Câu hỏi và bài tập tự luận vật lí 9 chân trời sáng tạo

BÀI 2: CƠ NĂNG

(17 CÂU)

1. NHẬN BIẾT (5 CÂU)

Câu 1: Động năng là gì? Nêu biểu thức tính động năng.

Trả lời:

- Động năng là dạng năng lượng mà một vật có được do chuyển động. Vật có khối lượng càng lớn và chuyển động càng nhanh thì động năng càng lớn.

- Biểu thức tính động năng:

Trong đó: m (kg) là khối lượng của vật.

v (m/s) là tốc độ chuyển động của vật.

W_đ (J) là động năng của vật.

Câu 2: Thế năng là gì? Nêu biểu thức tính thế năng.

Trả lời:

- Thế năng trọng trường, hay gọi tắt là thế năng, là năng lượng vật có được khi ở trên cao so với mặt đất (hoặc so với một vị trí khác được chọn làm mốc để tính độ cao). Giá trị của thế năng phụ thuộc vào mốc chọn để tính độ cao hay còn goi là mốc thế năng. Thông thường, gốc thế năng được chọn tại mặt đất. Vật có trọng lượng càng lớn ở độ cao càng lớn thì thế năng của vật càng lớn.

- Biểu thức tính thế năng:

W_t = Ph

Trong đó: P (N) là trọng lượng của vật

h (m) là độ cao của vật so với mặt đất

W_t (J) là thế năng trọng trường của vật.

Câu 3: Lấy ví dụ minh họa các vật có động năng trong đời sống.

Trả lời:

Ví dụ minh họa các vật có động năng trong đời sống:

- Kiện hàng đang dịch chuyển trên băng truyền.

- Ô tô đang chạy trên đường.

- Máy bay chuyển động trên bầu trời.

-…

Câu 4: Lấy ví dụ minh họa các vật có thế năng trong đời sống.

Trả lời:

Ví dụ về các trường hợp có động năng trong đời sống:

- Quả dừa ở trên cây.

- Đồng hồ treo trên tường.

- Khinh khí cầu lơ lửng trên không.

-…

Câu 5: Cơ năng là gì? Nêu một số ví dụ minh họa cho các vật vừa có động năng, vừa có thế năng.

Trả lời:

- Trong thực tế, một vật có thể vừa có động năng, vừa có thế năng. Tổng động năng và thế năng của vật được gọi là cơ năng.

W = W_đ + W_t

- Ví dụ minh họa cho các vật vừa có động năng, vừa có thế năng:

+ Ô tô đang chạy xuống dốc.

+ Vệ tinh nhân tạo quay quanh Trái Đất.

+ Dù lượn đang bay trên không trung.

2. THÔNG HIỂU (5 CÂU)

Câu 1: Động năng của một người chạy bộ thay đổi như thế nào khi tốc độ chạy tăng lên gấp đôi?

Trả lời:

- Động năng của người chạy bộ được xác định bởi biểu thức:

- Ta thấy động năng tỉ lệ thuận với bình phương tốc độ chạy nên khi tốc độ chạy tăng lên gấp đôi thì động năng sẽ tăng gấp 4 lần.

Câu 2: Tính động năng của một ô tô tải có khối lượng 3 tấn đang chạy trên đường với tốc độ 36 km/h.

Trả lời:

Đổi: 3 tấn = 3000 kg

36 km/h = 10 m/s

Động năng của ô tô tải đó là

Câu 3: Một máy bay có tổng khối lượng khoảng 300 tấn, đang bay với tốc độ 972 km/h ở độ cao 10 km so với mực nước biển. Tính động năng, thế năng và cơ năng của máy bay.

Trả lời:

Đổi: 300 tấn = 300 000 kg

972 km/h = 270 m/s

10 km = 10 000 m

Động năng của máy bay là:

Thế năng của máy bay là:

W_t = Ph = 10m.h = 10.300 000.10 000 = 3.10¹⁰ J

Cơ năng của máy bay là:

W = W_đ + W_t = 1,0935.10¹⁰ + 3.10¹⁰ = 4,0935.10¹⁰ J

Câu 4: Một chiếc hộp nhỏ có trọng lượng 90 N được đặt trên thành giếng có độ cao là 2 m so với mặt đất. Tính thế năng trọng trường của chiếc hộp này trong hai trường hợp sau:

1. a) Chọn gốc thế năng tại mặt đất.
2. b) Chọn gốc thế năng tại đáy giếng, biết giếng sâu 4 m.

Trả lời:

1. a) Thế năng trọng trường của chiếc hộp khi chọn gốc thế năng ở mặt đất là

W_t = Ph = 9.2 = 18 J

1. b) Thế năng trọng trường của chiếc hộp khi chọn gốc gốc thế năng tại đáy giếng là

W_t = Ph = 9.(2 + 4) = 72 J

Câu 5: Một quả bóng tennis có khối lượng m = 50 g được thả rơi từ vị trí A độ cao 1,8m xuống đất và bật lại lên đến vị trí B có độ cao 1 m.

1. a) Tính cơ năng của quả bóng tại vị trí A và B.
2. b) Phần cơ năng bị tiêu hao đã chuyển hóa thành dạng năng lượng nào?

Trả lời:

1. a) Đổi m = 50 g = 0,05 kg

Cơ năng của quả bóng tại vị trí A là:

W = W_t = Ph = 10m.h_A = 10.0,05.1,8 = 0,9 J

Cơ năng của quả bóng tại vị trí B là:

W = W_t = Ph = 10m.h_B = 10.0,05.1 = 0,5 J

1. b) Phần cơ năng bị tiêu hao đã chuyển hóa thành nhiệt năng.

3. VẬN DỤNG (5 CÂU)

Câu 1: So sánh thế năng trong các trường hợp sau:

1. a) Vật A có khối lượng 2 kg được giữ yên ở độ cao 4 m so với mặt đất.
2. b) Vật B có khối lượng 4 kg đang chuyển động với tốc độ 3 m/s ở độ cao 2 m so với mặt đất.
3. c) Vật C có khối lượng 2,5 kg đang chuyển động với tốc độ 11,52 km/h ở độ cao 4 m so với mặt đất.
4. d) Vật D có khối lượng 8 kg được đặt trên mặt bàn cao 1 m so với mặt đất.

Trả lời:

Vậy thế năng của các vật A, B và D bằng nhau và nhỏ hơn thế năng của vật C.

Câu 2: Một viên đạn có khối lượng 20 g được bắn ra từ nòng súng với tốc độ 500 m/s. Hãy tính năng lượng được chuyển hóa thành nhiệt khi viên đan xuyên qua một tấm gỗ và dừng lại, giả sử rằng toàn bộ động năng của đạn chuyển thành nhiệt.

Trả lời:

Đổi: 20 g = 0,02 kg

Vì toàn bộ động năng của đạn chuyển hóa thành nhiệt nên năng lượng được chuyển hóa thành nhiệt được tính theo công thức:

Câu 3: Một em bé có khối lượng 10 kg bắt đầu trượt từ trên cầu trượt cao 3 m xuống. Tính độ giảm thế năng của em bé khi trượt xuống đến dưới đất. Biết gốc thế năng tại mặt đất.

Trả lời

Độ giảm thế năng của em bé khi trượt xuống đến dưới đất là

ΔW_t = W_t1 – W_t2 = Ph₁ – Ph₂ = 10m.h₁ – 10m.h₂ = 10.10.3 = 300 J

Câu 4: Một vận động viên trượt tuyết có khối lượng 60 kg thực hiện pha trượt tuyết mạo hiểm, bắt đầu trượt không vận tốc đầu từ vị trí 1 và trượt theo quỹ đạo như hình bên dưới. Chọn gốc thế năng tại vị trí 5.

1. a) Phân tích sự chuyển hoá năng lượng của vận động viên này.
2. b) Nếu cơ năng của vận động viên không đổi thì động năng của người đó tại vị trí 4 bằng bao nhiêu?

Trả lời:

1. a) Tại vị trí 1, vận động viên chỉ có thế năng.

Trong quá trình trượt từ vị trí 1 đến vị trí 3, thế năng của vận động viên giảm và chuyển hoá một phần thành động năng. Tại vị trí 3, cơ năng của vận động viên bao gồm cả thế năng và động năng.

Từ vị trí 3 sang vị trí 4, động năng của vận động viên giảm và chuyển hoá một phần thành thế năng. Từ vị trí 4 sang vị trí 5, thế năng của vận động viên giảm và chuyển hoá dần thành động năng.

Tại vị trí 5, vận động viên chỉ có động năng.

1. b) Cơ năng không đổi nên:

W = W_t1 + 0 = W_t4 + W_đ4

=> W_đ4 = W_t1 – W_t4 = 10m(h₁ – h₄) = 10.60.(10 – 6) = 2400 J

Câu 5: Việt Nam có rất nhiều cung đường đèo nguy hiểm, gây nguy hiểm cho người tham gia giao thông, đặc biệt là xe tải. Để hạn chế tai nạn xảy ra tại các khúc cua quanh co, người ta dùng các biện pháp: lắp gương cầu lồi ở các khúc cua, gờ giảm tốc, hộ lan cứng,…Tuy nhiên có một biện pháp hiệu quả hơn và có thể đảm bảo hơn đó là đường cứu nạn. Khi xe tải mất phanh, xe tải sẽ tắt máy và chạy vào đoạn đường cứu nạn này và chuyển động chậm dần cho đến khi dừng lại.

Do phanh trên xe tải hỏng nên người tài xế đã tắt máy và lái xe vào đường cứu nạn. Theo em, tại đoạn đường cứu nạn, động năng của xe tải đã thay đổi như thế nào cho đến khi dừng lại?

Trả lời:

Khi xe tải tắt máy và chạy lên dốc, động năng của xe chuyển hóa dần thành thế năng (và nhiệt). Khi xe tải dừng lại, toàn bộ động năng đã được chuyển hóa hoàn toàn sang thế năng (và nhiệt).

4. VẬN DỤNG CAO (2 CÂU)

Câu 1: Một cửa hàng sách cần chuyển một lô sách từ tầng 1 lên tầng 3. Mỗi hộp sách có trọng lượng là 20 N và cửa hàng sử dụng một thang máy nhỏ để di chuyển. Mỗi thang máy có thể chứa 5 hộp sách và mất 30 s cho mỗi chuyến, với độ cao mỗi tầng là 5m.

3. a) Tính thế năng trọng trường mà toàn bộ số hộp sách được chuyển lên trong một lần khi chúng được chuyển lên tầng 3.
4. b) Tính số lượng hộp sách được chuyển lên tầng 3. Nếu cửa hàng mất tổng cộng 30 phút để chuyển toàn bộ số sách. Giả sử không có thời gian nghỉ giữa các chuyến và thời gian để đưa lên, xuống thang máy là không đáng kể.

Trả lời:

1. a) Thế năng trọng trường mà toàn bộ số hộp sách được chuyển lên trong một lần khi chúng được chuyển lên tầng 3 là

W_t = Ph = (20.5).(5.3) = 1500 J

1. b) Đổi: 30 phút = 1800 s

Số lần thang máy di chuyển để đưa sách lên tầng là: 1800 : 30 = 60 lần

Số lượng hộp sách được chuyển lên là: 60.5 = 300 hộp.

Câu 2: Một con lắc gồm vật nặng có khối lượng 1 kg được treo vào đầu sợi dây dài, không dãn. Từ vị trí cân bằng O ban đầu, vật được nâng lên 0,5 m đến điểm A rồi thả nhẹ (hình bên). Coi cơ năng của vật không đổi.

1. a) Tính cơ năng của vật tại A.
2. b) Tính tốc độ của vật khi đi qua điểm O.

Trả lời:

1. a) Chọn gốc thế năng tại O.

Cơ năng tại A:

1. b) Cơ năng không đổi nên ta có động năng tại O là:

Động năng tại O là:

Suy ra, tốc độ tại O là: