Giải bài tập Vật lí lớp 10 Bài 2: Bảo toàn và chuyển hóa năng lượng

Mở đầu

Mở đầu trang 86 Vật lí 10:

Trong xây dựng, để có công trình bền vững thì cần xây nền móng chắc chắn bằng cách đóng những cọc bê tông đúc sẵn ngập sâu xuống nền đất. Mỗi máy đóng cọc đều có bộ phận búa máy được nâng lên nhờ sức thủy lực, hơi nước hoặc động cơ điêzen. Khi đạt tới điểm cao nhất, búa máy sẽ được thả cho rơi xuống, va chạm mạnh vào cọc bê tông và làm nó lún xuống (hình 2.1). Như vậy, búa máy khi ở trên cao có dự trữ năng lượng (thế năng) để sinh công làm dịch chuyển cọc. Động năng mà búa máy truyền sang cọc có liên hệ gì với khối lượng của búa máy và độ cao của nó trước khi thả rơi?

Lời giải:

Động năng của búa máy phụ thuộc vào độ cao của búa máy được đưa lên cao và khối lượng của búa.

Búa được đưa lên càng cao hay có khối lượng càng lớn thì động năng của nó càng lớn.

I. Thế năng và động năng

1. Thế năng

Câu hỏi 1 trang 87 Vật lí 10:

Tìm từ thích hợp với chỗ $\boxed{?}$ trong suy luận dưới đây:

Thế năng của búa máy càng $\boxed{?}$ thì lực của máy đóng cọc thực hiện công càng $\boxed{?}$, cọc lún xuống càng sâu.

Lời giải:

Thế năng của búa máy càng lớn thì lực của máy đóng cọc thực hiện công càng lớn, cọc lún xuống càng sâu.

Câu hỏi 2 trang 87 Vật lí 10:

So sánh thế năng trọng trường của vật ở độ cao h với công của người tác dụng lực nâng vật lên đến độ cao này.

Lời giải:

Thế năng trọng trường W_t = mgh

Công của trọng lực đưa vật từ mặt đất đến độ cao h là A = P.h = mgh

Vậy thế năng trọng trường của vật ở độ cao h bằng với công của người tác dụng lực nâng vật lên đến độ cao này.

Luyện tập

Luyện tập 1 trang 88 Vật lí 10:

Phan – xi – Păng là ngọn núi cao nhất trong ba nước Việt Nam, Lào, Campuchia, được mệnh danh là “nóc nhà Đông Dương”. Lên đến đỉnh núi cao 3147 m này là ước mơ của nhiều bạn trẻ.

Tính thế năng của người leo núi có khối lượng 70 kg khi leo lên đến đỉnh núi Phan – xi – Păng.

Lời giải:

Thế năng của người đó là W_t = mgh = 70.9,8.3147 = 2158842 J

2. Động năng

Câu hỏi 3 trang 88 Vật lí 10:

Từ liên hệ (i), (ii), hãy suy luận để rút ra kết luận: Động năng W_đ của vật có giá trị bằng công A của lực tác dụng lên nó.

Lời giải:

Ta có:

$v^2=2as\Rightarrow a=\frac{v^2}{2s}$ 

$F=ma=m.\frac{v^2}{2s}=\frac{m{v}^2}{2s}$

$A=F.s=\frac{m{v}^2}{2s}.s=\frac{1}{2}m{v}^2$

Vậy động năng của vật có giá trị bằng công A của lực tác dụng lên nó.

Vận dụng 1 trang 88 Vật lí 10:

So sánh động năng của ô tô nặng 1000 kg chuyển động với tốc độ 4 m/s và động năng của xe máy nặng 100 kg chuyển động với tốc độ 15 m/s.

Lời giải:

Động năng của ô tô là ${\text{W}}_o=\frac{m_1.v_1^2}{2}=\frac{{1000.4}^2}{2}=8000J$ 

Động năng của xe máy là ${\text{W}}_x=\frac{m_2.v_2^2}{2}=\frac{{100.15}^2}{2}=11250J$ 

Vậy xe máy có động năng lớn hơn.

II. Cơ năng

1. Sự chuyển hóa động năng và thế năng của vật

Câu hỏi 4 trang 89 Vật lí 10:

Năng lượng hao phí trong quá trình toa tàu chuyển động tồn tại dưới dạng nào?

Lời giải:

Năng lượng hao phí trong quá trình toa tàu chuyển động tồn tại dưới dạng nhiệt năng và năng lượng âm thanh.

Câu hỏi 5 trang 89 Vật lí 10:

Bạn chà xát hai bàn tay vào nhau liên tục cho đến khi lòng bàn tay ấm lên. Năng lượng nhiệt mà bạn cảm nhận được chuyển hóa từ dạng năng lượng nào?

Lời giải:

Bạn chà xát hai bàn tay vào nhau liên tục cho đến khi lòng bàn tay ấm lên. Năng lượng nhiệt mà bạn cảm nhận được chuyển hóa từ cơ năng thông qua việc thực hiện công.

Câu hỏi 6 trang 89 Vật lí 10:

Phân tích sự chuyển hóa động năng và thế năng của vật trong một số trường hợp đơn giản. Trong các trường hợp này có sự hao phí năng lượng không?

Bạn có thể sử dụng các trường hợp ở hình 2.4 hoặc tự đưa ra các tình huống khác.

Lời giải:

- Hình 2.4.a) Khi chơi xích đu, bạn đẩy cho xích đu ở một độ cao nào đó và buông ra, nó sẽ chuyển động qua lại quanh một vị trí cân bằng. Khi xích đu đi từ vị trí thấp nhất đến vị trí cao nhất, động năng chuyển hóa thành thế năng trọng trường. Khi xích đu đi từ vị trí cao nhất về vị trí thấp nhất, thế năng trọng trường chuyển hóa thành cơ năng.

- Hình 2.4.b) Khi chơi trò nhảy tự do trên bạt nhún, từ mặt bạt bạn nhún chân làm mặt bạt lún xuống, giúp bạn dự trữ một thế năng đàn hồi, sau đó mặt bạt căng lại giúp bạn nhảy lên cao, thì thế năng đàn hồi chuyển hóa thành động năng, rồi thành thế năng trọng trường, đến vị trí cao nhất, chỉ còn thế năng trọng trường. Khi bạn từ trên cao rơi xuống mặt bạt thì thế năng trọng trường chuyển hóa thành động năng. Khi bạn rơi đến mặt bạt, chân bạn chạm vào mặt bạt làm mặt bạt lún xuống,  động năng lại chuyển hóa thành thế năng đàn hồi.

- Hình 2.4.c) Thủ môn phát bóng bổng, anh ta tác dụng lực vào quả bóng, sinh công, chuyển hóa thành cơ năng của quả bóng. Khi quả bóng bay từ mặt đất lên cao, một phần động năng chuyển hóa thành cơ năng.

2. Định luật bảo toàn cơ năng

Câu hỏi 7 trang 90 Vật lí 10:

Cơ năng là gì?

Lời giải:

Cơ năng là tổng động năng và thế năng của vật.

Câu hỏi 8 trang 90 Vật lí 10:

Điều kiện để cơ năng của vật được bảo toàn là gì?

Lời giải:

Trong các trường hợp ma sát nhỏ, có thể bỏ qua hao phí năng lượng thì cơ năng của vật được bảo toàn.

Vận dụng 2 trang 90 Vật lí 10:

Giải lại bài tập minh họa với m = 10 kg. Chứng minh rằng tốc độ lớn nhất của quả lắc không phụ thuộc vào khối lượng của nó.

Lời giải:

Thế năng của vật ở vị trí cao nhất trong quỹ đạo là

W_t = mgh = 10.9,8.0,15 = 14,7 J

Ở vị trí thấp nhất trên quỹ đạo, toàn bộ thế năng của vật đã chuyển thành động năng vì ma sát là không đáng kể. W_đ = W_t = 14,7 J.

Ta có công thức tính động năng

${\text{W}}_d=\frac{1}{2}.m{v}^2\Rightarrow v=\sqrt{\frac{2W_d}{m}}=\sqrt{\frac{2.14,7}{10}}=1,715$ (m/s)

Ta có $mgh=\frac{1}{2}.m{v}^2\Rightarrow v=\sqrt{2gh}$, vậy vận tốc cực đại của vật không phụ thuộc vào khối lượng vật.

Luyện tập 2 trang 91 Vật lí 10:

Nhảy cầu là một môn thể thao. Vận động viên nhảy lên, đạt điểm cao nhất cách mặt nước 10 m, rồi rơi xuống. Trong quá trình rơi, vận động viên thực hiện các động tác nhào lộn đẹp mắt trước khi chạm nước (hình 2.6). Em hãy ước lượng tốc độ của vận động viên khi chạm nước. Nước trong bể có vai trò như thế nào trong việc đảm bảo an toàn cho vận động viên?

Lời giải:

Ta có $v=\sqrt{2gh}=\sqrt{2.9,8.10}=14$ (m/s). Nước trong bể bơi có tác dụng hãm lại chuyển động của vận động viên, do ma sát giữa cơ thể với nước mà vận động viên sẽ chuyển động chậm dần và dừng lại.

Luyện tập 3 trang 91 Vật lí 10:

Một em bé có khối lượng 20 kg trượt từ đỉnh cầu trượt cao 2 m. Khi tới chân cầu trượt, em bé có tốc độ 4 m/s. Cơ năng của em bé có bảo toàn không? Tại sao?

Lời giải:

Thế năng của em bé ở đỉnh cầu trượt W_t = mgh = 20.9,8.2 = 392 J

Động năng của em bé ở chân cầu trượt là W_đ  = $\frac{1}{2}.m.v^2=\frac{1}{2}{\mathrm{.20.4}}^2=160J$ 

Vậy cơ năng của em bé không được bảo toàn, vì thế năng không chuyển hóa hoàn toàn thành động năng. Lí do là xuất hiện ma sát giữa cơ thể em bé và mặt cầu trượt.

III. Sự bảo toàn và chuyển hóa năng lượng. Hiệu suất

1. Sự chuyển hóa năng lượng

Câu hỏi 9 trang 91 Vật lí 10:

Lấy ví dụ về sự chuyển hóa từ năng lượng dự trữ thành năng lượng hoạt động trong cuộc sống và sản xuất nông nghiệp, công nghiệp.

Lời giải:

Ví dụ 1: Người ta xây các đập nước ở vị trí cao để cho nước chảy xuống tuabin của nhà máy thủy điện. Nước dự trữ một thế năng khi ở trên cao, sau đó đổ xuống tuabin thì chuyển hóa năng lượng dự trữ này thành động năng. Động năng quay của tuabin lại chuyển hóa thành điện năng dùng trong sản xuất nông nghiệp, công nghiệp.

Ví dụ 2: Năng lượng hóa học dự trữ trong xăng, dầu khi được đốt cháy sẽ chuyển hóa thành nhiệt năng, nhiệt năng từ các xilanh chuyển hóa thành động năng động cơ, làm xe chạy.

Tìm hiểu thêm trang 91 Vật lí 10:

- Bạn hãy tìm hiểu thêm về quá trình chuyển hóa các chất dinh dưỡng trong cơ thể và các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất chuyển hóa năng lượng dự trữ trong thức ăn.

- Kể cả ở những nhà máy điện có hiệu suất cao nhất, chỉ có 40% năng lượng từ nhiên liệu được chuyển hóa thành điện năng hòa vào lưới điện. Bạn hãy tìm hiểu về các dạng năng lượng hao phí trong quá trình sản xuất và truyền tải điện năng đi xa.

Lời giải:

- Chúng ta nhận được năng lượng hóa học từ thực phẩm, thức ăn, mà chúng ta sử dụng để chạy, di chuyển, giữ ấm và nói chuyện (động năng, nhiệt năng và âm thanh). Năng lượng được lưu trữ trong các liên kết hóa học của các phân tử cấu tạo nên thức ăn. Một khi chất dinh dưỡng được tiêu hóa và vận chuyển đến các tế bào trong cơ thể, một quá trình được gọi là hô hấp tế bào sẽ giải phóng năng lượng dự trữ và chuyển nó thành năng lượng mà tế bào của cơ thể có thể sử dụng.

- Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất chuyển hóa:

+ Trong hệ tiêu hóa chứa ít các vi khuẩn có lợi, không chuyển hóa hoàn toàn các chất dinh dưỡng.

+ Hiệu suất chuyển hóa có liên quan đến gene và hormon chuyển hóa. Ví dụ những người có chức năng tuyến giáp bình thường sẽ sản sinh ra nhiều nhiệt chuyển hóa hơn và hiệu suất chuyển hóa sẽ thấp hơn. Những người có chức năng tuyến giáp kém hơn sản sinh ít nhiệt và có sự chuyển hóa hiệu suất cao hơn. Đó là một lí do vì sao những người có chức năng tuyến giáp kém thường phản ứng chậm hơn với chế độ ăn kiêng.

+ Ngoài ra còn do trong thức ăn có một số chất khó chuyển hóa, hoặc chứa các chất độc làm giảm hiệu suất chuyển hóa.

+ Người có bệnh lý về tiêu hóa và chuyển hóa cũng ảnh hưởng đến hiệu suất chuyển hóa, ví dụ người có bệnh về đường ruột, hoặc tiết ra ít men tiêu hóa, dịch tiêu hóa thì hiệu suất phân giải thức ăn thành các thành phần dinh dưỡng hấp thu được thấp hơn;….

- Năng lượng hao phí trong quá trình sản xuất điện năng:

+ Năng lượng nhiệt: năng lượng từ nhiên liệu chuyển hóa một phần thành nhiệt năng tỏa ra môi trường xung quanh và làm nóng các thiết bị sản xuất.

+ Năng lượng âm thanh: nhiên liệu bị đốt cháy hoặc tham gia các phản ứng phát ra âm thanh.

- Năng lượng hao phí trong quá trình truyền tải điện năng đi xa là năng lượng nhiệt: do dây dẫn bao giờ cũng có điện trở nên sẽ có sự tỏa nhiệt làm nóng đường dây và các thiết bị.

2. Hiệu suất

Luyện tập 4 trang 92 Vật lí 10:

Máy tời đang hoạt động với công suất 1000 W đưa 100 kg vật liệu lên đều tới độ cao 16 m trong 20 s. Tính hiệu suất của máy tời.

Lời giải:

Công mà máy tời thực hiện nâng vật lên cao là:

 A = mgh = 100.9,8.16 = 15680 (J)

Công mà máy đã tiêu thụ trong thời gian đó là:

 A_tp = $\text{P}$.t = 1000.20 = 20000 J

Hiệu suất của máy là: $H=\frac{A_{ich}}{A_{tp}}.100\%=\frac{15680}{20000}.100\%=78,4\%$ 

Luyện tập 5 trang 92 Vật lí 10:

Với mỗi động cơ ở bảng 2.1, chỉ ra dạng năng lượng cung cấp, dạng năng lượng có ích tạo ra, dạng năng lượng hao phí tạo ra và biểu diễn dưới dạng lược đồ như hình 2.7

Lời giải:

Lược đồ minh họa hiệu suất của động cơ hơi nước chạy sử dụng than đá H = 45%.

Lược đồ minh họa hiệu suất của động cơ điện H = 90%.

Vận dụng 3 trang 92 Vật lí 10:

Tại sao cần tắt điều hòa, tắt đài, tắt đèn trong ô tô khi ô tô đang đi trên đường mà gần hết xăng.

Lời giải:

Cần tắt điều hòa, tắt đài, tắt đèn trong ô tô khi ô tô đang đi trên đường mà gần hết xăng để giảm thiểu sự tiêu tốn năng lượng. Vì hầu hết hoạt động của các thiết bị trên xe đều được cung cấp từ năng lượng xăng.

3. Minh họa định luật bảo toàn năng lượng

Vận dụng 4 trang 93 Vật lí 10:

Chế tạo mô hình đơn giản để minh họa định luật bảo toàn năng lượng, liên quan đến một số dạng năng lượng khác nhau.

Lời giải:

- Quả cầu được đặt ở A, vị trí cao h₁ so với mặt đất, chuyển động qua lại trên máng, sang vị trí B, ở độ cao h₂ thấp hơn h₁ một chút. Sau đó từ B, quả cầu chuyển động qua C sang vị trí A’ ở độ cao h₃ thấp hơn h₂ một chút. Quá trình này lặp lại cho đến khi quả cầu chuyển động về C và dừng lại tại C. Thế năng của quả cầu được dự trữ tại vị trí A do tay thực hiện công đưa quả nặng đến vị trí A, sau đó thế năng giảm nhưng không mất đi mà chuyển hóa thành động năng, nhiệt năng và năng lượng âm thanh.

- Năng lượng được bảo toàn, nó chỉ chuyển hóa từ dạng này sang dạng khác.