خلاصه درس فصل ۸ علوم هفتم؛ درسنامه و نکات مهم

وقتی می‌گویی «امروز خیلی کار داشتم»، شاید منظورت درس خواندن، فکر کردن یا مرتب کردن اتاقت باشد. اما در علوم، برای کار معنای مشخص و قابل‌اندازه‌گیری در نظر می‌گیریم. پس نمی‌توانیم فقط از روی سختی یک فعالیت یا میزان خستگی دربارهٔ کار علمی قضاوت کنیم.

چرا این مفهوم مهم است؟ چون انجام کار یکی از راه‌های انتقال انرژی است. مثلاً هنگام ضربه زدن به توپ، با وارد کردن نیرو و جابه‌جا کردن توپ به آن انرژی منتقل می‌کنی. در این درس ابتدا یاد می‌گیری چه زمانی نیرو کار انجام می‌دهد و بعد مقدار آن را حساب می‌کنی.

نیرو می‌تواند حرکت جسم را شروع کند، تندتر یا کندتر کند، آن را متوقف کند یا شکل و جهت حرکتش را تغییر دهد. اما برای بررسی کار، فقط شناخت نیرو کافی نیست؛ باید جابه‌جایی جسم را هم بررسی کنیم. وقتی نیرو باعث جابه‌جایی جسم در جهت خودش می‌شود، کار انجام می‌دهد؛ مثل بلند کردن کتاب از روی میز.

برای اندازه‌گیری، می‌توان قطعه‌چوبی را با نیروسنج روی میز کشید. نیروسنج مقدار نیرو را نشان می‌دهد و متر یا خط‌کش، جابه‌جایی را مشخص می‌کند. چوب را آرام و با سرعت ثابت می‌کشیم تا بتوانیم مقدار نیروی تقریباً ثابتی را بخوانیم و نتیجه‌ها را مقایسه کنیم.

در مسئله‌های این درس، نیرو ثابت است و جسم در مسیری مستقیم، در جهت نیرو حرکت می‌کند. برای این حالت می‌نویسیم:

$\text{کار}=\text{نیرو}\times\text{جابه‌جایی}$

نیرو را برحسب نیوتون، $\mathrm{N}$، و جابه‌جایی را برحسب متر، $\mathrm{m}$، وارد رابطه می‌کنیم؛ پاسخ برحسب ژول، $\mathrm{J}$، به دست می‌آید. اگر فاصله به سانتی‌متر داده شده باشد، ابتدا باید آن را به متر تبدیل کنی.

این رابطه نشان می‌دهد که با جابه‌جایی برابر، نیروی بیشتر کار بیشتری انجام می‌دهد. همچنین ممکن است روشی نیروی کمتری بخواهد، اما مسیر طولانی‌تری داشته باشد و کار دو روش برابر شود. پس «راحت‌تر بودن» یک روش، همیشه به معنی کمتر بودن کار نیست.

هر نیرویی کار انجام نمی‌دهد. اگر دیوار را هل بدهی ولی دیوار حرکت نکند، جابه‌جایی آن صفر است؛ بنابراین کار نیروی تو روی دیوار هم صفر است. نگه داشتن وزنه بالای سر نیز، تا وقتی وزنه بی‌حرکت است، همین وضعیت را دارد. خستگی بدن این نتیجه را عوض نمی‌کند.

حالت دیگری هم هست: جعبه‌ای را در ارتفاع ثابت نگه داشته‌ای و آرام روی مسیر افقی راه می‌روی. نیروی نگه‌دارندهٔ دست رو به بالاست، اما جابه‌جایی جعبه افقی است. چون این نیرو بر جابه‌جایی عمود است، کار آن صفر است. دقت کن که دربارهٔ کار همین نیرو روی جعبه حرف می‌زنیم، نه مصرف انرژی بدن.

انرژی فقط یک شکل ندارد. جسم متحرک انرژی حرکتی یا جنبشی دارد؛ انرژی گرمایی، نورانی، صوتی، شیمیایی و الکتریکی هم شکل‌های دیگری از انرژی‌اند. معمولاً وقتی انرژی منتقل می‌شود یا شکل آن تغییر می‌کند، اثرش را تشخیص می‌دهیم.

مثلاً در سوختن چوب، انرژی شیمیایی ذخیره‌شده به انرژی گرمایی و نورانی تبدیل می‌شود. در رادیو، بخش زیادی از انرژی الکتریکی به انرژی صوتی تبدیل می‌شود. در چراغ‌قوه هم باتری انرژی شیمیایی ذخیره دارد که به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود؛ سپس لامپ نور و گرما تولید می‌کند. بنابراین یک وسیله می‌تواند انرژی را به بیش از یک شکل تبدیل کند.

به چراغ‌قوه فکر کن: پیش از روشن شدن، انرژی در باتری به شکل شیمیایی ذخیره شده است. با روشن کردن چراغ‌قوه، این انرژی به انرژی الکتریکی تبدیل می‌شود و لامپ، انرژی الکتریکی را به نور و گرما تبدیل می‌کند. پس همیشه فقط یک تبدیل یا فقط یک شکلِ خروجی نداریم.

در رادیو هم انرژی الکتریکی به انرژی صوتی تبدیل می‌شود تا صدا بشنویم. در کشتیِ دارای موتور سوختی، انرژی شیمیایی سوخت به انرژی حرکتی تبدیل می‌شود. برای پیدا کردن تبدیل انرژی، از خودت بپرس: «در آغاز انرژی به چه شکلی بود و در پایان چه اثری دیدم یا شنیدم؟» این پرسش کمک می‌کند وسیله را با منبع انرژی‌اش اشتباه نگیری.

هر جسمی که حرکت می‌کند، انرژی جنبشی دارد؛ این همان نام علمی انرژی حرکتی است. توپِ غلتان، دوچرخهٔ در حال حرکت و حتی یک دانهٔ کوچکِ در حال افتادن، انرژی جنبشی دارند.

مقدار این انرژی به جرم و سرعت بستگی دارد. برای مقایسهٔ روشن، هر بار یکی از این دو ویژگی را یکسان نگه دار: اگر دو خودرو هم‌جرم باشند، خودروی تندتر انرژی جنبشی بیشتری دارد. اگر کامیون و خودرویی با سرعت یکسان حرکت کنند، کامیون به دلیل جرم بیشتر، انرژی جنبشی بیشتری دارد.

پس تنها دیدنِ حرکت کافی نیست تا مقدار انرژی دو جسم را برابر بدانیم. همچنین اگر هم جرم و هم سرعت متفاوت باشند، نمی‌توان همیشه فقط با نگاه کردن به یکی از آن‌ها نتیجه گرفت.

وقتی با دست به توپ نیرو وارد می‌کنی و آن را در جهت نیرو جابه‌جا می‌کنی، روی توپ کار انجام می‌دهی. با این کار، انرژی از تو به توپ منتقل می‌شود و توپ می‌تواند انرژی جنبشی به دست آورد.

حالا توپ به چند مهره می‌رسد. اگر به آن‌ها نیرو وارد کند و جابه‌جایشان کند، این بار توپ روی مهره‌ها کار انجام داده است. پس جسمِ دارای انرژی جنبشی می‌تواند روی جسم‌های دیگر کار انجام دهد.

برای محاسبهٔ کار در حالتی که نیرو و جابه‌جایی هم‌جهت‌اند، داریم: $W=F\times d$. یعنی نیرو را در جابه‌جایی ضرب می‌کنیم. اگر نیرو بر حسب $N$ و جابه‌جایی بر حسب $m$ باشد، کار بر حسب $J$، یعنی ژول، به دست می‌آید.

آیا کار انجام دادن همیشه جسم را تندتر می‌کند؟ نه! کتابی را با سرعت ثابت از طبقهٔ پایین به طبقهٔ بالای کتابخانه ببر. به کتاب نیرو وارد کرده‌ای و آن را جابه‌جا کرده‌ای، اما چون سرعتش ثابت مانده، انرژی جنبشی‌اش تغییر نکرده است. انرژیِ منتقل‌شده به شکل انرژی پتانسیل گرانشی ذخیره شده است؛ یعنی انرژی مرتبط با ارتفاع جسم.

آونگ هم این ارتباط را نشان می‌دهد: گلوله را بالا می‌بری و رها می‌کنی؛ هنگام پایین آمدن، انرژی ذخیره‌شده به انرژی جنبشی تبدیل می‌شود و گلوله می‌تواند چوبی را جابه‌جا کند. برای بررسی اثر ارتفاع، همان گلوله و همان چوب را نگه دار و فقط ارتفاع رها کردن را تغییر بده. برای بررسی اثر جرم هم ارتفاع رها کردن را یکسان نگه دار.

وقتی به توپی نیرو وارد می‌کنی و آن را جابه‌جا می‌کنی، روی آن کار انجام می‌دهی. توپِ به‌حرکت‌افتاده انرژی جنبشی دارد و می‌تواند با برخورد به جسمی دیگر، آن را جابه‌جا کند؛ یعنی روی آن کار انجام دهد. پس کار، راهی برای انتقال انرژی است.

اما آیا کار همیشه جسم را تندتر می‌کند؟ نه! کتابی را آرام و با سرعت ثابت بالا ببر. چون سرعتش تغییر نمی‌کند، انرژی جنبشی آن هم تغییر نمی‌کند. بااین‌حال، کارِ دست تو بی‌نتیجه نیست: انرژی به شکل پتانسیل گرانشی ذخیره می‌شود. وقتی کتاب را روی قفسه می‌گذاری، ساکن است، اما به‌دلیل ارتفاعش از زمین انرژی ذخیره‌شده دارد.

مقدار انرژی پتانسیل گرانشی به وزن جسم و ارتفاع آن از سطح زمین بستگی دارد. اگر وزن ثابت بماند، جسم در ارتفاع بیشتر انرژی پتانسیل گرانشی بیشتری دارد. اگر ارتفاع یکسان باشد، جسم سنگین‌تر انرژی پتانسیل گرانشی بیشتری دارد.

آزمایش آونگ کمک می‌کند این رابطه را بررسی کنیم. گلوله را از کنار وضعیت قائم بالا می‌بریم و بدون هل‌دادن رها می‌کنیم. هنگام پایین آمدن، انرژی پتانسیل گرانشی آن به انرژی جنبشی تبدیل می‌شود و گلوله می‌تواند قطعهٔ چوب را جابه‌جا کند. برای بررسی اثر ارتفاع، باید همان گلوله و شرایط دیگر را ثابت نگه داریم و فقط ارتفاع رهاکردن را تغییر دهیم.

انرژی ذخیره‌شده فقط از نوع گرانشی نیست. مواد غذایی و سوخت‌ها انرژی پتانسیل شیمیایی دارند؛ بدن از انرژی ذخیره‌شده در غذا برای فعالیت استفاده می‌کند و سوخت هم هنگام سوختن انرژی آزاد می‌کند.

نوع دیگری از انرژی ذخیره‌شده، انرژی پتانسیل کشسانی است. وقتی نوار لاستیکی، فنر یا کمان را می‌کشیم، در آن انرژی ذخیره می‌شود. با رهاشدن کمان، این انرژی می‌تواند به انرژی جنبشی پیکان تبدیل شود. پس کشِ کشیده‌شده، حتی وقتی آن را بی‌حرکت نگه داشته‌ای، انرژی ذخیره‌شده دارد. زردپی آشیل پشت پا هم مانند یک فنر طبیعی، انرژی کشسانی را ذخیره و آزاد می‌کند و به دویدن کمک می‌کند.

انرژی می‌تواند شکل عوض کند، اما با این تغییر نه ساخته می‌شود و نه نابود. این همان قانون پایستگی انرژی است: مقدار کل انرژی ثابت می‌ماند.

در یک چراغ باتری‌دار، انرژی شیمیایی باتری به انرژی الکتریکی و سپس در لامپ به نور و گرما تبدیل می‌شود. برای دنبال‌کردن انرژی نباید فقط نور را حساب کنیم؛ گرما هم بخشی از انرژی خروجی است. در خودرو هم همهٔ انرژی سوخت به حرکت تبدیل نمی‌شود و بخشی به صورت گرما درمی‌آید. وقتی می‌گوییم این انرژی «هدر رفته»، منظورمان این نیست که ناپدید شده؛ یعنی برای هدف ما، مثلاً حرکت خودرو، به کار نیامده است.

وقتی توپی را رو به بالا پرتاب می‌کنی، ماجرا فقط حرکت توپ نیست. بدن تو با استفاده از انرژی شیمیایی ذخیره‌شده، توپ را به حرکت درمی‌آورد. توپِ در حال حرکت انرژی جنبشی دارد و با بالاتررفتن، انرژی پتانسیل گرانشی آن بیشتر می‌شود.

پس برای دنبال‌کردن انرژی، دو سؤال بپرس: انرژی ابتدا به چه شکلی بود؟ بعد به چه شکلی درآمد؟ در یک کار ساده هم ممکن است چند تبدیل رخ دهد. این نگاه کمک می‌کند به‌جای اینکه بگوییم «انرژی پیدا شد»، مسیر تبدیل انرژی را پیدا کنیم.

قانون پایستگی انرژی می‌گوید انرژی ساخته یا نابود نمی‌شود؛ شکل آن عوض می‌شود و مقدار کل آن ثابت می‌ماند. برای بررسی این قانون باید همهٔ شکل‌های انرژی را در حساب خود بیاوریم، نه فقط شکلی را که به کارمان می‌آید.

مثلاً اگر در هر ثانیه $10\ \mathrm{J}$ انرژی الکتریکی وارد یک لامپ شود، مجموع انرژی نورانی و گرمایی خارج‌شده در همان مدت نیز $10\ \mathrm{J}$ است. کم‌بودن سهم نور به معنی گم‌شدن بقیهٔ انرژی نیست. گرمای لامپ هم بخشی از حساب است! در خودرو نیز انرژی گرماییِ هدررفته نابود نشده؛ فقط برای حرکت خودرو مفید نبوده است.

ممکن است فکر کنی فقط هنگام ورزش به انرژی نیاز داری؛ اما وقتی آرام نشسته‌ای یا خوابیده‌ای هم درون بدنت کارهای زیادی انجام می‌شود. قلب خون را به گردش درمی‌آورد و شش‌ها به دریافت اکسیژن کمک می‌کنند. ادامهٔ این فعالیت‌ها انرژی می‌خواهد.

بدن انرژی لازم را از غذایی که خورده‌ای به دست می‌آورد. در فعالیت‌هایی مثل دویدن و پریدن، نیاز بدن به انرژی بیشتر می‌شود. پس «بی‌حرکت‌بودنِ ظاهری» با «مصرف‌نکردن انرژی» فرق دارد. وقتی می‌گوییم بدن انرژی مصرف می‌کند، منظورمان این است که انرژی ذخیره‌شده را برای انجام فعالیت‌ها به شکل‌های دیگر تبدیل می‌کند.

انرژی ذخیره‌شده در خوراکی‌ها شیمیایی است. مقدار این انرژی را می‌توان با واحدهایی مانند کیلوژول، $\mathrm{kJ}$، یا کیلوکالری، $\mathrm{kcal}$، بیان کرد. طبق رابطهٔ کتاب، $1\ \mathrm{kcal}=4200\ \mathrm{J}$؛ پس هنگام مقایسهٔ عددها باید به واحدشان هم نگاه کنی.

جدول کتاب انرژیِ هر گرم خوراکی را نشان می‌دهد، نه انرژی یک بسته یا یک وعدهٔ کامل را. مثلاً مقدار $6.8\ \mathrm{kJ/g}$ برای تخم‌مرغ آب‌پز یعنی هر گرم آن $6.8\ \mathrm{kJ}$ انرژی دارد. برای یافتن انرژی یک مقدار مشخص خوراکی، جرم آن را در انرژی هر گرم ضرب می‌کنیم. اگر وعده چند خوراکی داشته باشد، انرژی آن‌ها را جدا به دست می‌آوریم و جمع می‌کنیم.

بدن را مثل دستگاهی تصور کن که بعضی بخش‌هایش همیشه روشن‌اند. وقتی می‌دوی، حرکت ماهیچه‌ها را می‌بینی؛ اما وقتی نشسته‌ای یا خوابیده‌ای، کار قلب و شش‌ها کمتر به چشمت می‌آید. این فعالیت‌های پنهان هم انرژی لازم دارند.

شش‌ها اکسیژن هوا را می‌گیرند و قلب با تلمبه کردن خون، اکسیژن و غذای جذب‌شده را به بخش‌های نیازمند بدن می‌رساند. بنابراین بی‌حرکت بودن با مصرف نکردن انرژی فرق دارد. مقدار انرژی لازم هم برای همهٔ کارها یکسان نیست؛ مثلاً دویدن معمولاً انرژی بیشتری از آرام نشستن می‌خواهد. غذا منبع تأمین انرژی این فعالیت‌هاست.

انرژی موجود در خوراکی‌ها از نوع انرژی شیمیایی است. برای بیان مقدار آن از کیلوژول، با نماد $\mathrm{kJ}$، یا کیلوکالری، با نماد $\mathrm{kcal}$، استفاده می‌کنیم. رابطهٔ این واحدها در کتاب چنین است: $1\ \mathrm{kcal}=4200\ \mathrm{J}$.

جدول خوراکی‌ها انرژی هر گرم را نشان می‌دهد، نه انرژی هر بسته یا هر وعده را. مثلاً برای شیر معمولی، مقدار $2.7\ \mathrm{kJ/g}$ یعنی هر گرم شیر این مقدار انرژی دارد. برای محاسبهٔ انرژی مقداری خوراکی، جرم آن را در انرژی هر گرم ضرب می‌کنیم. پس هم نوع خوراکی مهم است و هم مقدار خورده‌شده؛ مقایسهٔ یک قاشق با یک بشقاب، فقط بر اساس نام غذا درست نیست.

حالا مسیر انرژی را دنبال کن: گیاهان از انرژی خورشید استفاده می‌کنند و انرژی در محصولات کشاورزی و غذاها ذخیره می‌شود. بدن با دریافت غذا می‌تواند فعالیت کند. بنابراین در مسیر نشان‌داده‌شده در کتاب، انرژی خورشید در نهایت به انجام کارهای ما ارتباط پیدا می‌کند.

اما نیاز انرژی همهٔ افراد یکسان نیست. نمودار کتاب برای سن‌ها و گروه‌های مختلف، مقدارهای متوسط متفاوتی نشان می‌دهد. مثلاً متوسط نیاز مرد کارگر از مرد کارمند بیشتر است. نوجوان فعال و در حال رشد هم به انرژی قابل‌توجهی نیاز دارد. عددهای نمودار میانگین‌اند؛ نباید از آن‌ها نتیجه بگیریم که همهٔ افراد یک گروه، با هر میزان فعالیت، دقیقاً نیاز یکسانی دارند.

برای توصیف مصرف انرژی، فقط نام فعالیت کافی نیست؛ مدت انجام دادن و سرعت آن هم اهمیت دارند. راه‌رفتن کوتاه با راه‌رفتن طولانی، انرژی یکسانی مصرف نمی‌کند. همچنین تغییر سرعت یک فعالیت می‌تواند مقدار مصرف انرژی را تغییر دهد.

آهنگ مصرف انرژی یعنی در یک زمان معین چه مقدار انرژی مصرف می‌شود. آهنگ راه‌رفتن معمولی در کتاب حدود $16\ \mathrm{kJ/min}$ است؛ یعنی بدن در هر دقیقه از این فعالیت، حدود $16\ \mathrm{kJ}$ مصرف می‌کند. اگر آهنگ ثابت بماند، برای یافتن انرژی کل، آهنگ مصرف را در مدت فعالیت ضرب می‌کنیم. پس «انرژی کل» با «انرژی مصرف‌شده در هر دقیقه» فرق دارد.