Giải Vật Lí 10 Bài 15 (Chân trời sáng tạo): Năng lượng và công

Giải Vật Lí lớp 10 Bài 15: Năng lượng và công

Mở đầu trang 94 Vật lí 10:

Năng lượng tồn tại ở khắp mọi nơi xung quanh ta. Việc đưa ra một định nghĩa hoàn thiện về năng lượng đã và đang là một thử thách cho các nhà khoa học. Trong cơ học, năng lượng được hiểu như thế nào trong một số trường hợp cụ thể? Khi được truyền từ vật này sang vật khác bằng cách tác dụng lực thì phần năng lượng này được đo như thế nào?

Lời giải:

Năng lượng là khả năng làm biến đổi về trạng thái hoặc thực hiện công, tác dụng lên một hệ vật chất. Khi được truyền từ vật này sang vật khác bằng cách tác dụng lực thì phần năng lượng được tính bằng công của lực tác dụng.

1. Năng lượng

Khái niệm năng lượng

Câu hỏi 1 trang 95 Vật lí 10:

Quan sát Hình 15.1, hãy cho biết tên những dạng năng lượng liên quan mà em đã được học ở môn Khoa học tự nhiên.

Lời giải:

Những dạng năng lượng đã được học ở môn Khoa học tự nhiên:

+ Động năng

+ Thế năng hấp dẫn, thế năng đàn hồi

+ Năng lượng hóa học

+ Năng lượng âm thanh

+ Nhiệt năng

+ Quang năng

+ Năng lượng hạt nhân

Tính chất của năng lượng

Câu hỏi 2 trang 95 Vật lí 10:

Một thỏi socola (Hình 15.2) có khối lượng 60 g chứa 280 cal năng lượng. Hãy tính lượng năng lượng của thỏi socola này theo đơn vị jun.

Lời giải:

Ta có 1 cal= 4,184 J$\Rightarrow$280 cal= 1171,52 J.

2. Định luật bảo toàn năng lượng

Quá trình chuyển và chuyển hóa năng lượng

Câu hỏi 3 trang 95 Vật lí 10:

Quan sát hình 15.3, hãy cho biết cách thức truyền năng lượng và phân tích sự chuyển hóa năng lượng trong từng trường hợp.

Lời giải:

a. Ánh sáng mặt trời qua thấu kính hội tụ tại 1 điểm trên giấy làm giấy bốc cháy. Sự chuyển hóa từ quang năng sang nhiệt năng.

b. Nhiệt năng truyền từ bếp gas sang ấm nước và nước trong ấm thông qua quá trình truyền nhiệt. Nhiệt năng được truyền từ vật này sang vật khác.

c. Động năng từ tay người truyền qua thanh củi khiến củi nóng nên thông qua quá trình thực hiện công. Sự chuyển hóa từ động năng sang nhiệt năng, quang năng.

d. Điện năng truyền từ thiết bị sạc tới chiếc điện thoại thông qua quá trình truyền năng lượng điện từ. Điện năng được truyền từ vật này sang vật khác.

Luyện tập trang 96 Vật lí 10:

Hãy chỉ ra quá trình truyền và chuyển hóa năng lượng trong một số trường hợp như Hình 15.4 và 15.5.

Lời giải:

15.4: Động năng của người được truyền cho xe thông qua quá trình tác dụng lực.

15.5a. Ban đầu người ở dưới truyền động năng cho người chơi xích đu thông qua quá trình tác dụng lực. Sau đó xích đu tự rơi xuống dưới nhờ vào tác dụng của trọng lực.

15.5b. Động năng được người truyền cho bình thông qua quá trình tác dụng lực.

15.5c. Giấy và bề mặt được tay người truyền năng lượng thông qua quá trình tác dụng lực.

Vận dụng trang 96 Vật lí 10:

Tìm hiểu và giải thích tại sao ta không thể chế tạo được động cơ hoạt động liên tục mà không cần cung cấp năng lượng cho động cơ.

Lời giải:

Như đã phát biểu, 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. Việc chế tạo động cơ hoạt động liên tục mà không cần cung cấp năng lượng cho động cơ là trái với định luật bảo toàn năng lượng. Do đó, không thể chế tạo được loại động cơ như vậy.

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

Câu hỏi 4 trang 97 Vật lí 10:

Từ những vật liệu đơn giản như các thanh gỗ thẳng, hòn bi, máng cong, dây không dãn, … Hãy tạo ra các mô hình thí nghiệm minh họa sự chuyển hóa và bảo toàn năng lượng.

Lời giải:

Dụng cụ: hòn bi, máng cong

Tiến hành thí nghiệm: Đặt hòn bi ở một đầu của máng cong, rồi sau đó thả nhẹ. Quan sát chuyển động của hòn bi.

Sự chuyển hóa và bảo toàn năng lượng:

Ta chọn mốc thế năng là điểm thấp nhất ở lòng máng.

- Tại vị trí 1, hòn bi có độ cao xác định, khi ấy hòn bi có thế năng trọng trường.

- Sau khi thả vật chuyển động, trong quá trình đó, thế năng trọng trường ban đầu của hòn bi đang dần chuyển hóa thành động năng cho hòn bi. Tại vị trí số 2, động năng của hòn bi đạt cực đại và thế năng của hòn bi bằng 0.

- Khi đó, hòn bi tiếp tục chuyển động đến vị trí thứ 3. Trong quá trình này, động năng của hòn bi giảm dần, độ cao của hòn bi thay đổi nên thế năng trọng trường của hòn bi thay đổi. Hay nói cách khác, động năng của hòn bi từ vị trí 2 dần chuyển thành thế năng ở vị trí thứ 3.

- Ngoài ra, trong quá trình chuyển động, giữa hòn bi và lòng máng xuất hiện ma sát lăn. Thế năng và động năng của hòn bi còn bị chuyển hóa một phần thành nhiệt năng.

Năng lượng được chuyển hóa từ dạng này sang dạng khác và vẫn tuân theo định luật bảo toàn năng lượng.

Câu hỏi 5 trang 97 Vật lí 10:

Lời kêu gọi tiết kiệm điện (Hình 15.7) có thể hiểu là để bảo toàn năng lượng được hay không?

Lời giải:

Thực tế lời kêu gọi tiết kiệm điện không phải là để bảo toàn năng lượng được. Dù ta dùng ít hay nhiều điện thì tổng năng lượng của Trái Đất không thay đổi. Tiết kiệm điện là để tránh ô nhiễm môi trường, biến đổi khí hậu. Ví dụ: khi bạn tiêu thụ điện cũng là khi các nhà máy thủy điện hoạt động mạnh. Các nhà máy này phát tán ra một lượng lớn các khí như meta hay cacbonic. Đây là một trong những nguyên nhân dẫn đến hiệu ứng nhà kính.

3. Công của một lực không đổi

Biểu thức tính công và đơn vị của công

Câu hỏi 6 trang 97 Vật lí 10:

Quan sát hình 15.8, thảo luận để phân tích mối quan hệ về hướng của lực tác dụng vào vật và độ dịch chuyển của vật. Từ đó, đưa ra dự đoán về sự thay đổi năng lượng của vật trong quá trình tác dụng lực.

Lời giải:

- Mối quan hệ về hướng của lực tác dụng vào vật và độ dịch chuyển của vật:

+ Hình a: hướng của lực tác dụng hợp với hướng của độ dịch chuyển một góc nhọn.

+ Hình b: hướng của lực tác dụng hợp với hướng của độ dịch chuyển một góc tù.

+ Hình c: hướng của lực tác dụng hợp với hướng của độ dịch chuyển một góc vuông.

- Sự thay đổi năng lượng của vật trong quá trình tác dụng lực: năng lượng mà vật có được truyền từ vật gây ra tác dụng lực sang.

Vận dụng biểu thức tính công

Câu hỏi 7 trang 98 Vật lí 10: Trong giai đoạn giữ tạ trên cao, lực của vận động viên không sinh công. Tuy nhiên, vận động viên vẫn bị mỏi cơ, nghĩa là đang bị mất năng lượng. Lượng năng lượng nào được sử dụng trong trường hợp này?

Lời giải:

Để 1 vật cân bằng (đứng yên) thì hợp lực phải bằng 0. Chiếc tạ đang được tác dụng bởi trọng lực hướng xuống dưới. Để giữ tạ trên cao, người vận động viên phải tác dụng 1 lực (lực nâng) có độ lớn bằng với trọng lực của chiếc tạ. Vì vậy, trong trường hợp này vận động viên vẫn bị mỏi cơ do phải tác dụng lực vào chiếc tạ.

Chiếc tạ được giữ nguyên ở một độ cao, độ dịch chuyển bằng 0 nên trong trường hợp này lực nâng không sinh công.

Năng lượng được sử dụng là thế năng.

Luyện tập trang 99 Vật lí 10:

a) Phân tích các lực tác dụng lên hệ người và ván khi trượt từ trên đồi cát (Hình 15.11).

b) Phân tích đặc điểm của công do những lực này sinh ra trong quá trình trượt.

Lời giải:

a) Các lực tác dụng lên hệ người và ván trượt: trọng lực của hệ người – ván trượt; lực nâng của cát; lực ma sát.

b) Đặc điểm của công do các lực sinh ra:

- Công của trọng lực là công phát động

- Công của lực ma sát là công cản

- Phản lực không sinh công

Vận dụng trang 99 Vật lí 10:

Có nhận định cho rằng: Công phát động luôn có lợi và công cản luôn có hại. Hãy thảo luận và liên hệ một số tình huống thực tiễn để nêu ý nghĩa của em về nhận định trên.

Lời giải:

Nhận định trên không hoàn toàn đúng, có nhiều trường hợp công phát động cũng có hại và công cản lại có lợi.

Ví dụ:

- Khi đang đi xe, gặp chướng ngại vật phía trước, người lái xe hãm phanh để xe chuyển động chậm dần và dừng lại thì trong trường hợp này lực của động cơ sinh ra công phát động sẽ có hại, lực ma sát sinh ra công cản sẽ có lợi.

- Khi đi đường trơn trượt vào trời mưa, cần đi dép có cách rãnh sâu để tăng lực ma sát nghỉ, khi đó lực ma sát nghỉ có lợi.

Bài tập (Trang 99)

Bài tập 1 trang 99 Vật lí 10:

Em hãy kể tên các dạng năng lượng trong hoạt động hằng ngày được thể hiện như Hình 15P.1.

Lời giải:

Các dạng năng lượng đó là: Quang năng, động năng, nhiệt năng, năng lượng gió, ….

Bài tập 2 trang 99 Vật lí 10:

Hãy chỉ ra sự chuyển hóa năng lượng trong các quá trình được cho trong Hình 15P.2.

Lời giải:

Bài tập 3 trang 99 Vật lí 10:

Một người sơn tường đứng trên một cái thang (Hình 15P.3). Bất ngờ người thợ làm con lăn rơi thẳng đứng xuống sàn. Biết khoảng cách từ nơi con lăn bắt đầu rơi đến sàn là 2 m và con lăn có khối lượng 200 g. Tìm công của trọng lực tác dụng lên con lăn trong suốt quá trình rơi.

Lời giải:

m = 200 g = 0,2 kg; g = 10 m/s²;h = 2 m.

Trọng lực tác dụng vào con lăn: P = m.g = 0,2.10 = 2 N.

Công của trọng lực tác dụng lên con lăn là:

A = F.s.cosα = P.s.cosα = P.h.cos0⁰ = 2.2.1 = 4 J.

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