Công, năng lượng và công suất
Đã giới thiệu| English | Ý nghĩa |
|---|---|
| work done/wɜːk dʌn/ | công thực hiện |
| displacement/dɪˈspleɪsmənt/ | vị trí |
| conservation of energy/ˌkɒnsəˈveɪʃn ɒv ˈenədʒi/ | bảo toàn năng lượng |
| efficiency/ɪˈfɪʃənsi/ | hiệu suất |
| thermal energy/ˈθɜːml ˈenədʒi/ | năng lượng nhiệt |
| power/ˈpaʊə/ | công suất |
Cầm một cái túi không sinh công
- Cầm một cái túi nặng đứng yên, cánh tay bạn sẽ mỏi — nhưng trong vật lý, bạn đã không sinh công.
- Công cần lực để di chuyển một vật dọc theo phương của chính nó.
- Không có sự di chuyển (hoặc lực nằm ngang) nghĩa là không có công nào được sinh ra.
Công sinh ra bởi một lực
- $W = F s \cos\theta$, trong đó $\theta$ là góc giữa lực và độ dịch chuyển.
- Chỉ có phần của lực dọc theo chuyển động mới sinh công. Đơn vị: $\text{J} = \text{N}\cdot\text{m}$.
Công, năng lượng & công suất
PE + KE = hằng số
Công thực hiện để chuyển giao năng lượng; khi rơi, thế năng (PE) chuyển hóa thành động năng (KE) với tổng năng lượng không đổi.
Một lực $10\ \text{N}$ đẩy một hộp đi được $3.0\ \text{m}$ theo hướng của lực. Công thực hiện là bao nhiêu?
Độ khó 2/5 · 140 xu + một phần thưởng nhỏ cho lần hoàn thành đầu tiên trong ngày
Lực nằm dọc theo chuyển động ($\theta = 0$), nên $W = Fs = 10 \times 3.0 = 30\ \text{J}$.
Dương, âm, và không
- Lực dọc theo chuyển động → công dương (năng lượng truyền vào vật).
- Lực ngược chiều chuyển động → công âm (ví dụ: ma sát lấy đi năng lượng).
- Lực ở vuông góc → công bằng không.
Chỉ có thành phần F cos(theta) dọc theo độ dịch chuyển mới sinh công
Một lực tác dụng vuông góc với chuyển động thực hiện bao nhiêu công?
Độ khó 1/5 · 100 xu + một phần thưởng nhỏ cho lần hoàn thành đầu tiên trong ngày
$W = Fs\cos 90^{\circ} = 0$. Lực tiếp xúc pháp tuyến tác dụng lên ô tô trên đường phẳng không thực hiện công.
Lực ma sát tác dụng lên vật trượt thực hiện công âm.
Độ khó 1/5 · 100 xu + một phần thưởng nhỏ cho lần hoàn thành đầu tiên trong ngày
Lực ma sát ngược chiều với chuyển động ($\theta = 180^{\circ}$), nên $W = -Fs$ — nó lấy đi năng lượng.
Định luật bảo toàn năng lượng
- Năng lượng không bao giờ được tạo ra hay tiêu diệt — nó chỉ thay đổi dạng hoặc di chuyển giữa các vật.
- Trong một hệ kín, tổng năng lượng luôn không đổi.
Công dương (lực dọc theo chuyển động) và công âm (lực ngược chuyển động)
chuyển
Độ khó 1/5 · 100 xu + một phần thưởng nhỏ cho lần hoàn thành đầu tiên trong ngày
công của một lực
Nối mỗi thuật ngữ với định nghĩa mà người chấm bài đánh dấu.
Độ khó 2/5 · 140 xu + một phần thưởng nhỏ cho lần hoàn thành đầu tiên trong ngày
Cụm từ cuối cùng trong định nghĩa về công chính là yếu tố khiến lực vuông góc với chuyển động không thực hiện bất kỳ công nào cả.
Hiệu suất
- $\text{efficiency} = \dfrac{\text{useful output}}{\text{total input}} \times 100\%$.
- Luôn luôn nhỏ hơn $100\%$ — một phần năng lượng bị chuyển hóa thành nhiệt năng "vô ích".
Cùng một công sinh ra trong thời gian ngắn hơn có nghĩa là công suất lớn hơn
Dòng chảy năng lượng & hiệu suất
Năng lượng đầu vào chia thành công có ích và năng lượng hao phí; hiệu suất = có ích ÷ đầu vào, và tổng có ích + hao phí luôn bằng đầu vào.
$200\ \text{J}$. Phần còn lại $60\ \text{J}$ bị lãng phí, chủ yếu dưới dạng nhiệt.
Độ khó 2/5 · 140 xu + một phần thưởng nhỏ cho lần hoàn thành đầu tiên trong ngày
$\dfrac{60}{200} \times 100\% = 30\%$. Phần còn lại $140\ \text{J}$ bị lãng phí, chủ yếu dưới dạng nhiệt.
Công suất
- Công suất là tốc độ sinh công: $P = \dfrac{W}{t} = \dfrac{\Delta E}{\Delta t}$.
- Đơn vị: $\text{W} = \dfrac{\text{J}}{\text{s}}$.
Công suất, lực và vận tốc
- Đối với một lực $F$ dọc theo chuyển động với tốc độ $v$: $P = Fv$.
- Một ô tô chạy đều cần $P = F_{\text{resist}} \times v$; nâng một trọng lượng với tốc độ $v$ cần $P = mgv$.
Một lực $F$ tác dụng lên vật đang di chuyển với tốc độ $v$ theo đúng hướng của lực. Công suất cung cấp là:
Độ khó 1/5 · 100 xu + một phần thưởng nhỏ cho lần hoàn thành đầu tiên trong ngày
Trong khoảng thời gian $\Delta t$, độ dịch chuyển là $v\Delta t$ và công là $Fv\Delta t$; chia cho $\Delta t$ sẽ thu được $P = Fv$.
Ví dụ tính toán: một ô tô chạy đều
- Một xe ô tô di chuyển với vận tốc không đổi $25\ \text{m/s}$ dưới tác dụng của lực cản tổng cộng là $600\ \text{N}$. Tính công suất hữu ích của động cơ.
- Ở vận tốc không đổi, lực hợp bằng không, nên lực kéo bằng lực cản: $F = 600\ \text{N}$.
- $P = Fv = 600 \times 25 = 1.5\times10^{4}\ \text{W} = 15\ \text{kW}$.
- Bước mang điểm số là giải thích tại sao lực kéo bằng $600\ \text{N}$: vận tốc không đổi nghĩa là lực hợp bằng không.
- Nếu xe ô tô đang tăng tốc, lực kéo sẽ lớn hơn $600\ \text{N}$ và bạn không thể sử dụng lực cản trong $P = Fv$ nữa.
Điểm số dễ mất
- Hiệu suất là công suất đầu ra hữu ích chia cho tổng công suất đầu vào. Đầu vào luôn là con số lớn hơn, nên một đáp án trên $100\%$ có nghĩa là hai giá trị đã bị hoán vị.
- Trong $P = Fv$, $F$ là lực kéo. Nó chỉ bằng lực cản khi chuyển động đều.
- Sử dụng chiều cao thẳng đứng trong $mg\Delta h$, tuyệt đối không dùng khoảng cách dọc theo mặt nghiêng.
- Công do một lực thực hiện là lực nhân với quãng đường di chuyển theo phương của lực. Một lực vuông góc với chuyển động thì không thực hiện công.
- Trên đồ thị lực - độ dãn, diện tích biểu thị năng lượng dự trữ. Độ dốc là độ cứng; đọc nhầm một đại lượng cho đại lượng kia là mất trọn vẹn câu hỏi.
Một chiếc xe chạy với tốc độ ổn định là 25 m/s ngược lại tổng lực cản là 600 N. Công suất hữu ích đầu ra là bao nhiêu, tính bằng kW?
Độ khó 2/5 · 140 xu + một phần thưởng nhỏ cho lần hoàn thành đầu tiên trong ngày
Tốc độ ổn định có nghĩa là hợp lực bằng không, nên lực kéo là 600 N và P = Fv = 15 kW. Việc giải thích TẠI SAO lực kéo bằng lực cản mới là điều mang lại điểm số.
lực vuông góc với chuyển động
Độ khó 2/5 · 140 xu + một phần thưởng nhỏ cho lần hoàn thành đầu tiên trong ngày
Sắp xếp lại bước tính hiệu suất.
tìm tổng năng lượng hoặc công suất đưa vào hệ thống
Độ khó 3/5 · 200 xu + một phần thưởng nhỏ cho lần hoàn thành đầu tiên trong ngày
Đầu vào luôn là số lớn hơn. Hiệu suất trên 100% có nghĩa là hai đại lượng đã bị hoán đổi, và chia cho năng lượng lãng phí là cách sai phổ biến khác.
Bạn đã nắm vững
- Công $W = Fs\cos\theta$ — chỉ phần của $F$ theo phương chuyển động mới được tính
- Năng lượng được bảo toàn; hiệu suất = hữu ích ÷ tổng (luôn < 100%)
- Công suất $P = \dfrac{W}{t} = Fv$