Mở đầu (trang 14) Khoa học tự nhiên 9 Cánh Diều Bài 2: Khi xảy ra sạt lở đất ở vùng đồi núi, các khối đất đá từ trên cao trượt xuống dưới có thể gây thiệt hại cho con người và tài sản (hình 2.1). Trước khi sạt lở, khối đất đá ở trên cao có thế năng. Trong quá trình trượt xuống, khối đất đá có động năng. Thế năng và động năng của khối đất đá được tính như thế nào?
Trả lời:
- Vật có khối lượng càng lớn và chuyển động càng nhanh thì khả năng sinh công càng lớn, tức là động năng của vật càng lớn. Động năng của vật được xác định bằng biểu thức:
Trong đó:
+ Wđ là động năng của vật, đơn vị đo là jun (J);
+ m là khối lượng của vật, đơn vị đo là kilôgam (kg);
+ v là tốc độ của vật, đơn vị đo là mét/giây (m/s).
- Vật có trọng lượng càng lớn và ở càng cao thì khả năng sinh công càng lớn, tức là thế năng trọng trường của vật càng lớn. Thế năng trọng trường được xác định bằng biểu thức:
Wt = Ph
Trong đó:
+ Wt là thế năng trọng trường, đơn vị đo là jun (J);
+ h là độ cao của vật so với vị trí O nào đó, đơn vị đo là mét (m);
+ P là trọng lượng của vật, đơn vị đo là niuton (N).
I. Động năng
Câu hỏi 1 (trang 14) Khoa học tự nhiên 9 Cánh Diều Bài 2: Lấy ví dụ về các vật có động năng trong đời sống.
Trả lời:
Ví dụ về các vật có động năng trong đời sống:
- Con chó đang chạy trên đường.
- Em đạp xe tới trường.
Luyện tập 1 (trang 14) Khoa học tự nhiên 9 Cánh Diều Bài 2: Tính động năng của xe máy có khối lượng 100kg đang chuyển động với vận tốc 15m/s.
Lời giải:
- Động năng của xe máy là: Wđ = 0.5 x m x v2 = 11250 (J)
II. Thế năng
Câu hỏi 2 (trang 15) Khoa học tự nhiên 9 Cánh Diều Bài 2: Thế năng trọng trường của vật phụ thuộc vào những yếu tố nào?
Trả lời:
- Thế năng trọng trường của vật phụ thuộc vào những yếu tố nào:
+ Lực hút Trái Đất (trọng lượng của vật)
+ Độ cao của vật (độ cao của vật so với vị trí O nào đó)
Câu hỏi 3 (trang 15) Khoa học tự nhiên 9 Cánh Diều Bài 2: Ở gần mặt đất, trọng lượng của vật liên hệ với khối lượng của nó như thế nào?
Trả lời:
- Trọng lượng của vật tỉ lệ thuận với khối lượng của vật.
Luyện tập 2 (trang 15) Khoa học tự nhiên 9 Cánh Diều Bài 2: Trong hình 1.4, kiện hàng được người công nhân đưa lên cao 1,2 m so với mặt đất. Chọn mặt đất là mốc thế năng. Tính thế năng trọng trường của kiện hàng, biết rằng trọng lượng của kiện hàng là 45 N.
Lời giải:
Thế năng trọng trường của kiện hàng là: Wt = P.h = 45. 1,2 = 54 J
III. Cơ năng
Câu hỏi 4 (trang 15) Khoa học tự nhiên 9 Cánh Diều Bài 2: Khi chuyển động từ vị trí B đến vị trí C, vì sao thế năng của bạn nhỏ tăng dần?
Trả lời:
- Bạn nhỏ chơi xích đu chuyển động từ vị trí B tới vị trí cao hơn C, vì vậy độ cao của bạn ấy tăng dần nên thế năng tăng dần.
Luyện tập 3 (trang 16) Khoa học tự nhiên 9 Cánh Diều Bài 2: Tính cơ năng của bạn nhỏ ở vị trí B (hình 2.3) trong hai trường hợp:
a. Chọn mặt đất làm mốc thế năng. Biết rằng, động năng của bạn nhỏ tại B bằng 90 J và thế năng bằng 150 J.
b. Chọn điểm B làm mốc thế năng.
Lời giải:
a. Chọn mặt đất làm mốc thế năng.
Cơ năng của bạn nhỏ ở vị trí B là: W = Wđ + Wt = 90 + 150 = 240 J
b. Chọn điểm B làm mốc thế năng ⇒Thế năng tại B bằng 0.
Cơ năng của bạn nhỏ ở vị trí B là: W = Wđ = 90 J.
Luyện tập 4 (trang 16) Khoa học tự nhiên 9 Cánh Diều Bài 2: Phân tích sự chuyển hóa động năng và thế năng của bạn nhỏ khi chơi cầu trượt ở hình 2.4 trong 2 trường hợp sau:
a) Bỏ qua ma sát của mặt cầu trượt và lực cản không khí.
b) Lực ma sát giữa bạn nhỏ và cầu trượt có giá trị đáng kể.
Lời giải:
a) Bỏ qua ma sát của mặt cầu trượt và lực cản không khí:
- Tại vị trí A (đầu cầu trượt):
+ Động năng: Bằng 0 vì bạn nhỏ đang đứng yên.
+ Thế năng trọng trường: Lớn nhất vì bạn nhỏ ở độ cao cao nhất.
- Khi di chuyển từ A đến B (cuối cầu trượt):
+ Động năng: Tăng dần do bạn nhỏ được gia tốc bởi lực hấp dẫn.
+ Thế năng trọng trường: Giảm dần do độ cao của bạn nhỏ giảm dần.
- Tại vị trí B (cuối cầu trượt):
+ Động năng: Lớn nhất vì bạn nhỏ đạt tốc độ cao nhất.
+ Thế năng trọng trường: Nhỏ nhất vì bạn nhỏ ở độ cao thấp nhất.
- Nhận xét: Trong trường hợp này, tổng động năng và thế năng của bạn nhỏ bảo toàn (không đổi) vì không có ma sát và lực cản không khí.
b) Lực ma sát giữa bạn nhỏ và cầu trượt có giá trị đáng kể:
- Tại vị trí A (đầu cầu trượt):
+ Động năng: Bằng 0 vì bạn nhỏ đang đứng yên.
+ Thế năng trọng trường: Lớn nhất vì bạn nhỏ ở độ cao cao nhất.
- Khi di chuyển từ A đến B (cuối cầu trượt):
+ Động năng: Tăng dần do bạn nhỏ được gia tốc bởi lực hấp dẫn.
+ Thế năng trọng trường: Giảm dần do độ cao của bạn nhỏ giảm dần.
- Tuy nhiên, một phần năng lượng bị mất do ma sát, do đó:
+ Động năng: Không đạt được giá trị lớn nhất như trường hợp a).
+ Thế năng trọng trường: Không giảm đến giá trị nhỏ nhất như trường hợp a).
- Tại vị trí B (cuối cầu trượt):
+ Động năng: Nhỏ hơn so với trường hợp a) do ma sát.
+ Thế năng trọng trường: Lớn hơn so với trường hợp a) do ma sát.
- Nhận xét: Trong trường hợp này, tổng động năng và thế năng của bạn nhỏ không bảo toàn do có ma sát và lực cản không khí. Ma sát và lực cản không khí làm giảm tổng năng lượng của hệ. Ngoài ra: Lực ma sát càng lớn, sự chênh lệch giữa tổng năng lượng của hai trường hợp càng lớn. Lực cản không khí cũng có ảnh hưởng đến sự chuyển hoá năng lượng, nhưng thường nhỏ hơn so với lực ma sát.
- Kết luận: Khi bạn nhỏ chơi cầu trượt, động năng và thế năng của bạn nhỏ chuyển hoá lẫn nhau. Ma sát và lực cản không khí làm giảm hiệu quả chuyển hoá năng lượng.
Vận dụng (trang 16) Khoa học tự nhiên 9 Cánh Diều Bài 2: Trên công trường xây dựng, để đóng các cọc bê tông lún sâu xuống lòng đất, người ta dùng búa máy như hình 2.5. Đầu búa có trọng lượng lớn được kéo lên một độ cao nhất định so với mặt đất rồi thả rơi xuống đập vào cọc bê tông.
Mô tả sự chuyển hóa năng lượng của đầu búa từ lúc được thả rơi cho tới ngay trước khi đập vào cọc. Bỏ qua sự hao phí năng lượng do lực cản của môi trường.
Lời giải:
Sự chuyển hóa năng lượng của đầu búa từ lúc được thả rơi cho tới trước khi đập vào cọc bê tông có thể mô tả như sau:
- Ở trạng thái bắt đầu (trước khi thả): Đầu búa ở trạng thái đứng im, nên động năng là 0. Đầu búa có thể được nâng lên một độ cao h so với mặt đất, nơi có thế năng được xác định bằng biểu thức: Wt = Ph
- Khi bắt đầu thả rơi: Thế năng bắt đầu giảm khi đầu búa bắt đầu rơi xuống, do độ cao giảm đi, vì vậy động năng bắt đầu tăng lên theo công thức:
- Khi gần đến cọc bê tông: Thế năng giảm xuống còn rất nhỏ khi đầu búa gần đến cọc bê tông, vì vậy động năng tăng lên và đạt đến giá trị lớn nhất khi đầu búa sắp chạm vào cọc bê tông.
- Khi đập vào cọc bê tông: Thế năng giảm xuống 0 khi đầu búa đập vào cọc bê tông, vì đầu búa giảm độ cao đến mức thấp nhất, vì vậy toàn bộ thế năng đã được chuyển hóa thành động năng, và động năng này sẽ được truyền vào cọc bê tông, gây ra các hiện tượng va đập và chuyển động của cọc.
Trong quá trình này, giả sử không có sự hao phí năng lượng do lực cản của môi trường, năng lượng từ thế năng ban đầu đã được chuyển hóa hoàn toàn thành động năng trong quá trình đầu búa rơi và đập vào cọc bê tông.
Tìm hiểu thêm: Ngoài thế năng trọng trường, vật còn có thế năng đàn hồi khi bị biến dạng. Vật biến dạng càng nhiều thì có thế năng đàn hồi càng lớn. Trong trò chơi bạt nhún ở hình 2.6, bạn nhỏ nhấn chân lên mặt bạt biến dạng tích trữ năng lượng dưới dạng thế năng đàn hồi. Mặt bạt đàn hồi trở lại trạng thái cũ, đẩy bạn nhỏ lên cao, thế năng đàn hồi chuyển hóa thành động năng của bạn nhỏ và sau đó động năng lại chuyển hóa thành thế năng trọng trường của bạn đó.
Trong hình 2.6:
a. Trường hợp nào bạt nhún có thế năng đàn hồi lớn nhất?
b. Trường hợp nào bạn nhỏ có thế năng trọng trường lớn nhất?
Lời giải:
a. Bạt nhún có thế năng đàn hồi lớn nhất ở hình 2.6 b vì bạt nhún bị biến dạng nhiều nhất.
b. Bạn nhỏ có thế năng trọng trường lớn nhất ở hình 2.6 c vì bạn nhỏ ở vị trí cao nhất so với mặt bạt nhún.