Giải SGK Vật lí 10 Kết nối tri thức Bài 25: Động năng, thế năng

Khởi động

Câu hỏi khởi động SGK Vật lí 10 Kết nối tri thức Bài 25 (trang 99): Hãy mô tả hoạt động của tàu lượn. Tại sao khi tàu lượn ở vị trí cao nhất của đường ray thì tốc độ của nó lại chậm nhất và ngược lại?

Trả lời:

– Mô tả hoạt động của tàu lượn: Từ vị trí thấp nhất, tàu bắt đầu chuyển động và tăng tốc dần, khi đi lên vị trí cao vận tốc của tàu giảm xuống và lại tăng tốc khi đi từ vị trí cao nhất xuống vị trí thấp nhất.

– Khi tàu lượn ở vị trí cao nhất của đường ray thì tốc độ của nó lại chậm nhất và khi đi lên vị trí cao vận tốc của tàu giảm xuống và lại tăng tốc khi đi từ vị trí cao nhất xuống vị trí thấp nhất là bở vì làm như vậy để tránh trường hợp tàu bị văng ra khỏi đường ray.

I. Động năng

1. Khái niệm động năng

Câu hỏi 1 SGK Vật lí 10 Kết nối tri thức Bài 25 (trang 99): Năng lượng các con sóng trong hình 25.1 tồn tại dưới dạng nào.

a. Tại sao sóng thần có sức tàn phá mạnh hơn rất nhiều so với sóng thông thường?

b. Tại sao sóng thần có sức tàn phá khi xô vật cản?

Trả lời:

Năng lượng các con sóng trong hình 25.1 tồn tại dưới dạng động năng

a. Sóng thần có sức tàn phá mạnh hơn rất nhiều so với sóng thông thường vì:

+ Các sóng thường thường có vận tốc nhỏ hơn rất nhiều so với sóng thần. Ngược lại, vận tốc của sóng thần rất lớn dẫn đến động năng của sóng vô cùng lớn cộng thêm năng lượng của sóng thần cũng lớn hơn rất nhiều so với sóng thường, vì vậy sóng thần có sức tàn phá rất lớn.

b. Sóng thần chỉ gây ra sự tàn phá khi xô vào vật cản vì:

+ Sức mạnh tàn phá của sóng thần được tạo ra bởi sự cộng hưởng khi các đợt sóng xô nhau liên tiếp tràn vào đất liền trong khi sóng  thường thì ngược lại. Thế nên khi gặp các vật cản thì các đợt sóng xô nhau nhiều hơn, liên tiếp hơn dẫn đến sức tàn phá dữ dội hơn.

Câu hỏi 2 SGK Vật lí 10 Kết nối tri thức Bài 25 (trang 99): Khi đang bay, năng lượng của thiên thạch tồn tại dưới dạng nào?

- Tại sao năng lượng của thiên thạch lại rất lớn so với năng lượng của các vật thường gặp?

- Khi va vào Trái Đất (Hình 25.2), năng lượng của thiên thạch được chuyển hóa thành những dạng năng lượng nào?

Trả lời:

– Khi đang bay năng lượng của thiên thạch tồn tại dưới dạng động năng và thế năng trọng trường, ngoài ra còn có quang năng, nhiệt năng.

– Năng lượng của thiên thạch rất lớn so với năng lượng của các vật thường gặp vì: So với năng lượng của các vật thường gặp thiên thạch có khối lượng và vận tốc lớn hơn rất nhiều và di chuyển với tốc độ cực nhanh với độ lớn là cực lớn. 

– Khi va vào Trái Đất, năng lượng của thiên thạch được chuyển hóa thành động năng, tạo thành các hố lõm trên bề mặt Trái Đất.

Câu hỏi 3 SGK Vật lí 10 Kết nối tri thức Bài 25 (trang 99): Khi sóng đổ vào bờ nó sinh công và có thể xô đổ các vật trên bờ. Tuy nhiên, với vận động viên lướt sóng thì không bị ảnh hưởng. Tại sao?

Trả lời:

– Khi sóng đổ vào bờ nó sinh công và có thể xô đổ các vật trên bờ. Tuy nhiên, với vận động viên lướt sóng thì không bị ảnh hưởng. Điều này được chứng minh rằng, theo định luật III newton, mặt nước ngược lại sẽ sinh ra phản lực nghiêng bên trên đối với vận động thông qua ván trượt. Chính phản lực này đã đỡ vận động viên không bị chìm xuống.

– Một mặt, khi vận động viên dang lướt ván, hai chân chìa ra phía trước dùng sức đạp lên ván trượt, tạo thành một góc hẹp với mặt nước, bản thân thân cũng ngả về phía sau, dùng sức đạp tạo một lực nghiêng xuống dưới. Như vậy sẽ không làm vận động viên bị ảnh hưởng bởi các làn sóng.

Câu hỏi 4 SGK Vật lí 10 Kết nối tri thức Bài 25 (trang 99): Một mũi tên nặng 48g đang chuyển động với tốc độ 10m/s. Tìm động năng của mũi tên.

Trả lời:

Ta có: 48g= 0.048kg.

* Cách giải 1:

=> Động năng của mũi tên là $\frac{1}{2}\times 0,048\times 102=2.4J$

* Cách giải 2:

=> Động năng của mũi tên là: W_đ = $\frac{1}{2}m.v^{2}=\frac{1}{2}.0,048.10^{2}=2,4J$

2. Liên hệ giữa động năng và công của lực

Câu hỏi 1 SGK Vật lí 10 Kết nối tri thức Bài 25 (trang 100): Thả một quả bóng từ độ cao h xuống sàn nhà. Động năng của quả bóng được chuyển hóa thành những dạng năng lượng nào ngay khi quả bóng chạm vào sàn nhà?

Trả lời:

– Ngay khi thả một quả bóng từ độ cao h xuống sàn nhà, động năng của quả bóng đã chuyển hóa thành thế năng làm quả bóng nảy lên. Lúc này, nặng lượng của quả bóng được chia làm 2 loại:

+ Một phần nhỏ động năng của quả bóng được chuyển hóa thành nhiệt năng (làm nóng quả bóng và mặt sàn)

+ Phần còn lại chuyển hóa thành năng lượng âm thanh (phát ra tiếng bụp ngay khi bóng chạm đất).

Câu hỏi 2 SGK Vật lí 10 Kết nối tri thức Bài 25 (trang 100): Một vật có khối lượng 10 kg đang chuyển động với tốc độ 5 km/h trên mặt bàn nằm ngang. Do có ma sát, vật chuyển động chậm dần đều và đi được 1 m thì dừng lại. Tính hệ số ma sát giữa vật và mặt bàn. Lấy gia tốc trọng trường g = 9,8 m/s² .

Trả lời:

Áp dụng mối liên hệ giữa động năng và công của lực. Ta có động năng của vật bằng công của lực ma sát.

Vật đang chuyển động với tốc độ 5 km/h có động năng:

W_dl = $\frac{1}{2}mv_{1}^{2}=\frac{1}{2}.10.5^{2}=125J$

Vật dừng lại có động năng: W_d2 = 0J

Vật chuyển động chậm dần đều và dừng lại nguyên nhân do lực ma sát thực hiện công nên:

$A_{F_{ms}}=F_{ms}.s.cos180^{o}\Leftrightarrow -125=F_{ms}.1.cos180^{o}\Leftrightarrow F_{ms}=125N$

Lại có lực ma sát ngược chiều chuyển động nên:

$F_{ms}=\mu mg=\mu \Rightarrow \frac{F_{ms}}{mg}=\frac{125}{10.9,8}=1,28m/s^{2}$

II. Thế năng

1. Khái niệm thế năng trọng trường

Câu hỏi 1 SGK Vật lí 10 Kết nối tri thức Bài 25 (trang 100): Máy đóng cọc hoạt động như sau: Búa máy được nâng lên một độ cao nhất định rồi thả cho rơi xuống cọc cần đóng.

1. Khi búa đang ở một độ cao nhất định thì năng lượng của nó tồn tại dưới dạng nào ? năng lượng đó do đâu mà có?

2. Trong quá trình rơi, năng lượng của búa chuyển từ dạng nào sang dạng nào?

3. Khi chạm vào cọc thì búa sinh công để làm gì?

Trả lời:

1. Khi búa đang ở một độ cao nhất định thì năng lượng của nó tồn tại dưới dạng thế năng. Năng lượng này có được là do việc chọn mốc tính độ cao, tạo ra lực hấp dẫn của Trái Đất tác dụng lên búa.

2. Trong quá trình rơi, năng lượng của búa chuyển từ thế năng sang động năng. Nó được sinh ra bởi trọng lực tác dụng lên vật. Ngoài ra có một phần nhỏ chuyển hóa thành nhiệt năng. Ngoài ra, trong quá trình búa di chuyển cọ xát với không khí, bị nóng lên. Nguyên nhân này là do độ cao của búa so với mặt đất giảm dần, tốc độ chuyển động của búa tăng dần.

3. Khi chạm cọc thì búa sinh công để đẩy cọc xuống sâu hơn. 

Câu hỏi 2 SGK Vật lí 10 Kết nối tri thức Bài 25 (trang 101): Hình 25.5 mô tả một cuốn sách được đặt trên giá sách. Hãy so sánh thế năng của cuốn sách trong hai trường hợp: gốc thế năng là sàn nhà và gốc thế năng là mặt bàn

Trả lời:

– Gọi độ cao của cuốn sách so với gốc thế năng là: h’ (khi chọn gốc thế năng là sàn nhà) và độ cao của cuốn sách so với gốc thế năng là: h (khi chọn gốc thế năng là mặt bàn).

– Dựa vào công thức: Wt= m.g.h, ta thấy:

+ Khoảng cách từ sàn nhà đến cuốn sách lớn hơn khoảng cách từ cái bàn đến cuốn sách. Độ lớn của thế năng phụ thuộc vào độ cao của vật so với gốc thế năng. Mà h’ > h nên thế năng của cuốn sách khi gốc thế năng là sàn nhà sẽ lớn hơn gốc thế năng là cái bàn.

=> Thế năng tỉ lệ thuận với độ cao.

2. Liên hệ giữa thế năng và công của lực thế

Câu hỏi 1 SGK Vật lí 10 Kết nối tri thức Bài 25 (trang 101): Một chiếc cần cẩu xây dựng cẩu một khối vật liệu nặng 500kg từ vi trí A ở mặt đát đến vị trí B của một toà nhà cao tầng với các thông số cho trên hình 25.6. Lấy gia tốc trọng trường là g=9.8 m/s², tính thế năng của khối vật liệu tại B và công mà cần cẩu thực hiện

Trả lời:

* Cách giải 1:

Thế năng của khối vật liệu tại B có độ lớn bằng công mà cần cầu đã thực hiện và bằng:

A = W_t = P.h = m.g.h = 500.9,8.40 = 196000J

* Cách giải 2:

Chọn mốc thế năng tại A

Ta có m = 500 kg; g = 9,8 m/s² ; h = 40 m.

Thế năng của khối vật liệu tại B là: W_t = m.g.h = 500.9,8.40 = 1,96.10⁵ (J)

=> Công mà cần cẩu đã thực hiện là: A = W_t = 1,96.10⁵ J.

Câu hỏi 2 SGK Vật lí 10 Kết nối tri thức Bài 25 (trang 101): Hãy chứng minh có thể dùng một mặt phẳng nghiêng để đưa một vật lên cao với một lực nhỏ hơn trọng lượng của vật (Hình 25.7). Coi ma sát không đáng kể.

Trả lời:

* Cách chứng minh thứ nhất:

Ta có:

- Công của lực F: $A_{\underset{F}{\rightarrow}}=F.l$

- Công của trọng lực P: $A_{\underset{P}{\rightarrow}}=P.h$

=> Do thế năng của vật ở độ cao h có độ lớn bằng công của lực dùng để nâng đều vật lên độ cao này.

Khi đó tại độ cao h: $W_{t}=A_{\underset{F}{\rightarrow}}=A_{\underset{P}{\rightarrow}}\Leftrightarrow F.l=P.h$

Mà ℓ > h => F < P => Có thể dùng một mặt phẳng nghiêng để đưa một vật lên cao với một lực nhỏ hơn trọng lượng của vật.

* Cách chứng minh thứ hai:

- Do ma sát không đáng kể nên công của trọng lực bằng công của lực nhỏ

=> Dù lực có nhỏ hơn trọng lượng nhưng vẫn có thể đưa một vật lên cao trong mặt phẳng nghiêng.