رپیتیچ > بلاگ > آموزش درس 7 فصل 3 فیزیک دهم + تدریس ویدیویی

آموزش درس 7 فصل 3 فیزیک دهم + تدریس ویدیویی

آنچه در این پست میخوانید

آموزش درس 7 فصل 3 فیزیک دهم به‌صورت تست‌بیس، همراه با تدریس ویدیویی «شهاب نصیری» را، در این پست از رپیتیچ ببینید.

در جلسه قبل با کار و انرژی درونی آشنا شدیم. درس هفتم این فصل به مفهوم توان 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 7 فصل 3 فیزیک دهم

در این قسمت، بخشی از «آموزش درس هفتم 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!

برای درک بهتر این درس، لازم است که ماشین‌های ساده در علوم نهم را یادتان باشد. هر ماشینی یک کار مشخص را طی زمان مشخصی انجام می‌دهد. در این مقاله قرار است به بررسی و اندازه‌گیری مقدار کار انجام شده‌ توسط انواع ماشین بپردازیم.

توان؛ درس هفتم فصل سوم فیزیک دهم

یکی از مهم‌ترین ویژگی‌های هر نوع ماشین ساده و پیچیده‌، مدت زمانی است که طول می‌کشد تا کار معینی را انجام دهد. یک ماشین می‌تواند کار معینی را آرام، یا تند انجام دهد. هرچه موتور یک خودرو قوی‌تر باشد، راحت‌تر و سریع‌‎تر می‌تواند از یک جاده کوهستانی بالا برود. برای پیمودن‌ همین مسیر توسط خودرویی مشابه، ولی با موتور ضعیف‌تر، زمان طولانی‌تری لازم است.

در اغلب موارد لازم است بدانیم در چه مدت زمانی می‌توان کار معینی را انجام داد. در فیزیک، آهنگ انجام کار را با کمیتی به نام توان توصیف می‌کنیم. البته به طور اشتباه در گفتگوهای روزمره، واژه توان را با واژه‌های انرژی یا نیرو مترادف می‌گیرند. با این حال، این کمیت در فیزیک تعریف دقیقی دارد.

توان، همانند کار و انرژی، کمیتی است نرده‌ای و به صورت آهنگ انجام کار بیان می‌شود. در نظر بگیرید که کار W در بازه زمانی Δt انجام می‌شود. در این صورت، کار انجام شده‌ در واحد زمان یا توان متوسط P_av اینگونه تعریف می‌شود:

اسب بخار و دیگر یکاهای توان

یکای SI توان به احترام جیمز وات مخترع انگلیسی، وات (W) نام گذاری شده‌ است. مطابق تعریف توان (3-9)، یک وات با یک ژول بر ثانیه برابر است (1W=1J/s). استفاده از یکاهای بزرگ‌تر توان، مانند کیلووات (kW) و مگاوات (MW) نیز متداول است.

یکای قدمی توان، به نام اسب بخار (1hp=746W)؛ هنوز نیز استفاده می‌شود. این یکا نخستین بار توسط وات برای ارزیابی توان خروجی اختراع جدیدش، ماشین بخار، معرفی شد. توان موتور بیشتر وسایل نقلیه با این یکا بیان می‌شود.

مثال 3-14

در شکل پایین خودرویی به جرم 1300kg را می‌بینید که می‌خواهد در مسیری افقی از کامیونی سبقت بگیرد. برای این منظور، در مدت 3/0s تندی خود را از v₁=13/0m/s به v₂=18/0m/s تغییر می‌دهد. توان متوسط خودرو برای انجام این کار، دست کم چقدر باید باشد؟ نیروهای اتلافی را نادیده‌ بگیرید.

پاسخ: با توجه به رابطه 3-4، کار کل انجام شده‌ توسط موتور خودرو، برابر تغییر انرژی جنبشی آن است. ابتدا باید انرژی جنبشی خودرو را در دو وضعیت داده‌ شده‌ به دست آوریم. پس از آن هم کار کل موتور خودرو را محاسبه کنیم.

با جایگذاری مقدار به دست آمده‌ در رابطه 3-9، کمترین توان متوسط موتور خودرو برای انجام این کار برابر است با:

اگر نیروهای اتلافی مانند مقاومت هوا را در حین حرکت خودرو در نظر بگیریم، توان مورد نیاز از این مقدار بیشتر است.

مثال 3-15

جرم اتاقک بالابری به همراه بار آن 500kg است.

در نظر بگیرید که این بالابر در مدت 10s از طبقه همکف به طبقه دوم در ارتفاع 6/0m برود. در این صورت، توان متوسط موتور این بالابر چند اسب بخار است؟ نیروهای اتلافی را نادیده‌ بگیرید.

پاسخ: با توجه به رابطه 3-4، کار کل انجام شده‌ روی اتاقک بالابر برابر تغییر انرژی جنبشی آن است. کار کل شامل کار نیروی وزن و کار نیروی موتور بالابر می‌شود. به این ترتیب داریم:

در محاسبه بالا، مبدا انرژی پتانسیل گرانشی را سطح زمین (طبقه همکف) گرفته‌ایم. با توجه به رابطه 3-9، توان متوسط موتور بالابر برابر است با:

تمرین 3-16

هر یک از دو موتور جت یک هواپیمای مسافربری، پیشرانه‌ای (نیروی جلوبر هواپیما) برابر 2/0×10⁵N ایجاد می‌کند. تصور کنید هواپیما در هر دقیقه 15km در امتداد این نیرو حرکت کند. در این صورت توان متوسط هر یک از موتورهای هواپیما چند اسب بخار است؟

کار انجام شده‌ توسط موتور جت:

W = F (cosΘ) d = 2 × 10⁵ (cos 0^°) × 15000 = 3 × 10⁹J

توان متوسط:

بر حسب اسب بخار:

بازده

در هر سامانه تنها بخشی از انرژی ورودی (انرژی مصرفی سامانه) به انرژی مورد نظر ما تبدیل می‌شود. موتور بالابری را که با انرژی الکتریکی کار می‌کند در نظر بگیرید. بخشی از انرژی ورودی به کار مکانیکی تبدیل می‌شود و اتاقک بالابر را جابه‌جا می‌کند. بخش دیگری از انرژی الکتریکی ورودی به‌صورت انرژی‌های ناخواسته‌ درمی‌آید. از این انرژی‌های ناخواسته‌ می‌توان به گرم‌تر شدن‌ اجزای موتور و کابل بالابر اشاره کرد. شکل پایین طرح‌واره‌ای است که این نوع تبدیل انرژی‌ها در سامانه را نشان می‌دهد.

همواره بخشی از انرژی ورودی به سامانه، به انرژی تلف شده‌ یا کار غیرمفید تبدیل می‌شود.

به بخشی از انرژی ورودی که قابل استفاده است، انرژی خروجی یا کار مفید می‌گویند. نسبت انرژی خروجی به انرژی ورودی، بارده نام دارد.

معمولا بازده هر سامانه را بر حسب درصد بیان می‌کنند که همواره، عددی کوچک‌تر از 100 است. با توجه به تعریف بازده، از رابطه زیر می‌توان درصد بازده هر سامانه را به سادگی محاسبه کرد.

مثال 3-16

تلمبه‌ای با توان ورودی 15kW در هر ثانیه 70 لیتر آب دریاچه‌ای را تا ارتفاع 15 متری مخزنی می‌فرستد. چگالی آب دریاچه برابر 1000kg/m³ است.

بازده تلمبه چند درصد است؟

پاسخ: انرژی الکتریکی ورودی به تلمبه برابر است با

E_ورودی = (15000W) (1/0s) = 15000J ≈ 1/5 × 10⁴J

جرم هر لیتر آب دریاچه 1/0kg و کار مفید تلمبه برابر است با:

E_خروجی = mg (h₂-h₁) = (70kg) (9/8N/kg) (15m – 0) = 10290J ≈ 1/0 × 10⁴J

در محاسبه بالا، مبدا انرژی پتانسیل گرانشی را سطح آب دریاچه گرفته‌ایم. با توجه به رابطه 3-10، درصد بازده تلمبه برابر است با:

بازده بر حسب درصد = (10290J ÷ 15000J) × 100 = %68

توجه کنید که بخشی از توان ورودی تلمبه به دلیل اصطکاک آب در حال حرکت با جداره داخلی لوله تلف می‌شود.

تمرین 3-17

آب ذخیره شده‌ در پشت سد یک نیروگاه برق آبی را در نظر بگیرید. این آب از مسیری مطابق شکل زیر، روی پره‌های توربینی می‌ریزد و آن را می‌چرخاند. با چرخش توربین، مولد می‌چرخد و انرژی الکتریکی تولید می‌شود.

فرض کنید 85 درصد کار نیروی گرانش به انرژی الکتریکی تبدیل شود. با این حساب، در هر ثانیه چند متر مکعب آب باید روی توربین بریزد تا توان الکتریکی خروجی مولد نیروگاه به 200MW برسد؟ جرم هر متر مکعب آب را 1000kg در نظر بگیرید.

پاسخ: کار خروجی توربین، 85 درصد از کار نیروی گرانش است که به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود. پس در فرمول توان خروجی خواهیم نوشت:

فعالیت 3-1

در شکل زیر طرح‌واره‌ای از درصد انرژی مفید و انرژی تلف شده‌ را می‌بینید. این شکل انرژی یک نیروگاه سوخت فسیلی یا هسته‌ای را از آغاز تا مصرف در یک لامپ رشته‌ای نشان می‌دهد.

الف) یک نیروگاه سوخت فسیلی را در نظربگیرید که با مصرف گازوئیل، انرژی الکتریکی تولید می‌کند. با سوختن‌ هر لیتر گازوئیل، حدود 35 مگاژول انرژی گرمایی تولید می‌شود. می‌خواهیم یک لامپ رشته‌ای 100 واتی در طول یک ماه به مدت 180 ساعت روشن بماند (به طور میانگین هر شبانه‌روز 6 ساعت). برای این منظور چقدر گازوئیل باید در نیروگاه مصرف شود؟

پاسخ: انرژی لازم برای روشن کردن‌ یک لامپ رشته‌ای 100W برابر است با:

انرژی حاصل از سوختن‌ هر لیتر گازوئیل برابر است با:

بنابراین حجم گازوئیل مورد نیاز برابر است با:

ب) با توجه به نتیجه قسمت الف، درک خود از هشدار معروف «لامپ اضافی خاموش!» را بیان کنید.

پاسخ: موارد زیر اهمیت این هشدار را تا حدود زیادی روشن می‌سازد:

تلفات خیلی زیاد انرژی در مسیر تولید تا مصرف
مصرف 6 لیتر گازوئیل برای روشن نگه داشتن‌ هر لامپ رشته‌ای در ماه
بهره‌گیری از انرژی تجدید ناپذیر سوخت‌های فسیلی
و همچنین آلودگی زیاد ناشی از مصرف این سوخت‌ها

پ) فرض کنید در سراسر ایران، هر خانه در طول یک ماه، معادل انرژی الکتریکی مصرف شده‌ در قسمت الف، صرفه‌جویی کند. در این صورت مقدار گازوئیل صرفه‌جویی شده‌ را محاسبه کنید.

پاسخ: اگر تعداد خانواده‌ها را برابر 20 میلیون در نظر بگیریم، پس 10⁷×2 خانوار داریم.

گازوئیل مصرفی هر خانواده را نیز برابر 10 فرض می‌کنیم. با این حساب داریم:

10⁷ × 10¹ = 10⁸

به صورت کلی رقمی در حدود 10⁸ گازوئیل صرفه‌جویی خواهد شد.

فعالیت 3-2

مدت زمانی که طول می‌کشد تا با دویدن‌ به بالای یک راه‌پله برسید را اندازه بگیرید. توان متوسط مفید خودتان را در این فعالیت بر حسب وات و اسب بخار بیان کنید.

پاسخ: ابتدا باید مقدار کاری که با بالا رفتن‌ از پله‌ها انجام می‌دهیم را محاسبه کنیم. سپس آن را تقسیم بر زمان بالا رفتن‌ می‌کنیم. اینگونه‌ مقدار آهنگ انجام کار به دست می‌آید.