Giải Vật lí 10 Bài 23 (Kết nối tri thức): Năng lượng. Công cơ học

Giải bài tập Vật lí lớp 10 Bài 23: Năng lượng. Công cơ học

Khởi động trang91 Vật Lí 10:

Trong các động tác nâng tạ từ vị trí (1) sang vị trí (2), từ vị trí (2) sang vị trí (3), từ vị trí (3) sang vị trí (4) ở hình trên:

- Có những quá trình truyền và chuyển hóa năng lượng nào?

- Động tác nào có thực hiện công, không thực hiện công?

Lời giải:

Từ vị trí (1) sang vị trí (2) và từ (2) sang (3): vận động viên đã truyền và chuyển hóa năng lượng cho vật bằng cách thực hiện công.

Từ vị trí (3) sang (4) năng lượng của người được truyền và chuyển hóa thành thế năng để giữ cho tạ đứng yên ở vị trí này. Quá trình này lực nâng không thực hiện công vì tạ không bị dịch chuyển.

I. Năng lượng

Câu hỏi 1 trang 91 Vật Lí 10: Khi đun nước bằng ấm điện thì có những quá trình truyền và chuyển hóa năng lượng nào xảy ra?

Lời giải:

Khi đun nước bằng ấm điện có các quá trình:

- Điện năng đã chuyển hóa thành nhiệt năng để làm nóng và đun sôi nước.

- Một phần điện năng chuyển hóa thành năng lượng âm thanh (nước sôi phát ra âm thanh)

Câu hỏi 2 trang 91 Vật Lí 10: Khi xoa hai tay vào nhau cho nóng thì có những quá trình truyền và chuyển hóa năng lượng nào xảy ra?

Lời giải:

Khi xoa hai tay vào nhau cho nóng thì cơ năng đã chuyển hóa thành nhiệt năng làm ấm tay.

Câu hỏi 3 trang 91 Vật Lí 10: Một quả bóng cao su được ném từ độ cao h xuống đất cứng và bị nảy lên. Sau mỗi lần nảy lên, độ cao giảm dần, nghĩa là cơ năng giảm dần. Điều đó có trái với định luật bảo toàn năng lượng không? Tại sao? Hãy dự đoán xem còn có hiện tượng gì nữa xảy ra với quả bóng ngoài hiện tượng bị nảy lên và rơi xuống.

Lời giải:

- Quả bóng không nảy lên tới độ cao ban đầu vì một phần cơ năng đã chuyển hóa thành nhiệt năng khi bóng va chạm với mặt đất. Còn hiện tượng nữa xảy ra với quả bóng là quả bóng bị nóng lên, khi va chạm với mặt đất phát ra âm thanh nên có một phần cơ năng chuyển hóa thành năng lượng âm.

- Hiện tượng trên vẫn tuân thủ định luật bảo toàn năng lượng, năng lượng chỉ truyền và chuyển hóa từ dạng này sang dạng khác, từ vật này sang vật khác.

Câu hỏi 4 trang 91 Vật Lí 10: Có sự truyền và chuyển hóa năng lượng nào trong quá trình bắn pháo hoa?

Lời giải:

Khi bắn pháo hoa, hóa năng đã chuyển hóa thành quang năng và nhiệt năng.

Hoạt động trang 92 Vật Lí 10: Hãy thảo luận nhóm để tìm thêm ví dụ minh họa cho các quá trình chuyển hóa năng lượng sau đây:

a) Điện năng chuyển hóa thành nhiệt năng.

b) Nhiệt năng chuyển hóa thành điện năng.

c) Quang năng chuyển hóa thành điện năng.

d) Quang năng chuyển hóa thành hóa năng.

Lời giải:

II. Công cơ học

Hoạt động trang 93 Vật Lí 10: Hãy trao đổi với bạn để chứng minh rằng trong các ví dụ mô tả ở Hình 23.3 có sự truyền năng lượng bằng cách thực hiện công.

Lời giải:

- Hình 23.3a: Khiđộng cơ điện hoạt động, tạo ra lực tác dụng làm cho vật nặng chuyển động từ dưới đất lên trên cao tức là vật nặng đã thay đổi trạng thái chuyển động. Do đó, động cơ điện đã truyền năng lượng cho vật nặng bằng cách thực hiện công.

- Hình 23.3b: Khi đốt cháy hỗn hợp xăng và không khí trong xilanh tạo ra lực đẩy pittông chuyển động nênpittông đã thay đổi trạng thái chuyển động. Do đó, hỗn hợp xăng và không khí trong xilanh đã truyền năng lượng cho pittông bằng cách thực hiện công.

Câu hỏi 1 trang 93 Vật Lí 10: Hãy trả lời câu hỏi ở phần khởi động.

Trong các động tác nâng tạ từ vị trí (1) sang vị trí (2), từ vị trí (2) sang vị trị (3), từ vị trí (3) sang vị trí (4) ở hình trên:

- Có những quá trình truyền và chuyển hóa năng lượng nào?

- Động tác nào có thực hiện công, không thực hiện công?

Lời giải:

- Khi vận động viên nâng tạ có sự truyền và chuyển hóa năng lượng từ người sang tạ, tạ được nâng lên cao nên người đã truyền năng lượng thành thế năng của quả tạ.

- Quá trình nâng tạ có thực hiện công là: 1 – 2 – 3. Quá trình nâng tạ không thực hiện công là: 3 – 4.

Câu hỏi 2 trang 93 Vật Lí 10: Khi cho một miếng đồng tiếp xúc với ngọn lửa thì ngọn lửa truyền năng lượng cho miếng đồng làm cho nó nóng lên. Quá trình truyền năng lượng này có phải là thực hiện công hay không? Tại sao?

Lời giải:

Quá trình trên không phải là quá trình thực hiện công. Đó là quá trình truyền năng lượng thông qua “truyền nhiệt”.

Câu hỏi 1 trang 95 Vật Lí 10: Trường hợp nào sau đây trọng lực tác dụng lên ô tô thực hiện công phát động, công cản và không thực hiện công?

a) Ô tô đang xuống dốc.

b) Ô tô đang lên dốc.

c) Ô tô chạy trên đường nằm ngang.

Lời giải:

a) Trọng lực thực hiện công phát động. Vì thành phần ${\overrightarrow{P}}_x$của $\overrightarrow{P}$lên phương chuyển động cùng chiều với chiều chuyển động.

b) Trọng lực thực hiện công cản. Vì thành phần ${\overrightarrow{P}}_x$của $\overrightarrow{P}$lên phương chuyển động ngược chiều với chiều chuyển động, làm cản trở chuyển động của ô tô.

c) Trọng lực không thực hiện công. Vì trọng lực vuông góc với phương chuyển động.

Câu hỏi 2 trang 95 Vật Lí 10: Một người kéo một thùng hàng khối lượng 80 kg trượt trên sàn nhà bằng một dây có phương hợp góc 30^o so với phương nằm ngang. Biết lực tác dụng lên dây bằng 150 N. Tính công của lực đó khi hòm trượt đi được 29 m.

Lời giải:

Công của lực đó khi hòm trượt đi được 29 m:

$A=F.s.\cos \alpha =\mathrm{150.29.}\cos {30}^o=3767,21J$

Em có thể trang 95 Vật Lí 10:

- Chế tạo được mô hình đơn giản minh họa định luật bảo toàn năng lượng.

- Giải thích được nếu một vật chuyển động lên dốc, xuống dốc hoặc trên mặt phẳng ngang thì công của trọng lực đóng vai trò gì.

Lời giải:

- HS tự chế tạo mô hình. Có thể chế tạo mô hình con lắc đơn.

Treo vật vào một sợi dây không dãn, một đầu sợi dây được gắn cố định. Kích thích cho con lắc dao động ta thấy ở vị trí cao nhất con lắc có thế năng cực đại, động năng bằng 0. Ở vị trí thấp nhất con lắc có động năng cực đại, thế năng bằng không. Như vậy trong quá trình chuyển động, động năng và thế năng luôn được chuyển hóa lẫn nhau nhưng tổng thế năng và động năng (tức năng lượng) luôn được bảo toàn (bỏ qua ma sát).

- Giải thích:

+ Khi một vật chuyển động lên dốc, công của trọng lực là công cản. Vì thành phần ${\overrightarrow{P}}_x$của $\overrightarrow{P}$lên phương chuyển động ngược chiều với chiều chuyển động, làm cản trở chuyển động của vật.

+ Khi một vật chuyển động xuống dốc, công của trọng lực là công phát động. Vì thành phần ${\overrightarrow{P}}_x$của $\overrightarrow{P}$lên phương chuyển động cùng chiều với chiều chuyển động.

+ Khi một vật chuyển động trên mặt phẳng ngang, trọng lực không thực hiện công. Vì trọng lực vuông góc với phương chuyển động.

I. Năng lượng

- 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

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