Trong chương trình Vật lý đã được học ở THPT chúng ta đã quá quen thuộc với cơ năng. Tuy nhiên, khái niệm chính xác nhất của cơ năng là gì? Và định luật bảo toàn cơ năng được hiểu ra sao? Câu trả lời sẽ có trong bài viết dưới đây của chúng tôi các bạn nhé!
Cơ năng là gì?
Chúng ta được học cơ năng ở lớp 8 và lớp 10. Dựa theo định nghĩa về cơ năng Vật lý 8 thì khi 1 vật có khả năng sinh công thì ta có thể nói là vật đó có cơ năng hoặc cơ năng của một vật. Nếu vật đó có thể thực hiện công càng lớn thì cơ năng của nó cũng càng lớn. Cơ năng là một đại lượng được tính bằng đơn vị Jun, có ký hiệu là: J.
Nếu dựa theo định nghĩa cơ năng vật lý 10 thì cơ năng được hiểu là khi một vật tồn tại chuyển động trong trọng trường thì tổng các động năng và thế năng của nó sẽ được gọi là cơ năng. Cơ năng của một vật có thể dương, có thể âm mà cũng có thể là bằng không.
Hai dạng cơ năng phổ biến là gì?
Theo các nghiên cứu thì có 2 dạng cơ năng cơ bản đó là thế năng và động năng.
Thế năng
Thế năng đơn thuần chỉ là một đại lượng thường dùng trong bộ môn Vật lý học. Nó thể hiện cho khả năng sinh công của một vật và nó tồn tại dưới dạng năng lượng. Hiện nay đang có hai dạng thế năng là thế năng trọng trường và thế năng đàn hồi. Mỗi loại thế năng đều có những đặc điểm riêng để có thể áp dụng và tính toán sao cho hợp lý.
Động năng
Động năng là cơ năng của một vật được tạo thành nhờ những chuyển động khác nhau. Khi một vật có khối lượng càng lớn cũng như chuyển động càng nhanh thì động năng của nó cũng tỷ lệ thuận và sẽ càng lớn hơn.
Động năng và thế năng được coi là hai dạng của cơ năng. Cơ năng của một vật bằng tổng thế năng với động năng của vật đó. Động năng thế năng và cơ năng có mối quan hệ mật thiết với nhau.
Công thức tính cơ năng là gì?
Nếu cơ năng chịu tác dụng của trọng lực
Cơ năng của vật có thể chuyển động là nhờ vào tác dụng của trọng lực bằng tổng động năng cộng với thế năng trọng trường của vật. Cụ thể:
Trong đó.
- Gốc thế năng của 1 vật sẽ chuyển động liên tục bên trong trường hấp dẫn và thường sẽ được chọn tại mặt đất.
- Đối với vật hoặc hệ vật mà chỉ chịu tác động từ trọng lực thì cơ năng của nó được tính là một đại lượng bảo toàn. Tức là: W1 = W2, từ đó có thể kết luận rằng biến thiên thế năng W2 – W1 = 0.
Nếu cơ năng đó chỉ chịu tác dụng của lực đàn hồi
Cơ năng của 1 vật có thể chuyển động được là nhờ vào tác dụng của trọng lực bằng tổng động năng cũng như thế năng đàn hồi của vật:
Trong đó cụ thể là:
- Gốc thế năng được lựa chọn thường sẽ là cơ năng ở vị trí cân bằng của lò xo.
- Đối với vật hoặc hệ vật chịu tác động từ lực đàn hồi thì cơ năng của nó cũng được cho là một đại lượng bảo toàn. Tức là, W1 = W2, từ đây kết luận được biến thiên thế năng W2 – W1 = 0.
Cơ năng và định luật bảo toàn cơ năng
Sự bảo toàn cơ năng được coi là định luật bảo toàn chỉ số cơ năng khi chuyển động của 1 vật bất kỳ bên trong trọng trường phải chỉ chịu tác động của trọng lực hoặc lực đàn hồi. Có thể giải thích đơn giản như sau: “Thế năng và động năng của 1 vật có nhiều khả năng sẽ bị biến đổi qua lại trong quá trình đồ vật đó chuyển động bên trong trọng trường. Thế nhưng do cơ năng lại bằng tổng của các động năng với thế năng nên tổng của chúng vẫn sẽ không hề có sự thay đổi nào đáng kể.
Biểu diễn định luật bảo toàn cơ năng với con lắc đơn
Định luật bảo toàn cơ năng được định nghĩa chính xác rằng: “Trong quá trình chuyển động, nếu 1 vật chỉ chịu tác dụng của một loại trọng lực thì động năng hoàn toàn có thể sẽ chuyển thành thế năng và ngược lại. Đồng thời tổng của chúng tức là cơ năng sẽ được bảo toàn tuyệt đối”.
Lưu ý, định luật bảo toàn cơ năng của một vật chỉ thực sự đạt độ chính xác cao khi vật không chịu phải bất kì 1 lực tác động nào khác từ phía bên ngoài trừ trọng lực và lực đàn hồi.
Nếu trong quá trình chuyển động nhưng vật lại phải chịu thêm tác động của bất cứ 1 lực nào khác nữa thì cơ năng của vật đó sẽ bị thay đổi ngay lập tức. Lúc này, công của những lực đã tác động lên vật sẽ bằng với độ biến thiên của các cơ năng.
Hệ quả của cơ năng là gì?
Thông qua quá trình chuyển động của một vật bên trong trọng trường ta có thể nhận thấy được hệ quả của cơ năng 1 cách rất rõ ràng.
- Nếu thế năng của một vật giảm xuống thì động năng của nó sẽ tăng lên và ngược lại.
- Tại vị trí nào đó, nếu động năng cực đại thì thế năng sẽ cực tiểu và ngược lại.
Ứng dụng của định luật bảo toàn cơ năng trong Vật lý
Có thể thấy, định luật bảo toàn cơ năng có vai trò rất quan trọng nên nó được ứng dụng rất rộng rãi và phổ biến trong cuộc sống hàng ngày. Nó còn có thể được kết hợp với các công thức khác để tính được sự chuyển hóa năng lượng nhằm có thể giải quyết những bài toán khó có liên quan mật thiết đến cơ năng một cách dễ dàng và nhanh chóng.
Một số bài toán tiêu biểu khác cũng cần sử dụng đến các định luật này đó là khi bạn muốn xác định được biểu thức cụ thể của động năng hoặc thế năng tại 1 vị trí nào đó của vật. Qua đó có thể xác định được chính xác trọng lượng, chiều cao… của vật. Bên cạnh đó thì những bài toán về sự va chạm giữa 2 vật thể cũng có thể áp dụng định luật này để xác định xem lực va chạm cùng các yếu tố liên quan khác như thế nào.
Vận dụng giải các bài tập có liên quan đến cơ năng
Một số dạng bài tập tiêu biểu về cơ năng
Cơ năng của con lắc lò xo trong dao động điều hòa rất hay xuất hiện trong các kỳ thi Đại học và Cao Đẳng. Các bạn cần nắm chắc những kiến thức lý thuyết này và lưu ý về chu kỳ, tần số của động năng.
Bài 1: Một con lắc lò xo bất kỳ có độ cứng k=100N/m dao động điều hòa với phương trình: x=Acos(wt + 𝞿). Biểu thức của thế năng là Et=0,1cos(4𝛑t +𝛑/2) + 0,1 J. Vậy phương trình li độ là gì?
- Giải: x = 2 căn 10 cos (2𝛑t + 𝛑/4) cm.
Bài 2: Cơ năng của con lắc đơn có độ dài ký hiệu là l, vật có khối lượng ký hiệu là m chuyển động ở nơi có gia tốc là g. Khi ấy, dao động bé cùng với biên độ của góc α0 sẽ được xác định bằng công thức nào sau đây?
- Giải: W =1/2mgl02
Bài 3: Một con lắc đơn có sợi dây với chiều dài l = 1 m, vật nặng có trọng lượng m = 0,2 kg. Ta thực hiện kéo vật nặng lệch ra khỏi vị trí cân bằng để cho phương của sợi dây có thể tạo với phương thẳng đứng đúng một góc bằng 60 độ rồi thả nhẹ tay. Bỏ qua lực cản của không khí nên ta sẽ lấy g = 10m/s2. Chọn mốc cụ thể để tính thế năng tại vị trí cân bằng của con lắc. Tính cơ năng của vật thể đó tại vị trí thả vật cùng với vận tốc của vật khi đi qua vị trí cân bằng.
Bài giải: Bỏ qua các yếu tố lực cản của không khí thì cơ năng sẽ được áp dụng định luật bảo toàn.
Chọn mốc thế năng bất kỳ ở 1 vị trí cân bằng (tại O).
=> WA = WtA+ WđA= WtA(DOVA = 0)
=mghA= 0,2 x 10 (CO – CH)
= 2 x(l – l xcosα) = 2 x (1 – l xcos60) = 1 (J)
Khi đó, WO = 1= WA(J)
WđO = 1 (DoWto = 0)
⇔ 1/2mv02= 1
⇔ Vo = 10 (m/s)
Mong rằng những thông tin mà muahangdambao.com đã nhắc đến trong bài viết này đã có thể giúp bạn hiểu cơ năng là gì, công thức tính ra sao và định luật bảo toàn cơ năng được hiểu như thế nào để có thể ứng dụng trong cuộc sống hàng ngày. Chúc các bạn luôn học tốt.
