Lý thuyết Vật lý 10 bài 16: Công suất – Hiệu suất CTST

a. Khái niệm công suất

- Trong hệ SI, đơn vị của công suất là oát (watt) (kí hiệu W).

- 1 oát là công suất của một thiết bị hoặc một lực thực hiện công bằng 1J trong thời gian 1 s.

- Các bội số thường được sử dụng là kW, MW với 1kW = 10³W và 1MW = 10⁶W

- Một đơn vị thông dụng khác của công suất được sử dụng trong kĩ thuật là mã lực, kí hiệu là HP

1HP=746W hay \(1kW \approx \frac{4}{3}HP\)

Người và máy có công suất khác nhau

b. Mối liên hệ giữa công suất với lực tác dụng lên vật và vận tốc của vật

- Công suất trung bình: \({{\rm{P}}_{\,\,tb}} = \frac{A}{t} = F.{v_{tb}}\)

- Công suất tức thời: \({\rm{P}} = \frac{A}{t} = F.v\)

c. Vận dụng mối liên hệ giữa công suất với lực tác dụng lên vật và vận tốc của vật

Ví dụ: Máy nâng chuyên dụng có công suất không đổi P =2 kW được sử dụng để vận chuyển các thùng hàng nặng lên độ cao 4 m so với mặt đất. Giả sử vật được nâng với tốc độ không đổi. Hãy so sánh tốc độ nâng vật và thời gian nâng trong hai trường hợp: vật nặng 500 kg và vật nặng 1 000 kg. Lấy gia tốc trọng trường g = 9,8 m/s².

Hướng dẫn giải:

Do vật được nâng với tốc độ không đổi nên lực do xe nâng vật có độ lớn bằng với trọng lượng của vật F = mg

Áp dụng công thức ta xác định được tốc độ nâng vật:

\(v = \frac{P}{F}\)

Thời gian để nâng vật đến độ cao h:

\(t = \frac{A}{{\rm{P}}} = \frac{{F.h}}{P} = \frac{{m.g.h}}{P}\)

Với m₁ = 500kg: v₁ ≈ 0,41 m/s, t₁ = 9,8s

Với m₂ = 1 000kg: v₂ ≈ 0,2 m/s, t₂ = 19,6s

Với P là công suất có ích và P là công suất toàn phần của động cơ

ΔP = P − P′ là công suất hao phí của động cơ

- Hiệu suất của động cơ còn có thể được tính theo công thức \(H = \frac{{A'}}{A}.100\%\)

Với A’, A lần lượt là công có ích và công toàn phần của động cơ. Khi đó ΔA = A − A' được gọi là công hao phí của động cơ

Lưu ý: Hiệu suất của động cơ luôn nhỏ hơn 1, vì không có một máy móc nào hoạt động mà không có sự mất mát năng lượng do ma sát, nhiệt và các dạng năng lượng hao phí khác

- Việc ra đời của máy móc hiện đại giúp nâng cao hiệu quả công việc do hiệu suất được nâng lên

Hiệu suất của con người và máy móc khác nhau

b. Vận dụng công thức tính hiệu suất trong một số trường hợp thực tiễn

Ví dụ 1: Một thùng hàng có khối lượng 30 kg được đẩy lên một con dốc cao 2 m bằng một động cơ băng chuyền (Hình 16.7). Hiệu suất của động cơ là bao nhiêu? Biết rằng trong cả quá trình vận chuyển, động cơ cần sử dụng năng lượng tổng là 5000. Lấy g=9,8m/s.

Hướng dẫn giải:

Công có ích khi thực hiện đẩy thùng hàng lên đến đỉnh dốc là:

A' = m.g.h

Hiệu suất của động cơ băng chuyền trong quá trình vận chuyển này được xác định từ công thức:

\(H = \frac{{A'}}{A}.100\%  = \frac{{30.9,8.2}}{{5000}}.100\%  \approx 12\%\)

Ví dụ 2: Trong mỗi giây, một tấm pin mặt trời (Hình 16.8) có thể hấp thụ 750 J năng lượng ánh sáng, nhưng nó chỉ có thể chuyển hoá thành 120 J năng lượng điện. Hiệu suất của tấm pin này là bao nhiêu?

Hướng dẫn giải:

Hiệu suất của tấm pin là: 

\(H = \frac{{A'}}{A}.100\%  = \frac{{120}}{{750}}.100\%  \approx 16\%\)

Bài tập 1: Một lực F không đổi liên tục kéo một vật chuyển động với vận tốc có độ lớn v theo hướng của F. Công suất của lực F là gì?

Hướng dẫn giải:

Công suất của lực F là:

\({\rm{P}} = \frac{A}{t} = \frac{{F.d}}{t} = F.v\)

Bài tập 2: Một máy bơm nước, nếu tổn hao quá trình bơm là không đáng kể thì mỗi phút có thể bơm được 900 lít nước lên bể nước ở độ cao 10 m. Trong thực tế hiệu suất của máy bơm chỉ là 70% nên khối lượng nước bơm lên sau nửa giờ là bao nhiêu?

Hướng dẫn giải:

Đổi: nửa giờ = 30 phút.

- Khối lượng nước bơm được khi không có tổn hao là

\({m_0} = 900.30 = 27000\left( {kg} \right)\)

- Khối lượng nước bơm được khi hiệu suất máy bơm là 70%

\(m = 0,7.{m_0} = 0,7.27000 = 18900\left( {kg} \right)\)

Bài tập 3: Một máy bơm nước mỗi phút có thể bơm được 900 lít nước lên bể nước ở độ cao 10 m. Khối lượng riêng của nước 1 kg/lít. Lấy g = 10 m/s². Nếu hiệu suất của máy bơm chỉ là 75 % thì công suất máy bơm bằng?

Hướng dẫn giải:

- Công có ích thực hiện trong 1 phút là

\(A' = m.g.h = 900.10.10 = 90000\left( J \right)\)

- Công suất có ích là: \({\rm{P'}} = \frac{{A'}}{t} = \frac{{90000}}{{60}} = 1500\left( W \right)\)

- Công suất toàn phần của máy bơm là: \({\rm{P}} = \frac{{{\rm{P'}}}}{H} = \frac{{1500}}{{0,75}} = 2000\left( W \right)\)

C. Trắc nghiệm Vật lý 10 bài 16