Động năng thế năng là một trong những nội dung vô cùng quan trọng trong bộ môn trong vật lý. Bên cạnh đó, đại lượng này cũng được ứng dụng rất nhiều trong cuộc sống. Cùng tìm hiểu thế năng là gì, các loại thế năng và công thức thế năng đàn hồi, thế năng trọng trường sẽ được chúng tôi trình bày ngay sau đây!
Thế năng là gì?
Thế năng là đại lượng vật lý nhằm biểu hiện khả năng sinh công của một vật ở một số điều kiện nhất định. Nói cách khác, thế năng là 1 dạng năng lượng được tồn tại bên trong vật thể.
Hiện có 3 loại thế năng cơ bản là: thế năng trọng trường, thế năng đàn hồi và thế năng tĩnh điện.
Với chương trình Vật Lý lớp 10, chúng ta sẽ chỉ tập trung tìm hiểu 2 loại thế năng phổ biến là thế năng trọng trường và thế năng đàn hồi. Mỗi loại này sẽ có những đặc điểm, tính năng và công thức để tính toán riêng biệt.
Thế năng trọng trường là gì? Công thức để tính thế năng trọng trường
Khái niệm
Thế năng trọng trường được gắn liền với trọng trường của Trái Đất. Để hiểu được về thế năng trọng trường, trước hết chúng ta cần hiểu như thế nào là trọng trường của Trái Đất, cũng như những tác động của nó đối với các vật thể bên trong.
Trọng trường là môi trường được tồn tại xung quanh Trái Đất. Tất cả vật thể ở bên trong trọng trường của Trái Đất đều bị tác động bởi lực hấp dẫn (trọng lực). Ta có công thức tính trọng lượng của một vật với khối lượng m đặt trong trọng trường như sau:
P = m.g
Trong đó:
- P: là trọng lượng, có đơn vị đo là Newton (N)
- m: là khối lượng của vật thể, có đơn vị đo là kg
- g: là gia tốc rơi tự do hay gia tốc trọng trường, có đơn vị đo là m/s²
Từ đó, ta có định nghĩa thế năng trọng trường của một vật bất kỳ là năng lượng vật có được khi có lực hấp dẫn giữa vật với Trái Đất. Độ lớn của thế năng trọng trường được phụ thuộc vào vị trí của vật thể ở bên trong trọng trường.
Xem thêm: Gia tốc là gì? Phân loại, Công thức tính gia tốc, đơn vị đo
Công thức tính thế năng trọng trường
Thế năng trọng trường của một vật thể bất kỳ có khối lượng m được đặt ở vị trí cách mốc thế năng một khoảng z ở trong môi trường trọng trường được tính với công thức như sau:
Wt =m.g.z
Trong đó
- Wt: là thế năng trọng trường của thể vật tại vị trí đang xét, có đơn vị đo là J (Jun)
- m: là khối lượng của vật thể, có đơn vị đo là kg
- z: là khoảng cách từ vật đến mốc thế năng, có đơn vị đo là m
- g: là độ lớn gia tốc rơi tự do của vật thể, có đơn vị đo là m/s²
Mốc thế năng là vị trí ban đầu của vật ở bên trong trọng trường trước khi được sinh công.
Ví dụ: Khi ném vật lên không trung, vị trí vật được ném chính là mốc thế năng. Theo đó, những trường hợp có thể xảy ra bao gồm:
- Wt > 0
- Wt = 0
- Wt < 0
- z > 0: Nếu vật ở trên mốc thế năng
- z <0: Nếu vật ở dưới mốc thế năng.
Sự biến thiên hay thay đổi của thế năng và công trọng lực sẽ được phụ thuộc vào vị trí của vật tại những thời điểm khác nhau. Nếu vật thể di chuyển từ vị trí M đến vị trí N ở trong trọng trường (tăng hay giảm độ cao), công của trọng lực bằng với hiệu thế năng giữa 2 vị trí, tính theo công thức AMN = Wt(M) – Wt(N).
Ngoài thế năng trọng trường thì đơn vị của gia tốc trọng trường, cũng như công thức tính gia tốc trọng trường cũng là những nội dung quan trọng mà người học cần phải nắm rõ.
Thế năng đàn hồi là gì? Công thức tính thế năng đàn hồi
Khái niệm thế năng đàn hồi
Lực đàn hồi là gì? Thế năng đàn hồi là gì? Một vật bị biến dạng bởi lực tác động từ bên ngoài và sinh ra công. Lúc này năng lượng sinh ra được gọi là thế năng đàn hồi.
Thế nào là lực đàn hồi? Để hiểu hơn ta tìm hiểu về thế năng đàn hồi của lò xo ta xét một lò xo với một đầu cố định, một đầu được gắn vào một vật có trọng lượng m. Lò xo có độ cứng k với chiều dài tự nhiên l.
Khi bị kéo dãn một đoạn Δl, độ dài lò xo thời điểm đó sẽ là l = l + Δl.
Dựa trên định luật Hooke, sẽ xuất hiện một lực đàn hồi có độ lớn là F = k.|Δl|. Lực này được tác động vào lò xo giúp đưa lò xo về trạng thái cân bằng. Vậy công của lực đàn hồi tính như thế nào? Công thức tính lực đàn hồi của lò xo được tính như sau:
Với công thức tính độ cứng lò xo đã giúp ta hiểu được hơn về thế năng đàn hồi.
Công thức thế năng đàn hồi
Với công thức lực đàn hồi của lò xo ở ví dụ trên, ta có công thức tính thế năng đàn hồi khi lò xo biến dạng một đoạn Δl:
Trong đó:
- Wt: là thế năng đàn hồi, có đơn vị đo là J (Jun)
- k: là độ cứng của lò xo, có đơn vị đo là N.m
- ∆l: là độ biến dạng của lò xo, có đơn vị đo là m.
Xem thêm: Trọng lực là gì? Lực hấp dẫn là gì? Tìm hiểu Công thức tính và đơn vị đo
Bài tập vận dụng
Bài tập 1: Một cần cẩu nâng một thùng hàng khối lượng 420 kg từ mặt đất lên với độ cao 3m (tính theo di chuyển khối tâm của thùng). Đổi hướng, hạ thùng này xuống sàn 1 ô tô tải ở độ cao 1.25 m so với mặt đất. Yêu cầu:
a) Tìm thế năng của thùng trong trọng trường khi đang ở độ cao 3 m. Tính công của lực phát động (lực căng dây cáp) để giúp nâng thùng hàng lên độ cao này.
b) Tìm độ biến thiên thế năng khi thực hiện hạ thùng từ độ cao 3m xuống sàn ô tô. Công của trọng lực có bị phụ thuộc cách di chuyển thùng giữa hai vị trí đó hay không? Lý do?
Hướng dẫn giải:
a) Thế năng của thùng được tính như sau: Wt = mgz = 420.10.3 = 12600 (J).
Thùng được nâng đều, lực phát động sẽ có độ lớn bằng trọng lực. Độ giảm thế năng bằng công của trọng lực, ta có: Wt – 0 = – AP.
Công của lực phát động là: AF = – AP = Wt = 12600 (J).
b) Độ biến thiên thế năng khi thực hiện hạ thùng xuống sàn ô tô:
W = W2 – W1 = mg(h2 – h1 ) = 420.10.(1,25-3) = -7350 (J)
Suy ra: Trường hợp này thế năng giảm.
Công của trọng lực sẽ không bị phụ thuộc vào cách di chuyển thùng giữa hai vị trí, bởi vì trọng lực là lực thế, công của nó chỉ phụ thuộc vào sự chênh lệch độ cao giữa hai vị trí đầu và cuối, chúng không hề phụ thuộc vào dạng đường đi.
Xem thêm: Nhiệt năng là gì? Đơn vị, công thức tính nhiệt năng, ví dụ
Bài tập 2: Giữ một vật với khối lượng 0.25kg ở đầu một lò xo đặt thẳng đứng có trạng thái ban đầu chưa bị biến dạng. Ấn vật đi xuống làm lò xo bị biến dạng một đoạn 10 cm. Yêu cầu tìm thế năng tổng cộng của hệ vật – lò xo tại vị trí này. Được biết lò xo có độ cứng 500N/m và bỏ qua khối lượng của nó. Cho g = 10 m/s², chọn mức không của lò xo tại vị trí lò xo không biến dạng.
Hướng dẫn giải:
Lựa chọn mốc thế năng lò xo tại vị trí không biến dạng:
Thế năng đàn hồi đối với vật tại vị trí lò xo bị nén một đoạn 10cm phía dưới là:
Tại vị trí trên, thế năng trọng trường của vật là: Wt = mgz = 0,25.10.(-0,1) = -0,25J
Thế năng tổng cộng của hệ vật – lò xo tại vị trí lò xo bị nén 10cm xuống phía dưới là: Wđh+ Wt = 2,5 + (-0,25) = 2,25J
Hy vọng với những thông tin chúng tôi chia sẻ trên đây đã giúp bạn đọc có thể hiểu được thế năng là gì, cũng như công thức về thế năng để có áp dụng thật tốt vào bài học và ứng dụng được trong đời sống thực tế.
