Giải Lí 10 Bài 17 Chân trời sáng tạo: Động năng, thế năng, bảo toàn cơ năng

Tóm tắt kiến thức cần nhớ của Lí 10 bài 17

Trước khi làm bài, em nắm chắc bốn ý sau. Gần như mọi câu hỏi trong bài đều quy về chúng.

• Động năng là năng lượng của vật do chuyển động: W_đ = ½mv². Động năng luôn không âm và phụ thuộc hệ quy chiếu (vì tốc độ phụ thuộc hệ quy chiếu).
• Thế năng trọng trường là năng lượng của vật do vị trí trong trường trọng lực: W_t = mgh, với h là độ cao so với gốc thế năng đã chọn. Đổi gốc thế năng thì giá trị W_t đổi, nhưng độ biến thiên thế năng thì không đổi.
• Liên hệ với công: độ biến thiên thế năng bằng công của trọng lực nhưng trái dấu, ΔW_t = −A_P. Độ biến thiên động năng bằng tổng công của các lực tác dụng.
• Bảo toàn cơ năng: nếu chỉ có lực thế (trọng lực, lực đàn hồi) thực hiện công thì W = W_đ + W_t = hằng số. Có ma sát hoặc lực cản thì một phần cơ năng chuyển thành nhiệt.

Em có thể ôn thêm phần diễn giải đầy đủ ở bài lý thuyết tương ứng: Lý thuyết Động năng và thế năng. Định luật bảo toàn cơ năng.

Giải bài tập Vật lí 10 bài 17: trang 105

Mở đầu

Dòng nước từ trên cao đổ xuống có hai dạng năng lượng cơ học: thế năng trọng trường (do nước ở trên cao) và động năng (do nước chuyển động). Hai dạng này chuyển hoá qua lại: nước càng xuống thấp, thế năng giảm, động năng tăng. Tổng hai dạng được bảo toàn khi bỏ qua lực cản của không khí và ma sát. Xem thêm lời giải chi tiết: Mở đầu trang 105; toàn bộ trang: Giải Vật lí 10 trang 105.

Câu hỏi 1 – Điểm chung của các trường hợp ở Hình 17.2

Các vật trong hình đều đang chuyển động nên đều có động năng. Động năng phụ thuộc vào khối lượng và tốc độ của vật; tốc độ có ảnh hưởng mạnh hơn vì nó nằm trong công thức ở dạng bình phương. Lời giải đầy đủ: Câu hỏi 1 trang 105.

Câu hỏi 2 – Rút ra biểu thức (17.1)

Cho vật khối lượng m, ban đầu đứng yên, chịu lực F không đổi và đi được quãng đường s thì đạt tốc độ v.

1. Chuyển động thẳng nhanh dần đều, v₀ = 0 nên v² = 2as, suy ra a = v²/(2s).
2. Định luật II Newton: F = ma = mv²/(2s).
3. Công của lực: A = F·s = (mv²/(2s))·s = ½mv².

Công này chính là động năng mà vật thu được. Xem: Câu hỏi 2 trang 105.

Giải trang 106: động năng

Luyện tập – Ô tô 1,5 tấn

Đổi đơn vị: m = 1500 kg; 80 km/h ≈ 22,2 m/s; 50 km/h ≈ 13,9 m/s.

Tốc độ	Tính toán	Động năng
80 km/h	½ · 1500 · (22,2)²	≈ 3,7·105 J
50 km/h	½ · 1500 · (13,9)²	≈ 1,45·105 J
Dừng hẳn	v = 0	0 J

Phần động năng mất đi chuyển hoá chủ yếu thành nhiệt (do phanh và ma sát giữa lốp với mặt đường), một phần nhỏ thành âm thanh. Lưu ý: tốc độ giảm từ 80 xuống 50 km/h (giảm chưa đến 40%) nhưng động năng giảm hơn 60%, vì W_đ tỉ lệ với v². Chi tiết: Luyện tập trang 106.

Vận dụng – “Trục phá thành”

Trục phá thành là thân gỗ lớn được nhiều người đưa mạnh vào cổng thành. Để phá được cổng, nó phải truyền cho cổng một năng lượng đủ lớn. Với cùng tốc độ, khối lượng lớn hơn thì động năng lớn hơn, lực tác dụng lên cổng khi va chạm cũng lớn hơn. Đó là lí do trục phải nặng. Xem: Vận dụng trang 106.

Câu hỏi 3 – Em ngồi trên xe buýt

• a) Hệ quy chiếu gắn với xe: em đứng yên, v = 0 nên W_đ = 0.
• b) Hệ quy chiếu gắn với hàng cây: v = 50 km/h ≈ 13,9 m/s, W_đ = ½·m·(13,9)² ≈ 96,5·m (J), với m là khối lượng của em. Ví dụ m = 50 kg thì W_đ ≈ 4,8·10³ J.

Kết luận: động năng phụ thuộc hệ quy chiếu. Lời giải: Câu hỏi 3 trang 106; cả trang: Giải Vật lí 10 trang 106.

Giải trang 107–108: thế năng

Câu hỏi 4 – Hai cách dịch chuyển quyển sách

Hai cách đi có cùng điểm đầu và điểm cuối, nên độ dịch chuyển và hiệu độ cao như nhau. Công của trọng lực chỉ phụ thuộc hiệu độ cao giữa hai điểm, không phụ thuộc đường đi, nên bằng nhau ở hai cách. Ngược lại, lực ma sát luôn cản chuyển động và công của nó phụ thuộc chiều dài đường đi (và tính chất bề mặt) nên khác nhau. Đây là đặc điểm phân biệt lực thế với lực ma sát. Xem: Câu hỏi 4 trang 107.

Câu hỏi 5 – ΔW_t và công của trọng lực

Chọn gốc thế năng tại mặt đất, ném vật khối lượng m thẳng đứng từ mặt đất (A) lên độ cao h (B).

• Trọng lực hướng xuống, vật đi lên nên công của trọng lực âm: A_P = −mgh.
• Độ biến thiên thế năng: ΔW_t = W_t(B) − W_t(A) = mgh − 0 = mgh.

Vậy ΔW_t = −A_P: cùng độ lớn, trái dấu. Khi vật đi xuống thì ngược lại, A_P > 0 và thế năng giảm. Xem: Câu hỏi 5 trang 107 và Giải Vật lí 10 trang 107.

Luyện tập trang 108 – Viên bi sắt rơi xuống hố cát

Viên bi ở trên cao có thế năng; khi rơi, thế năng chuyển thành động năng. Khi chạm cát, động năng này được dùng để thực hiện công đẩy cát ra, tạo vết lõm (phần còn lại thành nhiệt và âm thanh). Thả bi từ càng cao hoặc dùng bi càng nặng thì thế năng ban đầu càng lớn, vết lõm càng sâu. Lời giải: Luyện tập trang 108, Giải Vật lí 10 trang 108.

Giải trang 109–111: định luật bảo toàn cơ năng

Câu hỏi 6 và hai bài Luyện tập, Vận dụng trang 109

• Câu hỏi 6 (người trượt xuống): càng xuống thấp, thế năng càng giảm và động năng càng tăng; thế năng chuyển hoá thành động năng. Nếu bỏ qua ma sát thì tổng hai dạng này không đổi. Xem Câu hỏi 6 trang 109.
• Luyện tập (nhảy cầu xiếc): cần chỉ ra các dạng năng lượng ở từng giai đoạn: thế năng trọng trường khi ở trên cao, động năng khi rơi hoặc bật lên, thế năng đàn hồi của ván nhún khi bị nén. Xem Luyện tập trang 109.
• Vận dụng: chọn một hoạt động quen thuộc như đu quay, chơi xích đu, đá bóng lên cao rồi phân tích: ở đâu thế năng lớn nhất, ở đâu động năng lớn nhất. Gợi ý ở Vận dụng trang 109 và Giải Vật lí 10 trang 109.

Câu hỏi 7 – Quả bóng chuyển động trong trọng trường

Nếu bỏ qua lực cản không khí, lực tác dụng lên quả bóng chỉ là trọng lực. Khi bóng đi lên, động năng giảm và thế năng tăng; tại điểm cao nhất, động năng nhỏ nhất (bằng 0 nếu ném thẳng đứng) còn thế năng lớn nhất. Khi bóng đi xuống thì quá trình ngược lại. Tổng W_đ + W_t giữ nguyên. Xem Câu hỏi 7 trang 110 và Giải Vật lí 10 trang 110.

Luyện tập trang 111 – Con bọ chét

Bọ chét m = 1 mg = 10⁻⁶ kg, nhảy lên độ cao tối đa h = 0,2 m, lấy g = 9,8 m/s², bỏ qua sức cản.

• Chọn gốc thế năng tại mặt đất. Lúc bật lên chỉ có động năng, ở điểm cao nhất chỉ có thế năng: ½mv² = mgh.
• Động năng lúc bật: W_đ = mgh = 10⁻⁶ · 9,8 · 0,2 ≈ 1,96·10⁻⁶ J.
• Tốc độ bật: v = √(2gh) = √(2 · 9,8 · 0,2) ≈ 1,98 m/s, tức khoảng 2 m/s.

Để ý: khối lượng bị triệt tiêu khi tính v, nên tốc độ bật chỉ phụ thuộc độ cao đạt được. Xem Luyện tập trang 111.

Vận dụng – Vị trí đặt bồn nước

Bồn nên đặt ở vị trí cao hơn các vòi (ví dụ trên mái nhà hoặc sân thượng). Nước ở cao có thế năng lớn; khi chảy xuống, thế năng chuyển thành động năng nên nước chảy mạnh ở vòi. Bồn đặt càng cao so với vòi thì nước càng mạnh. Xem Vận dụng trang 111 và Giải Vật lí 10 trang 111.

Giải bài tập cuối bài (trang 112)

• Bài 1 – Cô gái chơi ván trượt: tại vị trí cao nhất thế năng lớn nhất, động năng nhỏ nhất; tại vị trí thấp nhất thì ngược lại. Nếu bỏ qua ma sát thì cơ năng ở mọi vị trí bằng nhau; nếu có ma sát thì cơ năng giảm dần. Xem Bài 1 trang 112.
• Bài 2 – Vật trượt từ đỉnh mặt phẳng nghiêng cao h: khi bỏ qua ma sát, cơ năng bảo toàn nên tại chân dốc W_đ = mgh và v = √(2gh), không phụ thuộc góc nghiêng. Nếu có ma sát, W_đ nhỏ hơn mgh một lượng đúng bằng độ lớn công của lực ma sát. Xem Bài 2 trang 112.
• Bài 3 – Người đi bộ lên cầu thang: độ cao tổng cộng h = 25 × 0,15 = 3,75 m. Độ tăng thế năng ΔW_t = mgh. Ví dụ người nặng 60 kg: ΔW_t = 60 · 9,8 · 3,75 = 2205 J ≈ 2,2·10³ J (thay khối lượng theo đề). Xem Bài 3 trang 112.
• Bài 4 – Trò chơi đệm nhún: phân tích theo chuỗi: thế năng trọng trường → động năng → thế năng đàn hồi của đệm → động năng → thế năng. Ví dụ tự đặt: bạn 25 kg rơi từ độ cao 0,8 m xuống mặt đệm thì chạm đệm với v = √(2 · 9,8 · 0,8) ≈ 3,96 m/s. Số liệu cụ thể của đề, em xem tại Bài 4 trang 112 và Giải Vật lí 10 trang 112.

Phương pháp giải bài toán bảo toàn cơ năng

1. Chọn gốc thế năng (thường là mặt đất hoặc điểm thấp nhất) và ghi rõ.
2. Kiểm tra điều kiện: chỉ có trọng lực (hoặc lực đàn hồi) thực hiện công? Nếu có ma sát, dùng ΔW = A_ms.
3. Viết cơ năng tại hai vị trí: ½mv₁² + mgh₁ = ½mv₂² + mgh₂.
4. Rút gọn m (nếu có thể), đổi đơn vị về SI rồi tính.

Lỗi sai thường gặp

• Quên đổi km/h sang m/s (chia 3,6) hoặc tấn sang kg.
• Quên bình phương tốc độ khi tính động năng.
• Không chọn gốc thế năng, dẫn đến lấy h sai dấu.
• Áp dụng bảo toàn cơ năng khi có ma sát mà không tính phần năng lượng hao hụt.

Bài luyện tập tự giải (có đáp án)

1. Vật 2 kg rơi tự do từ độ cao 20 m, lấy g = 10 m/s². Tính động năng và tốc độ ở độ cao 5 m, và tốc độ khi chạm đất.
   Đáp án: W_đ = mg(20 − 5) = 2 · 10 · 15 = 300 J; v = √(2 · 10 · 15) = √300 ≈ 17,3 m/s; chạm đất v = √(2 · 10 · 20) = 20 m/s.
2. Ném vật 0,2 kg thẳng đứng lên với v = 10 m/s từ mặt đất, g = 10 m/s². Tìm độ cao cực đại và động năng ở độ cao 2 m.
   Đáp án: h_max = v²/(2g) = 5 m; W_đ = ½ · 0,2 · 10² − 0,2 · 10 · 2 = 10 − 4 = 6 J.
3. Xe 800 kg chạy 36 km/h rồi tăng tốc lên 72 km/h. Động năng tăng bao nhiêu lần, bao nhiêu jun?
   Đáp án: 10 m/s → 20 m/s; W_đ1 = 4·10⁴ J, W_đ2 = 1,6·10⁵ J; tăng 4 lần, tức tăng thêm 1,2·10⁵ J.

Tài liệu cùng bài và bài kế bên

• Sách bài tập Vật Lí 10 Bài 17
• 20 câu trắc nghiệm Bài 17 có đáp án
• Bài 16: Công suất – Hiệu suất
• Bài 18: Động lượng và định luật bảo toàn động lượng
• Giải SGK Vật Lí 10 – Chân trời sáng tạo

Câu hỏi thường gặp

Công thức động năng và thế năng trong Lí 10 bài 17 là gì?

Động năng W_đ = ½mv² (J), thế năng trọng trường W_t = mgh (J) với h là độ cao so với gốc thế năng. Cơ năng W = W_đ + W_t.

Khi nào cơ năng của vật được bảo toàn?

Khi vật chỉ chịu tác dụng của lực thế như trọng lực hoặc lực đàn hồi, tức bỏ qua lực cản và ma sát. Khi có ma sát, một phần cơ năng chuyển thành nhiệt nên cơ năng giảm.

Vì sao động năng phụ thuộc hệ quy chiếu?

Vì động năng tính theo tốc độ, mà tốc độ của vật phụ thuộc hệ quy chiếu. Người ngồi yên trên xe có động năng bằng 0 so với xe nhưng khác 0 so với mặt đường.

Đổi gốc thế năng thì kết quả bài toán có thay đổi không?

Giá trị thế năng và cơ năng thay đổi theo gốc đã chọn, nhưng độ biến thiên thế năng, tốc độ và các kết quả vật lí khác thì không đổi.

Bài học liên quan

• Câu nào sau đây nói về sự rơi tự do là đúng? Đáp án và giải thích
• Hình dạng nào của vật cho lực cản nhỏ nhất? Khối cầu hay khí động học
• Bi A khối lượng gấp 4 lần bi B, thả rơi và ném ngang cùng lúc: bi nào chạm đất trước?
• Ý nghĩa của ngẫu lực, mômen ngẫu lực phụ thuộc vào đại lượng nào?
• Ô tô 1 tấn chạy 60 km/h, xe tải 2 tấn: so sánh động năng, động lượng
• Sức cản của không khí khi vật rơi: vì sao vật nặng, nhỏ coi là rơi tự do