Thế năng

Phương pháp giải bài tập thế năng Vật lý 10

Thế năng là chuyên đề quan trọng trong chương Năng lượng của Vật lý 10, giúp học sinh hiểu cách năng lượng được tích lũy nhờ vị trí hoặc sự biến dạng của vật. Bài viết tổng hợp đầy đủ lý thuyết, công thức, phương pháp giải và hệ thống bài tập có đáp án chi tiết, hỗ trợ học sinh ôn tập hiệu quả và làm tốt các dạng bài theo chương trình GDPT 2018.

A. Thế năng trọng trường

1. Thế năng trọng trường là gì?

Thế năng trọng trường của một vật là dạng năng lượng tương tác giữa trái đất và vật, nó phụ thuộc vào vị trí của vật trong trọng trường. Nếu chọn thế năng tại mặt đất thì thế năng trọng trường của một vật có khối lượng m đặt tại độ cao z là:

\({W_t} = mgz\)

2. Tính chất của thế năng trọng trường

- Là đại lượng vô hướng

- Có giá trị dương, âm hoặc bằng không, phụ thuộc vào vị trí chọn làm gốc thế năng.

3. Đơn vị của thế năng

Đơn vị của thế năng là: jun (J)

Chú ý: Nếu chọn gốc thế năng tại mặt đất thì thế năng tại mặt đất bằng không (W_t = 0).

B. Thế năng đàn hồi

1. Công của lực đàn hồi

- Xét một lò xo có độ cứng k, một đầu gắn vào một vật, đầu kia giữ cố định.

- Khi lò xo bị biến dạng với độ biến dạng là \(Δ_l = l - l_o\), thì lực đàn hồi là \(\overrightarrow F = - k.\Delta \overrightarrow l\)

- Khi đưa lò xo từ trạng thái biến dạng về trạng thái không biến dạng thì công của lực đàn hồi được xác định bằng công thức :

\(A = k(Δl)^2\)

2. Thế năng đàn hồi là gì?

+ Thế năng đàn hồi là dạng năng lượng của một vật chịu tác dụng của lực đàn hồi.

+ Công thức tính thế năng đàn hồi của một lò xo ở trạng thái có biến dạng \(\Delta l\) là: \({W_t} = \frac{1}{2}k.{\left( {\Delta l} \right)^2}\)

+Thế năng đàn hồi là một đại lượng vô hướng, dương.

+ Đơn vị của thế năng đàn hồi là jun(J)

C. Các dạng bài tập thế năng điển hình có hướng dẫn

Bài 1: Một lò xo nằm ngang có \(k = 250N/m\), khi tác dụng lực hãm lò xo dãn ra \(2cm\) thì thế năng đàn hồi là bao nhiêu?

Hướng dẫn giải:

Thế năng đàn hồi khi tác dụng lực hãm lò xo dãn ra 2cm là:

\({W_t} = \frac{1}{2}k.{x^2} = 0,05J\)

Bài 2: Lò xo nằm ngang có k = 250N/m. Công của lực đàn hồi thực hiện khi lò xo bị kéo dãn từ 2cm đến 4cm là bao nhiêu?

Hướng dẫn giải:

Công của lực đàn hồi thực hiện khi lò xo bị kéo dãn từ 2cm đến 4cm là:

\(A = {{\rm{W}}_{dh1}} - {{\rm{W}}_{dh2}} = \frac{1}{2}k(x_1^2 - x_2^2) = { - }0,15J\)

Bài 3: Chọn gốc thế năng là mặt đất, thế năng của vật nặng 2kg ở dưới đáy 1 giếng sâu 10m, \(g = 10m/s^2\) là bao nhiêu?

Hướng dẫn giải:

Thế năng của vật nặng là:

W_t = mgz = -200J

Bài 4: Người ta tung quả cầu m = 250g từ độ cao 1,5m so với mặt đất. Hỏi khi vật đạt v = 23km/h thì vật đang ở độ cao bao nhiêu so với mặt đất. Chọn vị trí được tung làm gốc thế năng, g = 10m/s².

Hướng dẫn giải:

Ta có:

A = ½ mv²= 5,12J

A = W_t = mgz

h = h₀ +z = 3,548m

Bài 5: Một vật có m = 1,2kg đang ở độ cao 3,8m so với mặt đất. Thả cho rơi tự do, tìm công của trọng lực và vận tốc của vật khi vật rơi đến độ cao 1,5m.

Hướng dẫn giải:

Ta có:

A = mgz₁ – mgz₂ = 27J

A = ½ mv² = 27 => v = 3\(\sqrt 5\) m/s

Bài 6: Một vật từ độ cao 3m với vận tốc \(v_0 = 35km/h\) bay xuống đất theo 2 con đường khác nhau. Hãy chứng tỏ độ lớn của vận tốc chạm đất là bằng bao nhiêu?

Hướng dẫn giải:

Khi rơi xuống đất: A = mgz = 0

Công của vật thực hiện khi vật từ độ cao 3m: A^’ = ½ mv₂² – ½ m.v₁²

Theo định luật bảo toàn động lượng: A = A^’ => v₁ = v₂

Bài 7: Một buồng cáp treo chở người với khối lượng tổng cộng là 800kg đi từ vị trí xuất phát cách mặt đất 10m tới 1 trạm dừng trên núi ở độ cao 550m, sau đó lại đi tiếp tục tới trạm khác ở độ cao 1300m.

a) Tìm thế năng trọng trường của vật tại vị trí xuất phát và tại các trạm trong các trường hợp:

Lấy mặt đất làm mốc thế năng, g = 9,8m/s².

Lấy trạm dừng thứ nhất làm mốc thế năng.

b) Tính công do trọng lực thực hiện khi buồng cáp treo di chuyển từ

Từ vị trí xuất phát đến trạm 1; từ trạm 1 đến trạm kế tiếp.

Hướng dẫn giải:

a) Chọn mặt đất làm mốc thế năng.

Ở vị trí xuất phát: W_t1 = mgz₁ = 78400 J

Ở trạm 1: W_t2 = mgz₂ = 4312000 J

Ở trạm 2: W_t3 = mgz₃ = 10192000 J

- Chọn trạm 1 làm mốc thế năng

Ở vị trí xuất phát: W_t1 = mg(-z₄ )= - 4233600 J

Ở trạm 1: W_t2 = mgz₂ = 0J

Ở trạm 2: W_t3 = mgz₃ = 5880000 J

b) A₁= mgz₁– mgz₂ = - 4233600 J

A₁ = mgz₂ – mgz₃ = - 5880000 J

📥 Để xem trọn vẹn nội dung và ví dụ minh họa, bạn vui lòng tải tài liệu tham khảo tại đây.

--------------------------------------

Nắm vững kiến thức về thế năng sẽ giúp học sinh giải quyết chính xác các bài toán liên quan đến cơ năng, công của trọng lực và định luật bảo toàn cơ năng. Hãy thường xuyên luyện tập với các bài tập có lời giải chi tiết để củng cố kiến thức, nâng cao kỹ năng vận dụng và đạt kết quả cao trong học tập.