Buzz
1. Thế năng trọng trường là gì?
(1) Trường trọng lực
Trên bề mặt trái đất tồn tại một trường trọng lực. Trường này được biểu hiện qua tác động của trọng lực lên các vật có khối lượng m, dù chúng ở đâu trong không gian có trường trọng lực.
(2) Thế năng là gì?
Thế năng là một loại năng lượng đặc biệt, còn được gọi là năng lượng tiềm tàng. Tất cả các vật thể có khả năng lưu trữ và giải phóng năng lượng trong một hệ thống tham chiếu phù hợp đều có thể có thế năng.
Năng lượng tiềm tàng có thể hiện hữu hoặc không, tùy thuộc vào hệ tham chiếu chọn. Khi xây dựng công thức tính thế năng trong trường trọng lực hoặc thế năng của lò xo, công thức chỉ có giá trị khi có mốc thế năng thích hợp.
Một ví dụ về thế năng của viên đá khi ở trạng thái cân bằng như sau:
Trường hợp 1: Nếu chọn mốc thế năng tại mặt đất, khi viên đá rơi, năng lượng tiềm tàng của trọng lực chuyển hóa thành năng lượng cơ học. Nói cách khác, thế năng trong trường trọng lực đã được chuyển đổi thành công (năng lượng sinh ra từ thế năng).
Trường hợp 2: Nếu chọn mốc thế năng tại mặt đất và viên đá duy trì trạng thái cân bằng liên tục, thế năng của viên đá sẽ không chuyển đổi thành dạng năng lượng khác hoặc không sinh ra năng lượng mới (nó chỉ tồn tại dưới dạng năng lượng tiềm tàng - năng lượng dự trữ).
(3) Thế năng trong trường trọng lực
a) Khái niệm:
Thế năng của một vật trong trường trọng lực là năng lượng tương tác giữa vật và trường trọng lực, và nó phụ thuộc vào vị trí của vật trong trường đó.
b) Công thức tính toán:
Khi một vật có khối lượng m được đặt ở độ cao z so với mặt đất trong trường trọng lực của Trái Đất, thế năng của vật trong trường này được tính bằng công thức Wt = mgz.
2. Thế năng trong trường trọng lực phụ thuộc vào những yếu tố nào?
Thế năng trong trường trọng lực chịu ảnh hưởng của các yếu tố sau:
+ Độ cao của vật so với mặt đất hoặc mốc được chọn làm điểm tham chiếu.
+ Khối lượng của vật.
Khi khối lượng của vật càng lớn và độ cao của nó càng cao, thế năng trong trường trọng lực của vật cũng tăng lên.
Ví dụ:
Khi quả nặng của búa máy được nâng cao hơn, khi búa rơi xuống, nó sẽ tạo ra sự lún sâu lớn hơn vào cọc hoặc thực hiện công việc nhiều hơn.
3. Các bài tập ứng dụng liên quan
Câu 1: Trong các vật dưới đây, vật nào không có động năng?
A. Quả bóng nằm yên trên mặt đất
B. Quả bóng đang lăn trên sàn nhà
C. Máy bay đang bay trên trời
D. Con chim đang bay trên không
Giải thích:
Đáp án: A
Động năng của vật được tạo ra từ chuyển động. Nếu vật không chuyển động, động năng của nó bằng 0. Quả bóng nằm yên trên mặt sàn, vì vậy nó không có động năng.
Câu 2: Trong số các vật dưới đây, vật nào không có thế năng (so với mặt đất)?
A. Chiếc lá đang rơi xuống
B. Một người đứng trên tầng ba của một tòa nhà
C. Thùng hàng đặt trên mặt đất
D. Quả bóng đang bay ở trên cao
Giải thích:
Đáp án: C
- Thế năng của vật phụ thuộc vào vị trí của nó so với mặt đất hoặc một điểm mốc khác được chọn để đo độ cao, gọi là thế năng hấp dẫn. Khi vật nằm trên mặt đất, thế năng hấp dẫn của nó bằng 0, nghĩa là không có thế năng.
Câu 3: Một lò xo bằng thép đang bị nén. Tại sao lò xo lại có cơ năng trong tình trạng này?
Chọn câu trả lời đúng:
A. Do lò xo có nhiều vòng xoắn
B. Do lò xo có khả năng thực hiện công
C. Do lò xo có khối lượng
D. Do lò xo được làm từ kim loại
Giải thích:
Đáp án: B
Lò xo bị nén có thế năng đàn hồi, loại năng lượng này có thể thực hiện công và truyền năng lượng cho các vật khác khi lò xo trở lại trạng thái ban đầu.
Câu 4: Trong các tình huống dưới đây, tình huống nào có cơ năng của các vật bằng nhau? Chọn phương án chính xác.
A. Hai vật ở cùng mức độ cao so với mặt đất
B. Hai vật ở các mức độ cao khác nhau so với mặt đất
C. Hai vật di chuyển với các tốc độ khác nhau
D. Hai vật di chuyển với cùng một tốc độ, cùng độ cao và cùng khối lượng
Đáp án: D
- Thế năng của một vật bị ảnh hưởng bởi khối lượng và độ cao so với điểm mốc. Động năng lại phụ thuộc vào vận tốc và khối lượng của vật. Do đó, cơ năng của một vật chịu ảnh hưởng từ cả chiều cao và khối lượng, trong khi động năng phụ thuộc vào tốc độ và khối lượng.
- Do đó, hai vật có cùng vận tốc, cùng độ cao và cùng khối lượng sẽ có cơ năng giống nhau.
Câu 5: Trong các tình huống dưới đây, tình huống nào phản ánh sự chuyển hóa từ thế năng sang động năng? Chọn câu trả lời chính xác nhất.
A. Mũi tên được bắn ra từ cung
B. Nước từ đập cao chảy xuống
C. Viên bi lăn từ đỉnh dốc xuống
D. Tất cả các trường hợp trên đều có sự chuyển hóa từ thế năng
Đáp án: D
Trường hợp 1: Thế năng của cánh cung được chuyển hóa thành động năng của mũi tên khi bắn.
Trường hợp 2: Thế năng hấp dẫn của nước từ đập cao chuyển thành động năng khi nước chảy xuống.
Trường hợp 3: Thế năng hấp dẫn của viên bi biến thành động năng khi bi lăn từ đỉnh dốc xuống. Viên bi có thế năng lớn nhất khi ở đỉnh dốc và thế năng này chuyển thành động năng khi bi di chuyển xuống dưới.
Câu 6: Viên bi lăn trên một mặt phẳng nghiêng như trong hình. Tại vị trí nào thế năng hấp dẫn là cao nhất và thấp nhất?
Thế năng hấp dẫn tăng khi vật ở cao hơn và giảm khi vật hạ thấp. Do đó, viên bi có thế năng hấp dẫn cao nhất ở vị trí A và thấp nhất ở vị trí C.
Câu 7: Một con lắc treo trên giá và dao động. Tại vị trí nào thế năng hấp dẫn đạt giá trị cao nhất và thấp nhất?
Thế năng hấp dẫn phụ thuộc vào độ cao của vật so với mặt đất. Con lắc có thế năng hấp dẫn lớn nhất khi ở vị trí A và C, và thấp nhất khi ở vị trí B.
Câu 8: Một lò xo khi treo vật m1 bị giãn x1, và khi treo vật m2 thì bị giãn x2. Biết rằng m1 < m2. Cơ năng của lò xo là gì? So sánh cơ năng của lò xo trong hai trường hợp.
- Trong cả hai trường hợp, lò xo đều có cơ năng dưới dạng thế năng đàn hồi vì lò xo bị giãn.
- Vì m1 < m2, nên khi treo vật m2, lò xo bị giãn nhiều hơn, do đó thế năng đàn hồi của lò xo khi treo m2 lớn hơn so với khi treo m1.
- Do đó, cơ năng của lò xo khi treo vật m2 cao hơn so với khi treo vật m1.
Câu 9: Khi thả một vật từ độ cao h xuống mặt đất, cơ năng của nó chuyển hóa ra sao trong suốt quá trình rơi?
- Khi vật vừa được thả, thế năng của nó đạt giá trị tối đa, trong khi động năng là 0.
- Khi vật rơi (vị trí cao giảm), thế năng của nó giảm dần và động năng tăng lên. Trong quá trình này, thế năng chuyển hóa thành động năng.
- Khi vật chạm đất, thế năng giảm về 0 và động năng đạt mức tối đa. Toàn bộ thế năng đã chuyển hóa thành động năng.
Câu 10: Khi quan sát quả bóng rơi và nảy lên sau khi chạm đất, thế năng và động năng của nó thay đổi ra sao trong quá trình nảy lên?
- Khi quả bóng chạm đất, động năng đạt mức tối đa còn thế năng bằng 0.
- Sau khi chạm đất, khi quả bóng nảy lên, động năng giảm dần trong khi thế năng tăng lên (do chiều cao so với mặt đất gia tăng).
- Khi động năng giảm xuống còn 0, thế năng đạt giá trị cao nhất, và thế năng sẽ chuyển hóa trở lại thành động năng khi quả bóng tiếp tục nảy lên.
Trên đây là toàn bộ thông tin bài viết của Mytour về thế năng trọng trường và các yếu tố ảnh hưởng đến nó. Cảm ơn quý độc giả đã theo dõi bài viết!
