Ở trường THCS các em đã biết:

– Mọi hiện trạng xảy ra trong tự nhiên đều cần có năng lượng dưới các dạng khác nhau như: cơ năng, hoá năng, nhiệt năng, điện năng, năng lượng ánh sáng, năng lượng âm thanh, năng lượng nguyên tử.

– Năng lượng có thể chuyển hoá từ dạng này sang dạng khác hoặc truyền từ vật này sang vật khác.

– Năng lượng không tự sinh ra hoặc tự mất đi mà chỉ chuyển hoá từ dạng này sang dạng khác hoặc truyền từ vật này sang vật khác.

Thí nghiệm của Joule về sự truyền, chuyển hoá và bảo toàn năng lượng

– Thí nghiệm mang tính lịch sử được James Joule thực hiện vào những năm 1844 – 1854 nhằm minh hoạ định luật bảo toàn năng lượng. Sơ đồ thí nghiệm được mô tả trong Hình 23.1. Khi cho vật nặng chuyển động đi xuống, dây nối sẽ làm cho trục quay và cánh quạt quay theo. Ma sát giữa cánh quạt và nước làm cho nước nóng lên.

– Ở đây có sự truyền năng lượng từ vật nặng sang nước, cụ thể là sự chuyển hoá từ cơ năng sang nhiệt năng.

– Thí nghiệm đã cho thấy cơ năng của vật nặng giảm đi bao nhiêu thì nhiệt của nước tăng lên bấy nhiêu. Điều đó chứng tỏ, trong quá trình năng lượng truyền từ vật này sang vật khác, chuyển hoá năng lượng từ dạng này sang dạng khác, năng lượng luôn được bảo toàn.

Hình 23.1. Sơ đồ thí nghiệm minh hoạ định luật bảo toàn năng lượng năng 

(1) Vật nặng

(2) Dây nối

(3) Trục quay

(4) Cánh quạt

(5) Nhiệt kế

Năng lượng có thể chuyển hoá từ dạng này sang dạng khác, hoặc truyền từ vật này sang vật khác và luôn được bảo toàn.

a. Thực hiện công

– Năng lượng có thể truyền từ vật này sang vật khác.

Ví dụ: Khi đẩy cuốn sách, ta tác dụng lực vào nó làm nó chuyển từ trạng thái đứng yên (y = 0; W_đ= 0) sang trạng thái chuyển động nhanh dần (vận tốc tăng, động năng tăng). Động năng của sách tăng là do sách đã nhận được năng lượng từ tay ta truyền sang (Hình 23,2).

Hình 23.2. Đẩy cuốn sách

– Việc truyền năng lượng cho vật bằng cách tác dụng lực lên vật làm vật thay đổi trạng thái chuyển động như trên được gọi là thực hiện công cơ học (gọi tắt là thực hiện công).

b. Công thức tính công

* Khi lực không đổi và cùng hướng với chuyển động

– Ở lớp 9, chúng ta đã học công thức tính công của lực khi lực không đổi và cùng hướng với chuyển động: A = F.s  (23.1) trong đó A là công của lực \(\overrightarrow F \) có đơn vị cùng với đơn vị năng lượng làjun (0): 1J = 1N.1m; F là cường độ của lực tác dụng lên vật làm vật chuyển động, đơn vị là niuton (N), s là quãng đường đi được của vật, đơn vị là mét (m).

– Khi lực cùng hướng với chuyển động thì độ dịch chuyển \(\overrightarrow d \) có độ lớn bằng quãng đường đi được s, nên công thức tính công cũng có thể viết dưới dạng: A = F.d   (23.2)

* Khi lực không đổi và không cùng phương với chuyển động

– Khi người đẩy xe hàng để nó chuyển động theo chiều dương của trục Ox, lực đẩy \(\overrightarrow F \) làm với hướng chuyển động một góc \(\alpha \) bất kì (Hình 23.4). Ta phân tích lực \(\overrightarrow F \) ra hai lực thành phần vuông góc với nhau: \(\overrightarrow Fs \) cùng hướng với chuyển động và \(\overrightarrow Fn \) vuông góc với \(\overrightarrow Fs \). (Hình 23.5).

– Trong trường hợp này chỉ có thành phần \(\overrightarrow Fs \) làm vật chuyển động, nên công thức tính công của lực trong trường hợp này là: A = F_s.s= (F.cos\(\alpha \)).s = F.s.cos\(\alpha \)

Hình 23.4. Lực không cùng phương với phương chuyển động

– Tuỳ thuộc vào góc cmà có thể xảy ra các trường hợp sau: 

+ \(0{\rm{ }} \le {\rm{ }}\alpha {\rm{ }} < {\rm{ }}90^\circ \): thành phần \(\overrightarrow Fs \) của \(\overrightarrow F \) lên phương chuyển động cùng chiều với chiều chuyển động. Công của lực được gọi là công phát động (A > 0) (Hình 23.5a).

+ a = 90°: lực vuông góc với phương chuyển động, khi đó lực không sinh công (A = 0) (Hình 23.5b).

+ \(90^\circ {\rm{  <  }}\alpha {\rm{ }} \le {\rm{ }}180^\circ \): thành phần \(\overrightarrow Fs \) của \(\overrightarrow F \) lên phương chuyển động ngược chiều với chiều chuyển động, lực làm cản trở chuyển động của vật. Công của lực được gọi là công cản (A < 0) (Hình 23.5c).

Hình 23.5

– Công là số đo phần năng lượng được truyền hoặc chuyển hoá trong quá trình thực hiện công. – Công có đơn vị là jun (J): 1) = 1 N.1 m. – Công thức tính công: A = F.d.cos\(\alpha \)

Bài tập ví dụ 1

Khi rửa gầm xe ô tô (Hình 23.6), người ta sử dụng máy nâng để nâng ô tô lên độ cao h= 160 cm so với mặt sàn. Cho biết khối lượng ô tô là m = 1,5 tấn và gia tốc trọng trường là g = 10 m/s². Tính công tối thiểu mà máy nâng đã thực hiện.

Hình 23.6

Giải

Để nâng được ô tô lên thì máy nâng phải tác dụng vào ô tô một lực có độ lớn tối thiểu bằng trọng lượng của ô tô:

F = P=m.g= 1,5.10³.10 = 1,5.10⁴N.

Công tối thiểu mà máy nâng đã thực hiện là:

A= P.h=24 000J = 24 kl.

Bài tập ví dụ 2

Một bạn học sinh có khối lượng 50 kg đi lên một cầu thang gồm 20 bậc, mỗi bậc cao 15 cm, dài 20 cm (Hình 23.7). Tính công tối thiểu mà bạn ấy phải thực hiện. Coi lực mà học sinh tác dụng lên mỗi bậc thang là không đổi trong quá trình di chuyển. Lấy gia tốc là không đổi trong quá trình di chuyển. Lấy gia tốc trọng trường là g = 10 m/s².

Hình 23.7

Giải

– Muốn lên cầu thang này bạn học sinh phải có lực nâng tối thiểu như Hình 23.8: \(\overrightarrow F \)min = – \(\overrightarrow P \) → Fmin = P = m.g

– Độ dịch chuyển của bạn học sinh là: \(\overrightarrow d \) = \(\overrightarrow AB \).

– Công tối thiểu mà bạn ấy phải thực hiện là:

A_min = F_min.d.cos\(\alpha \) = F_min.d.sin\(\beta \) = m.g.d.sin\(\beta \) =m.g.h = 50.10.20.0,15 = 1 500 J.

Nhận xét: Độ lớn của công dùng để đưa vật lên cao luôn là: A = P.h. Với h là độ cao vật được nâng lên không phụ thuộc vào việc được đưa lên cao theo đường thẳng đứng hay nằm nghiêng.