Thế năng là gì? Thế năng luôn tồn tại xung quanh chúng ta và được ứng dụng rộng rãi vào trong đời sống. Nhưng nhiều bạn vẫn chưa hiểu hết về những khái niệm và công thức để xác định thế năng. Thế nên qua bài này chúng ta sẽ đi sâu hơn và tìm hiểu về nó nhé.
1. Thế năng là gì?
Thế năng là gì? Thế năng (potential energy) là năng lượng được giữ bởi một vật do vị trí của nó so với các vật khác, các lực nén bên trong bản thân, điện tích hoặc các yếu tố khác.
Thế năng hay còn gọi là năng lượng tiềm tàng, thuật ngữ này được đưa ra bởi kỹ sư và nhà vật lý người Scotland ở thế kỷ 19 William Rankine.
Thế năng liên quan tới các lực tác dụng lên một cơ thể mà tổng công do các lực này thực hiện lên thể chỉ phụ thuộc vào vị trí ban đầu và vị trí cuối cùng của cơ thể trong không gian. Trong cơ học, thế năng là trường thế vô hướng của trường véctơ lực bảo toàn.
Thế năng có giá trị tùy theo quy ước thế năng của điểm lấy mốc. Đôi khi, khái niệm hiệu thế năng thường được dùng khi so sánh thế năng giữa hai điểm, hoặc nói về thế năng của một điểm khi lấy điểm kia là mốc có thế năng bằng 0.
2. Phân loại các loại thế năng
Thế năng là gì? phân loại thế năng với các dạng thế năng phổ biến bao gồm: thế năng hấp dẫn của một vật phụ thuộc vào khối lượng của nó và khoảng cách của nó với trọng tâm của một vật khác, thế năng đàn hồi của lò xo kéo dãn và thế năng của điện tích trong một điện trường.
Thế năng hấp dẫn
Thế năng hấp dẫn hay còn gọi là thế năng trọng trường của một vật là dạng năng lượng tương tác giữa Trái Đất và vật, phụ thuộc vào vị trí của vật trong trọng trường.
Lực hấp dẫn là một lực bảo toàn và thế năng trong trường hợp này gọi là thế năng hấp dẫn, còn gọi là thế năng trọng trường.
Ví dụ, tại một điểm nhỏ trên bề mặt hành tinh lớn, có thể coi lực hấp dẫn lên vật thể không đổi: F = m g với tại bề mặt, vật.
Lúc đó nếu lấy mốc thế năng của vật tại bề mặt bằng 0 thì thế năng tại độ cao h so với bề mặt là:
φ = m |g| z
Khi ở trên mặt đất thế năng trọng trường có công thức:
Wt = mgz
Trong đó:
- m là khối lượng đơn vị kg
- g là vectơ gia tốc trọng trường. Là hằng số 9,81
- z là độ cao đơn vị là m
Mốc thế năng là vị trí ban đầu của vật trong trọng trường trước khi sinh công. Ví dụ như khi bạn ném một vật lên không trung thì vị trí lúc vật được ném lên là mốc thế năng.
Lúc này, các trường hợp có thể xảy ra:
- Wt > 0
- Wt = 0
- Wt < 0
- z > 0 khi vật ở trên mốc thế năng.
- z <0 khi vật ở dưới mốc thế năng.
Khi vật di chuyển từ vị trí M đến vị trí N trong trọng trường, công của trọng lực sẽ bằng hiệu thế năng giữa 2 vị trí và được tính theo công thức AMN = Wt(M) – Wt(N).
Thế năng tĩnh điện
Lực tĩnh điện là một lực bảo toàn, và thế năng trong trường hợp này là thế năng tĩnh điện.
Lực tĩnh điện F là: F = q E
Trong đó:
- q là điện tích của hạt mang điện.
- E là cường độ điện trường.
Trong khi đó, điện thế V lại là trường thế vô hướng ứng với trường véc tơ cường độ điện trường:
Suy ra: φ = q V, nghĩa là thế năng tĩnh điện bằng điện thế nhân với điện tích.
Thế năng đàn hồi
Thế năng đàn hồi là dạng năng lượng của một vật chịu tác dụng của lực đàn hồi.
Lực đàn hồi của lò xo lý tưởng là lực bảo toàn, và thế năng trong trường hợp này gọi là thế năng đàn hồi.
Nếu lò xo tuân theo định luật Hooke với lực đàn hồi, F, tỷ lệ với biến dạng, y:
|F| = k y
Thì thế năng đàn hồi của lò xo là: φ = k y2/2
Có thể lấy mốc thế năng bằng 0 khi lò xo không bị biến dạng.
3. Bài tập vận dụng về thế năng
Thế năng là gì? Công thức tính thế năng đã được trình bày ở phần trên, giờ chúng ta áp dụng thực hành 2 bài tập phía dưới nhé.
Bài tập 1
(Bài 3 Trang 141 SGK Lý 10)
Một vật có khối lượng 1,0 kg có thế năng 1,0 J đối với mặt đất. Lấy g = 9,8 m/s2. Khi đó, vật ở độ cao bao nhiêu so với mặt đất?
Lời giải:
Dựa trên công thức tính thế năng trọng trường
Wt = mgz ⟺ z = Wt /mg = 1/1.9,8 = 0,102 m
Bài tập 2
Một cần cẩu nâng một thùng hàng có khối lượng 420 kg từ mặt đất lên độ cao 3m (tính theo di chuyển khối tâm của thùng), sau đó đổi hướng và hạ thùng này xuống sàn một ô tô tải ở độ cao 1.25 m so với mặt đất.
a. Tìm thế năng của thùng trong trọng trường khi ở độ cao 3m. 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 ô tô. Công của trọng lực có phụ thuộc cách di chuyển thùng giữa hai vị trí đó hay không? Tại sao?
Lời giải:
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 ô tô:
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.
Thế năng là gì? phân loại thế năng phổ biến hay gặp đã
>>> Xem thêm: Thế năng là gì? Công thức tính thế năng
