Thế năng là gì? Công thức tính thế năng đàn hồi, thế năng trọng trường và Bài tập - Vật lý 10 bài 26

Vậy cụ thể thế năng là gì? Công thức tính thế năng đàn hồi và thế năng trọng trường viết như thế nào? chúng ta cùng tìm hiểu qua bài viết dưới đây.

I. Thế năng trọng trường

1. Trọng trường

- Xung quanh Trái Đất tồn tại một trọng trường. Biểu hiện của trọng trường là sự xuất hiện trọng lực tác dụng lên vật khối lượng m đặt tại một vị trí bất kì trong khoảng không gian có trọng trường

- Công thức của trọng lực của một vật khối lượng m có dạng:

 Trong đó:  là gia tốc rơi tự do hay còn gọi là gia tốc trọng trường.

 m là khối lượng của vật.

- Trong một khoảng không gian không quá rộng nếu gia tốc trọng trường  tại mọi điểm có phương song song, cùng chiều, cùng độ lớn thì ta nói trong khoảng không gian đó trọng trường là đều.

2. Thế năng trọng trường

a) Định nghĩa

- Thế năng trọng trường của một vật là dạng năng lượng tương tác giữa Trái Đất và vật; nó phụ thuộc vào vị trí của vật trong trọng trường.

b) Công thức biểu thức tính thế năng trọng trường

- Công của trọng lực: 

- Công A này được định nghĩa là thế năng của vật: 

- Khi một vật khối lượng m đặt ở độ cao z so với mặt đất (trong trọng trường của Trái Đất) thì thế năng trọng trường của vật được định nghĩa bằng công thức:

- Chú ý rằng ở đây khi tính độ cao z ta chọn chiều dương của z hướng lên.

3. Liên hệ giữa biến thiên năng và công của trọng lực

• Khi một vật chuyển động trong trọng trường từ vị trí M đến vị trí N thì công của trọng lực có giá trị bằng hiệu thế năng trọng trường tại M và tại N

• Hệ quả: Trong quá trình chuyển động của một vật trong trọng trường:

- Khi vật giảm độ cao, thế năng của vật giảm thì trọng lực sinh công dương.

- Khi vật tăng độ cao, thế năng của vật tăng thì trọng lực sinh công âm.

II. Thế năng đàn hồi

1. Công của lực đàn hồi

- Như đã biết, khi một vật bị biến dạng thì nó có thể sinh công. Lúc đó, vật có một dạng năng lượng gọi là thế năng đàn hồi.

- Xét một lò xo độ cứng k, có chiều dài l₀ một đầu gắn vào một vật có khối lượng m đầu kia gắn cố định.

- Lúc biến dạng, độ dài lò xo là l = l₀ + Δl lực đàn hồi tác dụng vào vật theo định luật Húc là:

- Nếu chọn chiều dương là chiều tăng của chiều dài lò xo thì:

- Công của lực đàn hồi đưa vật trở về vị trí lò xo không bị biến dạng là:

2. Thế năng đàn hồi

- Thế năng đàn hồi là dạng năng lượng của một vật chịu tác dụng của lực đàn hồi.

- Công thức tính thế năng đàn hồi của một lò xo ở trạng thái có biến dạng Δl là:

III. Bài tập về thế năng trọng trường, thế năng đàn hồi

* Bài 1 trang 141 SGK Vật Lý 10: Nêu định nghĩa và ý nghĩa của thế năng:

a) trọng trường

b) đàn hồi

° Lời giải bài 1 trang 141 SGK Vật Lý 10:

◊ Định nghĩa thế năng trọng trường:

- Thế năng trọng trường (hay thế năng hấp dẫn) của một vật là dạng năng lượng tương tác giữa trái đất và vật, nó phụ thuộc vào vị trí của vật trong trọng trường.

◊ Ý nghĩa thế năng trọng trường:

- Khi một vật ở vị trí có độ cao z so với mặt đất thì vật có khả năng sinh công, nghĩa là vật mang năng lượng, năng lượng này dự trữ bên trong vật dưới dạng gọi là thế năng.

◊ Định nghĩa thế năng đàn hồi:

- Thế năng đàn hồi là dạng năng lượng của vật chịu tác dụng của lực đàn hồi.

◊ Ý nghĩa thế năng đàn hồi:

- Đặc trưng cho khả năng sinh công khi bị biến dạng.

* Bài 2 trang 141 SGK Vật Lý 10: Khi một vật từ độ cao z, với cùng vận tốc đầu, bay xuống đất theo những con đường khác nhau thì:

A. Độ lớn vận tốc chạm đất bằng nhau

B. Thời gian rơi bằng nhau

C. công của trọng lực bằng nhau

D. gia tốc rơi bằng nhau

Hãy chọn câu sai.

° Lời giải bài 2 trang 141 SGK Vật Lý 10:

◊ Chọn đáp án: B. Thời gian rơi bằng nhau

- Đáp án A, C đúng vì: Công A chỉ phụ thuộc hiệu độ cao không phụ thuộc dạng đường đi nên theo định lý biến thiên động năng ta có:

(lưu ý: h là hiệu độ cao giữa hai điểm)

- Vận tốc đầu v₁ không đổi, h = z, nên theo các con đường khác nhau thì độ lớn v₂ vẫn bằng nhau và công của trọng lực bằng nhau.

* Bài 3 trang 141 SGK Vật Lý 10: Một vật 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 bằng bao nhiêu? 

A. 0,102 m    B. 1,0 m     C. 9,8 m      D. 32 m

° Lời giải bài 3 trang 141 SGK Vật Lý 10:

◊ Chọn đáp án: A. 0,102 m

- Áp dụng công thức tính thế năng trọng trường, ta có:

* Bài 4 trang 141 SGK Vật Lý 10: Một vật khối lượng m gắn vào đầu một lò xo đàn hồi có độ cứng k, đầu kia của lò xo cố định. Khi lò xo bị nén lại một đoạn Δl (Δl < 0) thì thế năng đàn hồi bằng bao nhiêu?

A.   B.   C.    D.

° Lời giải bài 4 trang 141 SGK Vật Lý 10:

◊ Chọn đáp án: A. 

- Thế năng đàn hồi của vật là: 

* Bài 5 trang 141 SGK Vật Lý 10: Trong hình 26.5, hai vật cùng khối lượng nằm ở hai vị trí M và N sao cho MN nằm ngang. So sánh thế năng tại M và tại N.

° Lời giải bài 5 trang 141 SGK Vật Lý 10:

- Vì MN nằm ngang nên nếu chọn cùng 1 mốc thế năng thì thế năng của vật tại M và tại N là như nhau.

* Bài 6 trang 141 SGK Vật Lý 10: Lò xo có độ cứng k = 200 N/m, một đầu cố định, đầu kia gắn với vật nhỏ. Khi lò xo bị nén 2 cm thì thế năng đàn hồi của hệ bằng bao nhiêu? Thế năng này có phụ thuộc khối lượng của vật không?

° Lời giải bài 6 trang 141 SGK Vật Lý 10:

- Đề cho: k=200N/m; Δl = 2cm = 0,02m;

- Áp dụng công thức tính thế năng đàn hồi:

- Thế năng này không phụ thuộc vào khối lượng của vật.