Bài học

Ôn tập công và công suất — vận dụng thực tế

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em vận dụng thành thạo công thức $A = F.s$ và $P = \dfrac{A}{t}$ để giải các bài toán tổng hợp nhiều bước, và so sánh được công suất thực tế của một thiết bị với công suất định mức ghi trên nhãn.

Kiến thức nền cần nhớ

Ở phần đầu chương trình Vật lí 9, em đã học công cơ học chỉ tồn tại khi lực có phương trùng với phương chuyển dời của vật, công thức $A = F.s$ (đơn vị Joule), và công suất là đại lượng đặc trưng cho tốc độ thực hiện công, $P = \dfrac{A}{t}$ (đơn vị Watt). Bài này ôn lại hai công thức đó ở mức vận dụng cao hơn: kết hợp với trọng lượng $P_{trọng} = 10m$ và so sánh công suất tính được với công suất định mức ghi trên thiết bị.

Khởi động

Một máy bơm nước ghi công suất định mức 2,5 kW, nhưng khi bơm thực tế nước lên bể, công suất máy bơm thực hiện có luôn đúng bằng con số ghi trên nhãn không? Vì sao?

Kiến thức trọng tâm

Trong các bài toán tổng hợp, trọng lượng của vật được tính từ khối lượng bằng $P_{trọng} = 10m$ ( $m$ tính bằng kg, $P_{trọng}$ tính bằng N), rồi mới thay vào $A = F.s$ với $F = P_{trọng}$ khi lực nâng cân bằng đúng trọng lượng vật. Trên nhãn mỗi thiết bị (máy bơm, động cơ, cần cẩu) thường ghi công suất ĐỊNH MỨC — công suất tối đa thiết bị đạt được khi hoạt động lí tưởng. Công suất THỰC TẾ tính từ công và thời gian đo được trong một tình huống cụ thể thường nhỏ hơn công suất định mức, vì một phần năng lượng luôn hao phí do ma sát ở các bộ phận truyền động và toả nhiệt ra môi trường.

Khi chọn mua một thiết bị (máy bơm, quạt, động cơ), người dùng thường chỉ nhìn vào công suất định mức ghi trên nhãn mà không biết rằng công suất thực tế khi vận hành luôn nhỏ hơn hoặc bằng con số đó — chưa kể một số thiết bị còn ghi công suất TIÊU THỤ (điện năng vào) thay vì công suất CÓ ÍCH (công thực hiện được), hai giá trị này khác nhau chính bởi phần hao phí vừa nêu. Vì vậy, khi giải bài tập, luôn cần đọc kỹ đề để biết công suất được hỏi là công suất định mức (ghi trên nhãn) hay công suất thực tế (tính từ số liệu công và thời gian cụ thể).

Công cơ học $A = F.s$ chỉ tính khi lực $F$ có thành phần dọc theo phương chuyển dời $s$ của vật; nếu lực vuông góc với phương chuyển dời (ví dụ lực nâng một túi xách khi người xách đi ngang trên đường phẳng), lực đó không sinh công dù vật vẫn di chuyển. Công suất $P = \dfrac{A}{t}$ cho biết tốc độ thực hiện công nhanh hay chậm; hai thiết bị thực hiện cùng một công nhưng trong thời gian khác nhau sẽ có công suất khác nhau. Trong các bài toán tổng hợp, trọng lượng của vật được tính từ khối lượng bằng $P_{trọng} = 10m$ ($m$ tính bằng kg, $P_{trọng}$ tính bằng N), rồi mới thay vào $A = F.s$ với $F = P_{trọng}$ khi lực nâng cân bằng đúng trọng lượng vật. Trên nhãn mỗi thiết bị (máy bơm, động cơ, cần cẩu) thường ghi công suất ĐỊNH MỨC — công suất tối đa thiết bị đạt được khi hoạt động lí tưởng. Công suất THỰC TẾ tính từ công và thời gian đo được trong một tình huống cụ thể thường nhỏ hơn công suất định mức, vì một phần năng lượng luôn hao phí do ma sát ở các bộ phận truyền động và toả nhiệt ra môi trường. Khi chọn mua một thiết bị (máy bơm, quạt, động cơ), người dùng thường chỉ nhìn vào công suất định mức ghi trên nhãn mà không biết rằng công suất thực tế khi vận hành luôn nhỏ hơn hoặc bằng con số đó — chưa kể một số thiết bị còn ghi công suất TIÊU THỤ (điện năng vào) thay vì công suất CÓ ÍCH (công thực hiện được), hai giá trị này khác nhau chính bởi phần hao phí vừa nêu. Vì vậy, khi giải bài tập, luôn cần đọc kỹ đề để biết công suất được hỏi là công suất định mức (ghi trên nhãn) hay công suất thực tế (tính từ số liệu công và thời gian cụ thể).

Ví dụ

Tính công và công suất của máy bơm nước

1
Một máy bơm hút 2 000 lít nước (khối lượng riêng nước 1000 kg/m³) từ giếng lên bể chứa ở độ cao 6 m, trong thời gian 100 giây. Bỏ qua ma sát trong ống dẫn, tính công và công suất của máy bơm.
2
Thể tích nước: $V = 2000$ lít $= 2\ m^3$ . Khối lượng: $m = D.V = 1000 \times 2 = 2000$ kg. Trọng lượng: $P_{trọng} = 10m = 10 \times 2000 = 20000$ N.
Thể tích nước: $V = 2000$ lít $= 2\ m^3$. Khối lượng: $m = D.V = 1000 \times 2 = 2000$ kg. Trọng lượng: $P_{trọng} = 10m = 10 \times 2000 = 20000$ N.
3
$A = F.s = P_{trọng} \times h = 20000 \times 6 = 120000$ J $= 120$ kJ.
$A = F.s = P_{trọng} \times h = 20000 \times 6 = 120000$ J $= 120$ kJ.
4
$P = \dfrac{A}{t} = \dfrac{120000}{100} = 1200$ W $= 1,2$ kW.
$P = \dfrac{A}{t} = \dfrac{120000}{100} = 1200$ W $= 1,2$ kW.
5
Vậy công máy bơm thực hiện là 120 kJ, công suất của máy bơm là 1,2 kW.

Ví dụ

So sánh công suất thực tế và công suất định mức

1
Một động cơ điện nâng một vật nặng 150 kg lên cao 8 m trong 10 giây. Nhãn động cơ ghi công suất định mức 1,5 kW. Tính công suất thực tế của động cơ, so sánh với công suất định mức và giải thích phần chênh lệch (nếu có).
2
Trọng lượng: $P_{trọng} = 10m = 10 \times 150 = 1500$ N. (1) Công: $A = F.s = 1500 \times 8 = 12000$ J. (2)
Trọng lượng: $P_{trọng} = 10m = 10 \times 150 = 1500$ N. (1) Công: $A = F.s = 1500 \times 8 = 12000$ J. (2)
3
Từ (2), áp dụng $P_{tt} = \dfrac{A}{t} = \dfrac{12000}{10} = 1200$ W $= 1,2$ kW. (3)
Từ (2), áp dụng $P_{tt} = \dfrac{A}{t} = \dfrac{12000}{10} = 1200$ W $= 1,2$ kW. (3)
4
Từ (3), $P_{tt} = 1,2$ kW nhỏ hơn công suất định mức $1,5$ kW. Do đó, phần công suất còn lại ( $0,3$ kW) không chuyển hết thành công nâng vật, mà hao phí do ma sát ở các bộ phận truyền động và toả nhiệt ở động cơ.
Từ (3), $P_{tt} = 1,2$ kW nhỏ hơn công suất định mức $1,5$ kW. Do đó, phần công suất còn lại ($0,3$ kW) không chuyển hết thành công nâng vật, mà hao phí do ma sát ở các bộ phận truyền động và toả nhiệt ở động cơ.
5
Vậy công suất thực tế của động cơ là 1,2 kW, nhỏ hơn công suất định mức 1,5 kW do hao phí năng lượng trong quá trình vận hành.

Ví dụ

Tính công suất tối thiểu cần thiết cho một công việc có thời hạn

1
Một cần cẩu cần nâng một khối bê tông nặng 300 kg lên cao 5 m trong thời gian không quá 15 giây để kịp tiến độ thi công. Tính công suất tối thiểu mà cần cẩu phải đạt được.
2
Trọng lượng: $P_{trọng} = 10m = 10 \times 300 = 3000$ N. Công cần thực hiện: $A = F.s = 3000 \times 5 = 15000$ J.
Trọng lượng: $P_{trọng} = 10m = 10 \times 300 = 3000$ N. Công cần thực hiện: $A = F.s = 3000 \times 5 = 15000$ J.
3
Muốn hoàn thành đúng công đó trong không quá 15 giây, công suất cần cẩu phải đạt tối thiểu: $P_{min} = \dfrac{A}{t} = \dfrac{15000}{15} = 1000$ W $= 1$ kW.
Muốn hoàn thành đúng công đó trong không quá 15 giây, công suất cần cẩu phải đạt tối thiểu: $P_{min} = \dfrac{A}{t} = \dfrac{15000}{15} = 1000$ W $= 1$ kW.
4
Vậy cần cẩu phải có công suất tối thiểu 1 kW mới hoàn thành công việc nâng khối bê tông trong thời gian yêu cầu; nếu công suất định mức của cần cẩu nhỏ hơn 1 kW, công việc chắc chắn không kịp tiến độ dù thời gian vận hành có kéo dài thêm.

Sai lầm thường gặp

Học sinh hay quên đổi đơn vị (lít sang m³, phút sang giây, khối lượng kg sang trọng lượng N) trước khi thay vào công thức, dẫn đến sai kết quả hàng chục hoặc hàng nghìn lần.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

$A = F.s$ chỉ tính khi lực có thành phần dọc theo phương chuyển dời; $P = \dfrac{A}{t}$ ; trọng lượng $P_{trọng} = 10m$ ; công suất thực tế thường nhỏ hơn công suất định mức do hao phí.

$A = F.s$ chỉ tính khi lực có thành phần dọc theo phương chuyển dời; $P = \dfrac{A}{t}$; trọng lượng $P_{trọng} = 10m$; công suất thực tế thường nhỏ hơn công suất định mức do hao phí.

Bài tiếp theo dùng chính công cơ học vừa ôn để xây dựng khái niệm cơ năng — năng lượng một vật có được do vị trí và do chuyển động của nó.