BÀI 3. CƠ NĂNG

Khởi động: Khi sử dụng búa máy để đóng cọc, đầu búa được nâng lên đến một độ cao nhất định rồi thả cho rơi xuống cọc cần đóng.

Trong quá trình rơi, động năng và thế năng của đầu búa chuyển hóa qua lại lẫn nhau như thế nào?

Giải nhanh:

Trong quá trình rơi năng lượng của búa máy chuyển hóa từ thế năng trọng trường sang động năng.

I. CƠ NĂNG

Hoạt động: Lấy ví dụ về trường hợp vật vừa có động năng, vừa có thế năng. Mô tả sự chuyển hóa (nếu có) giữa động năng và thế năng của vật đó.

Giải nhanh:

- Nước chảy từ trên cao xuống.

- Khi đầu nước ở một độ cao nhất định thì năng lượng của nó tồn tại ở dạng thế năng trọng trường. Trong quá trình chảy từ trên cao xuống năng lượng của nước chuyển hóa từ thế năng trọng trường sang động năng.

Câu hỏi: Một vật có khối lượng m = 1,5 kg được thả rơi từ độ cao h = 4 m so với mặt đất. Chọn gốc thế năng ở mặt đất, tính tốc độ của vật vừa đến chạm mặt đất. Biết toàn bộ thế năng của vật chuyển hóa thành động năng của vật.

Giải nhanh:

Tốc độ của vật vừa đến khi chạm đất là 8,94 m/s.

II. SỰ CHUYỂN HÓA NĂNG LƯỢNG

Hoạt động: Thí nghiệm về sự chuyển hóa động năng – thế năng

Chuẩn bị: Con lắc đơn (gồm vật nặng, sợi dây không dãn) được treo vào giá thí nghiệm.

Tiến hành:

- Kéo vật nặng đến vị trí A ở độ cao h rồi thả nhẹ, vật nặng chuyển động đến vị trí thấp nhất O rồi tiếp tục đi lên và dừng tại điểm B (Hình 3.2), sau đó chuyển động ngược lại.

- So sánh độ cao điểm B với độ cao điểm A.

- Quan sát vật nặng di chuyển động qua lại điểm O sau một khoảng thời gian.

Trả lời các câu hỏi sau:

1. Có nhận xét gì về sự chuyển hóa giữa động năng và thế năng của vật nặng?

2. Sau một thời gian chuyển động, vì sao độ cao của vật nặng giảm dần?

Giải nhanh:

1. - Vị trí A vật nặng có thế năng cực đại.

- Thế năng được chuyển hóa thành động năng khí đi từ A đến O. Ngược lại khi đi từ O đến B động năng được chuyển hóa dần thành thế năng.

2. Sau một thời gian chuyển động độ cao của vật nặng giảm dần do sự mất đi năng lượng, có ma sát giữa vật nặng và không khí, ma sát trên sợi dây,.. 

Câu hỏi: Nếu bỏ qua lực cản không khí, hãy mô tả sự chuyển hóa động năng và thế năng của các vật được ném với cùng tốc độ ban đầu (Hình 3.3) trong hai trường hợp:

- Ném theo phương ngang, vật chuyển động theo quỹ đạo (1).

- Ném theo phương chếch lên trên, vật chuyển động theo quỹ đạo (2).

Giải nhanh:

-Khi vừa ném theo phương ngang thì vật vừa có động năng và thế năng. Sau khi vật rơi xuống thì thế năng giảm, động năng tăng. Đến khi vật vừa chạm đất thì toàn bộ thế năng của vật lúc ném được chuyển hóa thành động năng.

- Ném chếch lên trên vật vừa có động năng và thế năng. Khi lên cao động năng của vật giảm, thế năng tăng dần. Đến độ cao cực đại thì toàn bộ động năng của vật sẽ chuyển hóa thành thế năng. Sau khi vật rơi xuống thì thế năng giảm, động năng tăng. Đến khi vật vừa chạm đất thì toàn bộ thế năng của vật lúc ném được chuyển hóa thành động năng.

Hoạt động: Xe thế năng có cấu tạo được mô tả trong Hình 3.4. Quả nặng được nối với trục xe qua một ròng rọc cố định bởi một sợi dây mềm, không dãn. Sợi dây được quấn nhiều vòng quanh trục xe.

Khi thả quả nặng chuyển động từ trên xuống, sợi dây sẽ kéo trục bánh xe làm bánh xe lăn, xe sẽ chuyển động.

a) Mô tả sự chuyển hóa năng lượng từ khi thả quả nặng đến khi quả nặng chạm sàn xe.

b) Cho độ cao ban đầu của quả nặng so với sàn xe là 8cm, khối lượng quả nặng là m1 = 20 g, khối lượng của xe là m2 = 50 g. Tính tốc độ của xe ngay khi quả nặng chạm sàn xe, nếu coi toàn bộ thế năng của quả nặng chuyển hóa thành động năng.

c) Trong thực tế, giá trị tốc độ thu được của xe khi quả nặng chạm sàn xe sẽ nhỏ hơn giá trị tính toán ở câu b. Hãy giải thích tại sao.

Giải nhanh:

a) Ban đầu quả nặng ở vị trí cao hơn so với sàn xe nên tại thời điểm đó quả nặng có năng lượng tồn tại ở dạng thế năng. Khi thả quả nặng, độ cao của nặng giảm, tốc độ của quả năng tăng nên thế năng được chuyển hóa thành động năng.

b) Tốc độ của xe ngay khi quả nặng chạm sàn xe là 0,68 m/s.

c) Vì sẽ bị mất mát năng lượng trong quá trình chuyển đổi. Nguyên nhân gây mất mát năng lượng là do ma sát, lực cản không khí,..