Vật lí 10 Bài 15: Năng lượng và công

[newt21]

[TẶNG BẠN] TRỌN BỘ Bí kíp học tốt 08 môn
Chắc suất Đại học top - Giữ chỗ ngay!!

ĐĂNG BÀI NGAY để cùng trao đổi với các thành viên siêu nhiệt tình & dễ thương trên diễn đàn.

CHƯƠNG 6: NĂNG LƯỢNG
Bài 15: Năng lượng và công​

1. Năng lượng:
Khái niệm năng lượng
Tất cả mọi quá trình như: xe chuyển động trên đường. thuyền chuyển động trên nước, bánh được nướng trong lò, đèn chiếu sáng, sự phát triển của động vật và thực vật, sự tư duy của con người đều cần đến năng lượng.

Tính chất của năng lượng
Năng lượng của một hệ bất kì luôn có một số tỉnh chất sau:
- Năng lượng là một đại lượng vô hướng.

- Năng lượng có thể tồn tại ở những dạng khác nhau.

– Năng lượng có thể truyền từ vật này sang vật khác, hoặc chuyển hoá qua lại giữa các dạng khác nhau và giữa các hệ, các thành phần của hệ.

- Trong hệ [imath]SI[/imath] năng lượng có đơn vị là joule [imath](J).[/imath]

- Một đơn vị thông dụng khác của năng lượng là calo. Một calo là lượng năng lượng cần thiết để làm tăng nhiệt độ [imath]1 g[/imath] nước lên thêm [imath]1 C[/imath].
[imath]1 cal = 1,184J[/imath]

2.Định luật bảo toàn năng lượng.
Quá trình truyền và chuyển hóa năng lượng

Các ví dụ minh hoạ trong Hình 15.3 cho thấy năng lượng có thể chuyển từ dạng này sang dạng khác, truyền từ vật này sang vật khác dưới nhiều hình thức khác nhau: truyền năng lượng ánh sáng, truyền nhiệt, truyền năng lượng thông qua tác dụng lực, truyền năng lượng điện từ Năng lượng thay đổi dạng, truyền từ vật này sang vật khác. Từ những nghiên cứu định tính và định lượng, các nhà khoa học đã rút ra được định luật bảo toàn năng lượng.

Năng lượng không tự nhiên sinh ra và cũng không tự nhiên mất đi mà chỉ truyền từ vật này sang vật khác hoặc chuyển hoá từ dạng này sang dạng khác. Như vậy, năng lượng luôn được bảo toàn.

Minh họa sự chuyển hóa năng lượng và định luật bảo toàn năng lượng

Mô hình 1 (Hình 15.6a): Nước được đưa lên bình chứa. sau đó chảy từ trên cao xuống làm quay tuabin của máy phát điện và làm sáng bóng đèn. - Mô hình 2 (Hình 15.6b). Ánh sáng được chiều từ nguồn sáng (đèn, Mặt Trời) đến chân tháp để làm nóng dòng khi đi vào chân tháp. Dòng khí nóng chuyển động lên trên làm cho cánh hạt đặt ở đỉnh tháp quay. Trên thực tế, sự chuyển động của các dòng khí này làm xoay các tuabin đặt ở chân tháp, từ đó tạo ra điện. Từ các ví dụ trên, ta thấy năng lượng có thể chuyển hoá qua lại giữa các thành phần của một hệ, dưới những dụng năng lượng khác nhau, nhưng tổng năng lượng của vũ trụ

3. Công của một lực không đổi.
Ở môn Khoa học tự nhiên 9, các em đã được học cách tính công trong trường hợp lực tác dụng lên vật có hướng cùng với hướng dịch chuyển của vật. Trong trường hợp tổng quát, khi vectơ lực hợp với vectơ độ dịch chuyển 1 góc [imath]\theta[/imath] thì ta có:

Về mặt toán học, công của một lực được đo bằng tích của ba đại lượng: độ lớn lực tác dụng F, độ dịch chuyển d và cosin góc hợp bởi vectơ lực tác dụng và vectơ độ dịch chuyển theo biểu thức: [imath]A=F.d.cos\theta[/imath]

Lưu ý:
Khi vật chuyển động thẳng theo một chiều thì độ dịch chuyển [imath]d[/imath]chính bằng quãng đường đi được [imath]s[/imath] và công được tính theo công thức: [imath]A=F.d.cos\theta[/imath]
Như ta đã biết, công cơ học chính là số đo của phần năng lượng cơ học được chuyển hoá. Vì vậy, đơn vị của công chính là đơn vị của năng lượng. 1J=1N1 m

Trong cơ học, [imath]1 J[/imath] là số do công thực hiện khi lực có giá trị là [imath]1 N[/imath] đặt lên vật và làm vật dịch chuyển được [imath]1 m[/imath] theo phương của lực tác dụng.

Các đặc điểm của công:
– Công là một đại lượng vô hướng.

– [imath]0° <\theta < 90°[/imath]: công của lực có giá trị dương và được gọi là công phát động.

– [imath]90° < \theta ≤180[/imath]: công của lực có giá trị âm và được gọi là công cản.

– [imath]\theta = 90°[/imath] : khi lực tác dụng vuông góc với độ dịch chuyển thi công bằng [imath]0[/imath]

------
Xem thêm: HỆ THỐNG MỤC LỤC CÁC BÀI VẬT LÍ 10

 

[newt21]

Bài tập SGK:​

Bài 1:

Em hãy kể tên các dạng năng lượng trong hoạt động hằng ngày được thể hiện như Hình 15P.1.

Lời giải:

Các dạng năng lượng xuất hiện:

- Năng lượng ánh sáng

- Năng lượng gió

- Động năng của người, của xe

- Năng lượng âm thanh

- Năng lượng nhiệt

- Thế năng của chiếc diều

Bài 2:

Hãy chỉ ra sự chuyển hóa năng lượng trong các quá trình được cho trong Hình 15P.2

Lời giải:

- Năng lượng hóa học chuyển hóa thành động năng (giúp xe, người chuyển động).

- Năng lượng ánh sáng chuyển hóa thành năng lượng hóa học (giúp cây quang hợp).

- Năng lượng điện chuyển hóa thành năng lượng nhiệt (lò vi sóng).


Bài 3:

Một người sơn tường đứng trên một cái thang (Hình 15P.3). Bất ngờ người thợ làm con lăn rơi thẳng đứng xuống sàn. Biết khoảng cách từ nơi con lăn bắt đầu rơi đến sàn là [imath]2 m[/imath] và con lăn có khối lượng [imath]200 g[/imath]. Tìm công của trọng lực tác dụng lên con lăn trong suốt quá trình rơi.

Lời giải:

Công của trọng lực: [imath]A=P.h=mgh=0,2.9,8.2=3,92J[/imath]

 

[newt21]

Giải SBT:​

Trắc nghiệm:
Bài 15.1:

Dạng năng lượng không được thể hiện trong Hình 15.1 là A. điện năng. B. quang năng C. cơ năng D. năng lượng sinh học.

Lời giải chi tiết:

Các dạng năng lượng thể hiện trong hình vẽ: điện năng (tua-bin quay tạo ra điện để người dân sử dụng). quang năng (ánh sáng từ Mặt Trời cung cấp quang năng cho Trái Đất), cơ năng (năng lượng làm cho tua-bin quay được).

Năng lượng không được thể hiện trong Hình 15.1 là năng lượng sinh học.

[imath]\Rightarrow[/imath] Chọn D


Bài 15.2:
Phát biểu nào sau đây là sai khi nói về năng lượng?

A. Năng lượng là một đại lượng vô hướng.

B. Năng lượng có thể chuyển hóa từ dạng năng lượng này sang năng lượng khác.

C. Năng lượng luôn là một đại lượng bảo toàn.

D. Trong hệ SI, đơn vị của năng lượng là calo.

Lời giải chi tiết:

Năng lượng là một đại lượng vô hướng, có đơn vị là Jun (J) trong hệ đơn vị SI, là một đại lượng được bảo toàn, có thể chuyển từ dạng này sang dạng khác.

[imath]\Rightarrow[/imath] Chọn D


Bài 15.3:
Vật dụng nào sau đây không có sự chuyển hóa từ điện năng sang cơ năng?

A. Quạt điện. B. Máy giặt.

C. Bàn là. D. Máy sấy tóc.

Lời giải chi tiết:

Bàn là là vật dụng chuyển hóa từ điện năng sang nhiệt năng, các vật còn lại là chuyển từ điện năng sang cơ năng.

[imath]\Rightarrow[/imath] Chọn C


Bài 15.4:
Đơn vị nào sau đây là đơn vị của công?

A. [imath]N/m.[/imath] B. [imath]kg.m^2/s^2[/imath]

C. [imath]N/s.[/imath] D. [imath]kg.m^2/s[/imath]

Lời giải chi tiết:

Công thức tính công của một lực: [imath]A=F.d.cos⁡θ=m.a.d.cos⁡θ[/imath] với [imath]m[/imath] là khối lượng vật, đơn vị: [imath]kg[/imath]; [imath]a[/imath] là gia tốc vật, đơn vị: [imath]m/s^2[/imath]; [imath]d[/imath] là quãng đường vật dịch chuyển, đơn vị: [imath]m[/imath] => đơn vị công là: [imath]kg.m^2/s^2.[/imath]

[imath]\Rightarrow[/imath] Chọn B

Bài 15.5:
Phát biểu nào sau đây là không đúng khi nói về công của một lực?

A. Công là đại lượng vô hướng.

B. Lực luôn sinh công khi điểm đặt của lực tác dụng lên vật dịch chuyển.

C. Trong nhiều trường hợp, công cản có thể có lợi.

D. Giá trị của công phụ thuộc vào góc hợp bởi vecto lực tác dụng và vecto độ dịch chuyển.


Lời giải chi tiết:

Khi lực vuông góc với quãng đường vật dịch chuyển thì lực không sinh công.

[imath]\Rightarrow[/imath] Chọn B


Bài 15.6:

Một thùng các tông được kéo cho trượt theo phương ngang bằng một lực như Hình 15.2. Nhận định nào sau đây về công của trọng lực và phản lực khi tác dụng lên thùng các tông là đúng? A. [imath]A_N > A_P.[/imath] B. [imath]AN < A_P.[/imath] C. [imath]A_N = A_P = 0.[/imath] D. [imath]A_N = A_P \neq 0[/imath]

Lời giải chi tiết:

Công thức tính công của một lực: [imath]A=F.d.cos⁡θ =>[/imath] [imath]A_N[/imath] và [imath]A_P[/imath] đều bằng [imath]0[/imath] (vì trọng lực và phản lực đều vuông góc với quãng đường vật dịch chuyển).

[imath]\Rightarrow[/imath] Chọn C

Bài 15.7:

Cho ba lực tác dụng lên một viên gạch đặt trên mặt phẳng nằm ngang như Hình 15.3. Công thực hiện bởi 3 lực khi viên gạch dịch chuyển một quãng đường [imath]d[/imath] là [imath]A_1, A_2, A_3[/imath]. Biết rằng viên gạch chuyển động sang bên trái. Nhận định nào sau đây là đúng? A. [imath]A_1 > 0, A_2 > 0, A_3 = 0.[/imath] B. [imath]A_1 > 0, A_2 < 0, A_3 = 0.[/imath] C. [imath]A_1 < 0, A_2 > 0, A_3 \neq 0.[/imath] D. [imath]A_1 < 0, A_2 < 0, A_3\neq 0.[/imath]

Lời giải chi tiết:

Công thức tính công của một lực: [imath]A=F.d.cosθ[/imath]

[imath]\Rightarrow[/imath] [imath]A_3 = 0[/imath] (vì [imath]F_3[/imath] vuông góc với quãng đường vật dịch chuyển), do vật chuyển động sang trái nên [imath]A_1 > 0, A_2 < 0.[/imath]

[imath]\Rightarrow[/imath] Chọn B

Tự luận:

Bài 15.1:
Có nhận định cho rằng: “Một vật đứng yên thì không thể mang năng lượng”. Em hãy dùng lập luận của mình để chứng minh nhận định trên là sai.

Lời giải chi tiết:

Một vật đứng yên thì không có động năng, tuy nhiên vẫn có thể có những dạng năng lượng khác như điện năng, quang năng, nhiệt năng, thế năng. Ví dụ: Bóng đèn nằm yên nhưng vẫn có thể phát sáng, tức là có quang năng.

Bài 15.2:
Hãy nêu ví dụ để chứng minh nhận định: “Có thể chuyển hóa năng lượng từ dạng này sang dạng khác bằng cách thực hiện công”.

Lời giải chi tiết:

Khi ta chà xát đồng xu trên mặt bàn, đồng xu sẽ nóng lên. Bằng cách thực hiện công, ta đã chuyển hóa cơ năng thành nhiệt năng.


Bài 15.3:

Hãy mô tả quá trình chuyển hóa năng lượng được thể hiện ở Hình 15.4.

Lời giải chi tiết:

Nước ở trên cao (thế năng) khi chảy xuống làm xoay cánh quạt (động năng). Từ đó dẫn động làm quay tuabin của máy phát điện sinh ra dòng điện (điện năng). Dòng điện chạy qua bóng đèn làm cho bóng đèn phát sáng (quang năng).

Bài 15.4:

Trong một hồ bơi, có hai cách để nhảy từ vị trí bục trên cao xuống dưới nước (Hình 15.5). Cách thứ nhất, nhảy trực tiếp từ trên xuống. Cách thứ hai, vận động viên sẽ trượt từ trên cao xuống bằng cầu trượt. Trong hai cách trên, cách nào năng lượng ít bị hao phí hơn? Giải thích.

Lời giải chi tiết:

Nhảy trực tiếp ít gây ra hao phí hơn vì ma sát giữa vận động viên với không khí nhỏ hơn nhiều so với ma sát với thành cầu trượt.

Bài 15.5:

Trong quá trình leo xuống vách núi, người leo núi chuyển động từ trên cao xuống đất bằng hệ thống dây an toàn (Hình 15.6). Người này lấy dây quấn quanh vòng kim loại để sợi dây cọ sát vào còng. Ngoài ra, lực ma sát giữa chân với vách núi tạo ra trong quá trình chuyển động cũng đáng kể. Hãy giải thích nguyên nhân của việc tạo ra lực ma sát trong quá trình chuyển động của vận động viên trên phương diện năng lượng.

Lời giải chi tiết:

Nhờ vào việc tạo ra lực ma sát và lực cản mà phần lớn năng lượng được chuyển hóa thành nhiệt năng trên sợi dây và vòng kim loại, khiến tôc độ của vận động viên không quá lớn trong quá trình leo xuống núi.

Bài 15.7:

Một kĩ sư xây dựng nặng [imath]75 kg[/imath] trèo lên một chiếc thang dài [imath]2,75[/imath] m. Thang được dựa vào bức tường thẳng đứng và tạo một góc αα với mặt phẳng ngang (Hình 15.7). a) Tính công của trọng lực tác dụng lên kĩ sư khi người này leo từ chân đến đỉnh thang. b) Đáp án của câu a có phụ thuộc vào tốc độ của người kĩ sư trong quá trình leo hay không?

Lời giải chi tiết:

a) Công của trọng lực tác dụng vào kĩ sư khi trèo lên hết thang:

[imath]A_P=−m.g.l.cos⁡α=2021,25J[/imath] (với l là chiều dài của thang).

b) Không phụ thuộc vào việc tốc độ thay đổi như thế nào trong quá trình leo thang.

Bài 15.8:

Một chiếc đàn piano có khối lượng [imath]380 kg[/imath] được giữ cho trượt đều xuống một đoạn dốc dài [imath]2,9 m[/imath], nghiêng một góc [imath]10^{\circ}[/imath] so với phương ngang. Biết lực do người tác dụng có phương song song với mặt phẳng nghiêng như Hình 15.8. Bỏ qua mọi ma sát. Lấy [imath]g = 9,8 m/s^2[/imath]. Hãy xác định: a) lực do người tác dụng lên đàn piano. b) công của lực do người tác dụng lên đàn piano. c) công của trọng lực tác dụng lên đàn piano. d) tổng công của tất cả các lực tác dụng lên đàn piano.

Lời giải chi tiết:

a) Lực do người tác dụng lên đàn piano: [imath]F=m.g.sinα=646,67N.[/imath]

b) Công của lực do người tác dụng lên đàn piano: [imath]A=F.d.cosθ=−1875,33J.[/imath]

c) Công của trọng lực tác dụng lên đàn piano: [imath]A_P=m.g.d.cos(90−α)=1875,33J.[/imath]

d) Tổng công của tất cả các lực tác dụng lên đàn piano: [imath]A_t=A+A_P+A_N=0[/imath]