Lý thuyết Vật lí 10 Bài 25: Động năng, thế năng

1. Khái niệm và Công thức động năng

Động năng là dạng năng lượng mà một vật có được do nó đang chuyển động. Vật có khối lượng càng lớn và chuyển động càng nhanh thì động năng của vật càng lớn.

Công thức tính động năng của chất điểm có khối lượng $m$ chuyển động với tốc độ $v$:

Trong đó:
- $m$: Khối lượng của vật (đơn vị: $kg$).
- $v$: Tốc độ chuyển động của vật (đơn vị: $m/s$).
- $W_d$: Động năng (đơn vị: Joule, $J$).

Đặc tính: Động năng là một đại lượng vô hướng và luôn luôn không âm ($W_d \ge 0$). Động năng có tính tương đối vì nó phụ thuộc vào hệ quy chiếu (qua vận tốc $v$).

2. Định lí biến thiên động năng

• Khi ngoại lực sinh công dương ($A > 0$): Động năng của vật tăng ($W_{d2} > W_{d1}$).
• Khi ngoại lực sinh công âm ($A < 0$): Động năng của vật giảm ($W_{d2} < W_{d1}$) - ví dụ khi hãm phanh xe.

1. Khái niệm thế năng trọng trường

Thế năng trọng trường (gọi tắt là thế năng) là dạng năng lượng tương tác giữa Trái Đất và vật, phụ thuộc vào vị trí của vật trong trọng trường.

Khi chọn một vị trí làm mốc thế năng (thường chọn mặt đất là mốc $z = 0$), thế năng của một vật khối lượng $m$ tại độ cao $z$ được xác định bằng:

Trong đó:
- $m$: Khối lượng vật ($kg$).
- $g$: Gia tốc trọng trường ($m/s^2$).
- $z$: Tọa độ độ cao của vật so với mặt phẳng mốc thế năng ($m$).
- $W_t$: Thế năng trọng trường (đơn vị: Joule, $J$).

Lưu ý về dấu của thế năng:
- Ở phía trên mốc thế năng: $z > 0 \Rightarrow W_t > 0$.
- Tại đúng mốc thế năng: $z = 0 \Rightarrow W_t = 0$.
- Ở phía dưới mốc thế năng (dưới lòng đất, đáy giếng): $z < 0 \Rightarrow W_t < 0$.

2. Mối liên hệ giữa công của trọng lực và độ giảm thế năng

Khi một vật dịch chuyển từ vị trí 1 có độ cao $z_1$ đến vị trí 2 có độ cao $z_2$, công của trọng lực chỉ phụ thuộc vào hiệu độ cao của hai vị trí mà không phụ thuộc vào hình dạng đường đi:

• Khi vật rơi xuống ($z_1 > z_2$): Trọng lực sinh công dương ($A_P > 0$), thế năng của vật giảm.
• Khi vật được ném lên ($z_1 < z_2$): Trọng lực sinh công âm ($A_P < 0$), thế năng của vật tăng.