Lý thuyết Vật lý 10 bài 23 KNTT
Lý thuyết Vật lý lớp 10 bài 15: Năng lượng - Công cơ học được chúng tôi sưu tầm và tổng hợp các câu hỏi lí thuyết và trắc nghiệm có đáp án đi kèm nằm trong chương trình giảng dạy môn Vật lý lớp 10 sách Kết nối tri thức. Mời quý thầy cô cùng các bạn tham khảo tài liệu dưới đây.
1. Năng lượng
a) Khái niệm năng lượng
Tất cả mọi quá trình như: xe chuyển động trên đường, thuyền di chuyển trên nước, bánh được nướng trong lò, đèn chiếu sáng, sự phát triển của động 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 SI, năng lượng có đơn vị là Joule (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
.
Thí nghiệm của Joule về sự truyền, chuyển hóa và bảo toàn năng lượng
- Thí nghiệm mang tính lịch sử được James Joule thực hiện vào những năm 1844 - 1854 nhằm minh họa định luật bảo toàn năng lượng. Sơ đồ thí nghiệm được mô tả trong Hình 23.1. Khi cho vật nặng chuyển động đi xuống, dây nối sẽ làm cho trục quay và cánh quạt quay theo. Ma sát giữa cánh quạt và nước làm cho nước nóng lên.
- Ở đây có sự truyền năng lượng từ vật nặng sang nước, cụ thể là sự chuyển hoá từ cơ năng sang nhiệt năng.
- Thí nghiệm đã cho thấy cơ năng của vật nặng giảm đi bao nhiêu thì nhiệt của nước tăng lên bấy nhiêu. Điều đó chứng tỏ, trong quá trình năng lượng truyền từ vật này sang vật khác, chuyển hóa năng lượng từ dạng này sang dạng khác, năng lượng luôn được bảo toàn.
Hình 23.1. Sơ đồ thí nghiệm minh họa định luật bảo toàn năng lượng năng
(1) Vật nặng; (2) Dây nối; (3) Trục quay; (4) Cánh quạt; (5) Nhiệt kế
Năng lượng có thể chuyển hóa từ dạng này sang dạng khác, hoặc truyền từ vật này sang vật khác và luôn được bảo toàn.
2. Công cơ học
2.1. Thực hiện công
Năng lượng có thể truyền từ vật này sang vật khác.
Ví dụ: Để chuyển thóc từ ruộng lên xe tải, người nông dân phải nâng bao thóc từ mặt đất lên vai mình. Như vậy, người này đã truyền cho bao thóc năng lượng, làm thay đổi độ cao của nó so với mặt đất. Tức là làm cho nó có một thế năng so với mặt đất. Khi người nông dân tác dụng lực, truyền năng lượng cho bao thóc, ta nói lực tác dụng đang thực hiện công. Trong trường hợp này, khái niệm công được sử dụng với ý nghĩa khoa học.
Việc truyền năng lượng cho vật bằng cách tác dụng lực lên vật làm vật thay đổi trạng thái chuyển động như trên được gọi là thực hiện công cơ học (gọi tắt là thực hiện công).
Phân tích sự xuất hiện của từ "công" với nghĩa khoa học:
| Thực hiện công | Không thực hiện công |
| Đẩy tủ quần áo dịch chuyển, lực đẩy của người truyền năng lượng cho tủ. Động năng của tủ tăng. | Đẩy tủ nhưng tủ không dịch chuyển: động năng của tủ không thay đổi. |
| Hòn đá đang rơi: Lực hấp dẫn thực hiện công. Hòn đá dịch chuyển theo phương của lực hấp dẫn. Động năng của hòn đá tăng. | Mặt Trăng chuyển động quang Trái Đất: lực hấp dẫn không thực hiện công vì Mặt Trăng không dịch chuyển theo phương của lực hấp dẫn. Động năng của Mặt Trăng không thay đổi. |
2.2. Công thức tính công
a) Khi lực không đổi và cùng hướng với chuyển động
Công thức tính công của lực khi lực không đổi và cùng hướng với chuyển động:
Công = Lực tác dụng x Độ dịch chuyển theo phương của lực
Trong đó:
- là công của lực có đơn vị cùng với đơn vị năng lượng là jun:
- là cường độ của lực tác dụng lên vật làm vật chuyển động, đơn vị là niuton .
- là quãng đường đi được của vật, đơn vị là mét .
Khi lực cùng hướng với chuyển động thì độ dịch chuyển có độ lớn bằng quãng đường đi được , nên công thức tính công cũng có thể viết dưới dạng: .
Ví dụ: Khi rửa gầm xe ô tô (như hình vẽ), người ta sử dụng máy nâng để nâng ô tô lên độ cao so với mặt sàn. Cho biết khối lượng ô tô là tấn và gia tốc trọng trường là . Tính công tối thiểu mà máy nâng đã thực hiện.
Hướng dẫn giải
Để nâng được ô tô lên thì máy nâng phải tác dụng vào ô tô một lực có độ lớn tối thiểu bằng trọng lượng của ô tô:
Công tối thiểu mà máy nâng đã thực hiện là:
.
b) Khi lực không đổi và không cùng phương với chuyển động
Trong trường hợp tổng quát, khi vectơ lực hợp với vectơ độ dịch chuyển 1 góc thì ta có:
Công của một lực được đo bằng tích của ba đại lượng: độ lớn của lực tác dụng , độ dịch chuyển và cosin góc hợp bởi vectơ lực hợp với vectơ độ dịch chuyển theo biểu thức:
Lưu ý: Khi vật chuyển động thẳng theo một chiều thì độ dịch chuyển chính bằng quãng đường đi được và công được tính bằng công thức .
Các đặc điểm của công:
- : Công của lực có giá trị dương và được gọi là công phát động.
- : lực vuông góc với phương chuyển động, khi đó lực không sinh công (A = 0).
- : công của lực có giá trị âm và được gọi là công cản.
Ví dụ: Một bạn học sinh có khối lượng đi lên một cầu thang gồm bậc, mỗi bậc cao , dài (như hình vẽ). Tính công tối thiểu mà bạn ấy phải thực hiện. Coi lực mà học sinh tác dụng lên mỗi bậc thang là không đổi trong quá trình di chuyển. Lấy gia tốc là không đổi trong quá trình di chuyển. Lấy gia tốc trọng trường là .
Hướng dẫn giải
Muốn lên cầu thang này bạn học sinh phải có lực nâng tối thiểu như hình vẽ:
Độ dịch chuyển của bạn học sinh là:
Công tối thiểu mà bạn ấy phải thực hiện là:
Nhận xét: Độ lớn của công dùng để đưa vật lên cao luôn là: . Với là độ cao vật được nâng lên không phụ thuộc vào việc được đưa lên cao theo đường thẳng đứng hay nằm nghiêng.
