Vật Lý 10 Cánh diều Bài 2: Bảo toàn và chuyển hóa năng lượng

1.1.1. Thế năng

- Trường hấp dẫn do Trái Đất gây ra xung quanh nó gọi là trọng lực. 

Lực nâng của người thực hiện công truyền năng lượng cho kiện hàng

- Biểu hiện của trường trọng lực là sự xuất hiện của trọng lực P tác dụng lên một vật có khối lượng m đặt tại một vị trí bất kì trong khoảng không gian có trường trọng lực:

\(P = m.g\)

g: là giá trị gia tốc rơi tự do hay còn gọi là gia tốc trọng trường.

- Xét một khoảng không gian không quá rộng thì gia tốc trọng trường tại mọi điểm có phương song song, cùng chiều và cùng độ lớn.

- Thế năng trong trường trọng lực đều được xác định bằng biểu thức:

\({W_t} = m.g.h\) (h là độ cao so với mốc thế năng được chọn)

- Thế năng là năng lượng nên được đo bằng Jun (J).

- Nhận xét: Khi vật ở trên mặt đất (h = 0) thì vật không có thế năng (W_t = 0). Ta nói mặt đất được chọn làm mốc (hay gốc) thế năng.

Mốc thế năng

1.1.2. Động năng

- Động năng là năng lượng một vật có được do chuyển động và được xác định bằng biểu thức: \({W_d} = \frac{1}{2}m.{v^2}\)

- Động năng là năng lượng nên được đo bằng Jun (J)

- Ví dụ:

Cánh quạt đang quay có động năng	Quả bóng bay đi có động năng

1.2.1. Sự chuyển hóa động năng và thế năng của vật

- Xung quanh có rất nhiều tình huống mà có sự chuyển hóa giữa động năng và thế năng.

- Quan sát trò chơi tàu lượn để thấy được động năng và thế năng của tàu chuyển hóa qua lại lẫn nhau

Người ngồi trên toa tàu lượn cảm nhận sự thay đổi nhanh và liên tục của vận tốc và độ cao của mình

+ Trong trò chơi tàu lượn, khi bắt đầu, động cơ điện kéo toa tàu lên dến đỉnh đầu tiên của cung đường. Sau đó nó trượt xuống và tăng tốc. Khi xuống thì tốc độ tăng dần và có đà để di chuyển lên đỉnh tiếp theo, rồi tiếp tục trượt xuống và tăng tốc.

• Ở trên đỉnh cao nhất toa tàu dự trữ thế năng cực đại, khi trượt xuống tốc độ tăng tức là động năng tăng, đồng thời thế năng giảm do độ cao giảm. Như vậy thế năng đã chuyển hoá thành động năng.
• Còn khi lên dốc thì động năng giảm, thế năng tăng, tức là động năng đã chuyển hoá thành thế năng.

+ Trong quá trình này có hao phí dưới dạng năng lượng nhiệt hay năng lượng âm thanh do đó các đỉnh sau thì luôn thấp hơn đỉnh trước.

- Ví dụ: Sự chuyển hóa động năng và thế năng của vật trong thực tế

Động năng và thế năng của em bé chuyển hóa qua lại

1.2.2. Định luật bảo toàn cơ năng

Cơ năng của một vật là tổng động năng và thế năng của nó.

- Thế năng và động năng là hai dạng của cơ năng. Cơ năng W của một vật bằng tổng thế năng W_t và động năng W_đ của nó: \(W = {W_d} + {W_t}\)

- Trong quá trình chuyển động, động năng có thể giảm do chuyển hóa thành thế năng hoặc thế năng giảm do chuyển hóa thành động năng. Quá trình chuyển hóa này thường kèm theo sự hao phí năng lượng.

- Động năng giảm đi bao nhiêu thì thế năng tăng lên bấy nhiêu và ngược lại. Hay nói cách khác tổng thế năng và động năng là không đổi. Đó là định luật bảo toàn cơ năng.

Bỏ qua ma sát thì cơ năng của con lắc đơn được bảo toàn

- Năng lượng có thể được dự trữ và chuyển từ dạng này sang dạng khác (chuyển hóa năng lượng), từ vật này sang vật khác (truyền năng lượng) khi có lực tác dụng hoặc các tác động vật lý khác.

- Ví dụ: Chuyển hóa năng lượng:

Chuyển hóa năng lượng Mặt Trời thành điện năng

Truyền năng lượng từ bếp sang nồi	Chuyển hoá năng lượng từ điện năng sang nhiệt năng

1.3.2. Hiệu suất

- Trong khoa học, người ta sử dụng khái niệm hiệu suất H để mô tả tỉ lệ (có thể tính theo phần trăm) giữa năng lượng có ích được tạo ra W_có ích và tổng năng lượng cung cấp W_{cung cấp}: \(H = \frac{{{W_{có ích}}}}{{{W_{cung cấp}}}}\)

- Ví dụ: Động cơ ô tô có hiệu suất 25% nghĩa là chỉ 25% năng lượng hoá học trong xăng được chuyển hoá thành động năng của ô tô, còn 75% năng lượng còn lại bị hao phí dưới dạng nhiệt năng, năng lượng âm thanh,...

Lược đồ minh họa hiệu suất động cơ xăng của ô tô H = 25% như hình dưới đây:

⇒ Vì vậy, nâng cao hiệu suất máy móc, sử dụng năng lượng hiệu quả là biện pháp quan trọng cho sự phát triển bền vững.

1.3.3. Minh họa định luật bảo toàn năng lượng

- Năng lượng không tự sinh ra hoặc không tự mất đi; năng lượng chỉ chuyển hóa từ dạng này sang dạng khác hoặc truyền từ vật này sang vật khác. Nói cách khác, năng lượng được bảo toàn.

Mô hình đơn giản minh họa sự bảo toàn năng lượng

Bài tập 1: Một ô tô khối lượng 1200 kg chuyển động với vận tốc 72 km/h. Động năng của ô tô bằng bao nhiêu?

Hướng dẫn giải:

Đổi 72 km/h = 20 m/s.

\({W_d} = \frac{1}{2}m{v^2} = \frac{{{{1200.20}^2}}}{2} = 240000J = 2,{4.10^5}J\)

Bài tập 2: Từ mặt đất, một vật được ném lên thẳng đứng với vận tốc ban đầu 4 m/s. Bỏ qua sức cản không khí. Cho g = 10 m/s². Vị trí cao nhất mà vật lên được cách mặt đất một khoảng bằng

Hướng dẫn giải:

Chọn mốc tính thế năng tại vị trí ném

- Tại vị trí ném, thế năng bằng 0, cơ năng \(W = {W_d} = \frac{1}{2}m{v^2} = \frac{1}{2}m{4^2} = 8m(J)\)

- Tại vị trí cao nhất, động năng bằng 0, cơ năng \(W = {W_t} = mgh = 10.m.h(J)\)

Theo định luật bảo toàn cơ năng: \(8m = 10.m.h \Rightarrow h = 0,8m\)

Bài tập 3: Một vật khối lượng 2 kg có thế năng 8 J đối với mặt đất. Lấy g = 10 m/s². Khi đó vật ở độ cao bao nhiêu?

Hướng dẫn giải:

Chọn mốc tính thế năng ở mặt đất.

\({W_t} = mgh \Rightarrow 8 = 2.10.h \Rightarrow h = 0,4m\)

Sau bài học này, học sinh sẽ nắm được:

- Nêu được công thức tính thế năng trong trường trọng lực đều, vận dụng được công thức tính thế năng trong một số trường hợp đơn giản.

- Từ phương trình chuyển động thẳng biển đổi đều với vận tốc ban đầu bằng không, rút ra được động năng của vật có giá trị bằng công của lực tác dụng lên vật.

- Phân tích được sự chuyển hoá động năng và thế năng của vật trong một số trường hợp đơn giản.

- Nêu được khái niệm cơ năng; phát biểu được định luật báo toàn cơ năng và vận dụng được định luật bảo toàn cơ năng trong một số trường hợp đơn giản.

- Từ tình huống thực tế, thảo luận để nêu được định nghĩa hiệu suất; vận dụng được hiệu suất trong một số trường hợp thực tế.

- Chế tạo mô hình đơn giản minh hoạ được định luật bảo toàn năng lượng, liên quan đến một số dạng năng lượng khác nhau.

Các em có thể hệ thống lại nội dung kiến thức đã học được thông qua bài kiểm tra Trắc nghiệm Vật Lý 10 Cánh diều Chủ đề 3 Bài 2 cực hay có đáp án và lời giải chi tiết. 

Câu 4-10: Mời các em đăng nhập xem tiếp nội dung và thi thử Online để củng cố kiến thức về bài học này nhé!

Các em có thể xem thêm phần hướng dẫn Giải bài tập Vật Lý 10 Cánh diều Chủ đề 3 Bài 2 để giúp các em nắm vững bài học và các phương pháp giải bài tập.

Mở đầu trang 86 SGK Vật Lý 10 Cánh diều - CD

Câu hỏi 1 trang 87 SGK Vật Lý 10 Cánh diều - CD

Câu hỏi 2 trang 87 SGK Vật Lý 10 Cánh diều - CD

Luyện tập 1 trang 88 SGK Vật Lý 10 Cánh diều - CD

Câu hỏi 3 trang 88 SGK Vật Lý 10 Cánh diều - CD

Vận dụng 1 trang 88 SGK Vật Lý 10 Cánh diều - CD

Câu hỏi 4 trang 89 SGK Vật Lý 10 Cánh diều - CD

Câu hỏi 5 trang 89 SGK Vật Lý 10 Cánh diều - CD

Câu hỏi 6 trang 89 SGK Vật Lý 10 Cánh diều - CD

Câu hỏi 7 trang 90 SGK Vật Lý 10 Cánh diều - CD

Câu hỏi 8 trang 90 SGK Vật Lý 10 Cánh diều - CD

Vận dụng 2 trang 90 SGK Vật Lý 10 Cánh diều - CD

Luyện tập 2 trang 91 SGK Vật Lý 10 Cánh diều - CD

Luyện tập 3 trang 91 SGK Vật Lý 10 Cánh diều - CD

Câu hỏi 9 trang 91 SGK Vật Lý 10 Cánh diều - CD

Tìm hiểu thêm trang 91 SGK Vật Lý 10 Cánh diều - CD

Luyện tập 4 trang 92 SGK Vật Lý 10 Cánh diều - CD

Luyện tập 5 trang 92 SGK Vật Lý 10 Cánh diều - CD

Vận dụng 3 trang 92 SGK Vật Lý 10 Cánh diều - CD

Vận dụng 4 trang 93 SGK Vật Lý 10 Cánh diều - CD

Trong quá trình học tập nếu có thắc mắc hay cần trợ giúp gì thì các em hãy comment ở mục Hỏi đáp, Cộng đồng Vật lý HOC247 sẽ hỗ trợ cho các em một cách nhanh chóng!

Chúc các em học tập tốt và luôn đạt thành tích cao trong học tập!