Giải SGK Vật Lí 10 (Cánh diều) Bài 2: Bảo toàn và chuyển hóa năng lượng

Giải Vật Lí 10 Bài 2: Bảo toàn và chuyển hóa năng lượng

Mở đầu trang 86 Vật Lí 10: Trong xây dựng, để có công trình bền vững thì cần xây nền móng chắc chắn bằng cách đóng những cọc bê tông đúc sẵn ngập sâu xuống nền đất. Mỗi máy đóng cọc đều có bộ phận búa máy được nâng lên nhờ sức thủy lực, hơi nước hoặc động cơ điêzen. Khi đạt tới điểm cao nhất, búa máy sẽ được thả cho rơi xuống, va chạm mạnh vào cọc bê tông và làm nó lún xuống (hình 2.1). Như vậy, búa máy khi ở trên cao có dự trữ năng lượng (thế năng) để sinh công làm dịch chuyển cọc. Động năng mà búa máy truyền sang cọc có liên hệ gì với khối lượng của búa máy và độ cao của nó trước khi thả rơi?

Lời giải:

Búa máy có khối lượng càng lớn và ở độ cao càng cao thì năng lượng dự trữ ban đầu càng lớn (thế năng trọng trường).

Khi búa chạm vào cọc, thế năng trọng trường chuyển hóa thành động năng, động năng lúc này gần bằng với thế năng trọng trường ban đầu (có một phần nhỏ chuyển hóa thành nhiệt năng, năng lượng âm,…) nên động năng búa máy truyền sang cọc rất lớn, sẽ giúp cọc lún càng sâu.

I. Thế năng và động năng

Câu hỏi 1 trang 87 Vật Lí 10: Tìm từ thích hợp với chỗ $\boxed{?}$ trong suy luận dưới đây:

Thế năng của búa máy càng $\boxed{?}$ thì lực của máy đóng cọc thực hiện công càng $\boxed{?}$, cọc lún xuống càng sâu.

Lời giải:

Thế năng của búa máy càng lớn thì lực của máy đóng cọc thực hiện công càng lớn, cọc lún càng sâu.

Câu hỏi 2 trang 87 Vật Lí 10: So sánh thế năng trọng trường của vật ở độ cao h với công của người tác dụng lực nâng vật lên đến độ cao này.

Lời giải:

+ Thế năng trọng trường của vật ở độ cao h: $W_t=mgh=P.h$

+ Công của người tác dụng lực nâng (lực này có độ lớn bằng trọng lực, hướng từ dưới lên trên) đưa vật lên độ cao h: $A=F.s=P.h$

Vậy công của lực nâng bằng với thế năng trọng trường.

Luyện tập 1 trang 88 Vật Lí 10: Phan – xi – Păng là ngọn núi cao nhất trong ba nước Việt Nam, Lào, Campuchia, được mệnh danh là “nóc nhà Đông Dương”. Lên đến đỉnh núi cao 3147 m này là ước mơ của nhiều bạn trẻ.

Tính thế năng của người leo núi có khối lượng 70 kg khi leo đến đỉnh núi Phan – xi – Păng.

Lời giải:

Chọn mốc tính thế năng tại chân đỉnh núi.

Thế năng của người ở đỉnh núi: $W_t=mgh=70.9,8.3147=2158842J$

Câu hỏi 3 trang 88 Vật Lí 10: Từ liên hệ (i), (ii), hãy suy luận để rút ra kết luận: Động năng W_đ của vật có giá trị bằng công A của lực tác dụng lên nó.

Lời giải:

Từ liên hệ (i) và (ii) trong phần lí thuyết ta có: $v^2=2as$ và F = ma nên $A=F.s=ma.\frac{v^2}{2a}=\frac{1}{2}m{v}^2=W_d$

Kết luận: Động năng W_đ của vật có giá trị bằng công A của lực tác dụng lên nó.

Vận dụng 1 trang 88 Vật Lí 10: So sánh động năng của ô tô nặng 1000 kg chuyển động với tốc độ 4 m/s và động năng của xe máy nặng 100 kg chuyển động với tốc độ 15 m/s.

Lời giải:

Động năng của ô tô: $W_1=\frac{1}{2}{m}_1{v}_1^2=\frac{1}{2}{\mathrm{.1000.4}}^2=8000J$

Động năng của xe máy: $W_2=\frac{1}{2}{m}_2{v}_2^2=\frac{1}{2}{\mathrm{.100.15}}^2=11250J$

$\Rightarrow$ Động năng của xe máy lớn hơn động năng của ô tô. 

II. Cơ năng

Câu hỏi 4 trang 89 Vật Lí 10: Năng lượng hao phí trong quá trình toa tàu chuyển động tồn tại dưới dạng nào?

Lời giải:

Năng lượng hao phí trong quá trình toa tàu chuyển động tồn tại dưới dạng:

- Năng lượng nhiệt được sinh ra khi: bánh xe tàu hỏa ma sát với đường ray, tàu hỏa ma sát với không khí xung quanh lúc chuyển động.

- Năng lượng âm: tàu chạy phát ra tiếng ồn.

Câu hỏi 5 trang 89 Vật Lí 10: Bạn chà xát hai bàn tay vào nhau liên tục cho đến khi lòng bàn tay ấm lên. Năng lượng nhiệt mà bạn cảm nhận được chuyển hóa từ dạng năng lượng nào?

Lời giải:

Bạn chà xát hai bàn tay vào nhau liên tục cho đến khi lòng bàn tay ấm lên. Năng lượng nhiệt mà bạn cảm nhận được chuyển hóa từ động năng của hai bàn tay. Động năng của hai bàn tay lại được chuyển hóa từ năng lượng hóa học dự trữ trong cơ thể thông qua việc ăn uống.

Câu hỏi 6 trang 89 Vật Lí 10: Phân tích sự chuyển hóa động năng và thế năng của vật trong một số trường hợp đơn giản. Trong các trường hợp này có sự hao phí năng lượng không?

Bạn có thể sử dụng các trường hợp ở hình 2.4 hoặc tự đưa ra các tình huống khác.

Lời giải:

a) Chơi xích đu ở công viên: người chơi cần phải tác dụng 1 lực để xích đu có thể chuyển động được, khi đó xích đu có động năng. Khi xích đu lên cao dần, động năng chuyển hóa dần thành thế năng và ở một độ cao xác định, xích đu có thế năng lớn nhất. Khi xích đu đi xuống, thế năng chuyển hóa dần thành động năng, rồi lại đi lên nhưng không tới được độ cao như ban đầu, quá trình xích đu lên rồi lại xuống như vậy cho tới khi toàn bộ cơ năng chuyển hóa thành nhiệt năng thì xích đu dừng hẳn. 

Trong trường hợp này có sự hao phí năng lượng:

+ Năng lượng âm: xích đu ma sát với trục quay phát ra âm thanh.

+ Năng lượng nhiệt: xích đu ma sát với trục quay làm nóng trục quay và dây xích.

b) Nhảy tự do trên bạt nhún: người chơi tác dụng lực của chân vào bạt nhún để nhảy lên tới một độ cao rồi rơi xuống bạt nhún. Trong quá trình nhảy lên có sự chuyển hóa từ động năng thành thế năng. Khi rơi xuống, thế năng biến đổi thành động năng. Và người chơi dừng lại khi cảm thấy mệt và người nóng lên, do hóa năng trong thức ăn mà cơ thể nạp vào chuyển hóa thành cơ năng và cơ năng đã biến đổi thành dạng năng lượng khác.

Trong trường hợp này có sự hao phí năng lượng:

+ Năng lượng âm: người va chạm với bạt nhún phát ra âm thanh.

+ Năng lượng nhiệt: người va chạm với bạt nhún, ma sát với không khí làm cơ thể và bạt nhún.

c) Thủ môn phát bóng bổng: thủ môn tác dụng lực của chân vào quả bóng làm quả bóng chuyển động, tức là quả bóng có động năng. Trong trường hợp này, hóa năng dự trữ trong thức ăn do con người nạp vào cơ thể chuyển hóa thành động năng của quả bóng.

Trong trường hợp này có sự hao phí năng lượng:

+ Năng lượng âm: chân thủ môn tiếp xúc với bóng phát ra âm thanh

+ Năng lượng nhiệt: chân thủ môn ma sát với bóng làm chân và bóng nóng lên.

Câu hỏi 7 trang 90 Vật Lí 10: Cơ năng là gì?

Lời giải:

Cơ năng của một vật bằng tổng thế năng và động năng của nó: W = W_t + W_đ

Câu hỏi 8 trang 90 Vật Lí 10: Điều kiện để cơ năng của vật được bảo toàn là gì?

Lời giải:

Điều kiện để cơ năng của vật được bảo toàn là trong quá trình chuyển hóa từ động năng thành thế năng và ngược lại, ma sát rất nhỏ và có thể bỏ qua sự hao phí năng lượng.

Vận dụng 2 trang 90 Vật Lí 10: Giải lại bài tập minh họa với m = 10 kg. Chứng minh rằng tốc độ lớn nhất của quả lắc không phụ thuộc vào khối lượng của nó.

Lời giải:

Tốc độ của quả lắc lớn nhất dẫn đến động năng lớn nhất:

Theo định luật bảo toàn cơ năng, khi động năng lớn nhất thì thế năng nhỏ nhất (bằng 0) và ngược lại: W_đmax = W = W_tmax

_{$W_{d\max }=W_{t\max }\iff \frac{m{v}_{\max }^2}{2}=mg{h}_{\max }\iff v_{\max }=\sqrt{2g{h}_{\max }}$}

Vậy tốc độ lớn nhất của quả lắc không phụ thuộc vào khối lượng mà chỉ phụ thuộc vào độ cao cực đại và gia tốc trọng trường.

Luyện tập 2 trang 91 Vật Lí 10: Nhảy cầu là một môn thể thao. Vận động viên nhảy lên, đạt điểm cao nhất cách mặt nước 10 m, rồi rơi xuống. Trong quá trình rơi, vận động viên thực hiện các động tác nhào lộn đẹp mắt trước khi chạm nước (hình 2.6). Em hãy ước lượng tốc độ của vận động viên khi chạm nước. Nước trong bể có vai trò như thế nào trong việc đảm bảo an toàn cho vận động viên?

Lời giải:

- Chọn mốc tính thế năng ở mặt nước.

Khi vận động viên ở điểm cao nhất thì thế năng lớn nhất: W_tmax = mgh_max

Coi như cơ năng trong quá trình nhảy đến khi chạm nước được bảo toàn, nên khi vận động viên chạm nước thì thế năng lúc này bằng 0 và động năng đạt giá trị lớn nhất:

W_đmax = $\frac{m{v}_{\max }^2}{2}$

Suy ra vận tốc khi vận động viên chạm mặt nước là lớn nhất và bằng:

$v_{\max }=\sqrt{2g{h}_{\max }}=\sqrt{2.9,8.10}=14m/s$

- Nước trong bể có vai trò cản trở sự chuyển động của người ở trong nó, giúp chuyển hóa động năng của người thành các dạng năng lượng khác như động năng của nước (vận động viên chuyển động sâu vào trong nước), năng lượng âm, năng lượng nhiệt để giảm vận tốc của người, tránh gây thương tích.

Luyện tập 3 trang 91 Vật Lí 10: Một em bé có khối lượng 20 kg trượt từ đỉnh cầu trượt cao 2 m. Khi tới chân cầu trượt, em bé có tốc độ 4 m/s. Cơ năng của em bé có bảo toàn không? Tại sao?

Lời giải:

Chọn mốc tính thế năng tại chân cầu trượt.

Thế năng tại đỉnh cầu trượt (v = 0, em bé chỉ có thể năng):

W_tmax = mgh = 20.9,8.2 = 392 J = W₁.

Động năng tại chân cầu trượt (h = 0, em bé chỉ có động năng):

W_đmax = $\frac{1}{2}m{v}^2=\frac{1}{2}{\mathrm{.20.4}}^2=160J$ = W₂.

Từ đó ta thấy cơ năng tại đỉnh cầu trượt và cơ năng tại chân cầu trượt khác nhau.

$\Rightarrow$Cơ năng trong trường hợp này không bảo toàn do trong quá trình trượt từ đỉnh xuống chân cầu trượt có sự ma sát giữa cơ thể người và bề mặt cầu trượt sinh ra nhiệt, đồng thời phát ra âm thanh. Chứng tỏ cơ năng (thế năng ban đầu ở đỉnh cầu trượt) đã bị chuyển hóa một phần thành nhiệt năng và năng lượng âm.

III. Sự bảo toàn và chuyển hóa năng lượng. Hiệu suất

Câu hỏi 9 trang 91 Vật Lí 10: Lấy ví dụ về sự chuyển hóa từ năng lượng dự trữ thành năng lượng hoạt động trong cuộc sống và sản xuất nông nghiệp, công nghiệp.

Lời giải:

Ví dụ 1: hàng ngày khi ta ăn uống các loại thức ăn giàu dinh dưỡng, năng lượng dự trữ trong thức ăn được nạp vào cơ thể, năng lượng đó được chuyển hóa thành các dạng năng lượng khác như nhiệt năng (làm ấm cơ thể vào mùa đông hoặc khi chúng ta vận động); động năng (khi chúng ta vận động hàng ngày), thế năng trọng trường (khi chúng ta đi leo núi hoặc di chuyển lên một độ cao nào đó), năng lượng âm (khi chúng ta nói chuyện, hát hò), ….

Ví dụ 2: máy cày là thiết bị trong nông nghiệp, sau một khoảng thời gian chúng ta phải đổ xăng hoặc dầu, năng lượng hóa học dự trữ trong nhiên liệu (xăng, dầu) được nạp vào cho máy cày. Năng lượng này chuyển hóa thành động năng để vận hành động cơ, năng lượng nhiệt (làm nóng động cơ), năng lượng âm thanh (gây ra tiếng ồn), …

Tìm hiểu thêm trang 91 Vật Lí 10:

- Bạn hãy tìm hiểu thêm về quá trình chuyển hóa các chất dinh dưỡng trong cơ thể và các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất chuyển hóa năng lượng dự trữ trong thức ăn.

- Kể cả ở những nhà máy điện có hiệu suất cao nhất, chỉ có 40% năng lượng từ nhiên liệu được chuyển hóa thành điện năng hòa vào lưới điện. Bạn hãy tìm hiểu về các dạng năng lượng hao phí trong quá trình sản xuất và truyền tải điện năng đi xa.

Lời giải:

- Thức ăn dự trữ năng lượng hóa học, khi được đưa vào cơ thể thông qua việc ăn uống, các chất trong thức ăn tham gia các phản ứng hóa học, chuyển hóa thành năng lượng dự trữ cho cơ thể, năng lượng đó có thể chuyển hóa thành động năng (giúp con người hoạt động) và năng lượng nhiệt (làm ấm cơ thể), …

- Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất chuyển hóa:

+ Cơ thể chứa ít các vi khuẩn có lợi, không chuyển hóa hoàn toàn các chất dinh dưỡng.

+ Hiệu suất chuyển hóa có liên quan đến gene và hormon chuyển hóa. Ví dụ những người có chức năng tuyến giáp bình thường sẽ sản sinh ra nhiều nhiệt chuyển hóa hơn và hiệu suất chuyển hóa sẽ thấp hơn. Những người có chức năng tuyến giáp kém hơn sản sinh ít nhiệt và có sự chuyển hóa hiệu suất cao hơn. Đó là một lí do vì sao những người có chức năng tuyến giáp kém thường phản ứng chậm hơn với chế độ ăn kiêng.

+ Ngoài ra còn do trong thức ăn có một số chất khó chuyển hóa, hoặc chứa các chất độc làm giảm hiệu suất chuyển hóa.

- Năng lượng hao phí trong quá trình sản xuất điện năng:

+ Năng lượng nhiệt: năng lượng từ nhiên liệu chuyển hóa 1 phần thành nhiệt năng tỏa ra môi trường xung quanh và làm nóng các thiết bị sản xuất.

+ Năng lượng âm thanh: nhiên liệu bị đốt cháy hoặc tham gia các phản ứng phát ra âm thanh.

- Năng lượng hao phí trong quá trình truyền tải điện năng đi xa là năng lượng nhiệt: do dây dẫn bao giờ cũng có điện trở nên sẽ có sự tỏa nhiệt làm nóng đường dây và các thiết bị.

Luyện tập 4 trang 92 Vật Lí 10: Máy tời đang hoạt động với công suất 1000 W đưa 100 kg vật liệu lên đều tới độ cao 16 m trong 20 s. Tính hiệu suất của máy tời.

Lời giải:

Năng lượng có ích của máy tời: $W_{ich}=A_{ich}=F.s.\cos \alpha$

Lực phát động F của động cơ bằng với trọng lực của trái đất tác dụng lên vật:

F = P = mg

Hướng của lực phát động cùng hướng với độ dịch chuyển: $\alpha =0^o$

Thay số ta được: $W_{ich}=100.9,8.16=15680J$

Năng lượng cung cấp: $W_{cungcap}=\text{P}.t=1000.16=16000J$

Hiệu suất: $H=\frac{W_{coich}}{W_{cungcap}}=\frac{15680}{16000}=0,98=98\%$

Luyện tập 5 trang 92 Vật Lí 10: Với mỗi động cơ ở bảng 2.1, chỉ ra dạng năng lượng cung cấp, dạng năng lượng có ích tạo ra, dạng năng lượng hao phí tạo ra và biểu diễn dưới dạng lược đồ như hình 2.7

Lời giải:

Vận dụng 3 trang 92 Vật Lí 10: Tại sao cần tắt điều hòa, tắt đài, tắt đèn trong ô tô khi ô tô đang đi trên đường mà gần hết xăng.

Lời giải:

Cần tắt điều hòa, tắt đài, tắt đèn trong ô tô khi ô tô đang đi trên đường mà gần hết xăng để giảm thiểu sự tiêu tốn năng lượng. Vì hầu hết hoạt động của các thiết bị trên xe đều được cung cấp từ năng lượng xăng.

Vận dụng 4 trang 93 Vật Lí 10: Chế tạo mô hình đơn giản và minh họa định luật bảo toàn năng lượng, liên quan đến một số dạng năng lượng khác.

Lời giải:

Dụng cụ: một viên bi, hai thanh kim loại nhẵn, hai giá đỡ có vít điều chỉnh độ cao.

Chế tạo: Dùng hai thanh kim loại uốn thành đường ray và gắn lên giá đỡ để tạo được mô hình như hình bên.

Thí nghiệm:

+ Thả viên bi từ điểm A trên đường ray.

+ Kiểm chứng xem viên bi có lên được điểm D không?

Kết quả:

+ Viên bi lên gần tới điểm D, vì:

+ Do trong quá trình viên bi di chuyển từ điểm A trên đường ray, có sự ma sát giữa viên bi và đường ray làm cho cả viên bi và đường ray nóng lên, đồng thời phát ra âm thanh.

+ Năng lượng dự trữ (thế năng trọng trường của viên bi tại điểm A) được chuyển hóa thành động năng để viên bi di chuyển lên gần tới điểm D và một phần năng lượng chuyển hóa thành nhiệt năng và năng lượng âm thanh.

Chứng tỏ năng lượng được bảo toàn, nó chỉ chuyển hóa từ dạng này sang dạng khác.

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

Bài tập chủ đề 2

Bài 1: Năng lượng và công

Bài tập chủ đề 3

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

Bài 2: Động lượng và năng lượng trong va chạm