Buzz
1. Thế năng trọng trường là gì?
(1) Trường trọng lực
Trên toàn cầu, có một trường trọng lực hiện diện. Trường này thể hiện qua lực hấp dẫn tác động lên bất kỳ vật thể nào có khối lượng m, đặt ở bất kỳ vị trí nào trong không gian có trường trọng lực.
(2) Thế năng là gì?
Thế năng là dạng năng lượng đặc biệt, được biết đến như năng lượng tiềm tàng. Mọi vật thể có khả năng lưu trữ và giải phóng năng lượng trong một hệ quy chiếu nhất định đều có thể sở hữu thế năng.
Năng lượng tiềm tàng có thể tồn tại hoặc không, phụ thuộc vào hệ quy chiếu được chọn. Khi xác định biểu thức tính thế năng của trường trọng lực (thế năng của vật trong trường trọng lực) hay thế năng đàn hồi của lò xo, biểu thức chỉ có ý nghĩa khi mốc thế năng được lựa chọn phù hợp.
Ví dụ về thế năng của một viên đá đang 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 thành năng lượng cơ học. Nói cách khác, thế năng của trường trọng lực đã được chuyển đổi thành công (năng lượng sinh ra từ thế năng).
Trường hợp 2: Khi mốc thế năng được đặt tại mặt đất và viên đá giữ trạng thái cân bằng liên tục, thế năng của viên đá không chuyển hóa 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) Định nghĩa:
Thế năng của một vật trong trường trọng lực là loại năng lượng tương tác giữa vật và trường trọng lực, phụ thuộc vào vị trí của vật trong trường này.
b) Biểu thức:
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 theo công thức Wt = mgz.
2. Thế năng trong trường trọng lực phụ thuộc vào những yếu tố nào?
Thế năng trong trường trọng lực bị ảnh hưởng bởi:
+ Độ cao của vật so với mặt đất hoặc điểm mốc đã chọn.
+ Khối lượng của vật.
Khi khối lượng của vật lớn hơn và nó được đặt ở độ cao cao hơn, thế năng của vật trong trường trọng lực cũng sẽ tăng.
Ví dụ:
Một quả nặng của búa máy nếu càng nặng và được nâng lên càng cao, khi búa rơi xuống, sẽ làm cọc lún sâu vào đất nhiều hơn hoặc thực hiện công việc lớn hơn.
3. Các bài tập ứng dụng liên quan
Câu 1: Trong số các vật dưới đây, vật nào không có động năng?
A. quả bóng đang nằm im trên mặt sàn
B. quả bóng đang lăn trên sàn
C. Máy bay đang bay trên không
D. Con chim đang bay trên bầu trời
Lời giải:
Đáp án: A
Động năng của vật được sinh ra từ chuyển động, vì vậy nếu vật đứng im, động năng của nó là 0. Do quả bóng nằm yên trên mặt sàn, nên 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
B. Một người đứng trên tầng ba của tòa nhà
C. Thùng hàng đặt trên mặt đất
D. Quả bóng đang bay trên không
Lời giải:
Đáp án: C
- Thế năng của vật phụ thuộc vào vị trí của vật so với mặt đất hoặc một điểm mốc đã chọn để đo độ cao, được 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?
Hãy chọn đáp án đúng:
A. Do lò xo có nhiều vòng xoắn
B. Do lò xo có khả năng sinh công
C. Do lò xo có khối lượng
D. Vì lò xo làm từ kim loại
Lời giải:
Đáp án: B
Lò xo bị nén hoặc kéo dãn sẽ có thế năng đàn hồi. Thế năng này có khả năng chuyển hóa thành công (cơ năng), vì nó có thể truyền năng lượng cho các vật khác khi được giải phóng.
Câu 4: Trong các tình huống dưới đây, tình huống nào có cơ năng của các vật bằng nhau? Hãy chọn phương án đúng.
A. Hai vật ở cùng độ cao so với mặt đất
B. Hai vật ở các độ cao khác nhau so với mặt đất
C. Hai vật chuyển động với vận tốc khác nhau
D. Hai vật chuyển động với cùng vận tốc, ở cùng độ cao và có cùng khối lượng
Đáp án: D
- Thế năng của một vật phụ thuộc vào khối lượng và độ cao của nó so với mốc tham chiếu, trong khi động năng 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 vận tốc và khối lượng của vật.
- Do đó, hai vật có cùng vận tốc, cùng độ cao và cùng khối lượng sẽ có cơ năng tương đương nhau.
Câu 5: Trong các tình huống sau, tình huống nào thể hiện sự chuyển hóa từ thế năng sang động năng? Chọn câu đúng nhất.
A. Mũi tên được phóng từ cung
B. Nước từ đập cao chảy xuống
C. Viên bi lăn từ đỉnh dốc xuống dưới
D. Cả ba tình huống đều thể hiện sự chuyển hóa thế năng thành động năng
Đáp án: D
Tình huống 1: Thế năng của cánh cung chuyển hóa thành động năng của mũi tên khi được bắn ra
Tình huống 2: Thế năng hấp dẫn của nước trên đập chuyển thành động năng khi nước chảy xuống
Tình huống 3: Thế năng hấp dẫn của viên bi biến thành động năng khi viên bi lăn xuống dốc. Viên bi có thế năng lớn nhất khi ở đỉnh dốc và thế năng này chuyển thành động năng khi nó di chuyển xuống dưới.
Câu 6: Viên bi lăn trên một mặt phẳng nghiêng như trong hình. Tại đâu thì thế năng hấp dẫn là lớn nhất, nhỏ nhất?
Thế năng hấp dẫn của một vật phụ thuộc vào chiều cao của nó so với mặt đất. Do đó, khi viên bi ở vị trí A, nó có thế năng hấp dẫn lớn nhất, trong khi ở vị trí C, thế năng hấp dẫn là nhỏ nhất.
Câu 7: Một con lắc treo trên giá và dao động. Tại đâu thì thế năng hấp dẫn của nó là lớn nhất, nhỏ nhất?
Thế năng hấp dẫn của vật tùy thuộc vào chiều cao của nó so với mặt đất. Do đó, con lắc có thế năng hấp dẫn cao nhất khi ở vị trí A và C, và thấp nhất khi ở vị trí B.
Câu 8: Một lò xo bị kéo dài thêm x1 khi treo vật m1, và kéo dài thêm x2 khi treo vật m2. Biết rằng m1 < m2. Cơ năng của lò xo trong hai trường hợp này là gì? So sánh cơ năng của lò xo ở hai trường hợp.
- Trong cả hai trường hợp, lò xo đều chứa cơ năng dưới dạng thế năng đàn hồi do bị kéo dài.
- Vì m1 < m2 nên lò xo bị kéo dài nhiều hơn khi treo vật m2, do đó thế năng đàn hồi của lò xo khi treo vật m2 lớn hơn so với khi treo vật m1.
- Do đó, cơ năng của lò xo khi treo vật m2 lớn hơn so với khi treo vật m1.
Câu 9: Khi thả một vật từ độ cao h xuống mặt đất, cơ năng của vật đã chuyển hóa như thế nào trong suốt quá trình rơi?
- Khi mới thả, vật có thế năng lớn nhất và động năng bằng 0.
- Khi vật rơi xuống, thế năng của nó giảm dần trong khi động năng tăng lên. Trong suốt quá trình rơi, thế năng chuyển hóa thành động năng.
- Khi vật chạm đất, thế năng của nó bằng 0 và động năng đạt giá trị lớn nhất. Lúc này, toàn bộ thế năng đã chuyển thành động năng.
Câu 10: Xem xét trường hợp quả bóng rơi và nảy lên khi chạm đất. Trong thời gian quả bóng nảy lên, thế năng và động năng của nó thay đổi như thế nào?
- Khi quả bóng chạm đất, động năng của nó đạt mức cao nhất và thế năng của nó là 0.
- Sau khi chạm đất, quả bóng nảy lên. Trong quá trình nảy lên, động năng giảm dần trong khi thế năng tăng lên do chiều cao so với mặt đất tăng.
- Khi động năng của quả bóng giảm xuống còn 0, thế năng đạt giá trị cao nhất. Sau đó, thế năng lại chuyển hóa thành động năng khi quả bóng tiếp tục nảy lên.
Trên đây là toàn bộ nội dung của bài viết từ Mytour về thế năng trọng trường và các yếu tố ảnh hưởng. Cảm ơn quý bạn đọc đã theo dõi bài viết này!
