Thế năng là một trong những khái niệm quan trọng trong vật lý, đặc biệt là vật lý cơ học. Thế năng được hiểu là năng lượng của một vật trong trạng thái nào đó do vị trí, hình dạng, hoặc trạng thái của nó. Thế năng có thể chuyển đổi thành các dạng năng lượng khác như năng lượng cơ học, điện, hay nhiệt.
Các khái niệm liên quan đến thế năng bao gồm:
Thế năng trọng trường
Thế năng đàn hồi
Thế năng trọng trường
Thế năng trọng trường là năng lượng mà một vật có do tương tác với trường hấp dẫn. Thế năng trọng trường của một vật được tính bằng công thức sau:
$U = mgh$
Trong đó:
- U là thế năng trọng trường (Joule)
- m là khối lượng của vật (kg)
- g là gia tốc trọng trường (m/s^2)
- h là độ cao của vật so với một điểm tham chiếu (m)
Thế năng đàn hồi
Thế năng đàn hồi là năng lượng mà một vật có do bị nén hoặc bị kéo dãn. Khi một vật bị biến dạng, thế năng đàn hồi được tích trữ trong đó. Khi vật được trả về trạng thái ban đầu, thế năng đàn hồi được giải phóng. Thế năng đàn hồi của một vật được tính bằng công thức sau:
$U = \dfrac{1}{2}kx^2$
Trong đó:
- U là thế năng đàn hồi (Joule)
- k là hằng số đàn hồi của vật (N/m)
- x là khoảng cách vật bị biến dạng so với trạng thái ban đầu (m)
Như vậy, chúng ta đã tìm hiểu về các khái niệm liên quan đến thế năng, bao gồm thế năng trọng trường và thế năng đàn hồi, và cách tính toán chúng trong một số trường hợp đơn giản.
Bài tập ví dụ 1: Một vật có khối lượng m = 0.5 kg được nâng lên độ cao h = 2 m. Tính thế năng trọng trường của vật ở độ cao đó.
Giải: Theo công thức tính thế năng trọng trường: $E_p = mgh$ Trong đó:
- $E_p$ là thế năng trọng trường (J)
- m là khối lượng của vật (kg)
- g là gia tốc trọng trường, bằng 9.8 $m/s^2$ ở bề mặt trái đất
- h là độ cao của vật so với mặt đất (m)
Áp dụng vào bài toán này, ta có:
- m = 0.5 kg
- g = 9.8 $m/s^2$
- h = 2 m
Thay các giá trị vào công thức, ta có: $E_p = mgh$ = 0.5 x 9.8 x 2 = 9.8 J
Vậy thế năng trọng trường của vật ở độ cao 2 m là 9.8 J.
Bài tập ví dụ 2: Một quả bóng có khối lượng m = 0.2 kg được ném lên độ cao h = 10 m. Tính thế năng đàn hồi của quả bóng khi nó chạm lại mặt đất, biết rằng năng lượng ban đầu của quả bóng được chuyển hoàn toàn sang năng lượng đàn hồi.
Giải: Theo công thức tính thế năng đàn hồi: $E_p = (1/2)kx^2$ Trong đó:
- $E_p$ là thế năng đàn hồi (J)
- k là hằng số đàn hồi của vật (N/m)
- x là biên độ đàn hồi (m)
Ta cần tìm giá trị của k và x để tính được thế năng đàn hồi của quả bóng. Để làm điều này, ta sử dụng công thức sau đây: $E_p = E_k$ Trong đó:
- $E_k$ là năng lượng động học của quả bóng trước khi chạm đất, bằng năng lượng tiềm của nó khi ném lên: $E_k$ = mgh = 0.2 x 9.8 x 10 = 19.6 J
Do năng lượng ban đầu được chuyển hoàn toàn sang năng lượng đàn hồi, nên: $E_p = E_k$ = 19.6 J
Thay giá trị của $E_p$ vào công thức thế năng đàn hồi để tính k