אנרגיה

סוללה, קפיץ מתיחה ומים חמים כולם מאגרים אנרגיה. אנרגיה יכולה להיות מועברת ומואגרת, אך לעולם לא נוצרת או נהרסת. מקור זה מכסה AQA GCSE Physics 8463, נושא 4.1 אנרגיה.

• כל בוחן הוא 100 נקודות ו1 שעות 45 דקות; רעיונות אנרגיה מופיעים בשני הבוחנים.
• AQA מספקת כיום דף נוסחאות לפיזיקה. בדוק את ההוספות בסדרה שלך; תרגל בחירה, עריכה מחדש של נוסחאות והמרת יחידות.
• הצג את הנוסחה, ההצבה והתשובה עם יחידות. עמוד בהוראות הדיוק של השאלה; הנקודות תלו בשאלה ובמפת הסמכה.

מערכת היא חפץ, או קבוצת חפצים, שבהחלטתך תרצה לחשוב עליו. כאשר מערכת משתנה, אנרגיה זזה בין מאגרי אנרגיה. המאגרים שחובה לציין הם:

השתמש בשם האגם המבוקש, כמו תרמי, פוטנציאל כבידתי או פוטנציאל אלסטי. מפת הסמכה של יוני 2024 מקבלת סמלים מסוימים בחלקים מסוימים; זהו לא כלל שכל סמל מתקבל בשאלות נקובות.

תיאור שינוי

אנרגיה עוברת מאחסון אחד לאחר. ציינו שני החלקים. תרגלו מצבים אלו, שמפרט הלימוד מציין:

• גוף ששוגה כלפי מעלה: האגם הקינטי מתקטן והאגם הפוטנציאלי הכבידתי של מערכת הגוף–כדור הארץ גדל. לירי אנכי, המהירות היא אפס בנקודה הגבוהה ביותר.
• גוף נע הופך באובק: האגם הקינטי מתרוקן; אגמי התרמיות של הגוף והאובק עולים; קול יכול להעביר אנרגיה החוצה.
• גוף המואץ על ידי כוח קבוע: אגם מקור (למשל, האגם הכימי של סוללה) מתקטן; עבודה מעבירה אנרגיה לאגם הקינטי של הרכב. עבודה חשמלית היא מסלול העברה, ולא אגם חשמלי.
• רכב המסתיר: האחסון הקינטי מתרוקן; האחסון התרמי של הבלמים מתמלא.
• הצללת מים בסיר חשמלי: אנרגיה כימית בדלק בתחנת החשמל (או משאב אחר) מסתיימת באחסון התרמי של המים.

חלק זה מחשבב שינויים באנרגיה הנגרמים משלושה תהליכים: על ידי חימום (הפרש טמפרטורה מניע אותו), על ידי עבודה שנעשתה על ידי כוחות (כוח מזיז משהו), ועל ידי עבודה שנעשתה כאשר זורם זרם חשמלי (מכשיר חשמלי מעביר אנרגיה). חשמל נדון בנושא 4.2.

דיאגרמות סנקי

דיאגרמת סנקי מציגה אנרגיה בקנה מידה משותף. רוחבה של כל חץ מצויר בהתאם לכמות האנרגיה שהוא ממשיך. החץ השמאלי הוא הכניסה; הוא מתפצל ליציאה מועילה ויציאות מבוזבזות.

• הרוחב הכולל ביציאה שווה תמיד לרוחב בכניסה. האנרגיה שמורה.
• "אנרגיה מבוזבזת" אינה נהרסת. היא מאוחסנת בצורות פחות מועילות, בדרך כלל תרמית.

תרגול מונחה: זיהוי מאגרי אנרגיה ושמירה על אנרגיה

התחלה — כתובה על ידי המורה. מנוע מעביר 60 J בתוך 3.0 שניות. מהי ההספק שלו?

הסבר מודגם. הספק הוא קצב העברת האנרגיה. המשוואה היא $P=E/t$. הצבה נותנת $P=E/t=60\ \mathrm{J}/(3.0\ \mathrm{s})=20\ \mathrm{W}$. משמעות הדבר היא 20 ג'אול כל שנייה; זה לא מקיים יעילות או תפוקה מועילה.

העברת מבחן — עיבוד מתוך AQA יוני 2024 ניסחון 1H שאלות 01.1, 01.2 ו-06.1. ציין את מאגר האנרגיה העולה כאשר מים מחממים, מרים למאגר מים ומתיחות גומיות. נסה לפני בדיקה: תרמי/פנימי, פוטנציאל כבידתי, פוטנציאל אלסטי. הסבר כל שם באמצעות שינוי בטמפרטורה, גובה או התרחבות. עבודה חשמלית יכולה להעביר אנרגיה למערכות אלו, אך חשמל אינו מאגר אנרגיה.

איזון מנוע כתוב על ידי המורה. הכניסה היא 100 J ואנרגיה קינטית מועילה היא 80 J. שארית כל היתר מגיעה למאגרים תרמיים. חשב את השארית ושרטט חצים פרופורציונליים בסנקי לפני הבדיקה בתרשים.

הסבר פתור. שימור נותן $E_{\mathrm{dissipated}}=E_{\mathrm{input}}-E_{\mathrm{useful}}$. הצבה נותנת $E_{\mathrm{dissipated}}=E_{\mathrm{input}}-E_{\mathrm{useful}}=100\ \mathrm{J}-80\ \mathrm{J}=20\ \mathrm{J}$. רוחבי סליל הקלט/שימושי/מפוזר הם ביחס 100:80:20 = 5:4:1. אנרגיה נשמרת; החלק המפוזר פחות שימושי, אינו נשמד. אורכי חצים וגדלי ראשי חץ אינם מייצגים אנרגיה.

בחר את המשוואה עבור המאגרשת משתנה. השתמש במסה בק"ג, מהירות ב-m/s, התארכות ושינוי גובה במטר, וחוזק שדה כבידה בשאלה $g$ ב-N/kg.

• $E_k$ אנרגיה קינטית ב-J; $m$ מסה ב-kg; $v$ מהירות ב-m/s.
• $E_e$ אנרגיה פוטנציאל אלסטית ב-J; $k$ קבוע קפיץ ב-N/m; $e$ מתיחה ב-m.
• $E_p$ אנרגיה פוטנציאלית כבידתית ב-J; $h$ עליית גובה ב-m; $g$ חוזק שדה כבידה ב-N/kg.

אזהרות שתיים שבמבחן נבדקות:

• המתיחה היא השינוי באורך: אורך מותח פחות אורך מקורי. "מתיחה של 7.5 m" מייצגת כבר את האורך הנוסף.
• $E_e = \tfrac{1}{2}ke^2$ חייב לא לעבור את הגבול הפרופורציונליות: מתחת אליו, הכפלת ההתארכות מארבעכפלת את האנרגיה המאוגרת.

תרגול כתוב על ידי המורה — התארכות ויחידות. קפיץ פרופורציונלי הוא 10 ס"מ ללא מתיחה ו-22 ס"מ ארוך בהתארכות, עם $k=50$ N/m. מצא את ההתארכות והאנרגיה המאוגרת; תחזה את ההשפעה של הכפלת ההתארכות הזו בעוד הקפיץ נשאר פרופורציונלי.

הסבר מודגם. $e=L-L_0=22\ \mathrm{cm}-10\ \mathrm{cm}=12\ \mathrm{cm}=0.12\ \mathrm{m}$. לאחר מכן $E_e=\tfrac12ke^2=\tfrac12\times50\ \mathrm{N/m}\times(0.12\ \mathrm{m})^2=0.36\ \mathrm{J}$. הכפלת ההתארכות נותנת $E_{e,2}=\tfrac12k(2e)^2=4E_e=4\times0.36\ \mathrm{J}=1.44\ \mathrm{J}$.

דוגמה מודגמת כתובה על ידי המורה. מטוס צעצוע של 0.020 ק"ג משוגר אופקית על ידי קפיץ פרופורציונלי עם $k = 50$ N/m והתארכות $e = 0.12$ מטר. הקפיץ משתחרר לאורכו הטבעי. הנח that no height change and all released elastic energy becomes the plane’s kinetic energy. מצא את מהירות השיגור האידיאלית.

• נתונים: פרטי הקפיץ והמסה. ברגע ההשקה, המאגר האלסטי ריק כליל אל המאגר הקינטי. עבור מהירות מקסימלית, נניח שהכל מגיע.
  $$E_e = \tfrac{1}{2} k e^2 = \tfrac{1}{2} \times 50\ \text{N/m} \times (0.12\ \text{m})^2 = 0.36\ \text{J}$$
• מדוע $E_k = E_e$: המודל האידיאלי המוצהר אינו כולל אנרגיה שהועברה למאגרים אחרים. בהשקה אמיתית, העברות תרמיות עלולות להשאיר פחות אנרגיה קינטית ומהירות נמוכה יותר.
  $$E_k = \tfrac{1}{2} m v^2 \quad\Rightarrow\quad v = \sqrt{\frac{2 E_k}{m}} = \sqrt{\frac{2 \times 0.36\ \text{J}}{0.020\ \text{kg}}} = 6.0\ \text{m/s}$$
• בדיקה: היחידה היא m/s כי $\sqrt{\text{J}/\text{kg}} = \sqrt{\text{m}^2/\text{s}^2}$.

העברת מבחן: שתי רצועות וגובה

מותאם מתוך בוחן AQA יוני 2024 מס' 1H שאלה06.2–06.3. כדור בגודל 240 ק"ג משוחרר כלפי מעלה על ידי שני חוטים הפועלים כמו קפיצים, כל אחד בעל קשיחות של $k=735$ N/m והתארכות של 8.0 מטר. חשב את הגובה האידיאלי ($g=9.8$ N/kg), תוך הנחה שכל האנרגיה האלסטית ההתחלתית הופכת לאנרגיה פוטנציאלית כבדותית. הסבר מדוע הגובה בפועל נמוך יותר.

• נתונים: שני חוטים זהים, לכן האנרגיה המאוגרת מכפילה את עצמה.
  $$E_{e,1}=\tfrac12 ke^2=\tfrac12\times735\ \mathrm{N/m}\times(8.0\ \mathrm{m})^2=23\,520\ \mathrm{J}$$
  $$E_{e,\mathrm{total}}=2E_{e,1}=2\times23\,520\ \mathrm{J}=47\,040\ \mathrm{J}$$
• במודל האידיאלי הזה כל האנרגיה האלסטית ההתחלתית הופכת לאנרגיה פוטנציאלית כבידתית בנקודה הגבוהה ביותר, שבה המהירות האנכית היא אפס:
  $$E_p = m g h \quad\Rightarrow\quad h = \frac{E_p}{m g} = \frac{47\,040\ \mathrm{J}}{240\ \mathrm{kg}\times9.8\ \mathrm{N/kg}} = 20\ \text{m}$$
• התנגדות האוויר נגד את התנועה כלפי מעלה. חלק מהאנרגיה האלסטית ההתחלתית מועבר לסביבה במקום להגדיל את האנרגיה הפוטנציאלית הכבידתית, ולכן עליית הגובה בפועל קטנה יותר. "האנרגיה נבלעת" לבד אינו מסביר את ההעברה; אנרגיה נשמרת.

שמור על ההנחה הפיזיקלית ועל כל שלב חישוב נראה לעין; חלוקת הנקודות תלויות בשאלה הספציפית.

חימום גוף וגורם התרמי שלו גדל. האנרגיה הנדרשת תלויה במסה, בחומר ובגידול הטמפרטורה:

• $\Delta E$ השינוי באנרגיה תרמית ביחידות J; $m$ המסה ביחידות kg; $\Delta\theta$ השינוי בטמפרטורה ביחידות °C.
• $c$ תרמות סגולית ביחידות J/kg °C: האנרגיה הנדרשה להעלות את טמפרטורתם של קילוגרם אחד של חומר ב-מעלה צלזיוס אחת.

עבור מסות שוות המקבלות אותה כמות אנרגיה תרמית, לחומר עם $c$ גבוה יותר יש עליית טמפרטורה קטנה יותר. למים יש $c$ בערך 4200 J/kg °C; לנחושת בערך 385 J/kg °C. קצב חימום כף תלויה גם במסתה וגם בהעברת אנרגיה דרך מגע; קיבולת חום סגולית לבד אינה קובעת את הקצב.

דוגמה פותרת שנכתבה על ידי מורה. בלוק מתכת בגודל 2.0 ק"ג רוכש 26 קJ (26 000 J) של אנרגיה תרמית. טמפרטורת הבלוק עולה מ-22 °C ל-50 °C. מצא את $c$.

• נתונים: אנרגיה, מסה וטמפרטורות. ה-"שינוי" בטמפרטורה הוא מה שנכנס למשוואה: $\Delta\theta = 50 - 22 = 28$ °C.
  $$c = \frac{\Delta E}{m\,\Delta\theta} = \frac{26\,000\ \text{J}}{2.0\ \text{kg} \times 28\ ^\circ\text{C}} = 464\ \text{J/kg °C} \approx 460\ \text{J/kg °C}$$
• בדיקה: חלוקת J ב-(kg × °C) נותנת J/kg °C.

שמור על אחידות במידות: 10.5 kJ חייב להפוך ל-10 500 J; זמן בדקות חייב להפוך לשניות; מסה בגרמים חייבת להפוך לק"ג; הספק ב-kW חייב להפוך ל-W. כתוב את ההמרה בשורה נפרדת.

העברת שאלות מבחן: פירוק נוסחה לשינוי טמפרטורה

מותאם מתוך AQA יוני 2024 נייר 1H Q08.3. האוויר סופג 0.0130 J; מסתו היא $2.60\times10^{-8}$ kg ו-$c=1.01$ kJ/kg °C. חשב את שינוי הטמפרטורה לפני בדיקת התשובה.

• המר $c=1.01\ \mathrm{kJ/(kg\,{}^\circ C)}=1010\ \mathrm{J/(kg\,{}^\circ C)}$.
• פרוק את $\Delta E=mc\Delta\theta$ כדי לקבל את $\Delta\theta=\Delta E/(mc)$.
  $$\Delta\theta=\frac{\Delta E}{mc}=\frac{0.0130\ \mathrm{J}}{2.60\times10^{-8}\ \mathrm{kg}\times1010\ \mathrm{J/(kg\,{}^\circ C)}}\approx495\,{}^\circ\mathrm{C}$$
• זהו הגידול, ולא הקריאה הסופית; מציאת הטמפרטורה הסופית דורשת גם את הטמפרטורה ההתחלתית.

מעשי חובה 1: תרמות סגולית

עליך להכיר בסקירה זו משינון — המבחן יבקש ממך לתאר או לנתח אותה על שולחן.

שיטה:

1. מדוד את המסה $m$ של הגוש המתכתי באמצעות מאזניים.
2. הוסף מעט מים לחור המדחום ליצירת מגע תרמי טוב, והכנס את החום והמדחום.
3. רשום את הטמפרטורה ההתחלתית. הפעל את מקור החשמל.
4. רשום את הזרם $I$ וההפרש בפוטנציאל $V$, ואת הזמן $t$ שבו החום פעל. הספק החום הוא $P = VI$ (נתון בנושא 4.2; בשאלות מסוימות פשוט נתונים לך $P$).
5. האנרגיה שהוזנה היא $\Delta E = P t$.
6. רשום טמפרטורה במרווחים קבועים וחשב את האנרגיה המסופקת לכל זמן. צייר גרף של טמפרטורה לעומת אנרגיה מסופקת; החלק ההתחלתי עשוי להתעקם בשל עיכוב תרמי.
7. חשב את $c = \dfrac{\Delta E}{m\Delta\theta}$.

הסבר מדידות:

• בדוד את הבלוק (ציפוי) כדי להפחית את האנרגיה המועברת לסביבה. אם חלק מהאנרגיה המסופקת מחממת את הסביבה, השימוש בכל האנרגיה המסופקת כעלייה באנרגיה תרמית של הבלוק יוביל להערכת יתר של $c$.
• המתן עד שהמדחום יתייצב לפני קריאת הטמפרטורה ההתחלתית (המגע התרמי לוקח זמן).
• השתמש בחלק הישר בגרף של טמפרטורה לעומת אנרגיה מסופקת לאחר עיכוב תרמי התחלתי. בדגם האידיאלי, השיפוע הוא $1/(mc)$. חזרות עוזרות להעריך השונות אך אינן מסיירות הפסד חום מערכתי.
• ציין כיצד השגיאה משפיעה על האנרגיה, המסה או עליית הטמפרטה הנמדדת. מגע לא טוב עם הדחום לבדו אינו קובע כיוון שגיאה; עליית טמפרטורה שהוערכה כגבוהה מדי תוביל להערכת יתר של $c$ אם האנרגיה והמסה אינן משתנות.

בדיקת שגיאות RP1: לחשב לפני לחזות

סופר שאלה כתובה על ידי מורה. בלוק של 1.0 kg סופג 6000 J ומתחמם ב-12 °C. חשב את $c$. תלמיד רשם רק עלייה של 10 °C באותה אנרגיה ומסה. חשב את ההערכה המתקבלת והסבר את כיוון השגיאה.

The smaller recorded rise gives a smaller denominator and an overestimate of $c$. Diagnose the recorded temperature change; do not assign an error direction from “poor contact” alone.

שני מנועים יכולים להרים את אותו עומס לאותו גובה. זה שמהיר יותר הוא חזק יותר. הספק הוא קצב העברת האנרגיה, או קצב ביצוע עבודה:

• $P$ הספק ב-W; $E$ אנרגיה שהועברה ב-J; $W$ עבודה ב-J; $t$ זמן ב-s.
• העברת אנרגיה של 1 ג'אול לשנייה היא הספק של 1 וואט, W.

מרהיבים לשמור ביד: 1 kW = 1000 W, 1 MW = $10^6$ W, 1 GW = $10^9$ W, 1 kJ = 1000 J, 1 MJ = $10^6$ J.

דוגמה מפורשת כתובה על ידי מורה. ספורטאי בעל מסה של 60.0 kg מטפס לגובה אנכי של 175 cm בזמן של 1.40 s ($g$ = 9.8 N/kg). חשב את ההספק הממוצע הרלוונטי לרווח באנרגיה פוטנציאלית כבידתית.

• נתונים: מסה, גובה, זמן. יש להמיר את הגובה: $175\ \text{cm} = 1.75\ \text{m}$.
• העלייה באנרגיה פוטנציאלית כבדית היא האנרגיה המועילה שהועברה.
  $$E_p = m g h = 60.0\ \mathrm{kg} \times 9.8\ \mathrm{N/kg} \times 1.75\ \mathrm{m} = 1029\ \text{J}$$
• הסוללה מחלקת אנרגיה בזמן בשניות.
  $$P = \frac{E_p}{t} = \frac{1029\ \text{J}}{1.40\ \text{s}} = 735\ \text{W}$$
• בדוק: זהו קצב הרווח באנרגיה פוטנציאלית כבידתית, ולא העברת האנרגיה הכימית הכוללת. חימום והעברות אחרות גורמים לכך שיותר אנרגיה כימית מועברת מאשר הרווח המועיל.

העברת אנרגיה שמצוינת לכל שנייה היא כבר הספק: 0.343 J של אנרגיה פוטנציאלית כבידתית שנצברו כל שנייה הם 0.343 W של הספק מועיל. ערך לכל שנייה אינו אוטומטית תפוקה מועילה; קרא איזה העברה מתוארת.

השוואת הספק והעברת שאלות מבחן

תרגול כתוב על ידי מורה. מנועים A ו-B מרים כל אחד 20 kg לגובה של 2.0 m ($g=10$ N/kg). A לוקח 2.0 s; B לוקח 4.0 s. חשב את הספקים המועילים שלהם לפני בדיקת התשובה.

A מעביר את אותה אנרגיה מועילה במחצית הזמן: פעמיים ההספק המועיל. אין להשוות יעילות ללא נתוני כניסה.

מותאם מתוך בוחן AQA יוני 2024 מס' 1H שאלה02.2–02.3. תחנת כוח היא עם הספק יציאה של 500 MW. מצא את הספק האנרגטי שלה ב-3600 שניות, ביחידות ג'אוול. כאן $P=500\ \mathrm{MW}=5.00\times10^8\ \mathrm{W}$, ו-$P=E/t$ מתארגן מחדש ל-$E=Pt$.

בדיקת היחידות מאשרת: ואט כפול שניות שווה לג'אול. התפוקה לבדה אינה קובעת יעילות.

אנרגיה יכולה להיות מועברת בצורה מועילה, מאוחסנת או מפוזרת, אך לעולם לא נוצרת או נכחדת. אנרגיה מפוזרת מאוחסנת בצורות פחות מועילות. לעיתים קרובות מכונה "אנרגיה מבוזבזת", אך היא עדיין קיימת – לרוב מתפזרת לתוך ארגוני תרמיות של הסביבה.

• עבור איזון אנרגטי זה, מערכת סגורה אינה מחליפה אנרגיה עם הסביבה החיצונית, ולכן האנרגיה הכוללת שלה נשארת קבועה. ציינו את הגופים כלולים: אנרגיה פוטנציאלית כבדית שייכת לאינטראקציה גוף-כדור הארץ, ולא לכדור בלבד. נפילה אידיאלית עם התנגדות זניחה מעבירה אנרגיה פוטנציאלית כבדית לאנרגיה קינטית; ואקום לבדו אינו מגדיר את גבולות המערכת.

עקבו אחר האנרגיה במהלך נפילה והתנגשות

דגם שנכתב על ידי מורה. כלול כדור, כדור הארץ, רצפה ומקורות סביבתיים קרובים. הנח שאין אנרגיה חוצה את גבול המערכת הזו ושמתעלם מהתנגדות אוויר במהלך הנפילה. הכדור מתחיל ממצב רגיעה עם 20 J של אנרגיה פוטנציאלית כבדותית ביחס לרצפה. כאשר מאגר זה הוא 5 J, מהי האנרגיה הקינטית? לאחר ההתנגשות וההתיישבות, היכן נמצאת האנרגיה?

סכום כל שורה הוא 20 J. לאחר ההתנגשות, האנרגיה מתפזרת למאגרים תרמיים בדגם זה המפושט; קול עשוי לשאת אנרגיה בתוך המקורות הסביבתיים הנבחרים לפני שהיא מתפוגגת. ספירה של הכדור לבדו נותנת מערכת אחרת, שיכולה להחליף אנרגיה עם כדור הארץ והרצפה. אנרגיה שעוזבת גוף אחד אינה נעלמת.

הסבר לתשובה "נמוכה מהחישוב"

שאלות מבחנים אוהבות צורה זו: "הגובה/המהירות/הטמפרטורה האמיתיים נמוכים מהתשובה שלך. הסבר מדוע." ההסבר המוכר:

1. ציינו את הסיבה: התנגדות אוויר, חיכוך בין חלקים נעים, או אנרגיה שהועברה לסביבה על ידי חימום.
2. ציינו את ההשלכה: חלק מהאנרגיה מארגון הכניסה מפוזר לתוך ארגונים תרמיים במקום לארגון הרצוי.
3. גמרו: ולכן פחות אנרגיה מגיעה לארגון המועיל.

צמצום העברות אנרגיה בלתי רצויות

• שימון מקטן את החיכוך בין חלקים נעים, ולכן פחות אנרגיה מפוזרת על ידי חימום.
• בידוד תרמי מקטן את העברת האנרגיה על ידי חימום. קירות עבים, קירות העשויים מחומר בעל מוליכות תרמית נמוכה, או בידוד חלל כולו מאטים את קירור הבניין.

השוו גורם אחד בכל פעם. עם שטח קיר, עובי והפרש טמפרטורות שווים, מוליכותיות תרמלית גבוהה יותר נותנת העברת חום מהירה יותר באמצעות הולכה. עם אותו חומר ותנאים אחרים, קיר עבה יותר מפחית קצב זה. אם גם העובי וגם המוליכותיות משתנים בכיוונים הפוכים, התיאורים שלהם לבדם אינם מקימים את הסדר.

מעשי נדרש 2 (פיזיקה בלבד): בידודים תרמיים

בדוק את יעילותם של חומרים שונים כמבודדים תרמיים:

1. הניח נפח קבוע של מים חמים בכוס מדידה עם מכסה.
2. עטוף את הכוס בחומר אחד (סרט בועות, עיתון, נייר כסף, צמר גפן).
3. רשום את הטמפרטורה בזמן התקררותו למשך זמן קבוע (או הזמן הנדרש לירידה בטמפרטורה במידה קבועה).
4. חזור על כך עבור עוביים נמדדים שווים ושטחים מכוסים שונים של חומרות שונות; מספר שכבות שווה אינו חייב לתת עוביים שווים.
5. חלק 2: חזור על המעשה עבור עוביים שונים (שכבות) של אותו חומר.

בקרות: אותה כמות מים, טמפרטורת התחלה, כוס מדידה, כיסוי, סביבה, שטח מכוסה ומשכי מדידה. חזרו כדי להעריך תנודות. ירידת טמפרטורה קטנה יותר בזמן קבוע מעידה על קירור פחות בתנאים אלו. שמרו על חומר קבוע כשבוחנים עובי; שמרו על עובי קבוע כשמשווים חומרים.

RP2: פרש קריאות שנמדדו

The figure uses the AQA practical handbook, PDF page 12. Points are recorded values joined by lines, not a fitted cooling law. In 15 min, the zero-layer run changes from 85 to 57 °C, two layers from 86 to 62 °C, and six layers from 86 to 66 °C. Calculate the falls before checking.

שש שכבות מתקררות ב-4 °C פחות משתי שכבות לאורך אותה תקופה, מאותה טמפרטורת התחלה. הדבר תומך בהתקררות פחותה עם עובי נייר רב יותר כאן. הריצה בעלת אפס שכבות מתחילה ב-1 °C קרירה יותר. חיסום טמפרטורות ההתחלה אינו מסיר את כל השפעות תנאי ההתחלה הלא שווים; סטנדרטיזציה עליהם בחקירה חדשה. ריצות אלו משוות עובי, לא חומרים שונים.

Teacher-written evaluation. Water in a beaker covered with 20 mm of cotton starts at 90 °C and finishes at 75 °C after 10 min. Water in a beaker covered with 2 mm of foil starts at 80 °C and finishes at 70 °C. Which material is the better insulator? Explain the limits and improve the method before checking.

הסבר. כותנה יורדת ב-$90-75=15$ °C; נייר כסף יורד ב-$80-70=10$ °C. חומר, עובי וטמפרטורה התחלתית שונים, ולכן לא קריאות סופיות ולא ירידת טמפרטורה מבודדות את השפעת החומר. השתמשו בעובי נמדד שווה ושטח מכוסה זהים, אותה טמפרטורת התחלה, נפח מים, ציוד ותנאים סביבתיים; רשמו במשך זמנים זהים וחזרו על הניסוי. הגיעו למסקנות לגבי תנאי הבדיקה, תוך לקיחת משתנים בחשבון.

החלק מהאנרגיה הנכנסת שמגיע בסופו של דבר למקום שימושי הוא היעילות:

• יעילות יכולה להיות ערכה עשרונית (0 עד 1) או אחוז (0 % עד 100 %). הבחינה עשויה לבקש אחת משתי הצורות; ערך עשרוני מעל 1 או אחוז מעל 100 % אינם אפשריים — בדוק את התשובה שלך מול קריטריון זה.
• אחוז אובדן = $= 100\,\% -$ פחות אחוז שימושי.

דוגמה פתורה שנכתבה על ידי מורה. מנורה צורכת 4.0 W הספק חשמלי והיא יעילה ב-0.85 להעברת אור שימושי. מצאו את ההספק האורי השימושי ואת ההסק הנותר.

• נתונים ידועים: סך כל האנרגיה הנכנסת והיעילות כערכה עשרונית. סדר מחדש לפני ההצבה.
  $$\text{useful power} = \text{efficiency} \times \text{total input} = 0.85 \times 4.0\ \text{W} = 3.4\ \text{W}$$
• המותר הוא $P_{\mathrm{other}}=P_{\mathrm{input}}-P_{\mathrm{useful}}=4.0\ \mathrm{W}-3.4\ \mathrm{W}=0.6\ \mathrm{W}$. הפלטים מתכנסים לתפוקה; אנרגיה אינה נהרסת. היעילות היא יחס ללא יחידות.

העברת מבחן — משולב מהמסמך AQA יוני 2024 מסמך 1H שאלה 01.3. שיטה A מחממת מים ב-80 °C, ומאגרת 33 600 kJ לכל 100 kg, ומפסידה 40%; התקנה אפשרית בכל מקום בשאלה. שיטה B משאבת מים כלפי מעלה בגובה של 500 m, ומאגרת 490 kJ לכל 100 kg, מפסידה 25%, ודורשת הררים גבוהים. השוו בין חלקים שימושיים, אנרגיה שימושית ומגבלות פרקטיות לפני בדיקה.

• אחוז שימושי = $= 100 - 40 = 60\ \%$.
  $$E_{useful} = \frac{60}{100} \times 33\,600\ \text{kJ} = 20\,160\ \text{kJ}$$

לשיטה B יש חלק שימושי של $f_B=1-0.25=0.75$ ואנרגיה שימושית של $E_{\mathrm{useful,B}}=f_BE_B=0.75\times490\ \mathrm{kJ}=367.5\ \mathrm{kJ}$. היא יעילה יותר מ-A (75% לעומת 60%), אך A מספקת הרבה יותר אנרגיה שימושית לכל 100 kg (20 160 kJ לעומת 367.5 kJ). הסבירו שני גדלים, מגבלת המיקום הנזכרת ואת הצורך בבידוד מים מחוממים. השתמשו בממצאים מספריים לצד המגבלות הנזכרות.

יעילות: השוואה של העברה שימושית מוגדרת בבירור

נכתב על ידי מורה. מכשירי הרמה A ו-B צורכים כל אחד 2000 W תפוקת כניסה חשמלית. התפוקות המכניות השימושיות שלהם הן 1700 W ו-1500 W. מצאו את היעילות של שניהם ואת ההפרש ביניהם בנקודות אחוז.

המרווח הוא $85\%-75\%=10$ נקודות אחוז. A מעבירה שבר גדול יותר להרמה שימושית; יחידות היחס מתבטלות. אל תבלבלו בין הפרש נקודות אחוז לבין שינוי אחוזי יחסי.

הסבר ברמה גבוהה. חיכוך מפחית פיזור חיכוכי במנוע הרמה; בידוד מפחית העברת תרמית בלתי רצונית מאחסון מים חמים. בתפוקת כניסה קבועה, העברות בלתי רצויות מופחות יכולות להשאיר יותר תפוקה שימושית ויעילות גבוהה יותר. בתפוקה שימושית קבועה, $E_{\mathrm{input}}=E_{\mathrm{useful}}/\eta$, ולכן יעילות גבוהה יותר פירושה פחות כניסה נדרשת. "שימושי" תלוי במשימה המתוכוננת: חימום הוא שימושי לחימום חדר ועשוי להיות בלתי רצוי במנוע הרמה.

משאבי האנרגיה העיקריים הם דלקים מאובנים (פחם, שמן, גז), דלק גרעיני, ביו-דלק, רוח, הידרו-חשמלי, גיאותרמי, גאות, השמש וגלי מים.

משאב חדש מתחדש כשהוא בשימוש. דלקים מאובנים וגרעיניים הם בלתי חדשים בקנה מידה אנושי. התחדשות, זמינות בזמן הנדרש והשפעה סביבתית הן שאלות שונות. חדש אינו פירושו רציף או חסר סיכון. השוו בין שימושים בהובלה, ייצור חשמל וחימום. תיאורי מכונות ייצור אינם נדרשים כאן.

משאבי דלק: שימושים ומחירים

• פחם, שמן וגז: חשמל או חימום; דלקים המופקים משמן נפוצים רבות בהובלה. הייצור תלוי באספקת הדלק ובתחזוקה. בעירה משחררת פחמן די-אוקסיד; גופרית בדלק יכולה לייצר סולפור די-אוקסיד, התורם לגשם חומצי.
• דלק גרעיני: חשמל, באמצעות דלק סופי. תחזוקה והפסקות משפיעות על הזמינות. אין פליטת CO$_2$ בעירה במהלך ייצור, אך פסולת רדיואקטיבית דורשת ניהול בטוח.
• ביו-דלק: הובלה, חימום או חשמל. המקור הביולוגי שלו ניתן להתחדשות, אך הייצור דורש אדמה וזמן. בעירה משחררת CO$_2$. צמיחה מחדש יכולה לספוג CO$_2$, אך האיזון הכולל תלוי גם בגידול, עיבוד ושינוי שימוש באדמה; נייטרליות פחמנית אינה אוטומטית.

ששת משאבי החדש האחרים

טורבינות רוח עלולות לפגוע בחי ויצור רעש; התקני סולאריים דורשים שטח וחומרים. מאגרים עלולים להצפות אדמה ולשנות בתי גידול נהרות. פיתוח גיאותרמי כרוך בקידוח מקומי. התקני עונות יבשה וגלים עלולים לפגוע בבתי הגידול הימיים ועלויות הבנייה והתחזוקה שלהם גבוהות. יש להבחין בין השפעות סביבתיות לבין מגבלות טכניות ועלויות כלכליות. טענות לגבי אי-פליטה של זיהום בערבון בזמן הפעלה אינן מעידות על העדר השפעה בכלל במהלך הייצור, הבנייה והסילוק.

דוגמה מפורטת: זמן הפעלה אמיתי

AQA GCSE פיזיקה יוני 2024 מסמך 1 H שאלה02.5 נותן תחנת גרעין אחת המייצרת עבור 92% משנה של 365 ימים. עם $f$ שבר הייצור:

כ-336 ימים (תרשים השאלה זו מקבל 335 או 336). התחנה לא ייצרה כל השנה; אל תכלל את האחוז שלה לכל תחנה. שבר זמן זה לבד אינו נותן neither תפוקת אנרגיה חשמלית nor יעילות.

פרש מגמה: נסה, ואז בדוק

נתונים בדיוניים שנכתבו על ידי מורים, כאשר רק שני קטגוריות תורמות לסך הכול:

TWh היא יחידת אנרגיה. מצאו את הסך הכול ואת שיעור הדלקים המאובנים. האם כמות האנרגיה ממאובנים צנחה?

בדיקה:

השיעור צנח ב-20 נקודות אחוז, אך אנרגיית המאובנים עלתה ב-10 TWh. ירידה בשיעור בלבד אינה יכולה לקבוע ירידה בפליטות.

קבלו החלטה עם עדויות

משימה שנכתבה על ידי מורים: קליניקה זקוקה לחשמל כל הלילה. פאנלים סולאריים אינם מייצרים בלילה; גנרטור גז נתוחזק יכול לעבוד בהספק דלק. ייצור סולארי אינו משחרר CO$_2$ בערבון; בערבון גז משתחרר CO$_2$. הסבירו את האיזון, הציעו אספקה אפשרית ומצאו עדויות חסרות.

בדיקה: סולארי לבדו אינו עונה לדרישת הלילה. סולארי עם אחסון טעון או גיבוי אחר יכול לעבוד אם ההספק והאנרגיה האגורה עומדים בדרישה. גז יכול לספק חשמל בלילה, עם דלק ותחזוקה, אך משחרר CO$_2$. בדקו את הדרישה, קיבולת האחסון, תנאי הטעינה, אספקת הדלק, העלויות והאתר לפני הבחירה. מימון הוא מגבלה כלכלית; נגישות לטיפול אמין היא דאגה חברתית. חוקי תכנון הם מגבלות פוליטיות, וחלוקת העלויות והתועלות בצדק מעלה שאלות אתיות. מדע מזיהה וממד בעיות; החלטות תלו גם במגבלות אלו. סיכום צריך לנבוע מהעדויות והעדיפויות הנזכרות; אין משפט סטנדרטי סופי שמבטיח נקודות.

שחזור 1: קשרו את המשוואות

הכנה על ידי מורים: מנוע צורך 5.0 J בזמן 2.0 s. הוא מתחיל עגלה במסה 0.50 kg ממצב רכינה על מסילה אופקית. העגלה רוכשת 4.0 J של אנרגיה קינטית; שאר האנרגיה מחממת את המערכת ואת הסביבה. מצאו את המהירות הסופית, יעילות בהאצת העגלה, הספק כניסה ממוצע והעברת אנרגיה הנותרת. נסו לפני בדיקה.

בדיקה: מכיוון שהמהירות ההתחלתית היא אפס, האנרגיה הקינטית הסופית היא 4.0 J.

ה-1.0 J הללו הועברו על ידי חימום. האנרגיה שמורה.

שחזור 2: אבחון שלוש טענות

1. RP1: כל הקלט מהחימום מוגדר כהגבר האנרגטי של הבלוק, למרות שחלק ממנו מחמם את החדר. כאשר המסה והעלייה במידת החום הנמדדת קבועות, מה קורה לקיבול החום הספציפי המחושב?
2. RP2: שתי שכבות הבידוד ונפח המים משתנים. מדוע המסקנה לגבי השכבות אינה בטוחה? ציינו את המשתנים הבקרה.
3. פאנלים סולאריים מכונים אספקה מובטחת בלילה כי האנרגיה הסולארית היא מתחדשת. מה שגוי ומהו האספקה החלופית הנדרשת?

בדיקה:

1. $c=E_{\rm gained}/(m\Delta\theta)$. השימוש בקלט הגדול יותר גורם להערכת יתר של $c$ במקרה המצוין.
2. שני משתנים משתנים מטשטשים את התוצאה. שמרו על נפח, מיכל, טמפרטורת התחלה, זמן ומרחבים קבועים; חזרו על המדידות והשוו את ירידת הטמפרטורה לאורך אותו זמן.
3. תשלום (Replenishment) אינו מבטיח אספקת חשמל בזמן הצורך. נדרשת אחסנת מטען מספקת או מקור אנרגיה נוסף בשעות הלילה.

השתמש במונחים המבוקשים, הוצא משוואות ויחידות, ועקוב בהנחית הדיוק של השאלה. סיבה ותוצאה פיזיקלית שלה הם יותר שימושיים מאשר רשימת בדיקה נשמעת.

טעויות נפוצות

• הצבת האורך המתיחה ב$E_e = \tfrac12 ke^2$. השתמשו בארכוז $e$ = אורך מתיחה − אורך מקורי, במטרים.
• שכחת הריבוע של המהירות ב$E_k = \tfrac12 mv^2$. הכפלת המהירות גורמת לאנרגיה הקינטית להיות פי ארבע גדולה יותר.
• שימוש בגרמים ב$\Delta E = mc\Delta\theta$ או בדקות ב$P = E/t$. יש להמיר ל-kg ול-s תחילה.
• מתן יעילות מעל 100% (או 1). פלט מועיל לעולם אינו יכול לעלות על הכניסה הכוללת; אם זה קורה, שני המספרים הוחלפו.
• אמירה שהאנרגיה "נצחכה" או "אבדה". היא מפוזרת: מועברת למאגזרים פחות מועילים, בדרך כלל המאגר התרמי של הסביבה, והסך הכל נשאר אותו דבר.
• כינוי משאב מתחדש כאמין. רוח ושמש הם מתחדשים, אך הפלט שלהם תלוי במזג האוויר ובשעת היום.