Động năng, thế năng, cơ năng (KHTN 9): công thức và cách làm bài tập

Mạch Năng lượng và sự biến đổi trong Khoa học tự nhiên 9 mở đầu bằng năng lượng cơ học: động năng, thế năng và cơ năng. Đây là phần kiến thức ngắn nhưng rất hay xuất hiện trong bài kiểm tra vì công thức gọn, dễ ra bài tính. Bài viết tóm tắt lý thuyết, công thức, đơn vị và cách làm các dạng bài thường gặp.

Động năng là gì

Động năng là năng lượng mà vật có được do chuyển động. Vật đứng yên thì động năng bằng 0; vật chuyển động càng nhanh và khối lượng càng lớn thì động năng càng lớn.

Công thức:

Wđ = ½ · m · v²

Trong đó Wđ là động năng (J), m là khối lượng (kg), v là tốc độ (m/s).

Điểm cần nhớ: động năng tỉ lệ với bình phương tốc độ. Tốc độ tăng gấp đôi thì động năng tăng gấp bốn. Đây là lý do va chạm ở tốc độ cao nguy hiểm hơn nhiều so với tốc độ thấp.

Thế năng trọng trường là gì

Thế năng trọng trường là năng lượng vật có được do ở một độ cao so với mặt đất (hoặc một mốc được chọn). Vật càng nặng và ở càng cao thì thế năng càng lớn.

Công thức:

Wt = P · h

Trong đó P là trọng lượng của vật (N), h là độ cao so với mốc (m). Vì P = 10 · m (lấy g ≈ 10 m/s²), có thể viết Wt = 10 · m · h.

Lưu ý: thế năng phụ thuộc vào mốc chọn. Nếu đề không nói gì, mốc thường là mặt đất.

Cơ năng và định luật bảo toàn cơ năng

Cơ năng của vật là tổng động năng và thế năng:

W = Wđ + Wt

Khi vật chuyển động chỉ dưới tác dụng của trọng lực, bỏ qua ma sát và lực cản không khí, cơ năng được bảo toàn: động năng và thế năng chuyển hóa qua lại nhưng tổng không đổi. Khi vật rơi xuống, thế năng giảm và động năng tăng; khi vật được ném lên, động năng giảm và thế năng tăng.

Ví dụ quen thuộc là con lắc: ở vị trí cao nhất, vật dừng lại một thoáng nên động năng bằng 0, thế năng lớn nhất; ở vị trí thấp nhất, thế năng nhỏ nhất và vật chuyển động nhanh nhất.

Ví dụ tính toán từng bước

Bài 1. Một vật khối lượng 2 kg ở độ cao 5 m so với mặt đất. Tính thế năng của vật.

• Trọng lượng: P = 10 · 2 = 20 N.
• Thế năng: Wt = P · h = 20 · 5 = 100 J.

Bài 2. Thả rơi vật trên từ độ cao 5 m, bỏ qua sức cản không khí. Tính tốc độ của vật ngay trước khi chạm đất.

• Tại độ cao 5 m vật đứng yên: Wđ = 0, Wt = 100 J, nên cơ năng W = 100 J.
• Ngay trước khi chạm đất: h = 0 nên Wt = 0, toàn bộ cơ năng thành động năng: Wđ = 100 J.
• Từ Wđ = ½ · m · v²: 100 = ½ · 2 · v², suy ra v² = 100, v = 10 m/s.

Bài 3. Một ô tô khối lượng 1 000 kg chạy với tốc độ 10 m/s. Nếu tốc độ tăng lên 20 m/s thì động năng tăng bao nhiêu lần?

• Wđ1 = ½ · 1 000 · 10² = 50 000 J.
• Wđ2 = ½ · 1 000 · 20² = 200 000 J.
• Động năng tăng 4 lần — đúng với nhận xét động năng tỉ lệ với bình phương tốc độ.

Những lỗi học sinh hay mắc

1. Quên đổi đơn vị. Khối lượng cho bằng gam phải đổi sang kg; tốc độ cho bằng km/h phải đổi sang m/s (chia cho 3,6).
2. Dùng khối lượng thay cho trọng lượng trong công thức Wt = P · h. Nếu dùng m thì phải nhân thêm 10.
3. Quên bình phương tốc độ trong công thức động năng.
4. Áp dụng bảo toàn cơ năng khi có ma sát. Nếu đề nói có lực cản, một phần cơ năng chuyển thành nhiệt, cơ năng không còn bảo toàn.

Liên hệ với công và công suất

Cùng chương này, học sinh gặp công cơ học A = F · s (lực cùng hướng chuyển động) và công suất P = A / t (đơn vị W). Nhiều bài tập kết hợp: lực nâng vật lên độ cao h thực hiện một công đúng bằng thế năng vật nhận được.

Dạng bài: ném vật lên, tính độ cao cực đại

Bài 4. Ném một quả bóng khối lượng 0,5 kg thẳng đứng lên từ mặt đất với tốc độ 10 m/s. Bỏ qua sức cản không khí. Tính độ cao lớn nhất quả bóng đạt được.

• Tại mặt đất: Wt = 0, Wđ = ½ · 0,5 · 10² = 25 J. Cơ năng W = 25 J.
• Tại độ cao lớn nhất bóng dừng lại một thoáng: Wđ = 0, toàn bộ cơ năng thành thế năng: Wt = 25 J.
• Từ Wt = 10 · m · h: 25 = 10 · 0,5 · h, suy ra h = 5 m.

Cách làm chung cho dạng này: tìm cơ năng tại một vị trí biết đủ dữ kiện, rồi dùng bảo toàn cơ năng để suy ra đại lượng cần tìm ở vị trí còn lại.

Chuyển hóa năng lượng trong đời sống

• Nhà máy thủy điện: nước ở hồ trên cao có thế năng lớn; khi chảy xuống, thế năng chuyển thành động năng làm quay tua bin, rồi thành năng lượng điện.
• Tàu lượn siêu tốc: được kéo lên đỉnh cao nhất để tích thế năng, sau đó lao xuống, thế năng chuyển thành động năng.
• Búa đóng cọc: búa được nâng lên cao rồi thả rơi, động năng khi chạm cọc thực hiện công đóng cọc xuống đất.

Liên hệ ví dụ thực tế giúp học sinh nhớ bản chất thay vì chỉ thuộc công thức.

Nếu con cần người kèm phần Vật lý trong KHTN, phụ huynh có thể xem thêm gia sư Vật lý THCS hoặc trang tổng hợp gia sư Khoa học tự nhiên.

Câu hỏi thường gặp

Thế năng có thể âm không? Có, nếu vật ở dưới mốc thế năng đã chọn. Ở cấp THCS, bài tập thường chọn mốc là mặt đất nên thế năng không âm.

Vì sao đơn vị của động năng và thế năng đều là jun? Vì chúng đều là năng lượng. Mọi dạng năng lượng và công đều đo bằng jun (J).

Phần này có trong thi vào 10 tại TP.HCM không? Kỳ thi tuyển sinh lớp 10 công lập tại TP.HCM thi Toán, Ngữ văn, Ngoại ngữ, không thi Khoa học tự nhiên. Tuy vậy đây là kiến thức nền cho Vật lý THPT và thường có trong bài kiểm tra trên lớp.

Nếu con cần người kèm phần năng lượng cơ học hoặc các mạch khác, xem gia sư Khoa học tự nhiên lớp 9 hoặc bài Khoa học tự nhiên lớp 9 gồm những môn nào.