Cơ năng là gì? Công thức tính cơ năng và bài tập minh họa

Trong môn vật lý, cơ năng là một đại lượng quan trọng, được tính bằng tổng của động năng và thế năng. Cơ năng là sự kết hợp năng lượng của chuyển động và vị trí của vật thể. Tại định luật bảo toàn cơ năng đã chỉ rõ, cơ năng không đổi trong một hệ kín.

Trên thực tế, nhiều học sinh trong quá trình học chưa hiểu được khái niệm cơ năng cũng như gặp khó khăn trong việc nắm bắt các kiến thức liên quan đến đại lượng quan trọng này. Do đó, các kiến thức được tổng hợp trong bài viết dưới đây sẽ giúp các em có được cái nhìn tổng quan, dễ hiểu hơn về đại lượng cơ năng.

1. Cơ năng là gì?

Hiểu một cách đơn giản, khi 1 vật có khả năng sinh công, ta nói vật đó có cơ năng hoặc cơ năng của một vật. Nếu vật đó có thể sinh ra công càng lớn thì cơ năng của nó sẽ càng lớn. Đơn vị tính của cơ năng là Jun và được ký hiệu là J.

Như đã nhắc đến ở đầu bài viết, trong vật lý học, cơ năng được tính bằng tổng của động năng và thế năng. Cơ năng là sự kết hợp năng lượng giữa chuyển động và vị trí của vật thể.

Xem ngay: Cách để học tốt môn vật lý

2. Hai dạng cơ năng phổ biến

Cơ năng được chia ra làm 2 dạng, bao gồm động năng và thế năng, có quan hệ mật thiết với nhau.

Động năng

Động năng được hiểu là cơ năng của vật được tạo nên nhờ sự chuyển động. Khi vật thể có khối lượng càng lớn và chuyển động càng nhanh thì động năng theo đó cũng sẽ càng lớn.

Thế năng

Thế năng là một đại lượng thường gặp trong môn vật lý, đặc trưng cho khả năng sinh công của vật và tồn tại dưới dạng năng lượng. Thế năng được chia ra làm 2 loại, bao gồm: thế năng trọng trường và thế năng đàn hồi:

• Thế năng trọng trường

Thế năng trọng trường được xác định bởi độ cao của vật so với mặt đất. Nếu không phải mặt đất, chúng ta hoàn toàn có thể sử dụng một vị trí khác để làm mốc tính được độ cao. Khi đó, cơ năng của vật sẽ được tính phụ thuộc vào độ cao của vật đó so với mốc tính độ cao là một điểm đã được xác định trước.

Nếu vật nằm ở vị trí càng cao so với mốc tính đã được xác định trước thì thế năng càng lớn. Nếu vật được đặt trên mặt đất hoặc đặt tại mốc tính thì thế năng trọng trường của vật sẽ bằng 0.

Ngoài ra, thế năng trọng trường của vật còn phụ thuộc vào khối lượng của chính vật đó. Khi vật có khối lượng càng nhỏ thì thế năng theo đó cũng sẽ càng nhỏ.

• Thế năng đàn hồi

Thế năng đàn hồi được dùng khi cơ năng của vật bị ảnh hưởng bởi độ biến dạng của vật đó. Lò xo chính là ví dụ điển hình mà các em dễ thấy nhất.

Xem thêm: Sóng điện từ là gì?

3. Công thức tính cơ năng là gì?

Một vật có thể có cả cơ năng và động năng nên cơ năng của vật được tính bằng tổng của động năng và thế năng. Do đó, ta có công thức tính cơ năng như sau:

W = Wđ + Wt = ½ mv2 + mgz.

Một số ví dụ dễ hiểu về trường hợp vật có cả thế và động năng là: Máy bay đang cất cánh, lá cây rơi, quả rụng,…

4. Hiểu rõ về định luật bảo toàn cơ năng

Định luật bảo toàn cơ năng là định luật bảo toàn chỉ số cơ năng của một vật khi vật đó chuyển động trong trọng trường và vật đó chỉ chịu tác động của lực đàn hồi hoặc trọng lực. Ngoài ra, vật đó không chịu tác động thêm của bất kỳ lực nào khác như: Lực cản, lực ma sát,…

W = Wđ + Wt = const hay ½ mv2 + mgz = const.

Hiểu một cách đơn giản, hai dạng động năng và thế năng của một vật có thể chuyển đổi qua lại với nhau khi vật đó chuyển động trong trọng trường. Tuy nhiên, cơ năng (tổng của hai đại lượng này) không thay đổi khi vật đó chỉ chịu tác động của lực đàn hồi và trọng lực.

Định luật bảo toàn cơ năng được phát biểu như sau: Nếu một vật chuyển động trong trọng trường và chỉ chịu tác động của của trọng lực thì thế năng có thể chuyển thành động năng và ngược lại. Trong trường hợp này, cơ năng của vật (tức tổng của động năng và thế năng) là một đại lượng bảo toàn (không đổi theo thời gian).

Lưu ý: Định luật bảo toàn cơ năng chỉ đúng khi vật đó không chịu thêm tác động của bất kỳ lực nào từ bên ngoài, trừ lực đàn hồi và trọng lực. Trong trường hợp vật chịu thêm tác động từ lực khác trong quá trình chuyển động như: Lực cản, lực ma sát,… thì cơ năng của vật đó sẽ bị biến đổi. Công của các lực tác động sẽ được tính bằng độ biến thiên cơ năng.

Xem ngay: Cách để học tốt vật lý 10

5. Hệ quả của định luật bảo toàn cơ năng

Từ định luật bảo toàn cơ năng, suy ra, trong quá trình một vật chuyển động trong trọng trường, nếu vật đó có động năng tăng thì thế năng sẽ giảm. Ngược lại, nếu thế năng tăng thì động năng của vật sẽ giảm xuống.

Thêm vào đó, tại vị trí thế năng đạt cực tiểu thì động năng sẽ đạt cực đại. Ngược lại, khi thế năng ở cực đại thì động năng lúc này sẽ ở cực tiểu.

Các em muốn cải thiện năng lực cũng như kiến thức lớp 10 có thể luyện trắc nghiệm bài tập lớp 10 tại Học Thông Minh bao gồm tất cả các môn học lớp 10 theo bộ giáo dục đưa ra.

6. Câu hỏi trắc nghiệm về cơ năng:

Câu 1: Một vật được ném lên độ cao 1 m so với mặt đất với vận tốc đầu 2 m/s. Biết khối lượng của vật bằng 0,5 kg. Lấy g = 10m/s2. Bỏ qua sức cản của không khí. Cơ năng của vật so với mặt đất bằng: