Giải SGK Vật lí 10 Kết nối tri thức Bài 24: Công suất

Khởi động

Câu hỏi khởi động SGK Vật lí 10 Kết nối tri thức Bài 24 (trang 96): Để đánh giá việc thực hiện công của người hay thiết bị sinh công, người ta không chỉ quan tâm đến độ lớn của công thực hiện được mà còn quan tâm đến việc công này được thực hiện nhanh hay chậm. Theo em, làm thế nào để xác định được sự nhanh chậm của việc thực hiện công?

Trả lời:

- Để xác định được sự nhanh chậm của việc thực hiện công ta cần xác định công thực hiện được trong một đơn vị thời gian.

I. Khái niệm công suất

Hoạt động mục I SGK Vật lí 10 Kết nối tri thức Bài 24 (trang 96): Hai anh công nhân dùng ròng rọc để kéo xô vữa lên các tầng cao của một công trình xây dựng. Dựa vào bảng số liệu dưới đây, hãy xác định xem ai là người thực hiện công nhanh hơn. Lấy g = 10 m/s².

Trả lời:

* Cách tính thứ nhất:

Lực làm cho hai anh công nhân kéo được xô vữa lên trên các tầng cao là lực kéo, lực kéo cân bằng với trọng lực

- Công do người công nhân 1 thực hiện là: A₁=F₁.d₁=P₁.h₁=m₁.g.h₁=20.10.10=2000(J)

+ Công do người công nhân 1 thực hiện trong 1 s là: $\frac{2000}{10}$ = 200(J/s)

+ Công do người công nhân 2 thực hiện trong 1 s là: A₂=F₂.d₂=P₂.h₂=m₂.g.h₂=21.10.11=2310(J)

Trong 1 giây anh công nhân 2 thực hiện được công là: $\frac{2310}{20}$ =115,5(J/s)

=> Anh công nhân 1 thực hiện công nhanh hơn anh công nhân 2.

* Cách tính thứ hai:

Lực phát động để thực hiện công trong trường hợp này có độ lớn bằng trọng lượng của xô vữa. Phương thẳng đứng, chiều hướng lên.

- Công của anh công nhân 1: A₁ = P₁.h₁ = m₁.g.h₁ = 20.10.10 = 2000 J

- Công của anh công nhân 2 là: A₂ = P₂.h₂ = m₂.g.h₂ = 21.10.11 = 2310 J

- Để xác định được ai là người thực hiện công nhanh hơn, ta so sánh công do 2 người  thực hiện trong 1 giây. Ai thực hiện công lớn hơn thì người đó thực hiện công nhanh hơn.

+ Trong 1 giây anh công nhân thực hiện được công là:

 $\frac{2000}{10}$ = 200(J/s)

+ Trong 1 giây anh công nhân 2 thực hiện được công là:

 $\frac{2310}{20}$ =115,5(J/s)

=> Trong cùng 1 giây, người công nhân 1 thực hiện được công lớn hơn. Do đó, người công nhân 1 thực hiện công nhanh hơn.

II. Công thức tính công suất

Câu hỏi mục II SGK Vật lí 10 Kết nối tri thức Bài 24 (trang 96): Coi công suất trung bình của trái tim là 3W

a. Trong một ngày - đêm, trung bình trái tim thực hiện một công là bao nhiêu?

b. Nếu một người sống 70 tuổi thì công của trái tim thực hiện là bao nhiêu ? Một ô tô tải muốn thực hiện được công này thì phải thực hiện trong thời gian bao lâu ?

Coi công suất của ô tô tải là 3.10⁵

Trả lời:

a. Tính công trung bình của trái tim trong một ngày - đêm

* Cách tính thứ nhất:

- Một ngày đêm có : 24 x 60 x 60 =86 400s. Vậy công thực hiện là: 3 x 86 400= 259 200 J

* Cách tính thứ hai:

- Đổi 1 ngày = 86 400 s.

Trong 1 ngày đêm, trái tim thực hiện được một công là: A = P.t = 3.86400 = 259 200 (J)

b) Coi công suất của ô tô tải là 3.10⁵

* Cách tính thứ nhất:

Đổi 70 năm = 2 207 520 000 s.

Nếu sống được 70 tuổi hay là 70 năm thì công thực hiện được là:

A = P.t = 3 . 2 207 520 000 = 6 622 560 000 (J)

Ô tô muốn thực hiện công này thì phải mất thời gian là:

6 622 560 000 : 3.105 = 22075,2 (s) = 6132h =255.5 ngày

* Cách tính thứ hai:

Đổi 70 năm = 25550 ngày

Công của trái tim thực hiện với người sống được 70 tuổi là: 

A₂ = P₂.t₂ = 259200 . 25550 = 6 622 560 000 (J)

Một ô tô tải muốn thực hiện được công này thì phải thực hiện trong thời gian là:

$t_{3}=\frac{A_{2}}{P_{3}}=\frac{6622560000}{3.10^{5}}=22057,2s=6,132h$

III. Liên hệ giữa công suất với lực và tốc độ

Câu hỏi 1 SGK Vật lí 10 Kết nối tri thức Bài 24 (trang 97): Hãy giải thích tác dụng của líp nhiều tầng trong xe đạp thể thao (Hình 24.1).

Trả lời:

– Xe đạp có líp nhiều tầng có tác dụng thay đổi chu vi của trục quay, gián tiếp thay đổi sức căng (lực tác dụng của xích) mục đích là để thay đổi tốc độ của xe khi đi ở các đoạn đường khác nhau. Nhờ có líp mà bánh xe vẫn chuyển động về phía trước theo quán tính mà ta không cần phải dùng đến bàn đạp nhiều. Líp nhiều tầng giúp người điều khiển xe dễ dàng đạp mà không cần mất nhiều sức. 

Câu hỏi 2 SGK Vật lí 10 Kết nối tri thức Bài 24 (trang 97): Hình 24.2 mô tả hộp số xe máy. Hãy giải thích tại sao khi đi xe máy trên những đoạn đường dốc hoặc có ma sát lớn ta thường đi ở số nhỏ.

Trả lời:

– Khi đi xe máy trên những đoạn đường dốc hoặc có ma sát lớn thường đi số nhỏ để công suất của hộp số lớn dẫn đến công thực hiện của động cơ lớn, khi chuyển số nhỏ thì xích gắn vào líp sẽ chuyển sang líp có bánh răng thấp hơn, tức là số lượng lớn răng ở vùng bán xích lớn nhất. Với cách sang líp này khiến xe di chuyển dễ dàng hơn và không bị dừng lại đột ngột khi ma sát quá lớn.

Ví dụ:

– Xe máy bắt đầu di chuyển cần lực phát động lớn nên đi bằng số thấp vì lúc đó xe bắt đầu chuyển động.

– Xe máy đi trên đường ngoài đô thị, nên đi bằng số cao để tăng tốc độ cho xe và giảm lực phát động, bảo vệ động cơ được bền hơn vì  có ít phương tiện đi lại.

– Xe máy lên dốc cần tăng lực phát động nên đi bằng số thấp.

Câu hỏi 3 SGK Vật lí 10 Kết nối tri thức Bài 24 (trang 97): Động cơ một thang máy tác dụng lực kéo 20 000N để thang máy chuyển động thẳng lên trên trong 10s và quãng đường đi được tuong ứng là 18m. Công suất trung bình của động cơ là

A. 36 kw

B. 3.6 kw

C. 11 kw

D. 1.1 kw

Đáp án A. 36 kw

Giải thích:

* Cách 1:

Gọi công suất là P' thì ta có: $P'=F.v=F.\frac{s}{t}=20000.\frac{18}{10}=36000W=36kW$

* Cách 2: 

Công thực hiện được của thang máy là: A = F.d = 20 000.18 = 3,6.10⁵ (J)

Công suất trung bình của động cơ là: P = A/t = 3,6.10⁵ /10 = 3,6.10⁴ (W)

Câu hỏi 4 SGK Vật lí 10 Kết nối tri thức Bài 24 (trang 97): Một ô tô khối lượng 1 tấn đang hoạt động với công suất 5 kW và chuyển động thẳng đều với vận tốc 54 km/h thì lên dốc. Hỏi động cơ ô tô phải hoạt động với công suất bằng bao nhiêu để có thể lên dốc với tốc độ như cũ? Biết hệ số ma sát giữa bánh xe và mặt đường không đổi, dốc nghiêng góc 2,3^o so với mặt đường nằm ngang và g = 10 m/s².

Trả lời:

- Khi vật chuyển động trên mặt đường nằm ngang

$F=F_{ms}\frac{P}{v}=\frac{5000}{15}=\frac{1000}{3}(N)$

$=>\mu =\frac{F_{ms}}{N}=\frac{1000}{3.10000}=\frac{1}{30}$

- Khi vật lên dốc

$F'=mg(sin\alpha +\mu cos\alpha )=10000(sin2,3^{o}+\frac{1}{30}cos2,3^{o})=733(N)=>P'=F'.\upsilon =10995W$

Hoạt động mục III SGK Vật lí 10 Kết nối tri thức Bài 24 (trang 98): Thi xem ai là người có công suất lớn hơn

1. Hãy nêu tên dụng cụ cần dùng và cách tiến hành việc đo thời gian lên cầu thang.

2. Thảo luận trong nhóm về kế hoạch hoạt động để xác định công suất khi lên thang gác của 5 người đại diện các tổ có trọng lượng khác nhau, trong đó ghi rõ:

a) Mục đích của hoạt động.

b) Dụng cụ cần sử dụng.

c) Các bước tiến hành hoạt động.

d) Bảng ghi kết quả.

Trả lời:

1. Để đo thời gian lên cầu thang.

- Dụng cụ: Đồng hồ bấm giây.

- Cách tiến hành:

+ Khi bạn học sinh bắt đầu đi lên cầu thang, bấm nút Start trên đồng hồ bấm giây.

+ Khi bạn học sinh đi hết cầu thang, bấm nút Stop trên đồng hồ bấm giây.

+ Đọc và ghi lại kết quả đo được vào bảng.

2. Kế hoạch hoạt động để xác định công suất khi lên thang gác của 5 bạn học sinh.

a) Mục đích của hoạt động: Thi xem ai là người có công suất lớn hơn

b) Dụng cụ cần sử dụng: Thước đo, đồng hồ bấm giây, cân tạ

c) Các bước iến hành hoạt động

+ Bước 1: Đo khối lượng của 5 đại diện của các tổ, từ đó tính được trọng lượng P = m.g

+ Bước 2: Đo độ cao của thang gác

+ Bước 3: Thực hiện hoạt động, sử dụng đồng hồ bấm giây để tính thời gian lên thang gác của các đại diện các tổ

d) Ghi lại kết quả các đại diện thực hiện được