Công thức tính thế năng là một trong những kiến thức cơ bản trong chương trình môn Vật lí 10 trong cả 3 sách Kết nối tri thức, Cánh diều và Chân trời sáng tạo.
Cách tính thế năng mà Download.vn sẽ giới thiệu trong bài học hôm nay gồm toàn bộ kiến thức về lý thuyết, công thức tính thế năng đàn hồi, công thức thế năng trọng trường và các bài tập tự luyện. Qua đó giúp các bạn học sinh tham khảo, hệ thống lại kiến thức để giải nhanh các bài tập về thế năng. Ngoài ra các bạn xem thêm công thức Vật lí 10.
Công thức tính thế năng
1. Thế năng là gì?
Thế năng là đại lượng vật lý thể hiện cho khả năng sinh công của vật. Thế năng tồn tại dưới dạng năng lượng của chính vật đó. Trong cơ học thì đây là trường thế vô hướng của vectơ lực bảo toàn. Xét về cơ học thì thế năng sẽ có giá trị tùy vào điểm lấy làm mốc (cũng tương tự như các trường thế vô hướng khác).
Bên cạnh đó, người ta cũng sử dụng khái niệm “hiệu thế năng” để so sánh thế năng giữa hai điểm. Đôi khi, hiệu thế năng được dùng để nói về thế năng của một điểm (trường hợp lấy điểm còn lại là mốc có thế năng bằng 0).
2. Công thức thế năng đàn hồi
*Công thức thế năng đàn hồi
Wđh = (1/2)*k*(Δl)2 (hoặc Wđh = 0,5*k*x2)
Trong công thức này:
- k là độ cứng của lò xo, nó được tính bằng đơn vị N.m
- x là độ biến dạng của lò xo, đơn vị là m
3. Công thức thế năng trọng trường
Công thức tính thế năng trọng trường của vật có khối lượng m đặt tại mặt đất, chiều cao so với trọng trường Trái đất là z. Lúc này, công thức thế năng sẽ là:
Wt=m*g*z
Trong công thức này,
- Wt là thế năng trọng trường của vật tại vị trí z (J)
- m là khối lượng của vật (kg)
- z là độ cao của vật tính từ mặt đất
- g là gia tốc của vật đó
4. Thế năng tĩnh điện là gì?
Thế năng tĩnh điện được xem là một lực bảo toàn dạng tĩnh điện.
Nó được tính dựa vào công thức
φ = q*V.
Trong đó,
- q là điện thế
- V là điện tích của vật xác định được
5. Ví dụ minh họa về tính thế năng
Ví dụ 1: Một lò xo đang nằm ngang với độ cứng k = 250 N/m, ta tác dụng trực tiếp khiến lò xo này bị dãn ra khoảng 2cm. Lúc này, thế năng đàn hồi của lò xo sẽ tính bằng
0.5*250*(200-2)*2 = 0.05 (j).
Ví dụ 2: Thanh lò xo nằm ngang có chiều dài k, độ cứng là 250N/m, lò xo bị kéo dãn 2 cm vậy lúc này thì công của lực đàn hồi sẽ là bao nhiêu?
Giải:
A = Wt2 – Wt1 = 0.5*250*(0.042 – 0.022) = 0.15 (j)
Lúc này công cần tìm sẽ là A’ = -A = -0.15 (J)
6. Bài tập vận dụng
Bài 1: Một vật có khối lượng 1 kg đang ở cách mặt đất một khoảng H=20 m. Ở chân đường thẳng đứng đi qua vật có một cái hố sâu h=5 m. Cho g=10 m/s2.
a) Tính thế năng của vật khi chọn gốc thế năng là đáy hố.
b) Cho vật rơi không vận tốc ban đầu, tìm vận tốc của vật khi chạm đáy hố. Bỏ qua sức cản của không khí.
c) Với gốc thế năng là mặt đất thì thế năng của vật khi nằm ở đáy hố bằng bao nhiêu?
Bài 2: Một người có khối lượng 60kg đứng trên mặt đất và cạnh một cái giếng nước, lấy g = 10 m/s2.
a. Tính thế năng của người tại A cách mặt đất 3m về phía trên và tại đáy giếng cách mặt đất 5m với gốc thế năng tại mặt đất.
b. Nếu lấy mốc thể năng tại đáy giếng, hãy tính lại kết quả câu trên
c. Tính công của trọng lực khi người di chuyến từ đáy giếng lên độ cao 3m so với mặt đất. Nhận xét kết quả thu được.
Bài 3: Một vật có khối lượng m=3 kg được đặt ở một vị trí trong trọng trường và thế năng tại vị trí đó bằng Wt1=600 J. Thả tự do cho vật rơi tới mặt đất, tại đó thế năng của vật bằng Wt2=- 900 J.
a) Hỏi vật đã rơi từ độ cao nào so với mặt đất?
b) Xác định vị trí ứng với mức 0 của thế năng đã chọn và tìm vận tốc của vật khi đi qua vị trí này.
Bài 4: Một con lắc đơn gồm vật nặng khối lượng m = 1 kg treo vào sợi dây có chiều dài l = 40 cm. Kéo vật đến vị trí dây làm với đường thẳng đứng một góc αo = 60o rồi thả nhẹ. Bỏ qua sức cản không khí. Lấy g = 10 m/s2. Tìm vận tốc của con lắc và lực căng của sợi dây khi nó đi qua:
a) Vị trí ứng với góc α = 30o.
b) Vị trí cân bằng.
