Lý thuyết bảo toàn và chuyển hóa năng lượng vật lí 10 Cánh diều
I. Thế năng và động năng
1. Thế năng
Một người đưa một vật có khối lượng \(m\) lên độ cao \(h\), người phải tác dụng vào vật lực nâng \(F\) có độ lớn tối thiểu bằng trọng lượng \(P\) của vật.
\(P=mg\)
Trong đó \(g\) là giá trị của gia tốc trọng trường.
Năng lượng mà người truyền cho vật được dự trữ dưới dạng thế năng. Thế năng trong trường trọng lực đều được xác định bằng biểu thức:
\(W_t=mgh\)
Thế năng được đo bằng jun (J).
Vì độ cao \(h\) phụ thuộc vào vị trí được chọn làm mốc nên thế năng cũng phụ thuộc vào vị trí được chọn làm mốc.
Khi vật ở trên mặt đất (\(h=0\)) thì vật không có thế năng (\(W_t=0\)). Ta nói mặt đất được chọn làm mốc thế năng.
Bài tập ví dụ:
Đỉnh Phan-Xi-Păng cao 3147 m. Tính thế năng của người leo núi có khối lượng 70 kg khi leo lên đỉnh núi này.
Hướng dẫn:
Thế năng của người leo đỉnh núi Phan-Xi-Păng là:
\(W_t=mgh=70.9,8.3147\approx2,16.10^6\) (J)
2. Động năng
Xét một vật khối lượng \(m\) chuyển động thẳng biến đổi đều với gia tốc \(a\) từ trạng thái đứng yên dưới tác dụng của lực \(F\) không đổi.
Sau khi đi được quãng đường \(s\), vật đạt tốc độ \(v\) thì: \(v^2=2as\)
Vì \(a=\dfrac{F}{m}\) nên \(v^2=\dfrac{2Fs}{m}\)
\(\Rightarrow\dfrac{1}{2}mv^2=Fs\)
Vậy lực \(F\) thực hiện công \(A=Fs\), làm vật chuyển động với động năng \(W_đ\).
Động năng là năng lượng một vật có được do chuyển động và được xác định bằng biểu thức:
\(W_đ=\dfrac{1}{2}mv^2\)
Động năng được đo bằng jun (J).
II. Cơ năng
1. Sự chuyển hoá động năng và thế năng của vật
Trong trò chơi tàu lượn, khi bắt đầu, động cơ điện kéo toa tàu lên dến đỉnh đầu tiên của cung đường. Sau đó nó trượt xuống và tăng tốc. Khi xuống thì tốc độ tăng dần và có đà để di chuyển lên đỉnh tiếp theo, rồi tiếp tục trượt xuống và tăng tốc.
- Ở trên đỉnh cao nhất toa tàu dự trữ thế năng cực đại, khi trượt xuống tốc độ tăng tức là động năng tăng, đồng thời thế năng giảm do độ cao giảm. Như vậy thế năng đã chuyển hoá thành động năng.
- Còn khi lên dốc thì động năng giảm, thế năng tăng, tức là động năng đã chuyển hoá thành thế năng.
Trong quá trình này có hao phí dưới dạng năng lượng nhiệt hay năng lượng âm thanh do đó các đỉnh sau thì luôn thấp hơn đỉnh trước.
2. Định luật bảo toàn cơ năng
Cơ năng của một vật là tổng động năng và thế năng của nó.
Khi vật chuyển động trong trường trọng lực thì cơ năng có dạng:
\(W=W_đ+W_t\)
Đơn vị của cơ năng là jun (J).
Trong các trường hợp mà ma sát nhỏ, có thể bỏ qua sự hao phí năng lượng, động năng giảm đi bao nhiêu thì thế năng tăng lên bấy nhiêu và ngược lại. Nói cách khác, tổng thế năng và động năng là không đổi. Đó là định luật bảo toàn cơ năng.
Bài tập ví dụ: Một vật được thả rơi ở độ cao \(h=10\) m so với mặt đất. Bỏ qua mọi ma sát. Ở độ cao nào thì vật có động năng bằng thế năng?
Hướng dẫn:
Gọi vị trí cao nhất của vật là A, vị trí vật có thế năng bằng động năng là B.
Áp dụng định luật bảo toàn cơ năng có: \(W_A=W_B\)
\(\Rightarrow W_{tmax}=W_đ+W_t=2W_t\)
\(\Rightarrow mgh=2mgh’\)
\(\Rightarrow h’=\dfrac{h}{2}=\dfrac{10}{2}=5\) (m)
Vậy ở độ cao 5 m thì vật có động năng bằng thế năng.
III. Sự bảo toàn và chuyển hoá năng lượng. Hiệu suất.
1. Sự chuyển hoá năng lượng
Năng lượng có thể được dự trữ và chuyển từ dạng này sang dạng khác (chuyển hoá năng lượng), từ vật này sang vật khác (truyền năng lượng) khi có lực tác dụng hoặc các tác động vật lí khác.
 |  |
2. Hiệu suất
Hiệu suất cho biết tỉ lệ (có thể tính theo phần trăm) giữa năng lượng có ích được tạo ra và tổng năng lượng cung cấp.
\(H=\dfrac{W_{ci}}{W_{tp}}.100\%\)
Ví dụ: Động cơ ô tô có hiệu suất 25% nghĩa là chỉ 25% năng lượng hoá học trong xăng được chuyển hoá thành động năng của ô tô, còn 75% năng lượng còn lại bị hao phí dưới dạng nhiệt năng, năng lượng âm thanh,…
Nâng cao hiệu suất máy móc, sử dụng năng lượng hiệu quả là biện pháp quan trọng cho sự phát triển bền vững.
3. Minh hoạ định luật bảo toàn năng lượng
Thí nghiệm: Con lắc đồng hồ gồm một vật nặng được gắn vào một thanh nhẹ hoặc sợi dây không dãn.
Đưa vật lên điểm A có độ cao h so với điểm O rồi thả cho vật chuyển động tự do. Ta thấy vật chuyển động nhanh dần từ A xuống O, rồi chậm dần từ O lên B.
❓Trả lời các câu hỏi tương tác sau đây.
Như vậy, trong suốt quá trình trên, thế năng chuyển hoá thành động năng và ngược lại, còn tổng động năng và thế năng, tức là cơ năng không đổi.
1. Trong trường trọng lực đều, thế năng của vật có khối lượng \(m\) ở độ cao \(h\) so với mặt đất được xác định bằng công thức: \(W_t=mgh\) , trong đó \(g\approx9,81\) m/s2.
2. Động năng của vật có khối lượng \(m\) chuyển động với tốc độ \(v\) được xác định bằng công thức: \(W_đ=\dfrac{1}{2}mv^2\).
3. Động năng của vật có thể chuyển hoá thành thế năng và ngược lại. Nếu bỏ qua sự hao phí năng lượng trong quá trình chuyển động thì tổng thế năng và động năng của vật không đổi, tức là cơ năng của vật được bảo toàn.
4. Hiệu suất cho biết tỉ lệ (có thể tính theo phần trăm) giữa năng lượng có ích được tạo ra và tổng năng lượng cung cấp.
5. Năng lượng không tự sinh ra hoặc không tự mất đi, năng lượng chỉ chuyển hoá từ dạng này sang dạng khác hoặc truyền từ vật này sang vật khác. Nói cách khác, năng lượng được bảo toàn.