Fysik LIBER SPEKTRUM
Lennart Undvall
Anders Karlsson
Fysik
Lennart Undvall
Anders Karlsson LIBER
Välkommen till Liber Spektrum Fysik 9
Den femte upplagan av Spektrum Fysik möter det centrala innehållet i Lgr22 med uppdaterat stoff och nya kapitel. De tre långsiktiga målen är i fokus i olika inslag i hela Spektrum Fysik.
I KAPITELINGRESSERNA lyfts de tre långsiktiga målen fram med bilder och frågor, målbeskrivningar samt ett urval av begrepp. Ett nytt inslag i avsnitten är FRÅGOR TILL TEXTEN, nertill på varje sida. De hjälper läsaren att snabbt repetera viktigt innehåll, och ger en paus i läsandet. FÖRDJUPNINGSRUTOR förstärker biologins mångsidighet.
TESTA DIG SJÄLV erbjuder begreppsträning och uppgifter som ger träning på innehållet, informationssökning och faktagranskning samt mer utmanande uppgifter. PERSPEKTIVEN lockar till diskussion och ställningstaganden. Här tränas förmågan att skilja värderingar från fakta och att utveckla ett kritiskt tänkande. Varje kapitel avslutas med en SAMMANFATTNING följd av FINALEN med uppgifter som förankrar kunskaperna och ger träning inför de nationella proven.
Fysiken i naturen och samhället lyfts i kursplanen och utgör grunden i Spektrum Fysik. Ämnets historiska utveckling synliggörs, samtidigt som fokus läggs på aktuella frågor som till exempel det nya elsamhället, klimatförändringar, energiförsörjning och hållbar utveckling. Kunskaper i fysik ger förutsättningar att följa, förstå och påverka samhällsutvecklingen. Spektrum Fysik tar upp aktuell forskning inom relevanta områden och vad den betyder för oss och den framtida utvecklingen.
Författare till Spektrum Fysik är Lennart Undvall och Anders Karlsson. Lennart Undvall har lång lärarerfarenhet och är läromedelsförfattare i fysik och matematik. Han har fått Ingvar Lindqvist-priset för sin pedagogiska kompetens och sitt starka engagemang inom det naturvetenskapliga området. Anders Karlsson är läromedelsförfattare i fysik, teknik och matematik. Han är fysiker och lärarutbildad i fysik och matematik. Anders har också arbetat som redaktör på Forskning & Framsteg.
Liber Spektrum Fysik finns även som heldigitalt läromedel.
Det här är en modell av en syreatom. Den har åtta protoner, åtta neutroner och åtta elektroner. Det fi nns två elektroner i K-skalet och sex i L-skalet.
1 Informationssökning
. Utmaningar K L
Innehåll
Att springa uppför en trappa kräver fysikaliskt arbete, eftersom man övervinner tyngdkraften. Fysikaliskt arbete är detsamma som energi.
10
Energi och effekt
Kunskap bidrar till hållbar utveckling
Kaffemaskinen och strykjärnet, datorn och elcykeln – alla har de tekniska beskrivningar som talar om hur mycket energi de använder under en viss tid. Och ju fler elfordon vi får, desto mer elenergi kommer att behövas. Det innebär att vi behöver mer förnybar energi. Alla maskiner och apparater ska så klart göra den nytta vi förväntar oss, men det behöver ske med mindre energianvändning.
Det krävs många steg på det lutande planet för att komma upp. Men varje steg kräver mindre energi än ett steg i trappan.
Den som ökar farten långsamt använder mindre av elmotorns effekt. Det gör att batteriets energi räcker längre.
HÄR FÅR DU LÄRA DIG
• hur enkla maskiner som hävarmar, lutande plan, spett, block och taljor fungerar samt hur de historiskt har använts för att bygga byggnader
• vad som menas med arbete i fysikalisk mening
• att beskriva mekanikens gyllene regel
• förklara hur arbete och energi hör ihop
• skillnaden mellan mekanisk och elektrisk effekt samt hur man räknar på detta i vardagliga sammanhang
• hur elanvändningen har ökat i samhället och hur det påverkar miljön
• hur vi kan minska vår elanvändning för att både spara pengar och bidra till en hållbar utveckling
NÅGRA VIKTIGA BEGREPP
hävstång lutande plan talja tyngd friktion arbete joule energi effekt watt kilowatt kilowattimme överbelastning kortslutning Vilka begrepp känner du igen?
Stenkyrkan i Forshem byggdes på 1100-talet.
fysikaliskt arbete
Hur gjorde egentligen människor förr när de byggde slott, kyrkor och broar? Jo, de använde sig av maskiner. Men maskinerna var så enkla att vi idag inte längre kallar dem maskiner. Men du känner kanske igen deras namn – lutande planet, kilen, skruven, hävstången, hjulet och blocket. Förklaringen till att de kallas maskiner är att de hanterar krafter, vilket är gemensamt för alla maskiner.
En hävstång fungerar bäst om det är kort avstånd mellan vridningspunkten och den tunga stenen.
Utan de enkla maskinerna skulle man inte kunnat bygga en stenkyrka på 1100-talet.
Kyrkor byggdes med enkla maskiner
När stenkyrkan i Forshem vid foten av Kinnekulle byggdes i mitten av 1100-talet, bröts klippblock ur berg och flyttades till byggplatsen. Med hjälp av enkla maskiner blev arbetet mycket lättare. Principerna för hur kraft och rörelse samverkar har varit kända länge. De enkla maskinerna användes redan när de fantastiska pyramiderna i Egypten byggdes för mer än 4 000 år sedan.
Ett spett är en hävstång
Arbetarna tog hjälp av långa pinnar för att bända loss och flytta tunga stenar. De använde då en enkel maskin som kallas hävstång. För att en hävstång ska fungera bra behöver man ta stöd av till exempel en annan sten som pinnen kan röra sig runt. Det fungerar bäst när det är långt mellan händerna och vridningspunkten och kort mellan
HÄVSTÅNGEN FLYTTAR EN TUNG STEN
En sten väger 50 kg. Det krävs alltså en kraft på 500 N för att flytta stenen. För att det ska gå lättare kan man använda ett spett. Avståndet från vridningspunkten till handen är 5 gånger så långt som avståndet mellan stenen och vridningspunkten. Den kraft du behöver använda för att flytta stenen blir då bara en femtedel av stenens tyngd, det vill säga 100 N (500 / 5 = 100).
vridningspunkten och stenen som ska bändas bort. Då kan man med liten kraft flytta en tung sten. Idag är den här typen av hävstänger tillverkade av stål och kallas järnspett.
En gungbräda är en hävstång
Martin gungar gungbräda med Cajsa. Brädan har sin vridningspunkt på mitten och de sitter längst ut på varsin ände. Avståndet från där de sitter till vridningspunkten är hävarmens längd. Martin väger 60 kg och Cajsa väger 30 kg. Eftersom Martin har större tyngd (600 N) än Cajsa (300 N) väger brädan ner på hans sida.
Om Martin flyttar sig så att hans hävarm blir hälften så lång som Cajsas, kommer det att väga jämnt. Eftersom Cajsas hävarm är dubbelt så lång kan hon väga upp Martin som väger dubbelt så mycket.
600 N Martin och Cajsa har båda en hävarm som är 2 m lång.
Eftersom Cajsa har dubbelt så lång hävarm kan hon väga upp Martin som väger dubbelt så mycket.
Den här smarta hissen kallas talja. Den består av ett rep och två hjul som kallas block. Med liten kraft kan man hissa upp tunga stenar.
Sten flyttades med taljor
När grunden till Forshems kyrka var på plats var det dags att lägga dit de stora stenarna – en i taget. Med spett, hammare och huggmejslar hade stenarna huggits ur berget. Mindre stenar kunde flyttas för hand. Men till större stenar, som var omöjliga att flytta eller lyfta på det sättet, användes taljor. De fungerar som en sorts hiss. Med en talja som består av två block, kan man lyfta dubbelt så mycket med samma kraft. Låter man repet löpa fram och tillbaka mellan blocken fyra gånger, kan man lyfta fyra gånger så mycket och så vidare.
Lutande plan
Byggstenarna till kyrkans väggar var tunga. Ett sätt att forsla dem från stenbrottet till byggplatsen var att använda en släde eller en vagn. För att få upp dem på vagnen kunde byggarna använda ett lutande plan Det krävs nämligen mindre kraft att dra upp en sten längs ett lutande plan, jämfört med att lyfta stenen rakt upp. Men sträckan man måste dra stenen är längre än sträckan den behöver lyftas. Ett lutande plan är därför ett bra exempel på ett klassiskt fysikaliskt samband som brukar kallas mekanikens gyllene regel. Den lyder så här:
Det man vinner i kraft, förlorar man i väg.
Exempel på lutande plan
Arbetet att förflytta sig är lika stort oavsett om du åker hiss eller rulltrappa.
En trappa är ett exempel på ett lutande plan. Ju mindre trappan lutar, desto lättare är den att gå i. Men ju mindre trappan lutar, desto längre blir sträckan som man måste gå. Den kortaste vägen är att klättra uppför en stege eller att åka hiss, men då krävs det en stor kraft. Även om kraften och sträckan kan variera så är alltid arbetet att förflytta sig uppåt lika stort, oavsett om man tar trapporna, stegen eller hissen.
En vanlig skruv är ett annat exempel på lutande plan. Ju färre gängor skruven har, desto brantare lutar de och desto mer kraft krävs för att dra runt skruven. Ytterligare ett exempel på lutande plan är de serpentinvägar som man till exempel kan se i de norska bergen.
Vad menas med arbete?
De som byggde kyrkor på medeltiden arbetade förstås hårt för att uppföra sin kyrka. Hur mycket arbete gick egentligen åt? För att kunna mäta och jämföra olika arbeten har fysikerna bestämt att fysikaliskt arbete har en speciell innebörd.
I dagligt tal betyder ju ordet arbete en mängd olika saker. När du gör dina läxor tycker du säkert att du uträttar ett arbete. Det gör du naturligtvis också, men inte i fysikalisk mening. Det är bara när man både övervinner en kraft och förflyttar ett föremål, som man uträttar ett fysikaliskt arbete.
Att hålla en sten är inget arbete
Tänk dig att en av byggnadsarbetarna står och håller en stor sten. Tyngdkraften drar stenen nedåt, vilket gör att den är tung att hålla. Men så länge han inte lyfter stenen uppåt, och dessutom står stilla, uträttas inget fysikaliskt arbete.
Börjar byggnadsarbetaren gå på plan mark förflyttar han visserligen stenen, men han övervinner inte tyngdkraften. Han rör stenen i sidled men tyngdkraften är ju riktad nedåt.
En slingrande väg uppför ett berg är ett bra exempel på mekanikens gyllene regel. Vägen uppför berget är lång. Men det krävs mycket mindre kraft att ta sig upp jämfört med om vägen hade gått rakt uppför berget.
När man står stilla och håller i stenen uträttar man inget fysikaliskt arbete.
När man går med stenen på en plan väg övervinner man ingen kraft. Alltså uträttar man inget arbete.
utförs ett arbete i fysikalisk mening?
När man bär stenen uppför ett lutande plan övervinner man tyngdkraften. Då utför man ett arbete i fysikalisk mening.
FORMEL
arbete = kraft · sträcka W = F s
När man drar stenen på marken i ett rep övervinner man friktionskraften samtidigt som man förflyttar stenen. Då utför man ett fysikaliskt arbete.
Nu sker ett fysikaliskt arbete
När byggaren kommer fram till det lutande planet måste han fortsätta bära stenen upp till första våningen. Nu uträttar han ett fysikaliskt arbete eftersom han förflyttar både stenen och sig själv uppåt. Han övervinner då tyngdkraften.
Han skulle även uträttat ett arbete om han istället för att bära stenen släpade den efter sig i ett rep. Då skulle han övervinna friktionskraften som uppkommer mellan marken och stenen, samtidigt som han förflyttar stenen.
Fysikaliskt arbete kan beräknas
Nu har vi en förklaring på vad som menas med fysikaliskt arbete. Hur stort arbetet är räknar vi ut genom att multiplicera kraften med den sträcka som föremålet förflyttas.
Bokstaven W står för arbete, och är en förkortning av engelskans ”work”. Bokstaven F står för kraft och s för sträckan, efter engelskans ”force” och ”stretch”. Enheten för fysikaliskt arbete är newtonmeter och förkortas Nm.
EXEMPEL 1
Byggaren lyfter en sten 1,5 m rakt upp. Stenen väger 10 kg. Hur stort arbete uträttas?
För att lyfta stenen krävs en kraft på 100 N.
Arbetet: 100 N · 1,5 m = 150 Nm
SVAR: Arbetet är 150 Nm.
EXEMPEL 2
Byggaren drar en sten längs plan mark. Den kraft han behöver för att dra stenen är 550 N. Hur stort arbete har han uträttat när han dragit stenen 50 m?
Arbetet: 550 N · 50 m = 27 500 Nm
SVAR: Arbetet är 27 500 Nm.
TESTA DIG SJÄLV
FÖRKLARA BEGREPPEN
enkla maskiner hävstång vridningspunkt hävarm talja block lutande plan mekanikens gyllene regel fysikaliskt arbete newtonmeter
SVARA PÅ FRÅGORNA
1 I vilken eller vilka situationer utför du ett arbete i fysikalisk mening?
A När du lyfter en kartong med böcker.
B När du håller en väska med guld i handen.
C När du drar en kälke på is.
2 Ge exempel på lutande plan i verkligheten.
3 Ge exempel på hävstänger i verkligheten.
4 Marco väger 20 kg. Hans pappa lyfter honom 2 m upp i luften.
a) Hur stor kraft behöver Marcos pappa använda?
b) Hur stort är arbetet?
5 Stefan är ute och går på en horisontell väg med en väska i handen. Väskans tyngd är 120 N. Hur stort arbete utför Stefan när han
a) går 100 m längs vägen
b) lyfter upp väskan 50 cm
6 a) Hur stort arbete uträttas om vagnen dras i dynamometern uppför hela planet?
b) Hur stort arbete uträttas om vagnen lyfts rakt upp till planets övre ände?
c) Hur stor är vagnens massa?
7 Sara vill gunga gungbräda med sin pappa. Sara väger 25 kg och sitter 3 m från mitten. Saras pappa väger 75 kg. Hur långt från mitten ska han sätta sig för att det ska väga jämnt?
8 En låda dras 0,5 m längs ett bord med en dynamometer. Hur stort arbete utförs om dynamometern visar 1,6 N?
9 En hiss har ofta en motvikt på det sätt som bilden visar. Motvikten väger ungefär lika mycket som hissen. Vad gör motvikten för nytta?
10 För att kunna ta sig över höga berg med bil bygger man serpentinvägar. Var finns världens högst belägna asfalterade väg, och hur högt upp går den?
DE ENKLA MASKINERNA FÖRR OCH NU
De är så enkla att vi inte ens förknippar dem med maskiner. Men namnen på dessa maskiner känner många igen: lutande planet, kilen, skruven, hävstången, hjulet och blocket.
Förklaringen till att de här anordningarna kallas för maskiner är att de hanterar krafter på olika sätt. Och det är gemensamt för alla maskiner.
Att maskinerna fungerar sammanfattas av mekanikens gyllene regel: Det man vinner i kraft, förlorar man i väg. Men vad menas egentligen med det?
KILEN
En kil är ett stycke metall där den ena änden blir smalare och smalare. För en kil som smalnar av långsamt, krävs mindre kraft för att slå ner den. Men samtidigt måste kilen då vara längre för att träet ska pressas isär lika mycket.
LUTANDE PLANET
Vägen upp till ladans dörr är ett lutande plan. På så sätt orkade hästar dra ett lass hö upp på höskullen. Utan det lutande planet hade man behövt lyfta hela lasset rakt upp, vilket inte var möjligt förr. Men vägen uppför längs planet är längre än om man lyfter rakt upp.
SKRUVEN
När man vrider på en skruv drar den sig sakta ner i träet. Det är möjligt med hjälp av en skruvdragare Man skulle förstås kunna pressa skruven rakt ner med hjälp av en hammare, men det skulle kräva en större kraft.
HÄVSTÅNGEN
Med hjälp av en hävstång kan man lyfta tungt. Det är möjligt tack vare att lyftet sker runt en vridningspunkt. På höger sida om vridningspunkten finns själva bron, på vänster sida finns en stor tyngd. På så sätt kan en mindre kraft att lyfta hela bron.
HJULET
Det här hjulet driver en gammal bandsåg. Hjulet bygger på en oändlig serie hävstänger som virder sig runt navet. Med hjulets hjälp kan krafter flyttas och samtidigt antingen försvagas eller förstärkas. Storleken på hjulet ger sågbandet rätt hastighet.
1
2
3
4
Vilka av de enkla maskinerna bygger på lutande planets princip?
Vilka av de enkla maskinerna bygger på hävstångens princip?
Hitta ett exempel där lutande planet används idag.
Sök information om ett historiskt exempel där skruven användes.
BLOCKET
Ett block är en sorts draganordning. På en segelbåt behöver man ofta ändra vinkeln på det stora seglet och det kräver stor kraft. Med hjälp av två block klarar man det med muskelkraft.
5
6
7
Hitta ett exempel där kilen används idag.
Sök information om ett historiskt exempel där hävstången användes.
Sök på ordet storskot. Beskriv vilken funktion blocket har för den som seglar.
MEKANISK ENERGI ÄR EN AV FLERA ENERGIFORMER:
elektrisk energi
värmeenergi
strålningsenergi
kemisk energi
Mekanisk energi och effekt
Ska man köpa en gräsklippare eller en moped är det viktigt att veta vilken styrka motorn har. Motorers styrka anges oftast med hjälp av effekt. Har inte motorn rätt effekt kommer den inte att fungera som man har tänkt. Länge angav man motorers styrka i hästkrafter. Men det är en gammal enhet som är på väg att försvinna och ersättas av enheten kilowatt.
kärnenergi mekanisk energi
lägesenergi
rörelseenergi
Lägesenergi och rörelseenergi
När byggarna på medeltiden lyfte upp kalksten till det som skulle bli väggar uträttade de ett arbete i fysikalisk mening. Men vart tar ett sådant arbete vägen? Jo, arbetet lagras i stenen i form av lägesenergi
Släpper man stenen dras den till marken igen av jordens dragningskraft. Då övergår stenens lägesenergi till rörelseenergi. Det betyder att lägesenergi än idag finns kvar i stenblocken i de medeltida kyrkväggarna.
Stenarna i kyrkans väggar har lägesenergi. Ju högre upp de ligger, desto större är lägesenergin. Om en sten lossnar och trillar ner övergår lägesenergin till rörelseenergi.
När stenen faller från stenmuren omvandlas stenens lägesenergi till rörelseenergi.
Energi är lagrat arbete
Med ett enkelt experiment kan man visa att det fortfarande finns lägesenergi lagrad i stenarna i kyrkans stenmurar. Vi placerar en gungbräda intill stenmuren och letar upp två stora stenar. Den första stenen placerar vi på gungbrädans ena ände. Den andra stenen låter vi falla från stenmuren ner på gungbrädans andra ände. När den träffar gungbrädan kommer den första stenen att åka en bra bit upp i luften. Lägesenergi hos den första stenen har överförts till den andra stenen.
När stenen träffar gungbrädan uträttar den ett arbete och kastar upp den andra stenen i luften.
Experimentet visar att energi är lagrat arbete. Fysikaliskt arbete och energi mäts i samma enhet, (Nm). Ett annat namn på samma enhet är joule (J).
Läges- och rörelseenergi i klingande samspel
När man drar i repet som kyrkklockan är fäst i, börjar klockan svänga åt ett håll. Personen som drar i repet utför därmed ett fysikaliskt arbete. Ju längre upp klockan svänger, desto större blir klockans lägesenergi. När man sedan släpper repet övergår klockans lägesenergi till rörelseenergi. När klockan svängt över till andra sidan har rörelseenergin återigen omvandlats till lägesenergi. På det här sättet växlar energin fram och tillbaka mellan lägesenergi och rörelseenergi.
Dessa två energiformer brukar med ett gemensamt namn kallas mekanisk energi.
EXEMPEL 1
En sten faller ner från den 2 m höga muren. Stenen väger 3 kg. Hur stor rörelseenergi har stenen när den slår i marken?
Stenens tyngd är 30 N. Det betyder att stenens lägesenergi på muren är 30 N · 2 m = 60 Nm = 60 J.
Precis när stenen träffar marken har all lägesenergi omvandlats till rörelseenergi.
SVAR: Rörelseenergin är 60 J när den slår i marken.
Vad menas med effekt?
Att vara effektiv brukar i dagligt tal betyda att man utför mycket arbete på kort tid. Effektivitet har samma betydelse i fysiken. Tiden det tar att utföra ett visst arbete avgör hur effektivt arbetet är. Ju kortare tid, desto högre effekt. Man räknar ut effekten genom att dividera det fysikaliska arbetet med tiden. Enheten för effekt är joule per sekund (J/s), om arbetet mäts i joule och tiden i sekunder. Ett annat namn på samma enhet är watt (W).
Bokstaven W kan alltså betyda två saker, vilket kan vara lite förvirrande. Om man skriver med kursiv stil – W – är det en förkortning för arbete. Det kommer från engelskans ”work”. Ett rakt W är förkortningen för enheten watt. Bokstaven P kommer från det engelska ordet ”power” och betyder effekt.
Genom att dra i repet får man klockan att pendla fram och tillbaka. När klockan är mitt emellan vändpunkterna är lägesenergin som minst och rörelseenergin som störst. Vid de två yttersta lägena är det tvärtom.
1 J/s = 1 W
effekt = arbete tid P= W t ENHET
FORMEL
Ju snabbare man hissar upp stenen, desto högre effekt.
Arbete på tid
En byggare drar upp en sten till första våningen med hjälp av en talja. Han drar i repet och stenen lyfts rakt upp. Det är 3 m upp till första våningen och det krävs en kraft på 500 N för att dra upp stenen. Det uträttade arbetet är då lika med:
500 N · 3 m = 1 500 Nm = 1 500 J
Arbetet att lyfta upp stenen är 1 500 J, oavsett hur fort det går. Klarar han av att dra upp stenen på 15 s blir arbetet per sekund lika med 1 500 / 15 J = 100 J. Vi säger då att effekten är 100 J/s eller 100 W. Om han istället drar upp stenen på 10 s blir effekten:
1 500 J / 10 s = 150 J/s = 150 W
VAD ÄR EN HÄSTKRAFT?
James Watt var skotte och levde mellan åren 1736–1819. Watt räknas som ångmaskinens uppfinnare. För att hedra hans minne har man valt hans efternamn som enhet för effekt.
Men Watt själv hade en helt annan enhet för effekt, nämligen hästkraft. Än idag kan vi höra ordet hästkraft nämnas när man pratar om motorstyrkan hos bilar, motorcyklar och båtmotorer. En hästkraft motsvarar 736 W. Det är lika stor effekt som när en sten, som väger 73,6 kg, lyfts 1 m rakt upp på 1 s.
FÖRDJUPNING
Hur många ”hästar” har den?
Det är en vanlig fråga om äldre bilars motor. I nya elbilar beskrivs motorns effekt i kilowatt.
TESTA DIG SJÄLV
FÖRKLARA BEGREPPEN
lägesenergi rörelseenergi mekanisk energi effekt
SVARA PÅ FRÅGORNA
1 Skriv enheten för
a) kraft b) arbete
c) energi d) effekt
2 Ingela sparkar en boll rakt upp i luften. Efter ett tag vänder den och faller ner igen. Vilken energiform har bollen när den
a) lämnar foten
b) vänder
c) fallit halvvägs ner igen
3 En låda som väger 6 kg lyfts 2 m rakt uppåt.
a) Hur stor kraft krävs för att lyfta lådan?
b) Hur stort arbete uträttas?
c) Hur stor lägesenergi får lådan?
4 Vilken är effekten när ett arbete på 450 J utförs på 2 s?
5 Pojken som går i trappan på bilden väger 40 kg.
a) Hur stor är pojkens tyngd?
b) Hur stort arbete uträttar pojken när han går uppför trappan?
c) Pojken springer uppför trappan på 5 s. Hur stor är effekten?
6 Martina bär 15 kg matvaror till andra våningen i ett höghus. Varje våning är 3 m hög och hon väger 45 kg. Hur stor är effekten om det tar 1 min för Martina att gå upp till sin lägenhet?
7 En påse med blyhagel väger 800 g. Påsen lyfts 2 m rakt upp och släpps sedan därifrån.
a) Hur stor lägesenergi har påsen när den fallit 25 % av sträckan?
b) Hur stor rörelseenergi har påsen när den fallit 25 % av sträckan?
8 En bil kör med hastigheten 72 km/h uppför en backe. Bilen väger 1,2 ton. Backen har lutningen 1 : 5, det betyder att bilen kommer en meter högre upp var femte meter.
a) Hur mycket högre kommer bilen varje sekund?
b) Hur stor är effekten?
9 En gammal enhet för effekt är hästkraft. Varför heter det hästkraft?
ELEKTRISK ENERGI ÄR EN AV FLERA ENERGIFORMER:
elektrisk energi
värmeenergi strålningsenergi
kemisk energi mekanisk energi lägesenergi rörelseenergi kärnenergi
10.3
Elektrisk energi och effekt
Ett äldre kylskåp använder cirka 500 kWh energi om året, medan ett nytt energisnålt använder mindre än 200 kWh. Att känna till hur mycket energi man använder i vardagslivet är viktigt för att kunna bidra till en hållbar utveckling. Är man medveten om energifaktorn när man köper nya maskiner kommer tillverkarna i sin tur att utveckla energisnålare maskiner. Hur energimedveten är du?
Alla elapparater drivs av elektrisk energi
Listan på apparater som använder elektrisk energi kan göras nästan hur lång som helst. Ändå kan det vara svårt att bilda sig en uppfattning om vad elektrisk energi egentligen är. Hur mycket energi går det exempelvis åt för att koka tevatten?
När elektroner rör sig i ledaren till vattenkokaren drivs de av en elektrisk spänning från vägguttaget. Man kan säga att spänningen uträttar ett fysikaliskt arbete när den förflyttar elektronerna i ledningen. När spänningen uträttar ett sådant arbete går det åt en viss mängd elektrisk energi. Precis som när man lyfter en sten kan energin mätas i joule (J).
För att kunna koka tevattnet krävs det elektrisk energi.
Elektrisk effekt handlar om hur många elektroner vägguttagets spänning lyckas förflytta varje sekund. Ju fler elektroner, desto högre är effekten.
Hur mycket energi använder en vattenkokare?
På många elektriska apparater sitter det en liten skylt med teknisk information. På en vattenkokare kan det till exempel stå 2 200 W. Det betyder att vattenkokaren har effekten 2 200 watt (W) om den kopplas till ett vägguttag. Watt är samma sak som joule per sekund. Därför kan vi också säga att effekten är 2 200 J/s.
För att vattenkokaren ska kunna värma vattnet krävs elektrisk energi. I det här fallet är energianvändningen 2 200 J varje sekund. Det betyder att på två sekunder har vattenkokaren använt 4 400 J, på tre sekunder 6 600 J och så vidare.
Vi kan räkna ut hur mycket elektrisk energi vattenkokaren använder genom att multiplicera effekten med tiden. Tar det 3 min (180 s) att få vattnet att börja koka blir energianvändningen:
2 200 W · 180 s = 396 000 J = 396 kJ
Elektrisk energi mäts oftast i kilowattimmar
En joule är en mycket liten energimängd. Det motsvarar ungefär den energi som krävs för att få en ficklampa att lysa en halv sekund. För att koka upp 1 liter tevatten går det åt ungefär 400 000 J. På grund av de stora talen är enheten joule opraktisk att använda i samband med elektrisk energi. Istället anger vi effekten i kilowatt (kW) och tiden i timmar (h). På så sätt får vi energin i kilowattimmar (kWh).
Vad kostar det att tvätta en tvätt i maskin om elpriset är 1,50 kr per kWh? Maskinens effekt är 3 000 W och tvättiden är 2 timmar.
Effekten är 3 000 W = 3 kW.
Mängden energi som går åt är 3 kW · 2 h = 6 kWh.
Kostnaden blir 6 · 1,50 kr = 9 kr.
SVAR: Det kostar 9 kr att tvätta en maskintvätt.
FORMEL
energi = effekt · tid W = P · t
ENHETER
1 Ws = 1 J
EXEMPEL 1
EXEMPEL 2
Vad kostar det att koka 1 liter vatten med en vattenkokare som har effekten 2 200 W? Det tar 3 min för vattnet att börja koka och elpriset är 1,50 kr per kWh.
Tiden det tar att koka vattnet är
3 min = 3 60 h = 0,05 h
Effekten är 2 200 W = 2,2 kW
Mängden energi som går åt är då 2,2 kW · 0,05 h = 0,11 kWh.
Kostnaden blir 0,11 · 1,50 kr ≈ 17 öre.
SVAR: Det kostar 17 öre att koka 1 liter vatten.
MODEL No 5510
CAPACIT Y 1,7 l
VOLTAGE 220/240 V Hz 50/60
WATTS 2200
MADE IN U.K.
50 % Kostnaden till samhället (skatter och avgifter)
Elpriset består av tre delar: priset för själva elen, priset för att transportera elen i elnätet plus skatt och moms.
25 % Kostnaden till elnätsföretaget
FORMEL
EFFEKTLAGEN
effekt = spänning · ström
P = U · I
OHMS LAG
spänning = resistans · ström
U = R · I
Spara pengar och miljö
25 % Kostnaden till elhandelsföretaget
Priset på elenergi varierar. Under en kall vinter stiger ofta elpriset. Det som driver upp elpriserna är en kombination av olika faktorer. När det är kallt ute behöver vi mycket energi. Kalla dagar betyder dessvärre att vindarna ofta är svaga, vilket i sin tur gör att vindkraftverken står stilla. Alla nya solpaneler som kommit upp på villor och industrier bidrar inte heller, eftersom solen står för lågt på vintern. Kalla dagar innebär alltså stor efterfrågan på elenergi samtidigt som produktionen av elenergi begränsas av vädret och årstiden. Det är denna kombination som leder till högre priser. Vid andra tider på året kan det bli tvärtom. Priset på elenergi varierar därför kraftigt.
I varje fastighet finns en elmätare som löpande visar hur mycket elenergi man använder. Genom att göra aktiva val av energisnåla elapparater kan alla bidra till att både spara miljön och pengar.
Räkna med effektlagen och Ohms lag
Vi kan räkna ut hur stark strömmen är i en krets genom ett samband som kallas för effektlagen. Den säger att effekten i watt är lika med spänningen i volt gånger strömmen i ampere.
Hur stark är strömmen genom ett strykjärn med effekten
2 200 W om den kopplas till 230 V?
Eftersom P = U · I får vi att 2 200 = 230 · I
SVAR: Strömmen är 9,6 A.
EXEMPEL 3
En plattång med effekten 50 W kopplas till 230 V spänning. Hur stor är resistansen i plattången?
Eftersom P = U · I får vi att
50 = 230 · I
I = 50 230 ≈ 0,22
Enligt Ohms lag är U = R · I. Vi får då att
230 = R · 0,22
R = 230 0, 22 ≈ 1 045
SVAR: Resistansen är 1 045 Ω.
När säkringen löser ut?
EXEMPEL 4
När man kopplar in för många elektriska apparater i samma vägguttag löser säkringen ut. Säkringen bryter kretsen när strömmen blir starkare än ledningarna tål. Det kallas för överbelastning.
Det går att räkna ut hur många apparater som kan kopplas till ett uttag. Tänk att en säkring på 10 A ingår i samma krets som ett vägguttag med spänningen 230 V. Den högsta effekt som då kan tas ut från uttaget är 2 300 W (230 · 10 = 2 300).
I ett sådant vägguttag kan man alltså koppla in till exempel ett strykjärn på 1 100 W, en TV på 400 W och en mikrovågsugn på 700 W, utan att säkringen löser ut. Men det är på gränsen. Den sammanlagda effekten är 2 200 W (1 100 + 400 + 700 = 2 200) och säkringen tål bara 2 300 W. Kopplar man in ytterligare en elektrisk apparat, till exempel en dammsugare, då löser säkringen ut.
En säkring löser även ut vid kortslutning. Det sker till exempel om isoleringen på elkablar har förstörts så att trådarna kommer i kontakt med varandra.
Om du till exempel kopplar in en dammsugare till ett vägguttag som redan har många apparater inkopplade, kan säkringen lösa ut.
Två lampor som lyser två timmar under en kväll använder en liten mängd energi, bara 0,016 kWh om lampornas effekt är 4 W vardera.
TESTA DIG SJÄLV
FÖRKLARA BEGREPPEN
kilowatt kilowattimme effektlagen överbelastning
kortslutning
SVARA PÅ FRÅGORNA
1 I vilken enhet mäts
a) spänning b) ström c) resistans
2 Ge förslag på enheter för
a) elektrisk energi b) elektrisk effekt
3 En hårfön kan ha effekten 1 500 W. Skriv effekten med enheten kilowatt (kW).
4 En tvättmaskin med effekten 2,5 kW körs under två timmar. Hur mycket energi har den då använt?
5 Två lampor kopplas till samma vägguttag. Den ena har effekten 10 W och den andra effekten 15 W.
a) Blir lamporna serie- eller parallellkopplade?
b) Genom vilken lampa är strömmen störst? Motivera ditt svar.
6 En 10 W-lampa ansluts till 230 V. Hur mycket energi förbrukar lampan om den är tänd i 6 h?
7 En lampa är kopplad till en spänningskälla. Spänningen är 40 V och strömmen 0,8 A. Beräkna a) effekten b) resistansen
8 Hur stor blir strömmen genom en 12 W-lampa om den ansluts till 230 V? Avrunda svaret till hundradelar.
9 Ett elektriskt värmeelement är kopplat till ett vanligt vägguttag. Elementet har resistansen 100 Ω. Hur stor effekt har elementet? Svara i watt och avrunda till tiotal.
10 Vad tror du skulle hända om man kopplar en 3,5 V/0,6 W-lampa i serie med en 40 W-lampa till ett vägguttag?
11 Hitta dagens bästa elpris.
10.3
Fysikaliskt arbete
För alla enkla maskiner gäller mekanikens gyllene regel – det man vinner i kraft förlorar man i väg.
• Ett fysikalisk arbete uträttas när man övervinner en kraft samtidigt som man flyttar ett föremål.
• Storleken på ett arbete räknas ut så här: arbete = kraft · sträcka W = F · s
Mekanisk energi och effekt
• Arbete mäts i newtonmeter (Nm).
• Lutande planet och hävstången är exempel på tillämpningar på mekanikens gyllene regel.
Energi är lagrat arbete och effekt är hur mycket arbete som utförs per sekund.
• Energi mäts i joule (J) eller newtonmeter (Nm). 1 J = 1 Nm
• När man lyfter en sten från marken uträttar man ett arbete. Arbetet lagras i stenen som lägesenergi. När man släpper stenen faller den tillbaka mot marken igen. Då övergår lägesenergin till rörelseenergi.
• Lägesenergi och rörelseenergi kallas med ett gemensamt namn för mekanisk energi.
• Effekt mäts i joule per sekund ( J/s) eller watt (W). 1 J/s = 1 W
• Effekten räknas ut genom att dividera arbetet (i joule) med tiden (i sekunder): = P W t
Elektrisk energi och effekt
Två viktiga samband i ellära är Ohms lag och effektlagen.
• Multiplicerar du effekten (i kilowatt) med tiden i timmar (h) får du energin uttryckt i kilowattimmar (kWh). energi = effekt · tid W = P · t
• Ohms lag: spänning = resistans · ström U = R · I
• Hur stor effekt en apparat har kan man räkna ut genom att multiplicera spänningen (i volt) med strömmen (i ampere).
• Effektlagen: effekt = spänning · ström P = U · I
• Kopplar man för många elektriska apparater samtidigt till ett eluttag löser säkringen ut. Det beror på att strömmen blivit starkare än vad säkringen tål. Vi säger att kretsen blivit överbelastad.
1 Para ihop begreppen till vänster med beskrivningarna till höger.
1 Hävstång
2 Joule
3 Watt
4 Ohms lag
5 Effektlagen
6 Mekanisk energi
7 Energi
8 Effekt
A effekt = spänning · ström
B Kan mätas i joule
C Lägesenergi och rörelseenergi
D Kan mätas i kilowatt
E En enkel maskin
F spänning = resistans · ström
G Joule per sekund
H Newtonmeter
2 Vilken så kallad enkel maskin utgår man från när man använder
a) ett spett
b) en trappa
c) en skruv
d) en tång
3 Jessica och Andrej står vid foten av ett berg och ska ta sig upp till toppen. Båda väger 60 kg. Jessica klättrar rakt upp medan Andrej följer en serpentinväg.
a) Vem kommer att uträtta det största arbetet?
b) Vilken enkel maskin är serpentinvägen ett exempel på?
4 Vem eller vilka använder begreppet energi på ett naturvetenskapligt sätt?
Idag känner jag mig full av energi
Den här hamburgaren innehåller mycket energi.
Med positiv energi orkar jag hur mycket som helst.
När jag lyfter en sten får den energi.
5 Lägesenergi är lagrad energi. Med ett gemensamt namn kallas olika former av lagrad energi för potentiell energi. Vilket eller vilka av följande alternativ är exempel på där arbete lagras som potentiell energi?
A Ett uttänjt gummiband
B Ett batteri
C Dynamit
D En spänd fjäder
EDDIE PAULA AYDEN LO
6 En lampa är kopplad till en strömkälla på det sätt som bilden visar. Amperemetern visar 0,05 A och voltmetern visar 3,6 V.
a) Vilken resistans har lampan?
7 Flera apparater är kopplade till ett vägguttag. När också kaffekokaren kopplas in bryts plötsligt strömmen. Ge en förklaring till varför strömmen bryts.
b) Vilken är effekten? A V
8 En lampa är märkt 230 V, 15 W.
a) Förklara vad som menas med den märkningen.
b) Hur mycket ström drar lampan? Avrunda till hundradels ampere.
9 På elektriska apparater finns det en märkning som anger vilken spänning apparaten ska kopplas till och vilken effekten är. Märkningen kan se ut så här:
A 3 W 3 V B 48 W 230 V C 2 200 W 230 V
Vilket av alternativen A–C kan sitta på a) ett strykjärn b) en julgransbelysning c) en ficklampa
10 Elektrisk energi är en stor kostnad i de flesta hushåll. Försök komma på så många sätt som möjligt att minska er elanvändning hemma.
MINIAKTIVITET
11 Du behöver: Tumstock eller måttband, boll (gärna studsboll)
A Mät upp en lodrät sträcka på 2 m.
B Släpp bollen från den höjden.
C Besvara frågorna.
a) När du släpper bollen har den lägesenergi. Vad händer med den när du släpper bollen?
b) Hur högt studsar bollen vid första studsen?
c) Hur stor andel av lägesenergin finns kvar när bollen studsat upp första gången?
d) Efter en stund slutar bollen att studsa. Vart har lägesenergin då tagit vägen?
A
aktivitet 42 alfapartikel 39 alfastrålning 39 arbete 11 asteroid 90 astrologi 99 atom 30 atombomb 48 atomkärna 31 atomnummer 35
B
bakgrundsstrålning 42, 103 becquerel 42 bergvärme 74 betapartikel 39 betastrålning 39 Big Bang 103 biobränslen 72 block 10
Bohrs atommodell 34
D deuterium 35 dosimeter 42 dubbelstjärnor 96 dvärgplanet 90
E
effekt 17 effektlagen 22 Einsteins formel 52 elektrisk energi 20 elektron 30 elektronskal 34 energiprincipen 64 enkla maskiner 8 exoplanet 97
F fission 48, 64 fossila bränslen 77 fotosfären 93 fotosyntes 65 fusion 51, 64 fysikaliskt arbete 11 förnybara energikällor 71
Ggalaktiskt år 97 galax 97 gammastrålning 39 geigermätare 42 generator 49 geocentrisk världsbild 101 geotermisk energi 75
H
halveringstid 78 heliocentrisk världsbild 102 Higgspartikeln 37 härdsmälta 78 hästkraft 18 hävarm 9 hävstång 8
I
icke förnybara energikällor 77 instabil 36, 39 isotop 35
J
jon 34 joniserande strålning 42 jordvärme 74 joule 16 joule per sekund 17
K
kedjereaktion 48 kemisk energi 64 kilowatt 21 kilowattimme 21 klimatneutral 70 kol 14-metoden 41 koma 90 komet 90 koronan 93 kortslutning 23 kosmisk bakgrundsstrålning 103 kromosfären 93 Kuiperbältet 92
kärnenergi 49, 64 kärnkraft 49, 78 kärnreaktor 49
L
luftvärme 75 lutande plan 10 lägesenergi 16, 63
M
masstal 35 mekanikens gyllene regel 10 mekanisk energi 17, 63 meteor 91 meteorit 91 meteoroid 91 millisievert 45 moderator 50 mörk energi 106 mörk materia 107
N
nebulosa 103 negativ jon 34 neutron 34 neutronstjärna 106 newtonmeter 12 nyttig energi 67
O
Ohms lag 22 Oorts moln 92
P
partikelaccelerator 32 planet 87 positiv jon 34 proton 34 protuberanser 93
R
radioaktivitet 38 radioaktivt ämne 39 räckvidd 41 röd jätte 105 röntgenstrålning 30, 36 rörelseenergi 16, 63
S
solceller 75 solenergi 76 solfläckar 93 solvind 93 spillvärme 67 stjärna 94 stjärnbilder 98 stjärnhop 96 stråldos 45 strålningsenergi 64 styrstavar 50 supernova 106 svart hål 106 säkring 23 sönderfall 39
T
talja 10 triangelmetoden 95 trippelstjärnor 96 tritium 35 turbin 49
V
vattenkraft 72 verkningsgrad 67 vindkraft 73 vit dvärg 105 vridningspunkt 8 värmeenergi 63 värmepump 74 vätebomb 51
W watt 17
Ö överbelastning 23
ISBN 978-91-47-15626-9
© 2024 Lennart Undvall, Anders Karlsson och Liber AB
PROJEKTLEDARE Stina Sturesson, Theres Lagerlöf, Stefanie Holmsved Thott och Sara Ramsfeldt/MeningsUtbytet AB
REDAKTÖR Marika Sahlin och Eva Lundström
FORMGIVARE Cecilia Frank/Frank Etc. AB, Lotta Rennéus
BILDREDAKTÖR Martina Mälarstedt/Sanna Bilder
OMSLAG Cecilia Frank
PRODUKTIONSSPECIALIST Eva Runeberg Påhlman
RÅDGIVARE OCH SPRÅKLIG GRANSKNING Karin Forsell, Begripsam
Första upplagan 1
Repro: Integra Software Services
Tryck: People Printing, Kina 2024
KOPIERINGSFÖRBUD
Detta verk är skyddat av upphovsrättslagen. Kopiering, utöver lärares och elevers rätt att kopiera för undervisningsbruk enligt BONUS-avtal, är förbjuden. BONUS-avtal tecknas mellan upphovsrättsorganisationer och huvudman för utbildningsanordnare, t.ex. kommuner och universitet. Intrång i upphovsmannens rättigheter enligt upphovsrättslagen kan medföra straff (böter eller fängelse), skadestånd och beslag/förstöring av olovligt framställt material. Såväl analog som digital kopiering regleras i BONUS-avtalet. Läs mer på www.bonuspresskopia.se.
Liber AB, 113 98 Stockholm Tfn 08-690 92 00 www.liber.se
kundservice tfn 08-690 93 30, fax 08-690 93 01 e-post: kundservice.liber@liber.se
LIBER SPEKTRUM FYSIK ingår i en serie naturvetenskapliga läromedel för grundskolans årskurs 7–9. I serien finns även Liber Spektrum Biologi, Liber Spektrum Kemi och Spektrum Teknik.
I den femte upplagan hittar du:
• Centralt innehåll i linje med Lgr22
• Ett inledande kapitel som beskriver fysik utifrån de tre långsiktiga målen
• Kapitelingresser med målbeskrivningar, bilder med frågor och ett urval av begrepp
• Frågor till texten på varje sida, som stöd för läsaren
• Testa dig själv-uppgifter med begrepps- och sökträning samt utmaningar
• Perspektiv som uppmuntrar till att ta ställning och att granska information
• Fördjupningsrutor
• Sammanfattningar till varje kapitel
• Finaler som förstärker kunskaperna och ger träning inför de nationella proven Till varje ämne finns en digital lärarhandledning. Läromedlet finns också som en heldigital produkt.
Liber Spektrum Biologi, Kemi och Fysik tar vid efter Spektrum NO 4–6, som är uppbyggd efter samma struktur.