رپیتیچ > بلاگ > آموزش درس 6 فصل 3 فیزیک دهم + تدریس ویدیویی

آموزش درس 6 فصل 3 فیزیک دهم + تدریس ویدیویی

آنچه در این پست میخوانید

آموزش درس 6 فصل 3 فیزیک دهم به‌صورت تست‌بیس، همراه با تدریس ویدیویی «شهاب نصیری» را، در این پست از رپیتیچ ببینید.

در جلسه قبل با پایستگی انرژی مکانیکی آشنا شدیم. درس ششم این فصل به کار و انرژی درونی اختصاص دارد.

برای دسترسی به کل مباحث فصل سوم، روی لینک زیر کلیک کنید.

خب، اول از همه بریم که ویدیوی آموزشی این بخش رو ببینیم.

آموزش ویدیویی درس 6 فصل 3 فیزیک دهم

در این قسمت، بخشی از «آموزش درس ششم فصل سوم فیزیک دهم» را به‌صورت ویدیویی می‌توانید ببینید. مدرس این قسمت، جناب مهندس شهاب نصیری، مولف برتر آزمون‌های موسسات معتبر هستند.

فرم دریافت آموزش های ویدئویی فیزیک:

اگه تو هم میخوای کل فیزیکت رو تو کمترین زمان و با تدریس انیمیشنی مفهومی تستی مهندس شهاب نصیری جمع کنی؛ کافیه این فرم رو پر کنی و منتظر تماسمون باشی:

روی نمره 20 و درصد بالای 70 فیزیکت (مثل رتبه های برتر هر سالمون) حساب کن!

در این درس قرار است مقدار انرژی تلف شده‌ هر سامانه‌ای را به دست بیاوریم. سامانه‌هایی هم وجود دارند که از این قاعده مستثنی هستند. این موارد در حیطه کار و انرژی درونی قرار دارند و در رپیتیچ با آنها آشنا می‌شویم.

کار و انرژی درونی؛ درس ششم فصل سوم فیزیک دهم

خودرویی را در نظر بگیرید که با تندی v روی سطح جاده‌ای افقی در حرکت است. ناگهان راننده مانعی را می‌بیند و ترمز می‌کند. طوری که چرخ‌های خودرو قفل و روی آسفالت جاده کشیده‌ و ساییده‌‌ می‌شوند و خط ترمز به‌وجود می‌آید.

در این فرایند نیروی اصطکاک، برخلاف جهت جابه‌جایی خودرو به آن وارد می‌شود. این نیرو روی خودرو، کار منفی انجام می‌دهد. به نظر شما پس از توقف خودرو، انرژی جنبشی آن کجا رفته‌ است؟ برای پاسخ به این پرسش، نوع دیگری از انرژی را باید معرفی کرد.

انرژی درونی و عوامل موثر بر آن

انرژی درونی یک جسم، مجموع انرژی‌های ذره‌های تشکیل‌دهنده آن است. معمولا با گرم‌تر شدن‌ یک جسم، انرژی درونی آن بالا می‌رود. انرژی درونی یک جسم، هم به تعداد ذرات جسم و هم به انرژی هر ذره بستگی دارد. به طوری که هرچه تعداد ذرات سازنده یک جسم و انرژی هر ذره آن بیشتر باشد، انرژی درونی آن نیز بیشتر است.

در حین ترمز گرفتن‌ خودرو، لاستیک‌های آن و سطح جاده گرم‌تر می‌شوند. از این قضیه می‌توان نتیجه گرفت که انرژی درونی هر دو افزایش یافته‌ است. نهایت در اثر کار نیروی اصطکاک، انرژی جنبشی خودرو به انرژی درونی لاستیک‌های آن و سطح جاده تبدیل می‌شود.

در این گونه موارد، اصطلاحا می‌گوییم انرژی تلف شده‌ است. مثال ماشین را در نظر بگیرید. در این حالت انرژی از بین نرفته‌ است، بلکه به انرژی درونی لاستیک‌ها و سطح جاده تبدیل شده‌ است. این انرژی را در اغلب موارد و در عمل، نمی‌توان دوباره مورد استفاده قرار داد. از این‌رو برای آن معمولا از اصطلاح انرژی تلف‌شده‌ استفاده می‌شود.

پرسش 3-4

شخصی توپ در حال حرکتی را با دست خود می‌گیرد.

پس از توقف توپ، انرژی جنبشی آن کجا رفته‌ است؟

پاسخ: انرژی جنبشی توپ با مولکول‌های هوا و دست شخص برخورد می‌کند. در نتیجه این برخورد، انرژی درونی محیط اطراف و دست بالا می‌رود.

کار انجام شده‌ توسط نیروهای اتلافی

شکل 3-9 جسمی را نشان می‌دهد که پس از طی مسیری انرژی مکانیکی آن از E₁ به E₂ تغییر کرده‌ است.

در طول مسیر نیروهای اصطکاک و مقاومت هوا، به جسم وارد می‌شوند و روی آن کار منفی انجام می‌دهند. این نیروها بخشی از انرژی مکانیکی جسم را به انرژی درونی جسم، سطح مسیر و هوا تبدیل می‌کنند. کار انجام شده‌ توسط این نیروها به نیروهای اتلافی معروف است. مجموع نیروهای اتلافی را می‌توان با W_f نشان داد. معمولا از حرف کوچک f برای نمایش نیروهای اتلافی مانند اصطکاک و مقاومت هوا استفاده می‌شود.

این نیروها را از طریق فرمول زیر می‌شود محاسبه نمود:

W_f = E₂ – E₁

این رابطه نشان می‌دهد با حضور نیروهای اتلافی، انرژی مکانیکی جسم یا سامانه پایسته‌ نمی‌ماند و تغییر می‌کند. این کاهش انرژی مکانیکی به صورت افزایش انرژی درونی جسم و محیط اطراف آن (سطح مسیر و هوا) درمی‌آید.

قانون پایستگی انرژی

به سامانه‌ای که نه از محیط اطراف انرژی بگیرد و نه به محیط اطراف انرژی دهد، سامانه منزوی می‌گویند. در یک سامانه منزوی، مجموع کل انرژی‌ها پایسته‌ می‌ماند. انرژی را نمی‌توان خلق یا نابود کرد و تنها می‌توان، آن را از یک شکل به شکل دیگر تبدیل کرد. این حقیقت بر اساس آزمایش‌های بسیاری اثبات شده‌ است و قانون پایستگی انرژی نام دارد. جالب است بدانید که تاکنون، هیچ مورد استثنایی برای آن یافت نشده‌ است.

مثال 3-13

بالونی در ارتفاع 50 متری سطح زمین، با تندی 4/0m/s در پرواز است. از این بالون بسته‌ای به جرم 30kg رها می‌شود و با تندی 25m/s به زمین برخورد می‌کند. کار انجام شده‌ توسط نیروی مقاومت هوا بر روی بسته‌ را از لحظه رها شدن‌ تا هنگام رسیدن‌ به زمین حساب کنید.

پاسخ: ابتدا انرژی مکانیکی بسته‌ را در لحظه رها شدن‌ و هنگام برخورد به زمین حساب می‌کنیم. اگر مبدا انرژی پتانسیل گرانشی را سطح زمین فرض کنیم، داریم:

E₁ = K₁ + U₁ = ½ m v²₁ + mgh₁

= ½ (30kg) (4/0m/s)² + (30kg) (9/8m/s²) (50m) = 14940J ≈ 1/5 × 10⁴J

E₂ = K₂ + U₂ = ½ m v²₂ + mgh₂

= ½ (30kg) (25m/s)² + 0 = 9375J ≈ 9/4 × 10³J

در گام آخر، مقادیر انرژی مکانیکی بسته‌ را در رابطه W_f=E₂-E₁ قرار می‌دهیم. اینگونه کار انجام شده‌ توسط نیروی مقاومت هوا بر روی بسته‌ را می‌توان به دست آورد که برابر است با:

W_f=E₂-E₁ = 9375J – 14940J = -5565J ≈ -5/6 × 10³J

تمرین 3-15

توپی به جرم 0/45kg با تندی v₁=8/0m/s از نقطه A می‌گذرد.

نیروی مقاومت هوا و نیروی اصطکاک در سطح تماس توپ با زمین را در نظر بگیرید. این نیروها، 20 درصد انرژی جنبشی اولیه توپ را تا رسیدن‌ به نقطه B تلف می‌کنند. تندی توپ را در این نقطه به دست آورید.

پاسخ: انرژی جنبشی در حالت اول:

K₁ = ½ m v² = ½ × 0/45 × 8² = 14/4J

اگر 20 درصد (یعنی 0/2) از انرژی جنبشی کم شود، 80 درصد (یعنی 0/8) از انرژی جنبشی باقی می‌ماند.

K₂ = 0/8 × K₁ = 0/8 × 14/4 = 11/52J

⇓

11/52 = ½ × 0/45 × v²

v² = (11/52 × 2) ÷ 0/45 = 51/2 → v = 7/15m/s