Thế năng là gì? Công tính thế năng trong vật lý lớp 10

Thế năng là một trong những kiến thức quan trọng về cơ học trong chương trình Vật Lý lớp 10. Vậy bạn có biết: Thế năng là gì? Có mấy loại thế năng? Và thế năng được tính như thế nào? Nếu chưa thì hãy theo dõi bài viết dưới đây của Vật Tư AZ nhé!

1. Thế năng là gì?

Thế năng là một đại lượng vật lý quan trọng trong cơ học, thể hiện khả năng sinh công của một vật trong một điều kiện nhất định. Có thể hiểu, thế năng chính là một dạng năng lượng tồn tại tiềm tàng bên trong một vật thể.

Thế năng có tên tiếng Anh là potential energy, nghĩa đen được hiểu là năng lượng tiềm tàng. Thật ngữ này được đưa ra bởi kỹ sư và nhà vật lý người Scotland ở thế kỷ 19 tên là William Rankine.

Thế năng được chia thành 3 loại chính sau:

• Thế năng trọng trường (thế năng hấp dẫn)
• Thế năng đàn hồi
• Thế năng tĩnh điện

Thế nhưng, trong chương trình học – Vật lý Lớp 10 thì các em chỉ tập trung tìm hiểu về 2 loại thế năng phổ biến. Đó là thế năng trọng trường hay còn gọi là thế năng hấp dẫn và thế năng đàn hồi. Mỗi loại thế năng đều có khái niệm, đặc điểm và công thức tính riêng. Tuy nhiên trong phạm vi bài viết này, Vật Tư AZ sẽ hướng dẫn đầy đủ và chi tiết tất cả các loại thế năng.

Đơn vị đo của thế năng là Jun. Kí hiệu là J.

2. Thế năng đàn hồi là gì

2.1 Khái niệm

Như đã biết, một vật khi bị biến dạng thì có thể sinh công. Đồng thời, lúc đó vật sẽ xuất hiện thêm một dạng năng lượng khác được gọi là thế năng đàn hồi.

Ví dụ kinh điển cho thế năng đàn hồi là lò xo bị kéo dãn. Hay là quả bóng bị ném như hình minh hoạ dưới đây:

2.2 Công của lực đàn hồi

Giả sử, khi xem xét một lò xo có chiều dài l₀, có độ cứng k. Một đầu lò xo được gắn vào một vật có khối lượng m, đầu còn lại được gắn cố định. Kéo dãn, làm lò xo biến dạng. Khi đó độ dài của lò xo là: l = l₀ + Δl

Áp dụng định luật Húc, ta xác định được lực đàn hồi tác dụng vào lò xo là:

                                 |F| = k.|Δl| ( với F là đại lượng vectơ)

Nếu chọn chiều dương (+) là chiều tăng của chiều dài lò xo thì độ lớn của công bằng:

                                   F = -k.l (với F là đại lượng vectơ)

Công thức xác định công của lực đàn hồi đưa vật trở về vị trí ban đầu (vị trí mà lò xo chưa bị biến dạng):

                                                        A = 1/2 .k.Δl²

2.3 Công thức tính thế năng đàn hồi

Công thức xác định thế năng đàn hồi của một lò xo ở trạng thái bị biến dạng với độ dài Δl là: 

                                                  W_đh = 1/2.k.Δl²

Trong đó:

• Wđh là kí hiệu của thế năng đàn hổi. Đơn vị: Jun (J).
• k là kí hiệu độ cứng của lò xo. Đơn vị: N.m
• Δl là kí hiệu độ biến dạng của lò xo. Đơn vị: m

3. Thế năng trọng trường là gì?

3.1 Khái niệm

Trọng trường luôn luôn tồn tại xung quanh Trái Đất. Trọng trường xảy ra khi xuất hiện một trọng lực tác dụng lên một vật bất kỳ có khối lượng m tại một vị trí bất kỳ trong điều kiện không gian đó có tồn tại trọng trường.

Biểu thức xác định trọng lực tác dụng lên một vật có khối lượng m là:

                                               P = m.g

Với P là 2 đại lượng vectơ, g là gia tốc tự do (hay còn gọi là gia tốc trọng trường).

Vậy, như thế nào thì được gọi là thế năng trọng trường?

Thế năng trọng trường hay còn được gọi là thế năng hấp dẫn. Thế năng trọng trường chính là dạng năng lượng tương tác giữa Trái Đất và vật; bị phụ thuộc vào vị trí của vật đó ở trong trọng trường. 

3.2 Công thức tính thế năng trọng trường

Công thức tính thế năng trọng trường của một vật có khối lượng m, ở độ cao z so với mặt đất là:

                                                           Wt = m.g.z

Trong đó:

• Wt là ký hiệu của thế năng trọng trường (J)
• m là trọng lượng vật đang xét (kg)
• z là độ cao của vật so với mặt đất (m)
• g là gia tốc trọng trường (g = 9.8 m/s)

Công thức liên hệ giữa thế năng và công trọng lực :

                            A_MN = Wt(M) – Wt(N)

Trong đó:

• A_MN : Công trọng lực từ M đến N
• Wt(M): Thế năng của vật trong trọng trường tại vị trí M
• Wt(N): Thế năng của vật trong trọng trường tại vị trí N

Nếu vật chuyển động trong trọng trường:

• Trường hợp 1: Vật giảm tốc độ => thế năng vật giảm => Trọng lực sinh công dương
• Trường hợp 2: Vật tăng tốc độ => Thế năng vật tăng => Trọng lực sinh công âm

4 Thế năng tĩnh điện là gì?

4.1 Khái niệm

Thế năng tĩnh điện là một trong những dạng năng lượng được bảo toàn dưới dạng năng lượng tĩnh điện.

4.2 Công thức tính thế năng tĩnh điện

Công thức xác định thế năng tĩnh điện là:

                           φ = q.V

Trong đó:

• q là điện thế (C)
• V là điện tích của vật đang xét (V)

Bên cạnh đó:

                              F = q.E

Với:

• F là độ lớn lực điện (N)
• E là cường độ điện trường (V/m, N/C)
• q là độ lớn của điện tích thử (C)

Trên đây là giải đáp của Vật Tư AZ về vấn đề: “ Thế năng là gì? Công thức tính thế năng trong vật lý lớp 10 ”. Mong rằng bài viết này hữu ích với bạn! Nếu bạn còn thắc mắc gì liên hệ ngay với chúng tôi qua Fanpage hoặc Website – Vật Tư AZ để được giải đáp, hỗ trợ MIỄN PHÍ, NHANH CHÓNG.