الجمعة، 17 أبريل، 2015

استهلاك الكهرباء في الأجهزة الكهربائية المنزلية




                    
استهلاك الكهرباء في الأجهزة الكهربائية البيتية[1]

يزداد استعمال الأجهزة  الكهربائية البيتية التي تعمل بواسطة الكهرباء، كلما ارتفع مستوى الحياة للفرد. استهلاك الكهرباء للجهاز الكهربائي يتعلق بالقدرة (p=الطاقة في وحدة زمن) المطلوبة لتشغيله وبعدد الساعات (t)التي يعملها الجهاز.
ندفع لشركة الكهرباء مقابل الاستهلاك الشامل للطاقة في البيت.
في فاتورة الكهرباء، تظهر كمية الطاقة (E)بوحدات كيلواط في الساعة، التي تصف حاصل ضرب وحدة القدرة (كيلواط) بالزمن (ثانية). قانون حساب كمية الطاقة هو : E= P * t

السؤال الاول
أمامكم جدوليعرض عدة اجهزة تستهلك كهرباء في البيت. لكل جهاز تظهر القدرة الكهربائية،ومعدل عدد ساعات التشغيل اليومي في بيت معين.
احسبوا،وأكملوافي الجدول استهلاك الطاقة الشهرينتيجةً لاستعمال الأجهزة الكهربائية في هذا البيت. (افترضوا أن عدد أيام الشهر هو  30 يومًا)
اسم الجهاز الذي يستهلك الكهرباء



القدرة الكهربائية المسجَّلة على الجهاز (واط)

معدل عدد ساعات التشغيل اليومي

معدلالاستهلاك الشهري
(كيلواط\ساعة)

مصباح توهج *
75
8

مصباح فلوروسنتي ملولب*
20
8

ثلاجة
150
5

مكيف
2000
7

غسالة
2000
1

*يتطرق الجدول إلى حالات فيها كمية الضوء المرئي المنطلقة من مصباح التوهج ومن مصباح الفلوروسنتي متساوية.



السؤال 2
الثلاجة البيتية موصولة بشبكة الكهرباء البيتية 24 ساعة يوميًا. على الرغم من ذلك،لا يعمل المحرك كل الوقت. داخل الثلاجة، يوجد منظِّم لدرجة الحرارة (ثيرموستات)،الذييشغلالمحركعندماترتفعدرجةالحرارةأكثرمندرجةالحرارةالمحددةفيالثلاجة.
في الثلاجات القديمة (التي تمَّإنتاجها قبل 20 عامًا)، يعمل المحرك حوالي 10 ساعات يوميًا، بينما في الثلاجات الجديدة (مع تقنيات محسَّنة)، يعمل المحرك من 3-5 ساعات يوميًّا. القدرة التي تستهلكها الثلاجة  القديمة  تشبه القدرة التي تستهلكها الثلاجة الجديدة.يوجد في بيت السيد خليل ثلاجة، وقد  تمَّإنتاجها قبل 25 عامًا. إذا تطرقنا إلىالاستهلاك الكهربائي، هل تنصحون السيد خليل بتغيير الثلاجة بأخرى جديدة؟ اشرحوا إجاباتكم.

السؤال 3
تسكن عائلتيِ سامح وعامر في بيتين متشابهين. وهما تستهلكان ماءً ساخنًا بنفس المقدار. على سطح بيت عائلة سامح يوجد سخان شمسي، وهو يعمل بالطاقة الكهربائية أيضًا، بينما في بيت عمر، يوجد سخان كهربائي (دون لاقطات).
قدرة المسخن الكهربائي في السخان الكهربائي هي  2 كيلواط. سعر الكيلواط/ساعة 0.45 شاقل .
في الجدول الذي أمامكم، يوجد معطيات عن السخان الكهربائي ومعطيات عن السخان الشمسي  في البيتين:

سخان  شمسي
سخان كهربائي
ثمن الجهاز (يشمل التركيب)
حوالي 2,500 شاقل
حوالي 1,500 شاقل
عدد ساعات التسخين الكهربائية في السنة

50 ساعة
 400 ساعة
مدة صلاحية السّخان قبل تبديله

15 سنة
15 سنة
زمن الكفالة الكاملة
8 سنوات
8 سنوات
زمن تشغيل السخان الكهربائي خلال المدة كلها (15 سنه)

750 ساعة

الاستهلاك الكهربائي نتيجة لتشغيل السخان على مدار فترة كاملة (15 سنه)

1500 كيلواط- ساعة

تكلفة الاستخدام الكهربائي على مدار الفترة بأكملها (15 سنة)

675 شاقلاً


أ-احسبوا  وأكملوا الجدول.
ب-هل من ناحية اقتصادية من الأفضل،بحسب رأيكم،أن نضع سخان شمسي على سطح البيت؟ عللوا.
ت-هل توجد،بحسب رأيكم، اعتبارات إضافية تدعم فكرة استعمال ووضع سخان شمسي على سطح البيت؟ فصلوا.


السؤال 4
أراد موسى أن يوفر في الاستهلاك الكهربائي في بيته. أشيروا إلى الخطوات التي عليه اتخاذها، لكي ينجح في مهمته. اشرحوا اجاباتكم!
1.      تشغيل المكيفات في بيته 24 ساعة، لكي يحافظ على درجة حرارة ثابته في البيت.
2.      استبدال مصابيح التوهج بمصابيح توفر استهلاك الطاقة في البيت.
3.      نصب سخان شمسي على سطح بيته.
4.      زيادة مستوى العزل  حول فتحات  البيت (سد الفتحات التي يدخل منها الريح).

السؤال 5
مُعطى قدرة فرن كهربائي 1.6 كيلواط، زمن تسخين الوجبة بالفرن هو 1 ساعة. قدرة الميكروجال 800 واط،زمن تسخين الوجبة بالميكروجال هو  10 دقائق.
أ- في  أي جهاز يكون الاستهلاك الكهربائي لتسخين الوجبة أقل؟ احسبوا.
ب-بكم مرة أصغر الاستهلاك الكهربائي الذي اخترتموه في البند السابق من الجهاز الثاني؟




دليل مفصل للمهمة- استهلاك الكهرباء في الأجهزة الكهربائية البيتية
المواضيع في المنهج التعليمي: الطاقة والتأثير المتبادل- القدرة والطاقة الكهربائية
السياق - علم وتكنولوجيا من وجهة نظر شخصية واجتماعية

التصور الفكري: موضوع استهلاك الكهرباء،  هو أحد المواضيعالأكثر صلة بحياة التلاميذ. عدد الاجهزة
الكهربائية أخذ بالازدياد،  كل الوقت، لذلك يرتفعاستهلاك الكهرباء نتيجة لذلك. هناك أهمية كبيرة لتوعيةالطلاب
 إلى الحاجة في تقليل استهلاك الطاقة الكهربائية  لأسباب اقتصادية على المستوى الشخصي والعالمي (تناقص
مصادر الطاقة المتاحة  من المصادر الاحفورية) ولأسباب بيئية ( تلوث الهواء).
تُتيخ المهمة بحث مواضيع يستصعب التلاميذفهمها، مثل: وحدات قياس الطاقة والقدرة.
دمج المهمة في عملية التدريس: في الصف التاسع، في موضوع الطاقة الكهربائية،عند حِساب الطاقة الكهربائية والقدرة.
اقتراحات تدريسية:
* فعالية مسبقة لعملية التدريس. يمكنتنفيذ الفعالية في الموقع "אנרגיה בהיבט רב תחומי" "الطاقة بنظرة متعددة المجالات)ماذا يحدث اليوم إذا لم يتوفر كهرباء؟
* بعد أن تمكَّن التلاميذ من التعرف على مدىاحتياجنا في تزويد الطاقة الكهربائية، في الحياة اليومية،يمكن أن نطلب منهم أن يجمعوا معلومات عن الأجهزة الكهربائية البيتية  في بيتهم. تجدون الفعالية " استخدام الاجهزة الكهربائية البيتية " في الموقع " "אנרגיה בהיבט רב תחומי" "الطاقة بنظرة متعددة المجالات"، العنوان:

* يمكن توجيه التلاميذ إلى الفعالية: " استمارة مقارنة بين الأجهزة الكهربائية البيتية في فترات مختلفة "، حيث يقارنون بين استعمال الأجهزة الكهربائية في فترة الوالدين وبين استعمالها اليوم. عنوان موقع "الطاقة بنظرة متعددة المجالات " هو:

* في الفعالية، "هل عند اطفاء الجهاز الكهربائي،  لا يستهلك الكهرباء"؟ يمكن أن نتعلَّم أن هذه الاجهزة تستهلك الكهرباء. نجد هذه الفعالية في الموقع الآتي:
* بعد تعلُّم الموضوع وتنفيذ الفعاليات، يمكن تلخيص الموضوع من خلال مناقشة الخطوات التي يجب أن يتخذها الفرد من أجل تقليل استهلاك الطاقة البيتية.

السؤال 1
هدف السؤال : القدرات – التعويض في قانون، مقارتة بين معطيات: استخلاص معلومات من نص وجدول.
العلامة الكاملة (100%):
اسم الجهاز
الذي يستهلك الطاقة

القدرة الكهربائية المسجَّلة على الجهاز(واط)

معدل عدد ساعات التشغيل يوميًا.

معدل استهلاك الطاقة الشهري للجهاز ( كيلواط/ساعة)

مصباح توهج
75
8
8*0.075*30 = 18
مصباح فلوروسنتيله لولب تثبيت
20
8
8*0.020*30 = 4.8
ثلاجة
150
5
5*0.150*30 = 22.5
مكيف
2000
7
7*2*30 = 420
غسالة
2000
1
1*2*30 = 60

علامات جزئية: 20% –لكل معطى صحيح في الجدول.
دون علامات: كل إجابة غير صحيحة، أو لم نجيب عليها.
صعوبات واقتراحات تدريسية:
أ‌-         إحدى المشاكل التي يواجهها الطلاب، هي فهم المصطلحين قدرة وطاقة، العلاقة بين المصطلحين والتمييز بين وحدات قياسهما. يجب أن ندقق في المقارتة بين المصطلحين، حيث مصطلح القدرة هو كمية طاقة في وحدة زمن،ويجب أن نشدد أن الوحدات المركبة (كيلواط-ساعة) هي وحدات طاقة بالمقارنة مع الكيلواط الذي يقيس وحدات قدرة. يمكن أن نستخدم حساب استهلاك الكهرباء الشهري كمثال.
ب‌-      هناك صعوبات في الانتقال بين وحدات قياس تعبِّر عن مقادير مختلفة، مثل: واط, كيلواط, ميجاواط. يجب تدريب التلاميذ على الانتقال بين وحدات القدرة المختلفة ومضاعفتها  بألف أو بمليون.


السؤال 2
هدف السؤال: القدرات: تطبيق معرفة علمية
العلامة الكاملة (100%):بالطبع يجب أن ننصحهم شراء ثلاجة جديدة،من أجل التوفير في استهلاك الكهرباء
(دون التطرق إلى قضية التوفير في الصيانة). عندما نقوم بحساب التكلفة الكهربائية خلال سنوات عَمَل الثلاجة القديمة بالمقارنة مع الجديدة، نحصل على فرق بين التكلفتين،  ربما أكثر من سعر الثلاجة الجديدة.
دون علامات: إذا كانت الإجابة غير صخيخة،أو لم نجيب عن السؤال.


ملاحظات عامة:
الثلاجة القديمة تعمل حوالي 10 ساعات يوميًا، قدرة الثلاجة  2 كيلواط . هذ يعنيأنها تستهلك 20 كيلواط\ساعة يوميًا، لذلك الاستهلاك الشهري للثلاجة 600 كيلواط\ساعة. في السنة الواحدة 7200 كيلواط\ساع. اذا كان سعر الكيلواط\ساعة 0.45 شاقل، فإنّ تكلفة تشغيل الثلاجة القديمة سنويًا: 3,240 شاقلاً. بالمقابل تكلفة تشغيل الثلاجة جديدة التي تعمل  4 ساعات يوميا هي : 1,296 شاقلاً.(4*2*30*12*0.45). الفرق بين التكلفتين 1944 شاقلاً في السنة الواحدة. خلال 3 سنوات من لحظة شراء الثلاجة الجديدة،نغطي ثمن شراءه من التوفير في الاستهلاك الكهربائي ونربح من ذلك أيضًا.


اقتراحات تدريسية:
في هذا السؤال، "يكتشف" التلاميذ أنه أحيانًا يفضل استبدال الجهاز الكهربائي القديم بجديد، على الرغم من التكلفة المادية المنوطة بذلك. حيث الاستهلاك الكهربائي في الأجهزة الجديدة أقل من الاستهلاك الكهربائي في الأجهزة القديمة. يجب أن نشدد على أن الجهاز الجديد الذي نشتريه يكون استهلاكه الكهربائي منخفض. الاجهزة التي استهلاكها الكهربائي قليل، تقلل من حدة  تناقص مصادر الطاقة وتلوث البيئة.


السؤال 3
هدف السؤال: القدرات- تعويص في القانون،إجراء عمليات حسابية، مقارنة بين المعطيات، استخلاص معلومات من النص والجدول.






علامة كاملة  (100%): أ.

سخان شمسي
سخان كهربائي
سعر الجهاز (يشمل التركيب)
حوالي 2,500 شاقل
حوالي1,500 شاقل
عدد ساعات التسخين الكهربائي في السنة

25
250
مدة صلاحية السخان

15 سنة
15 سنة
زمن الكفالة الكاملة
8 سنوات
8 سنوات
زمن تشغيل السخان الكهربائي خلال المدة كلها (15 سنه)

750 ساعة
400*15 = 6,000
الاستهلاك الكهربائي نتيجةًلتشغيل السخان على مدار الفترة الكاملة (15 سنه)

1,500 كيلواط\ساعة
6,000*2 = 12,000كبلواط\ساعة

تكلفة الاستخدام الكهربائي على مدار الفترة بأكملها (15 سنة)
675 شيقل
12,000*0.45 = 5,400 شسقل

ب. وفقًا لنتائج الجدول في بند  أ، نلاحظ الفائدة الاقتصادية من ااستعمال السخان الشمسي.
ملاحظة: جاءت معطيات السؤال لتبرز أهمية  استخدام السخان الشمسي،على الرغم من أنها لا تمثِّل استهلاك الطاقة الكهربائية للعائلة عند تسخين الماء.  السخان الشمسي أغلى من السخان الكهربائي بحوالي 1000 شاقل، بينما التوفير  جراء تشغيل السخان الشمسي على مدار 15 عامًاحوالي 4,500 شاقل، اذا طرحنا من ذلك الفرق بين سعر السخانين، نحصل على ربح مادي مقداره 3,500 شاقل،  من استخدام السخان الشمسي على مدار 14 عامًا.
ت. الاعتبارات الاضافية عند تركيب السخان الشمسي،  نستخدم الطاقة المتجددة (استغلال طاقة الشمس). مما يمنع من انخفاض مصادر الطاقة المتناقصة. ولا نؤدي إلىإطلاق مواد ملوثة إلى البيئة المحيطة.
علامات جزئية:33% مقابل كل إجابة صحيحة.
دون علامات: عند اختيار أي إمكانية غير صحيحة،أو عدم الإجابة.
ملاحظات عامة: في هذا السؤال، نبحث أحد الأجهزة  الناجحة التي تساعد في تقليل استهلاك الطاقة الكهربائية في البلاد. إسرائيل هي الدولة الوحيدة في العالم التي تلزمنا قانونيًا بتركيب سخان شمسي في كل بناية جديدة.جاء هذا السؤال، لكي يعرِّف التلاميذ على الفائدة الاقتصادية، الصحية،  الاجتماعية والبيئية المحيطة الناتجة من تركيب السخان الشمسي.

السؤال 4
أ- أهداف السؤال: القدرات - مقارنة بين عوامل مختلفة تؤثر على النتيجة.
العلامة الكاملة: %100 الإجابات الصحيحة هي: ب, ت, ج.
ب-التوفير في الطاقة نتيجة استخدام مصابيح فلوروسنتية كبيرة.
ت-التوفير في الطاقة نتيجة استخدام السخان الشمسي.
ث-العزل الجيد، يمنع من انتقال الحرارة من البيت إلى البيئة المحيطة وبالعكس ( مثال: البيوت المبنية من جدران سميكة من مادة الطين،أو الكهوف). درجة حرارة البيت المعزول عن البيئة المحيط لا تتغير بنفس المقدار الذي تتغير فيه درجة حرارة البيوت غير معزولة. لذلك استهلاك الطاقة في الشتاء أثناء التدفئة،أو التبريد في الصيف تكون أكبر.
العلامة الجزئية:33% –لكل إجابة صحيحة.
دون علامة: إجابة غير صحيحة، أو عدم الإجابة عن السؤال.
ملاحظات عامة: في هذا السؤال، على الطالب أن يتمكن من دمج المعلومات التي حصل عليها من  مصادر مختلفة، بما في ذلك المعلومات التي حصل عليها من هذه المهمة، لأنه توجد عدة طرق تمكِّننا من تقليل استهلاك الطاقة:
  • شراء أجهزة كهربائية  نجاعتها عالية، مثلاً: الاستهلاك الكهربائي لثلاجة من سنوات الـ 80  للقرن الـ 20  كانأكبر بـ 3 اضعاف من ثلاجات سنوات الألفين، استخدام مصابيح فلوروسنية بدلاً من مصابح التوهج.
  • تحسين العزل، لكي نمنع "هروب الطاقة الحرارية". نستعمل كمية طاقة كبيرة لتسخين (أو تبريد) البيت. تحسين عزل البيت عن بيئته المحيطة  (جدران مصنوعة من مواد عازلة, شبابيك من زجاج مكون من طبقتين، وسد فتحات البيت بشكل جيد) يقلل بمقدار كبير الانتقال الحراري بين الداخل والخارج. وهكذا نقلل من كمية الحرارة اللازمة للتسخين ( أو التبريد)  في البيت.
  • استخدام السخان الشمسي (طاقة "مجانية" ) لتسخين الماء.تحسين العزل في السخان الذي يحتوى الماء، يقلل من وتيرة فقدان الحرارة إلى البيئة المحيطة. كذلك العزل الجيد للأنابيب التي تنقل الماء الساخن من الخزان الى البيت (تغليف الأنابيب برغوة بولياوريطان )، يقلل إلى حد كبير من فقدان الحرارة إلى البيئة المحيطة.
  • مراقبة  استخدام الأجهزة الكهربائية.



السؤال 5
أهداف السؤال: القدرات- معالجة معطيات عددية (نسب).
العلامة الكاملة: فرع أ %40
                        فرع ب %60
أ- يمكنأن نتوصل إلى الإجابة الصحيحة عن طريق حساب مباشر للطاقة التي يستهلكها فرن الطهي الكهربائي:
1.6 [KW]*1 [hr] = 1.6 [KWh]
وحساب مباشر للطاقة التي يستهلكها الميكروجال:
0.8 [KW]*1/6 [hr] = 0.133 [KWh]
العلاقة بينهما
1.6/0.133 = 12
يمكن أن نتوصل إلى الإجابة عن طريق النسبة:
بما أن القدرة الللازمة أقل بضعفين ( 800 واط بالمقارنة مع 1600 واط )، وزمن التسخين اللازم أقل بـ 6 أضعاف (10 دقائق مقابل  60 دقيقة )،لذا الطاقة أقل بـ 12 مرة (6*2).
دون علامة: إجابة غير صحيحة،أو عدم الإجابة.



[1]©جميع الحقوق على المهام مخفوظة لوزارة التربية، طبعة تجريبية، ليست للبيع، ولقسم تدريس العلوم، معهد وايزمن للعلوم. 

هناك 13 تعليقًا:

إرسال تعليق