Động năng, thế năng, cơ năng, công và công suất
Tính động năng, thế năng, cơ năng, công và công suất, và dùng bảo toàn cơ năng để tìm tốc độ hoặc độ cao của vật.
Ứng với SGK Kết nối tri thức: Bài 2, Bài 3, Bài 4
⚡ Nhớ nhanh
- 1Động năng Wđ = ½mv² (do chuyển động). Thế năng Wt = 10mh (do độ cao, phụ thuộc mốc). Đơn vị jun (J).
- 2Tốc độ gấp đôi thì động năng gấp bốn. Tốc độ phải đổi sang m/s (km/h chia 3,6).
- 3Cơ năng W = Wđ + Wt. Bỏ qua ma sát thì W không đổi: thế năng giảm bao nhiêu, động năng tăng bấy nhiêu.
- 4Có ma sát thì cơ năng giảm, phần mất thành nhiệt. Cơ năng không bảo toàn, nhưng năng lượng toàn phần vẫn bảo toàn.
- 5Công A = F·s (s theo phương của lực, đơn vị J). Công suất P = A/t (đơn vị W, t tính bằng giây).
- 6Thả từ độ cao h, bỏ qua sức cản: v = √(20h), không phụ thuộc khối lượng.
👀 Nhìn là hiểu
Kéo vật lên cao rồi thả. Xem hai cột Wt và Wđ đổi chỗ cho nhau mà cột cơ năng W không đổi. Bật ma sát để thấy năng lượng thành nhiệt.
Kéo vật lên cao rồi thả. Mốc h = 0 là đáy máng.
Cơ năng W = Wđ + Wt
Ở vị trí cao nhất (h = 20 m): Wđ = 0, toàn bộ 200 J là thế năng. Vật đứng yên trong tích tắc.
Bỏ qua ma sát: Wđ + Wt luôn bằng 200 J, cơ năng bảo toàn.
- Wt = 10·m·h = 10 · 1 · 20 = 200 J
- Wđ = ½mv² = ½ · 1 · 0² = 0 J
Đổi khối lượng m: tốc độ v không đổi, chỉ số J đổi theo (m triệt tiêu khỏi v).
thế năng Wt động năng Wđ nhiệt Q
1 🏃 Động năng
Cần nhớ
- ✦Động năng là năng lượng vật có do chuyển động: Wđ = ½mv². Vật đứng yên thì Wđ = 0.
- ✦Wđ tỉ lệ với bình phương tốc độ. Ví dụ: v từ 10 lên 20 m/s thì Wđ gấp 2² = 4 lần.
- ✦Tăng gấp đôi m thì Wđ gấp 2. Tăng gấp đôi v thì Wđ gấp 4.
- ✦Đơn vị là jun (J). Khối lượng dùng kg, tốc độ dùng m/s.
Dạng bài
Tính động năng
- 1 Đổi mọi đại lượng về kg và m/s (km/h chia 3,6).
- 2 Tính v² trước, rồi nhân với ½m.
- 3 Ghi đơn vị J (hoặc kJ nếu số lớn).
- 4 Kiểm tra: tính lại ½m trước rồi nhân v² ✓.
⚠️ Bẫy hay gặp: Thay thẳng 36 (km/h) vào công thức ra 648 000 J, sai gần 13 lần. Luôn đổi sang m/s trước.
Xe khối lượng 1000 kg chạy với tốc độ 36 km/h. Tính động năng.
Hướng dẫn giải
2 ⛰️ Thế năng trọng trường
Cần nhớ
- ✦Thế năng trọng trường là năng lượng vật có do ở độ cao so với mốc đã chọn: Wt = P·h = 10mh.
- ✦Wt tỉ lệ bậc nhất với h. Ví dụ: vật 2 kg ở độ cao 5 m có Wt = 10 · 2 · 5 = 100 J, lên 10 m thì 200 J.
- ✦Thế năng phụ thuộc mốc. Phải nói rõ "so với đâu" thì con số mới có nghĩa. Tại mốc h = 0 thì Wt = 0.
Tăng gấp đôi thì năng lượng đổi thế nào
| Tăng gấp đôi | Động năng | Thế năng |
|---|---|---|
| Khối lượng m | Gấp 2 | Gấp 2 |
| Tốc độ v | Gấp 4 | Không đổi |
| Độ cao h | Không đổi | Gấp 2 |
Dạng bài
Tính thế năng khi đổi mốc
- 1 Xác định mốc (nơi h = 0) mà đề chọn.
- 2 Tính h = độ cao của vật so với mốc đó.
- 3 Áp dụng Wt = 10mh.
- 4 Kiểm tra: mốc cao hơn thì Wt phải nhỏ hơn ✓.
⚠️ Bẫy hay gặp: Nói "vật có thế năng 100 J" mà không nói mốc ở đâu là câu chưa đủ. Cùng một vật, cùng một chỗ, đổi mốc là đổi số.
Vật 2 kg ở độ cao 5 m so với mặt đất. Tính thế năng khi lấy mốc ở mặt đất, rồi khi lấy mốc ở độ cao 3 m.
Hướng dẫn giải
3 ♻️ Cơ năng và bảo toàn cơ năng
Cần nhớ
- ✦Cơ năng là tổng động năng và thế năng: W = Wđ + Wt.
- ✦Bỏ qua ma sát và lực cản thì W không đổi. Vật rơi: Wt giảm bao nhiêu, Wđ tăng đúng bấy nhiêu.
- ✦Ở điểm cao nhất Wt cực đại, Wđ = 0. Ở đáy (mốc) Wt = 0, Wđ cực đại.
- ✦Có ma sát thì cơ năng giảm, phần mất thành nhiệt và âm thanh. Nhưng năng lượng toàn phần vẫn bảo toàn.
Thả vật 1 kg từ độ cao 20 m (mốc ở mặt đất)
| Độ cao | Wt | Wđ | W |
|---|---|---|---|
| 20 m | 200 J | 0 | 200 J |
| 15 m | 150 J | 50 J | 200 J |
| 10 m | 100 J | 100 J | 200 J |
| 0 m | 0 | 200 J | 200 J |
Dạng bài
Tìm tốc độ bằng bảo toàn cơ năng
- 1 Chọn hai vị trí: lúc thả (v = 0) và lúc cần tính. Chọn mốc h = 0.
- 2 Viết W đầu = W sau: thế năng lúc thả = động năng lúc chạm.
- 3 Triệt tiêu m hai vế: 10mh = ½mv² ⇒ v = √(20h).
- 4 Kiểm tra: thay v vào ½mv², phải ra đúng 10mh ✓.
⚠️ Bẫy hay gặp: Vật nặng hơn không rơi chạm đất nhanh hơn: m triệt tiêu, v = √(20h) chỉ phụ thuộc độ cao. Bóng nảy thấp dần cũng không "mất" năng lượng, nó thành nhiệt và tiếng động.
Thả một vật từ độ cao 5 m. Tính tốc độ lúc chạm đất (bỏ qua sức cản không khí).
Hướng dẫn giải
4 🏋️ Công cơ học
Cần nhớ
- ✦Có công cơ học khi có lực tác dụng và vật dịch chuyển theo phương của lực: A = F·s.
- ✦1 J = 1 N · 1 m. Ví dụ: lực 200 N kéo vật đi 5 m thì A = 1000 J.
- ✦Lực vuông góc với chuyển dời thì không sinh công. Đẩy tường không nhúc nhích (s = 0) hay xách cặp đi ngang đều không có công cơ học.
Kéo thùng trên sàn, nâng vật lên cao, đẩy xe đi tới.
Đẩy tường mà tường không nhúc nhích (s = 0), xách cặp đi ngang (lực ⊥ chuyển dời), vật trôi theo quán tính không có lực (F = 0).
Dạng bài
Tính công nâng vật
- 1 Nâng đều thì lực nâng bằng trọng lượng: F = P = 10m.
- 2 Quãng đường s là độ cao nâng lên.
- 3 A = F·s, đơn vị J.
- 4 Kiểm tra: A cũng bằng độ tăng thế năng 10m·h ✓.
⚠️ Bẫy hay gặp: Đẩy tường thật mạnh mà tường không nhúc nhích thì A = F · 0 = 0. Mỏi tay là chuyện của cơ bắp, không phải công cơ học.
Nâng đều bao gạo 50 kg lên cao 3 m. Tính công của lực nâng.
Hướng dẫn giải
5 ⚡ Công suất
Cần nhớ
- ✦Công suất cho biết công thực hiện nhanh hay chậm: P = A/t.
- ✦Đơn vị oát (W): 1 W = 1 J/s, 1 kW = 1000 W. Ví dụ: 3000 J trong 30 s thì P = 100 W.
- ✦Thời gian t phải tính bằng giây. Để phút thì sai gấp 60 lần.
Công và công suất khác nhau chỗ nào
| Công A | Công suất P | |
|---|---|---|
| Cho biết | Làm được bao nhiêu | Làm nhanh hay chậm |
| Đơn vị | Jun (J) | Oát (W) |
| Ví dụ | Nâng bao gạo lên tầng 2 | Nâng trong 1 phút hay trong 10 phút |
Dạng bài
Tính công suất
- 1 Tính công A = F·s (nâng vật thì F = 10m).
- 2 Đổi thời gian ra giây.
- 3 P = A/t, đơn vị W.
- 4 Kiểm tra: P · t phải ra lại đúng A ✓.
⚠️ Bẫy hay gặp: Hai người nâng cùng bao gạo lên cùng độ cao thì công như nhau, người nhanh hơn có công suất lớn hơn. Đừng nhầm hai đại lượng này.
Cần cẩu nâng đều thùng hàng 200 kg lên cao 6 m trong 12 s. Tính công suất.
Hướng dẫn giải
✏️ Luyện tập
Làm xong mỗi nhóm bấm Kiểm tra. Câu sai có lời giải ngắn và nút quay lại phần cách làm.
Động năng
- 1Nhận biết
Động năng của vật được tính bằng:
- 2Nhận biết
Một vật đang đứng yên thì động năng của nó:
- 3Thông hiểu
Tốc độ của vật tăng gấp 3 thì động năng tăng:
- 4Thông hiểu Vật 2 kg chuyển động với v = 6 m/s có động năng J.
- 5Vận dụng
Vật 4 kg chuyển động với v = 5 m/s. Động năng bằng:
Thế năng
- 1Nhận biết
Thế năng trọng trường của vật phụ thuộc vào:
- 2Thông hiểu Vật 5 kg ở độ cao 2 m (mốc mặt đất) có thế năng J.
- 3Thông hiểu
Độ cao của vật tăng gấp đôi (cùng mốc, cùng khối lượng) thì thế năng:
- 4Thông hiểu
Vật 3 kg ở độ cao 4 m so với mặt đất. Thế năng (mốc mặt đất) bằng:
- 5Vận dụng Vật 4 kg ở độ cao 6 m so với mặt đất. Lấy mốc ở độ cao 4 m thì thế năng của vật là J.
Cơ năng và bảo toàn
- 1Nhận biết
Cơ năng của vật bằng:
- 2Thông hiểu
Cơ năng của vật được bảo toàn khi:
- 3Thông hiểu
Khi vật rơi tự do, thế năng giảm thì động năng:
- 4Thông hiểu Thả vật 1 kg từ độ cao 20 m (mốc mặt đất, bỏ qua sức cản). Khi vật còn cách mặt đất 5 m thì động năng là J.
- 5Vận dụng
Thả vật từ độ cao 20 m. Tốc độ chạm đất bằng (bỏ qua sức cản):
- 6Vận dụng Thả vật từ độ cao 45 m, bỏ qua sức cản. Tốc độ lúc chạm đất là m/s.
Công cơ học
- 1Nhận biết
Công cơ học được tính bằng:
- 2Thông hiểu
Trường hợp nào KHÔNG có công cơ học?
- 3Thông hiểu Nâng đều bao hàng 20 kg lên cao 4 m. Công của lực nâng là J.
- 4Thông hiểu
Lực 200 N kéo vật đi 5 m theo phương của lực. Công bằng:
Công suất
- 1Nhận biết
Đơn vị của công suất là:
- 2Thông hiểu Thực hiện công 4500 J trong 30 s thì công suất là W.
- 3Thông hiểu
Thực hiện công 3000 J trong 30 s. Công suất bằng:
- 4Vận dụng Máy công suất 2 kW chạy 10 s, toàn bộ công dùng nâng đều vật 100 kg. Vật được nâng lên cao m.
🎯 Chủ điểm này ra kiểm tra và thi chuyên thế nào?
- •Bài kiểm tra thường hỏi công thức Wđ, Wt, W và bài tính số có đổi km/h sang m/s.
- •Bài bảo toàn cơ năng hay cho độ cao thả, hỏi tốc độ chạm đất hoặc động năng ở một độ cao giữa chừng. Nhớ ghi "bỏ qua ma sát".
- •Câu lí thuyết hay có bẫy công cơ học (đẩy tường, xách cặp đi ngang) và nhầm công với công suất.
2. Khúc xạ, phản xạ toàn phần, lăng kính và màu sắc