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 · sF [W] = N · m = joule = J
Mi kell ahhoz, hogy nagyobb hullámokat vessünk?
Mit értünk az állandó erő munkáján?
67 fizika_balo_9.indb 67
6/29/10 8:57:36 AM
Mitől függ a munka előjele?
Fg
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|
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.
Mivel egyenlő a terület?
68 fizika_balo_9.indb 68
6/29/10 8:57:36 AM
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. W P= t
[P] = sJ = watt = W
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=F·v 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. W η = Whasznos összes
Mit nevezünk teljesítménynek?
W F·s P= t = t
Milyen kapcsolat van az erő és a teljesítmény között?
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 fizika_balo_9.indb 69
6/29/10 8:57:37 AM
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 fizika_balo_9.indb 160
6/29/10 8:58:33 AM
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?
Tf
100 °C 50 °C
T0
0 °C
Miért kötötte Celsius halmazállapot-változásokhoz az alappontokat?
161 fizika_balo_9.indb 161
6/29/10 8:58:34 AM
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
fizika_balo_9.indb 213
6/29/10 8:58:55 AM
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
fizika_balo_9.indb 214
6/29/10 8:58:55 AM
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
fizika_balo_9.indb 216
6/29/10 8:58:55 AM
