Nguyên lý công-năng lượng cơ học
Định lý công-động năng phát biểu rằng công tổng cộng, hay công do lực tổng hợp thực hiện, bằng với sự thay đổi động năng.
W net = TO t – TO o = 1⁄2 m(v t 2 – v o 2 )
Công tổng (W net ) = Có hai loại lực, đó là lực bảo toàn và lực không bảo toàn. Do đó, công tổng có thể được coi là bao gồm công do lực bảo toàn thực hiện và công do lực không bảo toàn thực hiện.
W c + W nc = ΔKE
Công do một lực bảo toàn thực hiện bằng với sự thay đổi âm của thế năng:
W c = -ΔPE
– ΔPE + W nc = ΔKE
W nc = ΔPE + ΔKE
Wnc = ΔME
Phương trình trên cho biết công do một lực không bảo toàn thực hiện lên một vật bằng sự thay đổi năng lượng cơ học của vật đó. Năng lượng cơ học = thế năng + động năng. Thế năng có thể là thế năng trọng trường hoặc thế năng đàn hồi.
Ví dụ câu hỏi: Định lý công-năng lượng cơ học
Một hộp có khối lượng 2 kg ban đầu chuyển động với vận tốc 10 m/s. Ngay sau đó, hộp dừng lại. Hệ số ma sát động giữa hộp và sàn là 0.2. Gia tốc trọng trường là 10 m/s² . Hỏi độ dịch chuyển của hộp là bao nhiêu?
Thảo luận:
Đã xác định: m = 2 kg, v o = 10 m/s, vt = 0, k = 0.2, w = mg = (1 kg)(10 m/s 2 ) = 10 kg m/s 2 = 10 Newton.
Câu hỏi: Độ dịch chuyển của hộp (giây)
Định lý công-năng lượng cơ học:
W nc = ΔME
W nc = ΔPE + ΔKE
Chiều cao (h) không đổi, do đó thế năng trọng trường không thay đổi.
Wnc = ΔKE
Công do lực ma sát động thực hiện là:
W nc = – fk s = μ k N -s = μ k w -s = μ k mg -s
W nc = – (0.2)(2)(10)(s) = – (4)(s)
Lực ma sát động thực hiện công âm (lực ma sát động có hướng ngược lại với hướng dịch chuyển của vật).
Sự thay đổi động năng:
ΔKE = 1⁄2 m (v t 2 – v o 2 ) = 1⁄2 (2)(0 2 – 10 2 ) = (0 – 100) = – 100
Sự dịch chuyển của vật thể:
W nc = ΔKE
– (4)(s) = – 100
s = – 100 / – 4 = 25 mét
20 câu hỏi và câu trả lời mang tính khái niệm về nguyên lý công-năng lượng cơ học:
1. Câu hỏi: Nguyên lý công - năng lượng cơ học là gì? Trả lời: Nguyên lý công - năng lượng cơ học phát biểu rằng công thực hiện trên một vật bằng với sự thay đổi năng lượng cơ học của vật đó.
2. Câu hỏi: Trong vật lý, công được định nghĩa như thế nào? Trả lời: Công được định nghĩa là tích của lực tác dụng lên một vật và khoảng cách mà vật đó di chuyển theo hướng của lực.
3. Câu hỏi: Năng lượng cơ học bao gồm những gì? Trả lời: Năng lượng cơ học bao gồm động năng và thế năng của một vật.
4. Câu hỏi: Trong trường hợp không có lực phi bảo toàn, điều gì có thể nói về tổng năng lượng cơ học của một hệ kín? Trả lời: Tổng năng lượng cơ học không đổi.
5. Câu hỏi: Cho một ví dụ về lực bảo toàn. Trả lời: Lực hấp dẫn là một ví dụ về lực bảo toàn.
6. Câu hỏi: Thế năng khác với động năng như thế nào? Trả lời: Thế năng là năng lượng do vị trí, ví dụ như độ cao so với mặt đất, trong khi động năng là năng lượng do chuyển động.
7. Câu hỏi: Công do một lực bảo toàn thực hiện có liên quan như thế nào đến thế năng? Trả lời: Công do một lực bảo toàn thực hiện bằng sự thay đổi âm của thế năng.
9. Câu hỏi: Nguyên lý công - năng lượng cơ học giải thích sự chuyển hóa năng lượng tiềm năng thành năng lượng động trong một vật rơi tự do như thế nào? Trả lời: Khi một vật rơi, năng lượng tiềm năng của nó giảm đi và năng lượng động tăng lên một lượng tương đương, giữ cho tổng năng lượng cơ học không đổi.
10. Câu hỏi: Điều gì xảy ra với năng lượng cơ học của một hệ khi các lực không bảo toàn, như lực ma sát, tác động lên nó? Trả lời: Năng lượng cơ học giảm đi vì các lực không bảo toàn làm tiêu tán năng lượng, thường là dưới dạng nhiệt.
11. Câu hỏi: Năng lượng cơ học của một hệ có thể tăng lên không? Trả lời: Có, khi có công ngoại lực tác dụng lên hệ.
12. Câu hỏi: Khái niệm công có liên quan đến năng lượng như thế nào? Trả lời: Công là phương tiện để truyền hoặc biến đổi năng lượng trong một hệ thống.
13. Câu hỏi: Nếu một vật đang chuyển động với vận tốc không đổi, thì có thể nói gì về công tổng cộng tác dụng lên nó? Trả lời: Công tổng cộng tác dụng lên nó bằng không vì không có gia tốc xảy ra.
15. Câu hỏi: Tại sao lò xo bị nén lại có thế năng? Trả lời: Khi lò xo bị nén, công được thực hiện lên nó, công này được tích trữ dưới dạng thế năng. Năng lượng này có thể được giải phóng khi lò xo được thả ra.
16. Câu hỏi: Định lý công-năng lượng là gì? Trả lời: Định lý công-năng lượng phát biểu rằng công thực hiện trên một vật bằng với sự thay đổi động năng của vật đó.
17. Câu hỏi: Công suất liên quan đến công như thế nào? Trả lời: Công suất là tốc độ thực hiện công hoặc truyền năng lượng. Nó được tính bằng công thức , trong đó là công và là thời gian.
18. Câu hỏi: Công có thể có giá trị âm không? Trả lời: Có, công có giá trị âm khi lực tác dụng và hướng chuyển động ngược chiều nhau.
19. Câu hỏi: Nếu góc giữa lực và hướng chuyển động là 90 độ, thì công thực hiện là bao nhiêu? Trả lời: Công thực hiện bằng 0 vì lực không có thành phần theo hướng chuyển động.
20. Câu hỏi: Một máy đơn giản, như đòn bẩy, làm cho công việc dễ dàng hơn như thế nào? Trả lời: Đòn bẩy không làm thay đổi tổng công việc cần thực hiện mà chỉ thay đổi cách thức tác dụng lực, giúp công việc trở nên dễ quản lý hơn hoặc hiệu quả hơn.
Khái niệm về công và nguyên lý năng lượng cơ học là những khái niệm cơ bản trong vật lý và cung cấp nền tảng hiểu biết về cách năng lượng được truyền và biến đổi trong các hệ thống khác nhau.
