جواب فصل ۸ علوم هفتم؛ پاسخ درس هشتم انرژی و تبدیل‌های آن

به فهرست زیر، جمله‌هایی اضافه کنید که واژه‌ی «کار» در آنها معنای متفاوتی داشته باشد.

• امروز خیلی کار دارم.
• من در یک شرکت تولید بازی‌های رایانه‌ای کار می‌کنم.
• …………
• …………

نمونه پاسخ:
• کار خوبی کردی که به دوستت کمک کردی.
• این ساعت قدیمی هنوز به‌خوبی کار می‌کند.

در زبان روزمره واژه‌ی «کار» معنی‌های مختلفی دارد؛ اما در علوم، کار یک مفهوم مشخص و قابل اندازه‌گیری است.

پاسخ: فعالیت‌هایی که در آنها نیروی قابل اندازه‌گیری باعث جابه‌جایی جسم می‌شود را می‌توان با تعریف علمی کار بررسی کرد؛ برای مثال جابه‌جا کردن یک جسم، بالا بردن یک وسیله یا هل دادن جسمی که حرکت می‌کند.

برای اندازه‌گیری کار، مقدار نیرو را با نیروسنج و مقدار جابه‌جایی را با متر یا خط‌کش اندازه می‌گیریم و حاصل‌ضرب این دو را به دست می‌آوریم.

کارهای ذهنی مانند فکر کردن یا مطالعه کردن، با این تعریف فیزیکی مستقیماً به صورت «نیرو × جابه‌جایی» اندازه‌گیری نمی‌شوند.

وسایل و مواد: نیروسنج، متر یا خط‌کش و دو قطعه چوب یا آجر

روش آزمایش:
۱- نیروسنج را به قطعه چوبی که روی سطح افقی میز قرار دارد وصل کنید.
۲- چوب را به‌آرامی با نیروسنج بکشید تا مثلاً ۳۰ سانتی‌متر جابه‌جا شود.
۳- هنگام حرکت، مقدار نیروی نشان‌داده‌شده روی نیروسنج را بخوانید و حاصل‌ضرب نیرو در جابه‌جایی را حساب کنید.
۴- آزمایش را برای جابه‌جایی ۵۰ سانتی‌متر تکرار کنید.
۵- دو قطعه چوب را روی یکدیگر قرار دهید و مراحل را دوباره انجام دهید. جسم‌ها باید با سرعت تقریباً ثابت حرکت کنند.

آزمایش	جابه‌جایی (m)	نیرو (N)	نیرو × جابه‌جایی (J)
یک قطعه چوب	۰/۳۰	۲	۲ × ۰٫۳۰ = ۰٫۶
یک قطعه چوب	۰/۵۰	۲	۲ × ۰٫۵۰ = ۱
دو قطعه چوب	۰/۳۰	۴	۴ × ۰٫۳۰ = ۱٫۲
دو قطعه چوب	۰/۵۰	۴	۴ × ۰٫۵۰ = ۲

توجه: عددهای نیرو در جدول بالا نمونه پاسخ هستند. مقدار واقعی نیروسنج به جرم قطعه‌ها، جنس سطح و اصطکاک بستگی دارد و باید در آزمایش خودتان اندازه‌گیری شود.

نتیجه‌ی اصلی این است که با افزایش نیرو یا جابه‌جایی، مقدار کار انجام‌شده بیشتر می‌شود.

بررسی هر شش تصویر کتاب:

الف) نیرو می‌تواند جسم ساکن را به حرکت درآورد.
ب) نیرو می‌تواند سرعت جسم در حال حرکت را بیشتر کند.
پ) نیرو می‌تواند سرعت جسم را کم کند.
ت) نیرو می‌تواند حرکت جسم را متوقف کند.
ث) نیرو می‌تواند شکل جسم را تغییر دهد.
ج) نیرو می‌تواند جهت حرکت جسم را تغییر دهد.

شرط انجام کار: اگر نیروی واردشده بر جسم باعث جابه‌جایی آن شود، در تعریف این فصل روی جسم کار انجام شده است.

در حالتی که نیرو ثابت باشد و جسم در مسیر مستقیم و در جهت نیرو جابه‌جا شود:

یعنی کار برابر حاصل‌ضرب نیرو در جابه‌جایی است.
یکای نیرو نیوتون، جابه‌جایی متر و یکای کار ژول است.

پاسخ:
۲۰۰۰ × ۱٫۸ = ۳۶۰۰ J

پس کار انجام‌شده برابر ۳۶۰۰ ژول است.

بررسی تصاویر کتاب:

۱- وزنه‌بردار که وزنه را بالای سر نگه داشته است: اگر وزنه جابه‌جا نشود، جابه‌جایی صفر است؛ بنابراین با تعریف این فصل، کار مکانیکی انجام‌شده روی وزنه صفر است.

۲- شخصی که دیوار را هل می‌دهد: اگر دیوار جابه‌جا نشود، با وجود وارد شدن نیرو، کاری روی دیوار انجام نمی‌شود.

۳- شخصی که جعبه‌ای را افقی حمل می‌کند: نیروی دست رو به بالا و جابه‌جایی افقی است. در این وضعیت خاص، نیرو بر جابه‌جایی عمود است و نیروی دست روی جعبه کار انجام نمی‌دهد.

پاسخ:
۳۲۵ × ۲ = ۶۵۰ J

پس کار انجام‌شده برابر ۶۵۰ ژول است.

پاسخ: در روش اول جسم با نیروی ۱۰۰ نیوتون، ۱ متر به صورت قائم جابه‌جا می‌شود:

۱۰۰ × ۱ = ۱۰۰ J

در روش دوم جسم با نیروی ۵۰ نیوتون، ۲ متر روی سطح شیب‌دار حرکت می‌کند:

۵۰ × ۲ = ۱۰۰ J

بنابراین در شرایط ایده‌آل کار انجام‌شده در هر دو روش برابر است؛ اما استفاده از سطح شیب‌دار راحت‌تر است، زیرا نیروی کمتری لازم دارد، هرچند مسیر طولانی‌تر می‌شود.

بررسی سه تصویر شکل ۵:
الف) کشتی: انرژی شیمیایی سوخت به انرژی جنبشی کشتی تبدیل می‌شود.

ب) سوختن چوب: انرژی شیمیایی ذخیره‌شده در چوب به انرژی گرمایی و نورانی تبدیل می‌شود.

پ) تلویزیون: انرژی الکتریکی به انرژی‌های نورانی، صوتی و گرمایی تبدیل می‌شود.

پاسخ:
الف) در یک رادیو بخش زیادی از انرژی الکتریکی به انرژی صوتی تبدیل می‌شود.

ب) در یک چراغ‌قوه، انرژی شیمیایی ذخیره‌شده در باتری به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود. لامپ این انرژی را به انرژی نورانی و گرمایی تبدیل می‌کند.

پاسخ: جرم دو خودرو تقریباً یکسان است؛ اما سرعت خودروی سبز بیشتر است. بنابراین انرژی جنبشی خودروی سبز بیشتر است.

پاسخ: سرعت آنها یکسان است، اما جرم کامیون بیشتر است؛ بنابراین انرژی جنبشی کامیون بیشتر است.

نتیجه: انرژی جنبشی جسم به جرم و سرعت آن بستگی دارد. هرچه جرم یا سرعت بیشتر باشد، انرژی جنبشی نیز بیشتر می‌شود.

پاسخ: بله. در شکل، شخص با وارد کردن نیرو و جابه‌جا کردن توپ روی آن کار انجام می‌دهد و انرژی به توپ منتقل می‌شود. در نتیجه توپ حرکت می‌کند و انرژی جنبشی به دست می‌آورد.

پاسخ: بله. توپ متحرک پس از برخورد با جسم‌های دیگر به آنها نیرو وارد می‌کند و اگر آنها را جابه‌جا کند، روی آنها کار انجام داده است.

پاسخ: درست است. هنگامی که روی جسمی کار انجام می‌شود، انرژی می‌تواند از یک جسم یا سامانه به جسم دیگر منتقل شود.

وسایل و مواد: چند گلوله با جرم‌های متفاوت، یک قطعه نخ و یک تکه چوب

مراحل آزمایش:
۱- گلوله‌ای را به نخ متصل کنید و آونگ بسازید.
۲- قطعه چوب را در مسیر حرکت آونگ قرار دهید.
۳- گلوله را از ارتفاع معینی رها کنید و پس از برخورد آونگ با چوب، مقدار جابه‌جایی چوب را اندازه بگیرید.
۴- آزمایش را برای ارتفاع‌های مختلف تکرار کنید.
۵- آزمایش را با گلوله‌هایی با جرم متفاوت نیز انجام دهید.

تغییر آزمایش	نتیجه‌ی مورد انتظار
افزایش ارتفاع رها شدن گلوله با جرم ثابت	جابه‌جایی چوب بیشتر می‌شود.
افزایش جرم گلوله در ارتفاع یکسان	جابه‌جایی چوب بیشتر می‌شود.

نتیجه: هرچه جرم گلوله بیشتر باشد یا گلوله از ارتفاع بیشتری رها شود، انرژی بیشتری دارد و پس از برخورد می‌تواند قطعه چوب را بیشتر جابه‌جا کند.

بنابراین انرژی پتانسیل گرانشی جسم به وزن جسم و ارتفاع آن از سطح زمین بستگی دارد.

پاسخ بر اساس تصاویر کتاب:

مرحله‌ی اول ـ بالا بردن سنگ: میمون با وارد کردن نیرو و بالا بردن سنگ روی آن کار انجام می‌دهد. انرژی از بدن میمون به سنگ منتقل و به صورت انرژی پتانسیل گرانشی در سنگ ذخیره می‌شود.

مرحله‌ی دوم ـ نگه داشتن سنگ: سنگ در ارتفاع دارای انرژی پتانسیل گرانشی است. اگر در همان ارتفاع بی‌حرکت نگه داشته شود، جابه‌جایی ندارد.

مرحله‌ی سوم ـ رها کردن سنگ: هنگام سقوط، انرژی پتانسیل گرانشی سنگ کاهش و به انرژی جنبشی تبدیل می‌شود.

مرحله‌ی چهارم ـ برخورد: سنگ متحرک هنگام برخورد با جسم پایین می‌تواند به آن نیرو وارد کند و آن را جابه‌جا کند؛ یعنی سنگ روی آن کار انجام می‌دهد.

وقتی فنر، نوار لاستیکی یا زه کمان را می‌کشیم، در آن انرژی پتانسیل کشسانی ذخیره می‌شود.

در شکل کتاب:
ب) کمان کشیده‌شده دارای انرژی پتانسیل کشسانی است.
پ) پس از رها کردن زه، انرژی پتانسیل کشسانی به انرژی جنبشی پیکان تبدیل می‌شود.

زردپی آشیل در پشت پا نیز تا حدودی مانند یک فنر طبیعی می‌تواند انرژی پتانسیل کشسانی را ذخیره و آزاد کند.

قانون پایستگی انرژی:
انرژی هرگز به وجود نمی‌آید یا از بین نمی‌رود؛ تنها شکل آن تغییر می‌کند و مقدار کل آن ثابت می‌ماند.

بررسی شکل لامپ: اگر در هر ثانیه ۱۰ ژول انرژی الکتریکی به لامپ برسد، مجموع انرژی‌های خروجی نیز ۱۰ ژول است. شکل کتاب نشان می‌دهد حدود ۱ ژول به صورت انرژی نورانی و ۹ ژول به صورت انرژی گرمایی خارج می‌شود.

۱ + ۹ = ۱۰ J

در شکل کتاب با سوختن هر گرم بنزین حدود ۴۵۰۰۰ ژول انرژی آزاد می‌شود که ۱۵۰۰۰ ژول آن به انرژی جنبشی خودرو تبدیل می‌شود.

پاسخ:
انرژی گرمایی هدررفته:

۴۵۰۰۰ − ۱۵۰۰۰ = ۳۰۰۰۰ J

پس جای خالی باید با ۳۰۰۰۰ ژول انرژی گرمایی کامل شود.

خوراکی	انرژی هر گرم کیلوژول بر گرم
سیب‌زمینی	۳/۹
غلات	۵
بستنی وانیلی	۹/۳
نان لواش	۱۱/۳
شکر	۱۶/۸
کیک ساده	۱۸
روغن نباتی	۳۲/۲
شیر کم‌چرب	۱/۸
شیر پرچرب	۳
حبوبات	۵
مرغ	۶/۷
تخم‌مرغ آب‌پز	۶/۸
گوجه‌فرنگی	۰/۹
سیب	۲/۴
موز	۳/۶

تبدیل یکا: هر یک کیلوکالری تقریباً برابر ۴۲۰۰ ژول است.

پاسخ:
تخم‌مرغ:
۶۰ × ۶٫۸ = ۴۰۸ kJ

گوجه‌فرنگی:
۵۰ × ۰٫۹ = ۴۵ kJ

نان لواش:
۱۰۰ × ۱۱٫۳ = ۱۱۳۰ kJ

انرژی کل:
۴۰۸ + ۴۵ + ۱۱۳۰ = ۱۵۸۳ kJ

بنابراین بدن از این وعده‌ی غذایی حدود ۱۵۸۳ کیلوژول انرژی دریافت می‌کند.

اگر بخواهیم آن را تقریباً به کیلوکالری تبدیل کنیم:
۱۵۸۳۰۰۰ ÷ ۴۲۰۰ ≈ ۳۷۷ kcal

وعده	خوراکی	مقدار	انرژی تقریبی (kJ)
صبحانه	نان لواش	۱۰۰ گرم	۱۱۳۰
صبحانه	شیر پرچرب	۲۵۰ گرم	۷۵۰
صبحانه	تخم‌مرغ آب‌پز	۶۰ گرم	۴۰۸
میان‌وعده	موز	۱۵۰ گرم	۵۴۰
ناهار	مرغ	۱۵۰ گرم	۱۰۰۵
ناهار	سیب‌زمینی	۲۰۰ گرم	۷۸۰
عصرانه	کیک ساده	۸۰ گرم	۱۴۴۰
شام	حبوبات	۲۵۰ گرم	۱۲۵۰
شام	نان لواش	۱۰۰ گرم	۱۱۳۰

توجه: این جدول فقط نمونه پاسخ است. دانش‌آموز باید غذاها و مقدار واقعی مصرف خود را بنویسد و با استفاده از جدول کتاب مقدار انرژی را محاسبه کند.

پاسخ بر اساس تمام مراحل شکل:
خورشید ← کشاورزی ← محصولات کشاورزی ← غذا ← کودک ← کار

انرژی نورانی خورشید توسط گیاهان دریافت می‌شود و در فرایند فتوسنتز به صورت انرژی شیمیایی در مواد غذایی ذخیره می‌شود.

انسان با خوردن این مواد غذایی انرژی شیمیایی آنها را دریافت می‌کند. بدن این انرژی را هنگام انجام فعالیت‌ها به شکل‌هایی مانند انرژی جنبشی و گرمایی تبدیل می‌کند.

بنابراین منشأ بخش بزرگی از انرژی‌ای که بدن ما از غذا دریافت می‌کند، در نهایت خورشید است.

فرد	متوسط انرژی مورد نیاز در شبانه‌روز
کودک ۱ تا ۲ سال	۴۰۰۰ کیلوژول
کودک ۸ تا ۹ سال	۸۰۰۰ کیلوژول
دختر ۱۲ تا ۱۵ سال	۱۰۰۰۰ کیلوژول
پسر ۱۲ تا ۱۵ سال	۱۲۰۰۰ کیلوژول
زن کارمند	۱۰۰۰۰ کیلوژول
مرد کارمند	۱۱۰۰۰ کیلوژول
مرد کارگر	۱۵۰۰۰ کیلوژول

نتیجه‌ی نمودار: مقدار انرژی مورد نیاز افراد به عواملی مانند سن، میزان رشد، جنسیت و مقدار فعالیت بدنی بستگی دارد. فردی که فعالیت جسمانی بیشتری دارد معمولاً به انرژی بیشتری نیاز دارد.

پاسخ: این وعده حدود ۱۵۸۳ کیلوژول انرژی دارد. در مقایسه با نیاز روزانه‌ی ۱۰۰۰۰ تا ۱۲۰۰۰ کیلوژول، این مقدار فقط بخش نسبتاً کمی از انرژی مورد نیاز روزانه را تأمین می‌کند؛ بنابراین برای یک نوجوان فعال، صبحانه‌ی نسبتاً کم‌انرژی محسوب می‌شود.

برای نمونه:
۱۵۸۳ ÷ ۱۰۰۰۰ × ۱۰۰ ≈ ۱۵٫۸٪
و
۱۵۸۳ ÷ ۱۲۰۰۰ × ۱۰۰ ≈ ۱۳٫۲٪

خود کتاب درصد مشخصی برای سهم صبحانه از انرژی روزانه تعیین نکرده است؛ بنابراین نتیجه‌ی دقیق درباره‌ی «کافی بودن» علاوه بر مقدار انرژی، به ترکیب غذا و نیاز فرد نیز بستگی دارد.

نکته‌ی مهم فصل: کار یکی از راه‌های انتقال انرژی است. انرژی می‌تواند از شکلی به شکل دیگر تبدیل شود، اما طبق قانون پایستگی انرژی، مقدار کل انرژی از بین نمی‌رود و انرژی جدید نیز از هیچ به وجود نمی‌آید.

جمع‌بندی کوتاه فصل هشتم علوم هفتم: اگر نیروی واردشده بر جسم باعث جابه‌جایی آن شود، روی جسم کار انجام می‌شود و در حالت ساده مقدار کار از حاصل‌ضرب نیرو در جابه‌جایی به دست می‌آید. جسم متحرک انرژی جنبشی دارد و انرژی جنبشی آن به جرم و سرعت وابسته است. جسمی که در ارتفاع قرار گرفته، انرژی پتانسیل گرانشی دارد و فنر یا کمان کشیده‌شده دارای انرژی پتانسیل کشسانی است. انرژی می‌تواند بین این شکل‌ها تبدیل شود، اما طبق قانون پایستگی انرژی مقدار کل آن ثابت می‌ماند. بدن نیز انرژی لازم برای فعالیت‌های خود را از انرژی شیمیایی ذخیره‌شده در مواد غذایی به دست می‌آورد.