Giải SGK Khoa học tự nhiên 9 Kết nối tri thức Bài 3: Cơ năng

Mở đầu (trang 18) Khoa học tự nhiên 9 Kết nối tri thức Bài 3: Khi sử dụng búa máy để đóng cọc, đầu búa được nâng lên đến một độ cao nhất định rồi thả cho rơi xuống cọc cần đóng. Trong quá trình rơi, động năng và thế năng của đầu búa chuyển hóa qua lại lẫn nhau như thế nào?

Trả lời:

- Trong quá trình rơi, có sự chuyển hóa từ thế năng sang động năng. Độ cao của đầu búa giảm, tốc độ của đầu búa tăng nên thế năng của đầu búa giảm và động năng của đầu búa tăng lên.

I. Cơ năng

Hoạt động (trang 18) Khoa học tự nhiên 9 Kết nối tri thức Bài 3: Lấy ví dụ về trường hợp vật vừa có động năng, vừa có thế năng. Mô tả sự chuyển hóa (nếu có) giữa động năng và thế năng của vật đó.

Trả lời:

- Ví dụ về trường hợp vật vừa có động năng, vừa có thế năng: nước chảy từ trên cao xuống.

- Sự chuyển hóa giữa động năng và thế năng: khi đầu nước ở một độ cao nhất định thì năng lượng của nó tồn tại ở dạng thế năng trọng trường. Trong quá trình chảy từ trên cao xuống thì độ cao của nước giảm dần đồng thời tốc độ của nước tăng dần. Nên năng lượng của nước chuyển hóa từ thế năng trọng trường sang động năng.

Câu hỏi (trang 19) Khoa học tự nhiên 9 Kết nối tri thức Bài 3: Một vật có khối lượng m = 1,5 kg được thả rơi từ độ cao h = 4 m so với mặt đất. Chọn gốc thế năng ở mặt đất, tính tốc độ của vật ngay trước khi chạm đất. Biết toàn bộ thế năng của vật chuyển hóa thành động năng của vật

Trả lời:

Thế năng của vật ở độ cao 4 m là: W_t = Ph = 1,5 . 10 . 4 = 60J

Ta có: W_C = W_d + W_t = 0 + 60 =60J

Cơ năng của vật không thay đổi mà toàn bộ thế năng của vật được chuyển hóa thành động năng nên ta có:

W_d = 60J

⇒ $\frac{1}{2}mv^{2}=60\Rightarrow v=\sqrt{\frac{60.2}{1,5}}=4\sqrt{5}m/s$

II. Sự chuyển hóa năng lượng

Hoạt động 1 (trang 19) Khoa học tự nhiên 9 Kết nối tri thức Bài 3: Thí nghiệm về sự chuyển hóa động năng – thế năng

Chuẩn bị: Con lắc đơn (gồm vật nặng, sợi dây không dãn) được treo vào giá thí nghiệm.

Tiến hành:

- Kéo vật nặng đến vị trí A ở độ cao h rồi thả nhẹ, vật nặng chuyển động đến vị trí thấp nhất O rồi tiếp tục đi lên và dừng lại tại điểm B (Hình 3.2), sau đó chuyển động ngược lại.

- So sánh độ cao điểm B với độ cao điểm A.

- Quan sát vật nặng chuyển động qua lại điểm O sau một khoảng thời gian.

Trả lời các câu hỏi sau:

1. Có nhận xét gì về sự chuyển hóa giữa động năng và thế năng của vật nặng?

2. Sau một thời gian chuyển động, vì sao độ cao của vật nặng giảm dần?

Trả lời:

- Độ cao của điểm B thấp hơn độ cao của điểm A.

- Quan sát vật nặng chuyển động qua lại điểm O sau một khoảng thời gian.

1. Nhận xét: Động năng và thế năng có thể chuyển hóa qua lại lẫn nhau.

2. Sau một thời gian chuyển động, độ cao của vật nặng giảm dần vì một phần năng lượng của vật nặng đã chuyển hóa thành nhiệt năng.

Câu hỏi (trang 19) Khoa học tự nhiên 9 Kết nối tri thức Bài 3: Nếu bỏ qua lực cản không khí, hãy mô tả sự chuyển hóa động năng và thế năng của các vật được ném với cùng tốc độ ban đầu (Hình 3.3) trong hai trường hợp:

- Ném theo phương ngang, vật chuyển động theo quỹ đạo (1).

- Ném theo phương chếch lên trên, vật chuyển động theo quỹ đạo (2).

Trả lời:

- Nếu ném vật theo phương ngang: khi vừa ném theo phương ngang thì vật vừa có động năng và thế năng. Sau khi vật rơi xuống thì thế năng giảm, động năng tăng. Đến khi vật vừa chạm đất thì toàn bộ thế năng của vật lúc ném được chuyển hóa thành động năng.

- Nếu ném vật theo phương chếch lên trên: lúc vừa ném chếch lên trên vật vừa có động năng và thế năng. Khi lên cao động năng của vật giảm, thế năng tăng dần. Đến độ cao cực đại thì toàn bộ động năng của vật sẽ chuyển hóa thành thế năng. Sau khi vật rơi xuống thì thế năng giảm, động năng tăng. Đến khi vật vừa chạm đất thì toàn bộ thế năng của vật lúc ném được chuyển hóa thành động năng.

Hoạt động 2 (trang 20) Khoa học tự nhiên 9 Kết nối tri thức Bài 3: Xe thế năng có cấu tạo được mô tả trong Hình 3.4. Quả nặng được nối với trục xe qua một ròng rọc cố định bởi một sợi dây mềm, không dãn. Sợi dây được quấn nhiều vòng quanh trục xe.

Khi thả quả nặng chuyển động từ trên xuống, sợi dây sẽ kéo trục bánh xe làm bánh xe lăn, xe sẽ chuyển động.

a) Mô tả sự chuyển hóa năng lượng từ khi thả quả nặng đến khi quả nặng chạm sàn xe.

b) Cho độ cao ban đầu của quả nặng so với sàn xe là 8 cm, khối lượng của quả nặng là m1 = 20 g, khối lượng của xe là m2 = 50 g. Tính tốc độ của xe ngay khi quả nặng chạm sàn xe, nếu coi toàn bộ thế năng của quả nặng chuyển hóa thành động năng.

c) Trong thực tế, giá trị tốc độ thu được của xe khi quả nặng chạm sàn xe sẽ nhỏ hơn giá trị tính toán ở câu b. Hãy giải thích tại sao.

Lời giải:

a) Từ khi thả quả nặng đến khi chạm sàn thì động năng của vật tăng và thế năng của vật giảm

b) Thế năng của vật ở độ cao 8 cm là: W_t = Ph = 0,02 . 10 . 0,08 = 0,016J

Ta có: W_C = W_d + W_t = 0 + 0,016 = 0,016J

Cơ năng của vật không thay đổi mà toàn bộ thế năng của vật được chuyển hóa thành động năng nên ta có:

W_d = 0,016J

⇒ $\frac{1}{2}mv^{2}=0,016\Rightarrow v=\sqrt{\frac{0,016.2}{0,02}}=\frac{2\sqrt{10}}{5}m/s$

c) Trong thực tế, giá trị tốc độ thu được của xe khi quả nặng chạm sàn xe sẽ nhỏ hơn giá trị tính toán ở câu b vì trong thực tế có sự trao đổi năng lượng với môi trường bên ngoài.