Giải KHTN 8 sách VNEN bài 18: Công cơ học và công suất

A. HOẠT ĐỘNG KHỞI ĐỘNG

- Trong cuộc sống hàng ngày, khi một người đọc một quyển sách hoặc khi đứng đợi một ai đó, có thể nói rằng người này đã mất công, tốn công để làm các việc đó. Tuy nhiên trong khoa học thì cả 2 trường hợp trên người này chưa thực hiện "công cơ học"!

- Vậy "công cơ học" là gì?

Trả lời::

Công cơ học (công) của một lực FF$\to $ là đại lượng vô hướng được xác định bằng tích độ lớn của lực tác dụng theo phương chuyển dời với độ dời của điểm đặt lực.

Lực FF$\to $  không đổi tác dụng vào vật và làm nó chuyển dời được quãng đường là s, công của lực FF$\to $  gọi là công cơ học và được xác định bằng biểu thức toán học:

A = F.s.cosα (1)

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: là góc hợp bởi véc tơ lực và véc tơ chuyển dời.

B. HOẠT ĐỘNG HÌNH THÀNH KIẾN THỨC

1. Khi nào có công cơ học? Khi nào không có công cơ học?

Hãy đọc thông tin và trả lời các câu hỏi dưới đây:

* Câu hỏi:

a. Nêu ví dụ khác về không có công cơ học thực hiện đối với một vật mặc dù có lực tác dụng lên vật đó.

b. Trong các trường hợp ở hình 18.1 trường hợp nào có công cơ học ?

c. Hãy chọn các từ: dịch chuyển, đứng yên, lực cân bằng, lực tác dụng để điền vào chỗ trống trong kết luận dưới đây.

Công cơ học là công của lực khi ............. vào làm cho vật  ............

Công cơ học thường được gọi tắt là công.

Trả lời:

a. Ví dụ về không có công cơ học tác dụng lên một vật mặc dù có lực tác dụng lên vật:

 Một người giữ cho cái thang không bị lung lay để người phía trên trèo lên. Trong trường hợp này có lực tác dụng lên thang nhưng thang không di chuyển lên cũng không có công cơ học tác dụng lên thang

b.Trong các trường hợp ở hình 18.1 trường hợp có công cơ học là: bò kéo xe, ô tô chở hàng, đá bóng, xi lanh đang bơm nước phun ra.

c. Điền vào chỗ trống như sau:

Công cơ học là công của lực khi lực tác dụng vào làm cho vật di chuyển.

Công cơ học thường được gọi tắt là công.

2. Công thức tính công

Hãy đọc và trao đổi ý kiến của em với bạn:

Giả sử cần nhấc 1 vật nặng 1 kg lên cao 1 m và nhấc 1 vật khác 2 kg lên cao 1 m. Trường hợp nào công lớn hơn ?

         Bây giờ nhấc vật 1 kg lên cao 2 m, so với trường hợp nhấc vật lên 1m thì trường hợp nào công lớn hơn ?

- Theo em công sẽ phụ thuộc vào những yếu tố nào ?

- Hãy tìm các ví dụ khác về thực hiện công nhiều hơ hay ít hơn.

Trả lời:

* Trao đổi ý kiến với bạn:

- Trường hợp nhấc vật 2 kg lên cao 1 m  công lớn hơn.

          Nhấc vật 1 kg lên cao 2 m công lớn hơn.

- Công sẽ phụ thuộc vào các yếu tố: quãng đường dịch chuyển (m), độ lớn của lực tác dụng (N), góc hợp bởi véc tơ lực và véc tơ chuyển dời.

- Ví dụ về thực hiện công ít hơn hay nhiều hơn: đẩy một cái bàn nặng 5 kg đi xa 1 m thực hiện công nhiều hơn đẩy một cái bàn khác  4 kg đi xa 1 m

* Câu hỏi:

1. Dưới tác dụng của lực 200N (Hình 18.2), một vật di chuyển theo phương ngang đi được quãng đường 100 m. Hãy tính công của lực.

2. Một xe có khối lượng 200 kg. Xe chuyển động trên quãng đường nằm ngang một đoạn đường 500 m. Trọng lực tác dụng lên xe có thực hiện công hay không, nếu có thì bằng bao nhiêu?

Trả lời:

1. Công của lực tác dụng lên vật là: 

        A = F.s = 200.100 = 20000 Nm 

2. Trọng lực tác dụng lên xe không thực hiện công vì xe chuyển dời theo phương vuông góc với trọng lực tác dụng lên xe.

3. Công suất

Hãy đọc và trao đổi ý kiến của em với bạn:

Hai máy bay nâng đều các vật nặng lên trên cao. Máy 1 nâng được 1 tấn lên độ cao 5 m mất thời gian 1 phút, máy 2 nâng được 2 tấn lên độ cao 5m mất thời gian 3 phút.

Máy bay nào đã thực hiện công nhiều hơn? Máy nào đã thực hiện công nhanh hơn?

Trả lời:

- Máy 2 đã thực hiện công nhiều hơn.

- Máy 1 đã thực hiện công nhanh hơn.

* Câu hỏi:

Hãy tính công suất của máy 1 và máy 2 trong tình huống trên.

Một người bê thùng hàng từ dưới đất lên tầng 4. Khi mang từ dưới đất lên tầng 1, người này mất thời gian 0,5 phút ; còn khi mang từ tầng 3 lên tầng 4 thì do đã mệt nên mất thời gian 1 phút. Hãy so sánh công suất của người này trong 2 quãng đường trên.

Trả lời:

1.Trọng lượng vật nặng 1 tấn là 1000N ; 1 phút = 60s

   Công của máy 1 là: $A_1$ = F.h = 1000.5 = 5000N

   Công suất của máy 1 là: $P_1$ = $\frac{A_1}{t}$ = $\frac{5000}{60}$ 

   Trọng lượng vật nặng 2 tấn là 2000N; 3 phút = 180s

   Công của máy 2 là: $A_2$ = F.h = 2000.5 = 10000N

   Công suất của máy 2 là: $P_2$ = $\frac{A_2}{t}$ = $\frac{10000}{180}$

2. Công suất của người này khi mang từ dưới đất lên tầng 1 là:  $P_1$ = $\frac{A_1}{t}$ 

    Công suất của người này khi mang từ tầng 3 lên tầng 4 là:  $P_2$ = $\frac{A_2}{t}$ 

    Vì $A_1 = A_2$ và  $t_1 <  t_2$ nên  $P_1  > P_2$

    Vậy công suất người này khi mang từ dưới đất lên tầng 1 lớn hơn.

C. HOẠT ĐỘNG LUYỆN TẬP

* Trả lời các câu hỏi sau:

Bài 1. Trong các trường sau đây, trường hợp nào có công cơ học? Công trong trường hợp nào lớn nhất?

a) Đẩy xe khi chưa có hàng một lúc nhưng xe vẫn chưa dịch chuyển.

b) Khi đẩy đủ mạnh, xe chưa có hàng chuyển động; đẩy xe chuyển động đều đi 10 m.

c) Đẩy xe chưa có hàng chuyển động đều đi 20 m.

d) Đẩy xe có hàng một lúc nhưng xe vẫn chưa dịch chuyển.

e) Khi đẩy đủ mạnh, xe có hàng chuyển động; đẩy xe chuyển động đều đi 10 m.

g) Đẩy xe có hàng chuyển động đều đi 20 m.

h) Người đứng trên dốc đỡ, giữ cho xe có hàng đứng yên không cho lăn xuống dốc.

Trả lời:

- Các trường hợp có công cơ học là: b, c, e, g.

- Công trong trường hợp g là lớn nhất.

Bài 2. Trong những trường hợp dưới đây, trường hợp nào có công cơ học ?

a) Máy xúc đất đang làm việc.

b) Người lực sĩ đang nâng tạ từ thấp lên cao.

c) Người công nhân đang đẩy xe rác.

d) Quả bưởi rơi từ cao xuống thấp.

Trong những trường hợp có công cơ học ở trên, lực nào thực hiện công cơ học (chỉ cần nêu 1 lực trong mỗi trường hợp)

Trả lời:

Trường hợp có công cơ học và lực thực hiện công cơ học trong trường hợp đó là:

a. lực thực hiện công là lực xúc của máy.

b. lực thực hiện công là lực nâng của lực sĩ.

c. lực thực hiện công là lực đẩy của người công nhân.

d. lực thực hiện công là trọng lực của quả bưởi.

Bài 3. Đầu tàu hoả kéo toa xe với lực F = 5000 N làm toa xe đi được 1 km. Tính công lực kéo của đàu tàu.

Trả lời:

 1 km = 1000 m

- Công lực kéo của đầu tàu là:

          A = F.s = 5000.1000 = 5000000 Nm.

Bài 4. Trường hợp nào dưới đây trọng lực tác dụng vào vật sinh công ?

a) Vật trượt trên mặt bàn nằm ngang.

b) Vật trượt trên mặt nghiêng.

c) Vật rơi thẳng xuống.

Trả lời:

Trường hợp trọng lực tác dụng vào vật sinh công là:

 b) Vật trượt trên mặt nghiêng.

 c) Vật rơi thẳng xuống.

Bài 5. Một người kéo một vật khối lượng 20 kg từ mặt đất lên độ cao 2 m mất thời gian 40 giây. Hỏi người này đã thực hiện công là bao nhiêu ? Tính công suất của người này.

Trả lời:

- Trọng lượng của vật có khối lượng 20 kg là: 200N

- Công của người này đã thực hiện là: 

          A = F.h = 200.2 = 400 Nm

- Công suất của người này là:

          P = $\frac{A}{t}$  =  $\frac{400}{40}$ = 10 J/s

Bài 6. Để cày một sào đất, người ta dùng trâu cày thì mất 2 giờ, nhưng nếu dùng máy cày Bông Sen thì chỉ mất 20 phút. Hỏi trâu hay máy cày có công suất lớn hơn và lớn hơn bao nhiêu lần ?

Trả lời:

- Ta có công thức tính công suất: P = $\frac{A}{t}$ 

Đổi: 2 giờ = 120 phút

Vì công để cày một sào đất là như nhau, mà thời gian trâu cày lớn hơn máy cày lên máy cày có công suất lớn hơn.

Gọi công suất của trâu là $P_1$ và công suất của máy cày là $P_2$. Ta có:

      $\frac{P_1}{P_2}$ = $\frac{120}{20}$ = 6

=> Vậy công suất của máy cày lớn hơn 6 lần trâu cày.

Bài 7. Một con ngựa kéo một cái xe với vận tốc v = 9 km/h. Lực kéo của ngựa là 200 N.

   a) Tính công suất của ngựa.

   b) Chứng minh rằng P = Fv.

Trả lời:

 9 km/h = 2,5 m/s

a) Gọi quãng đường ngựa đi được là s(m) trong thời gian t(s)

   Công suất của ngựa là:

         P = $\frac{A}{t}$  =  $\frac{F.s}{t}$ = F.v = 200.2,5 = 500 J/s

b) Chứng minh:

         P = $\frac{A}{t}$  =  $\frac{F.s}{t}$ = F.v

D. HOẠT ĐỘNG VẬN DỤNG

Bài 1. Hãy quan sát các hiện tượng xung quanh em, tìm các ví dụ về lực sinh công cơ học.

Trả lời:

* Một số ví dụ vê lực sinh công cơ học là:

- Lực kéo của xe bò.

- Lực đẩy của công nhân đẩy xe hàng.

- Cần cẩu đang nâng hàng.

- Một vật rơi tự do.

Bài 2. Một người muốn kéo một thùng đựng đầy gạch từ mặt đất lên tầng 2, tốn nhiều sức, nhưng vì nặng quá nên thùng không di chuyển. Có công trong trường hợp này không? Vì sao?

 Theo em thì người này có thể làm cách nào để có thể mang được gạch lên tầng 2?

Trả lời:

- Không có công trong trường hợp này.

- Vì người này tác dụng lực kéo lên thùng gạch nhưng thùng không di chuyển lên lực kéo của người này không tác dụng công cơ học lên thùng gạch.

- Để mang được thùng gạch lên tầng 2, người này có thể dùng máy kéo, lực kéo của máy đủ khoẻ để kéo thùng gạch lên tầng 2. Hoặc người này có thể đem một số viên gạch một để đem lên tầng 2.

E. HOẠT ĐỘNG TÌM TÒI MỞ RỘNG

 Lựa chọn để tìm hiểu các nội dung sau:

 Công của trái tim

 Bằng các phép đo và phép tính người ta xác định được công của trái tim. Trung bình, mỗi giây trái tim của người bình thường thực hiện một công khoảng 0,12 J để bơm khoảng 90 $cm^{3} máu nuôi cơ thể.

 Các em đừng vội nghĩ công của trái tim là quá bé nhỏ ! Vì trái tim phải làm việc liên tục không ngừng nên trong một ngày, trung bình nó thực hiện một công lên tới 10 368 J để bơm 7776 lít máu nuôi cơ thể. Nếu một người chỉ sống có 70 năm thôi thì trái tim người đó đã thực hiện một công không dưới 260 000 000 J để bơm khoảng 200 000 000 lít máu nuôi cơ thể.

 Hãy thử tính với công như trên người ta có thể nâng một chiếc xe ô tô 2,5 tấn lên độ cao bao nhiêu?

Trả lời:

 Trọng lượng của xe ô tô 2,5 tấn là 25 000 N.

 Vậy với công của trái tim như thế ta có thể nâng ô tô lên độ cao:

                  h = AF = $\frac{260000000}{ 25000}$  = 10 400 (m).

Vận chuyển đất

Khi đào hồ, mương, ... người ta thường đứng thành dây chuyền để chuyền các tảng đẩ tù dưới lên trên thay vì từng người bê các tảng đất từ dưới lòng hồ, mương,... lên trên. Hãy tìm hiểu vì sao người ta lại chọn cách đứng thành dây chuyền! Để mang cùng một lượng đất lên trên, trong trường hợp nào công thực hiện nhiều hơn?

Trả lời:

Người ta lại chọn cách đứng thành dây chuyền vì  giúp việc nâng các tảng đất dễ dàng hơn.

Trường hợp thứ nhất công thực hiện nhiều hơn.

Tìm hiểu vế công suất của người, máy

 Công suất của con người khi lao động chân tay trong những điều kiện bình thường trung bình vào khoảng 70 đến 80 W. Khi đi bộ, công suất trung bình của người là 300 W. Khi chạy thi 100m, công suất của vận động viên có thể lên tới 730 W.

 Công suất của tên lửa đẩy con tàu vũ trụ Phương đông chở nhà du hành vũ trụ đầu tiên của Trái Đất là Ga-ga-rin, công dân Liên Xô (trước đây) là 15 000 MW.

 Nước ta có nhiều nhà máy thuỷ điện. Hãy tìm hiểu công suất của một số nhà máy thuỷ điện lớn của nước ta!

Trả lời:

* Công suất một số nhà máy thuỷ điện lớn của nước ta:

- Nhà máy thuỷ điện Sơn La, công suất 2400 MW.

- Nhà máy Thủy điện Hòa Bình, công suất 1.920 MW.

- Thủy điện Lai Châu, công suất lắp đặt 1.200 MW.

- Nhà máy thủy điện Yaly, tổng công suất lắp đặt 720 MW.

- Nhà máy Thủy điện Trị An, công suất thiết kế 400 KW.

- Nhà máy thủy điện Hàm Thuận – Đa Mi, công suất 300 MW.