Sự chuyển hóa và bảo toàn cơ năng

A. Tóm tắt lý thuyết

1. Sự chuyển hoá các dạng cơ năng:

1.1. Thí nghiệm 1: Quả bóng rơi.

Quan sát quả bóng rơi để thấy được sự thay đổi của độ cao và vận tốc .

Nhận xét:
- Khi quả bóng rơi, thế năng chuyển hoá thành động năng.
- Khi quả bóng nảy lên, động năng chuyển hoá thành thế năng.

Kết luận:
- Trong thời gian quả bóng rơi, độ cao của quả bóng giảm dần, vận tốc của quả bóng tăng dần. Thế năng của quả bóng giảm dần, còn động năng của nó tăng dần.
- Trong thời gian nảy lên, độ cao của quả bóng tăng dần, vận tốc của nó giảm dần. Như vậy thế năng của quả bóng tăng dần, động năng của nó giảm dần.

1.2.Thí nghiệm 2: Con lắc dao động

Quan sát chuyển động của con lắc:

Kết luận:
- Trong chuyển động của con lắc đã có sự chuyển hóa liên tục các dạng cơ năng: Thế năng chuyển hoá thành động năng và động năng chuyển hoá thành thế năng.
- Khi con lắc ở vị trí thấp nhất (vị trí cân bằng), thế năng đã chuyển hoá hoàn toàn thành động năng; khi con lắc ở vị trí cao nhất, động năng đã chuyển hoá hoàn toàn thành thế năng.

2. Định luật bảo toàn cơ năng

Trong quá trình cơ học, động năng và thế năng có thể chuyển hoá lẫn nhau, nhưng cơ năng thì không đổi. Người ta nói cơ năng được bảo toàn.

3. Bài tập minh họa

Bài 1: Hãy chỉ ra sự chuyển hóa từ dạng cơ năng này sang dạng cơ năng khác trong các trường hợp sau đây:

a. Mũi tên được bắn đi từ chiếc cung.

b. Nước từ trên đập cao chảy xuống.

c. Ném một vật lên cao theo phương thẳng đứng.

Hướng dẫn giải:

Câu a: Thế năng của cánh cung chuyên hóa thành động năng của mũi tên.

Câu b: Thế năng chuyển hóa thành động năng

Câu c: Khi vật đi lên, động năng chuyển hóa thành thê năng. Khi vật rơi xuống thì thế năng chuyên hóa thành động năng.

Bài 2: Hãy chọn đáp án đúng cho hai phát biểu sau:

Phát biểu 1: Trong quá trình cơ học, động năng và thế năng có thể chuyển hoá lẫn nhau, nhưng cơ năng được bảo toàn.

Phát biểu 2: Nếu khi một vật chuyển động, ở vị trí nào vật có động năng lớn nhất thì ở vị trí đó thế năng của nó sẽ nhỏ nhất.

A. Phát biểu 1 đúng, phát biểu 2 sai.

B. Phát biểu 2 đúng, phát biểu 1 sai.

C. Phát biểu 1 và 2 đều sai.

D. Phát biểu 1 và 2 đều đúng.

Hướng dẫn giải

Chọn đáp án D: Phát biểu 1 và 2 đều đúng.

B. Giải bài tập trong sách giáo khoa

Giải bài tập 1 trang 59 SGK vật lý lớp 8: Hình vẽ bên ghi lại vị trí của quả bóng đang rơi sau những khoảng thời gian bằng nhau. Độ cao và vận tốc của quả bóng thay đổi thế nào trong thời gian quả bóng rơi? Tìm từ thích hợp cho các chỗ trông của câu trả lời sau: Trong thời gian quả bóng rơi, độ cao của quả bóng (1)............ dần, vận tốc của quả bóng (2).............. dần.

Hướng dẫn giải

Trong thời gian quả bóng rơi, độ cao của quả bóng giảm dần, vận tốc của quả bóng tăng dần.

Giải bài tập 2 trang 59 SGK vật lý lớp 8: Trong thí nghiệm của câu hỏi 1. Thế năng và động năng của quả bóng thay đối như thế nào? Tìm từ thích hợp cho các chỗ trống của câu trả lời sau:

Thế năng của quả bóng ....(1).... dần, còn động năng của nó ....(2)....

Hướng dẫn giải

Thế năng của quả bóng giảm dần, còn động năng của nó tăng dần.

Giải bài tập 3 trang 59 SGK vật lý lớp 8: Quan sát thí nghiệm (câu 1). Khi quả bóng chạm mặt đất, nó nảy lên. Trong thời gian nảy lên. Độ cao và vận tốc của quả bóng thay đổi thế nào? Thế năng và động năng của nó thay đổi thế nào? Tìm từ thích hợp cho các chỗ trống của câu trả lời sau:

Trong thời gian nảy lên, độ cao của quả bóng ......(1)........ dần. Vận tốc của nó ...........(2)....... dần, như vậy thế năng của quả bóng ...........(3)............ dần, động năng của nó ............(4)......... dần.

Hướng dẫn giải

Trong thời gian nảy lên, độ cao của quả bóng tăng dần. Vận tốc của nó giảm dần, như vậy thế năng của quả bóng tăng dần, động năng của nó giảm dần.

Giải bài tập 4 trang 59 SGK vật lý lớp 8: Trong hình vẽ (câu 1). ơ những vị trí nào (A hay B) quả bóng có thế năng, động nang lớn nhất? Tim từ thích hợp cho các chỗ trống của các câu trả lời sau:

Quả bóng có thế năng lớn nhất khi ở vị trí ......(3)......... , và động năng nhỏ nhất khi ở vị trí .........(4) ........

Hướng dẫn giải

Quả bóng có động năng lớn nhất khi ở vị trí A, và có thê năng nhất khi ở vị trí B. Quả bóng có động năng lớn nhất khi ở vị trí B, và động năng nhỏ nhất khi ở vị trí A.

Giải bài tập 5 trang 60 SGK vật lý lớp 8: Kéo con lắc lệch khỏi vị trí cân bằng tới vị trí A rồi thả tay ra. Quan sát chuyển động của con lắc. Con lắc có độ cao lớn nhất ở A và c, thấp nhất ở vị trí cân bằng B. Ta thấy vị trí cân bằng B làm mốc để tính các độ cao như hình bên. Vận tốc của con lắc tăng hay giảm khi:

a) Con lắc đi từ A về B?

b) Con lắc đi từ B lên

Hướng dẫn giải

a) Con lắc đi từ A về B: tăng.

b) Con lắc đi từ B lên C: giảm.

Giải bài tập 6 trang 60 SGK vật lý lớp 8: Trên hình vẽ (câu 5). Có sự chuyển hóa từ dạng cơ năng nào sang dạng cơ năng nào khi:

a) Con lắc đi từ A về B?

b) Con lắc đi từ B lên c?

Hướng dẫn giải

a) Con lắc đi từ A về B: Thế năng chuyển hỏa thành động nâng.

b) Con lắc đi từ B lên C: Động nàng chuyển hóa thành thế năng.

Giải bài tập 7 trang 60 SGK vật lý lớp 8: ở những vị trí nào con lắc có thế năng lớn nhất, có động năng lớn nhất?

Hướng dẫn giải

- Ở vị trí A và C: thế nàng lớn nhất.

- ở vị trí B: động năng lớn nhất.

Giải bài tập 8 trang 60 SGK vật lý lớp 8: ở những vị trí nào con lắc có động nàng nhỏ nhất, có thế năng nhỏ nhất? Các giá trị nhỏ nhất này bằng bao nhiêu?

Hướng dẫn giải

- Ớ vị trí A và C: động năng nhỏ nhất.

- Ở vị trí B: thế nảng nhỏ nhất. Các giá trị nhỏ nhất đều bằng 0

Giải bài tập 5 trang 61 SGK vật lý lớp 8: Hãy chỉ ra sự chuyển hóa từ dạng cơ năng này sang dạng cơ năng khác trong các trường hợp sau:

a) Mũi tên được bắn đi từ chiếc cung.

b) Nước từ trên đập cao chảy xuống.

c) Ném một vật lên cao theo phương thẳng đứng.

Hướng dẫn giải

a) Mũi tên được bắn đi từ chiếc cung: Thế năng của cánh cung chuyển hóa thành động năng của mũi tên.

b) Nước từ trên đập cao chảy xuống: Thế năng chuyển hóa thành động năng.

c) Ném một vật lên cao theo phương chuyển hóa thành thế năng.

C. GIẢI BÀI TẬP

B1. Thả viên bi lăn trên một cái máng có hình vòng cung (hình bên). a) Ở vị trí nào viên bi có động năng lớn nhất?

A. Vị trí C.

B. Vị trí A.

C. Vị trí B.

D. Ngoài ba vị trí trên.

b) Ở vị trí nào viên bi có thế năng nhỏ nhất?

A. Vị trí B. B. Vị trí

C. B. Vị trí A. D. Ngoài ba vị trí trên.

Hướng dẫn giải

Phần 1 Chọn câu C: Vị trí B.

Phần 2 Chọn câu A: Vị trí B

B2. Hai vật đang rơi có khối lượng như nhau. Hỏi thế năng và động năng của chúng ở Hướng dẫn giải

Hai vật có khôi lượng như nhau thì thế năng và động năng của chúng giông nhau hay khác nhau tùy thuộc vào độ cao và vận tốc. Ớ cùng độ cao thì thế năng của hai vật là như nhau còn động năng tùy thuộc vào vận tốc của chúng ở độ cao ấy. Do vậy chưa thể kết luận về động năng vì chưa biết hai vật có cùng vận tóc hay không.

B3. Từ một độ cao h, người ta ném một viên bi lên theo phương thẳng đứng với vận tốc ban đầu là v₀ Hãy mô tả chuyển động của viên bi và trình bày sự chuyến hóa qua lại giữa động năng và thế năng của viên bi trong quá trình chuyển động cho đến khi viên bi rơi xuống mặt đất.

Hướng dẫn giải

Lúc vừa được ném lên, ở độ cao h, viên bi vừa có thế năng, vừa có động năng. Khi lên cao, động năng của viên bi giảm, thế năng tăng dần. Khi viên bi đạt đến độ cao cực đại (h + h’) thì vận tốc của nó bằng 0, động năng viên bi bằng 0, thế năng cực đại.

Toàn bộ động năng lúc ném của viên bi chuyển hóa thành phần tăng của thê năng so với lúc ném. Sau đó viên bi rơi xuống, thế năng giảm, động năng tăng. Đến khi viên bi vừa chạm đất thì động năng viên bi cực đại, thế năng bằng 0, toàn bộ thế năng của viên bi lúc vừa ném lên chuyển hóa thành phần tăng của động năng so với lúc ném.

Trong quá trình chuyển động của viên bi ở vị trí bất kì, tổng động năng và thế năng không thay đổi.

B4. Có hệ cơ học như hình bên. Bỏ qua ma sát và khôi lượng cùa lò xo. Lúc đầu hệ cân bằng. Nén lò xo lại một đoạn 1, xong thả ra. Hãy mô tả chuyến động của vật m và trình bày sự chuyển hóa qua lại giữa động năng và thế năng của lò xo.

Hướng dẫn giải

Gọi vị trí lúc đầu của m là vị trí cân bằng (hình dưới)

Nén lò xo lại một đoạn a, năng lượng hệ dự trừ dưới dạng thế năng. Khi vừa thả ra, cơ năng của hệ chỉ có thế năng, còn động năng bằng 0. Sau đó vật chuyển động nhanh dần về phía vị trí cân bằng. Trong giai đoạn này, lò xo bớt biến dạng, thế năng giảm, động năng tăng.

Khi vật đến vị trí cân bằng, thế năng bằng 0, động năng cực đại. Toàn bộ thế năng chuyển hóa thành động năng.

Sau đó vật tiếp tục chuyến động theo chiều cũ làm lo xo bị biến dạng nên thế năng tăng, động năng giảm, vật chuyển động chậm dần.

Đến khi vật dừng lại, động năng bằng 0, toàn bộ động năng chuyển thành thế năng.

Do cơ năng được bảo toàn, lúc này lò xo giãn ra một đoạn là a so với vị trí cân bằng của m. Dao động này được tiếp diễn liên tục theo hai chiều ngược nhau.

Như vậy, vật m chuyển động qua lại quanh vị trí cân băng trên một đoạn thẳng có chiều dài 2a (với vị trí cân bằng là trung điểm). Trong quá trình chuyển động, có sự chuyển hóa qua lại giữa động năng và thế năng nhưng cơ năng được bảo toàn.

B5. Người ta dùng vật B kéo một vật A (có khối lượng mA = lOkg) chuyển động đều đi lên mặt phăng nghiêng như hình bên. Biết CD = 4cm, DE = lcm. Nếu bỏ qua ma sát thì vật B phải có khối lượng bao nhiêu?

A. mB = 40kg B. mB = 10kg

C. mB = 2,5kg D. mB = 5kg

Hướng dẫn giải

Chọn câu C. mB = 2,5kg.

B6*. Người ta dùng một máy bơm để bơm 20cm3 nước lên độ cao 5m. Tính công của máv bơm, biết hiệu suất của máy bơm là 80% và khối lượng riêng của nước là lkg/dm3. Hướng dẫn giải

Trọng lượng của 20m3 nước là:

P = 10N/dm3.20.103dm3 = 2.105N

Công thực hiện nâng 20m3 nước lên độ cao 5m là:

A1 = 2.105N.5m = 106J

Hiệu suất của máy bơm là 80%, nghĩa là H = 80%.

Vậy công của máy bơm là: H = A1/A ⇒ A = A1/H = 106J/0,8 = 1.250.000 J