Cơ năng là gì?

Câu hỏi: Cơ năng là gì? Công thức tính cơ năng và định luật bảo toàn cơ năng

Lời giải:

      - Cơ năng là khái niệm được dùng để chỉ khả năng sản sinh công của một vật. Khi vật có khả năng sinh ra công càng lớn thì cơ năng của vật đó càng lớn. Cơ năng là một đại lượng được tính bằng đơn vị Jun, có ký hiệu là: J.

Công thức tính cơ năng:

      + Nếu cơ năng chịu tác dụng của trọng lực

      + Nếu cơ năng đó chỉ chịu tác dụng của lực đàn hồi: 

W = Wđ + Wt = ½ mv2 + mgz

Cùng Top lời giải tìm hiểu chi tiết về cơ năng nhé!

Khái niệm cơ năng là gì?

      - Cơ năng là 1 đại lượng vật lý thể hiện khả năng thực hiện công cơ học của một vật. Ta nói một vật có cơ năng là khi vật đó có khả năng thực hiện công cơ học, chứ không cần vật đã thực hiện công. Nếu vật có tiềm năng thực hiện công càng lớn thì cơ năng của vật càng lớn. Cơ năng của vật được ký hiệu là W và được tính bằng đơn vị Jun (J).

Ví dụ: Một vật nặng đang đứng yên ở độ cao h so với mặt đất, tức là nó không thực hiện công. Nhưng vì nó có khả năng thực hiện công (khi được thả hay ném) nên vật đó vẫn có cơ năng.

Cơ năng là gì?

Cơ năng có 2 dạng chính là động năng và thế năng. Trong đó:

      - Cơ năng của vật khi ở một độ cao nhất định gọi là thế năng. Cơ năng của vật ở độ cao so với mặt đất hoặc so với một vị trí được chọn làm mốc, gọi là thế năng hấp dẫn. Thế năng hấp dẫn bằng 0 khi vật nằm trên mặt đất. Vật có khối lượng càng lớn và ở vị trí càng cao thì thế năng hấp dẫn càng lớn. Trong khi đó, thế năng đàn hồi là cơ năng của vật phụ thuộc vào độ biến dạng của lò xo.

      - Cơ năng của vật do chuyển động tạo ra gọi là động năng. Vật có khối lượng càng nặng và chuyển động càng nhanh thì động năng càng lớn. Nếu vật đứng yên thì động năng bằng 0.

Sự bảo toàn cơ năng của vật chuyển động trong trọng trường

      - Trọng trường là không gian trong đó các vật chịu sức hút của Trái Đất (trọng lực). Khi một vật chuyển động trong trọng trường, cơ năng của một vật bằng tổng thế năng và động năng của vật đó.

      - Trọng trường là trường hấp dẫn xung quanh Trái Đất

Ta có công thức tính cơ năng: 

W = Wđ + Wt = 1/2mv2 + mgz.

      - Khi một vật chuyển động trọng trường chỉ chịu tác dụng của trọng lực (không có tác dụng của lực cản, lực ma sát…) thì cơ năng của vật là một đại lượng bảo toàn.

W = Wđ + Wt = const    hay 1/2mv2 + mgz = const.

Hệ quả

Cơ năng của vật chuyển động trong trọng trường biến thiên theo quy luật sau: 

      - Nếu động năng giảm thì thế năng tăng (lúc này, động năng chuyển hóa thành thế năng) và ngược lại.

      - Tại một vị trí nhất định, động năng cực đại thì thế năng cực tiểu và ngược lại.

Cơ năng của một vật khi chịu tác động của lực đàn hồi

      - Lực đàn hồi được gây bởi sự biến dạng của một lò xo. Khi một vật chỉ chịu tác dụng của lực này (không có tác dụng của lực cản, lực ma sát…), thì trong quá trình chuyển động, cơ năng của vật bằng tổng động năng và thế năng đàn hồi là đại lượng bảo toàn. 

Cơ năng chịu tác động của lực đàn hồi

Ta có công thức cơ năng như sau:

W =  1/2mv2 + 1/2k(∆l)2 = const.

Một số dạng bài tập tiêu biểu về cơ năng

      - Cơ năng của con lắc lò xo trong dao động điều hòa rất hay xuất hiện  trong các kỳ thi Đại học và Cao Đẳng. Các bạn cần nắm chắc những kiến thức lý thuyết này và lưu ý về chu kỳ, tần số của động năng.

Bài 1: Một con lắc lò xo bất kỳ có độ cứng k=100N/m dao động điều hòa với phương trình: x=Acos(wt + 𝞿). Biểu thức của thế năng là Et=0,1cos(4𝛑t +𝛑/2) + 0,1 J. Vậy phương trình li độ là gì?

• Giải: x = 2 căn 10 cos (2𝛑t + 𝛑/4) cm.

Bài 2: Cơ năng của con lắc đơn có độ dài ký hiệu là l, vật có khối lượng ký hiệu là m chuyển động ở nơi có gia tốc là g. Khi ấy, dao động bé cùng với biên độ của góc α0 sẽ được xác định bằng công thức nào sau đây?

• Giải: W =1/2mgl02

Bài 3: Một con lắc đơn có sợi dây với chiều dài l = 1 m, vật nặng có trọng lượng m = 0,2 kg. Ta thực hiện kéo vật nặng lệch ra khỏi vị trí cân bằng để cho phương của sợi dây có thể tạo với phương thẳng đứng đúng một góc  bằng 60 độ rồi thả nhẹ tay. Bỏ qua lực cản của không khí nên ta sẽ lấy g = 10m/s2. Chọn mốc cụ thể để tính thế năng tại vị trí cân bằng của con lắc. Tính cơ năng của vật thể đó tại vị trí thả vật cùng với vận tốc của vật khi đi qua vị trí cân bằng.

Bài giải: Bỏ qua các yếu tố lực cản của không khí thì cơ năng sẽ được áp dụng định luật bảo toàn.

Chọn mốc thế năng bất kỳ ở 1 vị trí cân bằng (tại O).

      => WA = W_tA+ W_đA= W_{tA(DOVA = 0)}

      =m_ghA= 0,2 x 10 _{(CO – CH)}

      = 2 x_{(l – l xcosα)} = 2 x _{(1 – l xcos60)} = 1 (J)

Khi đó, WO = 1= WA(J)

      W_đO = 1 _{(DoWto = 0)}

      ⇔ 1/2mv02= 1

      ⇔ Vo = 10 (m/s)