Lý thuyết Động năng và thế năng. Định luật bảo toàn cơ năng (Chân trời sáng tạo 2024) Vật lí 10

Lý thuyết Vật Lí lớp 10 Bài 17: Động năng và thế năng. Định luật bảo toàn cơ năng

A. Lý thuyết Động năng và thế năng. Định luật bảo toàn cơ năng

1. Động năng

a. Mối liên hệ giữa động năng và công

- Động năng của một vật là năng lượng vật có được do chuyển động, có giá trị được tính theo công thức:

${\text{W}}_d=\frac{1}{2}m.v^2$

Với: m là khối lượng của vật

         v là tốc độ của vật tại thời điểm khảo sát

Trong hệ SI, động năng có đơn vị là joule (J)

Người, sóng biển, báo, cánh quạt chuyển động sẽ có động năng

- Mỗi liên hệ giữa động năng và công: $W_d-W_{d0}=\frac{1}{2}m{v}^2-\frac{1}{2}m{v}_0^2=A$

- Định lí động năng: độ biến thiên động năng của một vật trong khoảng thời gian $\Delta t$ bằng công của lực tác dụng lên vật trong khoảng thời gian đó.

b. Đặc điểm của động năng

- Động năng của vật phụ thuộc vào khối lượng của vật và tốc độ chuyển động của vật

- Động năng là một đại lượng vô hướng, không âm

- Động năng có giá trị phụ thuộc vào hệ quy chiếu

2. Thế năng

a. Thế năng trong trường trọng lực đều

- Một vật có khối lượng m ở độ cao h so với một vị trí làm gốc dự trữ một dạng năng lượng được gọi là thế năng trọng trường:

Wt = m.g.h

Trong hệ SI, thế năng có đơn vị là joule (J)

Búa máy đang dự trữ thế năng

Vận động viên nhảy cầu có thế năng và động năng

Lưu ý:

- Để xác định thế năng, ta cần phải chọn gốc thế năng là vị trí mà tại đó thế năng bằng 0.

- Khi chọn gốc tọa độ trùng với gốc thế năng và chiều dương của trục Oz hướng lên thì vị trí phía trên gốc thế năng có giá trị h > 0, vị trí phía dưới gốc thế năng có giá trị h < 0

- Độ biến thiên thế năng giữa hai vị trí không phụ thuộc vào việc chọn gốc thế năng.

3. Cơ năng

a. Quá trình chuyển hóa giữa động năng và thế năng

Trong quá trình chuyển động, động năng và thế năng của vật có thể chuyển hóa quá lại với nhau.

Động năng và thế năng trong quá trình người trượt nước, quả bóng bay vào rổ chuyển hóa qua lại với nhau.

b. Định luật bảo toàn cơ năng

- Tổng động năng và thế năng được gọi là cơ năng của vật:

$\text{W}={\text{W}}_d+{\text{W}}_t$

Trong hệ SI, cơ năng có đơn vị là jun (J)

- Khi một vật chuyển động chỉ chịu tác dụng của lực bảo toàn thì cơ năng của vật là một đại lượng bảo toàn.

Hệ quả: Trong trường trọng lực, tại vị trí vật có động năng cực đại thì thế năng cực tiểu và ngược lại.

B. Trắc nghiệm Động năng và thế năng. Định luật bảo toàn cơ năng

Câu 1: Từ mặt đất, một vật được ném lên thẳng đứng với vận tốc ban đầu $v_0$ = 10 m/s. Bỏ qua sức cản của không khí. Lấy $g=10m/s^2$. Ở độ cao nào thế năng bằng động năng? Chọn mốc thế năng tại mặt đất.

A. 4,5 m.

B. 3 m.

C. 2,5 m.

D. 5 m.

Câu 2: Một viên đạn có khối lượng 14 g bay theo phương ngang với vận tốc 400 m/s xuyên qua tấm gỗ dày 5 cm, sau khi xuyên qua gỗ, đạn có vận tốc 120 m/s. Tính lực cản trung bình của tấm gỗ tác dụng lên viên đạn

A. 20384 N.

B. 20000 N.

C. 10500 N.

D. 20500 N.

Câu 3: Một vật có khối lượng 10 kg, lấy $g=10m/s^2$. Tính thế năng trọng trường của vật tại đáy giếng cách mặt đất 5 m với gốc thế năng tại mặt đất.

A. 500 J.

B. -400 J.

C. 400 J.

D. -500 J.

Đáp án đúng là: D.

Áp dụng công thức tính thế năng trọng trường của vật ta có:

${\text{W}}_t=m.g.h=\mathrm{10.10.}\left(-5\right)=-500\left(J\right)$ (do mốc tính thế năng ở mặt đất).

Câu 4: Từ độ cao 25 m một vật được ném lên thẳng đứng với độ lớn vận tốc ban đầu $v_0$ = 20 m/s. Bỏ qua sức cản của không khí. Lấy $g=10m/s^2$. Độ cao cực đại mà vật đạt được so với mặt đất là? Chọn mốc thế năng tại mặt đất.

A. 60 m.

B. 45 m.

C. 20 m.

D. 80 m.

Câu 5: Từ độ cao 180 m người ta thả rơi một vật nặng không vận tốc ban đầu. Bỏ qua sức cản không khí. Lấy $g=10m/s^2$. Chọn gốc thế năng tại mặt đất. Khi thế năng bằng động năng thì vật có độ cao h và vận tốc v. Giá trị $\frac{h}{v}$ gần giá trị nào sau đây nhất?

A. 2,0.

B. 2,5.

C. 3,0.

D. 3,5.