Công thức tính hiệu suất vật lý lớp 10 và ví dụ 80 J ra 40%
Lớp 10Vật líKết nối tri thức

Công thức tính hiệu suất Vật lí 10: lý thuyết, bài tập (Kết nối tri thức)

Trả lời nhanh

Công thức tính hiệu suất trong Vật lí 10 là H = Wci/Wtp × 100% hoặc H = Pci/Ptp × 100%, trong đó “ci” là có ích, “tp” là toàn phần. Vì luôn có một phần năng lượng hao phí nên hiệu suất của mọi máy thực tế đều nhỏ hơn 100%. Với động cơ nhiệt, H = A/Q × 100%.

1. Năng lượng có ích và năng lượng hao phí

Khi năng lượng chuyển từ dạng này sang dạng khác hoặc từ vật này sang vật khác, không bao giờ toàn bộ năng lượng biến thành dạng ta mong muốn. Phần ta cần dùng gọi là năng lượng có ích. Phần còn lại, thường toả ra dưới dạng nhiệt, âm thanh, ánh sáng không cần thiết, gọi là năng lượng hao phí. Tổng của hai phần là năng lượng toàn phần (năng lượng đưa vào máy).

Wtp = Wci + Whp

Sơ đồ năng lượng toàn phần tách thành năng lượng có ích và năng lượng hao phí
Năng lượng toàn phần đưa vào máy gồm phần có ích và phần hao phí; hiệu suất H = W_ci / W_tp.

Một vài ví dụ quen thuộc theo SGK:

  • Máy đánh trứng: điện năng → động năng của phới (có ích); năng lượng âm thanh và nhiệt là hao phí.
  • Máy sấy tóc: điện năng → nhiệt năng của luồng khí nóng (có ích); âm thanh là hao phí.
  • Động cơ nhiệt thông thường: khoảng 60%–70% năng lượng bị hao phí.
  • Động cơ điện: hao phí thấp hơn nhiều, khoảng 10%.
  • Pin Mặt trời: chỉ khoảng 10% năng lượng ánh sáng được chuyển thành điện năng, phần còn lại hao phí.

Lưu ý: “có ích” hay “hao phí” phụ thuộc vào mục đích sử dụng. Nhiệt của bàn là là có ích, nhưng nhiệt toả ra từ vỏ quạt điện lại là hao phí.

2. Công thức tính hiệu suất

Để so sánh mức độ “tiết kiệm” của các thiết bị, người ta định nghĩa hiệu suất là tỉ số giữa năng lượng có ích và năng lượng toàn phần.

Trường hợp Công thức Chú thích
Theo năng lượng H = Wci/Wtp × 100% W tính bằng J
Theo công H = Aci/Atp × 100% A tính bằng J
Theo công suất H = Pci/Ptp × 100% P tính bằng W
Động cơ nhiệt H = A/Q × 100% A: công cơ học động cơ sinh ra; Q: nhiệt lượng nhận từ nhiên liệu cháy

Hiệu suất không có đơn vị, thường viết dưới dạng phần trăm hoặc số thập phân từ 0 đến 1.

3. Những hệ quả cần nhớ

  • 0 < H < 1 (tức H < 100%) với mọi thiết bị thực tế, vì năng lượng hao phí không thể bằng 0.
  • Từ H = Aci/Atp suy ra Aci = H·Atp và Atp = Aci/H.
  • Vì A = P·t nên nếu cùng thời gian t thì H = Pci/Ptp; hai cách tính cho kết quả như nhau.
  • Ghép nối tiếp nhiều máy (đầu ra máy này là đầu vào máy kia): H = H1·H2·… (nhân, không cộng).

Mẹo nhớ: “Có ích trên toàn phần”. Phân số luôn lấy cái mình cần làm tử số, cái mình phải bỏ ra làm mẫu số, nên kết quả không bao giờ vượt quá 1.

4. Phương pháp giải bài tập hiệu suất

  1. Đổi đơn vị về hệ SI: kW → W, phút/giờ → s, cm → m, m3 nước → kg (D = 1000 kg/m3).
  2. Xác định đâu là phần có ích (thường là công nâng vật Aci = mgh, hoặc công thắng lực cản mong muốn) và đâu là phần toàn phần (thường là điện năng tiêu thụ P·t hoặc nhiệt lượng nhiên liệu toả ra).
  3. Viết công thức H, rút đại lượng cần tìm.
  4. Thay số, kiểm tra H < 100%; nếu vượt thì đã đảo tử và mẫu.

5. Ví dụ minh hoạ có lời giải

Ví dụ 1. Một động cơ có công suất tiêu thụ 2 kW kéo một vật khối lượng 500 kg lên cao 12 m trong 40 s. Lấy g = 10 m/s2. Tính hiệu suất.

Giải. Công có ích: Aci = mgh = 500·10·12 = 60 000 J. Công toàn phần: Atp = P·t = 2000·40 = 80 000 J. Vậy H = 60 000/80 000 = 0,75 = 75%.

Ví dụ 2. Máy bơm công suất 2 kW, hiệu suất 80%, bơm nước lên bể cao 8 m. Hỏi sau 10 phút bơm được bao nhiêu mét khối nước? (g = 10 m/s2, D = 1000 kg/m3)

Giải. Atp = P·t = 2000·600 = 1 200 000 J. Aci = H·Atp = 0,8·1 200 000 = 960 000 J. Mà Aci = mgh nên m = 960 000/(10·8) = 12 000 kg, tức V = m/D = 12 m3.

Ví dụ 3. Một động cơ nhiệt nhận 500 kJ nhiệt lượng từ nhiên liệu và sinh công cơ học 150 kJ. Tính hiệu suất và phần năng lượng hao phí.

Giải. H = A/Q = 150/500 = 0,3 = 30%. Năng lượng hao phí = 500 − 150 = 350 kJ (chiếm 70%, phù hợp với con số 60%–70% hao phí của động cơ nhiệt).

Ví dụ 4. Hai máy ghép nối tiếp: máy thứ nhất có H1 = 90%, máy thứ hai có H2 = 80%. Hiệu suất cả hệ?

Giải. H = H1·H2 = 0,9·0,8 = 0,72 = 72%. Kết quả nhỏ hơn cả hai hiệu suất thành phần, vì mỗi khâu lại hao phí thêm.

6. Đối chiếu nhanh với các bài trắc nghiệm hay gặp

Các dạng sau xuất hiện nhiều trong đề kiểm tra Bài 27; cách giải đều theo các bước ở mục 4:

  • Động cơ 5 kW kéo vật nặng 12 kN lên cao 30 m trong 90 s: Aci = 12 000·30 = 360 000 J; Atp = 5000·90 = 450 000 J; H = 80%.
  • Máy bơm 1,5 kW, H = 70%, bơm nước lên cao 10 m trong nửa giờ: V = P·t·H/(D·g·h) = 1500·1800·0,7/(1000·10·10) = 18,9 m3.
  • Động cơ nhỏ nâng vật 2,0 N lên 80 cm trong 4,0 s, H = 20%: Aci = 2·0,8 = 1,6 J; Atp = 1,6/0,2 = 8 J; P = 8/4 = 2 W.

7. Lỗi sai thường gặp

  • Quên đổi đơn vị: để nguyên kW, phút hoặc cm khiến kết quả lệch 103, 60 lần.
  • Đảo tử – mẫu: cho ra H > 100%, một dấu hiệu sai ngay.
  • Lẫn trọng lượng và khối lượng: đề cho “trọng lượng 12 kN” thì A = P·h, không nhân thêm g.
  • Cộng hiệu suất khi ghép máy: phải nhân.
  • Nhầm công và công suất: Atp = P·t, nhưng nếu so công suất với công suất thì không cần t.

8. Bài tập tự luyện

  1. Thang máy do động cơ điện có công suất tiêu thụ 3 kW nâng 300 kg lên cao 10 m trong 15 s. Tính hiệu suất. (g = 10 m/s2)
  2. Máy bơm công suất 1 kW, hiệu suất 60%, cần bơm 2 m3 nước lên độ cao 15 m. Tính thời gian bơm. (D = 1000 kg/m3)
  3. Động cơ ô tô có hiệu suất 30% đốt hết 0,5 kg xăng có năng suất toả nhiệt 4,6·107 J/kg. Tính công cơ học động cơ sinh ra.

Đáp án gợi ý:

  1. Aci = 300·10·10 = 30 000 J; Atp = 3000·15 = 45 000 J; H ≈ 66,7%.
  2. Aci = 2000·10·15 = 300 000 J; Atp = 300 000/0,6 = 500 000 J; t = 500 000/1000 = 500 s (khoảng 8,3 phút).
  3. Q = 0,5·4,6·107 = 2,3·107 J; A = 0,3·2,3·107 = 6,9·106 J.

9. Học tiếp các bài liên quan

  • Bài 26: Cơ năng và định luật bảo toàn cơ năng
  • Giải SGK Vật Lí 10 Bài 27: Hiệu suất
  • 20 câu trắc nghiệm Hiệu suất có đáp án
  • Sách bài tập Vật Lí 10 Bài 27: Hiệu suất
  • Bài 28: Động lượng
  • Bài 29: Định luật bảo toàn động lượng
  • Lý thuyết Vật Lí 10 – Kết nối tri thức

Câu hỏi thường gặp

Công thức tính hiệu suất trong vật lý lớp 10 là gì?

H = W_ci/W_tp × 100% hoặc H = P_ci/P_tp × 100%. Với động cơ nhiệt, H = A/Q × 100%, trong đó A là công cơ học sinh ra và Q là nhiệt lượng nhận từ nhiên liệu.

Hiệu suất có thể lớn hơn 100% không?

Không. Luôn có một phần năng lượng hao phí (nhiệt, âm thanh…) nên năng lượng có ích luôn nhỏ hơn năng lượng toàn phần, do đó H nhỏ hơn 100%.

Hiệu suất của hai máy ghép nối tiếp tính thế nào?

Nhân các hiệu suất: H = H1 × H2. Ví dụ 90% và 80% cho H = 72%, nhỏ hơn mỗi hiệu suất thành phần.

Khi giải bài hiệu suất cần chú ý gì về đơn vị?

Đổi về SI trước khi tính: kW sang W, phút hoặc giờ sang giây, cm sang m, mét khối nước sang kg (1 m3 nước = 1000 kg). Nếu đề cho trọng lượng thì dùng A = P·h, không nhân thêm g.

Bài học liên quan