Vật lí 10 Bài 26: Cơ năng và định luật bảo toàn cơ năng
Mục tiêu và kiến thức nền
Nhận biết điều kiện bảo toàn cơ năng; giải chuyển động bằng chuyển hóa động năng và thế năng.
Chuẩn bị: đọc đơn vị, đổi đơn vị SI và tính toán với số, vectơ đơn giản.
Hai dạng cơ năng đổi qua lại
Trong bài chỉ có trọng lực và các lực không sinh công, cơ năng W = Wđ + Wt không đổi. Khi vật rơi, thế năng giảm và động năng tăng. Vật ở điểm cao nhất của chuyển động ném thẳng đứng có v = 0 tức thời nhưng vẫn có gia tốc g hướng xuống.
Dùng bảo toàn đúng điều kiện
Chọn một mốc thế năng chung cho đầu và cuối, viết cơ năng tại hai vị trí rồi cho bằng nhau nếu điều kiện thỏa. Lực đỡ vuông góc chuyển dời không làm công. Nếu có ma sát hoặc lực cản đáng kể thì cơ năng thường giảm; phải thêm công của lực không bảo toàn, không đặt hai cơ năng bằng nhau.
Từ mô hình đến kiểm tra kết quả
Kết quả tốc độ từ bảo toàn năng lượng không tự cho hướng. Sau khi tính tốc độ, suy hướng từ chuyển động. Với vật trượt trên đường cong nhẵn, độ cao quyết định độ biến thiên động năng trong mô hình, nhưng vẫn cần bảo đảm vật còn tiếp xúc với đường nếu bài có yêu cầu đó.
Công thức và điều kiện áp dụng
Ví dụ có lời giải
Ví dụ 1. Rơi không cản
Thả vật từ độ cao 5 m, g = 10 m/s². Chọn mốc đất: mgh = mv²/2 nên v = √(2gh) = 10 m/s trước chạm đất. Khối lượng được khử.
Ví dụ 2. Có ma sát
Vật 2 kg có tốc độ đầu 5 m/s trên sàn ngang; ma sát thực hiện công −9 J. Wđ đầu = 25 J, cuối = 16 J nên v = √(2×16/2) = 4 m/s. Cơ năng giảm 9 J, không bảo toàn.
Lỗi thường gặp
- Không bảo toàn cơ năng khi có công ma sát mà không tính đến.
- Dùng cùng mốc thế năng ở hai vị trí.
- Đỉnh quỹ đạo ném thẳng đứng: v = 0 nhưng a ≠ 0.
Tự kiểm tra và vận dụng
Thử trả lời trước khi mở lời giải. Để nhập đáp án, làm từng ý đúng/sai và luyện cả chủ đề, chọn bộ luyện ở cuối bài.
Câu 1. Khi chỉ trọng lực sinh công, đại lượng bảo toàn là
Xem đáp án và lời giải
Đáp án C. Động năng và thế năng có thể đổi nhưng tổng cơ năng không đổi.
Câu 2. Thả vật từ h = 20 m, g = 10 m/s², bỏ cản. Tốc độ sát đất bao nhiêu m/s?
Xem đáp án và lời giải
Đáp án: 20. v = √(2gh) = √400 = 20 m/s.
Câu 3. Ném thẳng đứng lên, bỏ cản. Ở điểm cao nhất:
- Vận tốc bằng 0 tức thời.
- Gia tốc bằng 0.
- Động năng bằng 0.
- Cơ năng bằng lúc ném.
Xem đáp án và lời giải
a) Đúng. b) Sai: vẫn có g hướng xuống. c) Đúng vì v = 0. d) Đúng do chỉ trọng lực sinh công.
Câu 4. Ném thẳng đứng lên từ đất với 10 m/s, g = 10 m/s². Tính độ cao cực đại.
Xem đáp án và lời giải
Ở đỉnh v = 0. mv₀²/2 = mgh nên h = 100/20 = 5 m. Chọn mốc đất, bỏ cản.
Câu 5. Vật 1 kg có cơ năng đầu 50 J, ma sát sinh công −12 J. Cơ năng cuối là bao nhiêu?
Xem đáp án và lời giải
W₂ − W₁ = A_ms nên W₂ = 50 − 12 = 38 J. Năng lượng 12 J chuyển sang các dạng khác, chủ yếu nhiệt.
Câu 6. Vật trượt từ nghỉ xuống dốc nhẵn, giảm độ cao 1,8 m, g = 10 m/s². Tính tốc độ cuối.
Xem đáp án và lời giải
Trọng lực sinh công, phản lực vuông góc chuyển động. mgh = mv²/2 cho v = √36 = 6 m/s. Kết quả không phụ thuộc độ dài dốc trong mô hình này.
Sơ đồ ghi nhớ
- Chọn hai vị trí
- Chọn mốc thế năng
- Xét công lực khác
- Bảo toàn hoặc thêm công
Học tiếp và luyện tập
Biên soạn: Gia Sư SV.