Công thức tính thế năng (hay, chi tiết)

Bài viết Công thức tính thế năng hay, chi tiết Vật Lí lớp 10 hay nhất gồm 4 phần: Định nghĩa, Công thức, Kiến thức mở rộng và Bài tập minh họa áp dụng công thức trong bài có lời giải chi tiết giúp học sinh dễ học, dễ nhớ Công thức tính thế năng hay, chi tiết.

1. Khái niệm

- Thế năng tồn tại dưới dạng năng lượng dự trữ khi vật ở một độ cao so với mốc thế năng hay vật bị biến dạng và đều có khả năng sinh công.

- Có hai dạng thế năng:

+ Thế năng trọng trường (thế năng hấp dẫn): phụ thuộc vị trí tương đối của vật so với mặt đất.

Em bé ngồi trên cầu trượt, em bé có thế năng trọng trường

+ Thế năng đàn hồi: phụ thuộc độ biến dạng của vật so với trạng thái chưa biến dạng.

Thế năng đàn hồi dự trữ trong dây cung khi bị kéo căng

2. Công thức

- Khi một vật có khối lượng m đặt ở độ cao z so với mặt đất (trong trọng trường của Trái Đất) thì thế năng trọng trường của vật được định nghĩa bằng công thức:

W_t = mgz

Trong đó:  m: khối lượng của vật (kg)

g: gia tốc trọng trường (m/s²).

z: Độ cao của vật so với gốc thế năng (m)

+ Thế năng ở ngay trên mặt đất bằng 0 (vì z = 0). Vì vậy, mặt đất được chọn là mốc (hay gốc) thế năng.

- Thế năng đàn hồi của một lò xo ở trạng thái có biến dạng Dℓ là:

     Trong đó k: Độ cứng của lò xo (N/m)

Dℓ: Độ biến dạng của lò xo(m).

W_t: Thế năng đàn hồi (J).

3. Kiến thức mở rộng

- Từ công thức thế năng trọng trường, ta có thể tính:

+ Khối lượng của vật:

+ Độ cao của vật so với gốc thế năng:

- Liên hệ giữa biến thiên thế năng và công của trọng lực:

      Khi một vật chuyển động trong trọng trường từ vị trí M đến vị trí N thì công của trọng lực của vật có giá trị bằng hiệu thế năng trọng trường tại M và tại N.

A_MN= W_t1 – W_t2= ∆W_t = mgz_M - mgz_N

   Trong đó: A₁₂: công của trọng lực chuyển từ vị trí 1 sang vị trí 2

W_t1 – W_t2= : độ giảm thế năng

Chú ý: Nếu A_MN > 0 thì  ∆W_t > 0: thế năng của vật giảm 

     Nếu A₁₂ < 0 thì  ∆W_t < 0: thế năng của vật tăng

- Từ công thức thế năng đàn hồi, ta có thể tính:

+ Độ cứng của lò xo:

+ Độ biến dạng của lò xo:

- Công của lực đàn hồi thực hiện khi lò xo biến dạng và đầu lò xo có gắn quả nặng di chuyển từ vị trí x₁ đến vị trí x₂bằng độ giảm thế năng đàn hồi:

Trong đó: W_đh1 là thế năng đàn hồi của lò xo tại vị trí x₁ (J)

       W_đh2 là thế năng đàn hồi của lò xo tại vị trí x₂ (J)

        A₁₂ là công của lực đàn hồi (J)

=> Công của lực đàn hồi chỉ phụ thuộc các vị trí đầu và cuối của biến dạng. Lực đàn hồi cũng là lực thế.

Đồ thị để tính công của lực đàn hồi

4. Ví dụ minh họa

Bài 1: Hai vật có khối lượng là m và 2m đặt ở hai độ cao lần lượt là 2h và h. Tỉ số giữa thế năng trọng trường của vật thứ nhất so với vật thứ hai là?

Lời giải

Thế năng của vật 1 có giá trị là: W_t1 = m.g.2.h = 2mgh

Thế năng của vật 2 có giá trị là: W_t2 = m.g.2.h = 2mgh

=> Tỉ số giữa thế năng trọng trường của vật thứ nhất so với vật thứ hai là:

Bài 2: Một người kéo một lực kế, số chỉ của lực kế là 400N, độ cứng của lò xo lực kế là 1000N/m. Công do người thực hiện bằng bao nhiêu?

Lời giải

 Lực đàn hồi cũng chính là số chỉ của lực kế: F = |k∆l| = 400N

=> Độ biến dạng của lò xo so với vị trí ban đầu: 

Chọn mốc thế năng tại vị trí ban đầu (lò xo không dãn – không nén)

=> Công do người thực hiện chính bằng thế năng đàn hồi của lò xo:

Xem thêm các Công thức Vật Lí lớp 10 quan trọng hay khác:

• Công thức tính thế năng đàn hồi hay, chi tiết

• Công thức tính thế năng hấp dẫn hay, chi tiết

• Công thức tính công của trọng lực hay, chi tiết

• Công thức tính công của ngoại lực hay, chi tiết

• Công thức tính công của lực đàn hồi hay, chi tiết