Định luật bảo toàn cơ năng - Bảo toàn năng lượng

Định luật bảo toàn cơ năng cho phép chúng ta hiểu rõ về sự biến đổi và tương tác của năng lượng trong các hiện tượng tự nhiên, đồng thời cung cấp cơ sở cho việc áp dụng và phát triển công nghệ tiết kiệm năng lượng. Định luật bảo toàn cơ năng cho thấy rằng cơ năng không thể bị tiêu hao hoặc biến mất, mà chỉ có thể chuyển đổi từ dạng này sang dạng khác và nó được duy trì ổn định trong suốt quá trình chuyển đổi. Đây cũng là kiến thức quan trọng trong chương cơ học vật lý lớp 8 và được ứng dụng trong nhiều dạng bài tập. Vì vậy các em học sinh cần phải nắm vững kiến thức về định luật. Dưới đây, VOH Giáo dục đã giúp em tổng hợp đầy đủ và chi tiết nội dung mời các em tham khảo: 

1. Cơ năng

Trong vật lý học, cơ năng là tổng của động năng và thế năng. Nó là năng lượng kết hợp của chuyển động và vị trí của vật thể

1.1. Cơ năng của một vật chỉ chịu tác dụng của trọng lực

Cơ năng của vật chuyển động dưới tác dụng của trọng lực bằng tổng động năng và thế năng trọng trường của vật:

W = Wđ + Wt = + mgh

Trong đó:

• Gốc thế năng của vật chuyển động trong trường hấp dẫn thường được chọn tại mặt đất.
• Đối với vật hoặc hệ vật chỉ chịu tác dụng của trọng lực thì cơ năng của nó là một đại lượng bảo toàn

W1 = W2 → Biến thiên thế năng W2 - W1 = 0

1.2. Cơ năng của một vật chỉ chịu tác dụng của lực đàn hồi

Cơ năng của vật chuyển động dưới tác dụng của trọng lực bằng tổng động năng và thế năng đàn hồi của vật:

=    

Trong đó:

• Gốc thế năng được chọn là vị trí cân bằng của lò xo
• Đối với vật hoặc hệ vật chỉ chịu tác dụng của lực đàn hồi thì cơ năng của nó là một đại lượng bảo toàn

W1 = W2 → Biến thiên thế năng W2 - W1 = 0

2. Định luật bảo toàn cơ năng

a. Trường hợp trọng lực:

Định nghĩa tổng động năng và thế năng của vật là cơ năng, ta có định luật bảo toàn cơ năng phát biểu như sau:

Trong quá trình chuyển động, nếu vật chỉ chịu tác dụng của trọng lực, động năng có thể chuyển thành thế năng và ngược lại, tổng của chúng tức là cơ năng của vật và là một đại lượng được bảo toàn (không đổi theo thời gian)

Công thức:

hay: 

b. Trường hợp lực đàn hồi

Trong quá trình chuyển động, khi động năng của vật tăng thì thế năng đàn hồi giảm và ngược lại, nhưng tổng động năng và thế năng tức là cơ năng của vật, là đại lượng luôn được bảo toàn.

= = hằng số

c. Kết luận tổng quát

Qua những lập luận trên, với một vật chuyển động trong trọng trường lực thế bất kì, ta có kết luận: Cơ  năng của một vật chỉ chịu tác dụng của những lực thế luôn được bảo toàn.

3. Hệ quả định luật bảo toàn cơ năng

Ta có hệ quả định luật bảo toàn cơ năng có công thức như sau:

Trọng lực và lực đàn hồi được gọi là lực thế

4. Bảo toàn năng lượng

4.1. Vật chỉ chịu tác dụng của trọng lực hoặc lực

Ta có: Cơ năng của hệ = Công của lực thế

4.2. Vật chịu thêm tác dụng của ngoại lực (lực cản, lực ma sát)

• Cơ năng của hệ = công của lực thế + công của lực không thế (công của lực cản, lực ma sát)
• Biến thiên cơ năng: W2 - W1 = công của lực không thế

5. Bài tập vận dụng

Bài 1: Một vật được ném thẳng đứng lên cao với vận tốc là 20 m/s từ độ cao h so với mặt đất. Khi chạm đất vận tốc của vật là 30 m/s, bỏ qua sức cản không khí. Lấy g = 10 m/s2. Hãy tính:

a. Độ cao h?

b. Độ cao cực đại mà vật đạt được so với mặt đất?

c. Vận tốc của vật khi động năng bằng 3 lần thế năng?

Hình minh họa (Nguồn: Internet)

Bài 2: Một hòn bi có khối lượng 20g được ném thẳng đứng lên cao với vận tốc 4m/s từ độ cao 1,6 m so với mặt đất.

a. Tính trong hệ quy chiếu mặt đất các giá trị động năng, thế năng và cơ năng của hòn bi tại lúc ném vật?

b. Tìm độ cao cực đại mà bi đạt được?

c. Tìm vị trí hòn bi có thế năng bằng động năng?

d. Nếu có lực cản 5N tác dụng thì độ cao cực đại mà vật lên được là bao nhiêu?

Bên trên VOH Giáo dục đã giúp các em học sinh tổng hợp đầy đủ kiến thức về định luật bảo toàn cơ năng. Hy vọng qua bài viết, các em có thể nắm chắc hơn về định luật để có thể áp dụng vào các bài tập hiệu quả nhất.