Thế Năng Là Gì? Biểu Thức Thế Năng Trọng Trường Và Bài Tập

86

Trọng lực và công thức liên hệ giữa biến thiên thế năng và công của trọng lực được phân tích chi tiết trong bài viết này. Sau đó, sẽ có một số câu hỏi và bài tập ở cuối bài.

1. Thế năng là gì?

Thế năng là một khái niệm trong lĩnh vực vật lý, thể hiện khả năng của một vật để tạo ra công suất và tồn tại dưới dạng năng lượng. Đơn giản hóa, thế năng là năng lượng mà một vật được lưu giữ do vị trí của nó liên quan đến các vật khác, các lực nén tồn tại trong chính vật đó, điện tích hoặc các yếu tố khác.

Cơ học xem nó như là trường thế vô hướng của vectơ lực bảo toàn. Giá trị của thế năng trong cơ học phụ thuộc vào điểm mốc được chọn (giống như các trường thế vô hướng khác).

Bên cạnh đó, người ta cũng sử dụng khái niệm “hiệu thế năng” để so sánh thế năng giữa hai điểm. Đôi khi, hiệu thế năng được sử dụng để chỉ thế năng của một điểm.

Hiện tại, thế năng có thể được phân thành hai dạng chính là thế năng đàn hồi và thế năng trọng trường. Mỗi dạng thế năng sẽ có những đặc điểm và công thức tính riêng.

2. Thế năng trọng trường là gì?

2.1. Trọng trường là gì?

Trái đất của chúng ta luôn bao quanh bởi một môi trường gọi là trọng trường, tạo ra trọng lực và ảnh hưởng đến các vật thể trong nó.

Công thức của lực hấp dẫn đối với một vật có khối lượng m là:

P = trọng lực x khối lượng.

Trong đó:.

G: là gia tốc rơi tự do hay nói một cách khác là gia tốc của trọng lực.

M: là trọng lượng của vật.

Khi gia tốc trọng trường tại mọi điểm bên trong một không gian có kích thước chưa quá lớn đều có cùng hướng, cùng chiều và độ lớn như nhau, ta gọi không gian đó là trọng trường đều.

2.2. Định nghĩa thế năng trọng trường

Thế năng trọng trường là một đại lượng được sử dụng để mô tả trọng trường của vật. Nó đại diện cho sức tương tác giữa vật và Trái đất. Thế năng trọng trường của một vật phụ thuộc vào vị trí của nó trong trọng trường. Hiện tượng này được biểu hiện bằng sự tác động của trọng lực lên một vật có khối lượng m khi nó đặt ở một vị trí bất kỳ trong không gian có trọng trường.

Cơ năng của một vật phụ thuộc vào độ cao của vật so với mặt đất hoặc vị trí khác được chọn làm mốc để tính độ cao được gọi là thế năng trọng trường hoặc thế năng hấp dẫn.

2.3. Ví dụ về thế năng trọng trường

Thế lực trọng trường là khái niệm mà chúng ta thường gặp trong cuộc sống hàng ngày.

Ví dụ như viên viên đạn trái mít mọc ở trên cây hoặc đang bay,…

Hãy đăng ký ngay để nhận sự tổng hợp kiến thức và xây dựng lộ trình ôn thi phù hợp ngay từ bây giờ.

3. Liên hệ giữa biến thiên thế năng và công của trọng lực

Khi một vật di chuyển trong trọng lực từ vị trí M đến vị trí N, công của trọng lực được tính bằng hiệu thế năng trọng trường tại M và N. Có mối liên hệ giữa công của trọng lực và sự biến thiên của thế năng của vật.

AMN = Trọng lượng (M) – Trọng lượng (N).

Trong đó:.

AMN: là lực tác động của hạt nhân trong vật.

Wt (M): là trường trọng lực tại vị trí M.

Wt (N): là lực trọng trường tại vị trí N.

Hậu quả: Trong quá trình di chuyển của 1 vật nằm trong trường trọng lực.

Khi tốc độ của vật giảm, năng lượng tiềm của vật giảm thì lực hấp dẫn sẽ tạo ra công việc dương.

Khi vận tốc của vật càng lớn, năng lượng tiềm năng của vật tăng lên, thì công suất của lực hấp dẫn sẽ có giá trị âm.

Ví dụ: Khi một vật được ném lên không trung, vị trí mà vật được ném lên trở thành điểm xuất phát của thế năng. Thế năng này chuyển đổi thành động năng và chống lại tác động của trọng lực cho đến khi vật rơi tự do. Nếu vật được ném lên cao, thì độ cao của nó tăng, và do đó thế năng của vật cũng tăng. Trọng lực tạo ra một công âm.

4. Biểu thức thế năng trọng trường

Đơn giản, thế năng trọng trường là loại năng lượng tương tác giữa Trái đất và vật, phụ thuộc vào vị trí của vật trong trọng trường. Nếu ta đặt vật có khối lượng m tại mặt đất, thì độ cao của vị trí đó so với mặt đất được ký hiệu là z. Thế năng trọng trường được tính theo công thức:

Trọng lượng (Wt) được tính bằng công thức mgz.

Trong đó:.

Trọng lượng là năng lượng của vật tại vị trí z (đơn vị: J).

M: là trọng lượng của vật.

Z: là chiều cao của đối tượng tính từ mặt sàn.

G: là gia tốc của vật đó.

5. Một số câu hỏi thường gặp về thế năng trọng trường

5.1. Khi nào vật có thế năng trọng trường?

Thế năng trọng trường xảy ra khi một đối tượng có độ cao so với mặt đất hoặc được coi là điểm tham chiếu. Thế năng trọng trường phụ thuộc vào vị trí của đối tượng trong trường trọng lực (độ cao) và khối lượng của đối tượng.

5.2. Thế năng trọng trường một vật không phụ thuộc vào yếu tố nào?

Sức nặng của một vật không phụ thuộc vào một số yếu tố như động năng, tốc độ của vật,….

5.3. Thế năng trọng trường có âm không?

Thế năng trọng trường có thể có giá trị âm trong trường hợp vật ở vị trí thấp hơn vật làm mốc. Việc tính toán thế năng trọng trường được thực hiện bằng công thức Wt = mgz, trong đó m là khối lượng và g là gia tốc, cả hai đều có giá trị dương.

PAS VUIHOC – GIẢI PHÁP ÔN TẬP CÁ NHÂN HÓA.

Khóa học trực tuyến ĐẦU TIÊN VÀ ĐỘC NHẤT:.

⭐ Xây dựng kế hoạch học từ mức độ không có kiến thức đến độ tuổi 27+.

⭐ Lựa chọn giáo viên, lớp học, môn học theo sở thích.

⭐ Giao tiếp trực tiếp hai chiều với giáo viên.

⭐ Tiếp tục học cho đến khi hiểu bài là được.

⭐ Đào tạo các mẹo và thủ thuật giúp gia tăng hiệu suất thời gian làm bài.

⭐ Tặng toàn bộ tài liệu độc nhất vô nhị trong quá trình học tập.

Đăng ký tham gia học thử miễn phí ngay!!

6. Bài tập về thế năng trọng trường

Bài tập 1: Một chiếc xe có khối lượng m = 2.8 kg di chuyển theo một đường cong được miêu tả trong hình vẽ. Chiều cao của các điểm A, B, C, D, E được tính so với mặt đất và tương ứng với các giá trị: hA = 6 m, hB = 3 m, hC = 4 m, hD = 1.5 m, hE = 7 m. Sử dụng giá trị g = 10 m/s2.

Tính sự thay đổi về năng lượng tiềm năng của xe khi nó di chuyển trong lực trọng.

A. Từ A tới B.

B. Từ B đến C.

C. Từ A đến D.

Từ A tới E.

Lời giải:.

A. Từ A đến B:

ΔWt = m. G. (HB – hA) = 2,8. 10. (3 – 6)= -84 J.

B. Từ B tới C:

ΔWt = m. G. (HC – hB) = 2,8. 10. (4 – 3)= 28 J.

C. Từ A đến D:

ΔWt = m. G. (HD – hA) = 2,8. 10. (1,5 – 6)= -126 J ⇒ năng lượng tiềm năng giảm.

Từ A đến E

ΔWt = m. G. (HE – hA) = 2,8. 10. (7 – 6) = 28 J.

Bài tập 2: Một vật có khối lượng là 3 kg, đặt trong trọng trường và có năng lượng tiềm Wt1 là 500 J. Vật được thả rơi tự do xuống mặt đất và thu được năng lượng tiềm Wt2 = – 900 J.

A. Hỏi vật đã rơi từ độ cao bao xa so với mặt đất.

B. Xác định vị trí của tiềm năng được chọn đầu tiên tương ứng với mức 0.

Lời giải:.

Theo đề bài có khả năng tiềm năng tại mặt đất là -900 J ⇒ không lựa chọn mặt đất làm điểm tham chiếu thế năng.

Giả sử điểm khởi đầu của năng lượng được chọn tại vị trí O cách mặt đất một chiều cao là h2 (m).

Chọn hướng ánh sáng đi lên trên.

⇒ Độ cao của vật so với mặt đất: h = h1 + h2 = 30 + 17 = 47(m).

Vị trí tương ứng với mốc độ cao ban đầu được chọn là 17 (m).

Bài tập 3: Có một vật nặng 1 kg đang đứng ở vị trí cách mặt đất khoảng 20m. Tại chân đường thẳng đi qua vật, có một hố sâu có chiều sâu là 5m. Giá trị gia tốc rơi tự do g được cho là 10 m/s2.

A) Xác định năng lượng của vật trong trường hợp chọn mốc năng lượng là đáy hố sâu.

B) Xác định vận tốc của vật khi va chạm với đáy hố, không tính đến sự cản trở của không khí.

C) Với gốc thế năng là mặt đất. Khi vật nằm ở đáy hố thì thế năng của vật là bao nhiêu?

Lời giải:.

A. Đặt nguồn năng lượng ở đáy hố.

Z = H + h= 25 m; Wt = mgz = 250 J.

B. Sử dụng công thức của nguyên lý bảo toàn năng lượng:

Mgz1 + 0,5mv12 = mgz2 + 0,5mv22 ; vì v1 = 0; z1 = z ; z2 = 0.

Nên: mgz – 0,5mv22 ⇒ v2 = 2gz = 22,4 m/s.

C. Đặt gốc năng lượng ở mặt đất: z = – h = – 5 m.

⇒ Công thức tính năng lượng là Wt = mgz = – 50 J.

Bài tập 4. Được biết, có một vật có khối lượng m = 3 kg được đặt ở một vị trí trong trọng trường. Tại vị trí đó, thế năng của vật được đo và có giá trị là Wt1 = 600 J. Sau đó, vật được thả tự do và rơi xuống mặt đất. Tại đó, thế năng của vật cũng được đo và có giá trị là Wt2 = -900 J.

A) Vật đã rơi từ độ cao bao xa so với mặt đất?

B) Tìm vị trí tương ứng với mức 0 của năng lượng đã chọn và tính vận tốc của vật khi vượt qua vị trí đó.

Lời giải:.

A) Chiều cao so với vị trí tham chiếu năng lượng được lựa chọn:

Z1 = Wt1mg = 20 mét.

Vị trí của bề mặt đất so với vị trí lựa chọn mốc thế năng:

Z2 = Wt2mg = – 30 mét.

Chiều cao ban đầu mà vật đã rơi so với mặt đất: z = z1 + |z2| = 50 mét.

Vị trí của mức không thế năng được chọn là 20 m phía dưới vị trí thả vật và 30 m phía trên mặt đất.

Tốc độ của vật khi đi qua vị trí mốc năng lượng được lựa chọn.

Mgz1 = mv ⇒ vm = 20 m/s.

Đăng ký ngay để nhận hướng dẫn đầy đủ để hiểu rõ kiến thức Vật Lý lớp 10, 11, 12 và chuẩn bị tốt cho kỳ thi tốt nghiệp THPT.

Dưới đây là tất cả các thông tin quan trọng về thế năng trọng trường trong chương trình Vật lý 10. Đây là một phần rất quan trọng trong kỳ thi và yêu cầu học sinh phải hiểu rõ. Chúc các em ôn tập tốt. Ngoài ra, các em có thể truy cập trang web Vuihoc.Vn để học thêm nhiều bài giảng khác hoặc liên hệ với trung tâm hỗ trợ để được hướng dẫn thêm nhé!