VẬT LÍ 10 · CHƯƠNG IV · NĂNG LƯỢNG, CÔNG, CÔNG SUẤT

BÀI 27. HIỆU SUẤT

Nhận diện năng lượng có ích – kiểm chứng công hao phí – đo hiệu suất thiết bị.

📘 Chương IV · Năng lượng🧪 2 mô phỏng + phiếu đo📝 22 câu · 10 điểm
01 · MỤC TIÊU

Mục tiêu và tình huống

01 · Định hướng

Mục tiêu học tập

Kiến thức

Nhận biết phần năng lượng đầu vào, phần có ích và phần hao phí; định nghĩa hiệu suất, giải thích ý nghĩa tỉ số; sử dụng đúng công thức theo năng lượng, công và công suất.

Năng lực

Đọc sơ đồ dòng năng lượng; đo lực và quãng đường để tính hiệu suất ròng rọc; đánh giá số liệu có phù hợp định luật bảo toàn năng lượng; tính công và hiệu suất trong các tình huống khác nhau.

Khởi động: Hai động cơ tiêu thụ cùng một lượng điện năng nhưng nâng được vật lên các độ cao khác nhau. Động cơ nào hiệu quả hơn? Có phải năng lượng “hao phí” bị mất khỏi tự nhiên?
02 · KIẾN THỨC

Khái niệm • công thức • ví dụ

02 · Khám phá

I. Năng lượng có ích và hao phí – II. Hiệu suất

Hiệu suất cho biết bao nhiêu phần năng lượng nhận vào biến thành dạng mong muốn. Hao phí là khái niệm phụ thuộc mục đích sử dụng, không phải sự biến mất của năng lượng. Đối với bóng đèn, ánh sáng là có ích; còn với bếp điện, nhiệt mới là có ích.

Công thức

Năng lượng toàn phần – có ích – hao phí

\[W_{\mathrm{tp}}=W_{\mathrm{ci}}+W_{\mathrm{hp}}\]

Năng lượng có ích được xác định theo mục tiêu sử dụng. Năng lượng hao phí đối với mục tiêu đó thường chuyển thành nhiệt, âm hoặc các dạng năng lượng khác.

Kí hiệuĐại lượngĐơn vị SI
\(W_{\mathrm{tp}}\)Năng lượng đầu vào/toàn phầnJ
\(W_{\mathrm{ci}}\)Năng lượng có íchJ
\(W_{\mathrm{hp}}\)Năng lượng hao phí đối với mục tiêuJ

Điều kiện: Xét cùng một quá trình, quy ước ranh giới hệ và cùng khoảng thời gian; năng lượng các thành phần không âm trong mô hình đơn giản.

Công thức

Hiệu suất theo năng lượng hoặc công

\[\eta=\frac{W_{\mathrm{ci}}}{W_{\mathrm{tp}}}=\frac{A_{\mathrm{ci}}}{A_{\mathrm{tp}}},\quad H=\eta\,100\%\]

Trong bài này kí hiệu η là hiệu suất dạng tỉ số (không thứ nguyên), H là hiệu suất biểu diễn bằng %. Cách viết này giúp tránh nhầm 0,8 với 80%.

Kí hiệuĐại lượngĐơn vị SI
\(\eta\)Hiệu suất dạng tỉ số1
\(H\)Hiệu suất dạng phần trăm%
\(A_{\mathrm{ci}}\)Công có íchJ
\(A_{\mathrm{tp}}\)Công đầu vàoJ

Điều kiện: Năng lượng/công đầu vào dương; công có ích và công đầu vào phải cùng tiêu chí và cùng chu kì khảo sát. Với thiết bị chỉ tiêu hao năng lượng, 0 ≤ η ≤ 1.

Công thức

Hiệu suất theo công suất

\[\eta=\frac{\mathcal P_{\mathrm{ci}}}{\mathcal P_{\mathrm{tp}}},\qquad H=\frac{\mathcal P_{\mathrm{ci}}}{\mathcal P_{\mathrm{tp}}}\,100\%\]

Công suất vào và công suất có ích có thể dùng để tính hiệu suất nếu cùng đo trên một thời khoảng (công suất trung bình) hoặc cùng thời điểm (công suất tức thời trong trạng thái thích hợp).

Kí hiệuĐại lượngĐơn vị SI
\(\mathcal P_{\mathrm{ci}}\)Công suất có íchW
\(\mathcal P_{\mathrm{tp}}\)Công suất đầu vàoW

Điều kiện: Hai công suất tương ứng với cùng thời điểm hoặc cùng khoảng thời gian; đầu vào > 0.

Công thức

Hiệu suất nâng vật bằng máy/ròng rọc

\[\eta=\frac{mgh}{Fs},\qquad H=\frac{mgh}{Fs}\,100\%\]

Khi nâng vật lên cao chậm và đều, công có ích làm tăng thế năng là mgh. Công đầu vào do người hoặc máy kéo là Fs nếu lực kéo không đổi và cùng hướng chuyển động của đầu dây.

Kí hiệuĐại lượngĐơn vị SI
\(m\)Khối lượng vậtkg
\(g\)Gia tốc trọng trườngm/s²
\(h\)Độ cao nâng vậtm
\(F\)Độ lớn lực kéo đầu dâyN
\(s\)Quãng đường đầu dây dịch chuyểnm

Điều kiện: Độ biến thiên động năng vật bằng 0; lực kéo cùng chiều dịch chuyển của đầu dây; xét công đầu vào ở đầu dây, không đánh đồng F với trọng lượng khi dùng ròng rọc động.

Nhận biết sai lầm: “Hiệu suất 80%” không có nghĩa 20% năng lượng đã bị hủy; 20% chuyển sang dạng không phục vụ mục tiêu xét. Nếu phép đo cho H > 100%, cần kiểm tra phương pháp và số liệu, không kết luận máy tạo ra năng lượng.

Ví dụ 1 · Tính hiệu suất động cơ

Động cơ nhận 1200 J điện năng, sinh ra 900 J công cơ học có ích. Năng lượng hao phí là 300 J; hiệu suất 75%.

\[H=\frac{900}{1200}\cdot100\%=75\%\]

Ví dụ 2 · Ròng rọc nâng thùng hàng

Nâng vật 10 kg lên 2 m, lấy g = 10 m/s², lực kéo đầu dây 125 N trên quãng đường 2 m. Công có ích 200 J, công đầu vào 250 J, hiệu suất 80%. Đây là mô hình ròng rọc cố định, nâng đều.

\[A_{\mathrm{ci}}=mgh=200\;\mathrm J,\quad A_{\mathrm{tp}}=Fs=250\;\mathrm J\]

Ví dụ 3 · Công suất hữu ích

Máy có công suất điện vào 500 W, công suất cơ học có ích 375 W. Hiệu suất 75%, công suất hao phí đối với mục tiêu là 125 W.

ĐẦU VÀO1000 JTHIẾT BỊChuyển hóaCÓ ÍCH · 750 J75% đầu vàoHAO PHÍ · 250 J
Hình 27.1. Sơ đồ tự dựng: năng lượng đầu vào chia thành phần có ích và phần không phục vụ mục tiêu; đây là số liệu minh họa.
03 · THÍ NGHIỆM

Mô phỏng và thực hành đo

03 · Thí nghiệm và quan sát

Khám phá hiệu suất qua số liệu

Ưu tiên dự đoán → điều chỉnh → đọc kết quả → giải thích. Các con số trong mô phỏng HAT là số liệu mô hình; bảng đo cho phép nhập số liệu thực.

🧪 Mô phỏng 01

Sơ đồ dòng năng lượng – bao nhiêu năng lượng thực sự hữu ích?

Đầu vào1000 J
Có ích750 J
Hao phí (với mục tiêu)250 J
Hiệu suất75%

Câu hỏi quan sát: Giữ nguyên đầu vào 1000 J; khi hiệu suất tăng 60% → 90%, phần có ích tăng bao nhiêu? Năng lượng hao phí thay đổi thế nào? Có “mất” năng lượng không?

Mô phỏng giáo dục HAT: cân bằng năng lượng theo lựa chọn thông số, không thay cho phép đo hiệu suất của một sản phẩm cụ thể.

🧪 Mô phỏng 02

Máy kéo vật lên cao – công có ích, công đầu vào

mgh – có ích200,0 J
Đầu vào250,0 J
Hao phí50,0 J
Công suất có ích40,0 W

Giả thiết ròng rọc cố định nâng vật đều, lực kéo không đổi, quãng đường kéo đầu dây bằng độ cao nâng, g = 10 m/s². Hiệu suất là tham số giả định để suy ra công đầu vào; đây không phải phép mô phỏng ma sát cơ học chi tiết trong trục ròng rọc.

Nhận xét: Giữ khối lượng, độ cao không đổi rồi tăng hiệu suất: công có ích giữ nguyên, công đầu vào giảm. Tốc độ nâng thay đổi chỉ làm thay đổi công suất trung bình (nếu năng lượng không đổi).

📝 Thực hành bằng số liệu đo

Đo hiệu suất ròng rọc cố định bằng lực kế

Dụng cụ: lực kế, vật nặng đã biết khối lượng, ròng rọc cố định, dây nhẹ, thước đo. Kéo vật lên từ từ với tốc độ gần như không đổi, đo lực kéo F và quãng đường dây s đồng thời đo độ cao tăng h. Không vượt giới hạn tải của lực kế và giá treo.

Lầnm (kg)h (m)F (N)s (m)mgh (J)Fs (J)H (%)
Chưa có dữ liệu: nhập các kết quả đo để tính công và hiệu suất.

Số liệu nạp mẫu được gắn nhãn minh họa và không được sử dụng làm bằng chứng thí nghiệm thật. Nếu Fs < mgh, chương trình cảnh báo để kiểm tra số liệu, không hiển thị kết quả đó như hiệu suất vật lí hợp lệ.

🎥 Video thí nghiệm

Hệ ròng rọc và lợi về lực – quan sát thiết bị thật

Quan sát hệ ròng rọc cố định và ròng rọc động do Rutgers University trình diễn: lợi về lực đi kèm với sự thay đổi quãng đường đầu dây. Video không đo trực tiếp hiệu suất; dùng nó để nhận diện thiết bị trước khi thực hành tính H.

Nguồn: Rutgers University Physics Demonstrations, “Pulley System”. Xem video ngay trong trang khi YouTube cho phép nhúng.

🔬 PhET

Các dạng và sự chuyển hóa năng lượng

Chọn một hệ tạo năng lượng, nhận diện dạng năng lượng mong muốn và các dạng năng lượng khác. PhET minh họa chuyển hóa năng lượng, không phải phép đo chính xác hiệu suất một thiết bị cụ thể.

Nguồn: PhET Interactive Simulations, University of Colorado Boulder. Cần Internet.

04 · LUYỆN TẬP

Bốn dạng • thang 10

04 · Tự kiểm tra

Luyện tập Bài 27 – Hiệu suất

8 ABCD · 4 Đúng/Sai · 8 trả lời ngắn · 2 tự luận, tổng 10 điểm.

8ABCD · 2 điểm
4Đúng/Sai · 4 điểm
8Trả lời ngắn · 2 điểm
2Tự luận · 2 điểm
Quy tắc chấm: ABCD và trả lời ngắn 0,25 điểm/câu; Đúng/Sai đúng 0–4 ý cho 0; 0,10; 0,25; 0,50; 1,00 điểm. Tự luận phải chấm theo tiêu chí, không tự động coi như 0.
05 · HỆ THỐNG

Sơ đồ tư duy

05 · Hệ thống hóa

Bản đồ tư duy – Hiệu suất

Hệ thống khái niệm, điều kiện và ứng dụng; có thể bấm phóng to hoặc xem dạng danh sách.

Sáu nhánh của Bài 27 – Hiệu suất.
Xem dạng danh sách
06 · MỞ RỘNG

Liên hệ thực tế

06 · Mở rộng và vận dụng

Em có biết?

📜 Lịch sử

James Watt và máy hơi nước

James Watt nổi tiếng với những cải tiến quan trọng đối với động cơ hơi nước. Các cải tiến nâng hiệu quả khai thác năng lượng từ nhiên liệu, góp phần thúc đẩy công nghiệp. Hiệu suất vẫn phải được đo và tính theo năng lượng có ích và toàn phần trong điều kiện cụ thể.

🔧 Ứng dụng

Máy kéo, ròng rọc và động cơ điện

Thiết bị hiệu suất cao không có nghĩa lúc nào cũng sử dụng ít năng lượng hơn: tổng năng lượng tiêu thụ còn phụ thuộc khối lượng công việc và thời gian hoạt động. Đánh giá tiết kiệm năng lượng cần cùng điều kiện sử dụng.

💡 Góc nhìn khoa học

Hiệu suất phụ thuộc mục đích sử dụng

Với đèn, quang năng là dạng có ích; với bếp điện, nhiệt năng phục vụ nấu ăn là dạng có ích. Vì vậy không thể kết luận một dạng năng lượng là “hao phí” trong mọi trường hợp. Công và năng lượng đều đo bằng J; công suất đo bằng W. 1 kWh là năng lượng, không phải công suất.

Tư liệu tham khảo: SGK Vật lí 10 Kết nối tri thức, Bài 27 và PhET Energy Forms and Changes.