Fysik

Lärandemål

I slutet av det här avsnittet kommer du att kunna:

• förklara lagen om energins bevarande.
• beskriva några av de många formerna av energi.
• Definiera effektiviteten i en energiomvandlingsprocess som den fraktion som lämnas kvar som nyttig energi eller arbete, snarare än att omvandlas till exempel till värmeenergi.

Metodiska kopplingar: Nyttan av energihushållningsprincipen

Det faktum att energi bevaras och har många former gör den mycket viktig. Du kommer att upptäcka att energi diskuteras i många sammanhang, eftersom den är involverad i alla processer. Det kommer också att bli uppenbart att många situationer förstås bäst i termer av energi och att problem ofta lättast konceptualiseras och löses genom att beakta energi.

Problemlösningsstrategier för energi

Du kommer att finna följande problemlösningsstrategier användbara när du har att göra med energi. Strategierna hjälper till att organisera och förstärka energibegreppen. De används faktiskt i de exempel som presenteras i det här kapitlet. De välkända allmänna problemlösningsstrategier som presenterats tidigare – som innebär att identifiera fysiska principer, kända och okända, kontrollera enheter och så vidare – fortsätter att vara relevanta här.

Steg 1. Bestäm det intressanta systemet och identifiera vilken information som ges och vilken kvantitet som ska beräknas. En skiss är till hjälp.

Steg 2. Undersök alla inblandade krafter och bestäm om du känner till eller får den potentiella energin från det arbete som utförs av krafterna. Använd sedan steg 3 eller steg 4.

Steg 3. Om du känner till de potentiella energierna för de krafter som ingår i problemet är alla krafter konservativa och du kan tillämpa bevarandet av mekanisk energi helt enkelt i termer av potentiell och kinetisk energi. Ekvationen som uttrycker bevarandet av energin är KEi + PEi = KEf + PEf.

Steg 4. Om du känner till den potentiella energin för endast en del av krafterna, möjligen för att en del av dem är icke-konservativa och inte har någon potentiell energi, eller om det finns andra energier som inte är lätta att behandla i termer av kraft och arbete, måste energihushållningslagen i sin mest allmänna form användas.

KEi + PEi + Wnc + OEi = KEf + PEf +OEf.

I de flesta problem är en eller flera av termerna noll, vilket förenklar dess lösning. Beräkna inte Wc, det arbete som utförs av konservativa krafter; det ingår redan i PE-termerna.

Steg 5. Du har redan identifierat vilka typer av arbete och energi som ingår (i steg 2). Innan du löser för den okända, eliminerar du termer där det är möjligt för att förenkla algebran. Välj till exempel h=0 vid antingen start- eller slutpunkten, så att PEg är noll där. Lös sedan för den okända på sedvanligt sätt.

Steg 6. Kontrollera svaret för att se om det är rimligt. När du har löst ett problem ska du granska formerna för arbete och energi på nytt för att se om du har ställt upp ekvationen för energins bevarande på rätt sätt. Exempelvis bör arbete mot friktion vara negativt, den potentiella energin vid botten av en kulle bör vara mindre än den vid toppen, och så vidare. Kontrollera också att det erhållna numeriska värdet är rimligt. Till exempel kan sluthastigheten för en skateboardåkare som rusar nerför en 3 meter hög ramp rimligen vara 20 km/h, men inte 80 km/h.

Figur 1. Solenergi omvandlas till elektrisk energi av solceller, som används för att driva en motor i detta solcellsflygplan. (kredit: NASA)

PhET Explorations: Massor och fjädrar

Ett realistiskt laboratorium för massor och fjädrar. Häng upp massor från fjädrar och justera fjäderns styvhet och dämpning. Du kan till och med sakta ner tiden. Transportera laboratoriet till olika planeter. Ett diagram visar den kinetiska, potentiella och termiska energin för varje fjäder.

Klicka för att köra simuleringen.

Konceptuella frågor

1. Tänk på följande scenario. En bil för vilken friktionen inte är försumbar accelererar från stillastående nedför en backe och får slut på bensin efter en kort sträcka. Föraren låter bilen köra vidare nedför backen och sedan upp och över ett litet krön. Han kör sedan nedför backen till en bensinstation, där han bromsar in och fyller tanken med bensin. Identifiera de energiformer som bilen har och hur de förändras och överförs i denna serie händelser. (Se figur 2.)
   

   Figur 2. En bil som upplever icke försumbar friktion åker nerför en backe, över en liten krön, sedan nerför igen och stannar vid en bensinstation.

2. En bil som upplever icke försumbar friktion åker nerför en backe, över en liten krön, sedan nerför igen och stannar vid en bensinstation.
3. En bil åker nerför en backe, förflyttar sig över en krön för att sedan återigen förflytta sig nedför en backe och till slut stanna vid en bensinstation. Var och en av dessa positioner är märkt med en pil som pekar nedåt.
4. Beskriv energiöverföringarna och -omvandlingarna för ett spjut, med början från den punkt där en idrottsman tar upp spjutet och slutar när spjutet fastnar i marken efter att ha kastats.
5. Bryter anordningar med en verkningsgrad som är mindre än ett mot lagen om bevarande av energi? Förklara.
6. Lista fyra olika former eller typer av energi. Ge ett exempel på en omvandling från var och en av dessa former till en annan form.
7. Lista de energiomvandlingar som sker när man cyklar.

Problem &Övningar

1. Med hjälp av värdena i tabell 1, hur många DNA-molekyler skulle kunna brytas med hjälp av energin som bärs upp av en enskild elektron i strålen från ett gammaldags tv-rör? (Dessa elektroner var inte farliga i sig själva, men de skapade farliga röntgenstrålar. Senare modeller av rör-tv-apparater hade en avskärmning som absorberade röntgenstrålarna innan de kunde komma ut och exponera tittarna.)
2. Visa med hjälp av energiöverväganden och med antagandet att luftmotståndet är försumbart att en sten som kastas från en bro 20,0 m ovanför vattenytan med en utgångshastighet på 15.Om energin i fusionsbomber används för att tillgodose världens energibehov, hur många av 9-megatonvarianten skulle då behövas för att tillgodose ett års energiförsörjning (med hjälp av data från tabell 1)? Detta är inte så långsökt som det kan låta – det finns tusentals atombomber, och deras energi kan fångas in i underjordiska explosioner och omvandlas till elektricitet, på samma sätt som naturlig geotermisk energi.
3. (a) Användning av vätefusion för energiförsörjning är en dröm som kan förverkligas under nästa århundrade. Fusion skulle vara en relativt ren och nästan obegränsad energiförsörjning, vilket framgår av tabell 1. För att illustrera detta, beräkna hur många år världens nuvarande energibehov skulle kunna tillgodoses med en miljondel av havets vätefusionsenergi. (b) Hur kan denna tid jämföras med historiskt betydelsefulla händelser, t.ex. varaktigheten av stabila ekonomiska system?

Utvalda lösningar på problem & Övningar

1. 4 × 104 molekyler

2. Genom att jämföra ΔPEg och ΔKE får vi v=\sqrt{2gh+v_0^2}=\sqrt{2\left(9.80\text{ m/s}^2\right)\left(20.0\text{ m}\right)+\left(15.0\text{ m/s}\right)^2}=24.8\text{ m/s}\\\\

4. (a) 25 × 106 år; (b) Detta är mycket, mycket längre än människans tidsskalor.

1. Representativa värden ↵