Cơ năng là khái niệm quan trọng mà bất kỳ học sinh nào cũng phải nhớ khi học vật lý. Đi cùng với đó, các bạn phải hiểu rõ và ứng dụng thông thạo các công thức tính cơ năng. Vì thế, bài viết sau đây của chúng tôi sẽ giải đáp cho các bạn các công thức cơ năng quan trọng nhất cũng như cách ứng dụng chúng trong các bài tập.
Xem thêm:
- Công thức tính chu kì, tần số của con lắc lò xo và bài tập có lời giải
- Công thức tính động năng và bài tập có lời giải dễ hiểu
- Công thức tính cơ năng của con lắc lò xo và bài tập thực hành
Tìm hiểu cơ năng là gì?
Trước khi tìm hiểu về công thức tính cơ năng, chúng ta cần hiểu rõ thế nào cơ năng. Hiểu một cách đơn giản, cơ năng là đại lượng vật lý biểu hiện mức độ một vật thực hiện công cơ học. Điều này có nghĩa là khi vật thực hiện công càng lớn thì cơ năng của vật đó càng lớn. Ký hiệu của cơ năng là W và đơn vị thể hiện độ lớn là Jun (J). Để hiểu rõ về cơ năng, bạn có thể xem quan ví dụ sau:
Khi một vật có trọng lượng nặng đang đứng yên ở độ cao h so với mặt đất sẽ không có cơ năng nào. Tuy nhiên, khi vật đó được ném hay thả thì vật đó sẽ có cơ năng.
Các dạng cơ năng phổ biến mà bạn cần biết?
Để hiểu rõ về công thức tính cơ năng, bạn phải phân biệt được các dạng cơ năng. Có 2 dạng cơ năng là:
Cơ năng ở dạng thế năng
Thế năng là dạng cơ năng của một vật khi đang ở một đô cao nhất định so với mặt đất. Khi vật ở một độ cao nhất định so với mặt đất hoặc số với một vị trí mốc nào đó, lúc này thế năng của vật đó được gọi là thế năng hấp dẫn. Thế năng của vật bằng 0 khi vật nằm trên mặt đất. Ngoài ra, nếu cơ năng của vật thay đổi theo độ biến dạng của lò xo thì thế năng đó được gọi là thế năng đàn hồi.
Cơ năng ở dạng động năng
Khi vật chuyển động và tạo ra cơ năng thì cơ năng lúc này được gọi là động năng. Động năng của vật sẽ càng lớn khi vật chuyển động càng nhanh. Ngoài ra, nếu vật chuyển động nhanh mà khối lượng của vật của lớn thì động năng của vật cũng càng lớn. Khi vật đứng yên thì động năng của vật bằng 0.
Tổng hợp các công thức tính cơ năng quan trọng mà bạn cần nhớ
Sau đây chính là 2 công thức cơ năng quan trọng nhất:
- W = Wđ + Wt = ½ mv2 + ½ kx2 (trường hợp cơ năng phụ thuộc vào trọng lực).
- W = Wđ + Wt = ½ mv2 + ½ kx2 (trường hợp cơ năng phụ thuộc vào lực đàn hồi).
Công thức tính cơ năng khi vật chuyển động trong trọng trường
Đầu tiên, bạn cần hiểu rõ trọng trường là không gian mà tại đó các vật đều chịu tác động trọng lực (lực hút Trái Đất). Cơ năng của một vật di chuyển trong trọng trường sẽ bằng tổng thế năng và động năng của vật đó. Vì thế, chúng ta có công thức tính cơ năng của vật đó là:
W = Wđ + Wt = 1/2mv2 + mgz.
Nếu vật đó chị chịu tác động mỗi trọng lực thì cơ năng của vật đó được bảo toàn hay W = Wđ + Wt = 1/2mv2 + mgz = const
Còn nếu vật chuyển động trong trọng trường biến thiên thì áp dụng quy luật sau:
- Động năng giảm thì thế năng tăng vì lúc này động năng đã được chuyển hóa thành thế năng hoặc ngược lại.
- Tại cùng một vị trí, nếu động năng cực đại thì thế năng cực tiểu và ngược lại.
Công thức tính cơ năng khi vật chịu tác động của lực đàn hồi
Nếu vật chỉ chịu tác động của lực đàn hồi và không có bất kỳ lực ma sát, lực cản,… thì cơ năng của vật đó bằng tổng động năng và thế năng. Và cơ năng này cũng được bảo toàn. Công thức tính cơ năng của vật trong trường hợp này là:
W = 1/2mv2 + 1/2k(∆l)2 = const.
Một số bài tập ứng dụng công thức tính cơ năng
Bài 1: Độ cứng của một con lắc lò xo là k=100N/m. Lò xo đang dao động điều hòa theo phương trình: x=Acos(wt + 𝞿). Biểu thức của thế năng là Et=0,1cos(4𝛑t +𝛑/2) + 0,1 J. Từ các dữ liệu trên hãy tính phương trình li độ?
=> Đáp án: x = 2 căn 10 cos (2𝛑t + 𝛑/4) cm.
Bài 2: Cho một con lắc đơn có độ dài ký hiệu là l, khối lượng của vật được ký hiệu là m chuyển động ở nơi có gia tốc là g. Khi ấy, hãy xác định công thực tính dao động của con lắc đơn có cùng với biên độ của góc α0.?
=> Đáp án: W =1/2mgl02
Bài 3: Một con lắc đơn được giữ bởi sợi dây có chiều dài l = 1m, trọng lượng của vật m = 0,2kg. Sau đó, vật được kéo lệch ra khỏi vị trí cân bằng để cho và tạo 1 góc với phương thẳng đứng là 60 độ rồi thả nhẹ tay. Ta có g = 10m/s2 ( không tính lực cản không khí). Mốc thế năng của con lắc được chọn ở vị thế cân bằng. Tính cơ năng của vật thể trong trường hợp vị trí thả vật cùng với vận tốc của vật khi đi qua vị trí cân bằng.
=> Đáp án:
Từ các dữ liệu trên có thể thấy vật không chịu các yếu tố bên ngoài nên cơ năng của vật được bảo toàn.
Ta chọn mốc thế năng ở vị trí cân bằng (tại O).
=> WA = WtA+ WđAđA= WtA (DOVA = 0)
=mghA= 0,2 x 10 (CO – CH)
= 2 x (l – l xcosa)= 2 x(1 – lxcos60)= 1 (J)
Khi đó ta có WO = 1= WA(J)
WđO = 1 (DoWto = 0)
⇔ 1/2mv02= 1
⇔ Vo = 10 (m/s)
Kết luận
Hy vọng thông qua bài viết trên, bạn đã hiểu rõ cũng như biết cách ứng dụng các công thức tính cơ năng. Đây đều là các công thức tính cơ năng quan trọng mà bạn cần “học thuộc lòng” để có thể ứng dụng tốt hơn trong bài tập cũng như trong cuộc sống. Theo dõi các bài viết khác của chúng tôi để tìm hiểu thêm về các công thức vật lý thú vị khác.
