Thế năng là gì? Lý thuyết và công thức tính thế năng

Thế năng là một trong những khái niệm quan trọng trong lĩnh vực cơ học của môn Vật lý lớp 10. Hiểu về khái niệm này và biết cách tính toán sẽ giúp học sinh giải quyết nhanh chóng và chính xác các bài toán liên quan đến động năng, thế năng và cơ năng. Vậy thế năng là gì? Có những công thức nào để tính toán thế năng trong trọng trường và trong trường hợp đàn hồi? Hãy cùng Team Marathon Education tìm hiểu những kiến thức này qua bài viết sau đây.

Khái niệm về Thế năng

Thế năng là một trong những đại lượng quan trọng trong vật lý. Đại lượng này thể hiện khả năng sinh công của một vật trong một số điều kiện nhất định. Nói cách khác, thế năng là một dạng năng lượng tồn tại trong vật thể. Có ba loại thế năng chính là thế năng trọng trường, thế năng đàn hồi và thế năng tĩnh điện.

Tuy nhiên, trong chương trình Vật lý lớp 10, chúng ta chỉ tập trung vào việc tìm hiểu về hai loại thế năng phổ biến là thế năng trọng trường và thế năng đàn hồi. Mỗi loại đều có khái niệm, đặc điểm và công thức tính toán riêng.

Thế năng trọng trường và công thức tính

Khái niệm thế năng trọng trường

Thế năng trọng trường liên quan đến trọng trường của Trái Đất. Trước khi tìm hiểu về khái niệm thế năng trọng trường, chúng ta cần hiểu về trọng trường của Trái Đất và tác động của nó lên các vật thể.

Trọng trường là môi trường tồn tại xung quanh Trái Đất và tạo ra lực hấp dẫn (trọng lực) tác động lên mọi vật thể nằm trong trọng trường. Công thức tính trọng lượng của một vật có khối lượng m trong trọng trường là:

P = m.g

Trong đó:

  • P là trọng lượng, đơn vị đo là Newton (N)
  • m là khối lượng của vật thể, đơn vị đo là kilogram (kg)
  • g là gia tốc rơi tự do hoặc gia tốc trọng trường, đơn vị đo là meter per square second (m/s2)
Có Thể Bạn Quan Tâm :   Book Lịch Nghĩa Là Gì

Từ đó, chúng ta có thể định nghĩa thế năng trọng trường của một vật là năng lượng mà vật đó có khi có lực hấp dẫn giữa nó và Trái Đất. Độ lớn của thế năng trọng trường phụ thuộc vào vị trí của vật trong trọng trường.

Công thức tính thế năng trọng trường

Thế năng trọng trường của một vật có khối lượng m đặt ở vị trí cách mốc thế năng z trong môi trường trọng trường có thể tính bằng công thức sau:

Wt = m.g.z

Trong đó:

  • Wt là thế năng trọng trường của vật ở vị trí đang xét, đơn vị đo là Joule (J)
  • m là khối lượng của vật thể, đơn vị đo là kilogram (kg)
  • z là khoảng cách từ vật đến mốc thế năng, đơn vị đo là meter (m)
  • g là gia tốc rơi tự do của vật, đơn vị đo là meter per square second (m/s2)

Mốc thế năng là vị trí ban đầu của vật trong trọng trường trước khi sinh công. Ví dụ, khi một vật được ném lên không trung, vị trí vật đó là mốc thế năng.

Trong các trường hợp khác nhau:

  • Thế năng trọng trường dương khi Wt > 0
  • Thế năng trọng trường bằng không khi Wt = 0
  • Thế năng trọng trường âm khi Wt < 0
  • Vị trí vật thể trên mốc thế năng khi z > 0
  • Vị trí vật thể dưới mốc thế năng khi z < 0

Thay đổi của thế năng và công của trọng lực phụ thuộc vào vị trí của vật thể trong quá trình di chuyển. Khi vật thể di chuyển từ vị trí M đến vị trí N trong trọng trường (tăng độ cao hoặc giảm độ cao), công của trọng lực bằng hiệu thế năng giữa hai vị trí và được tính theo công thức AMN = Wt(M) – Wt(N).

Thế năng đàn hồi và công thức tính

Khái niệm thế năng đàn hồi

Thế năng đàn hồi là năng lượng được sinh ra khi một vật bị biến dạng do lực tác động từ bên ngoài.

Ví dụ, khi một lò xo bị kéo dãn, sẽ có một lực đàn hồi đối lập tác động lên lò xo với độ lớn F = k.|Δl| (theo định luật Hooke), với k là độ cứng của lò xo và Δl là độ biến dạng của lò xo. Công của lực đàn hồi này có thể tính bằng công thức:

Công thức tính thế năng đàn hồi

Thế năng đàn hồi khi lò xo bị biến dạng một đoạn Δl có thể tính bằng công thức:

Wdh = 1/2 k.(Δl)2

Trong đó:

  • Wdh là thế năng đàn hồi, đơn vị đo là Joule (J)
  • k là độ cứng của lò xo, đơn vị đo là Newton per meter (N/m)
  • Δl là độ biến dạng của lò xo, đơn vị đo là meter (m)
Có Thể Bạn Quan Tâm :  
chương trình học thử

Bài tập ứng dụng

Bài tập 1 (Bài 3 Trang 141 SGK Lý 10)

Một vật có khối lượng 1,0 kg có thế năng 1,0 J đối với mặt đất. Lấy g = 9,8 m/s2. Khi đó, vật ở độ cao bao nhiêu so với mặt đất?

Đáp án:

Bài tập 2 (Bài 6 Trang 141 SGK Lý 10)

Một lò xo có độ cứng k = 200 N/m, một đầu cố định, đầu kia gắn với vật nhỏ. Khi bị lò xo nén 2 cm thì thế năng đàn hồi của hệ bằng bao nhiêu? Thế năng này có phụ thuộc khối lượng của vật không?

Đáp án:

Bài tập 3

Một người có khối lượng 60kg đứng trên mặt đất và cạnh một giếng nước, lấy g = 10 m/s2.

a. Tính thế năng của người đó tại vị trí A cách mặt đất 3m về phía trên và tại đáy giếng cách mặt đất 5m, lấy gốc thế năng tại mặt đất.

b. Với mốc thế năng tại đáy giếng, hãy tính lại kết quả câu a

c. Tính công của trọng lực nếu người này di chuyển từ đáy giếng lên độ cao 3m so với mặt đất. Nhận xét kết quả thu được.

Đáp án:

Bài tập 4

Một học sinh lớp 10 trong giờ Vật Lý làm thí nghiệm thả một quả cầu có khối lượng 250 g từ độ cao 1,5 m so với mặt đất. Tính độ cao của vật so với mặt đất khi vận tốc 18 km/h. Chọn vị trí thả vật làm gốc thế năng. Lấy g = 10m/s2.

Đáp án:

Bài tập 5

Một xe có khối lượng m = 2,8 kg chuyển động theo quỹ đạo cong như hình vẽ. Độ cao của các điểm A, B, C, D, E được tính đối với mặt đất và có các giá trị: hA = 6 m, hB = 3 m, hC = 4 m, hD = 1,5 m, hE = 7 m. Lấy g = 10 m/s2. Tính độ biến thiên thế năng của xe trong trọng lượng khi nó di chuyển từ:

a. Từ A đến B.

b. Từ B đến C.

c. Từ A đến D.

d. Từ A đến E.

Thế năng là gì? Lý thuyết và công thức tính thế năng

Đáp án:

Bài tập 6

Một vật nhỏ có khối lượng m = 160 g gắn vào đầu của một lò xo đàn hồi có độ cứng k = 100 N/m, khối lượng không đáng kể; đầu kia của của lò xo được giữ cố định. Tất cả nằm trên một mặt ngang không ma sát. Vật được đưa về vị trí mà tại đó lò xo dãn 5 cm. Sau đó vật được thả nhẹ nhàng. Dưới tác dụng của lực đàn hồi, vật bắt đầu chuyển động. Xác định vận tốc của vật khi:

a) Vật về tới vị trí lò xo không biến dạng.

Có Thể Bạn Quan Tâm :   Cucumber là gì? Các thành phần của Cucumber

b) Vật về tới vị trí lò xo dãn 3 cm.

Đáp án:

Bài tập 7

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 hướng và hạ thùng này xuống sàn một ô tô tải ở độ cao 1.25 m so với mặt đất.

a. Tìm thế năng của thùng trong trọng trường 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 ô tô. Công của trọng lực có phụ thuộc cách di chuyển thùng giữa hai vị trí đó hay không? Tại sao?

Đáp án:

Bài tập 8 (trang 171 SGK Vật Lý 10 nâng cao)

Giữ một vật khối lượng 0.25 kg ở đầu một lò xo đặt thẳng đứng với trạng thái ban đầu chưa bị biến dạng. ấn cho vật đi xuống làm lò xo bị biến dạng một đoạn 10 cm. Tìm thế năng tổng cộng của hệ vật – lò xo tại vị trí này. Lò xo có độ cứng 500N/m và bỏ qua khối lượng của nó. Cho g = 10 m/s2 và chọn mức không của lò xo tại vị trí lò xo không biến dạng.

Đáp án:

Bài tập 9

Hai lò xo k1 = 0.2 N/cm; k2 = 0.6 N/cm nối với nhau và nối với điểm cố định A, vật m = 150g treo ở đầu hai lò xo (hình vẽ).

a/ Tính độ biến dạng của mỗi lò xo tại vị trí cân bằng O.

b/ Kéo m lệch khỏi vị trí cân bằng đoạn x = 2 cm. Tính thế năng đàn hồi của hệ hai lò xo tại vị trí x. Chọn gốc thế năng tại vị trí cân bằng.

Đáp án:

Tham khảo ngay các khóa học trực tuyến của Marathon Education

Từ bài viết trên, Team Marathon Education đã tổng hợp được những kiến thức cơ bản về thế năng và các công thức tính thế năng trọng trường và thế năng đàn hồi. Những kiến thức này rất đơn giản và dễ nhớ, phải không? Hy vọng bài viết đã giúp các bạn hiểu rõ hơn về chủ đề này và có thể áp dụng thành thạo trong việc giải các bài tập liên quan.

Hãy liên hệ ngay với Marathon để được tư vấn và tham gia khóa học trực tuyến nếu bạn cần cải thiện kiến thức của mình! Marathon Education xin chúc bạn thành công trong các bài kiểm tra và kỳ thi sắp tới!

Back to top button