Bài tập Vật Lí 10 Bài 24: Công suất (23 bài tập)

Lớp 10 · Vật Lí Bài 24

Công Suất

Khái niệm, công thức $\mathscr{P} = \dfrac{A}{t}$, liên hệ $\mathscr{P} = F \cdot v$ và ứng dụng thực tiễn

1
Khái niệm công suất

Trong thực tế, khi đánh giá việc thực hiện công của một người hay một thiết bị, ta không chỉ quan tâm đến tổng công thực hiện được mà còn quan tâm đến tốc độ sinh công — tức là công đó được hoàn thành nhanh hay chậm.

📐 Định nghĩa
Công suất (hay tốc độ sinh công) là đại lượng đặc trưng cho khả năng thực hiện công nhanh hay chậm của người hoặc thiết bị sinh công.

▸ Ví dụ minh hoạ (SGK)

📝 Hai công nhân kéo xô vữa
Hai công nhân kéo xô vữa lên cao bằng ròng rọc:
• Công nhân (1): kéo xô $20$ kg lên $10$ m trong $10$ s.
• Công nhân (2): kéo xô $21$ kg lên $11$ m trong $20$ s.

Tính công thực hiện:
$\;A_1 = m_1 g h_1 = 20 \cdot 10 \cdot 10 = 2\,000$ J
$\;A_2 = m_2 g h_2 = 21 \cdot 10 \cdot 11 = 2\,310$ J

Tính công sinh ra trong mỗi giây:
$\;\dfrac{A_1}{t_1} = \dfrac{2\,000}{10} = 200$ J/s
$\;\dfrac{A_2}{t_2} = \dfrac{2\,310}{20} = 115{,}5$ J/s

Nhận xét: Tuy công nhân (2) thực hiện tổng công lớn hơn, nhưng trong mỗi giây công nhân (1) sinh ra nhiều công hơn $\Rightarrow$ công nhân (1) thực hiện công nhanh hơn.
⚠️ Lưu ý quan trọng — Đừng nhầm lẫn!
• Công suất lớn KHÔNG đồng nghĩa với hiệu suất cao. Máy có công suất lớn chỉ có nghĩa là tốc độ sinh công nhanh.
• Máy có hiệu suất cao cũng không nhất thiết có công suất lớn.
• Công suất lớn KHÔNG nghĩa là sinh tổng công nhiều — tổng công còn phụ thuộc vào thời gian: $A = \mathscr{P} \cdot t$.
2
Công thức $\mathscr{P} = \dfrac{A}{t}$ & Đơn vị công suất

Nếu trong khoảng thời gian $t$, công thực hiện được là $A$, thì công suất được xác định bởi:

📐 Công thức công suất
$\mathscr{P} = \dfrac{A}{t}$
• $A$: công thực hiện được, đơn vị jun (J).
• $t$: thời gian thực hiện công, đơn vị giây (s).
• $\mathscr{P}$: công suất, đơn vị oát (W).

▸ Đơn vị công suất

Đơn vị cơ bản
$1$ W $= \dfrac{1\text{ J}}{1\text{ s}}$
kilôoát
$1$ kW $= 10^3$ W $= 1\,000$ W
mêgaoát
$1$ MW $= 10^6$ W
mã lực (HP)
$1$ HP $\approx 746$ W $\approx 0{,}746$ kW
kW.h (KHÔNG phải công suất!)
$1$ kW.h $= 3{,}6 \cdot 10^6$ J — đơn vị công
⚠️ Phân biệt: kW vs kW.h
kW là đơn vị công suất (tốc độ sinh công).
kW.h là đơn vị công (năng lượng) — bằng công mà thiết bị có công suất $1$ kW sinh ra trong $1$ giờ:
$\;1$ kW.h $= 1\,000 \cdot 3\,600 = 3{,}6 \cdot 10^6$ J.
📝 Ví dụ — Công của trái tim
Coi công suất trung bình của trái tim người là $\mathscr{P} = 3$ W. Tính công của trái tim trong một ngày đêm.

Giải: Một ngày đêm có $t = 24 \cdot 3\,600 = 86\,400$ s.
$\;A = \mathscr{P} \cdot t = 3 \cdot 86\,400 = 259\,200$ J $\approx 2{,}59 \cdot 10^5$ J.
3
Liên hệ $\mathscr{P} = F \cdot v$

Khi vật chuyển động cùng hướng với lực tác dụng và lực không đổi, ta biến đổi công thức công suất:

$\mathscr{P} = \dfrac{A}{t} = \dfrac{F \cdot s}{t} = F \cdot \dfrac{s}{t} = F \cdot v$
📐 Hai dạng công thức
• Công suất trung bình: $\overline{\mathscr{P}} = F \cdot \bar{v}$
• Công suất tức thời: $\mathscr{P}_t = F \cdot v_t$
$\bar{v}$: tốc độ trung bình; $v_t$: tốc độ tức thời tại thời điểm đang xét.
Điều kiện áp dụng $\mathscr{P} = F \cdot v$
Công thức $\mathscr{P} = F \cdot v$ chỉ đúng khi lực $F$ cùng hướng chuyển động.
Trường hợp tổng quát (lực hợp với hướng chuyển động góc $\alpha$):
$\;\mathscr{P} = F \cdot v \cdot \cos\alpha$.

▸ Ý nghĩa thực tiễn quan trọng

Mối liên hệ ngược
Từ $\mathscr{P} = F \cdot v$, nếu công suất $\mathscr{P}$ không đổi thì:
• Lực $F$ tăng $\Rightarrow$ tốc độ $v$ giảm.
• Lực $F$ giảm $\Rightarrow$ tốc độ $v$ tăng.

Điều này giải thích nhiều ứng dụng thực tế:

Líp nhỏ
(tốc độ cao)
Líp lớn
(lực kéo lớn)
Líp nhiều tầng ở xe đạp thể thao: đổi tầng líp $\Rightarrow$ thay đổi chu vi trục quay nối xích $\Rightarrow$ điều chỉnh lực kéo và tốc độ phù hợp địa hình.
Lên dốc cần lực lớn $\Rightarrow$ đi số nhỏ (líp lớn).
Đường bằng cần tốc độ cao $\Rightarrow$ đi số lớn (líp nhỏ).
Hộp số xe máy, ô tô: số càng nhỏ $\Rightarrow$ lực kéo càng lớn (nhưng tốc độ thấp). Khi lên dốc hoặc đường nhiều ma sát $\Rightarrow$ chuyển về số nhỏ để tăng lực kéo.
📝 Ví dụ — Tính công suất kéo nước
Một người kéo thùng nước $15$ kg từ giếng sâu $8$ m lên trong $10$ s. Thùng chuyển động đều. Lấy $g = 10$ m/s². Tính công suất.

Giải:
$\;v = \dfrac{s}{t} = \dfrac{8}{10} = 0{,}8$ m/s.
Vì kéo đều: $F = P = mg = 15 \cdot 10 = 150$ N.
$\;\mathscr{P} = F \cdot v = 150 \cdot 0{,}8 = 120$ W.
4
Phương pháp giải các dạng & Ví dụ minh hoạ

▸ Các bước chung

Xác định các đại lượng đã cho: lực $F$, quãng đường $s$, thời gian $t$, vận tốc $v$, khối lượng $m$.
Tính công $A$ nếu cần: $A = F \cdot s \cdot \cos\alpha$ hoặc $A = mgh$ (khi nâng vật lên cao).
Chọn công thức phù hợp:
• Biết $A$ và $t$ $\to$ $\mathscr{P} = \dfrac{A}{t}$
• Biết $F$ và $v$ $\to$ $\mathscr{P} = F \cdot v$
Nếu vật chuyển động có gia tốc, áp dụng định luật II Newton để tìm lực: $F - P = ma \Rightarrow F = m(g + a)$.
Đổi đơn vị về SI: km/h $\to$ m/s (chia 3,6); kW $\to$ W (nhân 1000); tấn $\to$ kg (nhân 1000); HP $\to$ W (nhân 746).

▸ Dạng 1: Tính $\mathscr{P}$ cơ bản dùng $\mathscr{P} = A/t$

📝 Ví dụ — Thang máy
Động cơ thang máy tác dụng lực kéo $20\,000$ N để thang máy chuyển động thẳng lên trong $10$ s, đi được quãng đường $18$ m. Tính công suất trung bình.

Giải: Lực kéo cùng hướng chuyển động:
$\;A = F \cdot s = 20\,000 \cdot 18 = 360\,000$ J.
$\;\mathscr{P} = \dfrac{A}{t} = \dfrac{360\,000}{10} = 36\,000$ W $= 36$ kW.

▸ Dạng 2: Sử dụng $\mathscr{P} = F \cdot v$

📝 Ví dụ — Tìm khối lượng từ công suất
Một người kéo đều thùng nước khối lượng $m$ từ giếng sâu $12$ m trong $10$ s. Công suất người kéo là $144$ W; $g = 10$ m/s². Tìm $m$.

Giải: Kéo đều $\Rightarrow$ $v = \dfrac{12}{10} = 1{,}2$ m/s.
$\;\mathscr{P} = F \cdot v = mg \cdot v \Rightarrow m = \dfrac{\mathscr{P}}{g \cdot v} = \dfrac{144}{10 \cdot 1{,}2} = 12$ kg.

▸ Dạng 3: Vật chuyển động có gia tốc (kết hợp định luật II Newton)

📝 Ví dụ — Cần cẩu nâng container
Một cần cẩu nâng container nặng $2$ tấn theo phương thẳng đứng từ vị trí nằm yên với gia tốc không đổi. Sau $5$ s đạt vận tốc $10$ m/s. Bỏ qua lực cản; $g = 10$ m/s². Tính công suất trung bình của lực nâng.

Giải: $m = 2\,000$ kg.
$\;a = \dfrac{v}{t} = \dfrac{10}{5} = 2$ m/s² (chọn chiều dương lên).
Định luật II Newton: $F - P = ma \Rightarrow F = m(g + a) = 2\,000 \cdot 12 = 24\,000$ N.
$\;s = \dfrac{1}{2} a t^2 = \dfrac{1}{2} \cdot 2 \cdot 25 = 25$ m.
$\;A = F \cdot s = 24\,000 \cdot 25 = 600\,000$ J.
$\;\mathscr{P} = \dfrac{A}{t} = \dfrac{600\,000}{5} = 120\,000$ W $= 120$ kW.
Dữ kiện đã cóCông thức nên dùng
Biết $A$ và $t$$\mathscr{P} = \dfrac{A}{t}$
Biết $F$ và $v$ (lực cùng hướng chuyển động đều)$\mathscr{P} = F \cdot v$
Vật chuyển động có gia tốcNewton II $\to$ tìm $F \to$ $A = F s \to$ $\mathscr{P} = \dfrac{A}{t}$
Nâng đều vật khối lượng $m$ lên cao $h$$A = mgh$ $\to$ $\mathscr{P} = \dfrac{mgh}{t}$
5
Tổng kết, Sai lầm thường gặp & Tham khảo
Tổng kết Bài 24
Định nghĩa: công suất là đại lượng đặc trưng cho tốc độ sinh công.
Công thức cơ bản: $\mathscr{P} = \dfrac{A}{t}$.
Liên hệ với lực: $\mathscr{P} = F \cdot v$ (khi $F$ cùng hướng chuyển động).
Đơn vị: W, kW ($10^3$ W), MW ($10^6$ W), HP ($\approx 746$ W).
kW.h là đơn vị CÔNG, không phải đơn vị công suất.
Khi $\mathscr{P}$ không đổi: $F$ tăng $\Rightarrow$ $v$ giảm và ngược lại.

▸ Sai lầm thường gặp

Sai lầmĐính chính
Nhầm kW.h là đơn vị công suấtkW.h là đơn vị công; $1$ kW.h $= 3{,}6 \cdot 10^6$ J
Công suất lớn $\to$ hiệu suất caoHai đại lượng độc lập nhau
Công suất lớn $\to$ tổng công nhiềuTổng công còn phụ thuộc thời gian: $A = \mathscr{P} \cdot t$
Quên đổi đơn vịPhải đổi về SI trước khi tính (km/h $\to$ m/s, kW $\to$ W…)
Dùng $\mathscr{P} = Fv$ cho mọi trường hợpChỉ đúng khi $F$ cùng hướng $v$; tổng quát $\mathscr{P} = Fv\cos\alpha$
Vật có gia tốc dùng $F = mg$Khi vật được nâng nhanh dần đều: $F = m(g + a)$

Để xem lý thuyết đầy đủ kèm các phương pháp giải mở rộng, bảng đơn vị chi tiết, mẹo tính nhanh và các ví dụ phức tạp hơn (như xe lên dốc, kết hợp ma sát…), hãy tham khảo bài viết bên dưới:

📚 Xem thêm: Lý thuyết Công suất — Trọng tâm & Phương pháp giải tại Edus.vn

Sau khi đã nắm vững lý thuyết, hãy chuyển sang tab Bài Tập để luyện 23 câu bám sát chương trình SGK Vật Lí 10!

1
Điểm: 0/23

Cùng luyện Bài 24 — Công suất!

23 câu: 17 trắc nghiệm · 2 đúng/sai · 4 tự luận

💡 Gợi ý
Thầy Phạm Trần Quốc Anh

Thầy Phạm Trần Quốc Anh

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Vật Lý THPT

Trình độ: Cử nhân Sư phạm Vật lý, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 9+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Lê Quí Đôn