Thế năng là một trong những kiến thức quan trọng về cơ học trong chương trình Vật Lý lớp 10. Nắm được kiến thức về thế năng và các công thức tính toán sẽ giúp các em học sinh giải quyết các bài toán về động năng, thế năng và cơ năng nhanh chóng và chính xác. Vậy thế năng là gì? Công thức tính thế năng trọng trường và đàn hồi như thế nào? Các em hãy cùng Team Marathon Education tìm hiểu ngay những kiến thức này qua bài viết sau.
Thế năng là gì?
Thế năng là một trong những đại lượng vật lý quan trọng. Đại lượng này biểu hiện khả năng sinh công của một vật trong một số điều kiện nhất định. Nói cách khác, thế năng chính là một dạng năng lượng tồn tại bên trong vật thể. Có 3 loại thế năng: thế năng trọng trường, thế năng đàn hồi và thế năng tĩnh điện.
Tuy nhiên, trong chương trình Vật Lý lớp 10, các em sẽ chỉ tìm hiểu về 2 loại thế năng phổ biến. Đó là thế năng trọng trường và thế năng đàn hồi. Mỗi loại đều có khái niệm, đặc điểm và công thức tính toán riêng.
Thế năng trọng trường là gì? Công thức tính thế năng trọng trường
Khái niệm thế năng trọng trường
Thế năng trọng trường gắn liền với trọng trường của Trái Đất. Trước khi tìm hiểu thế năng trọng trường là gì, Team Marathon Education sẽ giải thích cho các em hiểu về trọng trường của Trái Đất và tác động của nó đối với các vật thể bên trong.
Trọng trường là môi trường tồn tại xung quanh Trái Đất. Mọi vật thể bên trong trọng trường của Trái Đất đều bị tác động bởi lực hấp dẫn (trọng lực). Công thức tính trọng lượng của một vật có khối lượng m được đặt trong trọng trường:
P = m.g
Trong đó:
- P là trọng lượng, đơn vị đo là Newton (N)
- m là khối lượng của vật thể, đơn vị đo là kg
- g là gia tốc rơi tự do hay gia tốc trọng trường, đơn vị đo là m/s2
Từ đó, ta có thể định nghĩa thế năng trọng trường của một vật bất kỳ chính là năng lượng vật có được khi có lực hấp dẫn giữa vật và Trái Đất. Độ lớn của thế năng trọng trường phụ thuộc vào vị trí của vật thể bên trong trọng trường.
Công thức tính thế năng trọng trường
Thế năng trọng trường của một vật thể bất kỳ có khối lượng m đặt ở vị trí cách mốc thế năng một khoảng z trong môi trường trọng trường, được tính theo công thức sau:
Wt =m.g.z
Trong đó
- Wt là thế năng trọng trường của thể vật tại vị trí đang xét, đơn vị đo là J (Jun)
- m là khối lượng của vật thể, đơn vị đo là kg
- z là khoảng cách từ vật đến mốc thế năng, đơn vị đo là m
- g là độ lớn gia tốc rơi tự do của vật thể, đơn vị đo là m/s2
Mốc thế năng là vị trí ban đầu của vật trong trọng trường trước khi sinh công. Ví dụ như khi vật được ném lên không trung, lúc này, vị trí vật được ném lên chính là mốc thế năng.
Các trường hợp có thể xảy ra là:
- Wt > 0
- Wt = 0
- Wt < 0
- z > 0 khi vật ở trên mốc thế năng.
- z <0 khi vật ở dưới mốc thế năng.
Sự biến thiên hay sự thay đổi của thế năng và công của trọng lực phụ thuộc vào vị trí của vật ở các thời điểm khác nhau. Khi vật thể di chuyển từ vị trí M đến vị trí N trong trọng trường (tăng độ cao hoặc giảm độ cao), công của trọng lực sẽ bằng với hiệu thế năng giữa 2 vị trí và được tính theo công thức AMN = Wt(M) – Wt(N).
Thế năng đàn hồi là gì? Công thức tính thế năng đàn hồi
Khái niệm thế năng đàn hồi
Một vật bị biến dạng do lực tác động từ bên ngoài và sinh công. Khi đó, năng lượng sinh ra được gọi là thế năng đàn hồi.
Xét một lò xo có một đầu cố định, một đầu gắn vào một vật có trọng lượng m. Lò xo có độ cứng k và có chiều dài tự nhiên l. Khi bị kéo dãn một đoạn Δl, độ dài lò xo vào thời điểm đó là l = l + Δl.
Lúc đó, theo định luật Hooke, sẽ xuất hiện một lực đàn hồi có độ lớn là F = k.|Δl|. Lực này tác động vào lò xo nhằm đưa lò xo về trạng thái cân bằng. Công của lực đàn hồi này sẽ được tính theo công thức:
Công thức tính thế năng đàn hồi
Công thức tính thế năng đàn hồi khi lò xo bị biến dạng một đoạn Δl là:
Trong đó:
- Wt là thế năng đàn hồi, đơn vị đo là J (Jun)
- k là độ cứng của lò xo, đơn vị đo là N.m
- ∆l là độ biến dạng của lò xo, đơn vị đo là m
