Bài 27. SỰ BẢO TOÀN NĂNG LƯỢNG TRONG CÁC HIỆN TƯỢNG CƠ VÀ NHIỆT

I. KIẾN THỨC CẦN NHỚ

• Cơ năng, nhiệt năng có thể truyền từ vật này sang vật khác, chuyển hóa từ dạng này sang dạng khác.

• Định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng: Năng lượng không tự sinh ra cũng không tự mất đi, nó chỉ truyền từ vật này sang vật khác, chuyển hóa từ dạng này sang dạng khác.

II. BÀI TẬP SÁCH BÀI TẬP

27.1. Hai hòn bi thép A và B giống hệt nhau được treo vào hai sợi dây có chiều dài như nhau. Khi kéo bi A lên rồi cho rơi xuống va chạm vào bi B, người ta thấy bi B bị bắn lên ngang với độ cao của bi A trước khi thả (H.27.1). Hỏi khi đó bi A sẽ ở trạng thái nào?

A. Đứng yên ở vị trí ban đầu của B.

B. Chuyển động theo B nhưng không lên tới được độ cao của B.

C. Bật trở lại vị trí ban đầu.

D. Nóng lên.

Trả lời: Chọn A

Khi kéo bi A lên rồi cho rơi xuống va chạm vào bi B, người ta thấy bi B bị bắn lên ngang với độ cao của bi A trước khi thả, khi này cơ năng của B bằng cơ năng của A trước đó, theo định luật bảo toàn cơ năng, lúc này cơ năng A phải bằng không nghĩa là A đứng yên ở vị trí ban đầu của B.

27.2*. Thí nghiệm của Jun trình bày trong phần "Có thể em chưa biết" của bài 27 (sách giáo khoa Vật lí 8) cho thấy, công mà các quả nặng thực hiện làm quay các tấm kim loại đặt trong nước để làm nóng lên đúng bằng nhiệt lượng mà nước nhận được. Thí nghiệm này chứng tỏ điều gì? Trong các câu trả lời sau đây, câu nào là không đúng ?

A. Năng lượng được bảo toàn.

B. Nhiệt là một dạng của năng lượng.

C. Cơ năng có thể chuyển hóa hoàn toàn thành nhiệt năng.

D. Nhiệt năng có thể chuyển hóa hoàn toàn thành cơ năng.

Trả lời: Chọn D

Thí nghiệm Jun chứng tỏ rằng cơ năng có thể chuyển hóa hoàn toàn thành nhiệt năng. Ở đây không có sự chuyển hóa năng lượng từ nhiệt năng thành cơ năng, vì thế câu D là sai.

27.3. Khi kéo đi kéo lại sợi dây cuốn quanh một ống nhôm đựng nước nút kín (H.27.2), người ra thấy nước trong ống nóng lên rồi sôi, hơi nước đẩy nút bật ra cùng với một lớp hơi nước trắng do các hạt nước rất nhỏ tạo thành. Hỏi trong thí nghiệm trên đã có những sự chuyển hóa và truyền năng lượng nào xảy ra trong các quá trình sau :

a) Kéo đi kéo lại sợi dây.

b) Nước nóng lên.

c) Hơi nước làm bật nút ra.

d) Hơi nước ngưng tụ thành các giọt nước nhỏ.

Trả lời:

Những sự chuyển hóa và truyền năng lượng trong các quá trình là:

a) Kéo đi kéo lại sợi dây ⇒ Cơ năng chuyển hóa thành nhiệt năng.

b) Nước nóng lên ⇒ Truyền nhiệt năng từ ống nhôm vào nước.

c) Hơi nước làm bật nút ra ⇒ Nhiệt năng chuyển hóa thành cơ năng.

d) Hơi nước ngưng tụ thành các giọt nước nhỏ ⇒ Truyền nhiệt năng từ hơi nước và môi trường bên ngoài.

27.4. Tại sao khi cưa thép, người ta phải cho một dòng nước nhỏ chảy liên tục vào chỗ cưa? Ở đây đã có sự chuyển hóa và truyền năng lượng nào xảy ra?

Trả lời:

Khi cưa, cơ năng chuyển hóa thành nhiệt năng làm cho lưỡi cưa và miếng thép nóng lên. Người ta cho nước chảy vào chỗ cưa để làm nguội lưỡi cưa và miếng thép.

27.5. Tại sao gạo lấy từ cối giã hoặc cối xay ra đều nóng ?

Trả lời:

Khi giã gạo hoặc xay gạo, người ta đã thực hiện công lên gạo, do đó gạo nóng lên.

27.6. Cơ năng có thể biến đổi hoàn toàn thành nhiệt năng (ví dụ trong thí nghiệm Jun), còn nhiệt năng thì không thể biến đổi hoàn toàn thành cơ năng (ví dụ trong động cơ nhiệt). Điều này có chứng tỏ là năng lượng không được bảo toàn không ? Tại sao ?

Trả lời:

Năng lượng trong các trường hợp trên vẫn được bảo toàn. Một phần nhiệt năng của nhiên liệu bị đốt cháy được truyền ra môi trường xung quanh (xi-lanh, pit - tông, không khí...). Tổng nhiệt năng truyền ra môi trường và nhiệt năng chuyển hóa thành cơ năng sẽ bằng năng lượng do nhiên liệu bị đốt cháy tỏa ra, nghĩa là năng lượng vẫn bảo toàn.

27.7. Một người kéo một vật bằng kim loại lên dốc, làm cho vật vừa chuyển động vừa nóng lên. Nếu bỏ qua sự truyền năng lượng ra môi trường xung quanh thì công của người này đã hoàn toàn chuyển hóa thành

A. động năng của vật.

B. động năng và nhiệt năng của vật.

C. động năng và thế năng của vật.

D. động năng, thế năng và nhiệt năng của vật.

Trả lời: Chọn D

Nếu bỏ qua sự truyền năng lượng ra môi trường xung quanh thì công của người này đã hoàn toàn chuyển hóa thành động năng, thế năng và nhiệt năng của vật.

27.8. Một vật trượt từ đỉnh dốc A tới chân dốc B, tiếp tục chuyển động trên mặt đường nằm ngang tới C mới dừng lại (H.27.3). Câu nào sau đây nói về sự chuyển hóa năng lượng của vật là đúng?

A. Từ A đến B, chỉ có sự chuyển hóa từ động năng thành thế năng.

B. Từ A đến B, chỉ có sự chuyển hóa từ động năng thành nhiệt năng.

C. Từ B đến C, chỉ có sự chuyển hóa từ động năng thành nhiệt năng.

D. Từ B đến C, chỉ có sự chuyển hóa từ động năng thành thế năng và nhiệt năng.

Trả lời: Chọn C

Sự chuyển hóa năng lượng của vật trong các đoạn là:

+ Từ A đến B, có sự chuyển hóa từ thế năng thành động năng và một phần thành nhiệt năng.

+ Từ B đến C, chỉ có sự chuyển hóa từ động năng thành nhiệt năng.

Vậy câu đúng là C.

27.9. Trường hợp nào sau đây không có sự chuyển hóa từ cơ năng sang nhiệt năng hoặc ngược lại ?

A. Một vật vừa rơi từ trên cao xuống vừa nóng lên.

B. Búa máy đập vào cọc bê tông làm cọc lún xuống và nóng lên.

C. Miếng đồng thả vào nước đang sôi, nóng lên.

D. Động cơ xe máy đang chạy.

Trả lời: Chọn C

Miếng đồng thả vào nước đang sôi, nóng lên đó là sự truyền nhiệt nghĩa là sự truyền nhiệt năng từ nước sôi vào vật. Ở đây không có sự chuyển hóa từ cơ năng sang nhiệt năng hoặc ngược lại.

27.10. Nhúng một quả bóng bàn bị bẹp vào nước đang sôi, quả bóng phồng lên như cũ. Đã có những sự biến đổi năng lượng nào xảy ra trong hiện tượng trên ?

Trả lời:

- Khi quả bóng được nhúng vào nước đang sôi, không khí trong quả bóng nóng lên, nhiệt năng của nó tăng do truyền nhiệt.

- Không khí trong quả bóng nóng lên, nở ra, thực hiện công làm bóng phồng lên: một phần nhiệt năng của nó đã biến đổi thành cơ năng.

27.11. Một người dùng súng cao su bắn một hòn sỏi lên cao theo phương thẳng đứng. Nếu bỏ qua sự trao đổi năng lượng với không khí thì có những sự truyền và biến đổi năng lượng nào xảy ra khi:

a) tay kéo căng sợi dây cao su ;

b) tay buông ra, hòn sỏi bay lên;

c) vận tốc hòn sỏi giảm dần theo độ cao, tới độ cao cực đại thì vận tốc bằng không;

d) từ độ cao cực đại; hòn sỏi rơi xuống, vận tốc tăng dần ;

e) hòn sỏi chạm mặt đường cứng nảy lên vài lần rồi nằm yên trên mặt đường

Trả lời:

Những sự truyền và biến đổi năng lượng xảy ra là:

a) Cơ năng của tay chuyển hóa thành thế năng của dây cao su.

b) Một phần thế năng của dây cao su chuyển hóa thành động năng của hòn sỏi.

c) Động năng của hòn sỏi chuyển hóa dần thành thế năng của hòn sỏi. Tới độ cao cực đại thì động năng của hòn sỏi bằng không, thế năng của hòn sỏi cực đại.

d) Thế năng của hòn sỏi chuyển hóa dần thành động năng của hòn sỏi.

e) Cơ năng của hòn sỏi chuyển hóa dần thành nhiệt năng của hòn sỏi và đường.

27.12*. Hai miếng nhôm và chì rơi từ cùng một độ cao xuống sàn nhà. Hãy xác định tỉ số độ tăng nhiệt độ của hai miếng kim loại trên khi chúng va chạm với sàn nhà nếu coi toàn bộ cơ năng của vật khi rơi đều dùng để làm nóng vật. Nhiệt dung riêng của nhôm là 880J/kg.K, của chì là 130J/kg.K.

Trả lời:

$\large \frac{\Delta t_{1}}{\Delta t_{2}}$ $\approx$ 6,77 lần

• Công do trọng lực tác dụng lên miếng nhôm thực hiện :

$A_{1}$ = $P_{1}$h = 10$m_{1}$h

Công này làm miếng nhôm nóng thêm lên $\Delta t_{1}$°C

Ta có : $m_{1}c_{1}\Delta t_{1}$ = 10$m_{1}$h ⇒ $\Delta t_{1}$ = $\large \frac{10h}{c_{1}}$ (1)

• Công do trọng lực tác dụng lên miếng chì thực hiện :

$A_{2}$ = $P_{2}$h = 10$m_{2}$h

Công này làm miếng chì nóng thêm lên $\Delta t_{2}$°C

Ta có : $m_{2}c_{2}\Delta t_{2}$ = 10$m_{2}$h ⇒ $\Delta t_{2}$ = $\large \frac{10h}{c_{2}}$ (2)

Từ (1) và (2)

27.13*. Một vật bằng đồng có khối lượng 1,78kg rơi từ mặt hồ xuống đáy hồ sâu 5m.

a) Tính độ lớn của phần cơ năng đã biến đổi thành nhiệt năng trong sự rơi này. Khối lượng riêng của đồng là 8900kg/$m^{3}$, của nước hồ là 1000kg/$m^{3}$.

b) Nếu vật không truyền nhiệt cho nước hồ thì nhiệt độ của nó tăng thêm bao nhiêu độ? Nhiệt dung riêng của đồng là 380J/kg.K.

Trả lời:

Đã cho: $m_{1}$ = 1,78 kg; h = 5m; $D_{1}$ = 8900 kg/$m^{3}$

$D_{2}$ = 100 kg/$m^{3}$; c = 380J/kg.K;

Tính a) Q = ? (J);

b) $\Delta$t = ? (°C)

Giải:

a) Gọi $P_{1}$ là trọng lượng của miếng đồng, $P_{2}$ là trọng lượng của nước bị miếng đồng chiếm chỗ ở đáy hồ. Ta có :

Công do trọng lượng tác dụng lên miếng đồng thực hiện được khi miếng đồng rơi từ mặt hổ xuống đáy hồ là:

$A_{1}$ = $P_{1}$h = 10$m_{1}$h .

Công này một phần dùng để đưa lượng nước miếng đồng chiếm chỗ từ đáy hồ lên mặt hồ, một phần làm tăng nhiệt năng của miếng đồng do ma sát với nước.

Gọi $A_{2}$ là công dùng để đưa nước lên:

Nhiệt lượng miếng đồng nhận được:

b) Nếu miếng đồng không truyền nhiệt cho nước hồ thì nhiệt độ của nó tăng: