Đáp án Vật lí 9 cánh diều Bài 2: cơ năng

BÀI 2: CƠ NĂNG

Mở đầu: Khi xảy ra sạt lở đất ở vùng đồi núi, các khối đất đá từ trên cao trượt xuống dưới có thể gây thiệt hại cho con người và tài sản (hình 2.1). Trước khi sạt lở, khối đát đá ở trên cao có thế năng. Trong quá trình trượt xuống, khối đất đá có động năng. Thế năng và động năng của khối đất đá được tính như thế nào?

Hướng dẫn chi tiết:

• Thế năng được tính bằng công thức: Wt = m x g x h

Trong đó:

• Wt là thế năng m là khối lượng của khối đất đá
• g là gia tốc của trân chuyển (gia tốc của trân chuyển trên Earth là 9,8 m/s²)
• h là độ cao của vị trí của khối đất đá so với mực nước đầu

• Động năng được tính bằng công thức: Wđ = 0,5 x m x v²

Trong đó:

• Wđ là động năng
• m là khối lượng của khối đất đá
• v là tốc độ của khối đất đá

I. ĐỘNG NĂNG

Câu 1: Lấy ví dụ về các vật có động năng trong đời sống.

Hướng dẫn chi tiết:

Ví dụ: Ô tô đang chạy trên đường, con vật đang di chuyển,...

Câu 2: Tính động năng của xe máy có khối lượng 100kg đang chuyển động với vận tốc 15m/s.

Hướng dẫn chi tiết:

W_đ = 0.5 x m x v² = 11250 (J)

II. THẾ NĂNG TRỌNG TRƯỜNG

Câu 1: Thế năng trọng trường của vật phụ thuộc vào những yếu tố nào?

Hướng dẫn chi tiết:

Thế năng trọng trường của vật phụ thuộc vào: Khối lượng của vật và độ cao của vật.

Câu 2: Ở gần mặt đất, trọng lượng của vật liên hệ với khối lượng của nó như thế nào?

Hướng dẫn chi tiết:

Trọng lượng của vật tỉ lệ thuận với khối lượng của vật.

Câu 3: Trong hình 1.4, kiện hàng được người công nhân đưa lên cao 1,2 m so với mặt đất. Chọn mặt đất là mốc thế năng. Tính thế năng trọng trường của kiện hàng, biết rằng trọng lượng của kiện hàng là 45 N.

Hướng dẫn chi tiết:

W_t = P x h =  45 x 1,2 = 54 (J)

III. CƠ NĂNG

Câu 1: Khi chuyển động từ vị trí B đến vị trí C, vì sao thế năng của bạn nhỏ  tăng dần?

Hướng dẫn chi tiết:

Thế năng của bạn tăng dần khi chuyển động từ B đến C do độ cao của bạn tăng dần.

Câu 2: Tính cơ năng của bạn nhỏ ở vị trí B (hình 2.3) trong 2 trường hợp:

1. a) Chọn mặt đất làm mốc thế năng. Biết rằng, động năng của bạn nhỏ tại B bằng 90J và thế năng bằng 150J.
2. b) Chọn điểm B làm mốc thế năng.

Hướng dẫn chi tiết:

1. a) W = W_đ + W_t = 90 + 150 = 240 (J)
2. b) W = W_đ + W_t = 90 + 0 = 90 (J)

Câu 3: Phân tích sự chuyển hóa động năng và thế năng của bạn nhỏ khi chơi cầu trượt ở hình 2.4 trong 2 trường hợp sau:

1. a) Bỏ qua ma sát của mặt cầu trượt và lực cản không khí.
2. b) Lực ma sát giữa bạn nhỏ và cầu trượt có giá trị đáng kể.

Hướng dẫn chi tiết:

1. a) Bỏ qua ma sát của mặt cầu trượt và lực cản không khí:

• Tại vị trí A (đầu cầu trượt): Động năng bằng 0 vì bạn nhỏ đang đứng yên, thế năng trọng trường lớn nhất vì bạn nhỏ ở độ cao cao nhất.
• Khi di chuyển từ A đến B (cuối cầu trượt): Động năng tăng dần do bạn nhỏ được gia tốc bởi lực hấp dẫn. Thế năng trọng trường giảm dần do độ cao của bạn nhỏ giảm dần.
• Tại vị trí B (cuối cầu trượt): Động năng lớn nhất vì bạn nhỏ đạt tốc độ cao nhất. Thế năng trọng trường nhỏ nhất vì bạn nhỏ ở độ cao thấp nhất.

® Trong trường hợp này, tổng động năng và thế năng của bạn nhỏ bảo toàn (không đổi) vì không có ma sát và lực cản không khí.

1. b) Lực ma sát giữa bạn nhỏ và cầu trượt có giá trị đáng kể:

• Tại vị trí A (đầu cầu trượt): Động năng = 0 vì bạn nhỏ đang đứng yên, thế năng trọng trường lớn nhất vì bạn nhỏ ở độ cao cao nhất.
• Khi di chuyển từ A đến B (cuối cầu trượt): Động năng tăng dần do bạn nhỏ được gia tốc bởi lực hấp dẫn, thế năng trọng trường giảm dần do độ cao của bạn nhỏ giảm dần.
• Tuy nhiên, một phần năng lượng bị mất do ma sát. Thế năng trọng trường không giảm đến giá trị nhỏ nhất.
• Tại vị trí B (cuối cầu trượt): Động năng nhỏ hơn so với trường hợp a) do ma sát, thế năng trọng trường lớn hơn so với trường hợp a) do ma sát.

® Trong trường hợp này, tổng động năng và thế năng của bạn nhỏ không bảo toàn do có ma sát và lực cản không khí. Ma sát và lực cản không khí làm giảm tổng năng lượng của hệ.

® Khi bạn nhỏ chơi cầu trượt, động năng và thế năng của bạn nhỏ chuyển hoá lẫn nhau. Ma sát và lực cản không khí làm giảm hiệu quả chuyển hoá năng lượng.

Vận dụng: Trên công trường xây dựng, để đóng các cọc bê tông lún sâu xuống lòng đất, người ta dùng búa máy như hình 2.5. Đầu búa có trọng lượng lớn được kéo lên một độ cao nhất định so với mặt đất rồi thả rơi xuống đập vào cọc bê tông.

Mô tả sự chuyển hóa năng lượng của đầu búa từ lúc được thả rơi cho tới ngay trước khi đập vào cọc. Bỏ qua sự hao phí năng lượng do lực cản của môi trường.

Hướng dẫn chi tiết:

• Tại vị trí A (vị trí ném):
• W_đ = ½ mv² (Vật có vận tốc ban đầu)
• W_t = mgh (Vật ở độ cao h)
• Khi di chuyển từ A đến B (điểm cao nhất): Wđ giảm dần, Wt tăng dần
• Tại vị trí B (điểm cao nhất): Wđ = 0 (Vật đứng yên), Wt = mghmax (Vật ở độ cao cao nhất)
• Khi di chuyển từ B đến C (vị trí chạm đất): Wđ tăng dần, Wt giảm dần
• Tại vị trí C (vị trí chạm đất):
• Wđ = ½ mv² (Vật có vận tốc khi chạm đất)
• Wt = 0 (Vật ở độ cao 0)
• Nhận xét: Tổng năng lượng của quả bóng bảo toàn (không đổi) trong suốt quá trình chuyển động. Động năng và thế năng trọng trường chuyển hoá lẫn nhau liên tục.
• Ảnh hưởng của lực cản không khí: Lực cản không khí làm giảm tổng năng lượng của quả bóng, độ cao cao nhất mà quả bóng đạt được giảm dần theo thời gian.