Lý thuyết Năng lượng và công (Cánh diều 2023) hay, chi tiết | Vật Lí 10

Lý thuyết Vật Lí lớp 10 Bài 1: Năng lượng và công

A. Lý thuyết Năng lượng và công

I. Công và sự truyền năng lượng.

– Năng lượng có ở khắp mọi nơi xung quanh chúng ta và tồn tại ở các dạng khác nhau.

1. Công

– Năng lượng có thể được truyền từ vật này sang vật khác thông qua tương tác.

– Năng lượng đặc trưng cho khả năng thực hiện công. Công được tính bằng biểu thức:

Công = lực tác dụng $\times$ độ dịch chuyển theo phương của lực

– Kí hiệu:

+ Công là: A

+ Giá trị lực tác dụng là: F

+ Độ dịch chuyển theo phương của lực là: d

– Biểu thức tính công được viết dưới dạng: $A=F.d$ 

– Đơn vị đo công: N.m

– Ví dụ:

+ Xét trường hợp lực tác dụng có hướng trùng với hướng chuyển động.

+ Xét trường hợp lực tác dụng có hướng hợp với hướng dịch chuyển một góc $\alpha$ nào đó.

– Khi lực F không đổi tác dụng lên một vật và điểm đặt của lực đó chuyển dời một đoạn s theo hướng hợp với hướng của lực góc $\alpha$ thì biểu thức tính công của lực là:

$A=F.s.cos\alpha$

2. Sự truyền năng lượng

– Thực hiện công là một cách truyền năng lượng từ vật này sang vật khác. Độ lớn của công mà lực đã thực hiện bằng phần năng lượng mà lực tác dụng đã truyền cho vật, làm vật dịch chuyển một khoảng nào đó theo phương của lực.

Công đã thực hiện = Phần năng lượng đã được truyền

– Đơn vị đo công là đơn vị đo năng lượng: Jun (J), 1N.1m = 1J hay 1J = 1N.m

II. Công suất

1. Tốc độ thực hiên công.

– Tốc độ thực hiện công của hai lực là nhanh chậm khác nhau.

Người và máy tời có tốc độ thực hiện công khác nhau

Người đạp xe và ô tô có tốc độ thực hiện công khác nhau

2. Định nghĩa công suất.

– Người ta dùng khái niệm công suất để biểu thị tốc độ thực hiện công của một lực. Công suất có độ lớn được xác định bằng công sinh ra trong một đơn vị thời gian.

$\text{P}=\frac{A}{t}$

 – A là công thực hiện trong thời gian t. Đây là biểu thức xác định công suất trung bình. Công suất tức thời có thể thay đổi trong thời gian t.

– Đơn vị đo công suất là oát, kí hiệu là W.

– Ngoài ra công suất còn sử dụng đơn vị khác như mã lực.

3. Mối liên hệ công suất với lực và vận tốc.

– Công suất hoạt động của động cơ:

$\text{P}=\frac{A}{t}=\frac{F.s}{t}=\frac{F.v.t}{t}=F.v$

– Đây là biểu thức xác định công suất trung bình.

Nguyên lí hoạt động của hộp số có liên quan đến công suất trung bình

B. Trắc nghiệm Năng lượng và công

Câu 1: Công suất của một người kéo một thùng nước chuyển động đều khối lượng 15 kg từ giếng sâu 6 m lên trong 20 giây (g = 10 m/s²) là:

A. 90 W.

B. 45 W.

C. 15W.

D. 4,5W.

Đáp án: B

Giải thích:

Công suất của người đó là: $\text{P}=\frac{A}{t}=\frac{F.s}{t}=\frac{P.s}{t}=\frac{\mathrm{15.10.6}}{20}=45\text{ }W$

Câu 2: Công của trọng lực khi vật rơi tự do:

A. Bằng tích của khối lượng với gia tốc rơi tự do và hiệu độ cao hai đầu quỹ đạo.

B. Phụ thuộc vào hình dạng và kích thước đường đi.

C. Chỉ phụ thuộc vào vị trí đầu và vị trí cuối đường đi.

D. Không phụ thuộc vào khối lượng của vật di chuyển.

Đáp án: A

Giải thích:

Giả sử vật rơi từ độ cao h₁ đến độ cao h₂ so với mặt đất.

Khi đó, công của trọng lực được xác định: A = F.s = P.s = mg.(h₁ – h₂)

$\Rightarrow$ Công của trọng lực khi vật rơi tự do bằng tích của khối lượng với gia tốc rơi tự do và hiệu độ cao hai đầu quỹ đạo.

Câu 3: Một vật có khối lượng 2 kg 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:

A. 0 J.

B. 69,15 J.

C. 138,3 J.

D. 196 J.

Đáp án: C

Giải thích:

Thời gian vật rơi hết độ cao 10 m từ khi bắt đầu thả vật là:

$t=\sqrt{\frac{2h}{g}}=\sqrt{\frac{2.10}{9,8}}\approx 1,43\text{ s}$

Vậy trong khoảng thời gian 1,2 s, vật vẫn đang rơi và trọng lực vẫn sinh công.

Độ dịch chuyển mà vật có được trong thời gian 1,2 s kể từ lúc bắt đầu thả là: $d=\frac{1}{2}g.t^2$

Công của trọng lực:

$A=F.s=P.d=m.g.\frac{1}{2}g.t^2=2.9,8.\frac{1}{2}.9,8.1,2^2=138,3J$

Câu 4: Một người kéo một hòm gỗ trượt trên sàn nhà bằng một dây có phương hợp với phương ngang một góc 60^o. Lực tác dụng lên dây bằng 150 N. Bỏ qua ma sát. Công của lực đó thực hiện được khi hòm trượt đi được 10 m là:

A. 1275 J.

B. 750 J.

C. 1500 J.

D. 6000 J.

Đáp án: B

Giải thích:

Công của lực đó là: A = F.s.cosα = 150.10.cos60⁰ = 750 J.

Câu 5: Một ô tô chạy đều trên đường với vận tốc 72 km/h. Công suất trung bình của động cơ là 60 kW. Công của lực phát động của ô tô khi chạy được quãng đường 6 km là:

A. 1,8.10⁶ J.

B. 15.10⁶ J.

C. 1,5.10⁶ J.

D. 18.10⁶ J.

Đáp án: D

Giải thích:

Đổi đơn vị: v = 72 km/h = 20 m/s.

$\text{P}$ = 60 kW = 60000 W.

s = 6 km = 6000 m.

Ô tô chạy đều, nên thời gian ô tô chạy hết quãng đường 6 km là:

$t=\frac{s}{v}=\frac{6000}{20}=300s$ 

Công của lực phát động của ô tô khi chạy được quãng đường 6 km là:

A = $\text{P}$.t = 60000.300 = 18.10⁶ J.

Câu 6: Công thức tính công của một lực là:

A. A = F.d.

B. A = mgh.

C. A = F.s.sinα.

D. $A=\frac{1}{2}m{v}^2$.

Đáp án: A

Giải thích:

Công của lực được xác định bằng biểu thức: A = F.d

Với F là độ lớn của lực tác dụng (N).

d là độ dịch chuyển theo phương của lực (m).

Nếu phương của lực hợp với phương chuyển động một góc α và làm vật dịch chuyển một quãng đường s, thì d = s.cosα $\Rightarrow$ A = F.s.cosα.

Câu 7: Công là đại lượng         

A. vô hướng, có thể âm hoặc dương.

B. vô hướng, có thể âm, dương hoặc bằng không.

C. véctơ, có thể âm, dương hoặc bằng không.

D. véctơ, có thể âm hoặc dương.

Đáp án: B

Giải thích:

Nếu phương của lực hợp với phương chuyển động một góc α và làm vật dịch chuyển một quãng đường s, thì d = s.cosα $\Rightarrow$ Công của lực được xác định: A = F.s.cosα.

-1 ≤ cosα ≤ 1 $\Rightarrow$ A có thể âm, dương hoặc bằng 0.

Câu 8: Công suất có độ lớn được xác định bằng:

A. Giá trị công có khả năng thực hiện.

B. Công thực hiện trong một đơn vị thời gian.

C. Công thực hiện trên một đơn vị độ dài.    

D. Tích của công và thời gian thực hiện công.

Đáp án: B

Giải thích:

Công suất đặc trưng cho khả năng thực hiện công nhanh hay chậm. Công suất có độ lớn được xác định bằng công sinh ra trong một đơn vị thời gian 

Câu 9: Đơn vị nào không phải đơn vị của công suất:

A. N.m/s.

B. W.

C. J.s.

D. HP.

Đáp án: C

Giải thích:

Công suất có độ lớn được xác định bằng công sinh ra trong một đơn vị thời gian $\text{P}=\frac{A}{t}$

Trong hệ SI, công suất đo bằng oát, kí hiệu là W.

1W = 1J/s = 1N.m/s

Một số đơn vị khác: 1KW = 1000 W; 1MW = 1000 KW; 1HP (mã lực) ≈ 745,7 W

Câu 10: Một người nhấc một vật lên đều có khối lượng 6 kg lên độ cao 1 m rồi mang vật đó đi ngang được một độ dời 30 m. Công tổng cộng mà người đó là:

A. 1860 J.

B. 1800 J.

C. 160 J.

D. 60 J.

Đáp án: D

Giải thích:

Chọn chiều dương hướng lên.

Lực mà người này tác dụng lên vật để nhấc vật lên cao và mang vật đi ngang đều thực hiện công. Quá trình di chuyển này được chia làm 2 giai đoạn

– Giai đoạn 1: nâng vật lên độ cao 1 m, lực thực hiện công có độ lớn bằng trọng lượng của vật. Nên $A_1=F.s.\cos \alpha =P.s.\cos \alpha =m.g.s.\cos 0^o=60J$

– Giai đoạn 2: nâng vật đi đều theo phương ngang nên lực tác dụng có phương vuông góc với độ dịch chuyển. Nên A₂ = 0

Tổng công thực hiện: A = A₁ + A₂ = 60 J.

Câu 11: Một thang máy khối lượng 1 tấn có thể chịu tải tối đa 800 kg. Khi chuyển động thang máy còn chịu một lực cản không đổi bằng 4.10³ N. Để đưa thang máy lên cao với vận tốc không đổi 3 m/s thì công suất của động cơ phải bằng (cho g = 9,8 m/s²):

A. 35520 W.

B. 64920 W.

C. 55560 W.

D. 32460 W.

Đáp án: B

Giải thích:

Lực tổng hợp có độ lớn: F = P + F_c

$\text{P}$ = F.v = (Mg + F_c).v = [(m_thang + m_tải).g + F_c].v

= [(1000 + 800).9,8 + 4000].3 = 64920 W.

Câu 12: Một vật có khối lượng m = 2 kg rơi tự do không vận tốc đầu từ độ cao h, lấy g = 10 m/s². Công suất tức thời của trọng lực tại thời điểm 2 giây kể từ lúc bắt đầu chuyển động là:

A. 400 W.

B. 40 W.

C. 200 W.

D. 20 W.

Đáp án: A

Giải thích:

Vận tốc tức thời tại thời điểm t = 2s là: v = g.t = 10.2 = 20 m/s

Công suất tức thời tại thời điểm t = 2 s là:

P = F.v = P.v = (m.g).v = (2.10)20 = 400 W.

Chú ý: Dùng biểu thức P = F.v để tính công suất tức thời tại một thời điểm t trong bài toán chuyển động biến đổi (v thay đổi) thì ta hiểu v trong biểu thức tương ứng là v tức thời tại thời điểm t ta xét.

Câu 13: Một vật chuyển động với vận tốc v không đổi dưới tác dụng của lực không đổi và cùng hướng chuyển động. Công suất của lực là:

A. P = F.v.t.

B. P = F.v.

C. P = F.t.

D. $\text{P\hspace{0.17em}=}\frac{F}{v}$.

Đáp án: B

Giải thích:

Một vật chuyển động với vận tốc v không đổi dưới tác dụng của lực không đổi và cùng hướng chuyển động. Công suất của lực là: P = F.v.

Câu 14: Một động cơ điện cung cấp công suất 15 kW cho một cần cẩu nâng kiện hàng nặng 1000 kg lên cao 30 m. Lấy 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.

Đáp án: B

Giải thích:

Công mà động cơ thực hiện khi cần cẩu nâng kiện hàng nặng 1000 kg lên cao 30 m:

A = F.s = P.h = m.g.h = 1000.10.30 = 3.10⁵ J

Thời gian tối thiểu để thực hiện công đó với công suất của động cơ 15 kW là:

$t=\frac{A}{\text{P}}=\frac{{3.10}^5}{{15.10}^3}=20s$

Câu 15: Một vật 5,5 kg được đặt trên mặt phẳng ngiêng. Chiều dài của mặt phẳng nghiêng là 10 m, chiều cao 5 m. Lấy 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. 275 J.

D. 260 J.

Đáp án: C

Giải thích:

Công của trọng lực khi vật trượt từ đỉnh xuống chân mặt phẳng nghiêng có độ lớn là

$A=P.s.\text{cos}\left(\overrightarrow{\text{P}},\overrightarrow{s}\right)=m.g.s.\frac{h}{s}=5,\mathrm{5.10.10.}\frac{5}{10}=275\text{ J}$

Xem thêm các bài tóm tắt lý thuyết Vật lí 10 Cánh diều hay, chi tiết:

Bài 6: Mômen lực. Điều kiện cân bằng của vật

Bài 1: Động lượng và định luật bảo toàn động lượng

Bài 2: Động lượng và năng lượng trong va chạm

Bài 1: Chuyển động tròn