ورقاتشرح درس تحولات الطاقة ثاني متوسط الفصل الأول
لا تفنى الطاقة ولا تُستحدث من العدم، وإنما تتحول من شكل إلى آخر، ويظل مجموعها ثابتًا، وتقاس كفاءة الجهاز بنسبة الطاقة المفيدة إلى الطاقة المبذولة فيه.
أهداف الدرس
- ينص على قانون حفظ الطاقة ويطبقه على تحولات الطاقة.
- يتتبع تحولات الطاقة في السقوط والأرجوحة والاحتراق والخلايا الشمسية.
- يوضح عمل المولد الكهربائي والتوربين.
- يميز بين مصادر الطاقة المتجددة وغير المتجددة.
- يحسب كفاءة جهاز ويفسر ضياع الطاقة.
المفهوم الأساسي
لا تفنى الطاقة ولا تُستحدث من العدم، وإنما تتحول من شكل إلى آخر، ويظل مجموعها ثابتًا، وتقاس كفاءة الجهاز بنسبة الطاقة المفيدة إلى الطاقة المبذولة فيه.
شرح الدرس
حين تضغط زر المصباح تضيء الغرفة، وهذه الكهرباء جاءت من محطة، والمحطة استمدت طاقتها من وقود أو من الشمس. سلسلة طويلة من التحولات تنقل الطاقة من مكان إلى آخر ومن شكل إلى آخر دون أن تضيع من الكون.
قانون حفظ الطاقة
«الطاقة لا تفنى ولا تستحدث، لكنها تتحول من شكل إلى آخر، ومجموع الطاقة قبل التحول وبعده ثابت.»
وهذا قانون من أهم قوانين العلم. أما ما نسميه ضياعًا للطاقة فهو تحول جزء منها إلى حرارة غير مفيدة تنتشر في الجو.
أمثلة على تحولات الطاقة
- السقوط الحر: كرة ترتفع تملك طاقة وضع، وكلما سقطت نقصت طاقة وضعها وزادت طاقتها الحركية، ومجموعهما ثابت إذا أهملنا مقاومة الهواء.
- الأرجوحة: عند أعلى نقطة تكون طاقة الوضع أكبر ما يمكن والحركية صفرًا، وعند أخفض نقطة تكون الحركية أكبر ما يمكن والوضع أقل ما يمكن.
- الاحتراق: تتحول الطاقة الكيميائية في الوقود إلى طاقة حرارية وضوئية.
- الخلايا الشمسية: تحول الطاقة الإشعاعية للشمس إلى طاقة كهربائية. وتحوي المملكة مشروعات كبيرة للطاقة الشمسية منها محطة سدير التي تغذي مئات الآلاف من البيوت.
- مصباح كهربائي: تتحول الطاقة الكهربائية إلى ضوء وحرارة.
مسألة: كرة كتلتها ٢ كجم على ارتفاع ٥ م، فكم سرعتها قبل الارتطام بالأرض مباشرة (الجاذبية ١٠ م/ث²)؟ الحل: طاقة الوضع = ٢ × ١٠ × ٥ = ١٠٠ جول، وعند الأرض تتحول كلها إلى حركية، فالطاقة الحركية = ½ × ٢ × ع² = ١٠٠ جول، فمربع السرعة = ١٠٠ ← السرعة = ١٠ م/ث
عند الحل نساوي الطاقة الكلية قبل التحول بالطاقة الكلية بعده.
المولد الكهربائي والتوربين
تنتج معظم الكهرباء في المحطات بالمولد الكهربائي، وهو جهاز يحول الطاقة الحركية إلى كهربائية بدوران مغناطيس قرب ملف سلكي. ويدير المغناطيس جهاز يسمى التوربين تدفعه قوة مائع: بخار ماء ساخن في المحطات الحرارية، أو مياه السدود، أو رياح في مزارع الرياح.
فسلسلة التحولات في محطة حرارية: كيميائية في الوقود ← حرارية في البخار ← حركية في التوربين ← كهربائية في المولد.
مصادر الطاقة
- المتجددة: تتجدد باستمرار ولا تنفد، كالشمس والرياح والماء المتدفق.
- غير المتجددة: تنفد باستخدامها لأن تكوّنها يستغرق زمنًا طويلًا جدًا، كالنفط والغاز الطبيعي والفحم.
وتسعى المملكة إلى زيادة حصة الطاقة المتجددة في إنتاج الكهرباء مع الاستمرار في استخدام الوقود الأحفوري بكفاءة.
كفاءة الطاقة
الجهاز لا يحول كل الطاقة المبذولة إلى طاقة مفيدة، بل يضيع جزء منها حرارة:
«الكفاءة = (الطاقة المفيدة ÷ الطاقة المبذولة) × ١٠٠»
مسألة: مصباح يستهلك ١٠٠ جول كهربائية فينتج ٢٠ جولًا ضوءًا. ما كفاءته؟ الحل: الكفاءة = (٢٠ ÷ ١٠٠) × ١٠٠ = ٢٠٪ والباقي ٨٠ جولًا ضاع حرارة. فمصباح الليد يحول طاقة أكبر إلى ضوء فكفاءته أعلى، ويوفر الكهرباء.
كفاءة أي جهاز حقيقي أقل من ١٠٠٪ لأن بعض الطاقة تتحول إلى حرارة غير مفيدة.
نشاط تعليمي
النشاط الأول
وصف تحولات الطاقة عند تشغيل مروحة كهربائية، وعند أكل تفاحة ثم الركض.
في المروحة كهربائية ← حركية وحرارة قليلة، وفي الأكل كيميائية في الغذاء ← حركية وحرارة في الجسم.
أن يتتبع الطالب تحولات الطاقة.
المسألة الثانية
آلة تستهلك ٥٠٠ جول وتنتج شغلًا مفيدًا ٤٠٠ جول. احسب كفاءتها.
الكفاءة = (٤٠٠ ÷ ٥٠٠) × ١٠٠ = ٨٠٪ — الهدف: أن يحسب الطالب الكفاءة.
التطبيق الثالث
كرة كتلتها ١ كجم تسقط من ارتفاع ٢٠ م، فكم طاقتها الحركية عند الأرض؟ استعمل ١٠ م/ث².
طاقة الوضع = ١ × ١٠ × ٢٠ = ٢٠٠ جول، فالحركية ٢٠٠ جول.
أن يطبق الطالب قانون حفظ الطاقة.
ملاحظات مهمة
- 1الطاقة لا تفنى ولا تستحدث وإنما تتحول.
- 2في السقوط تتحول الوضع إلى حركية.
- 3المولد يحول الحركية إلى كهربائية بمساعدة التوربين.
- 4المتجددة: شمس ورياح وماء، وغير المتجددة: نفط وغاز وفحم.
- 5الكفاءة = (الطاقة المفيدة ÷ الطاقة المبذولة) × ١٠٠
أخطاء شائعة
- ✗ خطأالقول إن الطاقة تفنى حين يتوقف الجسم عن الحركة.✓ الصواب: تتحول إلى حرارة بسبب الاحتكاك ولا تفنى.
- ✗ خطأالاعتقاد أن كفاءة الجهاز قد تبلغ أكثر من ١٠٠٪ —✓ الصواب: دائمًا أقل من ١٠٠٪ لأن بعض الطاقة تضيع حرارة.
+عرض جميع الأخطاء (3) ←إخفاء الأخطاء الإضافية
- ✗ خطأعدّ النفط مصدرًا متجددًا.✓ الصواب: النفط غير متجدد لأنه ينفد بالاستخدام.
ملخص الدرس
- قانون حفظ الطاقة: مجموع الطاقة ثابت.
- تتحول الطاقة بين الوضع والحركية والحرارية والكهربائية والإشعاعية.
- المولد والتوربين ينتجان الكهرباء.
- الطاقة المتجددة لا تنفد.
- الكفاءة تقيس الطاقة المفيدة.
هل أتقنت الدرس؟اختبر نفسك من خلال اختبار قصير من عدة أسئلة.
