Bài 2. Cơ năng
Trang bìa
Trang bìa
Ảnh
BÀI 2. CƠ NĂNG
Mở đầu
Câu hỏi
Khi xảy ra sạt lở đất ở vùng đồi núi, các khối đất đá từ trên cao trượt xuống dưới có thể gây thiệt hại cho con người và tài sản (hình 2.1). Trước khi sạt lở, khối đất đá ở trên cao có thế năng. Trong quá trình trượt xuống, khối đất đá có động năng. Thế năng và động năng của khối đất đá được tính như thế nào?
- Thế năng của khối đất đá được tính theo công thức: Wt = P.h - Động năng của khối đất đá được tính theo công thức: Wd = LATEX(1/2).m.LATEX(v^2)
Ảnh
1.Động năng
1.1.Động năng
Động năng là dạng năng lượng mà một vật sở hữu do chuyển động của nó. Động năng là một đại lượng vô hướng, luôn dương và được tính bằng công thức:
Wd = LATEX(1/2).m.LATEX(v^2)
Trong đó: Wđ: Động năng (đơn vị: Joule, ký hiệu: J). m: Khối lượng của vật (đơn vị: kilogram, ký hiệu: kg). v: Vận tốc của vật (đơn vị: mét/giây, ký hiệu: m/s).
1.2.Câu hỏi 1
Lấy ví dụ về các vật có động năng trong đời sống.
Ví dụ về các vật có động năng trong đời sống: - Con chó đang chạy trên đường. - Em đạp xe tới trường.
1.3.Luyện tập 1
Tính động năng của xe máy có khối lượng 100 kg đang chuyển động với tốc độ 15 m/s.
Động năng của xe máy là:
Wd = LATEX(1/2).m.LATEX(v^2) = LATEX(1/2).100.152=11250J
1.4.Ý nghĩa
- Động năng thể hiện khả năng thực hiện công của một vật đang chuyển động. Ví dụ, một viên đạn đang bay có động năng cao nên có thể xuyên thủng vật cản. - Trong thực tế, động năng giúp giải thích các hiện tượng như va chạm, chuyển động của xe cộ, hay sự di chuyển của các hành tinh.
2.Thế năng
2.1.Thế năng
Thế năng là năng lượng mà một vật sở hữu do vị trí của nó trong một trường lực hoặc do trạng thái biến dạng của vật. Thế năng thường xuất hiện trong hai dạng chính: thế năng trọng trường và thế năng đàn hồi.
2.2. Thế năng trọng trường
Thế năng trọng trường là năng lượng mà vật sở hữu do vị trí của nó trong trường trọng lực. Công thức tính thế năng trọng trường: ​
Wt = m.g.h
2.3.Thế năng đàn hồi
Thế năng đàn hồi là năng lượng mà lò xo hoặc vật đàn hồi sở hữu khi bị biến dạng (kéo dãn hoặc nén). Công thức tính thế năng đàn hồi:
Wt = LATEX(1/2).k.LATEX(x^2)
2.4.Câu hỏi 2
Thế năng trọng trường của vật phụ thuộc vào những yếu tố nào?
Thế năng trọng trường của vật phụ thuộc vào những yếu tố: - trọng lượng của vật. - độ cao của vật so với mốc thế năng được chọn.
2.5.Câu hỏi 3
Ở gần mặt đất, trọng lượng của vật liên hệ với khối lượng của nó như thế nào?
- Ở gần mặt đất, trọng lượng của vật được tính theo công thức: P = m.g (với m là khối lượng của khối đất đá (kg); g là gia tốc trọng trường (m/s2)). - Trọng lượng của vật tỉ lệ thuận với khối lượng của vật.
2.6.Luyện tập 2
Trong hình 1.4, kiện hàng được người công nhân đưa lên cao 1,2 m so với mặt đất. Chọn mặt đất là mốc thế năng. Tính thế năng trọng trường của kiện hàng, biết rằng trọng lượng của kiện hàng là 45 N.
Thế năng trọng trường của kiện hàng là: Wt = P.h = 45. 1,2 = 54 J
Ảnh
3.Cơ năng
3.1.Cơ năng
Cơ năng là tổng năng lượng của một vật bao gồm động năng và thế năng. Đây là một đại lượng vật lý quan trọng trong cơ học, thể hiện khả năng sinh công của vật. Cơ năng thường được bảo toàn trong các hệ kín khi chỉ có các lực bảo toàn tác dụng (như trọng lực hoặc lực đàn hồi).
Công thức tổng quát: Wcơ năng = Wt + Wđ
3.2.Câu hỏi 4
Khi chuyển động từ vị trí B đến vị trí C, vì sao thế năng của bạn nhỏ tăng dần?
Ảnh
Khi chuyển động từ vị trí B đến vị trí C, thế năng của bạn nhỏ tăng dần vì độ cao của bạn nhỏ tăng dần (vị trí C cao hơn vị trí B).
3.3.Luyện tập 3
Tính cơ năng của bạn nhỏ ở vị trí B (hình 2.3) trong hai trường hợp: a. Chọn mặt đất làm mốc thế năng. Biết rằng, động năng của bạn nhỏ tại B bằng 90 J và thế năng bằng 150 J. b. Chọn điểm B làm mốc thế năng.
Ảnh
Ảnh
a. Chọn mặt đất làm mốc thế năng. Cơ năng của bạn nhỏ ở vị trí B là: W = Wđ + Wt = 90 + 150 = 240 J b. Chọn điểm B làm mốc thế năng ⇒ Thế năng tại B bằng 0. Cơ năng của bạn nhỏ ở vị trí B là: W = Wđ = 90 J.
3.4.Luyện tập 4
Phân tích sự chuyển hóa động năng và thế năng của bạn nhỏ khi chơi cầu trượt ở hình 2.4 trong hai trường hợp sau:
Ảnh
a. Bỏ qua ma sát của mặt cầu trượt và lực cản của không khí. b. Lực ma sát giữa bạn nhỏ và cầu trượt có giá trị đáng kể.
a. Khi bạn nhỏ ở trên cao (so với mặt đất) thì bạn nhỏ có thế năng lớn nhất. Trong quá trình trượt có sự chuyển hóa từ thế năng sang động năng do độ cao của bạn nhỏ giảm dần, tốc độ trượt tăng dần. Khi gần chạm sát mặt đất toàn bộ thế năng ban đầu chuyển hóa thành động năng.
Ảnh
b. Khi bạn nhỏ ở trên cao (so với mặt đất) thì bạn nhỏ có thế năng lớn nhất. Trong quá trình trượt có sự chuyển hóa từ thế năng sang động năng do độ cao của bạn nhỏ giảm dần, tốc độ trượt tăng dần. Vì lực ma sát giữa bạn nhỏ và cầu trượt có giá trị đáng kể nên trong khi trượt năng lượng của bạn nhỏ bị chuyển hóa một phần thành năng lượng nhiệt làm nóng chỗ cơ thể người tiếp xúc với mặt cầu trượt và tỏa ra môi trường. Do vậy, toàn bộ năng lượng ban đầu (thế năng) bị chuyển hóa thành động năng và nhiệt năng ngay trước khi bạn nhỏ chạm đất. (Động năng của bạn nhỏ trước khi chạm đất trong trường hợp b nhỏ hơn trường hợp a).
3.5.Tìm hiểu thêm
Vật ở càng cao thì thế năng của vật càng lớn. Do đó, vật có năng lượng lớn. Vì vậy, đốt củi ở trên cao sẽ tỏa nhiệt nhiều hơn. Điều này có đúng hay không?
Đốt củi ở trên cao sẽ tỏa nhiệt nhiều hơn là sai. Vì khi nhiên liệu bị đốt cháy năng lượng được giải phóng lớn hay nhỏ liên quan tới tính chất hóa học của vật liệu, điều kiện phản ứng,… còn vật ở trên cao có thế năng là năng lượng dạng tích trữ, năng lượng được giải phóng khi vật thực hiện công.
3.6.Vận dụng
Trên công trường xây dựng, để đóng các cọc bê tông lún sâu xuống lòng đất, người ta dùng búa máy như hình 2.5. Đầu búa có trọng lượng lớn được kéo lên một độ cao nhất định so với mặt đất rồi thả rơi xuống đập vào cọc bê tông. Mô tả sự chuyển hóa năng lượng của đầu búa từ lúc được thả rơi cho tới ngay trước khi đập vào cọc. Bỏ qua sự hao phí năng lượng do lực cản của môi trường.
Ảnh
Ảnh
Mô tả sự chuyển hóa năng lượng của đầu búa từ lúc được thả rơi cho tới ngay trước khi đập vào cọc: + Tại điểm thả rơi: đầu búa có thế năng lớn nhất. + Trong quá trình rơi: thế năng chuyển hóa thành động năng. + Tại vị trí ngay trước khi đập vào cọc: Vì bỏ qua sự hao phí năng lượng do lực cản của môi trường nên toàn bộ thế năng ban đầu của đầu búa chuyển hóa toàn bộ thành động năng của đầu búa trước khi đập vào cọc.
3.7.Tìm hiểu thêm
Ngoài thế năng trọng trường, vật còn có thế năng đàn hồi khi bị biến dạng. Vật biến dạng càng nhiều thì có thế năng đàn hồi càng lớn.
Trong trò chơi bạt nhún ở hình 2.6, bạn nhỏ nhấn chân lên mặt bạt biến dạng tích trữ năng lượng dưới dạng thế năng đàn hồi. Mặt bạt đàn hồi trở lại trạng thái cũ, đẩy bạn nhỏ lên cao, thế năng đàn hồi chuyển hóa thành động năng của bạn nhỏ và sau đó động năng lại chuyển hóa thành thế năng trọng trường của bạn đó. Trong hình 2.6: a. Trường hợp nào bạt nhún có thế năng đàn hồi lớn nhất? b. Trường hợp nào bạn nhỏ có thế năng trọng trường lớn nhất?
Ảnh
Ảnh
a. Bạt nhún có thế năng đàn hồi lớn nhất ở hình 2.6 b vì bạt nhún bị biến dạng nhiều nhất. b. Bạn nhỏ có thế năng trọng trường lớn nhất ở hình 2.6 c vì bạn nhỏ ở vị trí cao nhất so với mặt bạt nhún.
4.Dặn dò
Dặn dò
Ảnh
Dặn dò:
Các em nhớ đọc kĩ bài mới nhé!
Cảm ơn
Ảnh