BÀI 26 CƠ NĂNG VÀ ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN NĂNG LƯỢNG

I.Sự chuyển hoá giữa động năng và thế năng

Câu 1: Khi nước chảy từ thác xuống:

1. Lực nào làm cho nước chảy từ đỉnh thác xuống dưới.

2. Lực nào sinh công trong quá trình này?

3. Động năng và thế năng của nó thay đổi như thế nào?

4. Hãy dự đoán về mối liên hệ giữa độ tăng động năng và độ giảm thế năng.

Giải nhanh:

1. Khi nước chảy từ trên thác xuống:

Lực hấp dẫn của Trái Đất làm cho nước chảy từ đỉnh thác xuống dưới.

1. Lực sinh công trong quá trình này là lực hấp dẫn của Trái Đất.

2. Động năng của nước tăng dần, thế năng giảm dần.

3. Dự đoán: Độ tăng động năng bằng độ giảm thế năng.

Câu 2: Từ một điểm ở độ cao h so với mặt đất, ném một vật có khối lượng m với vận tốc ban đầu là v0.

1. Khi vật đi lên có những lực nào tác dụng lên vật? Lực đó sinh công cản hay công phát động?

2. Trong quá trình vật đi lên rồi rơi xuống thì dạng năng lượng nào tăng, dạng năng lượng nào giảm? Hãy dự đoán về mối liên hệ giữa độ tăng động năng và độ giảm thế năng.

Giải nhanh:

1. Khi vật đi lên thì vật sẽ chịu lực hút trái đất, lực đẩy của tay, lực cản của không khí

Lực đẩy của tay thì sinh công phát động

1. Lực cản của không khí và lực hút trái đất thì sinh công cản

Quá trình vật đi lên thì thế năng tăng, động năng giảm.

Câu 3: Trên hình 26.1 là đường đi của tàu lượn siêu tốc. Hãy phân tích sự chuyển hoá giữa động năng và thế năng của tàu lượn trên từng đoạn đường.

Giải nhanh:

Khi tàu chuyển động từ A đến B: thế năng tăng dần, động năng giảm dần.

Khi tàu chuyển động từ B đến C: động năng tăng dần, thế năng giảm dần.

Khi tàu chuyển động từ C đến D: động năng giảm dần, thế năng tăng dần.

Khi tàu chuyển động từ D đến E: động năng tăng dần, thế năng giảm dần.

Câu 4: Trong các quá trình hoạt động của tàu lượn, ngoài động năng và thế năng còn có dạng năng lượng nào khác tham gia vào quá trình chuyển hoá?

Giải nhanh:

• Nhiệt năng (tàu ma sát với đường ray, với không khí

• Điện năng (của bộ phận điều khiển)

• Lực ma sát ( bánh tàu và đường ray 

• Lực cản ( của không khí )

II.Định luật bảo toàn cơ năng

Câu 1: Khi vật chuyển động trên cung AO thì:

1. Những lực nào sinh công? Công nào là công phát động, công nào là công cản?

2. Động năng và thế năng của vật thay đổi như thế nào

Giải nhanh:

1. Khi vật chuyển động trên cung AO thì lực hút của Trái Đất và lực kéo của dây sinh công.

Công do lực hút của Trái Đất sinh ra là công phát động.

Công do lực cản của không khí là công cản.

1. Vật chuyển động nhanh dần từ A xuống O, do đó động năng của vật tăng, thế năng của vật giảm.

Ở vị trí A. Động năng bằng 0, cơ năng = thế năng.

Ở vị trí O. Động năng bằng cơ năng, thế năng = 0

Câu 2: Giải nhanh những Câu trên cho quá trình vật chuyển động trên cung OB

Giải nhanh:

Khi chuyển động cung OB.

a.

Lực hút trái đất, lực kéo của dây.

Lực hút trái đất sinh ra công cản, lực kéo của dây sinh ra công phát động

b.

Ở vị trí B. Động năng bằng cơ năng, thế năng = 0

Ở vị trí O. Động năng bằng 0, cơ năng = thế năng.

Câu 3: Nếu bỏ qua ma sát thì A và B cùng nằm trên cùng một độ cao. Hiện tượng này chứng tỏ điều gì?

Giải nhanh:

Hiện tượng này chứng tỏ dù động năng và thế năng thay đổi thì tổng động năng và thế năng tại mọi vị trí trong quá trình chuyển động của vật vẫn luôn không đổi.

2. Định luật bảo toàn cơ năng

Câu 1: Hình 26.3 mô tả một vận động viên trượt ván trong máng . Bỏ qua mọi ma sát hãy phân tích sự bảo toàn cơ năng của vận động viên này.

Giải nhanh:

Khi bắt đầu chuẩn bị trượt ván, vận động viên đứng ở điểm đầu máng, lúc này động năng bằng 0, cơ năng bằng thế năng cực đại.

Khi trượt xuống đáy máng, thế năng bằng 0, cơ năng bằng động năng cực đại.

Khi lên đến điểm cuối bên kia máng thì động năng bằng 0, cơ năng bằng thế năng cực đại.

Câu 2: Chế tạo mô hình minh họa định luật bảo toàn năng lượng.

Dụng cụ: một viên bi, hai thanh kim loại nhẵn, hai giá đỡ có vít điều chỉnh độ cao.

Chế tạo: Dùng hai thanh kim loại uốn thành đường ray và gắn lên giá đỡ để tạo được mô hình như Hình 26.6.

Thí nghiệm:

Thả viên bi từ điểm A trên đường ray.

Viên bi có thể chuyển động tới điểm D không? Tại sao? Làm thí nghiệm để kiểm tra.

Giải nhanh:

Thực tế thả viên bi từ điểm A trên đường ray, ta thấy viên bi không thể chuyển động tới điểm D. Vì vật không chỉ chịu tác dụng của trọng lực mà còn chịu tác dụng của lực ma sát. Do đó, cơ năng của vật không được bảo toàn. Nếu bỏ qua mọi ma sát thì viên bi hoàn toàn lên được điểm D khi đó cơ năng được bảo toàn.

Do vậy định luật bảo toàn năng lượng thì luôn đúng trong mọi trường hợp.

Câu 3: Một vật thả cho rơi tự do từ độ cao h= 10m so với mặt đất. Bỏ qua mọi ma sát, ở độ cao nào thì vật có động năng bằng thế năng?

Giải nhanh:

Gỉa sử ở độ cao h1 thì vật có động năg bằng thế năng. Khi đó ta có: W= Wt1 + Wđ1 = 2 Wt1= 2.m.g. h1 (1)

Mặt khác ta có, khi vật ở độ cao h= 10m thì động năng của vật bằng 0, cơ năng bằng thế năng => W= m.g.h (2)

Từ (1) và (2) ta suy ra: 2.m.g. h1 = m.g.h => 2. h1 = h => h1 = h:2 = 10:2=5 (m)

Vậy ở độ cao 5m thì động năng và thế năng của vật bằng nhau 

Câu 4: Thả một vật có khối lượng m= 0.5kg từ độ cao h1= 0.8m so với mặt đất. Xác định động năng và thế năng của vật ở độ cao h2= 0.6m. Lấy g= 9.8 m/s²

Giải nhanh:

Ở độ cao h1 = 0,8 m, động năng của vật bằng 0, thế năng của vật lớn nhất. Do đó:

Cơ năng của vật là: W = Wt1=m.g.h1 = 0,5.9,8.0,8 = 3,92 J.

Thế năng của vật ở độ cao h2 = 0,6 m là: Wt2=m.g.h2= 0,5.9,8.0,6 = 2,94 J.

Do cơ năng của vật được bảo toàn nên động năng của vật ở độ cao h2  = 0,6 m là:

Wđ2=W−Wt2 = 3,92 - 2,94 = 0,98 J.

Phần em có thể 

Câu 1: Vận dụng định luật bảo toàn cơ năng để giải thích một số tình huống trong đời sống, kĩ thuật.

Giải nhanh:

Sử dụng dụng cụ đạp xe tại chỗ trong thể thao: khi được cung cấp 1 năng lượng ban đầu, người tập có thể chuyển động qua lại quanh vị trí cân bằng, bằng việc nâng chân này đồng thời hạ chân kia.  Thế năng và động năng liên tục chuyển hóa cho nhau.

Câu 2: Giải thích được vì sao vận động viên nhảy sào có thể nhảy lên được tới hơn 6 m, trong khi đó vận động viên nhảy cao chỉ nhảy được tới hơn 2 m.

Giải nhanh:

Khi sào được cắm xuống đất, đồng thời sào có tính đàn hồi, sẽ cung cấp cho vận động viên một năng lượng lớn (thế năng đàn hồi + động năng ban đầu) nên vận động viên sẽ đạt được độ cao lớn hơn so với vận động viên nhảy cao.