Công thức Định luật bảo toàn năng lượng

Định luật bảo toàn năng lượng là kiến thức trọng tâm nằm trong chương trình Vật lí lớp 9. Tài liệu bao gồm khái niệm, công thức tính kèm theo các ví dụ minh họa và bài tập trắc nghiệm tự luận kèm theo.

Định luận bảo toàn năng lượng chính là năng lượng không tự nhiên sinh ra hoặc tự mất đi mà chỉ chuyển hóa từ dạng này sang dạng khác hoặc truyền từ vật này sang vật khác. Vậy sau đây là toàn bộ công thức và bài tập vận dụng định luật bảo toàn năng lượng mời các bạn cùng theo dõi. Bên cạnh định luật bảo toàn năng lượng các bạn xem thêm công thức Vật lí 9.

Định luật bảo toàn năng lượng

1. Định luật bảo toàn năng lượng là gì?
2. Bảo toàn năng lượng trong dao động cơ
3. Biểu thức bảo toàn cơ năng
4. Các công thức liên quan định luật bảo toàn năng lượng
5. Ví dụ minh họa định luật bảo toàn năng lượng
6. Bài tập trắc nghiệm về định luật bảo toàn năng lượng
7. Bài tập tự luận về định luật bảo toàn năng lượng

1. Định luật bảo toàn năng lượng là gì?

Định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng

Năng lượng không tự nhiên sinh ra cũng không tự nhiên mất đi mà nó chỉ chuyển hóa từ dạng này sang dạng khác hoặc từ vật này sang vật khác. Đây được coi là định luật cơ bản của vật lý học.

Ví dụ:

Nếu thả một hòn bi từ trên cao xuống một cái chén thì năng lượng của hòn bi là thế năng hấp dẫn, rơi vào chén và chuyển động quanh thành chén là động năng, đồng thời phát ra tiếng động là âm năng. Ngoài ra bi còn ma sát với thành chén tạo ra nhiệt năng, vậy ta có thể thấy từ một dạng năng lượng là thế năng đã chuyển hóa thành ba dạng năng lượng như đã nêu ở trên.

2. Bảo toàn năng lượng trong dao động cơ

Năng lượng trong dao động cơ được gọi là cơ năng. Cơ năng bằng tổng động năng và thế năng. Trong một hệ kín cơ năng không đổi.

Khái niệm động năng

Động năng của một vật là năng lượng có được từ chuyển động của vật đó. Nó được định nghĩa là công cần thực hiện để gia tốc một vật với khối lượng cho trước từ trạng thái nghỉ tới vận tốc hiện thời của vật .

Động năng của một vật rơi tự do được tính bằng công thức: Wd= $\frac{1}{2}$ mv²

Trong đó:

Wd: động năng của vật (J)
m: khối lượng của vật (g)
v: vận tốc của vật (m/s)

Khái niệm thế năng

Thế năng là một đại lượng vật lý đặc trưng cho khả năng sinh công của vật. Thế năng của một vật rơi tự do được tính bằng công thức: Wt=mgh

Trong đó:

Wt: Thế năng của vật (J)
m: Trọng lượng của vật (g)
h: Độ cao của vật khi rơi tự do (m)

3. Biểu thức bảo toàn cơ năng

W=Wd₁+Wt₁=Wd₂+Wt₁= $\frac{1}{2}$ mv1^{2 +}mgh₁ + $\frac{1}{2}$ mv2²+ mgh₂

Trong đó:

Wd1: Động năng của vật ở vị trí có vận tốc v1
Wd2: Động năng của vật ở vị trí có vận tốc v2
Wt1: Thế năng của vật ở độ cao h1
Wt2: Thế năng của vật ở độ cao h2

Dựa vào biểu thức trên ta có thể thấy rằng:

Một vật khi rơi tự do, tại thời điểm thế năng cực đại thì động năng bằng 0. Động năng cực đại thì thế năng bằng 0. Động năng tăng thì thế năng giảm. Động năng giảm thì thế năng tăng, nhưng tổng động năng và thế năng là một đại lượng không đổi.

4. Các công thức liên quan định luật bảo toàn năng lượng

Công

A=F.s.cosα

(Chỉ áp dụng cho trường hợp lực không thay đổi và quỹ đạo thẳng)

Công suất trung bình:

P= $\frac{A}{t}$

Công suất tức thời:

$P=\vec{F} \vec{v}=F \cdot v \cdot \cos \alpha$

Động năng:

Wd= $\frac{1}{2}$ mv²

Liên hệ giữa động năng và công:

ΔWd=Wd₂–Wd₁=Ap

(Công của ngoại lực F)

Thế năng trọng trường:

Wt=mgz

Liên hệ giữa thế năng trọng trường và công:

–ΔWt=Wt₁–Wt₂=Ap

Công của trọng lực(rơi):

Ap=mgh

(Khi vật đi lên thì thêm dấu “-“)

Thế năng đàn hồi:

Wt= $\frac{1}{2}$ kx²

Liên hệ giữa thế năng đàn hồi và công:

–ΔWt=Wt₁–Wt₂=AFdh

Cơ năng:

W=Wt+Wd

Định luật bảo toàn cơ năng:

Wd1+Wt1=Wt2+Wd2

(Cơ năng chỉ bảo toàn khi không có ngoại lực khống chế)

Độ cao động năng bằng n lần thế năng:

$h = \frac{ho}{n+1}$

(Nếu thế năng bằng m lần động năng thì thay n=1/m , chỉ áp dụng khi làm bài trắc nghiệm hoặc kiểm tra kết quả)

Hiệu suất:

$H = \frac{Aci}{Atp}$

Aci: Công có ích

Atp: Công toàn phần

5. Ví dụ minh họa định luật bảo toàn năng lượng

Một vật có m = 10g, rơi tự do tại độ cao 5m, vận tốc rơi 13km/h. Tìm cơ năng biết g= 9.8m/s2.

Lời giải:

Áp dụng công thức

W=Wd+Wt=mv²+mgh=554,8J

6. Bài tập trắc nghiệm về định luật bảo toàn năng lượng

Bài 1 : Trong các hiện tượng tự nhiên, thường có sự biến đổi giữa:

A. Điện năng và thế năng

B. Thế năng và động năng

C. Quang năng và động năng

D. Hóa năng và điện năng

Bài 2 : Trong quá trình biến đổi thế năng thành động năng và ngược lại trong các hiện tượng tự nhiên. Cơ năng luôn luôn giảm, phần cơ năng hao hụt đi đã chuyển hóa thành:

A. Nhiệt năng

B. Hóa năng

C. Quang năng

D. Năng lượng hạt nhân

Bài 3 : Trong động cơ điện, phần lớn điện năng chuyển hóa thành:

A. Điện năng

B. Hóa năng

C. Quang năng

D. Cơ năng

Bài 4 : Chọn phát biểu đúng.

A. Trong động cơ điện, phần lớn điện năng chuyển hóa thành nhiệt năng.

B. Trong các máy phát điện, phần lớn cơ năng chuyển hóa thành hóa năng.

C. Phần năng lượng hữu ích thu được cuối cùng bao giờ cũng lớn hơn phần năng lượng ban đầu cung cấp cho máy.

D. Phần năng lượng hao hụt đi biến đổi thành dạng năng lượng khác.

Bài 5 : Phát biểu nào sau đây là đúng khi nói về định luật bảo toàn năng lượng.

A. Năng lượng có thể tự sinh ra hoặc tự mất đi và chuyển từ dạng này sang dạng khác hoặc truyền từ vật này sang vật khác

B. Năng lượng không tự sinh ra và tự mất đi mà có thể truyền từ vật này sang vật khác

C. Năng lượng không tự sinh ra hoặc tự mất đi mà chỉ chuyển từ dạng này sang dạng khác hoặc truyền từ vật này sang vật khác

D. Năng lượng không tự sinh ra hoặc tự mất đi mà chỉ chuyển từ dạng này sang dạng khác

Bài 6 : Trong máy phát điện, điện năng thu được bao giờ cũng có giá trị nhỏ hơn cơ năng cung cấp cho máy. Vì sao?

A. Vì một đơn vị điện năng lớn hơn một đơn vị cơ năng

B. Vì một phần cơ năng đã biến thành dạng năng lượng khác ngoài điện năng

C. Vì một phần cơ năng đã tự biến mất

D. Vì chất lượng điện năng cao hơn chất lượng cơ năng

Bài 7 : Trong các quá trình biến đổi từ động năng sang thế năng và ngược lại, điều gì luôn xảy ra với cơ năng?

A. Luôn được bảo toàn

B. Luôn tăng thêm

C. Luôn bị hao hụt

D. Khi thì tăng, khi thì giảm

Bài 8 : Hiệu suất pin mặt trời là 10%. Điều này có nghĩa: Nếu pin nhận được:

A. điện năng là 100J thì sẽ tạo ra quang năng là 10J

B. năng lượng mặt trời là 100J thì sẽ tạo ra điện năng là 10J

C. điện năng là 10J thì sẽ tạo ra quang năng là 100J

D. năng lượng mặt trời là 10J thì sẽ tạo ra điện năng là 100J

Bài 9 : Nói hiệu suất động cơ điện là 97%. Điều này có nghĩa là 97% điện năng đã sử dụng được chuyển hóa thành:

A. cơ năng

B. nhiệt năng

C. cơ năng và nhiệt năng

D. cơ năng và năng lượng khác

Bài 10 : Hiện tượng nào dưới đây không tuân theo định luật bảo toàn năng lượng?

A. Bếp nguội đi khi tắt lửa

B. Xe dừng lại khi tắt máy

C. Bàn là nguội đi khi tắt điện

D. Không có hiện tượng nào

7. Bài tập tự luận về định luật bảo toàn năng lượng

Bài 1

Trong các máy móc làm biến đổi năng lượng từ dạng này sang dạng khác, năng lượng hữu ích thu được cuối cùng luôn ít hơn năng lượng ban đầu cung cấp cho máy. Điều đó có trái với định luật bảo toàn năng lượng không? Tại sao?

Trả lời:

Không. Vì khi năng lượng ban đầu chuyển sang năng lượng có ích còn một phần chúng sẽ chuyển sang các dạng năng lượng khác.

Bài 2

Một quả bóng cao su được ném từ độ cao h xuống nền đất cứng và bị nảy lên. Sau mỗi lần nảy lên, độ cao giảm dần, nghĩa là cơ năng giảm dần. Điều đó có trái với định luật bảo toàn năng lượng không? Tại sao? Hãy dự đoán xem còn có hiện tượng gì xảy ra với quả bóng ngoài hiện tượng bị nảy lên và rơi xuống.

Trả lời:

Không trái với định luật bảo toàn năng lượng, vì một phần cơ năng của quả bóng đã biến thành nhiệt năng khi quả bóng đập vào đất, một phần truyền cho không khí làm cho các phần tử không khí chuyên động.

Bài 3

Trong nhà máy thủy điện có một tuabin. Khi tuabin này quay làm cho rôto của máy phát điện quay theo, cung cấp cho ta năng lượng điện. Tuabin này quay liên tục nhờ nước ở hồ chứa mà ta không mất công bơm lên. Phải chăng tuabin này là một động cơ vĩnh cửu? Vì sao?

Trả lời:

Tuabin này không phải là một động cơ vĩnh cửu. Muốn cho tuabin chạy, phải cung cấp cho nó năng lượng ban đầu, đó là năng lượng của nước từ trên cao chảy xuống. Ta không phải bơm nước lên, nhưng chính Mặt Trời đã cung cấp nhiệt năng làm cho nước bốc hơi bay lên cao thành mây rồi thành mưa rơi xuống hồ chứa nước ở trên cao.