Giải chi tiết khoa học tự nhiên 9 KNTT bài 3 Cơ năng

KHỞI ĐỘNG

Câu hỏi: Khi sử dụng búa máy để đóng cọc, đầu búa được nâng lên đến một độ cao nhất định rồi thả cho rơi xuống cọc cần đóng.

Trong quá trình rơi, động năng và thế năng của đầu búa chuyển hóa qua lại lẫn nhau như thế nào?

Bài làm chi tiết:

Đầu búa có thế năng trọng trường khi được nâng lên đến một độ cao nhất định.

Trong quá trình rơi độ cao của búa máy so với mặt đất giảm dần hay thế năng giảm dần; đồng thời tốc độ của búa máy tăng dần hay động năng tăng dần. Vì vậy, năng lượng của búa máy chuyển hóa từ thế năng trọng trường sang động năng.

I. CƠ NĂNG

Hoạt động: Lấy ví dụ về trường hợp vật vừa có động năng, vừa có thế năng. Mô tả sự chuyển hóa (nếu có) giữa động năng và thế năng của vật đó.

Bài làm chi tiết:

- Ví dụ về trường hợp vật vừa có động năng, vừa có thế năng: mưa rơi.

- Sự chuyển hóa giữa động năng và thế năng: khi nước mưa ở một độ cao nhất định thì năng lượng của nó tồn tại ở dạng thế năng trọng trường. Trong quá trình rơi từ trên cao xuống thì độ cao của nước mưa giảm dần đồng thời tốc độ của nó tăng dần. Nên năng lượng của nước mưa chuyển hóa từ thế năng trọng trường sang động năng.

Câu hỏi: Một vật có khối lượng m = 1,5 kg được thả rơi từ độ cao h = 4 m so với mặt đất. Chọn gốc thế năng ở mặt đất, tính tốc độ của vật vừa đến chạm mặt đất. Biết toàn bộ thế năng của vật chuyển hóa thành động năng của vật.

Bài làm chi tiết:

Vì toàn bộ thế năng của vật chuyển hóa thành động năng của vật

Tốc độ của vật vừa đến chạm mặt đất là:

II. SỰ CHUYỂN HÓA NĂNG LƯỢNG

Hoạt động: Thí nghiệm về sự chuyển hóa động năng – thế năng

Chuẩn bị: Con lắc đơn (gồm vật nặng, sợi dây không dãn) được treo vào giá thí nghiệm.

Tiến hành:

- Kéo vật nặng đến vị trí A ở độ cao h rồi thả nhẹ, vật nặng chuyển động đến vị trí thấp nhất O rồi tiếp tục đi lên và dừng tại điểm B (Hình 3.2), sau đó chuyển động ngược lại.

- So sánh độ cao điểm B với độ cao điểm A.

- Quan sát vật nặng di chuyển động qua lại điểm O sau một khoảng thời gian.

Trả lời các câu hỏi sau:

1. Có nhận xét gì về sự chuyển hóa giữa động năng và thế năng của vật nặng?

2. Sau một thời gian chuyển động, vì sao độ cao của vật nặng giảm dần?

Bài làm chi tiết:

1. – Tại vị trí A thì vật có độ cao cực đại so với mốc thế năng nên tai vị trí A vật nặng có thế năng cực đại.

- Khi đi từ A đến O, độ cao của vật nặng giảm, tốc độ của vật tăng do đó thế năng được chuyển hóa thành động năng. Ngược lại khi đi từ O đến B thì tốc độ của vật giảm, độ cao của vật tăng nên động năng được chuyển hóa dần thành thế năng.

2. Do có ma sát giữa vật nặng và không khí, ma sát trên sợi dây,... gây cản trở chuyển động làm mất dần năng lượng nên sau một thời gian chuyển động độ cao của vật nặng giảm dần.

Câu hỏi: Nếu bỏ qua lực cản không khí, hãy mô tả sự chuyển hóa động năng và thế năng của các vật được ném với cùng tốc độ ban đầu (Hình 3.3) trong hai trường hợp:

- Ném theo phương ngang, vật chuyển động theo quỹ đạo (1).

- Ném theo phương chếch lên trên, vật chuyển động theo quỹ đạo (2).

Bài làm chi tiết:

- Ném vật theo phương ngang: khi vừa ném theo phương ngang thì vật vừa có động năng và thế năng. Sau khi vật rơi xuống thì thế năng giảm, động năng tăng. Đến khi vật vừa chạm đất thì toàn bộ thế năng của vật lúc ném được chuyển hóa thành động năng.

- Ném vật theo phương chếch lên trên: Giai đoạn đầu từ lúc bắt đầu ném đến khi vật đạt độ cao cực đại, động năng của vật giảm, thế năng tăng dần. Đến độ cao cực đại thì toàn bộ động năng của vật sẽ chuyển hóa thành thế năng. Sau khi vật rơi xuống thì thế năng giảm, động năng tăng. Đến khi vật vừa chạm đất thì toàn bộ thế năng của vật lúc ném được chuyển hóa thành động năng.

Hoạt động : Xe thế năng có cấu tạo được mô tả trong Hình 3.4. Quả nặng được nối với trục xe qua một ròng rọc cố định bởi một sợi dây mềm, không dãn. Sợi dây được quấn nhiều vòng quanh trục xe.

Khi thả quả nặng chuyển động từ trên xuống, sợi dây sẽ kéo trục bánh xe làm bánh xe lăn, xe sẽ chuyển động.

a) Mô tả sự chuyển hóa năng lượng từ khi thả quả nặng đến khi quả nặng chạm sàn xe.

b) Cho độ cao ban đầu của quả nặng so với sàn xe là 8cm, khối lượng quả nặng là m1 = 20g, khối lượng của xe là m2 = 50 g. Tính tốc độ của xe ngay khi quả nặng chạm sàn xe, nếu coi toàn bộ thế năng của quả nặng chuyển hóa thành động năng.

c) Trong thực tế, giá trị tốc độ thu được của xe khi quả nặng chạm sàn xe sẽ nhỏ hơn giá trị tính toán ở câu b. Hãy giải thích tại sao.

Bài làm chi tiết:

a) Lúc đầu quả nặng có thế năng do nó ở vị trí cao hơn so với sàn xe. Khi thả quả nặng, độ cao của quả nặng giảm, tốc độ của quả năng tăng nên thế năng được chuyển hóa thành động năng.

b) Thế năng ban đầu của hệ là:

Động năng của khi quả nặng chạm sàn xe là:

Vì toàn bộ thế năng của vật chuyển hóa thành động năng của vật nên

Tốc độ của vật vừa đến chạm mặt đất là:

Vậy tốc độ của xe ngay khi quả nặng chạm sàn xe là 0,68 m/s.

c) Vì trong quá trình chuyển đổi năng lượng sẽ bị mất mát, nguyên nhân của điều này là do ma sát, lực cản không khí,…