Năng lượng là gì, tính chất và định luật bảo toàn năng lượng. Công là gì, đặc điểm và biểu thức tính công - Vật lí 10 bài 15

Bài viết này sẽ giúp các em hiểu: Khái niệm năng lượng là gì? tính chất của năng lượng, định luật bảo toàn năng lượng? Công là gì, đặc điểm của công và biểu thức tính công như thế nào?...

I. Năng lượng

1. Khái niệm về năng lượng

- Mọi biến đổi trong tự nhiên đều cần năng lượng.

- Chúng ta không nhìn thấy năng lượng nhưng có thể cảm nhận được tác dụng của nó.

* Ví dụ:

+ Mọi hoạt động hằng ngày của chúng ta đều cần đến năng lượng. Năng lượng được lấy từ năng lượng dự trữ trong thức ăn.

+ Cây cối lớn lên ra hoa, kết trái được là nhờ hấp thụ năng lượng của ánh sáng mặt trời.

+ Khi lắp pin vào đèn pin và bật công tắc thì bóng đèn pin phát ra ánh sáng. Ánh sáng được tạo ra là nhờ có năng lượng dự trữ trong pin.

2. 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

+ Đơn vị khác của năng lượng là calo (cal): Một calo là lượng năng lượng cần thiết để làm tăng nhiệt độ 1 g nước lên thêm 1⁰C.

1 cal = 4,184 J

* Ví dụ: 1 thỏi socola nặng 60g chứa 280 cal năng lượng tức là:

 280.4,184 = 1171,52 J

II. Định luật bảo toàn năng lượng

1. 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. Ta nói năng lượng được bảo toàn.

* Lưu ý: Năng lượng có thể chuyển hóa từ dạng này sang dạng khác hoặc từ vật này sang vật khác dưới nhiều hình thức khác nhau: truyền năng lượng ánh sáng, truyền nhiệt, truyền năng lượng thông qua tác dụng lực, truyền năng lượng điện từ.

* Ví dụ: Một số quá trình truyền và chuyển hóa năng lượng trong thực tiễn:

+ Đốt lửa bằng kính lúp: sự chuyển hóa năng lượng từ quang năng sang nhiệt năng.

+ Đun nước bằng bếp ga: Truyền năng lượng bằng cách truyền nhiệt, trong đó nhiệt năng từ lửa được truyền cho hệ là ấm nước và nước trong ấm.

+ Cọ xát để tạo lửa: Truyền năng lượng bằng cách thực hiện công cơ học.

+ Sạc điện thoại không dây: Chuyển hóa năng lượng điện từ thành năng lượng hóa học trong pin và điện năng của điện thoại, ngoài ra còn có năng lượng nhiệt do điện thoại tỏa nhiệt ra môi trường xung quanh.

+ Công của lực đẩy chuyển động năng của người đẩy thành động năng và thế năng của người ngồi và xích đu.

+ Công của lực nâng chuyển động năng của tay và bình nước thành thế năng của bình nước.

+ Công của lực đẩy và lực ma sát chuyển động năng của tay và giấy nhám thành nhiệt năng.

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

+ Mô hình thủy điện: Nước được đưa lên bình chứa, sau đó chảy từ trên cao làm quay tubin của máy phát điện và làm sáng bóng đèn.

+ Mô hình tháp quang năng: ánh sáng được chiếu từ nguồn sáng (đèn, mặt trời) đến chân tháp để làm nóng dòng khí đi vào chân tháp. Dòng khí nóng chuyển động lên trên làm cho cánh quạt đặt ở đỉnh tháp quay.

III. Công của một lực không đổi

1. 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 dịch chuyển d và cosin góc hợp bởi vectơ lực tác dụng và vectơ độ dịch chuyển theo công thức:

 A = F.d.cosθ

> Lưu ý: Khi vật chuyển động thẳng theo một chiều thì độ dịch chuyển d chính bằng quãng đường đi được s và công được tính theo công thức:

 A = F.s.cosθ

Trong đó:

A: công (J)

s: quãng đường đi được (m)

F: độ lớn của lực tác dụng (N)

θ: góc hợp bởi vectơ lực và vectơ chuyển dời.

+ Đơn vị của công là J với: 1 J = 1 N.m

(1 J là số đo công thực hiện khi lực có giá trị là 1 N đặt lên vật và làm vật được dịch chuyển 1 m theo phương của lực tác dụng)

2. Các đặc điểm của công

Công cơ học là đại lượng vô hướngcó thể âm, dương hoặc bằng 0 phụ thuộc vào góc hợp bởi phương của lực tác dụng và hướng chuyển dời của chuyển động.

+ 0 ≤ θ < 90⁰: công của lực có giá trị dương (A > 0) lực sinh công dương (công phát động)

+ 90⁰ < θ ≤ 180⁰: công của lực có giá trị âm (A < 0) lực sinh công âm (công cản)

+ θ = 90⁰ khi lực tác dụng vuông góc với độ dịch chuyển thì công A = 0: lực không sinh công.

3. Vận dụng biểu thức tính công

* Ví dụ: Trong nội dung cử tạ đẩy, vận động viên phải thực hiện ba giai đoạn: nâng tạ lên một độ cao nhất định, giữ tạ tại độ cao đó trong một khoảng thời gian quy định, hạ tạ xuống mặt đất (hình 15.10). Vào năm 2020 một vận động viên trẻ người Việt Nam đã tạo tiếng vang khi thực hiện thành công phần thi cử đẩy với khối lượng tạ là 136kg.

Hãy tính công do lực đẩy tạ của vận động viên này sinh ra ứng với giai đoạn nâng ta và giữ tạ. Biết độ cao mà vận động viên này phải nâng tạ lên là khoảng 1,7m.

> Lời giải:

Chọn trục toạ độ thẳng đứng có chiều dương hướng lên

Để nâng và hạ tạ, lực do vận động viên tác dụng vào tạ phải có độ lớn ít nhất bằng với trọng lực của tạ, nên ta có:

 F = m.g = 136.9,8 = 1332,8 (N).

- Giai đoạn nâng tạ lên: Lực tác dụng của tay người đặt vào tạ và độ dịch chuyển của tạ cùng hướng và có giá trị dương, do đó:

 A = F.d.cosθ = F.d.cos0⁰ = 1332,8.1,7.1 = 2265,76 (J)

- Giai đoạn giữ tạ: Tạ không có độ dịch chuyển nên: A = 0 (J)