BÀI 17 ĐỘNG NĂNG VÀ THẾ NĂNG.

ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN CƠ NĂNG

Mở đầu: Nhà máy thủy điện sản xuất điện năng từ dòng nước chảy từ trên cao xuống ( Hình 17.1). Trong đó có những dạng năng lượng cơ học nào xuất hiện? Chúng có thể chuyển hóa qua lại với nhau hay không? Trong những điều kiện nào thì tổng của các dạng năng lượng cơ học đó được bảo toàn ?

Đáp án chuẩn: 

- Các dạng năng lượng cơ học: động năng, thế năng.

- Chúng có thể chuyển hoá qua lại với nahu

- Trong điều kiện không có lực ma sát, năng lượng không bị hao mòn.

1. Động năng

Câu 1: Quan sát Hình 17.2, hãy tìm các điểm chung về dạng năng lượng trong các trường hợp trên. Năng lượng này phụ thuộc vào những yếu tố nào?

Đáp án chuẩn: 

Điểm chung: đều có sự chuyển động. Phụ thuộc vận tốc và khối lượng của vật.

Câu 2: Dựa vào phương trình chuyển động thẳng biến đổi đều, rút ra biểu thức (17.1)

Đáp án chuẩn: 

Chuyển động biến đổi đều :S= a.t²/2   (1)
Định luật II Newton: F=m.a    (2)
Mà A=F.S  (3)

(1), (2) vào (3): A= m.a².t²/2 (*)

Mặt khác v=a.t => a².t²=v² (**)

Thế (**) vào (*) => A= mv²/2

Câu 3: Em đang ngồi yên trên chiếc xe buýt chuyển động thẳng đều với tốc độ 50 km/h. Xác định động năng của em trong trường hợp:

a, Chọn hệ quy chiếu gần với xe buýt
b, Chọn hệ quy chiếu gắn với hàng cây bên đường

Đáp án chuẩn: 

a, Động năng bằng 0.
b, W_đ = 4823,3 N

Câu 4: Một ô tô có khối lượng 1,5 tấn chuyển động thẳng với tốc độ không đổi là 80 km/h, sau đó giảm tốc độ đến 50km/h, cuối cùng thì dừng hẳn lại. 
- Tìm động năng của ô tô tại các thời điểm ứng với các giá trị tốc độ đã cho

- Phần động năng mất đi của ô tô đã chuyển hóa thành các dạng năng lượng nào ?

Đáp án chuẩn: 

+ v = 80 km/h => W_đ = 370363 (N)
+v = 50km/h  => W_đ =1444699 (N)

Phần động năng mất đi chuyển hóa thành nhiệt năng, năng lượng âm thanh,...

Câu 5: Hãy tìm hiểu về " trục phá thành" dùng để phá cổng thành trong các cuộc chiến thời xưa (Hình 17.3). Giải thích tại sao " Trục phá thành" phải có khối lượng đủ lớn.

Đáp án chuẩn: 

 " Trục phá thành" phải có khối lượng đủ lớn để năng lượng tác dụng vào cổng thành lớn và làm vỡ thành. 

2. Thế năng

Câu 1: Quan sát Hình 17.5, chứng tỏ trong hai cách dịch chuyển quyển sách thì công của trọng lực là như nhau trong khi công của lực ma sát là khác nhau.

Đáp án chuẩn: 

Công của trọng lực A= mgh

Tại 4 điểm A,B,C,D thì độ cao của quyển sách không thay đổi nên công của trọng lực không thay đổi.

Công của lực ma sát: A= F_ms.S

=> đoạn đường di chuyển từ (A) đến (D) trực tiếp ngắn hơn đoạn đường di chuyển từ (A) => (B) => (C) => (D) nên công của lực ma sát trong trường hợp này là khác nhau.

Câu 2: Lập luận để rút ra độ biến thiên thế năng trọng trường bằng về độ lớn nhưng trái dấu với công của trọng lực.

Đáp án chuẩn: 

Độ biến thiên của thế năng:  ∆Wt = Wt2- Wt1= mg ( h₂-h₁) = mg.S

Công của trọng lực A= F.S= P.S= mgS 

=> độ lớn của biến thiên thế năng bằng với công của trọng lực

Câu 3: Thả một viên bi sắt xuống một hố cát được làm phẳng, viên bi sẽ tạo nên trên hố cát một vết lõm rõ nét. Thảo luận để đưa ra dự đoán về bán kính tương ứng của vết lõm trên hố cát khi thả viên bi sắt ở những độ cao khác nhau. Giải thích dự đoán của em và tiến hành thí nghiệm.

Đáp án chuẩn: 

Thả viên bi sắt ở những độ cao khác nhau sẽ thu được những vết lõm có bán kính khác nhau. Thả viên bi ở độ cao càng lớn thì bán kính của vết lõm càng lớn và ngược lại

3. Cơ năng

Câu 1: Quan sát hình 17.7 nhận xét về sự chuyển hóa qua lại giữa động năng và thế năng của người khi trượt xuống đường trượt nước (Hình 17,7a) và quả bóng rổ khi được ném lên cao (Hình 17.7b).

Đáp án chuẩn: 

17.7a, Khi ở trên cao thế năng lớn nhất, khi trượt xuống thế năng giảm dần, động năng lớn dần.
17.7b, Quả bóng được khi được ném lên cao thì động năng giảm dần, thế năng tăng dần đến độ cao cực đại.

Câu 2: Thảo luận và chỉ ra các dạng năng lượng của hai vận động viên xiếc khi thực hiện trò chơi nhảy cầu (Hình 17.8) vào lúc:

a, Người A chuẩn bị nhảy
b, Người A chạm vào đòn bẩy
c, Người B ở vị trí cao nhất

Đáp án chuẩn: 

a,
Người A có thế năng 
Người B không có thế năng và động năng

b, 

Người A: thế năng giảm, động năng giảm

Người B: thế năng tăng, động năng tăng

c, 

Người A không có động năng và thế năng
Người B có thế năng

Vận dụng: Phân tích sự chuyển hóa giữa động năng và thế năng trong một số hoạt động của đời sống hằng ngày.

Đáp án chuẩn: 

Chơi xích đu ở công viên: người chơi tác dụng 1 lực để xích đu có thể chuyển động được, xích đu có động năng, động năng chuyển dần thành thế năng khi xích đu lên cao dần. Sau đó đi xuống, thế năng lại chuyển hóa thành động năng, cứ như vậy quá trình lặp đi lặp lại.

Câu 3: Phân tích lực tác dụng lên quả bóng và sự chuyển hóa giữa động năng và thế năng của quả bóng trong quá trình rơi ( Hình 17.9)

Đáp án chuẩn: 

Các lực tác dụng lên quả bóng: Trọng lực

Độ cao h thì thế năng lớn nhất, động năng bằng 0, khi quả bóng rơi xuống thì thế năng giảm, động năng tăng.

Khi chạm mặt đất, động năng lớn nhất, thế năng bằng 0

Câu 4: Một con bọ chét có khối lượng 1 mg có thể bật nhảy thẳng đứng lên độ cao tối đa 0,2m từ mặt đất. Bỏ qua sức cản của không khí và lấy g=9,8 m/s². Hãy xác định tốc độ của bọ chét ngay khi bật nhảy.

Đáp án chuẩn: 

 V = 1,98 m/s

Câu 5: Hãy chỉ ra vị trí đặt bồn nước ( Hình 17.10) phục vụ cho việc sinh hoạt trong gia đình sao cho nước chảy ra từ vòi nước sinh hoạt là mạnh nhất và giải thích tại sao.

Đáp án chuẩn: 

Vị trí đặt bồn nước: trên tầng thượng của tòa nhà. Vì thế năng lớn, khi nước chảy xuống phía dưới thế năng chuyển hóa thành động năng.

Câu 6: Em có nhận xét gì về động năng, thế năng và cơ năng của cô gái đang chơi trượt ván ở các vị trí 1,2,3,4,5 ( Hình 17P.1). Bỏ qua mọi ma sát.

Đáp án chuẩn: 

Động năng ở vị trí 1 và 5 là nhỏ nhất, tăng dần đến 2 và 4, lớn nhất ở 3

Thế năng ở vị trí 1 và 5 là lớn nhất, giảm dần đến 2 và 4, nhỏ nhất ở 3

Cơ năng không thay đổi ở bất kì vị trí 1,2,3,4

Câu 7: Một vật được thả từ đỉnh của một mặt phẳng nghiêng có độ cao h ( Hình 17P.2). Vậy động năng của vật tại chân của mặt phăng nghiêng có phụ thuộc vào góc nghiêng của mặt phẳng nghiêng hay không? Bỏ qua mọi ma sát.

Đáp án chuẩn: 

Có phụ thuộc vào góc nghiêng của mặt phẳng nghiêng. 

Câu 8:  Một người đi bộ lên các bậc thang như hình 17P.3. Các bậc thang có chiều cao 15cm, tổng cộng có 25 bậc thang. Người đi bộ này có khối lượng là 55 kg, chuyển động lên với vận tốc xem như không đổi từ bậc thang đầu tiên cho đến bậc thang cuối cùng là 1,5 m/s.

a, Tính cơ năng của người này trước khi lên bậc thang đầu tiên.

b, Tính cơ năng của người này ở bậc thang trên cùng.

c, Phần năng lượng thay đổi ở hai vị trí này được cung cấp từ đâu?

Đáp án chuẩn: 

a, W_c = 204,6 (J)

b, W_c = 2145 (J)

c, Cung cấp bởi cơ bắp của con người.

Câu 9: Trò chơi đệm nhún là một trò chơi vui vẻ dành cho các bạn nhỏ (Hình 17P.4). Hai bạn nhỏ có khối lượng lần lượt là 16kg và 13 kg, nhảy từ độ cao khoảng 70cm xuống đệm nhún với tốc độ ban đầu theo phương thẳng đứng hoàn toàn giống nhau và bằng 1m/s.

a, Tính công trọng lực tác dụng lên hai bạn trong quá trình từ lức ban đầu nhảy đến thời điểm ngay trước khi chạm đệm nhún.

b, Tính tốc độ của cả 2 bạn khi sắp chạm đệm nhún.

Đáp án chuẩn: 

a,  A = 198,94 (J)

b, v =  3,84 (m/s)