[Vật lý 10] Động năng – Thế năng – Cơ năng là gì?

Bài học hôm nay, congthuctoanlyhoa sẽ đề cập đến Động năng, Thế năng, Cơ năng – là các dạng năng lượng của một vật. Cùng bắt tay vào học ngay thôi nhé!

Động năng là gì

Năng lượng

• Mọi vật xung quanh ta đều mang năng lượng.
• Sự trao đổi năng lượng có thể diễn ra dưới những dạng khác nhau:
  +Thực hiện công

+Truyền nhiệt

+Phát ra các tia mang năng lượng

Động năng

• Động năng là dạng năng lượng mà một vật có được do nó đang chuyển động
• Đơn vị của động năng là Jun (J)

Công thức tính động năng

Động năng của một vật khối lượng m đang chuyển động với vận tốc v là năng lượng (kí hiệu W_đ) mà vật đó có được do nó đang chuyển động và được xác định theo công thức:

W_đ = 1/2.mv²

Công của lực tác dụng và độ biến thiên động năng

• Động năng của một vật biến thiên khi các lực tác dụng lên vật sinh công, ta có:

A = 1/2.mv₂² – 1/2.mv₁²

• Hệ quả: Khi lực tác dụng lên vật sinh công dương thì động năng của vật tăng và ngược lại.

Bài tập vận dụng động năng

Một ôtô chạy với vận tốc 24 m/s có khối lượng 1100 kg, hãm phanh chuyển động chậm dần đều. Tính:

a/ Độ biến thiên động năng của ô tô sau khi vận tốc giảm còn 10m/s.

b/ Lực hãm trung bình sau khi ô tô đi thêm được 60m

Hướng dẫn:

Phân tích bài toán

v₁ = 24m/s; m = 1100kg; v₂ = 10m/s; s = 60m

Giải

a/ Δ$W_{đ}$

= 0,5m(v₂² – v₁²) = -261800(J)

b/ Δ$W_{đ}$

= A = -F.s = > F = 4363N

Thế năng là gì

Thế năng trọng trường

• Xung quanh trái đất tồn tại một trọng trường.
• Biểu hiện trọng trường là sự xuất hiện của trọng lực tác dụng lên một vật khối lượng m đặt tại một vị trí bất kì trong khoảng không gian có trọng trường.
• Ta có công thức trọng lực: 

P = mg.

Trong đó:

+ m: khối lượng của vật

+ →g: gia tốc trọng trường

• Thế năng trọng trường của một vật là dạng năng lượng tương tác giữa Trái Đất và vật; nó phụ thuộc vào vị trí của vật trong trọng trường.
• Khi một vật khối lượng m đặt ở độ cao z so với mặt đất (trong trọng trường của Trái Đất) thì thế năng trọng trường của vật được định nghĩa bằng công thức W_t = mgz

=> Khi tính thế năng ta phải chọn mốc thế năng để tính độ cao z, ta chọn chiều dương hướng lên.

Liên hệ giữa biến thiên thế năng và công của trọng lực

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

 A_MN = W_t (M) – W_t (N)

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

+ Khi vật giảm tốc độ, thế năng của vật giảm thì trọng lực sinh công dương.

+ Khi vật càng cao, thế năng của vật tăng thì trọng lực sinh công âm.

Thế năng đàn hồi

Khi một vật biến dạng thì nó có thể sinh công. Lúc đó vật có một dạng năng lượng gọi là thế năng đàn hồi. Như vậy thế năng đàn hôi là dạng năng lượng của một vật chịu tác dụng của lực đàn hồi.

Công thức thế năng đàn hồi của một lò xo ở trạng thái có biến dạng ∆l là:

Wt=1/2.k(Δl)²

=> Trong thế năng đàn hồi, ta cũng phải chọn mốc thế năng (Khi không giãn) là vị trí mà từ đó ta tính được độ biến dạng của vật.

Bài tập vận dụng thế năng

Một cần cẩu nâng một thùng hàng có khối lượng 420 kg từ mặt đất lên độ cao 3 m ( tính theo di chuyển khối tâm của thùng), sau đó đổi hương và hạ thùng này xuống sàn một ôtô tải ở độ cao 1,25 m so với mặt đất.

a. Tìm thế năng của thùng trong trọng trương khi ở độ cao 3 m. Tính công của lực phát động ( lực căng của dây cáp) để nâng thùng hàng lên độ cao này.

b. Tìm độ biến thiên thế năng khi hạ thùng từ độ cao 3 m xuống sàn ôtô. Công của trọng lực có phụ thuộc cách di chuyển thùng giữa hai vị trí đó hay không? Tại sao?

Lời giải:

a. Thế năng của thùng: W_t = mgz = 420.10.3 = 12600 (J).

Coi thùng được nâng đều, lực phát động có độ lớn bằng trọng lực. Độ giảm thế năng bằng công của trọng lực:

W_t – 0 = – A_P.

Công của lực phát động: A_F = – A_P = W_t = 12600 (J).

b. Độ biến thiên thế năng khi hạ thùng xuống sàn ôtô:

W = W₂ – W₁ = mg(h₂ – h₁ ) = 420.10.(1,25-3) = -7350 (J)

Trong trường hợp này thế năng giảm.

Công của trọng lực không phụ thuộc vào cách di chuyển thùng giữa hai vị trí vì trọng lực là lực thế, công của nó chỉ phụ thuộc vào mực chênh lệch độ cao giữa hai vị trí đầu và cuối mà không phụ thuộc vào dạng đường đi.

Cơ năng là gì

Trong chương trình Vật lý 10, ta sẽ học về 2 dạng cơ năng của vật sau đây:

Cơ năng của vật chuyển động trong trọng trường

Khi một vật chuyển động trong trọng trường thì tổng động năng và thế năng của vật được gọi là cơ năng.

Ta có:

W = W_đ + W_t = 1/2.mv² + mgz

Khi một vật chuyển động trọng trường chỉ chịu tác dụng của trọng lực thì cơ năng của vật là một đại lượng được bảo toàn.

         W = W_đ + W_t = const    hay    1/2. mv² + mgz = const

Hệ quả: 

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

– Nếu động năng giảm thì thế năng tăng và ngược lại.

– Tại vị trí nào động năng cực đại thì thế năng cực tiểu và ngược lại

Cơ năng của vật chịu tác dụng của lực đàn hồi

Cơ năng của vậy chuyển động dưới tác dụng của lực đàn hồi được tính bằng tổng động năng và thế năng đàn hồi của vật

         W =  1/2.mv² + 1/2.k(∆l)² 

Khi một vật chỉ chịu tác dụng của lực đàn hồi gây bởi dự biến dạng của một lò xo đàn hồi thì cơ năng của vật là một đại lượng bảo toàn:

 W =  1/2.mv² + 1/2.k(∆l)² = const

Hay: 1/2.mv² + 1/2.k(∆l)²= 1/2.mv²+ 1/2.k(∆l)² = ….

Lưu ý: Định luật bảo toàn cơ năng chỉ đúng khi vật chuyển động chỉ chịu tác dụng của trọng lực và lực đàn hồi. Nếu vật chịu tác dụng của lực cản, lực ma sát,… thì cơ năng của vật biến đổi. Công của các lực cản, lực ma sát,… sẽ bằng độ biến thiên của cơ năng. 

Bài tập vận dụng cơ năng

Một hòn bi có khối lượng 20 g được ném thẳng đứng lên cao với vận tốc 4m/s từ độ cao 1,6 m so với mặt đất.

a. Tính trong hệ quy chiếu mặt đất các giá trị động năng, thế năng và cơ năng của hòn bi tại lúc ném vật.

b. Tìm độ cao cực đại mà bi đạt được.

c. Tìm vị trí hòn bi có thế năng bằng động năng.

d. Nếu có lực cản 5N tác dụng thì độ cao cực đại mà vật lên được là bao nhiêu?

Lời giải:

a. Chọn gốc thế năng tại mặt đất.

Động năng tại lúc ném vật: W_đ = (1/2) mv² = 0,16 J.

Thế năng tại lúc ném vật: W_t = mgh = 0,31 J.

Cơ năng của hòn bi tại lúc ném vật: W = W_đ + W_t = 0,47 J.

b. Gọi điểm B là điểm mà hòn bi đạt được.

Áp dụng định luật bảo toàn cơ năng: W_A = W_B ⇔ h_max = 2,42 m.

c. 2 W_t = W ⇔ h = 1,175 m.

d. A_cản = W’- W ⇔ F_c ( h’- h )= mgh’ ⇔

Như vậy congthuctoanlyhoa.com vừa tổng hợp kiến thức liên quan đến 3 phần Động năng, Cơ năng, Thế năng. Chúc các bạn học tập và thực hành thật tốt nhé!