Lý thuyết Năng lượng. Công cơ học (Kết nối tri thức 2023) hay, chi tiết | Vật Lí 10

Lý thuyết Vật Lí lớp 10 Bài 23: Năng lượng. Công cơ học

A. Lý thuyết Năng lượng. Công cơ học

– Mọi hiện tượng xảy ra trong tự nhiên đều cần có năng lượng dưới các dạng khác nhau: cơ năng, hóa năng, nhiệt 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.

– 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.

Sơ đồ thí nghiệm minh họa định luật bảo toàn năng lượng

Thí nghiệm cho thấy cơ năng của vật giảm đi bao nhiêu thì nhiệt năng của nước tăng lên bấy nhiêu. Điều đó chứng tỏ, trong quá trình truyền năng lượng từ vật này sang vật khác, chuyển hóa năng lượng từ dạng này dạng khác, năng lượng luôn được bảo toàn.

II. Công cơ học

1. Thực hiện công

– Năng lượng có thể truyền từ vật này sang vật khác. Việc truyền năng lượng cho vật bằng cách tác dụng lực lên vật làm thay đổi trạng thái chuyển động được gọi là thực hiện công cơ học (gọi tắt là thực hiện công).

Ví dụ 1: Khi ta đẩy 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 sang.

Ví dụ 2: Gió là các luồng không khí di chuyển. Khi gặp các máy phát điện gió, động năng gió thực hiện công làm cánh quạt quay.

2. Công thức tính công

a. Khi lực không đổi và cùng hướng với chuyển động

Khi lực cùng hướng với chuyển động thì độ dịch chuyển $\overrightarrow{\mathrm{d}}$ có độ lớn bằng quãng đường đi được s, nên công thức tính công là $\text{A = F.d}$

b. Khi lực không đổi và không cùng phương với chuyển động

$\text{A }=\mathrm{F}.\mathrm{s}.\text{cos}\mathrm{\alpha }$

Tùy thuộc vào góc $\text{α}$ mà công của lực có thể xảy ra các trường hợp sau:

+ $\text{0 }\le \mathrm{\alpha }<{90}^{\mathrm{o}}$: Thành phần${\text{ F}}_{\text{s}}$ của $\overrightarrow{\mathrm{F}}$ lên phương chuyển động cùng chiều với chiều chuyển động. Công của lực được gọi là công phát động $\text{(A > 0)}$

+ $\mathrm{\alpha }={90}^{\mathrm{o}}$: lực vuông góc với phương chuyển động, khi đó lực không sinh công $\text{(A = 0)}$

+ ${90}^{\mathrm{o}}<\mathrm{\alpha }\le {180}^{\mathrm{o}}$: Thành phần${\text{ F}}_{\text{s}}$ của $\overrightarrow{\mathrm{F}}$ lên phương chuyển động ngược chiều với chiều chuyển động, lực làm cản trở chuyển động của vật. Công của lực được gọi là công cản $\text{(A < 0)}$

3. Bài tập ví dụ

Khi rửa gầm xe ô tô, người ta thường sử dụng máy nâng để nâng ô tô lên độ cao $\text{h = 160cm}$ so với mặt sàn. Cho biết khối lượng ô tô là $\text{m = 1,5}$ tấn và gia tốc trọng trường ${\text{g = 10m/s}}^2$. Tính công tối thiểu mà máy nâng đã thực hiện.

Hướng dẫn

Để nâng được ô tô lên thì máy nâng phải tác dụng vào ô tô lực tối thiểu

${\text{F}}_{\text{min}}{\text{= P = m.g = 1,5.10}}^{\text{3}}{\text{.10 = 1,5.10}}^{\text{4}}\text{N}$

Công tối thiểu mà máy nâng đã thực hiện là

${\text{A = P.h = 1,5.10}}^{\text{4}}\text{.1,6 = 24000J = 24kJ}$

Câu 1: Một người dùng tay đẩy một cuốn sách một lực 5 N trượt một khoảng dài 0,5 m trên mặt bàn nằm ngang không ma sát, lực đẩy có phương trùng với phương chuyển động của cuốn sách. Người đó đã thực hiện một công là

A. 2,5 J.

B. – 2,5 J.

C. 0.

D. 5 J.

Đáp án đúng: A

Công của lực đẩy: $A=F.s=5.0,5=2.5J$

Câu 2: Khi đun nước bằng ấm điện thì có những quá trình chuyển hóa năng lượng chính nào xảy ra?

A. Điện năng chuyển hóa thành động năng.

B. Điện năng chuyển hóa thành nhiệt năng.

C. Nhiệt năng chuyển hóa thành điện năng.

D. Nhiệt năng chuyển hóa thành cơ năng.

Đáp án đúng: B

Khi đun nước bằng ấm điện, điện năng đã chuyển hóa thành nhiệt năng để làm sôi nước.

Câu 3: Một vật có khối lượng 100 g trượt từ đỉnh một mặt phẳng nghiêng dài 4 m, góc nghiêng 60⁰ so với mặt phẳng nằm ngang. Hệ số ma sát giữa vật và mặt phẳng nghiêng là 0,1. Công của lực ma sát khi vật trượt từ đỉnh đến chân mặt phẳng nghiêng là

A. – 0,02 J.

B. – 2,00 J.

C. – 0,20 J.

D. – 0,25 J.

Đáp án đúng: C

Dựa vào kiến thức đã học ở những bài trước, sử dụng kiến thức về động lực học, phân tích lực, sử dụng định luật 2 Newton.

Ta có: $N=P.\cos \alpha =mg.\cos \alpha$

Suy ra: $F_{ms}=\mu N=\mu mg.\cos \alpha$

Do lực ma sát ngược hướng với chiều chuyển động nên:

$A=–\mu mg.\cos \alpha .s=–0,1.0,1.10.\cos 60°.4=–0,2J$

Câu 4: Một vật khối lượng 10 kg được kéo đều trên sàn nằm ngang bằng một lực 20 N hợp với phương ngang một góc 30⁰. Khi vật di chuyển 2 m trên sàn thì lực thực hiện một công

A. 20 J.

B. 40 J.

C. $20\sqrt{3}J$

D. $40\sqrt{3}J$

Đáp án đúng: C

$A=F.s.\cos \alpha =20.2.\cos 30=20\sqrt{3}J$

Câu 5: Một cần cẩu nâng một vật khối lượng 5 tấn. Lấy g = 9,8 m/s². Vật có gia tốc không đổi là 0,5 m/s². Công mà cần cẩu thực hiện được trong thời gian 3 s là:

A. 110050 J.

B. 128400 J.

C. 15080 J.

D. 115875 J.

Đáp án đúng: D

Áp dụng định luật II Newton: $\overrightarrow{F}+\overrightarrow{P}=m\overrightarrow{a}$

Chiếu theo phương chuyển động ta có:

F – P = ma => F = mg + ma = 5000.(9,8 + 0,5) = 51500N

Quãng đường vật đi được sau 3s là: $s=\frac{1}{2}a.t^2=\frac{1}{2}.0,5.3^2=2,25m$

Công do cần cẩu thực hiện bằng: A = F.s = 51500.2.2,5 = 115875J

Câu 6: Đơn vị của công trong hệ SI là

A.W.

B. kg.

C. J.

D. N.

Đáp án đúng: C

Đơn vị của công trong hệ SI là J

Câu 7: Đáp án nào sau đây là đúng?

A. Lực là đại lượng vectơ nên công cũng là đại lượng vectơ.

B. Trong chuyển động tròn, lực hướng tâm thực hiện công vì có cả hai yếu tố: lực và độ dời của vật.

C. Công của lực là đại lượng vô hướng và có giá trị đại số.

D. Một vật chuyển động thẳng đều, công của hợp lực là khác không vì có độ dời của vật.

Đáp án đúng: C

A sai vì công là đại lượng vô hướng.

B sai vì trong trường hợp lực vuông góc với phương chuyển động, A = 0.

D sai vì vật chuyển động thẳng đều, hợp lực bằng 0.

Câu 8: Phát biểu nào sau đây đúng theo định nghĩa công của lực?

A. Công thành danh toại.

B. Ngày công của một công nhân là 200000 đồng.

C. Có công mài sắt có ngày nên kim.

D. Công ty trách nhiệm hữu hạn ABC.

Đáp án đúng: C

Tác dụng lực, sinh công để làm mòn dần sắt thành cây kim.

Câu 9: Khi một vật trượt xuống trên một mặt phẳng nghiêng hợp với mặt phẳng ngang một góc $\alpha$. Công do lực ma sát thực hiện trên chiều dài s của mặt phẳng nghiêng là

A. $A_{F_{ms}}$ = μ.m.g.sinα.

B. $A_{F_{ms}}$= – μm.g.cosα.

C. $A_{F_{ms}}$= μ.m.g.sinα.s.

D. $A_{F_{ms}}$= – μ.m.g.cosα.s.

Đáp án đúng: D

Dựa vào kiến thức đã học ở những bài trước, sử dụng kiến thức về động lực học, phân tích lực, sử dụng định luật 2 Newton.

Ta có: $N=P.\cos \alpha =mg.\cos \alpha$

Suy ra: $F_{ms}=\mu N=\mu mg.\cos \alpha$

Do lực ma sát ngược hướng với chiều chuyển động nên:

$A_{F_{mst}}=–F_{mst}.s=–\mu .mg.\cos \alpha .s$

Câu 10: Một tàu thủy chạy trên sông theo đường thẳng kéo một sà lan chở hàng với lực không đổi 5.10³ N, thực hiện công là 15.10⁶ J. Sà lan đã dời chỗ theo phương của lực một quãng đường

A. 300 m.

B. 3000 m.

C. 1500 m.

D. 2500 m.

Đáp án đúng: B

Quãng đường: $s=\frac{A}{F}=\frac{15.{10}^6}{5.{10}^3}=3000$ m

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

Bài 21: Moment lực. Cân bằng của vật rắn

Bài 24: Công suất

Bài 25: Động năng, thế năng

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