Lý thuyết Hiệu suất (Kết nối tri thức 2023) hay, chi tiết | Vật Lí 10

Lý thuyết Vật Lí lớp 10 Bài 27: Hiệu suất 

A. Lý thuyết Hiệu suất

I. Năng lượng có ích và năng lượng hao phí

– Khi năng lượng được chuyển từ dạng này sang dạng khác, từ vật này sang vật khác thì luôn có một phần bị hao phí.

Máy đánh trứng chuyển điện năng sang động năng của phới (năng lượng có ích) và năng lượng âm thanh, năng lượng nhiệt (năng lượng hao phí)

Máy sấy tóc biến đổi điện năng sang nhiệt năng (năng lượng có ích) và

năng lượng âm thanh (năng lượng hao phí)

Trong các động cơ nhiệt thông thường, có khoảng 60%-70% năng lượng bị hao phí, trong các động cơ điện, năng lượng hao phí thấp hơn, khoảng 10%.

Trong pin Mặt trời thì ngược lại, chỉ có khoảng 10% năng lượng của ánh sáng Mặt trời được chuyển hóa thành điện năng, còn lại là năng lượng hao phí

II. Hiệu suất

Để đánh giá tỉ lệ giữa năng lượng có ích và năng lượng toàn phần, người ta dùng khái niệm hiệu suất.

$\text{H = }\frac{{\text{W}}_{\mathrm{ci}}}{{\text{W}}_{\mathrm{tp}}}.100\%$

Hoặc $\mathrm{H}\text{ = }\frac{{\text{P}}_{\mathrm{ci}}}{{\text{P}}_{\mathrm{tp}}}.100\%$; với ${\text{P}}_{\mathrm{ci}}$ là công suất có ích, ${\text{P}}_{\mathrm{tp}}$ là công suất toàn phần.

– Hiệu suất của động cơ nhiệt được viết dưới dạng

$\text{H = }\frac{\mathrm{A}}{\mathrm{Q}}.100\%$

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: Máy phát điện, tuabin nước, máy hơi nước, … được cho trong bảng tham khảo dưới đây.

B. Trắc nghiệm Hiệu suất

Câu 1: Một động cơ có công suất tiêu thụ bằng 5 kW kéo một vật có trọng lượng 12 kN lên cao 30 m theo phương thẳng đứng trong thời gian 90 s với vận tốc không đổi. Hiệu suất của động cơ bằng

A. 100%.

B. 80%.

C. 60%.

D. 40%.

Đáp án đúng là: B

Công có ích để nâng vật lên là: $A_{ci}=P.h=12000.30=360000J$

Công toàn phần do động cơ sinh ra là: $A_{tp}=P.t=5000.90=450000J$

Hiệu suất của động cơ bằng: $H=\frac{A_{ci}}{A_{tp}}=\frac{360000}{450000}=0,8=80\%$

Câu 2:Một máy bơm nước có công suất 1,5 kW, hiệu suất 70%. Lấy g = 10 m/s². Biết khối lượng riêng của nước là D = 10³ (kg/m³). Dùng máy này để bơm nước lên độ cao 10 m, sau nửa giờ máy đã bơm lên bể một lượng nước bằng

A. 18,9 m³.

B. 15,8 m³.

C. 94,5 m³.

D. 24,2 m³.

Đáp án đúng là: A

Công toàn phần của máy bơm là: A_tp – P.t

Ta có: $H=\frac{A_{ci}}{A_{tp}}\Rightarrow A_{ci}=A_{tp}.H=P.t.H$

Mặt khác, ta lại có $A_{ci}=mgh=DVgh$

$\Rightarrow P.tH=DVgh\Rightarrow V=\frac{PtH}{Dgh}$

Lượng nước mà máy bơm lên được sau nửa giờ là:

$V=\frac{P.t.H}{Dgh}=\frac{1,5.{10}^3.0,5.3600.0,7}{{10}^3.10.10}=18,9m^3$

Câu 3: Một máy bơm nước có công suất 1,5 kW, hiệu suất 80%. Lấy g = 10 m/s². Biết khối lượng riêng của nước là D = 10³ (kg/m³). Người ta dùng máy bơm này để bơm nước ở dưới mặt đất lên một cái bể bơi có kích thước chiều dài 50 m, rộng 25 m và chiều cao 2 m. Biết bể bơi thiết kế ở trên tầng 2 có độ cao so với mặt đất là h = 10 m. Để bơm đầy bể thì thời gian cần thiết mà máy bơm phải hoạt động là

A. 57,87h.

B. 2 ngày.

C. 2,5 ngày.

D. 2,4 ngày.

Đáp án đúng là: D

Công toàn phần của máy bơm là: A_tp = P.t

Ta có: $H=\frac{A_{ci}}{A_{tp}}\Rightarrow A_{ci}=A_{tp}.H=P.t.H$

Mặt khác, ta lại có $A_{ci}=mgh=DVgh$

$\Rightarrow P.t.H=DVgh\Rightarrow t=\frac{DVgh}{PH}$

Thời gian để bơm đầy bể nước bằng:

$t=\frac{DVgh}{PH}=\frac{{10}^3.50.25.2.10.10}{1,5.{10}^3.0,8}=208333,33s=2,4$ngày

Câu 4: Một động cơ điện cỡ nhỏ được sử dụng để nâng một vật có trọng lượng 2,0 N lên cao 80 cm trong 4,0 s. Hiệu suất của động cơ là 20%. Công suất điện cấp cho động cơ bằng

A. 0,080 W.

B. 2,0 W.

C. 0,80 W.

D. 200 W.

Đáp án đúng là: B

Công có ích để nâng vật lên là: $A_{ci}=P.h=2.0,8=1,6J$

Công toàn phần do động cơ sinh ra bằng: $A_{tp}=P.t$

Hiệu suất của động cơ: $H=\frac{A_{ci}}{A_{tp}}\iff P.h=H.P.t\Rightarrow P=\frac{P.h}{H.t}=\frac{2.0,8}{0,2.4}=2W$

Câu 5: Một vật có khối lượng 10 kg chịu tác dụng của 1 lực kéo 80 N có phương hợp với độ dời trên mặt phẳng nằm ngang 30⁰. Hệ số ma sát trượt giữa vật với mặt phẳng nằm ngang là k = 0,2. Lấy g = 10 m/s². Hiệu suất của chuyển động khi vật đi được quãng đường 20 m là:

A. 71%

B. 68%

C. 85%

D. 80%

Đáp án đúng là: A

Công do lực tác dụng bằng: $A_{tp}=Fs\cos \alpha =80.20.\cos 30=1385.64J$

Công của lực ma sát bằng: $A_{ms}=F_{mst}s=kNs=kmgs=0,2.10.10.20=400$

Phần công có ích để làm vật di chuyển là: $A_{ci}=A_{tp}–A_{ms}=1385,64–400=985,64J$

Hiệu suất của chuyển động bằng: $H=\frac{A_{ci}}{A_{tp}}=\frac{985,64}{1385,64}=0,71=71\%$

Câu 6: Để đưa một vật có khối lượng 250 kg lên độ cao 10 m người ta dùng một hệ thống gồm một ròng rọc cố định, một ròng rọc động. Lúc này lực kéo dây để nâng vật lên là F = 1500 N. Lấy g = 10 m/s². Hiệu suất của hệ thống là:

A. 80%.

B. 83,3%.

C. 86,7%.

D. 88,3%.

Đáp án đúng là: B

Công có ích để đưa vật lên là: $A_{ci}=P.h=m.g.h=250.10.10=25000J$

Do sử dụng ròng rọc động nên quãng đường sẽ tăng lên gấp đôi.

Công toàn phần do lực tác dụng thực hiện: A_tp = F.2s = 1500.2.10 = 30000J

Hiệu suất của hệ thống bằng: $H=\frac{A_{ci}}{A_{tp}}=\frac{25000}{30000}=0,833=83,3\%$

Câu 7: Một máy bơm nước mỗi giây có thể bơm 15 lít nước lên bể ở độ cao 10 m. Coi hao tổn không đáng kể. Lấy g = 10 m/s². Công suất của máy bơm bằng:

A. 150 W.

B. 3000 W.

C. 1500 W.

D. 2000 W.

Đáp án đúng là: C

Đổi 15 lít = 15 kg

Công để đưa 15l nước lên độ cao 10m là: A_ci = mgh = 15.10.10 = 1500J

Coi hao tổn không đáng kể nên công của máy bơm bằng công có ích

Suy ra A_tp = A_ci 1500J

Công suất của máy bơm bằng:

$P=\frac{A_{tp}}{t}=\frac{1500}{1}=1500W$

Câu 8:Một ô tô chạy 100 km với lực kéo không đổi là 700 N thì tiêu thụ hết 6 lít xăng. Hiệu suất của động cơ ô tô đó là bao nhiêu? Biết năng suất tỏa nhiệt của xăng là 4,6.10⁷ J/kg, khối lượng riêng của xăng là 700 kg/m³.

A. 86%

B. 52%

C. 40%

D. 36,23%

Đáp án đúng là: D

Công có ích để kéo xe di chuyển bằng:

$A_{ci}=F.s=700.100.1000=70000000J$

Công toàn phần do đốt cháy nhiệt liệu xăng:

$A_{tp}=mL=DVL=700.\frac{6}{1000}.4,6.{10}^7=193200000J$

Hiệu suất của động cơ bằng: $H=\frac{A_{ci}}{A_{tp}}=\frac{70000000}{193200000}=0,3623=36,23\%$

Câu 9: Thác nước cao 45 m, mỗi giây đổ 180 m³ nước. Người ta dùng thác nước làm trạm thủy điện với hiệu suất 85%. Biết khối lượng riêng của nước là D = 10³ (kg/m³). Công suất của trạm thủy điện bằng

A. 68,85 MW.

B. 81,00 MW.

C. 95,29 MW.

D. 76,83 MW.

Đáp án đúng là: A

Khối lượng nước đổ xuống mỗi giây là: m = D.V = 10³.180 = 180000kg

Công có thể sinh ra khi nước đổ xuống đến chân thác trong mỗi giây là:

$A_{tp}=mgh=18000.10.45=81000000J$

Gọi A_ci là phần công có ích để phát điện trong mỗi giây

Ta có:$P=\frac{A_{ci}}{A_{tp}}\Rightarrow A_{ci}=H.A_{tp}=0,85.8100000=68850000J$

Suy ra công suất của máy phát điện:

$P=\frac{A_{ci}}{t}=68850000W=68,85MW$

Câu 10:Một máy bơm nước mỗi giây có thể bơm được 15 lít nước lên bể ở độ cao 10 m. Hiệu suất của máy bơm là 70%. Lấy g = 10 m/s². Biết khối lượng riêng của nước là D = 10³ (kg/m³). Sau nửa giờ máy bơm đã thực hiện một công bằng

A. 1500 kJ.

B. 3875 kJ.

C. 1890 kJ.

D. 7714 kJ.

Đáp án đúng là: B

Công có ích để đưa 15l nước lên cao 10 m trong mỗi giây là:

A = mgh = DVgh = ${10}^3.\frac{15}{{10}^3}.10.10=1500J$

Công toàn phần máy bơm sinh ra trong mỗi giây là:

$A_{tp}=\frac{A_{ci}}{P}=\frac{1500}{0,7}=2142,86J$

Công mà máy bơm thực hiện được sau nửa giờ:

A = P.t = 2142,86.0,5.3600 = 3857148J

Xem thêm các bài tóm tắt lý thuyết Vật lí 10 Kết nối tri thức hay, chi tiết khác:

Bài 26: Cơ năng và định luật bảo toàn cơ năng

Bài 28: Động lượng

Bài 29: Định luật bảo toàn động lượng

Bài 31: Động học của chuyển động tròn đều