کلاس فیزیک
سوال و جواب و رفع اشکال فیزیک دبیرستان و پش دانشگاهی 
قالب وبلاگ
لینک دوستان

كار و انرژي

1-كار چيست؟

كار يك كميت نرده اي است و به صورت حاصلضرب نيرو در جابجايي تعريف ميشودw = f.d cos α        

2-يكاي كار چيست؟

يكاي كار نيوتن.متر(N.M)     يا همان ژول است كه با نماد j  نشان داده ميشود

3-اگر بر يك جسم چند نيرو اعمال شود و چند كار انجام شود كار كل انجام شده بر جسم را چگونه محاسبه ميكنند؟

دو روش براي محاسبه كار برايند وجود دارد:

روش اول:  ميتوان برايند تمامي نيروهاي وارد بر جسم را محاسبه كرد  و سپس كار نيروي برايند را بدست اورد  wt = ft.d.cosα    

روش دوم:   چون كار يك كميت نرده اي است كار برايند(كل ) را ميتوان از حاصلجمع جبري تمامي كارهاي انجام شده بر جسم محاسبه كرد

Wt = w1+w2+w3 + ….

4-ايا همواره مقدار كار مثبت است؟

خير  - هر گاه نيروي اعمال شده در جهت جابجايي باشد يعني 90  0 <α< باشدانگاه كسينوس الفا مثبت بوده و كار مثبت بدست مي ايد

  5-در چه صورتي كار منفي محاسبه ميشود؟

اگر بين بردار جابجايي و نيرو زاويه ايجاد شده مابين 90 تا 180 درجه باشد انگاه كسينوس الفا منفي شده و كار نيز منفي بدست مي آيد.

6-در چه حالتي كار صفر است؟

در سه حالت كار صفر ميشود:

اول: اگر نيرو و جابجايي بر هم عمود باشند  زاويه بين انها 90 درجه شده و مقدار كار بر اساس فرمول صفر خواهد شد

دوم:  در صورتي كه جسم تحت تاثير نيرو جابجا نشود مقدار d=0    خواهد بود و طبق فرمول كار صفر ميشود

سوم:  در صورتي كه به جسم نيرويي وارد نشود( يا جسم با سرعت ثابت حركت كند) f=0     خواهد بود و كار طبق فرمول صفر خواهد شد.

7-چه زماني مقدار كار بيشينه(بيشترين مقدارممكنه) خواهد شد؟

اگر بردارهاي نيرو و جابجايي همجهت باشند يعني زاويه ميان انها صفر شود مقدار كار بيشينه مثبت خواهد شد       w=fdcos 0 = + fd

اگر بردارهاي جابجايي و نيرو دقيقا مخالف جهت يكديگر باشند زاويه ميان انها 180  درجه شده و مقدار كار بيشينه منفي  خواهد شدw=fdcos180 = -fd

8-در چه حالتي مقدار كار كمينه(كمترين مقدار ممكنه) خواهد شد؟

اگر دو بردار نيرو و جابجايي بر هم عمود باشند زاويه ميان انها 90 درجه خواهد شد و چون كسينوس 90 درجه  صفر است در نتيجه مقدار كار نيز  صفر ميشود

W=fdcos90 = 0

9-قضيه كار و انرژي را تعريف كنيد؟

قضيه كار و انرژي رابطه بين كار و تغييرات انرژي جنبشي را بيان ميكند بر طبق اين قضيه كار برايند نيروي وارد بر يك جسم در يك جابجايي برابر است با تغيير انرژي جنبشي جسم در آن جابجايي    يعني:       Δk = w              k2 – k1 = f.d.cosα

10-بر اساس قضيه كار و انرژي در چه حالتي انرژي جنبشي جسم تغيير نميكند؟

اگر كار برايند نيروها صفر باشد انگاه تغييرات انرژي جنبشي نيز صفر خواهد بود و بدين معناست كه انرژي جنبشي جسم تغيير نكرده است

k2  =  k1               Δk = w =0                  k2 – k1 = 0

11-كار نيروي وزن را در بالا بردن جسمي به جرم m  تا ارتفاع h  محاسبه كنيد ؟

W= f.d.cosα                    wmg  = mg . h. cos 180    =    -mgh   

چون f=mg  و  d=h    و  α=180    زيرا  وزن به سمت پايين است ولي جهت حركت يا همان جابجايي جسم به سمت بالا ميباشد.

12-كار نيروي وزن را در سقوط جسمي به جرم m  از ارتفاع h بدست اوريد؟

چون f=mg  و  d=h    و  α=0    زيرا  وزن به سمت پايين است و جهت حركت يا همان جابجايي جسم نيز به سمت پايين ميباشد.:

W=f.d.cosα          wmg = mg.h.cos 0  = + mgh

13-انرژي پتانسيل گرانشي را بر اساس مفهوم كار تعريف كنيد؟

انرژي پتانسيل گرانشي يك جسم در يك نقطه نسبت به زمين برابر است با كاري كه انجام ميدهيم تا جسم را با سرعت ثابت از سطح زمين تا نقطه ياد شده منتقل كنيم

14-انرژي پتانسيل كشساني فنر را بر اساس مفهوم كار تعريف كنيد؟

كاري كه با سرعت ثابت براي كشيدن يا فشرده كردن فنر انجام ميدهيم به صورت انرژي پتانسيل كشساني در فنر ذخيره ميشود.

15-آيا نيروي كشساني فنر در تمامي حالات يكسان است؟

خير – نيروي كشساني فنر متغير است و به مقدار فشردگي يا كشيدگي فنر وابسته است هر چه فنر بيشتر كشيده يا فشرده شود (تغييرات طول فنر بيشتر باشد) نيروي فنر نيز بيشتر خواهد شد

در حالتي كه فنر در وضعيت عادي(تعادل) قرار دارد نيروي فنر صفر ميباشد

16- نيروي كشساني فنر چيست؟

نيروي كشساني فنر يا همان نيروي بازگرداننده فنر  باعث ميشود كه فنر كشيده شده يا فشرده شده به وضعيت  تعادل خود بازگردد. جهت اين نيرو همواره به سمت نقطه تعادل فنر است( نقطه تعادل فنر نقطه اي است كه فنر در ان  كشيده يا فشرده نشده باشد).

17-نشان دهيد كه هر چه فنر بيشتر كشيده يا فشرده شود انرژي پتانسيل آن نيز نسبت به وضعيت ازاد(تعادلي) فنر بيشتر است؟

هر چه گشيدگي يا فشردگي فنر بيشتر باشد يعني جابجاييd انجام شده بيشتر ميشودو همچنين نيروي بازگرداننده فنر نيز بيشتر ميشود f=k .Δx    و در نتيجه كار انجام شده نيز افزايش ميابد و چون طبق تعريف اين كار همان انرژي پتانسيل ذخيره شده در فنر است پس انرژي پتانسيل فنر نيز بيشتر ميشود.

18-آيا دوبار همنام كه در فاصله مشخصي از هم نگهداشته شده اند داراي انرژي پتانسيل هستند؟  چرا؟

بله- زيرا اگر رها شوند از هم دور خواهند شد پس كاري كه با سرعت ثابت براي نزديك كردن دو بار و يا دور كردن انها انجام ميشود به صورت انرژي پتانسيل الكتريكي در دو بار ذخيره خواهد شد

19- نشان دهيد  هر اندازه دو بار همنام به يكديگر نزديكتر باشند انرژي پتانسيل الكتريكي انها بيشتر است؟

گفتيم كه كار انجام شده براي نزديك كردن دو بار همنام به صورت انرژي پتانسيل الكتريكي در انها ذخيره ميشود حال هر چه بار ها را بيشتر به هم نزديك كنيم نيروي دافعه ميان انها بيشتر شده و ميزان جابجايي انجام شده نيز بيشتر ميشود يعني كار  بيشتر و انرژي پتانسيل الكتريكي نيز به همان نسبت بيشتر خواهد شد.

20-قضيه كار و انرژي را اثبات كنيد؟

W= f.d.cos0 =m.a.d =m((v2-v12)/2d ).d       

w= ( mv22 /2 )    -   (mv12/2  )  = k2 – k1                         w=Δk

21-نشان دهيد هر چه دو بار ناهمنام نسبت به هم دورتر باشندانرژي پتانسيل الكتريكي انها بيشتر است؟

انرژي پتانسيل الكتريكي همان كار انجام شده براي دور كردن دو بار ناهمنام است پس:   پس اگر اين دو بار را از هم دور كنيم در حقيقت جابجايي را افزايش داده ايم و كار افزايش ميابد و به همان نسبت انرژي پتانسيل الكتريكي زياد ميشود.

22-انرژي مكانيكي چيست؟

مجموع انرژي جنبشي و انرژي پتانسيل (از هر نوعي) رادر يك زمان مشخص  و براي يك جسم اانرژي مكانيكي ميناميم و انرا با نماد E      نشان ميدهيم

E=K+U

نكته:  انرژي پتانسيل ميتواند از نوع پتانسيل الكتريكي  يا   پتانسيل گرانشي و يا پتانسيل كشساني  و غيره  و يا تركيبي از چند نوع باشد بسته به شرايطي كه جسم در ان قرار دارد.

23-پايستگي انرژي مكانيكي را تعريف كنيد؟

در صورت نداشتن نيروهاي هدر برنده(مانند اصطكاك، مقاومت هوا و غيره)  همواره انرژي مكانيكي جسم مقداري ثابت است يعني:

E1 = E2

K1+U1 = K2 +U2

24-در چه صورتي انرژي مكانيكي پايسته  نيست؟

در صورتي كه نيروهاي هدر برتده (مانند اصطكاك و مقاومت هوا و ...) داشته باشيم مقداري از  انرژي مكانيكي هدر ميرود و انرژي مكانيكي ديگر پايسته نيست در اين حالت بايد فرمول پايستگي را به صورت زير بنويسيم :

در صورت وجود نيروهاي هدر برنده انرژي  :

E1 ≠ E2

 (مقدار ا نرژي هدر رفته )+  E1 =  E2 

25- با استفاده از پايستگي انرژي مكانيكي ثابت كنيد كه تغييرات انرژي جنبشي بر خلاف تغييرات انرژي پتانسيل همان جسم ميباشد.؟(در صورت نبود هدر برنده ها)

با افزايش انرژي جنبشي  انرژي پتانسيل كاهش ميابد و بالعكس

E1 = E2

K1+U1 = K2 +U2                         U1 –U2 = K2 – K1                -ΔU = ΔK 

26- با رسم نمودار انرژي- ارتفاع  ،   تغييرات انرژي جنبشي و انرژي پتانسيل  و انرژي مكانيكي را  براي جسمي كه سقوط آزاد ميكند را نشان دهيد .                                                                                                                                                           -الف- تغييرات انرژي جنبشي K=MV2 /2                                                                                                                                                                                                                                              

ب- تغييرات انرژي پتانسيل  U = Mgh                                                                                                                

پ-تغييرات انرژی مكانيكي                                                                                                                                                                                                           E                                                                                                                                                                                       

 27-توان چيست؟

كميتي نرده اي كه از حاصل تقسيم كار بر زمان انجام ان بدست مي ايد.      P = W/ t 

28- يكاي توان چيست؟

يكاي توان در سيستم si ( استاندارد جهاني) ژول بر ثانيه است كه به ان وات هم ميگويند و انرا با نماد w نشان ميدهند .

29-رابطه ميان كار و توان چيست؟

هر اندازه كه كار مشخصي در زمان كمتر انجام شود  مقدار توان افزايش ميابد 

هر اندازه كه در يك زمان مشخص كار بيشتري انجام بگيرد  مقدار توان افزايش ميابد

نكته:  ساده تر بگويم  با افزايش كار  مقدار توان نيز زياد ميشود  و با افزايش  زمان انجام كار    مقدار توان كاهش ميابد بر اساس فرمول    P=W/t 

30-منظور از انرژي ورودي يا مصرفي چيست؟

انرژي كه به دستگاه داده ميشود تا دستگاه كار كند انرژي ورودي يا مصرفي مينامند

مثل مقدار انرژي الكتريكي لازم براي روشن كردن جارو برقي   يا انرژي شيميايي لازم جهت روشن كردن اتومبيل و ....

31-منظور از كار خروجي چيست؟

مقدار كاري كه وسيله  با در يافت انرژي ورودي ميتواند انجام دهد را كار خروجي يا انرژي خروجي مينامند

32-ايا انرژي ورودي با كار خروجي(انرژي خروجي) برابر است؟

خير – هرگز برابر نميشوند  زيرا عواملي مانند اصطكاك و گرم شدن دستگاه باعث  هدر رفتن مقداري از انرژي ورودي ميشوند  در نتيجه ميزان انرژي خروجي يا كار خروجي همواره كمتر از انرژي ورودي خواهد بود

طبق قانون پايستگي انرژي براي هر دستگاه  ميتوان نوشت:            انرژي خروجي  برابر است با انرژي ورودي منهاي مقدار انرژي هدر رفته

نكته: هيچ دستگاهي تاكنون ساخته نشده است كه مقدار انرژي خروجي ان با انرژي ورودي ان برابر باشد.  زيرا هنوز بشر نتوانسته است  از هدر رفتن  انرژي جلوگيري كند.

33-بازده چيست؟

نسبت كار خروجي به انرژي ورودي را ضرب در عدد 100  كميتي به نام بازده مينامند. اين كميت تعيين ميكند كه چه درصدي از انرژي ورودي به كار خروجي تبديل شده است

100 × کار خروجي/  انرژي ورودي = بازده  

 نكته: با توجه به اينكه كار خروجي همواره كمتر از انرژي ورودي است در نتيجه مقدار بازده همواره كمتر از 100 درصد خواهد بود.

34-شخصي يكبار آهسته و بار ديگر به سرعت از پله هاي يك ساختمان بالا ميرود در كدام حالت توان بيشتر است؟

اگر سريعتر از ساختمان بالا برود يعني مدت زمان را كاهش داده است و با توجه به فرمول p=w/t   خواهيم داشت:

هرقدر t كمتر شود مقدار توان p  بيشتر ميشود

نكته: هر چه كاري را سريعتر انجام دهيم توان انجام ان نيز بيشتر  خواهد شد.

35- ازمايشي را طراحي كنيد كه در ان بتوان ذخيره شدن انرژي پتانسيل الكتريكي را ازمود؟

 دو بادكنك را باردار(همنام) كرده و در فاصله مشخصي از هم ثابت ميكنيم با رها كردن دو بادكنك مشاهده ميكنيم كه بادكنكها از هم دور ميشوند نتيجه ميگيريم كه انرژي درون انها ذخيره شده كه باعث ميشود بادكنكها از هم دور شوند به اين انرژي پتانسيل الكتريكي ميگوييم

چند مسئله  از اين فصل بر گرفته از سايت اموزش

  1– بر روي سطح افقي بدون اصطکاکي جسمي را توسط طنابي که با افق زاويه 30 درجه مي سازد، نيروي 60 نيوتون مي کشيم و جسم را به اندازه 100 متر جابه جا مي کنيم. کار انجام شده را محاسبه کنيد.

  2- جسمي به جرم 5 کيلوگرم از ارتفاع 30 متري از سطح زمين، رها مي شود. سرعت جسم در لحظه برخورد به زمين را
الف) از روش سقوط آزاد      ب) با محاسبه انرژي بi دست آوريد و نتيجه ها را با هم مقايسه کنيد. g=10m/s

  3 – يک گلوله 18 گرمي با سرعت اوليه 25 متر بر مجذور ثانيه در راستاي قائم به طرف بالا پرتاب مي شود. انرژي پتانسيل گلوله در نقطه اوج چقدر است؛

  4 – گلوله اي به جرم 3 کيلوگرم از بالاي سطح شيبدار بدون اصطکاکي به ارتفاع 5 متر بدون سرعت اوليه مطابق شکل رها مي شود گلوله پس از پايين آمدن از سطح شيب دار در مسير Bx حرکت کرده و پس از طي 5 متر متوقف مي شود. (g=10m/s2)
الف) سرعت گلوله را در نقطه B با استفاده از قانون بقا انرژي محاسبه کنيد.
ب) كار نيروي اصطکاک روي سطح افقي Bx چقدر است؟

 

  5 – جسمي به جرم 10 کيلوگرم با سرعت اوليه 8 m/s از پايين سطح شيبداري به زاويه شيب 30 درجه بر روي سطح به طرف بالا پرتاب مي شود. هنگامي که جسم به ارتفاع 2 متر از سطح افق مي رسد سرعتش نصف مي شود. به کمک انرژي مکانيکي جسم
الف) کار نيروي اصطکاک       ب) مقدار نيروي اصطکاک را بi دست آوريد.

  6- اتومبيلي به جرم 1000 کيلوگرم با سرعت 50 متر بر ثانيه در حال حرکت است، در اثر ترمز سرعت به 10 متر بر ثانيه مي رسد، کار نيروي ترمز را به دست آوريد

  7- يک چکش 700 گرمي وقتي به يک ميخ برخورد مي کند سرعتش 20 متر بر ثانيه مي باشد. در اين صورت اگر ميخ با نيروي 550 نيوتوني چوب مواجه شود، ميخ چقدر در چوب فرو مي رود؟

  8 – اتومبيلي به جرم 100 کيلوگرم با سرعت اوليه 20 متر بر ثانيه وارد يک جاده افقي مي شود و با شتاب ثابت پس از مدت يک دقيقه چهل ثانيه سرعتش به 60 متر بر ثانيه مي رسد. اگر اصطکاک در مقابل حرکت ثابت برابر 700 نيوتون باشد
الف) تغيير انرژي جنبشي اتومبيل را به دست آوريد.        ب) کار نيروي موتور را به دست آوريد.

  9 – در شکل مقابل MA = 5 kg و MB= 7 kg مي باشد. اگر دستگاه از حالت سکون رها شود و کشش نخ معادل 30 نيوتن باشد.
الف) شتاب حرکت را محاسبه کنيد.
ب) تغيير انرژي جنبشي وزنه ها پس از 1 ثانيه چقدر است؟ (g=10m/s)

  10 – توان يک ماشين 200 وات و راندمان آن 80 درصد مي باشد. چه مدت طول مي کشد تا وزنه اي به جرم 50 کيلوگرم را با اين ماشين 20 متر بالا ببريم؟ (g=10m/s)

 

[ چهارشنبه هفتم بهمن 1388 ] [ 8:43 قبل از ظهر ] [ مینا ا فخمی ]
.: Weblog Themes By Pichak :.

درباره وبلاگ

سلام دوستان

مطالب این وبلاگ مرتبط با فیزیک
دبیرستان است
اگه به ما سر میزنید نظر یادتون نره
باشد که مطالب پر بارتر و مفیدتر گردد

دوستان عزیز استفاده از مطالب با ذکر منبع
بلا مانع است.

مینا افخمی
دبیر فیزیک شهرستان باوی_اهواز

بوگاتی

  • صحاب