📖 Bài 3: Cơ năng - lớp 9

1. Tóm tắt lý thuyết

A. Cơ năng

• Định nghĩa: Cơ năng của một vật là tổng động năng ($W_d$) và thế năng ($W_t$) của vật đó.
• Công thức tính: $W_c = W_d + W_t = \frac{1}{2}mv^2 + Ph$.
  • Trong đó: $m$ là khối lượng, $v$ là tốc độ, $P$ là trọng lượng và $h$ là độ cao của vật.
• Đơn vị: Cơ năng có đơn vị là jun (J).

B. Sự chuyển hoá năng lượng

• Sự chuyển hoá giữa động năng và thế năng: Trong quá trình chuyển động của vật, động năng và thế năng có thể chuyển hoá qua lại lẫn nhau,. Ví dụ, trong trò chơi tung hứng bóng, khi quả bóng bay lên, thế năng tăng dần còn động năng giảm dần; ngược lại, khi rơi xuống, thế năng giảm dần và động năng tăng dần.
• Sự bảo toàn cơ năng: Nếu cơ năng của vật không bị chuyển hoá thành dạng năng lượng khác thì tổng động năng và thế năng của vật luôn không đổi, tức là cơ năng của vật được bảo toàn.
• Cơ năng không bảo toàn: Trong nhiều trường hợp thực tế (có ma sát, lực cản của không khí hoặc môi trường), một phần cơ năng có thể chuyển hoá thành các dạng năng lượng khác (như nhiệt năng), khi đó cơ năng không được bảo toàn,.

2. Mô tả các hình minh hoạ

• Hình 3.1 - Người tung hứng bóng: Khi người chơi tung quả bóng lên cao, quả bóng dần chậm lại (động năng giảm) và lên cao hơn (thế năng tăng). Lúc rơi xuống, tốc độ bóng tăng nhanh (động năng tăng) và độ cao giảm dần (thế năng giảm).

• Hình 3.2 - Thí nghiệm con lắc đơn: Một vật nặng được treo vào sợi dây. Khi kéo lệch vật đến vị trí A (độ cao $h$) rồi thả, vật sẽ dao động qua lại vị trí thấp nhất O để đến vị trí B. Sau một thời gian dao động, độ cao của vật giảm dần vì cơ năng đã chuyển hoá một phần thành nhiệt năng do lực cản không khí.

• Hình 3.4 - Xe thế năng: Gồm một xe có trục cuốn chỉ nối với một quả nặng vắt qua ròng rọc. Khi thả để quả nặng chuyển động từ trên xuống, quả nặng mất dần thế năng, kéo theo trục xe quay và xe chạy tới trước. Điều này minh hoạ việc thế năng của quả nặng đã chuyển hoá thành động năng của xe.

3. Em đã học

Theo chuẩn kiến thức của bài học, bạn đã nắm được các điểm cốt lõi sau:

• Động năng và thế năng có thể chuyển hoá qua lại lẫn nhau.
• Cơ năng của một vật là tổng động năng và thế năng: $$W_c = W_d + W_t = \frac{1}{2}mv^2 + Ph$$
• Đơn vị của cơ năng là jun (J).

4. Em có thể

Bạn có thể vận dụng kiến thức Bài 3 vào thực tế cuộc sống, cụ thể:

Giải thích được vì sao để nhảy được xa, người ta cần chạy lấy đà đủ nhanh và bật cao tại vị trí giậm nhảy: Chạy lấy đà thật nhanh giúp cơ thể người nhảy có một động năng lớn ban đầu. Khi giậm nhảy lên cao, một phần động năng sẽ chuyển hoá thành thế năng giúp người đó đạt được độ cao và quãng đường lướt đi trong không trung xa hơn trước khi rơi xuống.

Để giúp em hiểu sâu hơn về kiến thức Bài 3: Cơ năng (cũng như sự liên hệ với Bài 2: Động năng, thế năng), dưới đây là các ví dụ thực tế đa dạng trong đời sống minh hoạ cho sự tồn tại và chuyển hoá của cơ năng:

1. Hoạt động của búa máy đóng cọc (trong xây dựng)

• Mô tả: Đầu búa của máy đóng cọc được động cơ kéo lên đến một độ cao nhất định so với đầu cọc. Ở vị trí này, đầu búa đang tích trữ một thế năng rất lớn.
• Sự chuyển hoá cơ năng: Khi thả cho đầu búa rơi xuống, độ cao của nó giảm dần khiến thế năng giảm, đồng thời tốc độ rơi tăng nhanh khiến động năng tăng lên. Đây là quá trình thế năng chuyển hoá thành động năng. Khi đập vào đầu cọc, động năng khổng lồ của búa sẽ sinh công làm cọc cắm sâu xuống đất.

2. Nguyên lý sản xuất điện của nhà máy thuỷ điện

• Mô tả: Để khai thác năng lượng của nước, người ta xây dựng các đập nước cao ngăn dòng chảy để tạo thành các hồ chứa lớn. Ở trên đập cao, nước được tích trữ năng lượng dưới dạng thế năng trọng trường.
• Sự chuyển hoá cơ năng: Khi nước được xả từ trên đập xuống qua các đường ống, độ cao giảm dần nên thế năng biến đổi thành động năng của dòng nước chảy xiết. Động năng khổng lồ này đập vào làm quay tuabin của máy phát điện, từ đó tạo ra điện năng.

3. Trò chơi xích đu của trẻ em

• Mô tả: Trò chơi xích đu là ví dụ điển hình nhất của sự bảo toàn và chuyển hoá cơ năng liên tục. Khi người chơi ở vị trí cao nhất (hai bên mép của quỹ đạo), xích đu dừng lại trong tích tắc, lúc này thế năng lớn nhất và động năng bằng không.
• Sự chuyển hoá cơ năng: Khi đu từ vị trí cao nhất xuống vị trí thấp nhất (ở giữa), độ cao giảm làm thế năng giảm, tốc độ đu tăng làm động năng tăng (thế năng chuyển hoá thành động năng). Ngược lại, khi xích đu vút từ dưới lên cao, tốc độ chậm dần (động năng giảm) để biến thành thế năng.

4. Bắn cung (Sự chuyển hoá của Thế năng đàn hồi)

• Mô tả: Cơ năng không chỉ phụ thuộc vào độ cao mà còn ở độ biến dạng của vật. Khi một cung thủ kéo căng dây cung, cánh cung bị uốn cong sẽ tích trữ một dạng năng lượng gọi là thế năng đàn hồi.
• Sự chuyển hoá cơ năng: Ngay khi cung thủ buông tay, cánh cung và dây cung bật mạnh về trạng thái ban đầu. Toàn bộ thế năng đàn hồi đã được chuyển hoá ngay lập tức thành động năng truyền cho mũi tên, giúp mũi tên bay vút đi với tốc độ rất cao.

5. Tận dụng động năng của gió và dòng nước

• Gió: Các phần tử không khí chuyển động tạo thành gió mang theo động năng. Con người đã tận dụng động năng này để thổi căng cánh buồm đẩy thuyền di chuyển trên mặt nước, hoặc làm quay tuabin của các trụ điện gió để phát điện.
• Nước: Tương tự, dòng nước chảy ở các con suối mang động năng lớn. Đồng bào vùng cao thường tận dụng dòng chảy này để làm quay các cọn nước phục vụ tưới tiêu.