Giải bài tập Vật lí lớp 10 Bài 24: Công suất

Khởi động trang 96 Vật Lí 10: 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?

Lời giải:

Để xác định được sự nhanh chậm của việc thực hiện công ta cần tìm tốc độ sinh công, tức là công thực hiện được trong một đơn vị thời gian.

I. Khái niệm công suất

Hoạt động trang 96 Vật Lí 10: 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.

Lời giải:

Công do người công nhân 1 thực hiện:  A₁ = P₁.h₁ = m₁.g.h₁ = 20.10.10 = 2000 J

Công do người công nhân 2 thực hiện: A₂ = P₂.h₂ = m₂.g.h₂ = 21.10.11 = 2310 J

Để xác định xem ai là người thực hiện công nhanh hơn, ta so sánh công do hai người  thực hiện được trong 1 giây.

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

Công do người công nhân 2 thực hiện trong 1 s: $\frac{2310}{20}=115,5J/s$ < 200 J/s.

Như vậy 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 trang 96 Vật Lí 10: Coi công suất trung bình của trái tim là 3 W.

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 phải thực hiện trong thời gian bao lâu? Coi công suất của xe ô tô tải là 3.10⁵ W.

Lời giải:

a) Đổi 1 ngày đêm = 24 h = 86400 s

Trong một ngày – đêm trung bình trái tim thực hiện một công:

$A_1={\text{P}}_1.t_1=3.86400=259200J$

b) 1 năm có 365 ngày, vậy 70 năm = 25550 ngày.

- Một người sống 70 tuổi thì công của trái tim thực hiện:

$A_2={\text{P}}_1.t_2=\mathrm{3.25550.86400}=6622560000J$

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

$t_3=\frac{A_2}{{\text{P}}_2}=\frac{6622560000}{{3.10}^5}\text{=}22075,2s=6,132h$

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

Câu hỏi 1 trang 97 Vật Lí 10: Hãy giải thích tác dụng của líp nhiều tầng trong xe đạp thể thao (Hình 24.1).

Lời giải:

Líp nhiều tầng có tác dụng tạo lực đẩy, giúp xe di chuyển dễ dàng. Nhờ có líp mà ta không cần phải dùng đến bàn đạp nhiều mà bánh xe vẫn chuyển động về phía trước theo quán tính. Các tầng của líp xe có tác dụng để chuyển xích phù hợp với độ dốc của con đường (đường bằng phẳng, đường dốc, đường đèo...) để tạo ra các tốc độ di chuyển khác nhau.

Câu hỏi 2 trang 97 Vật Lí 10: 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.

Lời giải:

Khi đi xe máy trên những đoạn đường dốc hoặc có ma sát lớn thường đi số nhỏ để thay đổi tốc độ của xe tức là thay đổi lực phát động (vì công suất của xe coi như không đổi), khiến xe di chuyển dễ dàng hơn và không bị dừng lại đột ngột khi ma sát quá lớn.

Câu hỏi 3 trang 97 Vật Lí 10: Động cơ của một thang máy tác dụng lực kéo 20000 N để thang máy chuyển động thẳng lên trên trong 10 s và quãng đường đi được tương ứng là 18 m. Công suất trung bình của động cơ là

A. 36 kW.

B. 3,6 kW.

C. 11 kW.

D. 1,1 kW.

Lời giải:

Công suất trung bình của động cơ:

$\text{P}=\frac{A}{t}\text{=}\frac{F.s}{t}\text{=}\frac{20000.18}{10}\text{=}36000W=36kW$

Chọn A

Câu hỏi 4 trang 97 Vật Lí 10: 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.

Lời giải:

Đổi 1 tấn = 1000 kg; 5 kW = 5000 W; 54 km/h = 15 m/s

- Khi xe ô tô chuyển động thẳng đều: $F_{ms}\text{'}=F_k\text{'}=\frac{\text{P\hspace{0.17em}'}}{v}=\frac{5000}{15}=\frac{1000}{3}N$

- Hệ số ma sát là: $\mu =\frac{F_{ms}\text{'}}{m.g}=\frac{\frac{1000}{3}}{1000.10}=\frac{1}{30}$

- Khi ô tô chuyển động lên dốc, các lực tác dụng lên ô tô được biểu diễn như sau:

- Lực kéo ô tô khi lên dốc có giá trị là:

$F_k=F_{ms}+P_1=\mu .m.g.\cos \alpha +m.g.\sin \alpha$

$=\frac{1}{30}\mathrm{.1000.10.}\cos 2,3+\mathrm{1000.10.}\sin 2,3=734,38N$

- Để có thể lên dốc với tốc độ như cũ, ô tô phải hoạt động với công suất là:

$\text{P}=F_k.v=734,38.15=11015,7W$

Hoạt động trang 98 Vật Lí 10: 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.

Lời giải:

1. Dụng cụ để đo thời gian lên thang gác: Đồng hồ bấm giây.

Cách tiến hành: Khởi động lại đồng hồ bấm giây. Khi bạn học sinh bắt đầu chạy thì bắt đầu bấm cho đồng hồ chạy, khi bạn học sinh đi hết cầu thang, bấm nút. Đọc và ghi lại kết quả 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: Xác định công suất khi lên thang gác của 5 bạn học sinh để xem ai là người có công suất lớn hơn.

b) Dụng cụ cần sử dụng: đồng hồ bấm giây, cân điện tử, thước cuộn, giấy, bút, máy tính bỏ túi.

c) Các bước tiến hành:

Bước 1: Sử dụng cân điện tử đo khối lượng của 5 bạn học sinh. Từ đó tính được trọng lượng theo công thức P = mg của 5 bạn sinh, điền kết quả thu được vào bảng.

Bước 2: Sử dụng thước cuộn đo độ cao của thang gác, ghi số liệu vào bảng.

Bước 3: Sử dụng đồng hồ bấm giây đo thời gian đi cầu thang của 5 bạn học sinh, ghi số liệu vào bảng.

Từ đó tính được công suất của từng bạn học sinh dựa vào công thức: $\text{P}=\frac{A}{t}=\frac{P.h}{t}$, ghi số liệu vào bảng.

d) Bảng ghi kết quả:

Nhận xét: Bạn Mạnh là người có công suất lớn nhất, Bạn Trang là người có công suất nhỏ nhất.

Em có thể 1 trang 98 Vật Lí 10: Tính được công suất của các quá trình sinh công.

Lời giải:

HS tính công suất của các quá trình sinh công theo công thức: $\text{P}=\frac{A}{t}.$ 

Ví dụ: Một con trâu kéo một chiếc xe hàng với một lực 1000 N theo phương ngang được 100 m trong khoảng thời gian 2 phút 40 giây. Công suất trung bình của lực kéo của con trâu bằng bao nhiêu? (Lấy g = 9,8 m/s²)

Hướng dẫn giải:

Đổi 2 phút 40 giây = 160 s

Công suất trung bình của lực kéo bằng:

$\text{P}=\frac{A}{t}=\frac{F.s.\cos \alpha }{t}=\frac{\mathrm{1000.100.}\cos 0^0}{160}=625\left(W\right)$

Em có thể 2 trang 98 Vật Lí 10: Vận dụng khái niệm công suất để giải thích nguyên tắc hoạt động của một số thiết bị máy móc.

Lời giải:

Khái niệm công suất: đặc trưng cho tốc độ sinh công, được đo bằng công sinh ra trong một giây $\text{P}=\frac{A}{t}$ ngoài công thức này người ta còn sử dụng công thức tính công suất $\text{P}=F.v$

Có thể vận dụng khái niệm công suất vào việc giải thích nguyên tắc hoạt động của các hộp số của xe máy, xe ô tô (giống như câu hỏi 1 và 2 trang 97).