Thế năng là gì? Thế năng đàn hồi là gì? Thế năng trọng trường? Thế năng tĩnh điện? Cách định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng áp dụng lên thế năng là gì? Bài tập vận dụng?
Thế năng là một phần quan trọng trong chương trình Vật lý. Tuy nhiên rất nhiều bạn học sinh đang gặp khó khăn không nhỏ trong phần này. Hôm nay hãy cũng cùng chúng tôi tìm hiểu về nội dung này trong bài viết dưới đây.
1. Thế năng là gì?
Thế năng là một đại lượng trong vật lý. Thế năng thể hiện khả năng sinh công của một vật và nó tồn tại dưới dạng năng lượng.
Trong vật lý, tên tiếng Anh là potential energy, có thể hiểu theo nghĩa đen: thế năng dạng năng lượng mà một vật có được do vị trí của nó không đối với các vật khác, các thế năng phát sinh do nén bên trong, điện tích hoặc do các yếu tố khác.
Ba dạng thế năng phổ biến bao gồm:
Thứ nhất, Thế năng hấp dẫn một vật phụ thuộc khối lượng với khoảng cách của vật khác;
Thứ hai, Thế năng đàn hồi của lò xo;
Thứ ba, Thế năng của một điện tích trong điện trường.
3 dạng thế năng này đều sử dụng đơn vị đo năng lượng – Hệ thống đo lường quốc tế (SI): Jun, có ký hiệu là J.
2. Thế năng đàn hồi là gì?
Khi một vật thể biến dạng do tác động nào đó, nó có khả năng sinh công. Đây là năng lượng được gọi chung là thế năng đàn hồi. Để tính được thế năng đàn hồi trước hết phải tính được công của lực đàn hồi.
Xét một lò xo chiều I0 có độ cứng đàn hồi đo bằng k. Gồm một đầu cố định và một đầu gắn vào vật, kéo một đoạn cố định có chiều dài ΔI. Khi đó lực đàn hồi xuất hiện trực tiếp vào lò xo tác dụng lên vật. Chiều dài của lò xo sau khi kéo được tính là I = I0 + ΔI, lực đàn hồi tác dụng vào vật tuân theo định luật là:
Nếu chiều dương là chiều tăng của lò của chiều dài lò xo thì lực sẽ là:
Công thức tính lực đàn hồi giúp đưa vật trở về vị trí của lò xo không biến dạng là:
Sau khi tính toán được lực đàn hồi, ta có thể áp dụng công thức sau để tính thế năng lực đàn hồi của lò xo.
3. Thế năng trọng trường:
Cơ năng của vật sẽ phụ thuộc vào độ cao của vật so với mặt đất hoặc vị trí khác được chọn làm mốc để tính độ cao được gọi là thế năng trọng trường và cũng có thể gọi là thế năng trọng trường. Ví dụ viên đạn đang bay hay quả mít đang đậu trên cây v.v.
Nói một cách đơn giản, thế năng hấp dẫn là năng lượng tương tác giữa Trái đất và vật thể; phụ thuộc vào vị trí của vật trong trọng trường. Nếu ta chọn thế năng của một vật đặt trên mặt đất có khối lượng m. Độ cao của vị trí tương ứng so với trọng trường của trái đất là z. Khi đó công thức tính thế năng hấp dẫn sẽ là:
Wt= m.g.z.
Trong đó:
Wt: Thế năng của vật tại vị trí z, đơn vị đo là Jun (J)
m: Là khối lượng của vật (kg)
z: Là độ cao của vật so với mặt đất
Đặc điểm nổi bật của thế năng trọng trường đó chính là đại lượng vô hướng, có thể rơi vào khoảng từ >0=0 hoặc <0. Sự biến thiên thế năng và công của trọng lực chính là khi một vật bắt đầu di chuyển từ vị trí A cho đến B. Công của trọng lực của vật sẽ được tính bằng hiệu điện thế năng của trọng lực tại 2 vị trí. Công thức: AAB = Wt (ở A) – Wt (ở B).
4. Thế năng tĩnh điện:
Tiềm năng tĩnh điện là năng lượng cần thiết để di chuyển một điện tích chống lại điện trường. Bạn cần nhiều năng lượng hơn để di chuyển một điện tích xa hơn trong điện trường đó, nhưng cũng có thể cần nhiều năng lượng hơn để di chuyển nó qua một điện trường mạnh hơn.
Để tìm được thế năng tĩnh điện giữa 2 điện tích, chúng ta lấy K – hằng số điện nhân với một trong 2 điện tích, sau đó nhân với điện tích kia rồi chia cho khoảng cách giữa chúng.
5. Cách định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng áp dụng lên thế năng là gì?
Khái niệm năng lượng dần dần được mở rộng để bao gồm các dạng năng lượng khác nhau. Khi cơ thể chậm lại, động năng dần dần biến mất khi nó di chuyển lên trên chống lại lực hấp dẫn và được coi là đã được chuyển đổi thành thế năng, sau đó được chuyển đổi trở lại thành động năng khi cơ thể tăng tốc trở lại lần nữa. Trên thực tế, sự chuyển hóa thế năng đó là gì?
Ví dụ, khi một con lắc dao động lên trên, động năng được chuyển hóa thành thế năng. Khi con lắc dừng ở đỉnh của vòng dao động thì động năng bằng 0 và toàn bộ cơ năng ở dạng thế năng.
Khi con lắc quay trở lại, thế năng được chuyển hóa trở lại thành động năng. Tại mọi thời điểm dao động, tổng thế năng và động năng không đổi. Tuy nhiên, lực ma sát làm dao động chậm lại và tiêu hao dần tổng năng lượng của chúng.
Trong những năm 1840, người ta kết luận rằng khái niệm năng lượng có thể mở rộng và bao gồm cả nhiệt sinh ra do ma sát. Do đó, đại lượng thực sự được bảo toàn là tổng của động năng, thế năng và nhiệt năng.
Năng lượng không được tạo ra hay phá hủy mà chỉ chuyển đổi trạng thái, từ thế năng thành động năng rồi thành nhiệt năng.
6. Bài tập vận dụng:
Tính độ biến thiên thế năng của xe trong trọng lượng khi nó di chuyển:
a. Từ A đến B.
b. Từ B đến C.
c. Từ A đến D.
d. Từ A đến E.
Hướng dẫn:
a. Từ A đến B:
ΔWt = m.g.(hB– hA ) = 2,8.10.(3-6)= -84J
b. Từ B đến C:
ΔWt = m.g.(hC – hB ) = 2,8.10.(4-3)= 28J
c. Từ A đến D:
ΔWt = m.g.(hD – hA ) = 2,8.10.(1,5-6)= -126J ⇒ thế năng giảm.
d. Từ A đến E:
ΔWt = m.g.(hE – hA ) = 2,8.10.(7-6) = 28J
Bài 2: Một vật có khối lượng 3 kg được đặt ở vị trí trong trọng trường và có thế năng tại đó Wt1 = 500 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:
Theo đề bài có thế năng tại mặt đất là -900J => Mặt đất không được chọn làm mốc thế năng
Giả sử mốc thế năng được chọn tại vị trí O cách mặt đất độ cao là h2 (m)
Chọn chiều dương hướng lên trên.
a. Ta có: Wt2 = m.g.h2 => h2 = 
= -30(m)
=> Mặt đất thấp hơn mốc thế năng 30m theo chiều âm.
Tại vị trí có Wt1 = 500J ở độ cao so với mốc thế năng là
Wt1 = m.g.h1 => h1 = 
≈ 17(m)
=> Tổng độ cao của vật so với mặt đất là h = h1 + h2 = 30 + 17 = 47(m)
b. Vị trí ứng với mốc thế năng chọn là 17(m)
c. Vận tốc tại vị trí chọn mốc thế năng
Ta có: v2 – v02 = 2.g.h1 => v = 
= 18,25m/s
Bài 3: Một vật có khối lượng m = 6 kg được đặt ở một vị trí trong trọng trường và có thế năng tại vị trí đó bằng Wt1 = 720 J. Thả tự do cho vật rơi tới mặt đất, tại đó thế năng của vật bằng Wt2 = – 240 J. Lấy g = 10 m/s2.
a. Hỏi vật đã rơi từ độ cao nào so với mặt đất?
b. Hãy xác định gốc thế năng đã được chọn ở đâu.
c. Tìm vận tốc vật khi đi qua vị trí gốc thế năng.
Hướng dẫn:
Theo đề bài có thế năng tại mặt đất là -240J => Mặt đất không được chọn làm mốc thế năng
Giả sử mốc thế năng được chọn tại vị trí O cách mặt đất độ cao là h2 (m)
Chọn chiều dương hướng lên trên.
a. Ta có:
Wt2 = m.g.h2 => h2 = 
= -4(m)
=> Mặt đất thấp hơn mốc thế năng 4m theo chiều âm.
Tại vị trí có Wt1 = 720J ở độ cao so với mốc thế năng là
Wt1 = m.g.h1 => h1 = 
≈ 12(m)
=> Tổng độ cao của vật so với mặt đất là h = h1 + h2 = 4 + 12 = 16(m)
b. Vị trí ứng với mốc thế năng chọn là 12(m)
c. Vận tốc tại vị trí chọn mốc thế năng
Ta có: v2 – v02 = 2.g.h1 => v = 
≈ 15,5 m/s
Bài 4: Một cần cẩu nâng một thùng hàng có khối lượng 420 kg từ mặt đất lên độ cao 3 m ( tính theo di chuyển khối tâm của thùng), sau đó đổi hương và hạ thùng này xuống sàn một ôtô tải ở độ cao 1,25 m so với mặt đất.
a. Tìm thế năng của thùng trong trọng trương khi ở độ cao 3 m. Tính công của lực phát động ( lực căng của dây cáp) để nâng thùng hàng lên độ cao này.
b. Tìm độ biến thiên thế năng khi hạ thùng từ độ cao 3 m xuống sàn ôtô. Công của trọng lực có phụ thuộc cách di chuyển thùng giữa hai vị trí đó hay không? Tại sao?
Hướng dẫn:
a. Thế năng của thùng: Wt = mgz = 420.10.3 = 12600 (J).
Coi thùng được nâng đều, lực phát động có độ lớn bằng trọng lực. Độ giảm thế năng bằng công của trọng lực:
Wt – 0 = – AP.
Công của lực phát động: AF = – AP = Wt = 12600 (J).
b. Độ biến thiên thế năng khi hạ thùng xuống sàn ôtô:
W = W2 – W1 = mg(h2 – h1 ) = 420.10.(1,25-3) = -7350 (J)
Trong trường hợp này thế năng giảm.
Công của trọng lực không phụ thuộc vào cách di chuyển thùng giữa hai vị trí vì trọng lực là lực thế, công của nó chỉ phụ thuộc vào mực chênh lệch độ cao giữa hai vị trí đầu và cuối mà không phụ thuộc vào dạng đường đi.