف میکنیم. وقتی آرام نشستهایم، بدن ما در حال مصرف انرژی است؛ حتی موقع خواب هم انرژی مصرف میکنیم. وقتی خوابیم، بدن ما انرژی مصرف میکند تا قلب و ششهای ما به کار ادامه دهند (شکل زیر)؛ اما وقتی بیدار میشویم، انرژی بیشتری مصرف میکنیم. بعضی کارها مثل دویدن، پریدن یا کارهای سخت به انرژی زیادی نیاز دارند.
بدن ما انرژی مورد نیاز این فعّالیتها را از مواد غذایی که میخوریم به دست میآورد.
در علوم پایهٔ ششم دیدیم که انرژی ذخیره شده در خوراکیها به شکل انرژی شیمیایی است و مقدار آن را میتوان با واحد کیلو ژول (kJ) یا کیلو کالری (kcal) بیان کرد؛ به این ترتیب میتوان گفت در هر گرم از غذایی که میخوریم، مقداری انرژی شیمیایی نهفته است. برای مثال در هر گرم شیر معمولی 2٫7 کیلوژول انرژی شیمیایی ذخیره شده است که آن را به صورت 2/7kJ/g بیان میکنیم. در جدول زیر انرژی شیمیایی نهفته در یک گرم از بعضی از غذاهای آمادۀ مصرف داده شده است.
| خوراکی | انرژی |
|---|---|
| سیب زمینی | 3/9 |
| غلات | 5 |
| بستنی (وانیلی) | 9/3 |
| نان لواش | 11/3 |
| شکر | 16/8 |
| کیک (ساده) | 18 |
| روغن نباتی | 32/2 |
| شیر کم چرب | 1/8 |
| شیر پرچرب | 3 |
| حبوبات | 5 |
| مرغ | 6/7 |
| تخم مرغ (آبپز) | 6/8 |
| گوجه فرنگی | 0/9 |
| سیب | 2/4 |
| موز | 3/6 |
خود را بیازمایید (صفحهٔ 75 کتاب درسی)
مقدار انرژی ای که بدن ما با خوردن یک تخم مرغ آب پز (حدود 60 گرم)، یک گوجه فرنگی (حدود 50 گرم) و یک نان لواش (حدود 100 گرم) کسب میکند، چقدر است؟
با توجه به جدول 1، انرژی تخم مرغ آب پز kJ/g 8/6، انرژی گوجه فرنگی kJ/g 9/0 و انرژی نان لواش kJ/g 3/11 است بنابراین:
مقدار انرژی که بدن ما با خوردن یک تخم مرغ آب پز کسب میکند، برابر است با: $6/8\times 60=480KJ/G$
مقدار انرژی که بدن ما با خوردن یک نان لواش کسب میکند، برابر است با: $11/3\times 100=1130KJ/G$
مقدار انرژی که بدن ما با خوردن یک تخم مرغ آب پز، یک گوجه فرنگی و یک نان لواش کسب میکند برابر است با: KJ/G 1583=1130+45+408
فعّالیت (صفحهٔ 76 کتاب درسی)
از غذاهایی که در یک روز معین مصرف میکنید، به همراه مقدار تقریبی آنها، فهرستی تهیه کنید. احتمالاً نیاز دارید جرم چیزهایی را که در وعدههای غذایی میخورید، اندزاه بگیرید. با توجه به این فهرست تعیین کنید که در این روز معین، بدن شما چه مقدار انرژی از این مواد غذایی کسب میکند.
فکر کنید (صفحهٔ 76 کتاب درسی)
دریافت خود را از شکل زیر با توجه به مفهومهایی که در این فصل فرا گرفتید، بیان کنید.
انرژی نورانی خورشید در گیاه به انرژی پتانسیل شیمیایی تبدیل میشود. گیاه با استفاده از انرژی پتانسیل شیمیایی حاصل از عمل فتوسنتز و انرژی پتانسیل شیمیایی املاح معدنی موجود در خاک رشد میکند. با افزودن این سبزیجات به غذا، انرژی شیمیایی آنها در بدن ذخیره شده و هنگام انجام فعالیت به انرژی جنبشی (حرکتی) تبدیل میشود.
نمودار زیر، متوسط انرژی مورد نیاز در یک شبانهروز را برای افراد متفاوت نشان میدهد. بهطور طبیعی پسران و مردان نسبت به دختران و زنان، به انرژی بیشتری نیاز دارند. این موضوع در نمودار نیز دیده میشود.
فکر کنید (صفحهٔ 76 کتاب درسی)
انرژی مورد نیاز یک نوجوان فعال و در حال رشد برای یک شبانه روز بهطور متوسط بین 10000 تا 12000 کیلوژول است. با توجه به نتیجۀ «خود را بیازمایید» قبل، آیا این وعدۀ غذایی برای صبحانۀ یک نوجوان در سنّ و سال شما کافی است یا خیر؟
به طور کلی متخصصان تغذیه توصیه میکنند که یک سوم انرژی دریافتی روزانه باید از وعدهٔ صبحانه به دست آید، بنابرانی انرژی یک نوجوان فعال و در حال رشد از وعدهٔ صبحانه باید حدود 3300 تا 4000 کیلو ژول باشد.
kJ3300=3+10000
kJ 4000=3+12000
با خوردن مواد غذایی ذکر شده در خود را بیازمایید صفحهی 71، تنها 1583 کیلو ژول توسط بدن کسب میشود، بنابراین این مواد غذایی برای صبحانهٔ یک نوجوان کافی نیست.