Mở đầu: Trong xây dựng, để có công trình bền vững thì cần xây nền móng chắc chắn bằng cách đóng những cọc bê tông đúc sẵn ngập sâu xuống nền đất. Mỗi máy đóng cọc đều có bộ phận búa máy được nâng lên nhờ sức thủy lực, hơi nước hoặc động cơ điêzen. Khi đạt tới điểm cao nhất, búa máy sẽ được thả cho rơi xuống, va chạm mạnh vào cọc bê tông và làm nó lún xuống (hình 2.1). Như vậy, búa máy khi ở trên cao có dự trữ năng lượng (thế năng) để sinh công làm dịch chuyển cọc. Động năng mà búa máy truyền sang cọc có liên hệ gì với khối lượng của búa máy và độ cao của nó trước khi thả rơi?
Trả lời:
- Búa máy có khối lượng càng lớn và ở độ cao càng cao thì năng lượng dự trữ ban đầu càng lớn (thế năng trọng trường).
- Khi búa chạm vào cọc, thế năng trọng trường chuyển hóa thành động năng, động năng lúc này gần bằng với thế năng trọng trường ban đầu (có một phần nhỏ chuyển hóa thành nhiệt năng, năng lượng âm,…) nên động năng búa máy truyền sang cọc rất lớn, sẽ giúp cọc lún càng sâu.
I. Thế năng và động năng
1. Thế năng
Câu hỏi 1: Tìm từ thích hợp với chỗ "?" trong suy luận dưới đây:
Thế năng của búa máy càng "?" thì lực của máy đóng cọc thực hiện công càng "?" cọc lún xuống càng sâu.
Trả lời:
- Thế năng của búa máy càng lớn thì lực của máy đóng cọc thực hiện công càng lớn cọc lún xuống càng sâu
Câu hỏi 2: So sánh thế năng trọng trường của vật ở độ cao h với công của người tác dụng lực nâng vật lên đến độ cao này.
Trả lời:
+ Thế năng trọng trường của vật ở độ cao h:
+ Công của người tác dụng lực nâng (lực này có độ lớn bằng trọng lực, hướng từ dưới lên trên) đưa vật lên độ cao h:
Vậy công của lực nâng bằng với thế năng trọng trường.
Luyện tập 1: Phan-Xi-Păng là ngọn núi cao nhất trong ba nước Việt nam, Lào, Campuchia, được mệnh danh là “nóc nhà Đông Dương”. Lên đến đỉnh núi cao 3147 m này ước mơ của nhiều bạn trẻ.
Tính thế năng của người leo núi có khối lượng 70 kg khi leo lên đến đỉnh núi Phan-Xi-Păng
Lời giải:
Công thực hiện của người leo núi là: A = m.g.h = 70.9,81.3147 = 2 161 045 (J)
=> Thế năng của người leo núi là: Wt = 2 161 045 J.
2. Động năng
Câu hỏi 3: Từ liên hệ (i), (ii), hãy suy luận để rút ra kết luận : động năng Wđ của vật cố giá trị bằng công A của lực tác dụng lên nó.
Trả lời:
Theo công thức (i) v2 = 2as => a= v2/(2S)
Theo công thức (ii) F= m.a
=> thế a từ (i) vào (ii) ta có F= m.v2/(2S)
Ta có công thức tính công: A= F.S => A = mv2.S / (2S) = mv2/2 = Wđ
Vận dụng 1: So sánh động năng của ô tô nặng 1000 kg chuyển động với tốc độ 4 m/s và động năng của xe máy năng 100 kg chuyển động với tốc độ 15 m/s
Lời giải:
- Động năng của ô tô là:
- Động năng của xe máy là:
II. Cơ năng
1. Sự chuyển hóa động năng và thế năng của vật
Câu hỏi 4: Năng lượng hao phí trong quá trình toa tàu chuyển động tồn tại dưới dạng nào?
Năng lượng hao phí trong quá trình toa tàu chuyển động tồn tại dưới dạng:
- Năng lượng nhiệt được sinh ra khi: bánh xe tàu hỏa ma sát với đường ray, tàu hỏa ma sát với không khí xung quanh lúc chuyển động.
- Năng lượng âm: tàu chạy phát ra tiếng ồn.
Câu hỏi 5: Bạn chà xát hai bàn tay vào nhau liên tục cho đến khi lòng bàn tay ấm lên. Năng lượng nhiệt mà bạn cảm nhận được được chuyển hóa từ dạng năng lượng nào?
Trả lời:
- Năng lượng nhiệt mà bạn cảm nhận được được chuyển hóa từ dạng năng lượng cơ.
Câu hỏi 6: Phân tích sự chuyển hóa động năng và thế năng của vật trong một số trường hợp đơn giản. Trong các trường hợp này có sự hao phí năng lượng không?Bạn có thể sử dụng các trường hợp ở hình 2.4 hoặc tự đưa ra các tình huống khác.
Trả lời:
Ví dụ: Ném một vật lên cao
Phân tích:
+ Khi ném vật lên trên cao, vận tốc của vật giảm dần dẫn đến động năng giảm dần, ngược lại độ cao tăng dần nên thế năng tăng dần. Khi lên đến độ cao cực đại thì thế năng cực đại và động năng bằng 0.
+ Sau đó, vật rơi xuống mặt đất, thế năng giảm dần và động năng tăng dần
+ Tiếp tục, vật lại nảy lên cao nhưng không cao bằng lần đầu tiên, sau đó lại hạ xuống mặt đất, cứ như vậy cho đến khi dừng hẳn
+ Vật lên cao thì thế năng tăng và động năng giảm, vật xuống thấp thì động năng tăng và thế năng giảm
+ Trong quá trình di chuyển của vật, ta thấy vật lên cao càng ngày càng thấp dần xuống do ngoài có sự chuyển hóa giữa thế năng và động năng thì còn có nhiệt năng được sinh ra.
2. Định luật bảo toàn cơ năng
Câu hỏi 7: Cơ năng là gì?
- Cơ năng của một vật bằng tổng thế năng và động năng của nó: W = Wt + Wđ
Câu hỏi 8: Điều kiện để cơ năng của vật được bảo toàn là gì ?
Trả lời:
- Trong trường hợp có thể bỏ qua được sự hao phí năng lượng, tức là ma sát rất nhỏ thì cơ năng của vật được bảo toàn.
Luyện tập 2: Nhảy cầu là một môn thể thao. Vận động viên nhảy lên, đạt điểm cao nhất cách mặt nước 10 m, rồi rơi xuống. Trong quá trình rơi, vận động viên thực hiện các động tác nhào lộn đẹp mắt trước khi chạm nước (hình 2.6). Em hãy ước lượng tốc độ của vận động viên khi chạm nước. Nước trong bể có vai trò như thế nào trong việc đảm bảo an toàn cho vận động viên?
Lời giải:
Tốc độ của vận động viên khi chạm nước là:
Nước trong bể có vài trò làm giảm tốc độ của vận động viên khi vận động viên tiếp nước.
Luyện tập 3: Một em bé có khối lượng 20 kg trượt từ đỉnh cầu trượt cao 2 m. Khi tới chân cầu trượt, em bé có tốc độ 4 m/s. Cơ năng của em bé có bảo toàn không? Tại sao?
Lời giải:
Chọn mốc tính thế năng tại chân cầu trượt.
Thế năng tại đỉnh cầu trượt (v = 0, em bé chỉ có thể năng):
Wtmax = mgh = 20.9,8.2 = 392 J = W1.
Động năng tại chân cầu trượt (h = 0, em bé chỉ có động năng): Wđmax =
Từ đó ta thấy cơ năng tại đỉnh cầu trượt và cơ năng tại chân cầu trượt khác nhau.
⇒ Cơ năng trong trường hợp này không bảo toàn do trong quá trình trượt từ đỉnh xuống chân cầu trượt có sự ma sát giữa cơ thể người và bề mặt cầu trượt sinh ra nhiệt, đồng thời phát ra âm thanh. Chứng tỏ cơ năng (thế năng ban đầu ở đỉnh cầu trượt) đã bị chuyển hóa một phần thành nhiệt năng và năng lượng âm.
III. Sự bảo toàn và chuyển hóa năng lượng. Hiệu suất
1. Sự chuyển hóa năng lượng
Câu hỏi 9: Lấy ví dụ về sự chuyển hóa năng lượng dự trữ thành năng lượng hoạt động trong cuộc sống và sản xuất nông nghiệp, công nghiệp.
Trả lời:
- Hầu hết các nhà máy và công xưởng ddeuf hoạt động dựa vào năng lượng điện được truyền đến từ các nhà máy điện. Ở nhà máy nhiệt điện, than đá hoặc dầu mỏ bị đốt cháy giải phóng năng lượng dự trữ trong nhiên liệu tạo ra năng lượng nhiệt lớn làm sôi nước, luồng hơi áp suất cao phát ra làm quay tuabin máy phát điện, tạo ra năng lượng điện- dạng năng lượng có ích trong sản xuất điện.
2. Hiệu suất
Luyện tập 4: Máy tời đang hoạt động với công suất 1000 W đưa 100 kg vật liệu lên đều tới độ cao 16 m trong 20 s. Tính hiệu suất của máy tời.
Lời giải:
Năng lượng có ích của máy tời:
Lực phát động F của động cơ bằng với trọng lực của trái đất tác dụng lên vật:
F = P = mg
Hướng của lực phát động cùng hướng với độ dịch chuyển:
Thay số ta được: Wich=100.9,8.16=15680J
Năng lượng cung cấp: Wcungcap=P.t=1000.16=16000J
Hiệu suất:
Luyện tập 5: Với mỗi động cơ ở bảng 2.1, chỉ ra các dạng năng lượng cung cấp, dạng năng lượng cố ích, dạng năng lượng hao phí tạo ra và biểu diễn dưới dạng lược đồ như hình 2.7.
Lời giải:
Vận dụng 3: Tại sao cần tắt điều hòa, tắt đài, tắt đèn trong ô tô khi ô tô đang đi trên đường mà gần hết xăng.
Lời giải:
- Ô tô sử dụng năng lượng để hoạt động là xăng. Trong ô tô, tất cả các thiết bị hoạt động được đều sử dụng năng lượng, nếu như ô tô sắp hết xăng thì năng lượng cũng gần như cạn kiệt, vì vậy nếu ô tô đang đi trên đường thì nên tắt điều hòa, tắt đài, tắt đèn để tất cả năng lượng xăng tập trung vào động cơ để xe hoạt động.
3. Minh họa định luật bảo toàn năng lượng
Vận dụng 4: Chế tạo mô hình đơn giản và minh họa định luận bảo toàn năng lượng, liên quan đến một số dạng năng lượng khác nhau.
Lời giải:
Chế tạo con lắc như hình 2.8
Chuẩn bị: 2 quả cầu thép giống hệt nhau, 2 sợi dây mảnh, 1 khung có đế vững chắc
Cách tiến hành: Buộc quả cầu bằng sợ dây mảnh sau đó treo lên khung thép như hình 2.8
