1. Năng lượng là gì?
Mọi hiện tượng xảy ra trong tự nhiên đều cần có năng lượng dưới các dạng khác nhau: cơ năng, nhiệt năng, hóa năng, điện năng, năng lượng ánh sáng, năng lượng âm thanh...
Năng lượng có thể chuyển hóa từ dạng này sang dạng khác hoặc truyền từ vật này sang vật khác.
Định luật bảo toàn năng lượng: Năng lượng không tự sinh ra hoặc tự mất đi mà chỉ chuyển hóa từ dạng này sang dạng khác hoặc truyền từ vật này sang vật khác.
2. Công cơ học là gì?
2.1. Khái niệm
Năng lượng có thể được truyền từ vật này sang vật khác. Việc truyền năng lượng cho vật bằng cách tác dụng lực lên vật và làm thay đổi trạng thái chuyển động được gọi là thực hiện công cơ học (gọi tắt là thực hiện công).
2.2. Ví dụ về công cơ học
Ví dụ 1: Khi ta đẩy một cuốn sách, ta thực hiện công làm nó chuyển từ trạng thái đứng yên sang trạng thái chuyển động nhanh dần. Động năng của sách tăng là do sách nhận được năng lượng từ tay ta truyền qua.
Ví dụ 2: Gió là các luồng di chuyển của không khí. Khi gặp các máy phát điện gió, động năng gió thực hiện công làm quay cánh quạt.
2.3. Công thức tính công cơ học
a. Khi lực không đổi và cùng hướng với chuyển động
Khi lực cùng hướng với chuyển động thì độ dịch chuyển $\overrightarrow{d}$ có độ lớn bằng với quãng đường đi được s, nên công thức tính công là A = F.d
b. Khi lực không đổi và không cùng phương với chuyển động
A = F. s. cosα
Tuỳ thuộc vào góc α mà công của lực có thể xảy ra một trong các trường hợp sau:
- 0 ≤ α 90°: Thành phần Fs của $\overrightarrow{F}$ trên phương chuyển động cùng chiều với chiều chuyển động. Công của lực lúc này được gọi là công phát động (A > 0)
- α = 90°: lực vuông góc với phương chuyển động, khi đó lực không sinh ra công (A = 0)
- 90° α ≤ 180°: Thành phần Fs của $\overrightarrow{F}$ trên phương chuyển động ngược chiều với chiều chuyển động, lực làm cản trở chuyển động của vật. Công của lực lúc này được gọi là công cản (A 0)
3. Công suất
3.1. Khái niệm về công suất
Công suất là đại lượng đặc trưng cho khả năng thực hiện công nhanh hay chậm của người hay thiết bị sinh công.
3.2. Công thức tính công suất
Nếu trong khoảng thời gian t, công thực hiện được là A thì tốc độ sinh công, tức công suất là
P = $\frac{A}{t}$
Nếu A tính bằng jun (J); t tính bằng giây (s), thì P tính bằng Oát (W)
1W = $\frac{1J}{1s}$
Các bội của Oát (W) là
1 kilôoát = 1 kW = 10^3 W
1 mêgaoát = 1 MW = 10^6 W
3.3 Liên hệ giữa công suất với lực và tốc độ
Khi vật chuyển động cùng hướng với lực và lực không thay đổi thì công suất trung bình của lực làm vật chuyển động là
P = F.v
Công suất tức thời của lực làm cho vật chuyển động với vận tốc tức thời vt
Pt = F.vt
4. Hiệu suất
4.1. Khái niệm
Hiệu suất là tỉ lệ giữa năng lượng có ích và năng lượng toàn phần.
4.2. Công thức tính hiệu suất
Hiệu suất = Năng lượng có ích/Năng lượng toàn phần
H = $\frac{W{ci}}{W{tp}}$. 100% hoặc H = $\frac{P{ci}}{P{tp}}$. 100%
với $P{ci}$ là công suất có ích, $P{tp}$ là công suất toàn phần.
Hiệu suất của động cơ nhiệt được viết dưới dạng H = $\frac{A}{Q}$.100%
Trong đó:
- A là công cơ học mà động cơ thực hiện được
- Q là nhiệt lượng mà động cơ nhận được từ nhiên liệu bị đốt cháy.
Hiệu suất của một số thiết bị điện như máy phát điện, tuabin nước, máy hơi nước,... được cho trong bảng tham khảo dưới đây.
5. Bài tập ôn luyện kiến thức về công cơ học Vật lý 10
5.1. Bài tập tự luận
Bài 1: Khi rửa gầm ô tô, người ta thường sử dụng máy nâng để nâng ô tô lên tới độ cao h = 160cm so với mặt sàn. Cho biết khối lượng ô tô là m = 1,5 tấn và gia tốc trọng trường g = 10m/s2. Tính công tối thiểu mà máy nâng cần thực hiện.
hướng dẫn giải
Để nâng được ô tô lên thì máy nâng phải tác dụng vào ô tô một lực tối thiểu
$F_{min}$ = P = m.g = 1,5. 10^3. 10 = 1,5. 10^4 N
Công tối thiểu mà máy nâng cần thực hiện là
A = P. h = 1,5. 10^4. 1,6 = 24000J = 24kJ
Bài 2: Một vật có khối lượng 2 kg trượt trên sàn có hệ số ma sát 0,2 dưới tác dụng của một lực không đổi có độ lớn 10N hợp với phương ngang góc α = 30°. Tính công của lực F và lực ma sát khi vật chuyển động được 5s, với g = 10m/s2.
Hướng dẫn giải
Phân tích bài toán
m = 2 kg; µ = 0,2; g = 10 m/s2; F = 10 N; α = 30°; t = 5s
Chọn chiều dương là chiều chuyển động của vật
$F_{ms}$ = µ.(P - Fsinα) = 3N
Áp dụng định luật II Newton theo phương ngang:
Fcosα - $F_{ms}$ = ma → a = 2.83 m/s2
Quãng đường vật đi được trong 5s là: s = 0,5.a.t^2 = 35,375 (m)
$A_F$ = F.s.cosα = 306,4 (J)
$A{Fms}$ = $F{ms}$. s. cos $180^{circ}$ = -106,124 (J)
Bài 3: Một vật có khối lượng 2 kg thả rơi tự do từ độ cao 10 m so với mặt đất. Bỏ qua sức cản không khí. Lấy g = 9,8 m/s2. Trong thời gian 1,2 s kể từ lúc bắt đầu thả vật, trọng lực thực hiện một công bằng bao nhiêu?
Hướng dẫn giải
Thời gian để vật rơi xuống đất bằng
t = √(2g/h) = √(2.10/9,8) ≈ 1,43 s
Vì t = 1,43 s > 1,2 s nên trong thời gian 1,2 s kể từ lúc bắt đầu thả vật, vật vẫn đang rơi vào trọng lực thực hiện 1 công bằng:
A = P.h = m.g.g.t2/2 = 2. 9,8. (9,8.1,2)^2/2 = 138,3 J.
Bài 4: Một đường tròn có đường kính AC = 2R = 1m. Lực F có phương song song với AC, có chiều không đổi từ A đến C và có độ lớn 600N. Công của lực F sinh ra để làm dịch chuyển vật trên nửa đường tròn AC bằng bao nhiêu?
Hướng dẫn giải
Xét vật di chuyển một cung nhỏ S khi đó cung trùng với dây cung S = AC
Công của lực F di chuyển trên cung này là:
A = F.S.cosα = F.S→
Với S→ = A'C' = AC = 1 m
Thay vào ta được:
A = F.S.cosα = F.S→ = 600.1 = 600J
5.2. Bài tập trắc nghiệm
Câu 1: Lực tác dụng lên một vật đang chuyển động thẳng biến động đều không thực hiện công khi A. Lực vuông góc với gia tốc của vật. B. Lực ngược chiều với gia tốc của vật. C. Lực hợp với phương của vận tốc với góc α. D. Lực cùng phương với phương chuyển động của vật.
Câu 2: Đơn vị không phải đơn vị của công suất là A. N.m/s. B. W. C. J.s. D. HP.
Câu 3: Phát biểu nào dưới đây là đúng? A. Máy có công suất lớn thì hiệu suất của máy đó nhất định sẽ cao. B. Hiệu suất của một máy có thể lớn hơn 1. C. Máy có hiệu suất cao thì công suất của máy nhất định phải lớn. D. Máy có công suất lớn thì thời gian sinh công sẽ nhanh.
Câu 4: Một lực F = 50 N tạo với phương ngang một góc α=30°, kéo một vật và làm vật chuyển động thẳng đều trên một mặt phẳng ngang. Công của lực kéo khi vật di chuyển được quãng đường dài 6m là A. 260 J. B. 150 J. C. 0 J. D. 300 J.
Câu 5: Thả rơi một hòn sỏi khối lượng 50 g từ độ cao 1,2 m xuống một giếng sâu 3m, với g = 10 m/s2. Công của trọng lực khi vật rơi chạm đáy giếng là A. 60 J. B. 1,5 J. C. 210 J. D. 2,1 J.
Câu 6: Một vật có khối lượng 5 kg trượt trên mặt phẳng nghiêng. Lực ma sát giữa vật và mặt phẳng nghiêng bằng 0,2 lần trọng lượng của vật. Chiều dài của mặt phẳng nghiêng là 10 m, với g = 10 m/s2. Công của lực ma sát khi vật trượt từ đỉnh xuống chân mặt phẳng nghiêng bằng A. - 95 J. B. - 100 J. C. - 105 J. D. - 98 J.
Câu 7: Một vật có khối lượng 5 kg được đặt trên mặt phẳng nghiêng. Chiều dài của mặt phẳng nghiêng là 10 m, chiều cao 5 m, với g = 10 m/s2. Công của trọng lực khi vật trượt từ đỉnh xuống chân mặt phẳng nghiêng có độ lớn là A. 220 J. B. 270 J. C. 250 J. D. 260 J.
Câu 8: Một động cơ điện cung cấp công suất 15 kW cho một cần cẩu nâng 1000 kg lên độ cao 30 m. Với g = 10 m/s2, thời gian tối thiểu để thực hiện công việc đó là A. 40 s. B. 20 s. C. 30 s. D. 10 s.
Câu 9: Một vật có khối lượng 1500 kg được cần cẩu nâng đều lên độ cao 20 m trong khoảng thời gian là 15s. Với g = 10 m/s2, công suất trung bình của lực nâng của cần cẩu là A. 15000 W. B. 22500 W. C. 20000 W. D. 1000 W.
Câu 10: Một ô tô chạy đều trên đường