Vật Lý 10 KNTT Bài 25: Động năng, thế năng

a. Khái niệm động năng

- Chúng ta đã biết động năng của một vật là năng lượng mà vật có được do chuyển động.

- Một vật có khối lượng m đang chuyển động với tốc độ v thì động năng là: \({{\rm{W}}_{\rm{d}}} = \frac{1}{2}m{v^2}\)        (25.1)

- Trong hệ đơn vị SI, đơn vị động năng là jun (J)

- Qua các ví dụ về năng lượng sóng, chuyển động của thiên thạch, chuyển động của mũi tên trong phần câu hỏi bên, ta thấy vật đang chuyển động có khả năng thực hiện công. Ta nói rằng vật đó mang năng lượng dưới dạng động năng.

Bài tập ví dụ 1

Một vận động viên quần vợt thực hiện cú giao bóng kỉ lục, quả bóng đạt tới tốc độ 196 km/h. Biết khối lượng quả bóng là 60 g. Tính động năng của quả bóng.

Giải

Động năng của quả bóng được tính theo công thức:

\({{\rm{W}}_{\rm{d}}} = \frac{1}{2}m{v^2}\) 

Thay số :

\({{\rm{W}}_{\rm{d}}} = \frac{1}{2}.0,06.{\left( {196.1000.\frac{1}{{3600}}} \right)^2} \approx 89J\)

b. Liên hệ giữa động năng và công của lực

- Xét một vật khối lượng m chuyển động thẳng biến đổi đều với gia tốc a từ trạng thái đứng bên dưới tác dụng của lực không đổi F. Sau khi đi được quãng đường , vật đạt tốc độ v thì: v² = 2.a.s.

- Vì \(a = \frac{F}{m}\) nên \({v^2} = \frac{{2.F.s}}{m}\) và \(\frac{1}{2}.m.{v^2} = F.s \to {{\rm{W}}_d} = A\)    (25.2)

- Như vậy, nếu ban đầu vật đứng yên thì động năng của vật có giá trị bằng công của lực tác dụng lên vật.

a. Khái niệm thế năng trong trường

- Chúng ta đã biết một vật đặt ở độ cao h so với mặt đất thì lưu trữ năng lượng dưới dạng thế năng. Vì thế năng này liên quan đến trọng lực nên được gọi là thế năng trọng trường (thường được gọi tắt là thế năng), với độ lớn được tính bằng công thức: W_t = Ph= m.g.h.

- Đơn vị thế năng trong trường là jun (J).

- Độ lớn của thế năng trong trường phụ thuộc vào việc chọn mốc tính độ cao. Thường người ta tính độ cao của các vật so với mặt đất được coi là có độ cao bằng 0.

Bài tập ví dụ 2

Máy đóng cọc có đầu búa nặng 0,5 tấn, được nâng lên độ cao 10 m so với mặt đất. Tính thế năng của đầu búa. Lấy g = 9,8 m/s².

Giải

- Thế năng của đầu búa được tính theo công thức: W_t = m.g.h= 500.9,8.10 = 49 000 J = 49 kJ

- Vì độ cao h phụ thuộc vào vị trí được chọn làm mốc liên thế năng cũng phụ thuộc vào vị trí được chọn làm mốc.

- Trong trọng trường, hiệu thế năng giữa hai điểm chỉ phụ thuộc vào chênh lệch độ cao theo phương thẳng đứng mà không phụ thuộc vào khoảng cách giữa hai điểm.

b. Liên hệ giữa thế năng và công của lực thế

- Muốn đưa một vật có khối lượng m từ mặt đất lên một độ cao h, ta phải tác dụng vào vật lực nâng F có độ lớn bằng trọng lượng P của vật. Công mà lực nâng F thực hiện là: A = F.s = P.h = m.g.h = W_t

- Vậy thế năng của vật ở độ cao h có độ lớn bằng công của lực dùng để nâng vật lên độ cao này.

Bài 1: Hãy mô tả hoạt động của tàu lượn. Tại sao khi tàu lượn ở vị trí cao nhất của đường ray thì tốc độ của nó lại chậm nhất và ngược lại?

Hướng dẫn giải

- Hoạt động của tàu lượn: Tàu bắt đầu chuyển động từ vị trí thấp nhất và tăng tốc dần dần, khi đi lên vị trí cao nhất thì vận tốc của tàu nhỏ nhất và khi đi từ vị trí cao nhất xuống dưới thì tàu lại tăng tốc.

- Khi ở vị trí cao nhất của đường ray thì tốc độ của tàu lại nhỏ nhất để tránh trường hợp tàu bị văng ra khỏi đường ray.

Bài 2: Khi nào động năng của vật

a. Biến thiên?

b. Tăng lên?

c. Giảm đi?

Hướng dẫn giải

- Khi lực tác dụng lên vật sinh công dương (A > 0) thì động năng của vật tăng lên (Wđ₂ > Wđ₁).

- Ngược lại khi lực tác dụng lên vật sinh công âm (A < 0) thì động năng của vật giảm đi (Wđ₂< Wđ₁).

- Nói chung, khi lực sinh công thì động năng của vật biến thiên.

Bài 3: Một máy bay vận tải đang bay với vận tốc 180 km/h thì ném ra phía sau một thùng hàng khối lượng 10 kg với vận tốc 5 m/s đối với máy bay. Động năng của thùng hàng ngay khi ném đối với người đứng trên mặt đất là bao nhiêu?

Hướng dẫn giải

Do thùng hàng được ném ra phía sau ngược chiều bay của máy bay nên theo công thức cộng vận tốc, vận tốc của thùng hàng đối với người đứng trên mặt đất bằng 50–5=45m/s

Do đó, động năng của thùng hàng đối với người đứng trên mặt đất là:  \( {{\rm{W}}_d} = \frac{{{{10.45}^2}}}{2} = 10125J\)

Bài 4: Một buồng cáp treo chở người có khối lượng tổng cộng 800kg đi từ vị trí xuất phát cách mặt đất 10m tới một trạm dừng trên núi ở độ cao 550m sau đó lại tiếp tục tới một trạm khác ở độ cao 1300m. Lấy mốc thế năng tại tại chạm dừng thứ nhất, thế năng trọng trường của vật tại điểm xuất phát và tại các trạm dừng là?

Hướng dẫn giải

Chọn trạm dừng thứ nhất làm mức O.

\( {{\rm{W}}_t} = mgz = 800.9,8.z = 7840zJ\)

+ Tại vị trí xuất phát: 

\(z_0'=-540m\to W_{t_0'}=-4233600J\)

+ Tại trạm dừng thứ nhất: 

\(z_1'=0 \to W_{t_1'}=0J\)

+ Tại trạm dừng thứ hai:

\(z_2'=750m\to W_{t_2'}=5880000J\)

Sau bài học này, học sinh có thể:

- Phát biểu được định nghĩa và viết được biểu thức của động năng (của một chất điểm hay một vật rắn chuyển động tịnh tiến).

- Phát biểu được định luật biến thiên động năng (cho một trường hợp đơn giản)

- Phát biểu được định nghĩa thế năng của một vật trong trọng trường

- Viết được công thức tính thế năng

- Nêu được đơn vị đo thế năng

- Viết được công thức tính thế năng đàn hồi

Các em có thể hệ thống lại nội dung kiến thức đã học được thông qua bài kiểm tra Trắc nghiệm Vật Lý 10 KNTT Bài 25 cực hay có đáp án và lời giải chi tiết. 

• Câu 1:

  Một súng lò xo có hệ số đàn hồi k=50 N/m được đặt nằm ngang, tác dụng một lực để lò xo bị nén một đoạn 2,5 cm. Khi được thả, lò xo bung ra tác dụng vào một mũi tên nhựa có khối lượng m = 5g làm mũi tên bị bắn ra. Bỏ qua lực cản, khối lượng của lò xo. Tính vận tốc của mũi tên được bắn đi.​

  • A. 2,2 m/s
  • B. 5,2 m/s
  • C. 3,2 m/s
  • D. 2,5 m/s

• Câu 2:

  Tìm câu sai.

  • A. Động lượng và động năng có cùng đơn vị vì chúng đều phụ thuộc khối lượng và vận tốc của vật.
  • B. Động năng là một dạng năng lượng cơ học có quan hệ chặt chẽ với công.
  • C. Khi ngoại lực tác dụng lên vật và sinh công dương thì động năng của vật tăng.
  • D. Định lí động năng đúng trong mọi trường hợp lực tác dụng bất kì và đường đi bất kì.

• Câu 3:

  Tìm câu sai. Động năng của một vật không đổi khi

  • A. chuyển động thẳng đều.
  • B. chuyển động tròn đều.
  • C. chuyển động cong đều.
  • D. chuyển động biến đổi đều.

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 KNTT Bài 25 để giúp các em nắm vững bài học và các phương pháp giải bài tập.

Giải câu hỏi 1 trang 99 SGK Vật Lý 10 Kết nối tri thức - KNTT

Giải câu hỏi 2 trang 99 SGK Vật Lý 10 Kết nối tri thức - KNTT

Giải câu hỏi 3 trang 99 SGK Vật Lý 10 Kết nối tri thức - KNTT

Giải câu hỏi 4 trang 99 SGK Vật Lý 10 Kết nối tri thức - KNTT

Giải câu hỏi 1 trang 100 SGK Vật Lý 10 Kết nối tri thức - KNTT

Giải câu hỏi 2 trang 100 SGK Vật Lý 10 Kết nối tri thức - KNTT

Giải câu hỏi 3 trang 100 SGK Vật Lý 10 Kết nối tri thức - KNTT

Giải câu hỏi 1 trang 101 SGK Vật Lý 10 Kết nối tri thức - KNTT

Giải câu hỏi 2 trang 101 SGK Vật Lý 10 Kết nối tri thức - KNTT

Giải câu hỏi 3 trang 101 SGK Vật Lý 10 Kết nối tri thức - KNTT

Giải Bài tập 25.1 trang 47 SBT Vật lý 10 Kết nối tri thức - KNTT

Giải Bài tập 25.2 trang 47 SBT Vật lý 10 Kết nối tri thức - KNTT

Giải Bài tập 25.3 trang 47 SBT Vật lý 10 Kết nối tri thức - KNTT

Giải Bài tập 25.4 trang 47 SBT Vật lý 10 Kết nối tri thức - KNTT

Giải Bài tập 25.5 trang 47 SBT Vật lý 10 Kết nối tri thức - KNTT

Giải Bài tập 25.6 trang 47 SBT Vật lý 10 Kết nối tri thức - KNTT

Giải Bài tập 25.7 trang 48 SBT Vật lý 10 Kết nối tri thức - KNTT

Giải Bài tập 25.8 trang 48 SBT Vật lý 10 Kết nối tri thức - KNTT

Giải Bài tập 25.9 trang 48 SBT Vật lý 10 Kết nối tri thức - KNTT

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!