Lý thuyết Năng lượng và công (Chân trời sáng tạo 2023) hay, chi tiết | Vật Lí 10

Lý thuyết Vật Lí lớp 10 Bài 15: Năng lượng và công

A. Lý thuyết Năng lượng và công

1. Năng lượng

a. 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.

b. Tính chất của năng lượng

Năng lượng của một hệ bất kì luôn có một số tính 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 hóa qua lại giữa các dạng khác nhau và giữa các hệ, các thành phần của hệ.

– Trong hệ SI, năng lượng có đơn vị là jun (J)

– Một đơn vị thông dụng khác của năng lượng là calo. Một calo là lượng năng lượng cần thiết để làm tăng nhiệt độ 1g nước lên thêm 1^oC

1 cal = 4,184 J

2. Định luật bảo toàn năng lượng

a. Quá trình truyền và chuyển hóa 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 hóa từ dạng này sang dạng khác. Như vậy, năng lượng luôn được bảo toàn.

Năng lượng chuyển hóa từ dạng này sang dạng khác

Năng lượng được truyền từ vật này sang vật khác

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

Năng lượng được truyền và chuyển hóa từ vật này sang vật khác, dạng này sang dạng khác.

3. Công của một lực không đổi

a. Biểu thức tính công và đơn vị của công

– Về mặt toán học, công của một lực được đo bằng tích của ba đại lượng: độ lớn lực tác dụng F, độ lớn độ dịch chuyển d và cosin góc hợp bởi vecto lực tác dụng và vecto độ dịch chuyển theo biểu thức:

$A=F.d.\cos \theta$

– Đơn vị của công chính là đơn vị của năng lượng 1J = 1N.1m

b. Các đặc điểm của công

– Công là một đại lượng vô hướng

– Khi $0^o\le \theta <{90}^o$: công của lực có giá trị dương và được gọi là công phát động

– Khi ${90}^o<\theta \le {180}^o$: công của lực có giá trị âm và được gọi là công cản

– Khi $\theta ={90}^o$: khi lực tác dụng vuông góc với độ dịch chuyển thì công bằng 0

Quá trình nâng tạ, vận động viên thực hiện công

Quá trình giữ ta, vận động viên không thực hiện công

B. Trắc nghiệm Năng lượng và công

Câu 1: Người ta kéo một cái thùng nặng 30 kg trượt trên sàn nhà nằm ngang bằng một dây hợp với phương nằm ngang một góc 45⁰, lực tác dụng lên dây là 150 N. Tính công của lực đó khi thùng trượt được 10 m.

A. 1060 J.

B. 10,65 J.

C. 1000 J.

D. 1500 J.

Đáp án đúng là: A.

Áp dụng công thức tính công của lực ta có

$A={\text{F.d.cosθ = 150.10.cos45}}^0=1060$J

Câu 2: Một cần cẩu nâng một vật nặng khối lượng 5 tấn từ trạng thái nghỉ chuyển động thẳng đứng nhanh dần đều lên trên với độ lớn gia tốc bằng 0,5$m/s^2$. Lấy $g=10m/s^2$. Độ lớn công mà cần cẩu thực hiện được sau thời gian 3 giây là

A. 116104 J.

B. 213195 J.

C. 115107 J.

D. 118125 J.

Đáp án đúng là: D.

Chọn chiều dương hướng lên theo chiều chuyển động của vật, áp dụng định luật II Newton ta có: ${\overrightarrow{F}}_n+\overrightarrow{P}=m.\overrightarrow{a}$

$\Rightarrow F_n-P=m.a$

$\Rightarrow F_n=m.(a+g)={5.10}^3.(0,5+10)=52500N$

– Quãng đường sau 3 s là: $s=v_0.t+\frac{1}{2}.a.t^2=\frac{1}{2}.0,{5.3}^2=2,25m$

– Công mà cần cẩu thực hiện sau 3 s là:

$A={\text{F.d.cosθ = 52500.2,25.cos0}}^0=118125\left(J\right)$

Câu 3: Một vật khối lượng 2 kg bị hất đi với vận tốc ban đầu có độ lớn bằng 4 m/s để trượt trên mặt phẳng nằm ngang. Sau khi trượt được 0,8 m thì vật dừng lại. Công của lực ma sát đã thực hiện bằng:

A. 16 J.

B. – 16 J.

C. -8 J.

D. 8 J.

Đáp án đúng là: B.

Gia tốc của vật là: $a=\frac{v^2-v_0^2}{2.d}=\frac{0^2-4^2}{2.0,8}=-10\left(m/s^2\right)$

Độ lớn lực ma sát là: $F_{ms}=m.\left(a\right)=2.\left(-10\right)=20\left(N\right)$

Công của lực ma sát là: $A={\text{F}}_{ms}{\text{.d.cosθ = 20.0,8.cos180}}^0=-16\left(J\right)$

Câu 4: Một con ngựa kéo một chiếc xe đi với vận tốc 14,4 km/h trên đường nằm ngang. Biết lực kéo có độ lớn F = 500 N và hợp với phương nằm ngang góc $\text{θ}={30}^0$. Tính công của con ngựa trong 30 phút. Coi xe chuyển động thẳng và không đổi chiều chuyển động

A. $3117691,454\left(J\right)$

B. $3117,{6.10}^5\left(J\right)$

C. ${301.10}^5\left(J\right)$

D. $301,{65.10}^5\left(J\right)$

Đáp án đúng là: A.

Công của lực kéo chính là công của con ngựa.

Độ dịch chuyển của xe trong 30 phút là: $s=d=v.t=\frac{14,{4.10}^3}{3600}\mathrm{.30.60}=7200\left(m\right)$

Công của con ngựa là: $A={\text{F.d.cosθ = 500.7200.cos30}}^0=3117691,454\left(J\right)$

Câu 5: Một thang máy khối lượng m = 600 kg chuyển động thẳng đứng lên cao 10 m. Tính công của động cơ để kéo thang máy lên khi thang máy đi lên nhanh dần đều với gia tốc $a=1m/s^2$. Lấy g = 10 $m/s^2$. Chọn chiều dương hướng lên trên.

A. $6,{6.10}^4\left(J\right)$

B. ${66.10}^4\left(J\right)$

C. ${75.10}^4\left(J\right)$

D. $7,{5.10}^4\left(J\right)$

Chọn chiều dương là chiều chuyển động.

Áp dụng định luật II Newton ta có:

${\overrightarrow{F}}_k+\overrightarrow{P}=m.\overrightarrow{a}$

Chiếu biểu thức định luật II Newton xuống chiều dương đã chọn.

$\Rightarrow F_k-P=m.a\Rightarrow F_k=m.(a+g)$

Công của lực kéo là:

$A=\text{F.d.cosθ =}m.(a+g){\text{.10.cos0}}^0=600.\left(1+10\right)\mathrm{.10.1}=66000\left(J\right)$

Câu 6: Năng lượng có tính chất nào sau đây?

A. Là một đại lượng vô hướng.

B. Có thể tồn tại ở những dạng khác nhau.

C. Có thể truyền từ vật này sang vật khác, hoặc chuyển hóa qua lại giữa các dạng khác nhau và giữa các hệ, các thành phần của hệ.

D. Các đáp án trên đều đúng.

Đáp án đúng là: D.

Năng lượng của một hệ bất kì luôn có một số tính chất sau:

– là một đại lượng vô hướng;

– có thể tồn tại ở những dạng khác nhau;

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

Câu 7: Cần cẩu khi hoạt động, thực hiện trao đổi năng lượng với vật khác dưới dạng nào sau đây?

A. Thực hiện công.

B. Truyền nhiệt.

C. Phát ra các tia nhiệt.

D. Không trao đổi năng lượng.

Đáp án đúng là: A.

Cần cẩu thực hiện trao đổi năng lượng với vật khác dưới dạng thực hiện công.

Câu 8: Mặt Trời trao đổi năng lượng với vật khác dưới dạng nào sau đây?

A. Thực hiện công.

B. Truyền nhiệt.

C. Phát ra các tia nhiệt.

D. Không trao đổi năng lượng.

Đáp án đúng là: C.

Mặt Trời trao đổi năng lượng với vật khác dưới dạng phát ra các tia nhiệt.

Câu 9: Lò nung trao đổi năng lượng với vật khác dưới dạng nào sau đây?

A. Thực hiện công.

B. Truyền nhiệt.

C. Phát ra các tia nhiệt.

D. Không trao đổi năng lượng.

Đáp án đúng là: B.

Lò nung trao đổi năng lượng với vật khác dưới dạng truyền nhiệt.

Câu 10: 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 là: C.

A – sai, công là đại lượng vô hướng.

B – sai, vì lực hướng tâm trong chuyển động tròn luôn tạo với độ dịch chuyển góc 90⁰.

C – đúng, công có thể âm, dương hoặc bằng không phụ thuộc vào góc tạo bởi vectơ lực tác dụng (lực này không đổi) và vectơ độ dịch chuyển.

D – sai, vì chuyển động thẳng đều có hợp lực bằng không.

Xem thêm các bài tóm tắt lý thuyết Vật lí 10 Chân trời sáng tạo hay, chi tiết khác:

Bài 14: Moment. Điều kiện cân bằng của vật

Bài 16: Công suất – Hiệu suất

Bài 17: Động năng và thế năng. Định luật bảo toàn cơ năng

Bài 18: Động lượng và định luật bảo toàn động lượng