HOMEThế năng trọng trường là một trong những khái niệm vật lý. Để hiểu được về thế năng trọng trường trước tiên bạn cần hiểu về thế năng rồi hiểu về trọng trường. Từ đó đi đến khái niệm thế năng trọng trường. Vậy cụ thể thế năng trọng trường là gì hãy cùng TTmobile đi tìm hiểu ngay dưới bài viết dưới đây nhé.
Thế năng là gì?
– Thế năng là một đại lượng vật lý, là khả năng sinh công của vật nào đó tồn tại dưới dạng năng lượng.
Hay:
Thế năng là một dạng năng lượng tồn tại bên trong vật thể.
– Thế năng tiếng anh là: Potential Energy.
Trọng trường là gì?
Trọng trường là môi trường tồn tại xung quanh Trái Đất.
Bạn có thể hiểu, mọi vật bên trong trọng trường Trái Đất đều bị tác động bởi lực hấp dẫn hay chính là trọng lực.
Định nghĩa thế năng trọng trường là gì?
Thế năng trọng trường của một vật là dạng năng lượng tương tác giữa Trái Đất và vật đó. Năng lượng này phụ thuộc vào vị trí của vật trong trọng trường.
Hay có thể hiểu:
Cơ năng của vật phụ thuộc vào độ cao của vật so với mặt đất hoặc so với một vị trí khác được chọn làm mốc để tính độ cao gọi là thế năng trọng trường.
– Ví dụ thế năng trọng trường:
+ Quả mít ở trên cây
+ Viên đạn đang bay
Công thức tính thế năng trọng trường
Nếu chọn thế năng của vật đặt tại mặt đất có khối lượng là m.
Độ cao của vị trí tương ứng so với trọng trường trái đất là z.
Thì công thức tính thế năng trọng trường sẽ là:
Wt = m.g.z
Trong đó:
Wt: Thế năng của vật tại vị trí z, đơn vị đo là Jun (J)
m: Là khối lượng của vật (kg)
z: Là độ cao của vật so với mặt đất.
Đặc điểm của thế năng trọng trường
– Mốc thế năng là vị trí ban đầu của vật trong trọng trường trước khi sinh công.
Ví dụ như khi vật được ném lên không trung, lúc này, vị trí vật được ném lên chính là mốc thế năng.
– Thế năng trọng trường là đại lượng vô hướng, Có giá trị dương, âm hoặc bằng không, phụ thuộc vào vị trí chọn làm gốc thế năng.
– Sự biến thiên thế năng và công của trọng lực chính là khi một vật bắt đầu di chuyển từ vị trí A cho đến B.
– Công của trọng lực của vật sẽ được tính bằng hiệu điện thế năng của trọng lực tại 2 vị trí.
Công thức: AAB = Wt (ở A) – Wt (ở B)
Xem thêm:
Thế năng trọng trường phụ thuộc vào yếu tố nào?
– Thế năng trọng trường phụ thuộc vào:
+ Độ cao của vật so với mặt đất hoặc vị trí được chọn làm mốc tính độ cao.
+ Khối lượng của vật. Vật có khối lượng càng lớn và ở càng cao thì thế năng trọng trường của vật càng lớn.
– Ví dụ: Quả nặng của búa máy càng nặng và được nâng càng cao thì khi nó rơi xuống, cái cọc lún vào đất càng nhiều, hay nó thực hiện được công lớn hơn.
Độ biến thiên thế năng trọng trường có liên hệ với công của trọng lực như thế nào?
– Khi một vật chuyển động trong trọng trường từ vị trí M đến vị trí N thì công của trọng lực có giá trị bằng hiệu thế năng trọng trường tại M và tại N.
– Biểu thức: AMN = WtM – WtN
Chú ý:
Biểu thức trên cho thấy công của trọng lực không phụ thuộc vào hình dạng đường đi, mà chỉ phụ thuộc vào điểm đầu và điểm cuối, đồng thời không phụ thuộc vào việc chọn mốc thế năng.
– Hệ quả:
+ Khi vật giảm độ cao, thế năng giảm thì trọng lực sinh công dương.
+ Khi vật tăng độ cao, thế năng tăng thì trọng lực sinh công âm.
Ví dụ: Một chiếc lá khối lượng 10g rơi từ độ cao 2,5m xuống, nó chao liệng trong không trung rồi rơi xuống đất. Lấy g = 9,8 m/s2. Tính công của trọng lực tác dụng lên chiếc lá.
Trả lời:
Chọn mốc thế năng ở mặt đất.
Áp dụng liên hệ giữa độ biến thiên thế năng và công của trọng lực:
A = Wt0 – Wt1 = m.g.z – 0 = 0,01.9,8.2,5 = 0,245 J.
Vậy công của trọng lực tác dụng lên chiếc lá là 0,245 J, công này không phụ thuộc vào hình dạng quỹ đạo của chiếc lá.
Bài tập về thế năng
Để hiểu hơn về lý thuyết thế năng trọng trường bạn có thể xem một số bài tập về thế năng dưới đây để áp dụng:
Bài tập 1:
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?
Hướng dẫn giải:
Bài tập 2:
Một người có khối lượng 60kg đứng trên mặt đất và cạnh một giếng nước, lấy g = 10 m/s2.
a)Tính thế năng của người đó tại vị trí A cách mặt đất 3m về phía trên và tại đáy giếng cách mặt đất 5m, lấy gốc thế năng tại mặt đất.
b)Với mốc thế năng tại đáy giếng, hãy tính lại kết quả câu a
c)Tính công của trọng lực nếu người này di chuyến từ đáy giếng lên độ cao 3m so với mặt đất. Nhận xét kết quả thu được.
Hướng dẫn giải:
Bài tập 3:
Một học sinh lớp 10 trong giờ Vật Lý làm thí nghiệm thả một quả cầu có khối lượng 250 g từ độ cao 1,5 m so với mặt đất. Tính độ cao của vật so với mặt đất khi vận tốc 18 km/h. Chọn vị trí thả vật làm gốc thế năng. Lấy g = 10m/s2.
Hướng dẫn giải:
Bài tập 4:
Trong công viên giải trí, một xe có khối lượng m = 80kg chạy trên đường ray có mặt cắt như hình 35.7. Độ cao của các điểm A, B, C, D, E được tính đối với mặt đất và có các giá trị: zA = 20m, zB = 10m, zC = 15m, zD = 5m, zE = 18m. Tính độ biến thiên thế năng của xe trong trọng trường khi nó di chuyển:
a)Từ A đến B
b) Từ B đến C
c) Từ A đến D
d) Từ A đến E
Hãy cho biết công mà trọng lực thực hiện trong mỗi quá trình đó là dương hay âm
Hướng dẫn giải:
Độ biến thiên thế năng của xe trong trọng trường khi nó di chuyển:
a)Từ A đến B:
ΔWt = m.g.(zA – zB) = 80.9,8.(20 – 10) = 7840J
b)Từ B đến C
ΔWt = m.g.(zB – zC) = 80.9,8.(10 – 15) = – 3920J
c) Từ A đến D
ΔWt = m.g.(zA – zD) = 80.9,8.(20 – 5) = 11760J
d) Từ A đến E
ΔWt = m.g.(zA – zE) = 80.9,8.(20 – 18) = 1568J
=> Công mà trọng lực thực hiện trong mỗi quá trình đó bằng độ biến thiên thế năng trong mỗi quá trình đó. Vậy dấu của công trọng lực chính là dấu của độ biến thiên thế năng.
Bài tập 5:
Một cần cẩu nâng một contenơ có khối lượng 3000kg từ mặt đất lên độ cao 2m (tính theo di chuyển của trọng tâm contenơ), sau đó đổi hướng và hạ nó xuống sàn một ô tô tải ở độ cao cách mặt đất 1,2m.
- Tìm thế năng của contener trong trọng trường khi nó ở độ cao 2m. Tính công của lực phát động (lực căng của dây cáp) để nâng nó lên độ cao này.
- Tìm độ biến thiên thế năng khi contener hạ từ độ cao 2m xuống sàn ô tô. Công của trọng lực có phụ thuộc cách di chuyển contener giữa hai vị trí đó hay không? Tại sao?
Hướng dẫn giải:
1- Khi contener ở độ cao 2m so với mặt đất, thế năng là
Wt = m.g.z = 3000.9,8.2 = 58800 J (mốc thế năng tại mặt đất)
Công của lực phát động để nâng vật lên cao 2m so với mặt đất là (coi chuyển động là đều):
A = │AP│= ΔWt = 58800 – 0 = 58800J
2- Độ biến thiên thế năng khi contenơ hạ từ độ cao 2m xuống sàn ô tô:
Wt1 – Wt2 = m.g.(z1 – z2) = 3000.9,8.(2- 1,2) = 23520J
Công của trọng lực không phụ thuộc dạng đường đi, chỉ phụ thuộc vị trí đầu và vị trí sau.
Tuy nhiên công của trọng lực khi vật di chuyển từ độ cao z2 lên độ cao z1 là công âm, vì hướng trọng lực P ngược hướng với S.
Bài tập 6:
Một buồng cáp treo chở người với khối lượng tổng cộng 800kg đã từ vị trí xuất phát cách mặt đất 10m tới một trạm dừng trên núi ở độ cao 550m, sau đó lại đi tiếp tới một trạm khác ở độ cao 1300m.
a)Tìm thế năng trọng trường của vật tại vị trí xuất phát và tại các trạm dừng – Lấy mặt đất làm mức không – Lấy trạm dừng thứ nhất làm mức không
b) Tính công do trọng lực thực hiện khi buồng cáp treo di chuyển: – Từ vị trí xuất phát tới trạm dừng thứ nhất – Từ trạm dừng thứ nhất tới trạm dừng thứ hai
c) Công này có phụ thuộc việc chọn mức như câu (a) không
Hướng dẫn giải:
a)Chọn mốc thế năng tại mặt đất, chiều dương của trục Oz hướng lên
– Thế năng tại vị trí xuất phát Wt0 = mgz0 = 800.9,8.10 = 78400J
– Thế năng tại trạm dừng thứ nhất: Wt1 = mgz1 = 800.9,8.550 = 4400000J
– Thế năng tại trạm dừng thứ hai: Wt2 = mgz2 = 800.9,8.1300= 101920000J
b) Chọn mốc thế năng tại trạm dừng thứ nhất, chiều dương hướng lên:
– Thế năng tại vị trí xuất phát có tọa độ z0= -540m Wt0 = -4233600J
– Thế năng tại trạm dừng thứ nhất Wt1 = 0
– Thế năng tại trạm dừng thứ hai có z2 = 750m, Wt1 = 5880000J.
c) Công do trọng lực thực hiện khi buông cáp treo di chuyển:
– Từ vị trí xuất phát tới trạm thứ nhất: A1 = mg(z0 – z1) = 800.9,8.(-540) = -4233600J
– Từ vị trí trạm thứ nhất tới trạm thứ hai:
A2 = mg(z1 – z2) = 800.9,8.(-750) = -5880000J
Công này không phụ thuộc việc chọn mốc thế năng
Tổng Kết
Trên đây là những chia sẻ của TTmobile về thế năng trọng trường. Hy vọng từ bài viết bạn sẽ hiểu về lý thuyết thế năng trọng trường cũng như bài tập áp dụng công thức tính thế năng trọng trường. Chúc bạn có thêm kiến thức học tập vui vẻ.
Rất cảm ơn bạn đã quan tâm và đọc bài.
