Công - Vật lý 10

Bản chất toán học:

Về bản chất toán học, công của một lực chính là tích vô hướng giữa hai vectơ $\overrightarrow{F}, \overrightarrow{S}.$.

Để hiểu rõ bản chất vấn đề, xin nhắc lại bài toán tích vô hướng giữa hai vectơ.

Định nghĩa:

Khi lực $\overrightarrow{F}$  không đổi tác dụng lên một vật và điểm đặt của lực đó chuyển dời một đoạn s theo hướng hợp với hướng của lực góc $\alpha$ thì công thực hiện được bởi lực đó được tính theo công thức $A=F.S.\cos \left(\alpha \right)$

Chú thích:

$A$: công cơ học $\left(J\right)$,

$F$: lực tác dụng $\left(N\right)$.

$S$: quãng đường vật dịch chuyển $\left(m\right)$.

$\alpha$: góc tạo bởi hai vectơ $\overrightarrow{F}, \overrightarrow{S}$ $\left(deg\right)$ hoặc $\left(rad\right)$.

Biện luận:

Mối quan hệ giữa góc anpha và công do lực sinh ra.

Định nghĩa:

Công suất là đại lượng đo bằng công sinh ra trong một đơn vị thời gian.

Chú thích:

$A$: công cơ học $\left(J\right)$.

$t$: thời gian thực hiện công đó $\left(s\right)$.

$\mathcal{P}$: công suất $\left(W\right)$.

Định lý động năng:

Độ biến thiên động năng của vật bằng với công của ngoại lực tác dụng lên vật.

Chú thích:

$A$: công do ngoại lực tác động $\left(J\right)$.

$∆W_{đ}$: độ biến thiên động năng của vật $\left(J\right)$.

$W_{đ2}$: động năng lúc sau của vật $\left(J\right)$.

$W_{đ1}$: động năng lúc đầ của vật $\left(J\right)$.

Công thức độc lập theo thời gian:

Từ định lý động năng này, sau khi biến đổi sẽ cho ra hệ thức độc lập theo thời gian.

Ta có $A=∆W_{đ}=\frac{1}{2}m.v_2^2-\frac{1}{2}m.v_1^2$

$$\begin{gathered} \iff A=\frac{1}{2}m(v_2^2-v_1^2) \\ \iff F.s=\frac{1}{2}m(v_2^2-v_1^2) \\ \iff v^2-v_0^2=2.a.S \end{gathered}$$

Bản chất công thức độc lập theo thời gian được xây dựng từ định lý động năng.

Khái niệm:

Khi một vật chuyển động trong trọng trường từ vị trí M đến vị trí N thì công của trọng lực thực hiện có giá trị bằng hiệu thế năng trọng trường tại M và tại N.

Hệ quả:

Trong quá trình chuyển động của một vật trong trọng trường:

- Khi vật giảm độ cao, thế năng của vật giảm thì trọng lực sinh công dương.

- Khi vật tăng độ cao, thế năng của vật tăng thì trọng lực sinh công âm.

Tính chất lực thế:

Về bản chất, trọng lực là lực thế. Công do nó sinh ra không phụ thuộc vào quỹ đạo chuyển động mà chỉ phụ thuộc vào vị trí của điểm đầu và điểm cuối. Trong hình min họa, giả sử hai trái táo có cùng khối lượng. Dù hai trái táo rơi theo quỹ đạo khác nhau, nhưng nếu cùng một độ cao xuống đất thì công do trọng lực sinh ra trên hai quả táo sẽ bằng nhau.

Quỹ đạo màu đỏ và quỹ đạo màu xanh khác nhau, tuy nhiên công do trọng lực tác dụng lên chúng bằng nhau do có cùng hiệu độ cao M và N.

Chú thích:

$A_{MN}$: công do trọng lực thực hiện khi vật di chuyển qua hai điểm MN $\left(J\right).$

$W_{tM}$: thế năng tại M $\left(J\right).$

$W_{tN}$: thế năng tại N $\left(J\right).$

Khái niệm:

Công do lò xo tác dụng lên vật khi di chuyển qua hai điểm 1 và 2 bằng đúng hiệu thế năng đàn hồi của vật ở hai vị trí 1 và 2.

Chú thích:

$A$: công của lò xo thực hiện $\left(J\right)$.

$W_{đh1}$: thế năng đàn hồi tại điểm thứ 1 $\left(J\right)$.

$W_{đh2}$: thế năng đàn hồi tại điểm thứ 2 $\left(J\right)$.

Phát biểu: Độ biến thiên nội năng của hệ bằng tổng công và nhiệt lượng mà hệ nhận được.

Quy ước về dấu:

$Q>0$: Hệ nhận nhiệt lượng.

$Q<0$: Hệ truyền nhiệt lượng.

$A>0$: Hệ nhận công.

$A<0$: Hệ thực hiện công.

Quy ước dấu.

Với $W_{đ}$ là động năng ban đầu

$W_{đ}\text{'}$ là động năng còn lại

m>n $E_m,E_n$ là năng lượng ở mức quỹ đạo m ,n

Vật đi xuống : công trọng lực >0

Vật đi lên : công trọng lực <0

$$\begin{gathered} N=P \\ {F}_{ms}=\mu N \end{gathered}$$

TH1 Khi vật chuyển động trên mặt nghiêng :

$$\begin{gathered} N=P_y=P\cos \left(\alpha \right) \\ \Rightarrow A_{Fms}=-F_{ms}.s=-\mu .P.s.\cos \left(\alpha \right) \end{gathered}$$

TH2 Khi vật chịu lực F tác dụng và lệch góc $\beta$ hướng lên so với phương chuyển động

$N=P-F\sin \left(\beta \right)$

$\Rightarrow A_{Fms}=-\mu .\left(P-F\sin \left(\beta \right)\right).s$

TH3 Khi vật chịu lực F tác dụng và lệch góc $\beta$ hướng xuống so với phương chuyển động

$$\begin{gathered} N=P+F\sin \left(\beta \right) \\ \Rightarrow A_{Fms}=-\mu \left(P+F\sin \left(\beta \right)\right) \end{gathered}$$

Đối với bài toán vừa trên mặt nghiêng và lực lệch góc 

$N=P\cos \left(\alpha \right)\pm F\sin \left(\beta \right)$

$\Rightarrow A_{Fms}=-\mu N$

Do phản lực vuông góc với phương chuyển động

$A_N=0$

Lực căng dây luôn vuông góc với vec to chuyển động

$A_T=0$

Khi vật chuyển động tròn đều

$A_{ht}=0$

Với $W_{sau}$ là cơ năng của vật lúc sau

$W_{truoc}$ là cơ năng của vật lúc bắt đầu xét

A là tổng công của các lực 

Q là nhiệt lượng tỏa ra của vật

Xét vật chuyển động chịu các lực ${\overrightarrow{F}}_k,\overrightarrow{N},\overrightarrow{P},{\overrightarrow{F}}_{ms}$ chuyển động trên mặt phẳng nghiêng với $\alpha$ là góc của mặt phẳng nghiêng , $\beta$ là góc hợp bởi hướng của lực so với phương chuyển động.

Theo định luật II Newton : ${\overrightarrow{F}}_k+\overrightarrow{N}+\overrightarrow{P}+{\overrightarrow{F}}_{ms}=\overrightarrow{0}$

$s=vt$

Vật chuyển động đều nên công suất tức thời bằng công suất trung bình

$P_{F_K}=\frac{A_{F_k}}{t}=F_k.v\cos \left(\beta \right)$

TH1 Vật đi xuống mặt phẳng nghiêng :

Chiếu lên phương chuyển động :

$$\begin{gathered} F_k.\cos \left(\beta \right)=F_{ms}-P\sin \left(\alpha \right)\Rightarrow F_k=\frac{F_{ms}-P\sin \left(\alpha \right)}{\cos \left(\beta \right)} \\ \Rightarrow F_k=\frac{P\left(\mu \cos \left(\alpha \right)-\sin \left(\alpha \right)\right)}{\mu \sin \left(\beta \right)+\cos \left(\beta \right)} \end{gathered}$$

Chiếu lên phương Oy:$N=P\cos \left(\alpha \right)-F_k\sin \left(\beta \right)\Rightarrow F_{ms}=\mu N$

TH2 Vật đi lên mặt phẳng nghiêng

Chiếu lên phương chuyển động:

$$\begin{gathered} F_k\cos \left(\beta \right)=F_{ms}+P\sin \left(\alpha \right)\Rightarrow F_k=\frac{F_{ms}+P\sin \left(\alpha \right)}{\cos \left(\beta \right)} \\ \Rightarrow F_k=\frac{P\left(\mu \cos \left(\alpha \right)+\sin \left(\alpha \right)\right)}{\mu \sin \left(\beta \right)+\cos \left(\beta \right)} \end{gathered}$$

Chiếu lên phương Oy :$N=P\cos \left(\alpha \right)-F_k\sin \left(\beta \right)\Rightarrow F_{ms}=\mu N$

TH3 Vật đi trên mặt phẳng ngang 

$$\begin{gathered} \alpha =0\Rightarrow F_k=\frac{P-F_k\sin \left(\beta \right)}{\cos \left(\beta \right)}\Rightarrow F_k=\frac{P\mu }{\mu \sin \left(\beta \right)+\cos \left(\beta \right)} \\ {F}_{ms}=\mu \left(P-F_k\sin \left(\beta \right)\right) \end{gathered}$$

Khi lực $F_k$ có hướng lệch xuống ta thay $\sin \beta$bằng $-\sin \left(\beta \right)$

Xét vật chịu tác dụng bới các lực ${\overrightarrow{F}}_k,\overrightarrow{N},\overrightarrow{P},{\overrightarrow{F}}_{ms}$ với $\alpha$ là góc của mặt phẳng nghiêng , $\beta$ là góc hợp của lực với phương chuyển động.

Theo định luật II Newton : ${\overrightarrow{F}}_k+\overrightarrow{N}+\overrightarrow{P}+{\overrightarrow{F}}_{ms}=m\overrightarrow{a}$

$s=v_{0}t+\frac{1}{2}a{t}^2$

$P_k=\frac{A_{F_k}}{t}=\frac{F_k.s.\cos \left(\beta \right)}{t}$ (công suất trung bình)

$P_{tt}=F_k.v.\cos \left(\beta \right)$ (công suất tức thời)

TH1 Vật đi xuống mặt nghiêng :

Chiếu lên phương chuyển động : 

$$\begin{gathered} F_k.\cos \left(\beta \right)=ma+F_{ms}-P\sin \left(\alpha \right)\Rightarrow F_k=\frac{ma+F_{ms}-P\sin \left(\alpha \right)}{\cos \left(\beta \right)} \\ \Rightarrow F_k=\frac{m\left(a+g\left(\mu \cos \left(\alpha \right)-\sin \left(\alpha \right)\right)\right)}{\mu \sin \left(\beta \right)+\cos \left(\beta \right)} \end{gathered}$$

Chiếu lên phương Oy:$N=P\cos \left(\alpha \right)-F_k\sin \left(\beta \right)\Rightarrow F_{ms}=\mu N$

TH2 Vật đi lên mặt nghiêng :

Chiếu lên phương chuyển động:

$$\begin{gathered} F_k\cos \left(\beta \right)=ma+F_{ms}+P\sin \left(\alpha \right)\Rightarrow F_k=\frac{ma+F_{ms}+P\sin \left(\alpha \right)}{\cos \left(\beta \right)} \\ \Rightarrow F_k=\frac{m\left(a+g\left(\mu \cos \left(\alpha \right)+\sin \left(\alpha \right)\right)\right)}{\cos \left(\beta \right)+\mu \sin \left(\beta \right)} \end{gathered}$$

Chiếu lên phương Oy : $N=P\cos \left(\alpha \right)-F_k\sin \left(\beta \right)\Rightarrow F_{ms}=\mu N$

TH3 Vật đi theo phương ngang

$$\begin{gathered} \alpha =0\Rightarrow F_k=\frac{m\left(a+\mu g\right)}{\cos \left(\beta \right)+\mu \sin \left(\beta \right)} \\ {F}_{ms}=\mu \left(P-F\sin \left(\beta \right)\right) \end{gathered}$$

Khi lực F hướng xuống so với phương chuyển động một góc $\beta$ ta thay $\sin \left(\beta \right)$ bằng $-\sin \left(\beta \right)$

$∆U=A+Q$

Trong quá trình đẳng nhiệt: $∆U=0$

Độ biến thiên nội năng bằng công của ngoại lực.

$Q=-A=A\text{'}$

Trong quá trình đẳng tích: $A=0$

Độ biến thiên nội năng bằng nhiệt lượng khí  nhận được.

$Q=∆U$

Trong quá trình đẳng áp:

$Q=∆U-A=∆U+A\text{'}$

Với $A\text{'}$ là công của khí sinh ra.

$A$ là công của khí nhận được.

$A\text{'}$ công khí sinh ra

$T_1$ nhiệt độ nguồn nóng

$T_2$ nhiệt độ nguồn lạnh

$Q_1$ nhiệt độ nguồn nóng

$Q_2$ nhiệt độ nguồn lạnh

Trong đó: 

$A_{ci} và P_{ci}$: công có ích và công suất có ích của máy.

$A_{tp} và P_{tp}$: công toàn phần và công suất toàn phần của máy.

Trong đó:

+ $W_2, W_1$: cơ năng trước và sau.

+ $A_{12}$: công của lực ma sát.

Trong đó: 

A:  công của khối khí (J).

p: áp suất của khối khí $(N/m^2)$.

S: diện tích chịu áp suất $\left(m^2\right)$.

$∆s$: phần không gian bị thay đổi (m).

$∆V$: thể tích của phần không gian bị thay đổi ($m^3$).