אנרגיה: החשבנית של הפיזיקה
שום דבר אינו מושמד אנרגיה — היא רק מעבירה בין אגרים וחלקה מתפזרת לצורות פחות שימושיות. הנושא השני של OxfordAQA בונה את החישוב: עבודה ועוצמה, שלושת משוואות האגר האנרגטי, שימור עם דיאגרמות סנקי, והבחירות מאחורי מקורות אנרגיה לאומיים.
OxfordAQA International GCSE Physics 9203, נושא 3.2 (גרסה 5.1). הבעות מסומנות (P) הן לעמודExam-2-לבד.
כוחות ואנרגיה
עבודה מתבצעת כאשר כוח מזיז את נקודת הפעולה שלו למרחק; עבודה נגד חיכוך מעבירה אנרגיה באמצעות חימום (כניסת רכב שטח, מטאוריטים, בלמיים). קפיץ מ stretched מאחסן אנרגיה פוטנציאלית אלסטית $\frac{1}{2}ke^2$; מסה מורמת מאחסנת אנרגיה פוטנציאלית כבידתית mgh; מסה נעה נשאת אנרגיה קינטית ½mv² — הכפלת המסה מכפילה אותה, והכפלת המהירות מארבע אותה (קישור לבטיחות בדרכים). עוצמה היא קצב העברת האנרגיה.
בדיקה מופתרת. רכב בעל מסה 1500 kg במהירות 20 m/s מפעיל בלמים עד לעצירה: KE הוסרה $= \frac{1}{2} \times 1500 \times 400 = 300\,000$ J — כל זה הועבר לחימום הבלמיים. הרמתו ב2 m ב-g = 10 N/kg מאחסנת $1500 \times 10 \times 2 = 30\,000$ J.
העברות אנרגיה ופיזור
כשמערכת משתנה, האנרגיה מועברת – בצורה שימושית, מאוגרת או מופצרת ("מבוזבזת") לאגרים פחות שימושיים; היא לעולם אינה נוצרת או נהרסת. חיכוך והתנגדות אוויר מפזרים אנרגיה על ידי חימום. (P) מתנדול מחליף אנרגיה קינטית ואנרגיה פוטנציאלית כבידתית בכל תנודה.
דיאגרמות סנקי מציגות את ההתחדשות: החצים מתפצלים בהתאם לזרימי האנרגיה (שרטט אותן בקנה מידה – רוחב ∝ אנרגיה).
בדיקה פתורה. נורת 60 W מפיקה 6 W של אור: יעילות $= 6/60 \times 100 = 10\%$.
מקורות אנרגיה
דלקים נבחרים לפי נוחות האחסון, תוכן האנרגיה והבטיחות; חלקם מעבירים יותר מאנרגייתם בצורה שימושית מאחרים. ייצור לאומי שוקל חידושים מול עלות, אמינות ועלות הסביבתית של חילוץ, שימוש והשלכה.
בדוק את עצמך
- חשב את העבודה שנעשתה על ידי כוח של 50 N הנע 4 m.
- חשב את האנרגיה האלסטית בקפיץ (k = 200 N/m) שנמתח 0.15 m.
- ספרה בעלת מסה 2 kg מורמת לגובה 3 m ב-g = 10 N/kg. חשב את ה-GPE שהושג.
- מה קורה לאנרגיה הקינטית של מכונית כאשר היא מצלימה?
- מנוע מעביר 800 J בזמן 20 s. חשב את ההספק שלו.
- ציין את משוואת היעילות בצורת אנרגיה ובצורת הספק.
- מנורה נותנת 12 J של אור עבור כל 100 J שנכנסים. חשב את היעילות.
- מה מראה רוחב החץ בדיאגרמת סנקי?
- תן יתרון אחד ומחסר אחד של אנרגיית רוח.
- מה משמעות "מופצר"?
תשובות: 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 היא מועברת לאנרגיה תרמית של המבלמים והסביבה על ידי כוח החיכוך (המבלמים מתחממים); 5 $P = 800/20 = 40$ W; 6 אנרגיה שימושית ביציאה ÷ אנרגיה כולה בכניסה (×100 %); באופן שווה הספק שימושי ביציאה ÷ הספק כולל בכניסה; 7 $12/100 \times 100 = 12\%$; 8 הזרימה באנרגיה בכיוון זה — הרוחב פרופורציונלי לאנרגיה; 9 חדיש ללא דלק או פליטות; תפוקה לא אמינה עם השפעה ויזואלית; 10 מועבר לאגרים פחות שימושיים (לרוב חום פסולת), כך שהוא אינו יכול לבצע בקלות את מה שאנו רוצים.