Thế năng là gì? Tổng hợp các dạng thế năng và công thức tính (dễ hiểu nhất)

Trong chương trình Vật lý, thế năng là một trong những đại lượng quan trọng, được ứng dụng rộng rãi trong đời sống và luôn tồn tại xung quanh chúng ta. Tuy nhiên, không phải ai cũng có thể hiểu rõ được khái niệm và công thức xác định thế năng. Bài viết sau đây sẽ tổng hợp các kiến thức cần thiết liên quan đến thế năng, giúp các em nâng cao khả năng học tập và tìm hiểu của bản thân để áp dụng trong học tập cũng như đời sống hằng ngày.

Thế năng là gì? 

Thế năng là một đại lượng Vật Lý quan trọng, biểu hiện khả năng sản sinh ra công của một vật trong một số điều kiện nhất định. Hiểu đơn giản, thế năng chính là một dạng năng lượng tồn tại bên trong của vật thể. 

Các dạng thế năng phổ biến gồm có thế năng đàn hồi của lò xo kéo dãn, thế năng hấp dẫn của một vật được xác định dựa trên khối lượng của nó và khoảng cách tình từ vị trí của nó đến trọng tâm của một vật khác và thế năng của điện tích trong điện trường. 

Đơn vị của thế năng là Jun. Kí hiệu: J

Thế năng trọng trường là gì? 

Định nghĩa thế năng trọng trường 

Trọng trường tồn tại xung quanh Trái Đất. Trọng trường xảy ra khi xuất hiện một trong lực tác dụng lên một vật bất kỳ có khối lượng m tại một vị trí bất kỳ trong không gian tồn tại trọng trường.

Ta có biểu thức xác định trọng lực tác dụng lên một vật khối lượng m là: 

P = m.g (Với P và m là 2 đại lượng vectơ, g là gia tốc trọng trường hay còn được gọi là gia tốc tự do)

Thế năng trọng trường của một vật là dạng năng lượng tương tác giữa vật đó và Trái Đất. Thế năng trọng trường phụ thuộc vào độ cao tính từ vật đến mặt đất hoặc đến một vị trí bất kỳ được chọn làm mốc để tính độ cao.

Công thức tính thế năng trọng trường 

Nếu tính thế năng của một vật có khối lượng m, được đặt tại vị trí có độ cao z so với mặt đất (trong trọng trường của Trái Đất), thì công thức là:

Trong đó: 

• Wt là thế năng của vật. Đơn vị: J

• m là khối lượng của vật. Đơn vị: kg

• z là độ cao tính từ vật đến mặt đất. Đơn vị: m

• g là gia tốc trọng trường. Đơn vị: m/s2

Lưu ý: Thế năng trọng trường là một đại lượng vô hướng, vì vậy giá trị của nó có thể >0, =0, hoặc <0.

Liên hệ giữa biến thiên thế năng và công của trọng lực 

Khi một vật bất kỳ chuyển động trong trọng trường từ vị trí M đến vị trí N thì khi đó, công của trọng lực của vật được xác định bằng hiệu thế năng trọng trường tại M và N.

Hệ thức: W(MN) = Wt (M) – Wt (N)      

Lưu ý: Trong quá trình chuyển động của một vật trong trọng trường:

• Khi tốc độ chuyển động của vật giảm đi, đồng thời thế năng của vật giảm thì trọng lực sinh công dương (+)

• Khi vật có vị trí càng cao, thế năng của vật tăng thì trọng lực sinh công âm (-).

Thế năng đàn hồi là gì? 

Công của lực đàn hồi 

Một vật có thể sinh công khi nó bị biến dạng. Lúc đó, vật xuất hiện một dạng năng lượng được gọi là thế năng đàn hồi.

Xét một lò xo bất kỳ có chiều dài l0, độ cứng k, một đầu lò xo được gắn vào một vật có khối lượng m, đầu còn lại được gắn cố định. Làm biến dạng lò xo, khi đó độ dài của lò xo là l = l0 +Δl 

Theo định luật Húc, ta xác định được lực đàn hồi tác dụng vào vật là:

Nếu ta chọn chiều dương (+) là chiều tăng của chiều dài lò xo thì độ lớn của công bằng:

F = -k.l (F là đại lượng vectơ)

Hệ thức dùng để xác định công của lực đàn hồi đưa vật trở về vị trí ban đầu (vị trí lò xo không bị biến dạng) là:

Định nghĩa thế năng đàn hồi 

Dạng năng lượng được sinh ra do một vật bị tác dụng bởi lực đàn hồi được gọi là thế năng đàn hồi. 

Công thức tính thế năng đàn hồi 

Công thức xác định thế năng đàn hồi của một lò xo ở trạng thái bị biến dạng với độ dài Δl là:

Trong đó: 

• Wđh là thế năng đàn hồi. Đơn vị: J

• k là độ cứng của lò xo. Đơn vị: N.m

• Δl là độ biến dạng của lò xo. Đơn vị: m

Thế năng tĩnh điện là gì? 

Thế năng tĩnh điện là một trong những năng lượng được bảo toàn dưới dạng tĩnh điện. 

Thế năng tĩnh điện được xác định dựa vào công thức sau đây:

Trong đó:

• q là điện thế. Đơn vị: C

• V là điện tích của vật đang xét. Đơn vị: V

Lưu ý: Để có thể tính được giá trị của q và V thì các em cần phải áp dụng công thức sau đây:

Trong đó: 

• F là độ lớn lực điện. Đơn vị: N

• E là cường độ điện trường. Đơn vị: V/m, N/C

• q là độ lớn của điện tích thử. Đơn vị: C

Xem thêm: Kiến thức từ A-Z về Momen Lực không thể bỏ lỡ

Một số bài tập thế năng vật lý 10 (có đáp án) 

Dưới đây là một số bài tập Thế năng (Vật lý 10) giúp các em củng cố lý thuyết đã được học bên trên.

Bài 1: Một vật khối lượng 1,0 kg có thế năng 1,0 J đối với mặt đất. Lấy g = 9,8 m/s^2. Khi đó , vật ở độ cao bằng bao nhiêu?

Hướng dẫn giải:

Áp dụng công thức tính thế năng trọng trường, ta được: Wt = m.g.z

-> z=Wt/m.g=1/1.9,8=0,102 (m)

Bài 2: Trong hình dưới đây, hai vật cùng khối lượng nằm ở hai vị trí M và N sao cho MN nằm ngang. So sánh thế năng tại M và tại N.

Hướng dẫn giải:

Vì MN nằm ngang nên nếu chọn cùng 1 mốc thế năng (ví dụ tại O) thì thế năng của vật tại M và tại N là như nhau.

Bài 3: Lò xo có độ cứng k = 200 N/m, một đầu cố định, đầu kia gắn với vật nhỏ. Khi lò xo bị nén 2 cm thì thế năng đàn hồi của hệ bằng bao nhiêu? Thế năng này có phụ thuộc khối lượng của vật không?

Hướng dẫn giải:

Thế năng đàn hồi của vật là: 

Thế năng này không phụ thuộc vào khối lượng của vật.

Bài 4: Hai vật có khối lượng là m và 2m đặt ở hai độ cao lần lượt là 2h và h. Tỉ số giữa thế năng trọng trường của vật thứ nhất so với vật thứ hai là?

Hướng dẫn giải:

Thế năng của vật 1 có giá trị là: Wt1 = m.g.2.h = 2mgh

Thế năng của vật 2 có giá trị là: Wt2 = m.g.2.h = 2mgh

Tỉ số giữa thế năng trọng trường của vật thứ nhất so với vật thứ hai là:

Wt1/Wt2=2mgh/2mgh=1

Bài 5: Một lò xo nằm ngang có độ cứng là k = 250 N/m. Kéo dãn lò xo ra khoảng 2cm. Lúc này, thế năng đàn hồi sẽ có giá trị bằng bao nhiêu? Công của lực đàn hồi được tính cho lức này sẽ là bao nhiêu?.

Hướng dẫn giải:

Bài 6: Một vật có khối lượng 3 kg được đặt ở vị trí trong trọng trường và có thế năng tại vị trí đó là Wt1 = 600 J. Thả vật rơi tự do đến mặt đất có thế năng Wt2 = -900 J.

a. Hỏi vật đã rơi từ độ cao nào so với mặt đất.

b. Xác định vị trí ứng với mức không của thế năng đã chọn.

c. Tìm vận tốc của vật khi vật qua vị trí này.

Hướng dẫn giải:

a. Độ cao so với vị trí chọn mốc thế năng là:

z1 = Wt1/mg = 20 (m)

Vị trí của mặt đất so với vị trí chọn mốc thế năng:

z2 = Wt2/mg = -30 (m)

Độ cao từ đso vật rơi so với mặt đất là:

z = z1+lz2l = 50 (m)

b. Vị trí ứng với mức không của thế năng được chọn cách vị trí thả vật (ở phía dưới vị trí thả vật) 20m và cách mặt đất (ở phía trên mặt đất) 30m

c. Vận tốc của vật khi đi qua vị trí được chọn làm gốc thế năng là:

Lời kết:

Trên đây là toàn bộ kiến thức liên quan đến bài học Thế năng (Vật lý 10). Hy vọng với các kiến thức mà Monkey đã cung cấp, các em có thể hiểu rõ hơn về định nghĩa và công thức xác định thế năng để áp dụng thật tốt vào bài làm cũng như ứng dụng được trong đời sống thực tế.