Công cơ học (năng lượng sinh ra do có sự tham ra của chuyển động cơ) nằm trong chương trình vật lí lớp 10 là khái niệm mở đầu về năng lượng, hiểu rõ khái niệm công cơ học giúp học sinh có góc nhìn tổng quát về năng lượng.
Khái niệm công cơ học, công suất nằm trong chương trình vật lí lớp 10 chủ đề năng lượng
Công cơ học là gì, công của lực tác dụng làm vật chuyển động
Công cơ học (kí hiệu A)
là năng lượng sinh ra khi một lực $\vec{F}$ tác dụng vào vật làm vật dịch chuyển được một quãng đường là s:
Công thức tính công cơ học:
A = F × s × cosα
trong đó
- A: công cơ học gọi tắt là công (J)
- s: quãng đường dịch chuyển (m)
- F: độ lớn của lực tác dụng (N)
- α = $\vec{F},\vec{s}$: là góc hợp bởi véc tơ lực và véc tơ chuyển dời.
Công cơ học là đại lượng vô hướng có thể âm, dương, hoặc bằng 0 phụ thuộc vào góc hợp bởi phương của lực tác dụng và hướng chuyển dời của chuyển động
- A > 0: lực sinh công dương (công phát động)
- A < 0: lực sinh công âm (công cản)
- A = 0: lực không sinh công
Biểu thức công được nhà toán học người Pháp Gaspard-Gustave đưa ra năm 1826. Trong hệ đơn vị SI công có đơn vị là Jun (J) là đơn vị chung của các dạng năng lượng, từ biểu thức (1) => 1J=1N.1m => 1J là năng lượng sinh ra khi một lực có độ lớn 1N làm vật dịch chuyển được quãng đường 1m theo phương của lực tác dụng.
Khái niệm công suất:
Công suất là đại lượng vật lí đặc trưng cho tốc độ thực hiện công (tốc độ tiêu hao năng lượng) của một vật (người, máy móc …) Biểu thức tính công suất:
\[P=\dfrac{A}{t}\]
Trong đó:
- P: công suất (W)
- A: công cơ học (J)
- t: thời gian thực hiện công (s)
Trong trường hợp lực \[\vec{F}\] không đổi, vật chuyển động theo phương của lực tác dụng ta có
\[P = \dfrac{A}{t} = F\dfrac{s}{t} =F.v\]
- nếu v là vận tốc trung bình thì P là công suất trung bình
- nếu v là vận tốc tức thời thì P là công suất tức thời.
Ví dụ về tính công, công suất
Đơn vị của công suất là W (Watt lấy tên theo nhà vật lí học James Watt người đã cải tiến thành công động cơ hơi nước nâng cao hiệu suất làm việc của nó lên gấp nhiều lần)
Hiệu suất
\[H=\dfrac{A’}{A}\]
- A’: là công có ích (đã loại bỏ công cản) (J)
- A: công toàn phần (J)
Bài tập ví dụ về tính công cơ học
Bài 1: Vật 2kg trượt trên sàn có hệ số ma sát 0,2 dưới tác dụng của lực không đổi có độ lớn 10N hợp với phương ngang góc 30o. Tính công của lực F và lực ma sát khi vật chuyển động được 5s, lấy g = 10m/s2.
Phân tích bài toán
m = 2kg; µ = 0,2; g = 10m/s2; F = 10N; α = 30o; t = 5s
Giải
Chọn chiều dương là chiều chuyển động của vật
F$_{ms}$ = µ.(P – Fsinα) = 3N
Áp dụng định luật II Newton theo phương ngang:
Fcosα – F$_{ms}$ = ma = > a = 2,83m/s2
quãng đường đi được trong 5s: s = 0,5.a.t2 = 35,375(m)
$A_{F}$ = F.s.cosα = 306,4(J)
$A_{Fms}$ = F$_{ms}$.s.cos180o = -106,125(J)