Trên thực tế, nhiều học sinh trong quá trình học chưa hiểu được khái niệm cơ năng cũng như gặp khó khăn trong việc nắm bắt các kiến thức liên quan đến đại lượng quan trọng này. Do đó, các kiến thức được tổng hợp trong bài viết dưới đây sẽ giúp các em có được cái nhìn tổng quan, dễ hiểu hơn về đại lượng cơ năng.
1. Cơ năng là gì?
Hiểu một cách đơn giản, khi 1 vật có khả năng sinh công, ta nói vật đó có cơ năng hoặc cơ năng của một vật. Nếu vật đó có thể sinh ra công càng lớn thì cơ năng của nó sẽ càng lớn. Đơn vị tính của cơ năng là Jun và được ký hiệu là J.
Như đã nhắc đến ở đầu bài viết, trong vật lý học, cơ năng được tính bằng tổng của động năng và thế năng. Cơ năng là sự kết hợp năng lượng giữa chuyển động và vị trí của vật thể.
Xem ngay: Cách để học tốt môn vật lý
2. Hai dạng cơ năng phổ biến
Cơ năng được chia ra làm 2 dạng, bao gồm động năng và thế năng, có quan hệ mật thiết với nhau.
Động năng
Động năng được hiểu là cơ năng của vật được tạo nên nhờ sự chuyển động. Khi vật thể có khối lượng càng lớn và chuyển động càng nhanh thì động năng theo đó cũng sẽ càng lớn.
Thế năng
Thế năng là một đại lượng thường gặp trong môn vật lý, đặc trưng cho khả năng sinh công của vật và tồn tại dưới dạng năng lượng. Thế năng được chia ra làm 2 loại, bao gồm: thế năng trọng trường và thế năng đàn hồi:
- Thế năng trọng trường
Thế năng trọng trường được xác định bởi độ cao của vật so với mặt đất. Nếu không phải mặt đất, chúng ta hoàn toàn có thể sử dụng một vị trí khác để làm mốc tính được độ cao. Khi đó, cơ năng của vật sẽ được tính phụ thuộc vào độ cao của vật đó so với mốc tính độ cao là một điểm đã được xác định trước.
Nếu vật nằm ở vị trí càng cao so với mốc tính đã được xác định trước thì thế năng càng lớn. Nếu vật được đặt trên mặt đất hoặc đặt tại mốc tính thì thế năng trọng trường của vật sẽ bằng 0.
Ngoài ra, thế năng trọng trường của vật còn phụ thuộc vào khối lượng của chính vật đó. Khi vật có khối lượng càng nhỏ thì thế năng theo đó cũng sẽ càng nhỏ.
- Thế năng đàn hồi
Thế năng đàn hồi được dùng khi cơ năng của vật bị ảnh hưởng bởi độ biến dạng của vật đó. Lò xo chính là ví dụ điển hình mà các em dễ thấy nhất.
Xem thêm: Sóng điện từ là gì?
3. Công thức tính cơ năng là gì?
Một vật có thể có cả cơ năng và động năng nên cơ năng của vật được tính bằng tổng của động năng và thế năng. Do đó, ta có công thức tính cơ năng như sau:
W = Wđ + Wt = ½ mv2 + mgz.
Một số ví dụ dễ hiểu về trường hợp vật có cả thế và động năng là: Máy bay đang cất cánh, lá cây rơi, quả rụng,…
4. Hiểu rõ về định luật bảo toàn cơ năng
Định luật bảo toàn cơ năng là định luật bảo toàn chỉ số cơ năng của một vật khi vật đó chuyển động trong trọng trường và vật đó chỉ chịu tác động của lực đàn hồi hoặc trọng lực. Ngoài ra, vật đó không chịu tác động thêm của bất kỳ lực nào khác như: Lực cản, lực ma sát,…
W = Wđ + Wt = const hay ½ mv2 + mgz = const.
Hiểu một cách đơn giản, hai dạng động năng và thế năng của một vật có thể chuyển đổi qua lại với nhau khi vật đó chuyển động trong trọng trường. Tuy nhiên, cơ năng [tổng của hai đại lượng này] không thay đổi khi vật đó chỉ chịu tác động của lực đàn hồi và trọng lực.
Định luật bảo toàn cơ năng được phát biểu như sau: Nếu một vật chuyển động trong trọng trường và chỉ chịu tác động của của trọng lực thì thế năng có thể chuyển thành động năng và ngược lại. Trong trường hợp này, cơ năng của vật [tức tổng của động năng và thế năng] là một đại lượng bảo toàn [không đổi theo thời gian].
Lưu ý: Định luật bảo toàn cơ năng chỉ đúng khi vật đó không chịu thêm tác động của bất kỳ lực nào từ bên ngoài, trừ lực đàn hồi và trọng lực. Trong trường hợp vật chịu thêm tác động từ lực khác trong quá trình chuyển động như: Lực cản, lực ma sát,… thì cơ năng của vật đó sẽ bị biến đổi. Công của các lực tác động sẽ được tính bằng độ biến thiên cơ năng.
Xem ngay: Cách để học tốt vật lý 10
5. Hệ quả của định luật bảo toàn cơ năng
Từ định luật bảo toàn cơ năng, suy ra, trong quá trình một vật chuyển động trong trọng trường, nếu vật đó có động năng tăng thì thế năng sẽ giảm. Ngược lại, nếu thế năng tăng thì động năng của vật sẽ giảm xuống.
Thêm vào đó, tại vị trí thế năng đạt cực tiểu thì động năng sẽ đạt cực đại. Ngược lại, khi thế năng ở cực đại thì động năng lúc này sẽ ở cực tiểu.
Các em muốn cải thiện năng lực cũng như kiến thức lớp 10 có thể luyện trắc nghiệm bài tập lớp 10 tại Học Thông Minh bao gồm tất cả các môn học lớp 10 theo bộ giáo dục đưa ra.
6. Câu hỏi trắc nghiệm về cơ năng:
Câu 1: Một vật được ném lên độ cao 1 m so với mặt đất với vận tốc đầu 2 m/s. Biết khối lượng của vật bằng 0,5 kg. Lấy g = 10m/s2. Bỏ qua sức cản của không khí. Cơ năng của vật so với mặt đất bằng:
A. 4 J.
B. 5 J.
C. 6 J.
D. 7 J
Đáp án: C
Giải thích:
Xét gốc thế năng là mặt đất.
Cơ năng của vật là:
W = Wđ + Wt ⇔ W = [1/2].mv2 + mgh = 0,5.0,5 . 22 + 0,5. 10. 1 = 6 J
Câu 2: Một máy bay vận tải đang bay với vận tốc 180 km/h thì ném ra phía sau một thùng hàng khối lượng 10 kg với vận tốc 5 m/s đối với máy bay. Động năng của thùng hàng ngay khi ném đối với người đứng trên mặt đất là:
A. 20250 J.
B. 15125 J.
C. 10125 J.
D. 30250 J.
Đáp án: C
Giải thích:
Đổi đơn vị: 180 km/h = 50 m/s
Do thùng hàng được ném ra phía sau ngược chiều bay của máy bay nên theo công thức cộng vận tốc, vận tốc của thùng hàng đối với người đứng trên mặt đất bằng:
50 – 5 = 45 m/s.
Do đó, động năng của thùng hàng đối với người đứng trên mặt đất là:
Wđ= ½ mv2= ½.10.452 = 10125 J
Để chuẩn bị tốt cho kỳ thi đại học các em có thể luyện đề thi THPT quốc gia tại Học Thông Minh. Ở đây các em có thể luyện tập các đề thi đại học môn lý mới nhất và các dạng đề thi để các em dễ dàng vượt qua kỳ thi đại học.
Câu 3: Một vật được ném thẳng đứng lên cao, khi vật đạt độ cao cực đại thì tại đó:
A. động năng cực đại, thế năng cực tiểu.
B. động năng cực tiểu, thế năng cực đại.
C. động năng bằng thế năng.
D. động năng bằng nửa thế năng.
Đáp án: B
Giải thích:
Một vật được ném thẳng đứng lên cao, khi vật đạt độ cao cực đại thì tại đó động năng cực tiểu, thế năng cực đại.
Câu 4: Trong quá trình dao động của một con lắc đơn thì tại vị trí cân bằng
A. động năng đạt giá trị cực đại.
B. thế năng đạt giá trị cực đại.
C. cơ năng bằng không.
D. thế năng bằng động năng.
Đáp án: A
Giải thích:
Trong quá trình dao động của một con lắc đơn thì tại vị trí cân bằng con lắc đơn có tọa độ cao thấp nhất do vậy thế năng nhỏ nhất, động năng lớn nhất.
Câu 5: Một vận động viên trượt tuyết từ trên vách núi trượt xuống, tốc độ trượt mỗi lúc một tăng. Như vậy đối với vận động viên.
A. động năng tăng, thế năng tăng.
B. động năng tăng, thế năng giảm.
C. động năng không đổi, thế năng giảm.
D. động năng giảm, thế năng tăng.
Đáp án: B
Giải thích:
Một vận động viên trượt tuyết từ trên vách núi trượt xuống nên độ cao giảm và vận tốc tăng. Do đó động năng tăng, thế năng giảm.
Trên đây Học Thông Minh đã tổng hợp các kiến thức và các bài tập liên quan đến cơ năng mà các bạn cần nắm được, trong đó định luật bảo toàn cơ năng là phần kiến thức quan trọng nhất các bạn cần chú ý. Hy vọng qua bài viết này, các bạn sẽ có thêm những thông tin bổ ích và phục vụ thật tốt cho quá trình học tập của mình nhé!