Trong quá trình rơi, động năng và thế năng của đầu búa chuyển hóa qua lại lẫn nhau như thế nào?

Lời giải:

Trong quá trình rơi, vận tốc của vật tăng nên động năng của vật tăng, độ cao của vật giảm nên thế năng của vật giảm.

I. Cơ năng

Hoạt động trang 18 KHTN 9: Lấy ví dụ về trường hợp vật vừa có động năng, vừa có thế năng. Mô tả sự chuyển hóa giữa động năng và thế năng.

Lời giải:

Ví dụ: Con lắc đơn đang dao động quanh vị trí cân bằng

Trong quá trình dao động từ vị trí cân bằng đến vị trí biên thì vận tốc của con lắc giảm nên động năng giảm, độ cao của vật tăng nên thế năng tăng

Câu hỏi và bài tập (trang 19)

Câu hỏi trang 19 KHTN 9: Một vật có khối lượng m = 1,5 kg được thả rơi từ độ cao h = 4 m so với mặt đất. Chọn gốc thế năng ở mặt đất, tính tốc độ của vật ngay trước khi chạm đất. Biết toàn bộ thế năng của vật chuyển hóa thành động năng của vật

Lời giải:

Thế năng của vật ở độ cao 4 m là: $W_t=Ph=1,\mathrm{5.10.4}=60J$

Ta có: $W_C=W_d+W_t=0+60=60J$

Cơ năng của vật không thay đổi mà toàn bộ thế năng của vật được chuyển hóa thành động năng nên ta có:

$\begin{array}{l}{W}_d=60J\\ \Rightarrow \frac{1}{2}m{v}^2=60\Rightarrow v=\sqrt{\frac{60.2}{1,5}}=4\sqrt{5}m/s\end{array}$

II. Sự chuyển hóa năng lượng

Hoạt động trang 19 KHTN 9: Thí nghiệm về sự chuyển hóa động năng – thế năng

Chuẩn bị: Con lắc đơn (gồm vật năng, sợi dây không dãn) được treo vào giá thí nghiệm.

Tiến hành:

- Kéo vật nặng đến vị trí A ở độ cao h rồi thả nhẹ, vật nặng chuyển động đến vị trí thấp nhất O rồi tiếp tục đi lên, rồi dừng lại tại điểm B (Hình 3.2), rồi sau đó chuyển động ngược lại.

- So sánh độ cao điểm B với độ cao điểm A.

- Quan sát vật nặng chuyển động qua lại điểm O sau một khoảng thời gian

Trả lời các câu hỏi sau:

1. Có nhận xét gì về sự chuyển hóa giữa động năng và thế năng của vật nặng?

2. Vì sao sau một khoảng thời gian chuyển động, độ cao của vật nặng giảm dần?

Lời giải:

1. Nhận xét: Khi động năng của con lắc đơn tăng thì thế năng của nó giảm và ngược lại

2. Sau một khoảng thời gian chuyển động, độ cao của vật nặng giảm dần vì lực cản của không khí

Câu hỏi và bài tập (trang 19)

Câu hỏi trang 19 KHTN 9: Nếu bỏ qua lực cản của không khí, hãy mô tả sự chuyển hóa động năng và thế năng của các vật được ném với cùng tốc độ ban đầu (Hình 3.3) trong hai trường hợp:

- Ném theo phương ngang, vật chuyển động theo quỹ đạo (1).

- Ném vật theo hướng chếch lên trên, vật chuyển động theo quỹ đạo (2).

Lời giải:

- Khi ném theo phương ngang, vật chuyển động theo quỹ đạo (1) thì động năng của vật tăng, thế năng của vật giảm trong toàn bộ quá trình

- Khi ném vật theo hướng chếch lên trên, vật chuyển động theo quỹ đạo (2) thì ban đầu động năng của vật giảm, thế năng của vật tăng. Đến độ cao cực đại thì vật bắt đầu rơi xuống, động năng của vật tăng, thế năng của vật giảm

Hoạt động trang 20 KHTN 9: Xe thế năng có cấu tạo được mô tả trong Hình 3.4. Quả nặng được nối với trục xe qua một ròng rọc cố định bởi một sợi dây mềm, không dãn. Sợi dây được quấn nhiều vòng quanh trục xe.

Khi thả quả nặng chuyển động từ trên xuống, sợi dây sẽ kéo trục bánh xe làm bánh xe lăn, xe sẽ chuyển động.

a) Mô tả sự chuyển hóa năng lượng từ khi thả quả nặng đến khi quả nặng chạm sàn xe.

b) Cho độ cao ban đầu của quả nặng so với sàn xe là 8 cm, khối lượng của quả nặng là m1 = 20 g, khối lượng của xe là m2 = 50 g. Tính tốc độ của xe ngay khi quả nặng chạm sàn xe, nếu coi toàn bộ thế năng của quả nặng chuyển hóa thành động năng.

c) Trong thực tế, giá trị tốc độ thu được của xe khi quả nặng chạm sàn xe sẽ nhỏ hơn giá trị tính toán ở câu b. Hãy giải thích tại sao.

Lời giải:

a) Từ khi thả quả nặng đến khi chạm sàn thì động năng của vật tăng và thế năng của vật giảm

b) Thế năng của vật ở độ cao 8 cm là: $W_t=Ph=\mathrm{20.10.0},08=16J$

Ta có: $W_C=W_d+W_t=0+16=16J$

Cơ năng của vật không thay đổi mà toàn bộ thế năng của vật được chuyển hóa thành động năng nên ta có:

$\begin{array}{l}{W}_d=16J\\ \Rightarrow \frac{1}{2}{m}_1{v}^2=16\Rightarrow v=\sqrt{\frac{16.2}{20}}=\frac{2\sqrt{10}}{5}m/s\end{array}$

c) Trong thực tế, giá trị tốc độ thu được của xe khi quả nặng chạm sàn xe sẽ nhỏ hơn giá trị tính toán ở câu b vì trong thực tế có sự trao đổi năng lượng với môi trường bên ngoài.

Xem thêm các bài giải bài tập Khoa học tự nhiên 9 Kết nối tri thức hay, chi tiết khác:

Bài 2. Động năng. Thế năng

Bài 3. Cơ năng

Bài 4. Công và công suất

Bài 5. Khúc xạ ánh sáng

Bài 6. Phản xạ toàn phần

Bài 7. Lăng kính

Lý thuyết KHTN 9 Bài 3: Cơ năng

I. Cơ năng

Cơ năng của vật là tổng động năng và thế năng.

$W_C=W_d+W_t=\frac{1}{2}m{v}^2+P.h$

Đơn vị của cơ năng là jun (J).

II. Sự chuyển hóa năng lượng

Nếu cơ năng của vật không chuyển hóa thành dạng năng lượng khác thì tổng động năng và thế năng của vật luôn không đổi, cơ năng của vật được bảo toàn.

Trong nhiều trường hợp, cơ năng có thể chuyển hóa thành các dạng năng lượng khác, khi đó cơ năng không được bảo toàn.

Mở rộng: Cơ năng có thể chuyển hóa thành nhiệt năng do trong quá trình chuyển động vật chịu tác dụng của lực ma sát, lực cản của môi trường. Khi cơ năng chuyển hóa thành nhiệt năng, cơ năng sẽ không còn bảo toàn nhưng năng lượng vẫn được bảo toàn.