AP 091403 KOMPETENCIAALAPÚ Baló Péter könyve egy merőben újszerű tankönyv: a tananyag felépítésében szakított a mechanika hagyományos kinematika, dinamika, energia témájú felosztásával. Helyette egy-egy gondolatkört választ a vizsgálódás tárgyául, és azt járja körül minél sokrétűbben, színesebben. Ezért a könyvben nem leckéket, hanem kulcskérdéseket és a kulcskérdések köré csoportosuló fontos kiskérdéseket találhatunk. A szerző a hagyományos pedagógiai módszereket használó pedagógusok mellett a kooperatív technikával barátkozó vagy azt már magas szinten alkalmazó tanárokat is kiemelten támogatja. Az oktatási folyamat megtervezése, felépítése során figyelembe vette a konstruktív pedagógia szemléletmódját, tanításait is. A könyv szerkezete például a frontális technika mellett vagy helyett csoportos, páros vagy egyéni tananyag-feldolgozást is lehetővé tesz azzal, hogy a hagyományosan nagyobb anyagrészeket kicsi témákra bontva tárgyalja. Baló Péter Fizika!" A könyv lényeges pedagógiai célja, hogy olyan taneszközként szolgálhasson, amely a feldolgozott tényszerű tartalom közlésén túlmutatóan nemcsak bemutatja a természettudományos megismerés és leírási módszerek, technikák alapjait, hanem ezek magasabb évfolyamon történő alkalmazási képességét is segít kifejleszteni. Mechanika és hőtan Fizika 9. Mechanika és hőtan Szemléletes tananyag-feldolgozás, számos, az érdeklődést felkeltő színes kép, rajz, folyamatábra segíti az elméleti ismeretek elsajátítását. A könyvben sok játékos ötlet található korunk egyik legmodernebb oktatástechnikai eszközének, a digitális táblának az órai felhasználására is. Ennek egyik leglátványosabb módja a tanulók által készített rajzfilm. A szerző a tankönyv számos feladatában utal ennek lehetőségére, és az elkészítéséhez konkrét módszertani útmutatást is ad.!"#"$%&'%()*')+","-..///0 123&204///04561564/78
A munka Hogyan ad energiát a gravitációs mező a zuhanó testnek? Mit jelentenek a hétköznapi életben a következő fogalmak: munka, munkavégzés? Milyen munkákat ismersz? Melyek közülük a könnyű és a nehéz munkák? Mi a különbség a könnyű és a nehéz munka között? A magasból leeső test a rá ható gravitációs erő hatására egyre nagyobb sebességgel mozog, vagyis egyre nagyobb lesz a mozgási energiája. Ebből láthatjuk, hogy zuhanás közben a test energiát kap a gravitációs mezőtől. A test minden részecskéje egyformán gyorsul. Ezt úgy mondjuk, hogy rendezetten nő a mozgási energiája. Az energiaközlésnek azt a formáját, amely során a test rendezett módon kapja az energiát, munkavégzésnek, a munkavégzés során átadott energiát munkának nevezzük. Mitől kap energiát az ejtőernyős? Mit nevezünk munkavégzésnek és munkának? Hogyan mondható meg, hogy mennyi energiát kap a munkavégzés során a test? Azt, hogy a zuhanó test energiát kap a gravitációs mezőtől, úgy is mondhatjuk, hogy a gravitációs mező munkát végez a testen. Más szavakkal: a testre ható gravitációs erő munkát végez a testen. Minél nagyobb a testre ható gravitációs erő, és minél magasabbról esik le a test, annál jobban nő a mozgási energiája. Több energiát kapott, vagyis nagyobb a rajta végzett munka. Eszerint az erő munkája kapcsolatban kell, hogy legyen a erővel és a test elmozdulásával is. Általánosan megfogalmazva: Állandó F erő munkáján az erő és az erő irányába történő elmozdulás szorzatát értjük. Jele: W. W = F s F [W] = N m = joule = J Mi kell ahhoz, hogy nagyobb hullámokat vessünk? Mit értünk az állandó erő munkáján? 67
Mitől függ a munka előjele? F g Mitől függ a munka előjele? A testen végzett munka megváltoztatja a test energiáját. A gravitációs erő a leejtett test mozgási energiáját növeli, a feldobott testét pedig csökkenti. Ez azt jelenti, hogy az első esetben a gravitációs erő munkája pozitív, a második esetben negatív. Hogyan tudjuk ezt a munka definíciójában figyelembe venni? Úgy, hogy az erőirányú elmozdulást előjelesen értelmezzük. A munka pozitív, ha a test abba az irányba mozdul el, amilyen irányú maga az erő. A munka negatív, ha az erőirányú elmozdulás ellentétes az erő irányával. Amikor az erő merőleges arra az egyenesre, amely mentén mozgott a test, akkor nincs erőirányú elmozdulás, vagyis ilyenkor az erő munkája nulla. Mit jelent az erőirányú elmozdulás kifejezés? Mikor milyen az erőirányú elmozdulás? F w Mivel egyenlő a terület? s Tegyük fel, hogy valaki a rajz szerinti sípályán szeretne újra meg újra végigmenni. Vizsgáljuk meg, hogy a pálya egyes szakaszain mit mondhatunk az illetőnek a gravitációserőirányú elmozdulásáról. Mivel a gravitációs erő függőleges irányú, ezért nekünk a tényleges elmozdulás függőleges részét kell megtalálnunk. Az illető először egy lifttel felmegy a sífelvonó kezdőpontjához. Az elmozdulása függőleges, tehát erőirányú. Ezután a sífelvonó felhúzza a hegyoldalon. Ferdén felfelé mozog, amíg a csúcsra nem ér. Ugyanilyen eredménye lenne annak is, ha először vízszintesen elmenne a csúcs alá, majd ott függőlegesen kapaszkodna fel. Ez az utóbbi az erőirányú elmozdulás. A sípályán végre a saját lábán lecsúszik. Ferdén lefelé mozog, amíg a pálya aljára nem ér. A sípálya végén újra liftbe száll, és még lejjebb ereszkedik. Elmozdulásának egyenese az erővel egyirányú. A liftből kiszállva vízszintesen elmegy a kezdőpont alá, közben függőlegesen nem mozog, tehát most nincs erőirányú elmozdulás. 68
Hogyan jellemezhető mechanikai kölcsönhatás esetén az energiaközlés gyorsasága és hatékonysága? A munkavégzés gyorsaságát egy új fizikai mennyiséggel jellemezhetjük. A végzett munka és az eltelt idő hányadosát teljesítménynek nevezzük. Jele: P. P = W t [P] = J s = watt = W Mit nevezünk teljesítménynek? Ha egy erő teljesítménye 1 W, az azt jelenti, hogy 1 másodperc alatt 1 joule-lal növeli a test energiáját. Az erő és a teljesítmény fontos kapcsolatban van egymással. A teljesítmény definíciójában szereplő munkát írjuk fel definíció szerint. A képletben szereplő út és idő hányadosa nem más, mint a pillanatnyi sebesség, azaz: P = W t = F s t P = F v Milyen kapcsolat van az erő és a teljesítmény között? Látni fogjuk majd, hogy energiát közölni nemcsak munkavégzéssel, hanem hőközléssel is lehet. Amikor egy dinnyét gyorsan fel akarunk juttatni a fedélzetre, beletehetjük egy táskába, és kötéllel felhúzhatjuk oda. Eközben az általunk kifejtett erő munkát végez a dinynyét tartalmazó táskán. Számunkra csak az a fontos, hogy a dinnye feljusson a hajóra, a horgonyon végzett munka veszteségnek számít. Azt, hogy ez mekkora, egy új fizikai mennyiséggel, a hatásfokkal jellemezzük. A hasznos munka és az összes munka hányadosát hatásfoknak nevezzük. Jele: η. η = W hasznos W összes Mi okoz veszteséget? Mit nevezünk hatásfoknak? 1. Egy gépkocsi motorjának maximális teljesítménye 66 kw. Mennyi munkát végez ekkora teljesítménnyel autópályán Debrecentől Budapestig, ha végig 130 km/h sebességgel halad? Mekkora erőt fejt ki közben? 69
I. Hogyan működik a hőmérő? A hőtan alapjai Hogy lehet egy szájjal hideget és meleget is fújni? Értelmezzétek az alábbi történetet! Keressétek meg a fizikai magyarázatát is! Hogyan lehet hideget is, meleget is fújni? Az ember és a szatürosz Azt mesélik, hogy egy ember egyszer barátságot kötött egy szatürosszal. Mikor beállt a tél, és nagy hideg lett, az ember a szájához tartotta a kezét, és rálehelt. Mikor a szatürosz megkérdezte, miért teszi ezt, azt mondta, hogy a hideg miatt melengeti a kezeit. Később asztalhoz ültek, és mivel az étel nagyon forró volt, az ember megfogta, a szájához emelte és megfújta. Mikor a szatürosz megint faggatni kezdte, hogy miért teszi ezt, közölte, hogy hűti az ételt, mert nagyon meleg. A szatürosz ekkor így szólt hozzá: Felmondom neked a barátságot, ember, ha te egy szájból meleget és hideget is fújsz. Hideg vagy meleg? Mi mindenben különbözik a tél a nyártól? Melyek azok a tulajdonságok a felsoroltak közül, amelyekkel a fizika foglalkozik? Mi lehet az oka a különbségeknek? Milyen meleg ez a víz? Ha jobban meggondoljuk, nap mint nap használjuk a hőmérséklet kifejezést, mégsem tudjuk pontosan megmondani, hogy mi is az. De néha még azt sem könnyű eldönteni, hogy valami mennyire meleg. Mártsd a jobb kezed olyan meleg vízbe, amilyet csak el tudsz viselni. Ugyanekkor dugd a bal kezed abba a vízbe, amit a hűtőszekrényben tartottál eddig. Rövid várakozás után mindkét kezedet tedd át a középső langyos vízbe. Kérdezd meg a kezeidet: Milyen meleg ez a víz? Valószínűleg nem fognak egyetérteni. A pontos választ a hőtan keretein belül fogjuk megadni. 160
Hogyan készített Celsius hőmérőt? Milyen tulajdonságai és hogyan változnak meg az anyagoknak melegítés hatására? Gyűjtsetek példákat a hétköznapi életből, amikor ismerni kell valamely test hőmérsékletét! Milyen eszközökkel lehet megmérni a hőmérsékletet? Sorolj fel minél többféle, hőmérséklet-mérésre alkalmas eszközt! Honnan tudja egy hőmérő, hogy mennyi a kérdéses test hőmérséklete? Milyen a jó hőmérő? Az egyik legismertebb, jól használható és eléggé pontos hőmérőt, a higanyos hőmérőt Anders Celsius (1701 1744) fizikus és csillagász készítette. Ennek az eszköznek a legfontosabb része egy vékony üvegcső, amelynek az egyik végében kis tartály van. A tartályban, sőt a cső egy részében is higany található. A csőben lévő higanyoszlop magassága a higany hőmérsékletétől függ. Az üvegcső mellé helyezett skálán lehet leolvasni a higanyoszlop magasságának megfelelő hőmérsékletet. Celsius normál nyomáson az üvegcsövet először olvadó jégbe állította, és a higanyoszlop teteje mellé odaírta a skálára, hogy 0 fok. Ezek után az üvegcsövet forrásban lévő vízbe állította, és a higanyoszlop teteje mellé 100-at írt. Ezek után 100 egyenlő részre osztotta az így kapott szakaszt, és egy egységet tekintett 1 foknak. Ez egyben azt is jelenti, hogy Celsius a higanyoszlop magassága és hőmérséklete között önkényesen egyenes arányosságot mondott ki. A hétköznapi életben ez nem probléma, de a pontosság kedvéért később készítünk egy, a tudományosság szempontjából sokkal jobb hőmérőt. A víz lehet hideg, langyos és forró. Az olvadó jég azonban mindig egyforma hőmérsékletű, s hasonlóan ugyanolyan hőmérsékletű minden forrásban lévő víz is (ugyanolyan külső körülmények között). Ezért választott halmazállapotváltozásokat az alappontok meghatározásához. A legtöbb hőmérőt a vizsgált testhez kell érinteni, és meg kell várni, hogy a termikus kölcsönhatásuk során kiegyenlítődjön a hőmérsékletük. Ekkor lehet leolvasni a hőmérséklet értékét. Ki ő, és miről híres? T f 100 C T 0 50 C 0 C Miért kötötte Celsius halmazállapot-változásokhoz az alappontokat? 161
Tartalom Kedves Tanulók!............................................... 3 MECHANIKA................................................ 5 I. Miért kattognak egyenletesen a kerekek?........................6 A testek helyének megadása.................................. 6 Az átlagsebesség.......................................... 13 Az egyenletes mozgás...................................... 17 A tehetetlenség törvénye................................... 21 Összefoglalás............................................ 28 II. Mikor győzhet a törpe a szumobirkózásban?....................32 A lendület és a lendületmegmaradás törvénye................... 32 A párkölcsönhatás jellemzője: az erő.......................... 45 Összefoglalás............................................ 50 III. Mitől szabad az esés?......................................54 A szabadesés............................................ 54 A négyzetes úttörvény..................................... 61 A munka............................................... 67 A munkatétel............................................ 72 A helyzeti energia......................................... 75 Összefoglalás............................................ 78 IV. Mitől olyan izgalmas a kötélugrás?...........................82 A rugalmas kölcsönhatás................................... 82 A mozgásegyenlet........................................ 87 A rugóerő munkája....................................... 94 A rugalmas energia....................................... 97 Összefoglalás........................................... 101 V. Miért nem jó a szántóföldön korcsolyázni?.....................105 Súrlódás és közegellenállás................................. 105 A tapadás.............................................. 115 Összefoglalás........................................... 119 VI. Hogyan mozog a Hold?...................................123 Körmozgás............................................. 123 Az általános tömegvonzás................................. 130 Összefoglalás........................................... 140 VII. Hogyan lehet ajtót nyitni?................................144 A forgatónyomaték...................................... 144 Egyszerű gépek......................................... 148 Összefoglalás........................................... 155
HŐTAN....................................................... 159 I. Hogyan működik a hőmérő?.....................................160 A hőtan alapjai.............................................160 A hőtágulás és törvényszerűségei................................162 Összefoglalás............................................... 171 II. Hogyan jellemezhetjük a gázok állapotát?.........................174 A gázok állapotát jellemző fizikai mennyiségek..................... 174 A hőmérséklet.............................................. 181 Az állapotegyenlet...........................................188 Összefoglalás...............................................192 III. Hogyan változik az állapot?....................................196 Az egyesített gáztörvény és speciális esetei.........................196 Összefoglalás...............................................206 Név- és tárgymutató.............................................. 210
Életrajzok Ki szedte rendszerbe a mechanikát?...................................... 27 Ki volt az első igazi kísérleti fizikus?..................................... 27 Kiről nevezték el az energia mértékegységét?............................... 43 Ki volt, akiről a teljesítmény mértékegységét elnevezték?...................... 74 Ki tökéletesítette Cavendish ingáját?.................................... 137 Ki készítette az első megbízható hőmérőt?................................ 170 Ki készítette a legelterjedtebb hőmérőt?.................................. 170 Ki vezette be a molekula fogalmát?..................................... 186 Ki mérte meg először a levegő nyomását?................................ 186 Ki vezette le a hőtan törvényeit az atomok segítségével?..................... 187 Ki találta fel az abszolút hőmérsékleti skálát?............................. 187 Melyik fizikus volt a legmagasabban?................................... 205 Ki készített kitűnő légszivattyút?....................................... 205 Ki készített először barométert?........................................ 205