Thế năng hấp dẫn, thế năng đàn hồi, vật lí lớp 10

Thế năng là đại lượng vật lí đặc trưng cho khả năng sinh công của vật. Thế năng là một dạng năng lượng (năng lượng tiềm năng).

I/ Thế năng hấp dẫn:

a/ Lực thế và trường trọng lực

Lực thế: là loại lực mà công của lực đó sinh ra không phụ thuộc vào hình dạng đường đi mà chỉ phụ thuộc vào vị trí của điểm đầu và điểm cuối trong quá trình chuyển động của vật. => trọng lực hay lực hấp dẫn của trái đất của trái đất lên các vật là lực thế.

Trường trọng lực (trọng trường): là môi trường bao quanh trái đất mà biểu hiện của nó là tác dụng lực thế lên các vật khác đặt trong đó.

b/ Công của trọng lực:

thả một vật có khối lượng m ở độ cao z rơi tự do xuống mặt đất, khi chạm đất, công của trọng lực P sinh ra là

A= P.z = mgz

với cùng vật đó, ta cho vật trượt không ma sát trên mặt phẳng nghiêng cùng độ cao z so với mặt đất, khi đó công của trọng lực P là

A= P1.BC = Psinα.BC = mg.BC.sinα = mgz

Thế năng hấp dẫn, thế năng đàn hồi, vật lí lớp 10
trong tam giác vuông BAC: z = AB = BC.sinα 
Kết luận: nếu vật chuyển động chỉ chịu tác dụng của trọng lực thì công của trọng lực không phụ thuộc vào hình dạng của đường đi mà chỉ phụ thuộc vào vị trí điểm đầu và điểm cuối → Trọng lực là lực thế.

2/ Thế năng hấp dẫn:

Thế năng của một vật trong trọng trường gọi tắt là thế năng trọng trường được xác định bằng biểu thức

$W_{t }$= mgz

Trong đó:

  • W$_{t}$: thế năng của vật trong trọng trường (J)
  • m: khối lượng của vật (kg)
  • g: gia tốc trọng trưởng (gia tốc rơi tự do) (m/s2)
  • z: độ cao của vật so với mặt đất.

Tại mặt đất z=0 => $W_{t}$=0 hay nói cách khác gốc của thế năng được chọn tại mặt đất.

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

Thả một vật khối lượng m rơi tự do ở độ cao z1 xuống mặt đất

Thế năng hấp dẫn, thế năng đàn hồi, vật lí lớp 10

công của trọng lực khi vật đi đến vị trí điểm B là:

A = P.s = mg.(z1 – z2) = mgz1 – mgz2= $W_{t1}$ – $W_{t2}$ = -Δ$W_{t}$

Δ$W_{t}$ gọi là độ biến thiên thế năng của vật chuyển động trong trọng trường

Kết luận: Công của trọng lực trong trọng trường bằng độ giảm thế năng của vật khi chuyển động trong trường trọng lực.

A = mgz1 – mgz=$W_{t1}$ – $W_{t2}$ = –Δ$W_{t}$

  • Khi vật rơi tự do trong trọng trường: $W_{t1}$ > $W_{t2 }$ => Δ$W_{t}$ < 0 => A > 0 độ giảm thế năng của vật chuyển động trong trọng trường chuyển thành công phát động giúp vật rơi tự do trong trọng trường.
  • Khi vật được ném lên từ mặt đất: $W_{t1}$ < $W_{t2}$ => Δ$W_{t}$ > 0 => A < 0 => độ tăng thế năng của vật chuyển động trọng trường chuyển thành công cản tiêu hao dần phần năng lượng mà ta cung cấp cho vật ban đầu (ném lên) cho đến hết, lúc đó vật đạt độ cao cực đại rồi rơi xuống mặt đất.

II/ Thế năng đàn hồi:

Thế năng đàn hồi: là thế năng của vật chỉ chịu tác dụng của lực đàn hồi được xác định bằng biểu thức

$W_{đh } = \dfrac{kx^{2}}{2}=0,5kx^2$

trong đó:

  • $W_{đh}$: thế năng đàn hồi (J)
  • k: độ cứng của lò xo (N/m)
  • x: độ biến dạng của lò xo (m)

Lực đàn hồi cũng là một lực thế, công của lực đàn hồi không phụ thuộc vào đường đi chỉ phụ thuộc vào vị trí điểm đầu và điểm cuối.