Cơ năng là gì? Tất tần tật kiến thức cơ năng trong vật lý 8 từ A-Z

Cơ năng là gì?

Cơ năng là một khái niệm đơn giản được định nghĩa dựa trên hiểu biết về công cơ học. Bạn còn nhớ như thế nào được gọi là công cơ học không? Những trường hợp xuất hiện công cơ học là khi có lực tác dụng vào vật khiến vật di chuyển từ vị trí này sang vị trí kia. Tiếp đó, khi một vật có khả năng thực hiện công cơ học, chúng ta nói vật đó có cơ năng. 

Định nghĩa cơ năng như sau: Khi vật có khả năng sinh công, ta nói vật có cơ năng.         

Ta thấy bản chất của cơ năng chính là công cơ học, nên khả năng thực hiện công càng lớn thì cơ năng của vật cũng càng lớn. Đơn vị đo của cơ năng là Jun (J) (Lưu ý 1kJ = 1000J)      

Ví dụ về cơ năng: Cho hai vật là một quả bóng và một cuốn sách. Đặt cuốn sách thẳng đứng trên sàn nhà, ban đầu quả bóng vẫn nằm yên cách cuốn sách khoảng 50cm. Ta lấy tay đẩy quả bóng về phía cuốn sách làm cuốn sách đổ xuống. Điều đó cho thấy quả bóng đã thực hiện công tác động lên sách làm sách di chuyển. Nên quả bóng có cơ năng.         

Cơ năng của một vật chịu tác dụng của lực đàn hồi

Khi một vật chỉ chịu tác dụng của lực đàn hồi gây bởi sự biến dạng của một lò xo đàn hồi thì trong quá trình chuyển động của vật, cơ năng được tính bằng tổng động năng và thế năng đàn hồi của vật là một đại lượng bảo toàn. Hay công thức tính cơ năng của vật dao động là:

W = Wđ + Wt =  ½ mv² + ½ k(∆l)² = const.

Trong đó:

• Wđ: động năng
• Wt: thế năng
• m: khối lượng của vật
• v: vận tốc của vật
• k: hằng số đàn hồi
• ∆l: biến thiên vị trí của vật

Các loại cơ năng phổ biến

Cơ năng có hai dạng cần tìm hiểu là thế năng và động năng. Trong thế năng có hai dạng là thế năng trọng trường và thế năng đàn hồi. Mỗi loại cơ năng này đều phụ thuộc và những yếu tố khác nhau như độ cao, độ biến dạng, vận tốc…

1. Thế năng

Thế năng gồm hai loại là thế năng trọng trường và thế năng đàn hồi. 

Thế năng trọng trường  

• Trường hợp nào của vật được coi là có thế năng? 

Cùng xem xét ví dụ sau giúp ta hiểu được thế năng xuất hiện khi nào: Một vật bất kỳ đặt trên mặt đất chỉ chịu tác dụng của trọng lực thì nó đứng yên. Vật đó không sinh công nên cũng không có thế năng. Nhưng nếu ta nâng vật đó lên một độ cao nào đó thì vật đó có cơ năng không? Tại sao? 

Thử làm thí nghiệm bằng cách treo vật vào một sợi dây. Ta có thể chọn một vật là quả nặng, đầu dây còn lại buộc vào một tấm gỗ. Theo dõi thí nghiệm như trong hình. Nếu không giữ sợi dây mà buông tay ra thì quả nặng rơi xuống theo phương thẳng đứng, tấm gỗ bị di chuyển. Suy ra quả nặng đã thực hiện công hay nói cách khác quả nặng có cơ năng. 

Cơ năng trong trường hợp này được gọi là thế năng. 

• Thế năng trọng trường

Thế năng của vật càng lớn khi mà vật ở vị trí càng cao so với mặt đất. Hay nói cách khác thế năng của vật phụ thuộc vào độ cao của vật so với mặt đất. 

Định nghĩa thế năng trọng trường: Thế năng được xác định bởi độ cao của vật so với mặt đất gọi là thế năng trọng trường. Vật có khối lượng càng lớn và ở độ cao thì thế năng trọng trường càng lớn. 

Lưu ý: 

• Khi vật đang nằm yên trên đất thì có thế năng trọng trường bằng 0. 

• Thế năng trọng trường còn được gọi là thế năng hấp dẫn. 

• Thế năng trọng trường phụ thuộc vào MỐC tính độ cao. Ta có thể chọn mốc tính độ cao tùy ý. 

• Thế năng trọng trường còn phụ thuộc vào khối lượng của vật. (Vật có khối lượng càng lớn thì thế năng càng lớn). 

Thế năng đàn hồi 

Những trường hợp mà cơ năng của vật sinh ra phụ thuộc vào độ biến dạng của vật, thì được gọi là thế năng đàn hồi. Vậy thế năng đàn hồi phụ thuộc vào độ biến dạng của vật. 

Để nhận biết được một vật có thế năng đàn hồi hay không, ta sẽ xem vật đó bị biến dạng hay có tính đàn hồi hay không. 

Ví dụ về trường hợp lò xo có thế năng đàn hồi: Lò xo bị nén thì sinh ra cơ năng, dạng cơ năng phụ thuộc vào độ nén lò xo này được gọi là thế năng. Hay khi ta kéo dây cung, ta cũng đã cung cấp cho cây cung một thế năng đàn hồi.

Các bài viết không thể bỏ lỡ

Monkey Math - Ứng dụng học toán tiếng Anh chỉ với 2K/Ngày

Điện năng là gì? Tổng hợp thông tin cần biết về điện năng

Lý thuyết động cơ nhiệt | Khái niệm, phân loại, cấu tạo & hiệu suất

2. Động năng 

Khi nào thì vật có động năng? 

Để một vật có động năng thì nó phải có cơ năng trước tiên, thứ 2 vật đó sinh công là do chuyển động mà có.

Ví dụ: Một quả cầu đặt trên máng nghiêng giữ nó ở vị trí trên cao, bên dưới đặt một miếng gỗ dưới chân máng nghiêng. Ta thả tay cho quả cầu lăn từ trên cao xuống theo một đường thẳng, khi lăn xuống nó sẽ chạm vào miếng gỗ làm miếng gỗ dịch chuyển. Lúc này quả cầu di chuyển đã sinh công, hay có cơ năng. 

=> Cơ năng do chuyển động mà có được gọi là động năng. 

Động năng của vật phụ thuộc vào yếu tố nào?

Vật có khối lượng càng lớn và chuyển động càng nhanh thì cho động năng càng lớn. Vậy động năng phụ thuộc vào hai yếu tố: 

• Khối lượng của vật: Khi vận tốc không đổi, nếu khối lượng vật tăng thì động năng cũng tăng, tỷ lệ thuận với m. 

• Vận tốc của vật: Khi khối lượng vật không đổi, nếu vận tốc của vật tăng thì động năng cũng tăng (động năng tỷ lệ với bình phương vận tốc). 

Tóm tắt lại kiến thức chính như sau: 

Định luật bảo toàn cơ năng

Định luật bảo toàn cơ năng: Trong quá trình cơ học, động năng có thể chuyển hoá thành thế năng, ngược lại thế năng cũng có thể được chuyển hoá thành động năng. Hai dạng cơ năng này nói chung đều có thể chuyển hoá lẫn nhau nhưng cơ năng luôn luôn được bảo toàn. 

Lưu ý định luật bảo toàn cơ năng chỉ đúng và được áp dụng khi vật chỉ chịu tác dụng của lực đàn hồi và trọng lực. 

Giải thích sự chuyển hoá từ động năng sang thế năng và ngược lại qua thí nghiệm. Điều này giúp ta hiểu được tại sao nói động năng và thế năng có thể chuyển hoá lẫn nhau? 

Thí nghiệm với con lắc dao động: Kéo con lắc từ vị trí cân bằng B tới vị trí A sau đó thả tay ra. Chọn B là vị trí cân bằng làm mốc để tích độ cao. Quan sát thấy con lắc di chuyển từ A đến B rồi sang C (vị trí đối xứng với A). Ta thấy A và C ở vị trí độ cao lớn nhất, B ở độ cao nhỏ nhất. Vận tốc của con lắc đi từ A xuống B tăng dần, vận tốc của con lắc đi từ B lên C giảm. 

=> Con lắc đi từ A (vị trí cao nhất) tới B thì vận tốc tăng: Cho thấy sự chuyển hoá từ thế năng sang động năng. 

Con lắc đi từ B (vị trí thấp nhất) tới C thì vận tốc giảm: Cho thấy sự chuyển hoá từ động năng sang thế năng. 

Chú ý: Trong thí nghiệm trên ta đã bỏ qua ma sát, lúc này cơ năng của vật được bảo toàn.  

Bài tập cơ năng vật lý lớp 8

Câu 1: Trong các vật sau đây, vật nào không có thế năng?

A. Viên đạn đang bay.

B. Lò xo để tự nhiên ở một độ cao so với mặt đất.

C. Hòn bi đang lăn trên mặt đất nằm ngang.

D. Lò xo bị ép đặt ngay trên mặt đất.

Đáp án: C 

Câu 2: Một vật có khối lượng m được nâng lên độ cao h rồi thả rơi. Một vật có khối lượng m được nâng lên độ cao h rồi thả rơi. Lập công thức tính thế năng của vật ở độ cao h.

Đáp án:  Công mà vật thực hiện được cho đến khi chạm mặt đất là: A = P × h = 10m × h. 

Công thức tính thế năng của vật ở độ cao h: Wt = P × h = 10m × h

Câu 3: Mũi tên được bắn đi từ cái cung là nhờ năng lượng của mũi tên hay cánh cung? Đó là dạng năng lượng nào?

Đáp án: Mũi tên được bắn đi từ cái cung nhờ năng lượng của cánh cung. Đó là thế năng đàn hồi.

Câu 4: Muốn đồng hồ chạy, hàng ngày phải lên dây cót cho nó. Đồng hồ hoạt động suốt một ngày nhờ dạng năng lượng nào?

Đáp án: Muốn đồng hồ chạy, hàng ngày phải lên dây cót cho nó. Đồng hồ hoạt động suốt một ngày nhờ năng lượng của dây cót. Đó là thế năng. 

Câu 5: Búa đập vào đinh làm ngập sâu vào gỗ. Đinh ngập sâu vào gỗ là nhờ năng lượng nào? Đó là dạng năng lượng gì?

Đáp án: Búa đập vào đinh làm ngập sâu vào gỗ. Đinh ngập sâu vào gỗ là nhờ năng lượng của búa. Đó là động năng.

Bài viết trên đã giải thích toàn bộ lý thuyết về cơ năng cũng như đưa ra bài tập cho các em thực hành. Hy vọng rằng qua đây các em có thể lưu lại cho mình những phần kiến thức hữu ích với bản thân. Để nhận thêm nhiều bài học Vật lý hay, đừng quên theo dõi chuyên mục kiến thức cơ bản từ Monkey nhé !