Bài 3. Cơ năng trang 18, 19, 20 Khoa học tự nhiên 9 Kết nối tri thức: Trong quá trình rơi, động năng và thế năng của đầu búa chuyển hóa qua lại lẫn nhau như thế nào?...

Câu hỏi:

Khi sử dụng cúa máy để đóng cọc, đầu búa được nâng lên đến một độ cao nhất định rồi thả cho rơi xuống cọc cần đóng

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

Hướng dẫn giải :

Vận dụng lí thuyết mối quan hệ giữa vận tốc và độ cao với động năng và thế năng của vật

Lời giải chi tiết :

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.

Câu hỏi:

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

Hướng dẫn giải :

Vận dụng kiến thức thực tế để đưa ra ví dụ

Lời giải chi tiết :

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:

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

Hướng dẫn giải :

Vận dụng công thức tính cơ năng: \({W_C} = {W_d} + {W_t} = \frac{1}{2}m{v^2} + Ph\)

Lời giải chi tiết :

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

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:

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

Câu hỏi:

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?

Hướng dẫn giải :

Vận dụng lí thuyết về sự chuyển hóa giữa động năng và thế năng

Lời giải chi tiết :

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:

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).

Hướng dẫn giải :

Vận dụng lí thuyết về sự chuyển hóa giữa động năng và thế năng

Lời giải chi tiết :

- 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

Câu hỏi:

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.

Hướng dẫn giải :

a) Vận dụng lí thuyết về sự chuyển hóa giữa động năng và thế năng

b) Vận dụng công thức tính cơ năng: \({W_C} = {W_d} + {W_t} = \frac{1}{2}m{v^2} + Ph\)

Lời giải chi tiết :

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: \({W_t} = Ph = 0,02.10.0,08 = 0,016J\)

Ta có: \({W_C} = {W_d} + {W_t} = 0 + 0,016 = 0,016J\)

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

\(\begin{array}{l}{W_d} = 0,016J\\ \Rightarrow \frac{1}{2}{m_1}{v^2} = 0,016 \Rightarrow v = \sqrt {\frac{{0,016.2}}{{0,02}}} = \frac{{2\sqrt {10} }}{5}m/s\end{array}\)

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.