Giải SGK Vật Lí 10 (Cánh diều) Bài 1: Năng lượng và công

Giải Vật Lí 10 Bài 1: Năng lượng và công

Mở đầu trang 79 Vật Lí 10: Cách mạng công nghiệp lần thứ nhất bắt đầu vào cuối thế kỉ XVIII ở nước Anh khi con người phát triển các máy mới có khả năng thực hiện công gấp hàng trăm lần so với sức người.

Ở giai đoạn đầu, năng lượng gió và năng lượng nước được khai thác. Nước dự trữ trong các đập ở trên cao (thế năng) được sử dụng để làm quay các bánh xe lớn, nhờ đó làm quay các máy cơ (động năng). Ở thời kì tiếp theo, động cơ hơi nước được phát triển ở Vương quốc Anh sử dụng nhiên liệu hóa thạch như than đá. Động cơ hơi nước sử dụng năng lượng từ than đá làm tăng đáng kể công suất hoạt động của các máy bơm nước và các khung dệt lớn trong công xưởng sản xuất sợi. Động cơ hơi nước được sử dụng trong đầu máy xe lửa (hình 1.1), tàu thủy hơi nước, xe tải, … trở thành nền tảng cho Cách mạng công nghiệp lần thứ nhất.

Năng lượng làm cho các máy tác dụng lực lớn bắt nguồn từ đâu? Năng lượng có thể truyền từ vật này sang vật khác bằng cách nào?

Lời giải:

- Năng lượng làm cho các máy tác dụng lực lớn bắt nguồn từ việc nhận năng lượng từ hơi nước, hơi nước nhận năng lượng từ việc đốt các nhiên liệu hóa thạch như than đá.

- Năng lượng có thể truyền từ vật này sang vật khác bằng cách:

+ Thực hiện công: hơi nước tác dụng lực (truyền năng lượng) lên động cơ, làm động cơ chuyển động giúp xe lửa di chuyển.

+ Truyền nhiệt: than đá được đốt cháy tỏa ra nhiệt năng, làm sôi nước để tạo ra hơi nước giúp động cơ hoạt động.

Câu hỏi 1 trang 80 Vật Lí 10: Kể tên các dạng năng lượng xung quanh chúng ta. Lấy ví dụ chứng tỏ năng lượng có thể truyền từ vật này sang vật khác.

Lời giải:

- Các dạng năng lượng xung quanh chúng ta như:

+ Động năng: cánh quạt đang quay, xe ô tô đang chuyển động, em bé đang chạy…

+  Thế năng hấp dẫn: nước chứa trong hồ thủy điện, cánh diều đang bay trên trời…

+  Năng lượng hóa học (hóa năng): que diêm, pháo hoa…

+  Năng lượng điện (điện năng): đèn pin, acquy, …

+  Năng lượng ánh sáng (quang năng): Mặt Trời, ngọn nến đang cháy,…

+  Năng lượng âm: chuông, loa, tiếng nói,…

+  Năng lượng nhiệt (nhiệt năng): Mặt Trời, bếp gas, bóng đèn sợi đốt,…

- Ví dụ năng lượng chuyển hóa từ vật này sang vật khác:

Pin Mặt Trời chuyển hóa năng lượng ánh sáng từ Mặt Trời thành năng lượng điện, điện năng biến đổi thành các dạng năng lượng khác như quang năng (bóng đèn), nhiệt năng (nồi cơm điện), … trong các thiết bị để phục vụ nhu cầu cuộc sống.

I. Công và sự truyền năng lượng

Câu hỏi 2 trang 81 Vật Lí 10: Tìm từ thích hợp với chỗ $\boxed{?}$ trong các suy luận dưới đây.

- Lực tác dụng càng lớn thì sinh công càng $\boxed{?}$.

- Độ dịch chuyển theo phương của lực càng lớn thì công thực hiện được càng $\boxed{?}$.

Lời giải:

- Lực tác dụng càng lớn thì sinh công càng lớn.

- Độ dịch chuyển theo phương của lực càng lớn thì công thực hiện được càng lớn.

Luyện tập trang 81 Vật Lí 10:

1. Tính công của trọng lực làm hòn đá khối lượng 5 kg rơi từ độ cao 10 m xuống đất.

2. Tính công của trọng lực làm hòn đá khối lượng 5 kg lăn từ đỉnh dốc dài 100 m, cao 10 m xuống chân dốc.

Bạn có nhận xét gì về kết quả tính công trong hai trường hợp trên?

Lời giải:

1. Hướng chuyển động cùng hướng với trọng lực nên độ dịch chuyển d = s khi đó công của trọng lực: $A=P.d=mg.d=5.9,8.10=490J$

2. 

Từ hình vẽ ta thấy hướng chuyển động hợp với phương của trọng lực góc $\alpha$:

Khi đó độ dịch chuyển d theo phương của lực là:

$d=s\cos \alpha =100.\frac{10}{100}=10m$

Công của trọng lực làm hòn đá lăn từ đỉnh dốc xuống chân dốc là:

$A=P.d=mg.d=5.9,8.10=490J$

Nhận xét:

- Kết quả tính công ở 2 trường hợp giống nhau.

- Chứng tỏ công của trọng lực không phụ thuộc vào dạng đường đi mà chỉ phụ thuộc vào vị trí điểm đầu và vị trí điểm cuối.

Vận dụng 1 trang 82 Vật Lí 10: Bạn hãy phân tích lực tác dụng thành hai thành phần vuông góc với phương dịch chuyển và thành phần trùng với phương dịch chuyển để lập luận rút ra biểu thức tính công (2).

Lời giải:

Công theo phương dịch chuyển:

$A_{P_x}=P_x.s=P.\cos \alpha .s$

Công theo phương vuông góc với phương dịch chuyển:

$A_{P_y}=P_y.\cos {90}^0.s=0$

Tổng công dịch chuyển vật:

$A_P=A_{P_x}+A_{P_y}=P.s.\cos \alpha$

Câu hỏi 3 trang 82 Vật Lí 10: Từ biểu thức (2), suy luận: Khi nào công sinh ra có giá trị âm?

Lời giải:

Từ biểu thức (2): $A=F.s\cos \alpha$

Do F và s là các giá trị đại số nên dấu của A sẽ phụ thuộc vào góc $\alpha$Muốn công sinh ra có giá trị âm $\iff$$\cos \alpha <0$$\iff$${90}^o<\alpha \le {180}^o$

tức là hướng chuyển động hợp với lực F một góc tù.

Câu hỏi 4 trang 82 Vật Lí 10: Chỉ ra và phân tích một số ví dụ chứng tỏ có thể truyền năng lượng từ vật này sang vật khác bằng cách thực hiện công.

Lời giải:

Ví dụ: dùng tay mài đồng tiền xu xuống mặt sàn.

Tay ta tác dụng lực vào đồng xu, làm đồng xu dịch chuyển theo phương của lực 

 Lực này đang thực hiện công.

Khi đó tay đang chuyển động tức là tay có động năng, đồng xu dịch chuyển theo tay tức đồng xu cũng có động năng. 

Ví dụ: vào mùa đông, xoa 2 lòng bàn tay vào nhau liên tục, sau đó áp lên má thì thấy ấm

Hai lòng bàn tay xoa vào nhau tức là hai tay đang thực hiện công. Tay chuyển động tức là có động năng, động năng chuyển hóa thành nhiệt năng làm cho tay nóng lên.

II. Công suất

Câu hỏi 5 trang 83 Vật Lí 10: So sánh công của người và công của máy tời trong trường hợp ở hình 1.6.

Người hay máy tời thực hiện công nhanh hơn?

Lời giải:

Máy tời thực hiện công nhanh hơn vì:

- Người và máy tời đều đưa vật có cùng khối lượng 50 kg lên độ cao 10 m nên công thực hiện của người và máy tời bằng nhau:  .

- Thời gian người thực hiện công (50s) lớn hơn thời gian máy tời thực hiện công (10s).

Câu hỏi 6 trang 83 Vật Lí 10: So sánh công của người đạp xe và động cơ ô tô trong trường hợp ở hình 1.7.

Người hay động cơ ô tô thực hiện công nhanh hơn?

Lời giải:

Động cơ ô tô thực hiện công nhanh hơn người đạp xe, vì trong cùng một khoảng thời gian lực của động cơ ô tô thực hơn công lớn hơn lực người đạp xe.

Câu hỏi 7 trang 84 Vật Lí 10: 1W liên hệ với 1J và 1s như thế nào?

Lời giải:

Từ công thức tính công suất: $\text{P}=\frac{A}{t}$

+ A có đơn vị là J

+ t có đơn vị là s

+ $\text{P}$ có đơn vị là W

 Nên $1W=\frac{1J}{1s}$

Luyện tập 3 trang 84 Vật Lí 10: So sánh công suất của hai máy tời sau:

- Máy tời 1 nâng được 80 kg vật liệu lên cao 5 m trong 30 s.

- Máy tời 2 nâng được 1 tạ vật liệu lên cao 6 m trong 1 phút.

Lời giải:

Lực phát động của động cơ 2 máy tời có độ lớn bằng với trọng lực của trái đất tác dụng lên mỗi vật (F = P) và lực này cùng hướng với hướng chuyển động nên góc $\alpha =0^o$

Công suất của máy tời 1: ${\text{P}}_1=\frac{A_1}{t_1}=\frac{F_1.s_1.\cos \alpha }{t_1}=\frac{80.9,8.5}{30}=130,7W$

Công suất của máy tời 2: ${\text{P}}_2=\frac{A_2}{t_2}=\frac{F_2.s_2.\cos \alpha }{t_2}=\frac{100.9,8.6}{60}=98W$

Máy tời 1 có công suất lớn hơn máy tời 2

Tìm hiểu thêm trang 84 Vật Lí 10: Năng lượng vào cơ thể người dưới dạng hóa năng của thức ăn và giúp con người sinh công trong sinh hoạt và lao động, sản xuất hàng ngày.

Công suất của cơ thể lớn hay nhỏ phụ thuộc vào hoạt động của con người. Khi nghỉ ngơi, công suất hoạt động nhỏ hơn công suất trung bình. Khi vận động mạnh như di chuyển đồ đạc lên cầu thang thì công suất hoạt động lớn hơn công suất trung bình.

Với người thường xuyên hoạt động thể chất với cường độ cao (công suất lớn), chế độ ăn của họ cần giàu năng lượng hơn.

Bạn hãy tìm hiểu thêm về các loại thức ăn giàu năng lượng.

Lời giải:

Một số loại thức ăn giàu năng lượng như:

+ Socola: 100g socola chứa khoảng 600 Calo

+ Đậu phộng (hạt lạc): 100g lạc chứa khoảng 600 Calo

+ Bánh quy: 100g bánh quy chứa khoảng 500 Calo

+ Nho khô: 100g nho khô chứa khoảng 299 Calo

+ Thịt bò: 100g thịt bò cả nạc và mỡ chứa khoảng 278 Calo

Tìm hiểu thêm trang 85 Vật Lí 10: Hộp số là thiết bị gồm các bánh răng truyền động có bán kính lớn, nhỏ khác nhau để chuyển số, giúp thay đổi mômen xoắn lên bánh xe, từ đó điều chỉnh tốc độ của xe máy.

- Số 1 tương ứng với tốc độ từ 0 – 10 km/h

- Số 2 tương ứng với tốc độ từ 10 – 20 km/h

- Số 3 tương ứng với tốc độ từ 20 – 40 km/h

- Số 4 tương ứng với tốc độ từ 40 km/h trở lên.

Số 1, 2 được coi là số thấp; số 3, 4 là số cao.

Tìm hiểu thêm về hộp số và giải thích tại sao khi chuyển số thì thay đổi được lực phát động của động cơ?

Lời giải:

- Tìm hiểu thêm về hộp số:

+ Hộp số tự động của xe máy: gồm 3 phần chính là bộ puly sơ cấp, puly thứ cấp và dây curoa dẫn động.

Nguyên lý hoạt động của hộp số tự động là khi động cơ hoạt động thì trục truyền động quay để thực hiện chu trình vận hành. Bộ phận puly sơ cấp được gắn vào trục quay truyền động cũng sẽ quay tròn, làm dây curoa chuyển động, rồi truyền một lực đẩy cho puly thứ cấp được gắn ở bánh xe sau làm việc.

+ Hộp số xe máy chủ động: gồm có 3 bộ phận chính gồm trục chứa bánh răng được gắn tại động cơ xe. Ưu điểm là có thể lắp đặt được nhiều số, tuy nhiên, chúng không thể tự thực hiện thao tác đảo số theo vòng tròn.

Bộ phận trục chứa bánh răng này được nối với hệ truyền động của bánh xe sau. Khi hoạt động, bộ truyền động có thể thay đổi tỷ số quay. Trục vào số gồm một trục tròn được thiết kế các rãnh lỗ kỹ thuật và 2 tay gắp bánh răng. Nhờ chức năng làm việc của các rãnh kỹ thuật và tay gắp mà bánh răng di chuyển ngang trên trục của động cơ. Lúc này, trục bánh được đưa vào vị trí số tương thích.

- Khi chuyển số thì thay đổi được lực phát động của động cơ vì:

+ Khi chuyển số tức là thay đổi tốc độ cho xe, 

+ Theo công thức $\text{P}=F.v$ thì khi xe chạy với công suất không đổi, vận tốc thay đổi dẫn đến lực phát động F sẽ thay đổi.

Do vậy, khi xe đi số 1 và số 2 sẽ khỏe hơn và thường đi trong trường hợp xe bắt đầu đi, lên dốc, gập ghềnh,... còn số 3 và số 4 thường được sử dụng khi xe di chuyển trên những đoạn đường bằng phẳng.

Vận dụng 2 trang 85 Vật Lí 10: Vận dụng mối liên hệ công suất với lực và vận tốc (4) để đưa ra khuyến nghị cho người lái xe máy nên đi bằng số thấp hay số cao trong mỗi tình huống thực tế dưới đây để đảm bảo an toàn và hiệu quả vận hành động cơ:

- Xe máy bắt đầu di chuyển.

- Xe máy đi trên đường ngoài đô thị, có ít phương tiện đi lại.

- Xe máy lên dốc.

- Xe máy xuống dốc.

- Xe máy vào cua (chuyển hướng đột ngột).

- Xe máy đi trên đường trơn trượt.

- Xe máy đi trên đường có nhiều ổ gà.

Lời giải:

- Các tình huống người lái xe máy nên đi bằng số thấp:

+ Xe máy bắt đầu di chuyển.

+ Xe máy lên dốc.

+ Xe máy vào cua (chuyển hướng đột ngột).

+ Xe máy đi trên đường trơn trượt.

+ Xe máy đi trên đường có nhiều ổ gà. 

để tăng lực phát động và giảm tốc độ để di chuyển được an toàn.

Các tình huống người lái xe máy nên đi bằng số cao:

+ Xe máy đi trên đường ngoài đô thị, có ít phương tiện đi lại. 

+ Xe máy xuống dốc. 

để tăng tốc độ cho xe, giảm lực phát động, tránh hóc số và bảo vệ động cơ được bền hơn.

Xem thêm lời giải bài tập SGK Vật lí lớp 10 Cánh diều hay, chi tiết khác:

Bài 6: Mômen lực. Điều kiện cân bằng của vật

Bài tập chủ đề 2

Bài 2: Bảo toàn và chuyển hóa năng lượng

Bài tập chủ đề 3

Bài 1: Động lượng và định luật bảo toàn động lượng