الطاقة: محاسب الفيزياء
لا شيء يدمر الطاقة — بل تنتقل فقط بين مخازن وتشتت جزئياً إلى أشكال أقل فائدة. الموضوع الثاني من OxfordAQA يبني هذا الحساب: الشغل والقدرة، ثلاث معادلات مخزن الطاقة، الحفظ مع مخططات سانكي، والخيارات وراء الموارد الوطنية للطاقة.
OxfordAQA International GCSE Physics 9203، موضوع 3.2 (الإصدار 5.1). العبارات المحددة بـ(P) خاصة بورقة 2 فقط.
القوى والطاقة
الشغل يُنفذ عندما يحرك قوة نقطة تطبيقها لمسافة؛ الشغل ضد الاحتكاك ينقل الطاقة بالتسخين (دخول المركبة الفضائية، النيازك، الفرامل). الزنبرك المشدود يخزن طاقة كامنة مرنة $\frac{1}{2}ke^2$؛ الكتلة المرفوعة تخزن طاقة كامنة جاذبية mgh؛ الكتلة المتحركة تحمل طاقة حركية ½mv² — مضاعفة الكتلة تضاعفها، ومضاعفة السرعة تربّعها (الارتباط بالسلامة المرورية). القدرة هي معدل نقل الطاقة.
تحقق محلول. سيارة كتلتها 1500 كجم تتحرك بسرعة 20 م/ث وتفرمل حتى التوقف: الطاقة الحركية المفقودة $= \frac{1}{2} \times 1500 \times 400 = 300\,000$ ج — تم تحويلها جميعًا إلى تسخين الفرامل. رفعها ارتفاع 2 م عند g = 10 نيوتن/كجم يخزن $1500 \times 10 \times 2 = 30\,000$ ج.
نقل الطاقة والتشتت
عندما يتغير نظام ما، تُنقل الطاقة — بشكل مفيد، أو تُخزن، أو تُشتت ("تضيع") في مخازن أقل فائدة؛ ولا تُخلق ولا تُفنى أبدًا. الاحتكاك ومقاومة الهواء يُشتتان الطاقة عن طريق التسخين. (P) النواس يستبدل الطاقة الحركية بالطاقة الكامنة الجاذبية كل اهتزاز.
المخططات سانكي توضح إعادة التوزيع: تنقسم الأسهم متناسبة مع تدفقات الطاقة (ارسمها بمقياس رسم — العرض ∝ الطاقة).
تحقق محلول. مصباح قدرته 60 واط يعطي 6 واط من الضوء: الكفاءة $= 6/60 \times 100 = 10\%$.
موارد الطاقة
يتم اختيار الوقود لسهولة التخزين والمحتوى الطاوي والسلامة؛ بعضها ينقل جزءًا أكبر من طاقته بشكل مفيد مقارنة بآخرين. يعتمد توليد الطاقة الوطني على الموازنة بين الجدوى والتكلفة والموثوقية والتكلفة البيئية للاستخراج والاستخدام والتخلص.
تحقق من نفسك
- احسب الشغل المبذول بواسطة قوة مقدارها 50 نيوتن تحرك مسافة 4 متر.
- احسب الطاقة المرنة في نابض (k = 200 نيوتن/متر) مدد مسافة 0.15 متر.
- كتاب كتلته 2 كجم يُرفع ارتفاع 3 م عند g = 10 N/kg. احسب طاقة الوضع الجاذبية المكتسبة.
- ماذا يحدث للطاقة الحركية للسيارة عند فرملتها؟
- ناقل محرك طاقة مقدارها 800 جول خلال زمن 20 ثانية. احسب قوته.
- صيغ معادلة الكفاءة بصيغتي الطاقة والقوة.
- يعطي مصباح طاقة ضوئية مقدارها 12 جول مقابل كل 100 جول مُدخل. احسب الكفاءة.
- ماذا يشير عرض سهم المخطط سانكي؟
- اذكر ميزة واحدة وعيبًا واحدًا للطاقة الريحية.
- ماذا تعني كلمة "تشتت"؟
الإجابات: 1 $W = 50 \times 4 = 200$ J؛ 2 $E_e = \frac{1}{2} \times 200 \times 0.0225 = 2.25$ J؛ 3 $E_p = 2 \times 10 \times 3 = 60$ J؛ 4 يُنتقل إلى الطاقة الحرارية للمكابح والمحيط عن طريق قوة الاحتكاك (تسخن المكابح)؛ 5 $P = 800/20 = 40$ W؛ 6 الطاقة المفيدة الخارجة ÷ إجمالي الطاقة الداخلة (×100 %)؛ أو القدرة المفيدة الخارجة ÷ إجمالي القدرة الداخلة؛ 7 $12/100 \times 100 = 12\%$؛ 8 الطاقة المتدفقة في هذا الاتجاه — العرض يتناسب طردياً مع الطاقة؛ 9 متجددة بدون وقود أو انبعاثات؛ غير مستقرة المخرجات ذات تأثير بصري؛ 10 تُنتقل إلى مخازن أقل فائدة (غالباً حرارة ضائعة)، لذا لا يمكنها القيام بما نريد بسهولة.