Giải chi tiết Khoa học tự nhiên 9 Cánh diều bài 2 Cơ năng

MỞ ĐẦU 

Khi xảy ra sạt lở đất ở vùng đồi núi, các khối đất đá từ trên cao trượt xuống dưới có thể gây thiệt hại cho con người và tài sản (hình 2.1). Trước khi sạt lở, khối đát đá ở trên cao có thế năng. Trong quá trình trượt xuống, khối đất đá có động năng. Thế năng và động năng của khối đất đá được tính như thế nào?

Bài làm chi tiết:

• Thế năng và động năng của một khối đất đá trong quá trình xảy ra sạt lở được tính như sau: 
• Thế năng: Đây là năng lượng của một đối tượng do vị trí của nó. Khi một khối đất đá nằm ở độ cao h và ký vọng rơi xuống, thế năng của nó được tính bằng công thức: Wt = m x g x h 

Trong đó: 

          Wt là thế năng m là khối lượng của khối đất đá 

          g là gia tốc của trân chuyển (gia tốc của trân chuyển trên Earth là 9,8 m/s²) 

          h là độ cao của vị trí của khối đất đá so với mực nước đầu 

• Động năng: Đây là năng lượng của một đối tượng do tốc độ của nó. Khi một khối đất đá rơi xuống với tốc độ v, động năng của nó được tính bằng công thức: Wđ = 0,5 x m x v² 

Trong đó: 

• Wđ là động năng 
• m là khối lượng của khối đất đá 
• v là tốc độ của khối đất đá 

Lưu ý rằng, trong quá trình rơi xuống, khối lượng của khối đất đá và gia tốc giữ nguyên, do đó, thế năng của khối đất đá sẽ chuyển sang động năng theo luật liệu newton năng lượng. Tuy nhiên, trong thực tế, việc tính toán trở nên phức tạp hơn do tác động của ma sát, lực ly tâm và các yếu tố khác.

I. ĐỘNG NĂNG

Câu 1:Lấy ví dụ về các vật có động năng trong đời sống.

Bài làm chi tiết:

• Ô tô đang chạy trên đường.
• Con vật đang di chuyển.

Câu 2: Tính động năng của xe máy có khối lượng 100kg đang chuyển động với vận tốc 15m/s.

Bài làm chi tiết:

Động năng của xe máy là: Wđ = 0.5 x m x v² = 11250 (J)

II. THẾ NĂNG TRỌNG TRƯỜNG

Câu 1: Thế năng trọng trường của vật phụ thuộc vào những yếu tố nào?

Bài làm chi tiết:

Thế năng trọng trường của vật phụ thuộc vào hai yếu tố: 

• Khối lượng của vật: Khối lượng của vật càng lớn, thế năng trọng trường của vật càng lớn. 
• Độ cao của vật: Độ cao của vật càng lớn, thế năng trọng trường của vật càng lớn.

Câu 2: Ở gần mặt đất, trọng lượng của vật liên hệ với khối lượng của nó như thế nào?

Bài làm chi tiết:

Trọng lượng của vật tỉ lệ thuận với khối lượng của vật.

Câu 3: Trong hình 1.4, kiện hàng được người công nhân đưa lên cao 1,2 m so với mặt đất. Chọn mặt đất là mốc thế năng. Tính thế năng trọng trường của kiện hàng, biết rằng trọng lượng của kiện hàng là 45 N.

Bài làm chi tiết:

Thế năng trọng trường của kiện hàng: Wt = P x h =  45 x 1,2 = 54 (J)

III. CƠ NĂNG 

Câu 1: Khi chuyển động từ vị trí B đến vị trí C, vì sao thế năng của bạn nhỏ  tăng dần?

Bài làm chi tiết:

Thế năng của bạn tăng dần khi chuyển động từ B đến C do độ cao của bạn tăng dần.

Câu 2: Tính cơ năng của bạn nhỏ ở vị trí B (hình 2.3) trong 2 trường hợp:

a) Chọn mặt đất làm mốc thế năng. Biết rằng, động năng của bạn nhỏ tại B bằng 90J và thế năng bằng 150J.

b) Chọn điểm B làm mốc thế năng.

Bài làm chi tiết:

a) W = Wđ + Wt = 90 + 150 = 240 (J)

b) W = Wđ + Wt = 90 + 0 = 90 (J)

Câu 3: Phân tích sự chuyển hóa động năng và thế năng của bạn nhỏ khi chơi cầu trượt ở hình 2.4 trong 2 trường hợp sau:

a) Bỏ qua ma sát của mặt cầu trượt và lực cản không khí.

b) Lực ma sát giữa bạn nhỏ và cầu trượt có giá trị đáng kể.

Bài làm chi tiết:

a) Bỏ qua ma sát của mặt cầu trượt và lực cản không khí: 

Tại vị trí A (đầu cầu trượt):

+ Động năng: Bằng 0 vì bạn nhỏ đang đứng yên. 

+ Thế năng trọng trường: Lớn nhất vì bạn nhỏ ở độ cao cao nhất. 

 Khi di chuyển từ A đến B (cuối cầu trượt): 

+ Động năng: Tăng dần do bạn nhỏ được gia tốc bởi lực hấp dẫn. 

+ Thế năng trọng trường: Giảm dần do độ cao của bạn nhỏ giảm dần. 

Tại vị trí B (cuối cầu trượt): 

+ Động năng: Lớn nhất vì bạn nhỏ đạt tốc độ cao nhất. 

+ Thế năng trọng trường: Nhỏ nhất vì bạn nhỏ ở độ cao thấp nhất. 

 Nhận xét: Trong trường hợp này, tổng động năng và thế năng của bạn nhỏ bảo toàn (không đổi) vì không có ma sát và lực cản không khí. 

b) Lực ma sát giữa bạn nhỏ và cầu trượt có giá trị đáng kể: 

Tại vị trí A (đầu cầu trượt): 

+ Động năng: Bằng 0 vì bạn nhỏ đang đứng yên. 

+ Thế năng trọng trường: Lớn nhất vì bạn nhỏ ở độ cao cao nhất. 

Khi di chuyển từ A đến B (cuối cầu trượt): 

+ Động năng: Tăng dần do bạn nhỏ được gia tốc bởi lực hấp dẫn. 

+ Thế năng trọng trường: Giảm dần do độ cao của bạn nhỏ giảm dần. 

Tuy nhiên, một phần năng lượng bị mất do ma sát, do đó: 

+ Động năng: Không đạt được giá trị lớn nhất như trường hợp a). 

+ Thế năng trọng trường: Không giảm đến giá trị nhỏ nhất như trường hợp a). - Tại vị trí B (cuối cầu trượt): 

+ Động năng: Nhỏ hơn so với trường hợp a) do ma sát. 

+ Thế năng trọng trường: Lớn hơn so với trường hợp a) do ma sát. 

Nhận xét: Trong trường hợp này, tổng động năng và thế năng của bạn nhỏ không bảo toàn do có ma sát và lực cản không khí. Ma sát và lực cản không khí làm giảm tổng năng lượng của hệ. Ngoài ra: Lực ma sát càng lớn, sự chênh lệch giữa tổng năng lượng của hai trường hợp càng lớn. Lực cản không khí cũng có ảnh hưởng đến sự chuyển hoá năng lượng, nhưng thường nhỏ hơn so với lực ma sát. 

Kết luận: Khi bạn nhỏ chơi cầu trượt, động năng và thế năng của bạn nhỏ chuyển hoá lẫn nhau. Ma sát và lực cản không khí làm giảm hiệu quả chuyển hoá năng lượng. 

Vận dụng: Trên công trường xây dựng, để đóng các cọc bê tông lún sâu xuống lòng đất, người ta dùng búa máy như hình 2.5. Đầu búa có trọng lượng lớn được kéo lên một độ cao nhất định so với mặt đất rồi thả rơi xuống đập vào cọc bê tông. 

Mô tả sự chuyển hóa năng lượng của đầu búa từ lúc được thả rơi cho tới ngay trước khi đập vào cọc. Bỏ qua sự hao phí năng lượng do lực cản của môi trường.

Bài làm chi tiết: 

Tại vị trí A (vị trí ném): 

+ Động năng: Wđ = ½ mv² (Vật có vận tốc ban đầu) 

+ Thế năng trọng trường: Wt = mgh (Vật ở độ cao h) 

 Khi di chuyển từ A đến B (điểm cao nhất): 

+ Động năng: Wđ giảm dần 

+ Thế năng trọng trường: Wt tăng dần 

Tại vị trí B (điểm cao nhất): 

+ Động năng: Wđ = 0 (Vật đứng yên) 

+ Thế năng trọng trường: Wt = mghmax (Vật ở độ cao cao nhất) 

Khi di chuyển từ B đến C (vị trí chạm đất): 

+ Động năng: Wđ tăng dần 

+ Thế năng trọng trường: Wt giảm dần 

Tại vị trí C (vị trí chạm đất): 

+ Động năng: Wđ = ½ mv² (Vật có vận tốc khi chạm đất) 

+ Thế năng trọng trường: Wt = 0 (Vật ở độ cao 0) 

Nhận xét: Tổng năng lượng của quả bóng bảo toàn (không đổi) trong suốt quá trình chuyển động. Động năng và thế năng trọng trường chuyển hoá lẫn nhau liên tục. 

Ảnh hưởng của lực cản không khí: 

+ Lực cản không khí làm giảm tổng năng lượng của quả bóng. 

+ Độ cao cao nhất mà quả bóng đạt được giảm dần theo thời gian.