Giải Vật lí 10 Bài 1 (Cánh diều): Năng lượng và công

Giải bài tập Vật lí lớp 10 Bài 1: Năng lượng và công

Mở đầu

Mở đầu trang 79 Vật lí 10:

Cách mạng công nghiệp lần thứ nhất bắt đầu vào cuối thế kỉ XVIII ở nước Anh khi con người phát triển các máy mới có khả năng thực hiện công gấp hàng trăm lần so với sức người.

Ở giai đoạn đầu, năng lượng gió và năng lượng nước được khai thác. Nước dự trữ trong các đập ở trên cao (thế năng) được sử dụng để làm quay các bánh xe lớn, nhờ đó làm quay các máy cơ (động năng). Ở thời kì tiếp theo, động cơ hơi nước được phát triển ở Vương quốc Anh sử dụng nhiên liệu hóa thạch như than đá. Động cơ hơi nước sử dụng năng lượng từ than đá làm tăng đáng kể công suất hoạt động của các máy bơm nước và các khung dệt lớn trong công xưởng sản xuất sợi. Động cơ hơi nước được sử dụng trong đầu máy xe lửa (hình 1.1), tàu thủy hơi nước, xe tải, … trở thành nền tảng cho Cách mạng công nghiệp lần thứ nhất.

Năng lượng làm cho các máy tác dụng lực lớn bắt nguồn từ đâu? Năng lượng có thể truyền từ vật này sang vật khác bằng cách nào?

Lời giải:

Năng lượng này được lấy từ việc đốt cháy than đá (năng lượng nhiệt). Năng lượng có thể truyền từ vật này sang vật khác bằng cách thực hiện công hoặc truyền nhiệt.

Câu hỏi 1 trang 80 Vật lí 10:

Kể tên các dạng năng lượng xung quanh chúng ta. Lấy ví dụ chứng tỏ năng lượng có thể truyền từ vật này sang vật khác.

Lời giải:

Các dạng năng lượng xung quanh chúng ta: nhiệt năng, cơ năng, động năng, thế năng, ….

Ví dụ: Khi thả một thanh sắt được nung nóng vào một cốc nước thì thanh sắt nguội đi, nước nóng lên, chứng tỏ năng lượng có thể truyền từ sắt sang nước.

Ví dụ: Đặt một cốc nước nóng trên bàn, nó tự nguội đi do truyền năng lượng ra ngoài môi trường.

I. Công và sự truyền năng lượng

1. Công

Câu hỏi 2 trang 81 Vật lí 10:

Tìm từ thích hợp với chỗ $\boxed{?}$ trong các suy luận dưới đây.

- Lực tác dụng càng lớn thì sinh công càng $\boxed{?}$.

- Độ dịch chuyển theo phương của lực càng lớn thì công thực hiện được càng $\boxed{?}$.

Lời giải:

- Lực tác dụng càng lớn thì sinh công càng lớn.

- Độ dịch chuyển theo phương của lực càng lớn thì công thực hiện được càng lớn.

Luyện tập

Luyện tập 1 trang 81 Vật lí 10:

Tính công của trọng lực làm hòn đá khối lượng 5 kg rơi từ độ cao 10 m xuống đất.

Lời giải:

Công của trọng lực A_P = P.s = mgs = 5.10.10 = 500 J

Luyện tập 2 trang 81 Vật lí 10:

Tính công của trọng lực làm hòn đá khối lượng 5 kg lăn từ đỉnh dốc dài 100 m, cao 10 m xuống chân dốc.

Bạn có nhận xét gì về kết quả tính công trong hai trường hợp trên?

Lời giải:

Công của trọng lực A_P = P.s.cosα = P.h = m.g.h = 5.10.10 = 500 J

Mặc dù quãng đường đi được của hòn đá ở hai ý khác nhau, nhưng công của trọng lực là như nhau. Như vậy, công của trọng lực không phụ thuộc vào hình dạng đường đi, mà chỉ phụ thuộc điểm đầu và điểm cuối.

Vận dụng 1 trang 82 Vật lí 10:

Bạn hãy phân tích lực tác dụng thành hai thành phần vuông góc với phương dịch chuyển và thành phần trùng với phương dịch chuyển để lập luận rút ra biểu thức tính công (2).

Lời giải:

Thành phần lực vuông góc với phương dịch chuyển không sinh công, còn thành phần lực trùng với phương dịch chuyển sinh công. Thành phần F_x = F.cosα nên ta có công của nó là A = F_x.s = F.s.cosα.

Vậy công thức tính công tổng quát là: A = F.s.cosα

Với:

+ A là công, có đơn vị Jun;

+ F là lực tác dụng, có đơn vị N;

+ s là quãng đường dịch chuyển, có đơn vị mét;

+ α là góc giữa hướng của lực F và hướng dịch chuyển.

Câu hỏi 3 trang 82 Vật lí 10:

Từ biểu thức (2), suy luận: Khi nào công sinh ra có giá trị âm?

Lời giải:

Công âm khi cosα có giá trị âm (cosα < 0) hay là góc α là góc tù, 90⁰< α $\le$180⁰

2. Sự truyền năng lượng

Câu hỏi 4 trang 82 Vật lí 10:

Chỉ ra và phân tích một số ví dụ chứng tỏ có thể truyền năng lượng từ vật này sang vật khác bằng cách thực hiện công.

Lời giải:

Ví dụ 1:

Khi cọ xát một vật trên mặt bàn, vật và mặt bàn nóng lên, chứng tỏ thực hiện công đã truyền năng lượng từ vật này sang vật khác.

Ví dụ 2:

Người công nhân thực hiện công nâng vật nặng lên cao, khi đó vật nặng có thế năng. Như vậy, việc thực hiện công đã truyền năng lượng từ vật này sang vật khác.

II. Công suất

1. Tốc độ thực hiện công

Câu hỏi 5 trang 83 Vật lí 10:

So sánh công của người và công của máy tời trong trường hợp ở hình 1.6.

Người hay máy tời thực hiện công nhanh hơn?

Lời giải:

a) Theo dữ kiện ở phần lí thuyết thì ta thấy cả người công nhân và máy tời đều thực hiện công như nhau.

b) So với người, máy tời thực hiện công nhanh hơn vì thời gian thực hiện công của máy tời ít hơn.

Câu hỏi 6 trang 83 Vật lí 10:

So sánh công của người đạp xe và động cơ ô tô trong trường hợp ở hình 1.7.

Người hay động cơ ô tô thực hiện công nhanh hơn?

Lời giải:

Ở ngã tư có đèn giao thông, khi tín hiệu đèn chuyển từ đỏ sang xanh, các phương tiện giao thông cùng bắt đầu chuyển động. Sau 10s, người đạp xe di chuyển được 20 m, ô tô di chuyển được 100 m.

Sau cùng một thời gian thì ô tô đi được quãng đường xa hơn, công thực hiện được lớn hơn so với người đạp xe đạp

Ô tô thực hiện công nhanh hơn người đạp xe đạp.

2. Định nghĩa công suất

Câu hỏi 7 trang 84 Vật lí 10:

1W liên hệ với 1J và 1s như thế nào?

Lời giải:

$1W=\frac{1J}{1s}$

Luyện tập 3 trang 84 Vật lí 10:

So sánh công suất của hai máy tời sau:

- Máy tời 1 nâng được 80 kg vật liệu lên cao 5 m trong 30 s.

- Máy tời 2 nâng được 1 tạ vật liệu lên cao 6 m trong 1 phút.

Lời giải:

Công suất của máy tời 1 là

${\text{P}}_1=\frac{A_1}{t_1}=\frac{m_1.g.h_1}{t_1}=\frac{\mathrm{80.10.5}}{30}=\frac{400}{3}W\approx 133,3W$

Công suất của máy tời 2 là

${\text{P}}_2=\frac{A_2}{t_2}=\frac{m_2.g.h_2}{t_2}=\frac{\mathrm{100.10.6}}{60}=100W$

Như vậy máy tời 1 có công suất lớn hơn.

Tìm hiểu thêm trang 84 Vật lí 10:

Năng lượng vào cơ thể người dưới dạng hóa năng của thức ăn và giúp con người sinh công trong sinh hoạt và lao động, sản xuất hàng ngày.

Công suất của cơ thể lớn hay nhỏ phụ thuộc vào hoạt động của con người. Khi nghỉ ngơi, công suất hoạt động nhỏ hơn công suất trung bình. Khi vận động mạnh như di chuyển đồ đạc lên cầu thang thì công suất hoạt động lớn hơn công suất trung bình.

Với người thường xuyên hoạt động thể chất với cường độ cao (công suất lớn), chế độ ăn của họ cần giàu năng lượng hơn.

Bạn hãy tìm hiểu thêm về các loại thức ăn giàu năng lượng.

Lời giải:

Ngũ cốc nguyên hạt như kê, yến mạch, gạo lứt, đỗ, đậu….

Các sản phẩm từ sữa: sữa tươi, sữa chua, phô mai, pho mát…

Các sản phẩm từ thịt, cá, trứng:

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

Tìm hiểu thêm trang 85 Vật lí 10:

Hộp số là thiết bị gồm các bánh răng truyền động có bán kính lớn, nhỏ khác nhau để chuyển số, giúp thay đổi momen xoắn lên bánh xe, từ đó điều chỉnh tốc độ của xe máy.

- Số 1 tương ứng với tốc độ từ 0 – 10 km/h

- Số 2 tương ứng với tốc độ từ 10 – 20 km/h

- Số 3 tương ứng với tốc độ từ 20 – 40 km/h

- Số 4 tương ứng với tốc độ từ 40 km/h trở lên.

Số 1, 2 được coi là số thấp; số 3, 4 là số cao.

Tìm hiểu thêm về hộp số và giải thích tại sao khi chuyển số thì thay đổi được lực phát động của động cơ?

Lời giải:

Cấu tạo trong của hộp số

Cơ cấu dẫn động từ hộp số đến trục bánh xe thông qua xích.

Hộp số chính là bộ phận thực hiện chức năng truyền sức mạnh từ động cơ đến hệ thống dẫn động của xe. Tuy nhiên, trong quá trình hoạt động của xe, tốc độ tại các bánh xe sẽ khác nhau để tăng độ an toàn cũng như linh hoạt cho xe. Vì vậy, hộp số đồng thời thực hiện chức năng thay đổi tỉ số truyền động từ đó tác động đến momen xoắn tại mỗi bánh xe. Điều này giúp cho chiếc xe có được tốc độ di chuyển phù hợp. Hộp số cũng chính là bộ phận truyền dẫn động lực học ra ngoài tới những bộ phận công tác khác cho xe chuyên dùng.

Bộ phận quan trọng nhất trong hệ thống là bộ truyền bánh răng hành tinh.

Bất cứ bộ truyền bánh răng hành tinh cơ sở nào cũng có ba phần chính:
- Bánh răng mặt trời (S)

- Các bánh răng hành tinh và giá bánh răng hành tinh (C)

- Vành răng ngoài (R)

Tốc độ quay sẽ phụ thuộc vào số răng hoặc đường kính của mỗi bánh răng đó.

Tỷ số truyền = Số răng bánh răng bị động / số răng bánh răng chủ động.

Khi khoá hai trong ba thành phần lại với nhau sẽ khoá toàn bộ cơ cấu thành một khối (tỷ số truyền là 1:1).

Khi ta chuyển số tức là ta đã chuyển đổi xích từ bánh răng hành tinh này sang bánh răng khác, các bánh răng có kích thước khác nhau, nên sẽ làm thay đổi độ lớn của lực dẫn từ động cơ ra bánh xe.

Do công suất $\text{P}$ còn được tính bởi công thức $\text{P}$ = F.v. Nên trong trường hợp F nhỏ thì v lớn và F lớn thì v nhỏ.

Ví dụ: khi đi lên dốc thì cần lực tác dụng lớn, vận tốc di chuyển chậm thì đi số nhỏ. Khi đi trên đường bằng phẳng và thẳng, có thể di chuyển với tộc độ nhanh lớn thì đi số lớn.

Vận dụng 2 trang 85 Vật lí 10:

Vận dụng mối liên hệ công suất với lực và vận tốc (4) để đưa ra khuyến nghị cho người lái xe máy nên đi bằng số thấp hay số cao trong mỗi tình huống thực tế dưới đây để đảm bảo an toàn và hiệu quả vận hành động cơ:

- Xe máy bắt đầu di chuyển.

- Xe máy đi trên đường ngoài đô thị, có ít phương tiện đi lại.

- Xe máy lên dốc.

- Xe máy xuống dốc.

- Xe máy vào cua (chuyển hướng đột ngột).

- Xe máy đi trên đường trơn trượt.

- Xe máy đi trên đường có nhiều ổ gà.

Lời giải:

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

Xem thêm lời giải bài tập Vật lí lớp 10 Cánh diều hay, chi tiết khác:

Bài 2: Bảo toàn và chuyển hóa năng lượng

Bài tập chủ đề 3

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

Bài 2: Động lượng và năng lượng trong va chạm

Bài tập chủ đề 4

Xem thêm tài liệu Vật lí lớp 10 Cánh diều hay, chi tiết khác:

Lý thuyết Bài 1: Năng lượng và công

Trắc nghiệm Bài 1: Năng lượng và công