Giải Vật lí 10 Bài 25 (Kết nối tri thức): Động năng, thế năng

Giải bài tập Vật lí lớp 10 Bài 25: Động năng, thế năng

Khởi động trang 99 Vật Lí 10: Hãy mô tả hoạt động của tàu lượn. Tại sao khi tàu lượn ở vị trí cao nhất của đường ray thì tốc độ của nó lại chậm nhất và ngược lại?

Lời giải:

- Tàu lượn siêu tốc hoạt động dựa trên các nguyên lý về thế năng và động năng. Khi tàu được kéo lên cao (phần dốc đầu tiên) sẽ tích lũy một phần thế năng và sau khi đi xuống bị tác động bởi trọng lực sẽ chuyển hóa dần thành động năng. Vòng tuần hoàn này được lặp đi lặp lại dựa trên thiết kế của đường ray.

- Khi tàu lượn ở vị trí cao nhất của đường ray, tàu lượn có thế năng trọng trường lớn nhất, động năng nhỏ nhất nên tốc độ của nó chậm nhất. Còn khi tàu lượn ở vị trí thấp nhất của đường ray, tàu lượn có thế năng trọng trường nhỏ nhất, động năng lớn nhất nên tốc độ của nó nhanh nhất.

I. Động năng

Câu hỏi 1 trang 99 Vật Lí 10: Năng lượng của các con sóng trong Hình 25.1 tồn tại dưới dạng nào?

- Tại sao sóng thần lại có sức tàn phá mạnh hơn rất nhiều so với sóng thường?

- Tại sao sóng thần chỉ gây ra sự tàn phá khi xô vào vật cản?

Lời giải:

- Năng lượng của các con sóng trong Hình 25.1 tồn tại dưới dạng động năng và thế năng.

- Sóng thần có sức tàn phá mạnh hơn rất nhiều so với sóng thường vì nó thường dự trữ động năng rất lớn và có thể dâng cao tới vài chục mét, nó được hình thành từ các vụ động đất, hoặc sự hoạt động của núi lửa, sự thay đổi địa hình Trái Đất.

- Sóng thần gây ra sự tàn phá khi xô vào vật cản vì khi đó có sự truyền và chuyển hóa năng lượng, động năng rất lớn của sóng truyền sang cho vật cản, gây ra sự tàn phá mạnh mẽ.

Câu hỏi 2 trang 99 Vật Lí 10: Khi đang bay, năng lượng của thiên thạch tồn tại dưới dạng nào?

- Tại sao năng lượng của thiên thạch lại rất lớn so với năng lượng của các vật thường gặp?

- Khi va vào Trái Đất (Hình 25.2), năng lượng của thiên thạch được chuyển hóa thành những dạng năng lượng nào?

Lời giải:

- Khi đang bay, năng lượng của thiên thạch tồn tại chủ yếu dưới dạng động năng và năng lượng nhiệt, ngoài ra còn có năng lượng ánh sáng (do ma sát với khí quyển và phát ra ánh sáng khi bay).

- Khi va vào Trái Đất, năng lượng của thiên thạch chuyển hóa thành động năng (gây ra sự phá vỡ các vật), năng lượng âm (tiếng nổ), năng lượng ánh sáng, nhiệt năng.

- Năng lượng của thiên thạch rất lớn so với năng lượng của các vật thường gặp vì:

+ Thiên thạch di chuyển với tốc độ lớn $\Rightarrow$ Có động năng lớn.

+ Khoảng cách từ thiên thạch tới Trái Đất rất lớn $\Rightarrow$ Có thế năng trọng trường rất lớn.

Câu hỏi 3 trang 99 Vật Lí 10: Khi sóng đổ vào bờ nó sinh công và có thể xô đổ các vật trên bờ. Tuy nhiên, với vận động viên lướt sóng thì không bị ảnh hưởng. Tại sao?

Lời giải:

Vì ván lướt của vận động viên lướt bên trên mặt sóng, gần như vuông góc với lực mà sóng tác dụng nên lực mà sóng gây ra sẽ không ảnh hưởng tới người lướt sóng.

Câu hỏi 4 trang 99 Vật Lí 10: Một mũi tên nặng 48 g đang chuyển động với tốc độ 10 m/s. Tìm động năng của mũi tên.

Lời giải:

Đổi 48 g = 0,048 kg

Động năng của mũi tên là: $W_{đ}=\frac{1}{2}m.v^2=\frac{1}{2}.0,{048.10}^2=2,4J$

Câu hỏi 1 trang 100 Vật Lí 10: Thả một quả bóng từ độ cao h xuống sàn nhà. Động năng của quả bóng được chuyển hóa thành những dạng năng lượng nào ngay khi quả bóng chạm vào sàn nhà?

Lời giải:

Thả một quả bóng từ độ cao h xuống sàn nhà. Ngay khi quả bóng chạm vào sàn nhà, động năng của quả bóng được chuyển hóa thành năng lượng nhiệt và năng lượng âm.

Câu hỏi 2 trang 100 Vật Lí 10: Một vật có khối lượng 10 kg đang chuyển động với tốc độ 5 km/h trên mặt bàn nằm ngang. Do có ma sát, vật chuyển động chậm dần đều và đi được 1 m thì dừng lại. Tính hệ số ma sát giữa vật và mặt bàn. Lấy gia tốc trọng trường g = 9,8 m/s².

Lời giải:

Đổi 5 km/h = $\frac{25}{18}$ m/s

Theo định luật II Newton ta có: $\overrightarrow{P}+\overrightarrow{N}+\overrightarrow{F_{ms}}=m.\overrightarrow{a}$ (1)

Chiếu (1) lên phương chuyển động ta có:

$-F_{ms}=ma\Rightarrow -\mu N=ma\Rightarrow -\mu mg=m.a\Rightarrow \mu =-\frac{a}{g}$

Lại có gia tốc của vật chuyển động chậm dần đều: $a=\frac{v^2-v_0^2}{2s}$

Suy ra $\mu =-\frac{v^2-v_0^2}{2sg}=-\frac{0-{\left(\frac{25}{18}\right)}^2}{\mathrm{2.1.9},8}\simeq 0,1$

II. Thế năng

Câu hỏi trang 100 Vật Lí 10: Máy đóng cọc (Hình 25.3) hoạt động như sau: Búa máy được nâng lên đến một độ cao nhất định rồi thả cho rơi xuống cọc cần đóng.

1. Khi búa đang ở một độ cao nhất định thì năng lượng của nó tồn tại dưới dạng nào? Năng lượng đó do đâu mà có?

2. Trong quá trình rơi, năng lượng của búa chuyển từ dạng nào sang dạng nào?

3. Khi chạm vào đầu cọc thì búa sinh công để làm gì?

Lời giải:

1. Khi búa đang ở một độ cao nhất định thì năng lượng của nó tồn tại dưới dạng thế năng trọng trường. Năng lượng đó có được do Trái Đất gây ra khi vật ở độ cao nào đó so với mặt đất.

2. Trong quá trình rơi, năng lượng của búa chuyển từ thế năng trọng trường sang động năng. Vì độ cao của búa so với mặt đất giảm dần, tốc độ chuyển động của búa tăng dần.

3. Khi chạm vào đầu cọc thì búa sinh công để đẩy ngập sâu xuống đất.

Câu hỏi trang 101 Vật Lí 10: Hình 25.5 mô tả một cuốn sách được đặt trên giá sách. Hãy so sánh thế năng của cuốn sách trong hai trường hợp: gốc thế năng là sàn nhà và gốc thế năng là mặt bàn.

Lời giải:

- Khi chọn gốc thế năng ở sàn nhà thì thế năng của cuốn sách là: W_t1 = mgh₁

- Khi chọn gốc thế năng ở mặt bàn thì thế năng của cuốn sách là: W_t2 = mgh₂

Do h₁ > h₂ nên W_t1 > W_t2

Câu hỏi 1 trang 101 Vật Lí 10: Một chiếc cần cẩu xây dựng cẩu một khối vật liệu nặng 500 kg từ vị trí A ở mặt đất đến vị trí B của một tòa nhà cao tầng với các thông số cho trên Hình 25.6. Lấy gia tốc trọng trường g = 9,8 m/s². Tính thế năng của khối vật liệu tại B và công mà cần cẩu đã thực hiện.

Lời giải:

Chọn gốc thế năng ở mặt đất.

Thế năng của khối vật liệu tại B có độ lớn bằng công mà cần cầu đã thực hiện và bằng:

$A=W_t=P.h=m.g.h=500.9,8.40=196000J$

Câu hỏi 2 trang 101 Vật Lí 10: Hãy chứng minh có thể dùng một mặt phẳng nghiêng để đưa một vật lên cao với một lực nhỏ hơn trọng lượng của vật (Hình 25.7). Coi ma sát không đáng kể.

Lời giải:

- Vì dùng mặt phẳng nghiêng không cho lợi về công nên công đưa vật lên độ cao h bằng công di chuyển vật trên mặt phẳng nghiêng được quãng đường $\mathcal{l}$ để đạt độ cao h: $P.h=F.\mathcal{l}$ (1)

- Trong tam giác vuông, cạnh góc vuông luôn nhỏ hơn cạnh huyền $\Rightarrow$ $h<\mathcal{l}$ (2)

Từ (1) và (2) $\Rightarrow$F < P

$\Rightarrow$ Có thể dùng một mặt phẳng nghiêng để đưa một vật lên cao với một lực nhỏ hơn trọng lượng của vật.

Em có thể trang 101 Vật Lí 10: Giải thích được hoạt động của máy đóng cọc dựa trên sự chuyển hóa động năng và thế năng của vật.

Lời giải:

- Nguyên tắc hoạt động của máy đóng cọc: Búa máy được hệ thống động cơ nâng lên đến một độ cao nhất định rồi thả cho rơi xuống cọc cần đóng.

- Khi búa máy được đưa lên cao một đoạn so với mặt đất, lúc đó búa máy dự trữ thế năng trọng trường. Trong quá trình rơi, độ cao của búa so với mặt đất giảm dần, tốc độ chuyển động của búa tăng dần.

- Khi búa chạm vào đầu cọc thì búa sinh công để đẩy cọc cắm sâu xuống đất.

Lý thuyết Động năng, thế năng

I. Động năng

1. Khái niệm động năng

- Động năng là năng lượng mà vật có được do chuyển động.

- Vật đang chuyển động là vật có khả năng thực hiện công. Những vật đó mang năng lượng dưới dạng động năng.

Ví dụ:

Quả bóng đang chuyển động – có động năng

Hố lõm do thiên thạch gây ra khi va vào Trái đất

Động năng của máy bay đang bay trên bầu trời

- Một vật có khối lượng m đang chuyển động với tốc độ v thì động năng là

${\mathrm{W}}_{\mathrm{d}}=\frac{1}{2}{\mathrm{mv}}^2$

- Trong hệ đơn vị SI, đơn vị động năng là jun (J)

2. Liên hệ giữa động năng và công của lực

Xét một vật khối lượng m chuyển động thẳng biến đổi đều với gia tốc a từ trạng thái đứng yên dưới tác dụng của lực không đổi F. Sau khi đi được quãng đường s, vật đạt vận tốc v thì ${\mathrm{v}}^2\text{ = 2.a.s}$

Thay $\text{a = }\frac{\text{F}}{\text{m}}$ ta được ${\mathrm{v}}^2\text{ = 2.}\frac{\text{F}}{\text{m}}\text{.s }\iff \frac{1}{2}\mathrm{m}.{\mathrm{v}}^2=\text{F.s}\Rightarrow {\text{W}}_{\text{d}}=\text{A}$

Nếu ban đầu vật đứng yên thì động năng của vật có giá trị bằng công của lực tác dụng lên vật.

II. Thế năng

1. Khái niệm thế năng trọng trường

- Một vật ở độ cao h so với mặt đất thì vật đó lưu trữ năng lượng dưới dạng thế năng. Thế năng này liên quan đến trọng lực nên gọi là thế năng trọng trường.

- Thế năng trọng trường được xác định bởi công thức

${\text{W}}_{\text{t}}\text{= P.h = m.g.h}$

- Đơn vị của thế năng là jun (J).

- Thế năng của vật trong trọng trường phụ thuộc và khối lượng và độ cao của vật

- Độ cao h phụ thuộc vào vị trí được chọn làm mốc thế năng nên cũng phụ thuộc vào vị trí được chọn làm mốc. Thông thường, mốc thế năng được chọn là mặt đất.

- Trong trọng trường, hiệu thế năng giữa hai điểm chỉ phụ thuộc vào chênh lệch độ cao theo phương thẳng đứng, không phụ thuộc vào khoảng cách giữa hai điểm.

2. Liên hệ giữa thế năng và công của lực thế

- Khi đưa một vật có khối lượng m từ mặt đất lên một độ cao h, ta tác dụng vào vật một lực nâng F có độ lớn tối thiểu bằng trọng lượng P của vật.

- Công mà lực nâng F thực hiện là ${\text{A = F.s = P.h = m.g.h = W}}_{\text{t}}$

- Vậy thế năng của vật ở độ cao h có độ lớn bằng công của lực dùng để nâng đều vật lên độ cao này. Công trong trường hợp này là công của lực thế, nó không phụ thuộc vào quãng đường đi được mà chỉ phụ thuộc vào sự chênh lệch độ cao của vị trí đầu và vị trí cuối.

Xem thêm lời giải bài tập Vật lí lớp 10 Kết nối tri thức với cuộc sống hay, chi tiết khác:

Bài 26: Cơ năng và định luật bảo toàn cơ năng

Bài 27: Hiệu suất

Bài 28: Động lượng

Bài 29: Định luật bảo toàn động lượng

Bài 30: Thực hành: Xác định động lượng của vật trước và sau va chạm

Xem thêm tài liệu Vật lí lớp 10 Kết nối tri thức với cuộc sống hay, chi tiết khác:

Lý thuyết Bài 25: Động năng, thế năng