Định luật về công: Lý thuyết và bài tập vận dụng

Khám phá những bí ẩn của vật lý cùng vatly.edu.vn qua chủ đề thú vị và cơ bản: Định luật về công. Định luật này là một trong những nền tảng quan trọng nhất của vật lý học, giúp chúng ta hiểu rõ hơn về mối quan hệ giữa lực, chuyển động và công trong thế giới tự nhiên.

Hãy cùng chúng tôi khám phá những nguyên lý cơ bản, cách áp dụng và tầm quan trọng của định luật công trong cuộc sống hàng ngày và công nghệ.

Khái niệm định luật về công

Công là đại lượng vật lý thể hiện khả năng thực hiện công của một lực tác dụng lên vật. Công được tính bằng tích của lực và quãng đường dịch chuyển của vật theo phương của lực.

Công thức tính công:

A = F.s.cosα

Trong đó:

• A là công (J)
• F là độ lớn của lực tác dụng lên vật (N)
• s là quãng đường dịch chuyển của vật (m)
• α là góc hợp bởi giữa hướng của lực và hướng dịch chuyển của vật

Đơn vị của công:

• Đơn vị SI của công là Joule (J)
• 1 J = 1 N.m

Ví dụ: Một người kéo một vật nặng 10 kg di chuyển một quãng đường 5 m theo phương ngang. Lực kéo có độ lớn 20 N. Tính công của lực kéo.

=> Lời giải: A = F.s = 20 N.5 m = 100 J

Định luật công với các loại máy cơ đơn giản thường gặp

Áp dụng nguyên tắc từ định luật về công cho ròng rọc động và mở rộng ra các máy cơ đơn giản khác giúp chúng ta hiểu rõ hơn về cách chúng hoạt động, từ đó hỗ trợ việc chọn lựa thiết bị phù hợp cho nhu cầu thực tế. Điều này cũng khẳng định thêm rằng máy cơ đơn giản không mang lại lợi ích về công tổng cộng.

Ròng rọc cố định

Ròng rọc cố định bao gồm một bánh xe có rãnh và được giữ cố định tại một điểm. Khi sử dụng ròng rọc cố định để nâng một vật, chức năng chính của nó là thay đổi hướng của lực kéo.

Như vậy, ròng rọc cố định không giúp giảm lực kéo cần thiết hay rút ngắn quãng đường di chuyển của vật, do đó không mang lại lợi ích về công.

Ròng rọc động

Ròng rọc động có khả năng thay đổi độ lớn của lực cần thiết để nâng một vật. Sử dụng ròng rọc động giúp giảm một nửa lực kéo so với việc nâng trực tiếp, nhưng đồng thời cũng tăng gấp đôi quãng đường mà lực kéo cần di chuyển.

Do đó, mặc dù ròng rọc động giúp giảm lực kéo, nó không cung cấp lợi ích về công tổng thể.

Đòn bẩy

Đòn bẩy cho phép ta hoặc lợi về lực hoặc lợi về quãng đường, tùy thuộc vào cách sắp xếp. Tuy nhiên, không giống như việc tạo ra lợi ích về công, đòn bẩy không mang lại lợi ích tổng cộng về công vì sự lợi ích về lực hay quãng đường luôn đi kèm với sự thiệt hại tương ứng.

Mặt phẳng nghiêng

Mặt phẳng nghiêng, bao gồm một mặt phẳng nghiêng từ một điểm thấp đến một điểm cao hơn, giúp giảm lực cần thiết để di chuyển vật lên cao nhưng đồng thời yêu cầu quãng đường dài hơn.

Kết quả là, mặc dù mặt phẳng nghiêng làm giảm lực kéo cần thiết, nó không cải thiện công tổng thể cần thực hiện.

Tổng kết lại, mỗi loại máy cơ đơn giản có ưu và nhược điểm riêng, nhưng chung quy lại, chúng không tạo ra lợi ích về công tổng thể. Hiểu biết này giúp chúng ta sử dụng máy móc một cách hiệu quả và phù hợp với từng tình huống cụ thể.

Phát biểu định luật về công

Theo nguyên lý cơ bản của định luật công trong vật lý, chúng ta hiểu rằng việc sử dụng các máy cơ đơn giản như ròng rọc, đòn bẩy, hay mặt phẳng nghiêng không mang lại lợi ích về tổng công thực hiện. Mặc dù chúng có thể giảm đáng kể lực cần thiết để thực hiện một công việc, sự giảm này lại đi kèm với sự gia tăng tương ứng về khoảng cách mà lực phải tác động, và ngược lại.

Thí nghiệm 1: khi ta nâng một vật nặng A mà không sử dụng bất kỳ thiết bị hỗ trợ nào, quãng đường vật di chuyển là 0,02 m (2 cm) và lực cần thiết bằng trọng lượng của vật, giả sử là 1,5 N. Công thực hiện được tính bằng công thức \(A = F \times s\), cho kết quả là 0,03 J.

Thí nghiệm 2: khi áp dụng ròng rọc động, mặc dù lực cần thiết giảm đi một nửa xuống còn 0,75 N, quãng đường vật di chuyển lại tăng lên gấp đôi, lên đến 0,04 m (4 cm). Công thực hiện trong trường hợp này cũng là 0,03 J, giống như trường hợp trước.

Phân tích này cho thấy, dù lực cần thiết để nâng vật qua ròng rọc động giảm đi, quãng đường mà lực này phải tác động lại tăng lên, khiến cho tổng công thực hiện không đổi.

Điều này khẳng định lại rằng, dù sử dụng máy cơ đơn giản nào, tổng công thực hiện vẫn giữ nguyên, không có lợi ích về công tổng thể. Qua đó, chúng ta có cái nhìn sâu sắc hơn về nguyên tắc hoạt động của các máy cơ đơn giản và ứng dụng của chúng trong thực tế.

Hiệu suất của máy cơ đơn giản

Hiệu suất trong các máy cơ đơn giản được định nghĩa như thế nào? Trong thực tế, ma sát là một yếu tố không thể tránh khỏi trong mọi máy cơ. Để đưa một vật lên cao sử dụng máy cơ, chúng ta cần thực hiện một lượng công, được ký hiệu là A2. Trong một tình huống lý tưởng không có ma sát, công cần thiết để nâng vật chỉ là A1.

Luôn có sự chênh lệch giữa A2 và A1 do phần công cần thiết để vượt qua ma sát. A2, hay công toàn phần, bao gồm cả công có ích (A1) và công hao phí dành cho việc vượt qua ma sát.

Biểu thức toán học cho công toàn phần có thể được viết là: Công toàn phần = Công có ích + Công hao phí.

Tỷ lệ giữa A1 và A2 phản ánh hiệu suất của máy, được biểu thị qua biểu thức:

\[ H = \left( \frac{A1}{A2} \right) \times 100\% \]

Trong đó \(H\) đại diện cho hiệu suất máy cơ đơn giản, \(A1\) là công có ích và \(A2\) là công toàn phần. Do A2 luôn lớn hơn A1, hiệu suất không bao giờ đạt 100%.

Bài tập về định luật công cho học sinh lớp 8 có đáp án

Trắc nghiệm

Câu 1: Công thức tính công cơ học là:

A. A = F.t

B. A = P.t

C. A = F.s.cosα

D. A = P.s

Đáp án: C.

Câu 2: Một người dùng lực 50 N để kéo một vật di chuyển 10 m theo phương ngang. Công của người đó thực hiện là:

A. 500 J

B. 250 J

C. 100 J

D. 50 J

Đáp án: A.

Câu 3: Một học sinh dùng lực 10 N để kéo một chiếc xe trượt có khối lượng 5 kg di chuyển 2 m trên mặt sàn nằm ngang. Công của học sinh thực hiện là:

A. 10 J

B. 20 J

C. 30 J

D. 40 J

Đáp án: B.

Câu 4: Khi nào một vật có công suất lớn?

A. Khi vật thực hiện công trong thời gian ngắn.

B. Khi vật thực hiện công lớn.

C. Khi vật thực hiện công nhỏ trong thời gian ngắn.

D. Cả A và B đều đúng.

Đáp án: D.

Câu 5: Một con ngựa kéo một chiếc xe với lực kéo 200 N đi quãng đường 20 m trong thời gian 2 phút. Công suất của con ngựa là:

A. 2000 W

B. 1000 W

C. 500 W

D. 250 W

Đáp án: B.

Câu 6: Trong các trường hợp sau, trường hợp nào có công suất lớn nhất?

A. Một người đi xe đạp với vận tốc 10 m/s.

B. Một con ngựa kéo một chiếc xe với vận tốc 2 m/s.

C. Một máy bay bay với vận tốc 800 km/h.

D. Một người dùng ròng rọc để kéo một vật lên cao.

Đáp án: C.

Câu 7: Một người dùng lực F để kéo một vật di chuyển một quãng đường s theo phương ngang. Khi vật di chuyển theo phương vuông góc với hướng của lực thì công của người đó là:

A. A = F.s

B. A = 0

C. A = F.s.cosα

D. A = F.s.sinα

Đáp án: B.

Câu 8: Đơn vị của công là:

A. Jun (J)

B. Niu tơn (N)

C. Oát (W)

D. Joule/giây (J/s)

Đáp án: A.

Câu 9: Khi sử dụng máy cơ đơn giản, ta được lợi về:

A. Lực

B. Quãng đường

C. Công

D. Cả A và B đều đúng.

Đáp án: D.

Câu 10: Ròng rọc động có tác dụng:

A. Thay đổi độ lớn của lực.

B. Thay đổi phương của lực.

C. Lợi về lực.

D. Lợi về quãng đường.

Đáp án: C.

Tự luận

Bài tập 1: Một học sinh dùng lực 50 N để kéo một chiếc cặp nặng 10 kg lên cao 2 m. Tính công mà học sinh đó thực hiện.

Hướng dẫn lời giải:

– Độ lớn của lực kéo: \( F = 50 \, \text{N} \)

– Quãng đường di chuyển: \( d = 2 \, \text{m} \)

Áp dụng công thức tính công: \( W = F \times d \)

\[ W = 50 \times 2 = 100 \, \text{J} \]

=> Học sinh đã thực hiện một công là 100 Joule để kéo chiếc cặp lên cao 2 mét.

Bài tập 2: Để đưa một vật nặng 200 N lên cao 1 m, một học sinh sử dụng một mặt phẳng nghiêng dài 5 m. Tính công mà học sinh thực hiện khi sử dụng mặt phẳng nghiêng này.

Hướng dẫn lời giải:

– Độ lớn của lực kéo tối thiểu trên mặt phẳng nghiêng: \( F = 200 \, \text{N} \) (bỏ qua ma sát)

– Quãng đường di chuyển trên mặt phẳng nghiêng: \( d = 5 \, \text{m} \)

Áp dụng công thức tính công: \( W = F \times d \)

\[ W = 200 \times 5 = 1000 \, \text{J} \]

=> Khi sử dụng mặt phẳng nghiêng, công thực hiện để đưa vật lên cao 1 m là 1000 Joule.

Bài tập 3: Sử dụng một ròng rọc động để nâng một vật nặng 100 N lên cao 3 m. Tính công thực hiện trong quá trình này, biết rằng lực kéo cần thiết chỉ còn một nửa.

Hướng dẫn lời giải:

– Độ lớn của lực kéo cần thiết: \( F = \frac{100}{2} = 50 \, \text{N} \)

– Quãng đường di chuyển: \( d = 3 \, \text{m} \)

Áp dụng công thức tính công: \( W = F \times d \)

\[ W = 50 \times 3 = 150 \, \text{J} \]

=> Sử dụng ròng rọc động giúp giảm lực kéo cần thiết nhưng tổng công thực hiện để nâng vật lên cao 3 m vẫn là 150 Joule.

Bài tập 4: Một người dùng mặt phẳng nghiêng để kéo một vật có khối lượng 60 kg lên cao 2 m. Chiều dài mặt phẳng nghiêng là 5 m. Lực kéo của người đó là bao nhiêu?

Hướng dẫn lời giải:

• Trọng lượng của vật: P = mg = 60.10 = 600 N.
• Lực kéo của người đó: F = P.sinα = P.h/l = 600.2/5 = 240 N.

Bài tập 5: Một người đi xe đạp lên dốc dài 100 m với độ cao 20 m. Lực ma sát giữa xe và mặt đường là 20 N. Hiệu suất của xe đạp là 80%. Tính công của người đi xe đạp.

Hướng dẫn lời giải:

• Công để nâng vật lên cao: A = P.h = m.g.h = 60.10.20 = 12000 J.
• Công hao phí do ma sát: A1 = F.s = 20.100 = 2000 J.
• Công có ích: A2 = A – A1 = 12000 – 2000 = 10000 J.
• Hiệu suất của xe đạp: H = A2/A = 10000/12000 = 83,3%.

Tại vatly.edu.vn, chúng tôi luôn nỗ lực mang đến cho bạn cái nhìn sâu sắc và toàn diện nhất về các khái niệm vật lý, và Định luật về công không ngoại lệ.

Hy vọng thông qua bài viết này, bạn đã có thể hiểu rõ hơn về cách thức hoạt động và ứng dụng của định luật công trong nhiều lĩnh vực của khoa học và kỹ thuật. Hãy tiếp tục theo dõi và khám phá thêm nhiều kiến thức vật lý thú vị và bổ ích khác cùng chúng tôi.