Tổng ôn lý thuyết về công cơ học, công suất và năng lượng Vật lý 10

1. Năng lượng là gì?

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

Định luật bảo toàn năng lượng: 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

2. Công cơ học là gì?

2.1. Khái niệm

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

2.2. Ví dụ về công cơ học

Ví dụ 1: Khi ta đẩy một 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 qua.

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

2.3. Công thức tính công cơ học

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

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

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

A = F. s. cosα

Tùy thuộc vào góc α mà công của lực có thể xảy ra một trong các trường hợp sau:

0 ≤ α < $90^{circ}$: Thành phần Fs của $overrightarrow{F}$ lên phương chuyển động cùng chiều với chiều chuyển động. Công của lực lúc này được gọi là công phát động (A > 0)

α = $90^{circ}$: lực vuông góc với phương chuyển động, khi đó lực không sinh ra công (A = 0)

$90^{circ}$< α ≤ $180^{circ}$ : Thành phần Fs của $overrightarrow{F}$ lên phương chuyển động ngược chiều với chiều chuyển động, lực làm cản trở chuyển động của vật. Công của lực lúc này được gọi là công cản (A < 0)

Đăng ký ngay để được các thầy cô ôn tập và xây dựng lộ trình học tập THPT vững vàng

3. Công suất

3.1. Khái niệm về công suất

Công suất là đại lượng đặc trưng cho khả năng thực hiện công nhanh hay chậm của người hay thiết bị sinh công.

3.2. Công thức tính công suất

Nếu trong khoảng thời gian t, công thực hiện được là A thì tốc độ sinh công, tức công suất là

P = $frac{A}{t}$

Nếu A tính bằng jun (J); t tính bằng giây (s), thì P tính bằng Oát (W)

1W = $frac{1J}{1s}$

Các bội của Oát (W) là

1 kilôoát = 1 kW = 103 W

1 mêgaoát =1 MW = 106 W

3.3 Liên hệ giữa công suất với lực và tốc độ

Khi vật chuyển động cùng hướng với lực và lực không thay đổi thì công suất trung bình của lực làm vật chuyển động là

P = $frac{A}{t}$ = $frac{F.s}{t}$ = F. v

Công suất tức thời của lực làm cho vật chuyển động với vận tốc tức thời $v_t$

$P_t$ = F.$v_t$

4. Hiệu suất

4.1. Khái niệm

Hiệu suất là tỉ lệ giữa năng lượng có ích và năng lượng toàn phần.

4.2. Công thức tính hiệu suất

Hiệu suất = Năng lượng có ích/Năng lượng toàn phần

H = $frac{W_{ci}}{W_{tp}}$. 100% hoặc H = $frac{P_{ci}}{P_{tp}}$. 100%

với $P_{ci}$ là công suất có ích, $P_{tp}$ là công suất toàn phần.

Hiệu suất của động cơ nhiệt được viết dưới dạng H = $frac{A}{Q}$.100%

Trong đó:

A là công cơ học mà động cơ thực hiện được
Q là nhiệt lượng mà động cơ nhận được từ nhiên liệu bị đốt cháy.

Hiệu suất của một số thiết bị điện như máy phát điện, tuabin nước, máy hơi nước, … được cho trong bảng tham khảo dưới đây.

5. Bài tập ôn luyện kiến thức về công cơ học Vật lý 10

5.1. Bài tập tự luận

Bài 1: Khi rửa gầm ô tô, người ta thường sử dụng máy nâng để nâng ô tô lên tới độ cao h = 160cm so với mặt sàn. Cho biết khối lượng ô tô là m = 1,5 tấn và gia tốc trọng trường g = 10m/s2. Tính công tối thiểu mà máy nâng cần thực hiện

Hướng dẫn giải

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

$F_{min}$ = P = m.g = 1,5. 103. 10 = 1,5. 104 N

Công tối thiểu mà máy nâng cần thực hiện là

A = P. h = 1,5. 104. 1,6 = 24000J = 24kJ

Bài 2: Vật có khối lượng 2 kg trượt trên sàn có hệ số ma sát 0,2 dưới tác dụng của một lực không đổi có độ lớn 10N hợp với phương ngang góc $30^{circ}$. Tính công của lực F và lực ma sát khi vật chuyển động được 5s, với g = 10m/s2.

Hướng dẫn giải

Phân tích bài toán

m = 2 kg; µ = 0,2; g = 10 m/s2; F = 10 N; α = $30^{circ}$; t = 5s

Chọn chiều dương là chiều chuyển động của vật

$F_{ms}$ = µ.(P - Fsinα) = 3N

Áp dụng định luật II Newton theo phương ngang:

Fcosα - $F_{ms}$ = ma → a = 2.83 m/s2

Quãng đường vật đi được trong 5s là: s = 0,5.a.t2 = 35,375 (m)

$A_F$ = F.s.cosα = 306,4 (J)

$A_{Fms}$ = $F_{ms}$. s. cos $180^{circ}$ = -106,124 (J)

Bài 3: Một vật có khối lượng 2 kg thả rơi tự do từ độ cao 10 m so với mặt đất. Bỏ qua sức cản không khí. Lấy g = 9,8 m/s2. Trong thời gian 1,2 s kể từ lúc bắt đầu thả vật, trọng lực thực hiện một công bằng bao nhiêu?

Hướng dẫn giải

Thời gian để vật rơi xuống đất bằng

t = $sqrt{frac{2g}{h}}$ = $sqrt{frac{2.10}{9,8}}$ ≈ 1,43 s

Vì t = 1,43 s > 1,2 s nên trong thời gian 1,2 s kể từ lúc bắt đầu thả vật, vật vẫn đang rơi vào trọng lực thực hiện 1 công bằng:

A = P.h = m.g.$frac{gt^{2}}{2}$ = 2. 9,8. $frac{9,8.1,2^{2}}{2}$ = 138,3 J.

Bài 4: Một đường tròn có đường kính AC = 2R = 1m. Lực F có phương song song với AC, có chiều không đổi từ A đến C và có độ lớn 600N. Công của lực F sinh ra để làm dịch chuyển vật trên nửa đường tròn AC bằng bao nhiêu?

Hướng dẫn giải

Xét vật di chuyển một cung nhỏ S khi đó cung trùng với dây cung S = AC

Công của lực F di chuyển trên cung này là:

A = F.S.cosα = F.$S_{underset{F}{rightarrow}}$

Với $S_{underset{F}{rightarrow}}$ = A'C' = AC.cosα chính là độ dài đại số hình chiếu của AC lên phương của lực F

Xét với một đường cong bất kỳ ta có thể chia nhỏ thành các cung nhỏ tùy ý rồi sử dụng kết quả (*) khi đó ta được công thức cho đường cong tổng quát dài tùy ý.

A = F.S.cosα = F.$S_{underset{F}{rightarrow}}$

Với: F = 600N, $S_{underset{F}{rightarrow}}$ = A'C' = AC = 1 m

Thay vào ta được:

A = F.S.cosα = F.$S_{underset{F}{rightarrow}}$ = 600.1 = 600J

Bài 5: Một vật có khối lượng m = 3 kg được kéo lên trên mặt phẳng nghiêng 30° so với phương ngang bởi một lực không đổi F = 70 N dọc theo mặt phẳng nghiêng. Biết hệ số ma sát là 0,05, với g = 10 m/s2. Tổng công của tất cả các lực tác dụng lên vật khi vật di chuyển được quãng đường s = 2m bằng bao nhiêu?

Hướng dẫn giải

Vật chịu tác dụng của các lực là: Lực kéo $underset{F}{rightarrow}$, trọng lực $underset{P}{rightarrow}$ , phản lực $underset{N}{rightarrow}$ của mặt phẳng nghiêng và lực ma sát $underset{F_{ms}}{rightarrow}$.

Vì P.sinα = 15 N < F = 70 N nên vật chuyển động lên theo mặt phẳng nghiêng (được chọn luôn là chiều dương).

Công của từng lực:

$A_{underset{F}{rightarrow}}$ = F.S.cos $0^{circ}$ = 140 J

$A_{underset{P}{rightarrow}}$ = mg.S.cos $120^{circ}$ = -30 J

$A_{underset{N}{rightarrow}}$ = N.S.cos $90^{circ}$ = 0

$A_{underset{F_{ms}}{rightarrow}}$ = $F_{ms}$.S.cos $180^{circ}$ = ($mu $.m.g.cos$alpha $).S.cos $180^{circ}$ = -2,6 J

Tổng công của tất cả các lực tác dụng lên vật là

$A_{vat}$ = $A_{underset{F}{rightarrow}}$ + $A_{underset{P}{rightarrow}}$ + $A_{underset{N}{rightarrow}}$ + $A_{underset{F_{ms}}{rightarrow}}$ = 140 + (-30) + 0 + (-2,6) = 107,4 J

5.2. Bài tập trắc nghiệm

Câu 1: Lực tác dụng lên 1 vật đang chuyển động thẳng biến đổi đều không thực hiện công khi

A. lực vuông góc với gia tốc của vật.

B. lực ngược chiều với gia tốc của vật.

C. lực hợp với phương của vận tốc với góc α.

D. lực cùng phương với phương chuyển động của vật.

Câu 2: Đơn vị không phải đơn vị của công suất là

A. N.m/s.

B. W.

C. J.s.

D. HP.

Câu 3: Phát biểu nào dưới đây là đúng?

A. Máy có công suất lớn thì hiệu suất của máy đó nhất định sẽ cao.

B. Hiệu suất của một máy có thể lớn hơn 1.

C. Máy có hiệu suất cao thì công suất của máy nhất định phải lớn.

D. Máy có công suất lớn thì thời gian sinh công sẽ nhanh.

Câu 4: Một lực F = 50 N tạo với phương ngang một góc α=$30^{circ}$, kéo một vật và làm vật chuyển động thẳng đều trên một mặt phẳng ngang. Công của lực kéo khi vật di chuyển được quãng đường dài 6m là

A. 260 J.

B. 150 J.

C. 0 J.

D. 300 J.

Câu 5: Thả rơi một hòn sỏi khối lượng 50 g từ độ cao 1,2 m xuống một giếng sâu 3m, với g = 10 m/s2. Công của trọng lực khi vật rơi chạm đáy giếng là

A. 60 J.

B. 1,5 J.

C. 210 J.

D. 2,1 J.

Câu 6: Một vật có khối lượng 5 kg được đặt trên mặt phẳng nghiêng. Lực ma sát giữa vật và mặt phẳng nghiêng bằng 0,2 lần trọng lượng của vật. Chiều dài của mặt phẳng nghiêng là 10 m, với g = 10 m/s2. Công của lực ma sát khi vật trượt từ đỉnh xuống chân mặt phẳng nghiêng bằng

A. - 95 J.

B. - 100 J.

C. - 105 J.

D. - 98 J.

Câu 7: Một vật có khối lượng 5 kg được đặt trên mặt phẳng nghiêng. Chiều dài của mặt phẳng nghiêng là 10 m, chiều cao 5 m, với g = 10 m/s2. Công của trọng lực khi vật trượt từ đỉnh xuống chân mặt phẳng nghiêng có độ lớn là

A. 220 J.

B. 270 J.

C. 250 J.

D. 260 J.

Câu 8: Một động cơ điện cung cấp công suất 15 kW cho một cần cẩu nâng 1000 kg lên độ cao 30 m. Với g = 10 m/s2, thời gian tối thiểu để thực hiện công việc đó là

A. 40 s.

B. 20 s.

C. 30 s.

D. 10 s.

Câu 9: Một vật khối lượng 1500 kg được cần cẩu nâng đều lên độ cao 20 m trong khoảng thời gian là 15s. Với g = 10 m/s2, công suất trung bình của lực nâng của cần cẩu là

A. 15000 W.

B. 22500 W.

C. 20000 W.

D. 1000 W.

Câu 10: Một ô tô chạy đều trên đường với vận tốc 72 km/h. Công suất trung bình của động cơ là 60 kW. Công của lực phát động của ô tô khi chạy được quãng đường 6 km là

A. 1,8.106 J.

B. 15.106 J.

C. 1,5.106 J.

D. 18.106 J.

Câu 11: Một thang máy khối lượng 1 tấn có thể chịu tải tối đa là 800 kg. Khi chuyển động thanh máy còn chịu một lực cản không đổi bằng 4.103 N. Để đưa thang máy lên cao với vận tốc không đổi 3 m/s thì công suất của động cơ phải bằng (với g = 9,8 m/s2)

A. 35520 W.

B. 64920 W.

C. 55560 W.

D. 32460 W.

Câu 12: Một xe tải chạy đều trên đường bằng với tốc độ 54 km/h. Khi đến quãng đường dốc, lực cản tác dụng lên xe tăng gấp ba nhưng công suất của động cơ chỉ tăng lên gấp hai lần. Tốc độ chuyển động đều cảu xe trên đường dốc là

A. 10 m/s.

B. 36 m/s.

C. 18 m/s.

D. 15 m/s.

Câu 13: Một động cơ điện cỡ nhỏ được sử dụng để nâng một vật có trọng lượng 2,0N lên đô cao 80 cm trong 4,0s. Hiệu suất của động cơ là 20%. Công suất điện cấp cho động cơ bằng

A. 0,080 W.

B. 2,0 W.

C. 0,80 W.

D. 200 W.

Câu 14: Một vật có khối lượng 20kg đang trượt với tốc độ 4 m/s thì đi vào mặt phẳng nằm ngang nhám với hệ số ma sát μ. Công của lực ma sát đã thực hiện đến khi vật dừng lại là

A. công phát động, có độ lớn 160 J.

B. là công cản, có độ lớn 160 J.

C. công phát động, có độ lớn 80 J.

D. là công cản, có độ lớn 80 J.

Câu 15: Một vật có khối lượng m = 500g trượt từ đỉnh B đến chân C của một mặt phẳng nghiêng có chiều dài ℓ = BC = 2m, góc nghiêng β = 30°; g = 9,8m/s2. Công của trọng lực thực hiện khi vật di chuyển từ B đến C là

A. 10 J.

B. 9,8 J.

C. 4,9J.

D. 19,61.

Câu 16: Một người kéo một vật có khối lượng m = 10kg trượt trên mặt phẳng ngang có hệ số ma sát μ = 0,2 bằng một sợi dây có phương hợp một góc 30° so với phương nằm ngang. Lực tác dụng lên dây bằng $underset{F_k}{rightarrow}$ vật trượt không vận tốc đầu với a=2 m/s2, với g = 9,8 m/s2. Công của lực kéo trong thời gian 5s kể từ khi bắt đầu chuyển động là

A. 2322,5 J.

B. 887,5 J.

C. 232,5 J.

D. 2223,5 J.

Câu 17: Một vật có khối lượng m = 3 kg được kéo lên trên mặt phẳng nghiêng một góc 30° so với phương ngang bởi một lực không đổi F = 70 N dọc theo mặt phẳng nghiêng. Biết hệ số ma sát là 0,05, với g = 10 m/s2. Tổng công của tất cả các lực tác dụng lên vật khi vật di chuyển được đoạn đường s = 2m bằng

A. 32,6 J.

B. 110,0 J.

C. 137,4 J.

D. 107,4 J.

Câu 18: Một đường tròn có đường kính AC = 2R = 1m. Lực F có phương song song với AC, có chiều không đổi từ A đến C và có độ lớn 600N. Công của lực F sinh ra để làm dịch chuyển vật trên nửa đường tròn AC bằng

A. 600J

B. 500J

C. 300J

D. 100J

Câu 19: Một vật khối lượng m được kéo tạo chuyển động thẳng nhanh dần đều trên sàn bằng một lực F từ trạng thái nghỉ công suất của lực F sinh ra trong giây thứ nhất, thứ hai gọi tương ứng là $P_1$ và $P_2$. Hệ thức đúng là

A. $P_1$ = $P_2$

B. $P_2$= 2. $P_1$

C. $P_2$ = 3. $P_1$

D. $P_2$ = 4. $P_1$

Câu 20: Một vật khối lượng m = 10 kg được kéo tạo chuyển động thẳng nhanh dần đều trên sàn nhẵn không ma sát bằng một lực F = 5N theo phương ngang từ trạng thái nghỉ. Trong thời gian 4s tính từ lúc bắt đầu chuyển động công suất trung bình của lực F bằng

A. 10W.

B. 8W.

C. 5W.

D. 4W.

Đáp án

1. A

2. C

3. D

4. A

5. D

6. B

7. C

8. B

9. C

10. D

11. B

12. A

13. B

14. B

15. C

16. B

17. D

18. A

19. C

20. C

Qua bài viết này, VUIHOC mong rằng có thể giúp các em hiểu được kiến thức cơ bản về công cơ học. Để học nhiều hơn các kiến thức Vật lý 10 cũng như Vật lý THPT thì các em hãy truy cập vuihoc.vn hoặc đăng ký khoá học với các thầy cô VUIHOC ngay bây giờ nhé!