📖 Bài 4: Công và công suất - lớp 9

1. Tóm tắt lý thuyết

A. Công cơ học (gọi tắt là Công)

• Định nghĩa: Công cơ học là số đo phần năng lượng được truyền từ vật này qua vật khác trong tương tác giữa các vật. Công được thực hiện khi có lực tác dụng lên vật và làm vật dịch chuyển theo hướng của lực.
• Công thức tính: $A = F.s$.
  • Trong đó: $F$ là lực tác dụng (đơn vị là N), $s$ là quãng đường dịch chuyển theo hướng của lực (đơn vị là m).
  • Lưu ý: Nếu vật dịch chuyển theo phương vuông góc với phương của lực thì công của lực đó bằng 0. (Công thức tổng quát khi lực hợp với hướng chuyển động một góc $\alpha$ là $A = F.s.\cos\alpha$).
• Đơn vị: jun (J), với $1 \text{ J} = 1 \text{ N.m}$.
  • Các bội của jun: kilôjun (1 kJ = $10^3$ J), mêgajun (1 MJ = $10^6$ J).
  • Các đơn vị khác trong thực tế: BTU ($1 \text{ BTU} = 1055 \text{ J}$), calo ($1 \text{ cal} = 4,186 \text{ J}$), kilôcalo ($1 \text{ kcal} = 1000 \text{ cal} = 4186 \text{ J}$).

B. Công suất

• Định nghĩa: Công suất là tốc độ thực hiện công (đại lượng đặc trưng cho việc thực hiện công nhanh hay chậm).
• Công thức tính: $\mathcal{P} = \frac{A}{t}$.
  • Trong đó: $A$ là công thực hiện (J), $t$ là thời gian thực hiện công (s), $\mathcal{P}$ là công suất.
• Đơn vị: oát (W), với $1 \text{ W} = 1 \text{ J/s}$.
  • Các bội của oát: kilôoát (1 kW = $10^3$ W), mêgaoát (1 MW = $10^6$ W), gigaoát (1 GW = $10^9$ W).
  • Các đơn vị khác: Mã lực (HP) với $1 \text{ HP} = 746 \text{ W}$; Đơn vị của thiết bị sưởi ấm/làm lạnh là BTU/h ($1 \text{ BTU/h} \approx 0,293 \text{ W}$).

2. Mô tả các hình minh hoạ trực quan

• Hình 4.1 - Xe đẩy siêu thị: Một người dùng lực $F$ đẩy xe hàng dịch chuyển một quãng đường $s$ trên mặt sàn nằm ngang. Lực đẩy cùng hướng với hướng dịch chuyển nên người này đã thực hiện một công cơ học.

• Hình 4.2 - Các trường hợp có và không thực hiện công:
  • Có thực hiện công: Đưa vật nặng lên cao bằng ròng rọc (lực kéo làm vật di chuyển lên) và vận động viên ném lao (lực của tay làm lao bay đi).
  • Không thực hiện công: Học sinh đang ngồi học bài (không có sự dịch chuyển cơ học) và vận động viên cử tạ đang đứng yên giữ quả tạ trên không (có lực tác dụng nhưng quãng đường dịch chuyển $s = 0$).

• Hình 4.4 - Nâng hàng lên xe tải: So sánh giữa việc dùng máy nâng để đưa thùng hàng lên xe (hết 10 giây) và việc công nhân tự nâng (hết 15 giây). Qua đó minh hoạ khái niệm công suất: máy nâng thực hiện công nhanh hơn nên có công suất lớn hơn.

3. Em đã học

Từ bài học này, em ghi nhớ được các kiến thức cốt lõi:

• Công có giá trị bằng lực nhân với quãng đường dịch chuyển theo hướng của lực: $A = F.s$.
• Công suất là tốc độ thực hiện công: $\mathcal{P} = \frac{A}{t}$.

4. Em có thể

• Tính được công suất của thiết bị thực tế: Dựa vào công, quãng đường, thời gian hoặc các thông số ghi trên thiết bị, em có thể tính toán được công suất khi chúng đang hoạt động.
• Hiểu ý nghĩa của công suất trong chuyển hoá năng lượng: Công suất cũng được dùng để mô tả tốc độ chuyển hoá năng lượng. Ví dụ: Một bóng đèn có công suất 50W nghĩa là trong 1 giây, bóng đèn đó đã chuyển hoá 50J điện năng thành quang năng và nhiệt năng.

5. Ví dụ thực tế ứng dụng kiến thức

1. Ví dụ về có lực nhưng không có công cơ học:

• Em rủ toàn bộ sức lực đẩy một bức tường bê tông nhưng tường không hề nhúc nhích. Em sẽ cảm thấy rất mệt (tiêu hao năng lượng sinh học) nhưng xét về mặt vật lí, vì quãng đường dịch chuyển $s = 0$ nên công cơ học của em bằng 0.
• Đeo ba lô nặng 5kg đứng chờ xe buýt suốt 30 phút. Em tác dụng lực nâng thẳng đứng để giữ ba lô, nhưng không di chuyển theo hướng lực nâng, do đó công bằng 0.

2. Ứng dụng của phương vuông góc ($A=0$):

• Một người xách chiếc cặp theo phương thẳng đứng và bước đi trên mặt đường nằm ngang. Trọng lực và lực xách của tay hướng thẳng đứng (vuông góc với hướng dịch chuyển ngang), do đó lực xách và trọng lực không sinh công cơ học trong trường hợp này.

3. Bài toán mua sắm thiết bị dựa vào công suất (Power):

• Thang máy vs Leo thang bộ: Hai người có cùng cân nặng, cùng đi lên tầng 5. Một người đi thang máy mất 10 giây, một người leo thang bộ mất 1 phút. Cả hai thực hiện một công ($A$) bằng nhau (cùng trọng lượng $P$, cùng độ cao $h$). Tuy nhiên, thang máy hoàn thành trong thời gian ($t$) ngắn hơn rất nhiều, chứng tỏ động cơ thang máy có công suất ($\mathcal{P}$) lớn hơn người leo bộ.
• Chọn máy bơm nước: Khi mua máy bơm nước, người ta rất quan tâm đến mã lực (HP) hoặc số oát (W). Một máy bơm 2 HP (khoảng 1492 W) sẽ bơm đầy bồn nước trên tầng thượng nhanh gấp đôi so với máy bơm 1 HP (746 W) do tốc độ thực hiện công nhanh hơn.