Cơ Năng
Khái niệm cơ năng, sự chuyển hoá & bảo toàn cơ năng
Ở bài trước, ta đã biết: vật chuyển động có động năng, vật ở trên cao có thế năng. Trong thực tế, nhiều vật vừa chuyển động vừa ở trên cao — khi đó vật có cả hai dạng năng lượng này cùng lúc.
• $W$: cơ năng của vật (J – Jun)
• $W_đ = \dfrac{1}{2}mv^2$: động năng (J)
• $W_t = Ph = 10mh$: thế năng trọng trường (J)
• $m$: khối lượng (kg); $v$: tốc độ (m/s); $h$: độ cao so với gốc thế năng (m)
▸ Vật có cơ năng = vật có khả năng sinh công
Một vật có thể có cơ năng theo 3 trường hợp sau:
Ví dụ: hòn bi đang lăn trên sàn.
Ví dụ: quả táo treo trên cây.
Ví dụ: máy bay đang bay.
• Động năng: $W_đ = \dfrac{1}{2} \times 2 \times 4^2 = 16$ J.
• Thế năng: $W_t = 10 \times 2 \times 5 = 100$ J.
• Cơ năng: $W = W_đ + W_t = 16 + 100 = \mathbf{116}$ J.
Các ví dụ vật vừa có động năng vừa có thế năng: máy bay đang bay trên bầu trời, quả bóng đang bay trên cao, xe máy đang chạy trên cầu, chim đang bay, nước chảy từ trên đập xuống…
Động năng và thế năng có thể chuyển hoá qua lại lẫn nhau khi vật chuyển động.
• Độ cao tăng → thế năng tăng.
→ Động năng chuyển hoá thành thế năng.
• Tốc độ tăng → động năng tăng.
→ Thế năng chuyển hoá thành động năng.
▸ Tại các vị trí đặc biệt
| Vị trí | Động năng $W_đ$ | Thế năng $W_t$ |
|---|---|---|
| Cao nhất | cực tiểu (có thể $= 0$) | cực đại |
| Thấp nhất | cực đại | cực tiểu (có thể $= 0$) |
▸ Ứng dụng thực tế
▸ Sơ đồ con lắc đơn dao động
Kéo vật nặng đến vị trí A (độ cao $h$) rồi thả nhẹ. Vật chuyển động qua vị trí thấp nhất O rồi lên đến vị trí B:
$W_t$ max, $W_đ = 0$
$W_t = 0$, $W_đ$ max
$W_t$ max, $W_đ = 0$
- Từ A → O: thế năng giảm, động năng tăng (thế năng → động năng).
- Từ O → B: động năng giảm, thế năng tăng (động năng → thế năng).
- Sau một thời gian, độ cao điểm B thấp hơn điểm A do ma sát và sức cản không khí làm một phần cơ năng chuyển thành nhiệt năng.
Điều này có nghĩa: thế năng giảm bao nhiêu thì động năng tăng bấy nhiêu (và ngược lại).
$W_t$ max, $W_đ = 0$
$W_đ + W_t = $ const
$W_t = 0$, $W_đ$ max
• Cơ năng tại vị trí thả: $W = mgh = 2 \times 10 \times 5 = 100$ J.
• Khi chạm đất: $W_t = 0$ → $W_đ = 100$ J.
• $W_đ = \dfrac{1}{2}mv^2 = 100 \Rightarrow v = \sqrt{\dfrac{2 \times 100}{2}} = 10$ m/s.
Trong thực tế, khi vật chuyển động luôn có lực ma sát hoặc sức cản của môi trường. Các lực này làm một phần cơ năng chuyển hoá thành nhiệt năng, khiến cơ năng giảm dần.
Phần cơ năng hao hụt được tính bằng:
• Cơ năng bảo toàn: chỉ khi vật chỉ chịu trọng lực (lý tưởng, bỏ qua ma sát).
• Năng lượng toàn phần bảo toàn: luôn đúng trong mọi trường hợp.
Để xem lý thuyết đầy đủ kèm hình ảnh minh hoạ, các bảng tổng hợp, sai lầm thường gặp và phương pháp giải chi tiết các dạng bài tập (gồm cả bài xe thế năng), hãy đọc bài viết bên dưới:
Khái niệm cơ năng, sự chuyển hoá & bảo toàn, các dạng bài tập điển hình kèm ví dụ & lời giải chi tiết, sơ đồ tư duy và sai lầm thường gặp.
Sau khi đã nắm vững lý thuyết, các em hãy chuyển sang tab Bài Tập để luyện 22 câu bám sát chương trình SGK!
Cùng luyện bài Cơ năng!
22 câu: 17 trắc nghiệm · 3 đúng/sai · 2 tự luận
Tuyệt vời!
Cô Trần Thị Thanh Thảo
(Người kiểm duyệt, ra đề)
Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Khoa Học Tự Nhiên THCS
Trình độ: Cử nhân Sư phạm KHTN, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ Tin học, Ngoại ngữ B1
Kinh nghiệm: 6+ năm kinh nghiệm tại Trường THCS Nguyễn Siêu