Giải SGK Vật Lí 10 (Kết nối tri thức) Bài 26: Cơ năng và định luật bảo toàn cơ năng

Giải Vật Lí 10 Bài 26: Cơ năng và định luật bảo toàn cơ năng

Khởi động trang 102 Vật Lí 10: Kỉ lục nhảy sào thế giới hiện nay là 6,17 m do vận động viên người Thụy Điển Amand Duplantis lập năm 2020, kỉ lục nhảy cao thế giới hiện nay là 2,45 m do vận động viên người Cuba Javier Sotomayor lập năm 1993. Tại sao vận động viên nhảy sào có thể nhảy cao hơn vận động viên nhảy cao nhiều đến thế?

Lời giải:

Do vận động viên nhảy sào dùng cây sào làm đòn bẩy, còn vận động viên nhảy cao dùng chân làm sức bật, cây sào có chiều dài lớn hơn rất nhiều so với dùng chân làm sức bật dẫn đến sự chênh lệch nhiều đến vậy.

I. Sự chuyển hóa giữa động năng và thế năng

Câu hỏi 1 trang 102 Vật Lí 10: Khi nước chảy từ trên thác xuống:

a) Lực nào làm cho nước chảy từ đỉnh thác xuống dưới?

b) Lực nào sinh công trong quá trình này?

c) Động năng và thế năng của nó thay đổi như thế nào?

d) Hãy dự đoán về mối liên hệ giữa độ tăng động năng và độ giảm thế năng.

Lời giải:

Khi nước chảy từ trên thác xuống:

a) Lực hấp dẫn của Trái Đất làm cho nước chảy từ đỉnh thác xuống dưới.

b) Lực sinh công trong quá trình này là lực hấp dẫn của Trái Đất.

c) Động năng của nước tăng dần, thế năng giảm dần.

d) Dự đoán: Độ tăng động năng bằng độ giảm thế năng.

Câu hỏi 2 trang 102 Vật Lí 10: Từ một điểm ở độ cao h so với mặt đất, ném một vật có khối lượng m lên cao với vận tốc ban đầu v₀.

a) Khi vật đi lên có những lực nào tác dụng vào vật, lực đó sinh công cản hay công phát động?

b) Trong quá trình vật đi lên rồi rơi xuống thì dạng năng lượng nào tăng, dạng năng lượng nào giảm? Hãy dự đoán về mối liên hệ giữa độ tăng của động năng và độ giảm của thế năng.

Lời giải:

a) Khi vật đi lên, sẽ có lực hút của Trái Đất, lực đẩy của tay, lực cản của không khí tác dụng vào vật.

- Lực hút của Trái Đất sinh công cản.

- Lực đẩy của tay sinh công phát động.

- Lực cản của không khí sinh công cản.

b) Trong quá trình vật đi lên rồi rơi xuống thì động năng tăng dần, thế năng giảm dần.

Dự đoán: Độ tăng động năng bằng độ giảm thế năng.

Câu hỏi 1 trang 102 Vật Lí 10: Trên Hình 26.1 là một phần đường đi của tàu lượn siêu tốc. Em hãy phân tích sự chuyển hóa giữa động năng và thế năng của tàu lượn trên từng đoạn đường.

Lời giải:

- Khi tàu chuyển động từ A đến B: thế năng tăng dần, động năng giảm dần.

- Khi tàu chuyển động từ B đến C: động năng tăng dần, thế năng giảm dần.

- Khi tàu chuyển động từ C đến D: động năng giảm dần, thế năng tăng dần.

- Khi tàu chuyển động từ D đến E: động năng tăng dần, thế năng giảm dần.

Câu hỏi 2 trang 102 Vật Lí 10: Trong các quá trình hoạt động của tàu lượn, ngoài động năng và thế năng còn có dạng năng lượng nào khác tham gia vào quá trình chuyển hóa?

Lời giải:

Trong các quá trình hoạt động của tàu lượn, ngoài động năng và thế năng còn nhiệt năng (tàu ma sát với đường ray, với không khí), điện năng (của bộ phận điều khiển), năng lượng âm thanh (phát ra âm thanh khi chạy) tham gia vào quá trình chuyển hóa.

II. Định luật bảo toàn cơ năng

Câu hỏi 1 trang 103 Vật Lí 10: Khi vật chuyển động trên cung AO thì:

a) Những lực nào sinh công? Công nào là công phát động, công nào là công cản?

b) Động năng và thế năng của vật thay đổi như thế nào?

Lời giải:

a) Khi vật chuyển động trên cung AO thì lực hút của Trái Đất và lực kéo của dây sinh công.

- Công do lực hút của Trái Đất sinh ra là công phát động.

- Công do lực cản của không khí là công cản.

b) Vật chuyển động nhanh dần từ A xuống O, do đó động năng của vật tăng, thế năng của vật giảm.

Câu hỏi 2 trang 103 Vật Lí 10: Trả lời những câu hỏi trên cho quá trình vật chuyển động trên cung OB.

Lời giải:

a) Khi vật chuyển động trên cung OB thì lực hút của Trái Đất và lực kéo của dây sinh công.

- Công do lực hút của Trái Đất sinh ra là công cản.

- Công do lực cản của không khí là công cản.

b) Vật chuyển động chậm dần từ O lên B, do đó động năng của vật giảm, thế năng của vật tăng.

Câu hỏi 3 trang 103 Vật Lí 10: Nếu bỏ qua ma sát thì A và B luôn nằm trên cùng một độ cao. Hiện tượng này chứng tỏ điều gì?

Lời giải:

Nếu bỏ qua ma sát thì A và B luôn nằm trên cùng một độ cao. Hiện tượng này chứng tỏ dù động năng và thế năng thay đổi thì tổng động năng và thế năng tại mọi vị trí trong quá trình chuyển động của vật vẫn luôn không đổi.

Câu hỏi trang 103 Vật Lí 10: Hình 26.3 mô tả vận động viên tham gia trượt ván trong máng. Bỏ qua mọi ma sát, hãy phân tích sự bảo toàn cơ năng của vận động viên này.

Lời giải:

- Khi bắt đầu chuẩn bị trượt ván, vận động viên đứng ở điểm đầu máng, lúc này động năng bằng 0, cơ năng bằng thế năng cực đại.

- Khi trượt xuống đáy máng, thế năng bằng 0, cơ năng bằng động năng cực đại.

- Khi lên đến điểm cuối bên kia máng thì động năng bằng 0, cơ năng bằng thế năng cực đại.

Hoạt động trang 105 Vật Lí 10: Chế tạo mô hình minh họa định luật bảo toàn năng lượng.

Dụng cụ: một viên bi, hai thanh kim loại nhẵn, hai giá đỡ có vít điều chỉnh độ cao.

Chế tạo: Dùng hai thanh kim loại uốn thành đường ray và gắn lên giá đỡ để tạo được mô hình như Hình 26.6.

Thí nghiệm:

- Thả viên bi từ điểm A trên đường ray.

- Viên bi có thể chuyển động tới điểm D không? Tại sao? Làm thí nghiệm để kiểm tra.

Lời giải:

Thực tế thả viên bi từ điểm A trên đường ray, ta thấy viên bi không thể chuyển động tới điểm D. Vì vật không chỉ chịu tác dụng của trọng lực mà còn chịu tác dụng của lực ma sát. Do đó, cơ năng của vật không được bảo toàn. Nếu bỏ qua mọi ma sát thì viên bi hoàn toàn lên được điểm D khi đó cơ năng được bảo toàn.

Định luật bảo toàn năng lượng thì luôn đúng trong mọi trường hợp.

Câu hỏi 1 trang 105 Vật Lí 10: Một vật được thả cho rơi tự do từ độ cao h = 10 m so với mặt đất. Bỏ qua mọi ma sát. Ở độ cao nào thì vật có động năng bằng thế năng?

Lời giải:

- Ở độ cao h = 10 m, động năng của vật bằng 0, thế năng của vật lớn nhất. Do đó cơ năng của vật là: W = W_t = mgh

- Gọi h₁ là vị trí vật có động năng bằng thế năng, ta có:

W = W_t1 + W_đ1 = 2W_t1 = 2mgh₁

- Do bỏ qua mọi ma sát nên cơ năng của vật được bảo toàn. Ta có:

mgh = 2mgh₁ => h₁ = $\frac{h}{2}=\frac{10}{2}$ = 5m

Vậy ở độ cao 5 m thì vật có động năng bằng thế năng.

Câu hỏi 2 trang 105 Vật Lí 10: Thả một vật có khối lượng m = 0,5 kg từ độ cao h₁ = 0,8 m so với mặt đất. Xác định động năng và thế năng của vật ở độ cao h₂ = 0,6 m. Lấy g = 9,8 m/s².

Lời giải:

- Ở độ cao h₁ = 0,8 m, động năng của vật bằng 0, thế năng của vật lớn nhất. Do đó cơ năng của vật là: W = W_t1 = m.g.h₁ = 0,5.9,8.0,8 = 3,92 J.

- Thế năng của vật ở độ cao h₂ = 0,6 m là:

W_t2 = m.g.h₂ = 0,5.9,8.0,6 = 2,94 J.

- Do cơ năng của vật được bảo toàn nên động năng của vật ở độ cao h₂ = 0,6 m là:

W_đ2 = W - W_t2 = 3,92 - 2,94 = 0,98 J.

Em có thể 1 trang 105 Vật Lí 10: Vận dụng định luật bảo toàn cơ năng để giải thích một số tình huống trong đời sống, kĩ thuật.

Lời giải:

Trò chơi xích đu: khi được cung cấp 1 năng lượng ban đầu, người chơi có thể chuyển động qua lại quanh vị trí cân bằng, thế năng và động năng liên tục chuyển hóa cho nhau.

Em có thể 2 trang 105 Vật Lí 10: Giải thích được vì sao vận động viên nhảy sào có thể nhảy lên được tới hơn 6 m, trong khi đó vận động viên nhảy cao chỉ nhảy được tới hơn 2 m.

Lời giải:

Vì vận động viên nhảy sào sử dụng dụng cụ là chiếc sào, khi sào được cắm xuống đất, đồng thời sào có tính đàn hồi, sẽ cung cấp cho vận động viên một năng lượng lớn (thế năng đàn hồi + động năng ban đầu) nên vận động viên sẽ đạt được độ cao lớn hơn so với vận động viên nhảy xa.

Xem thêm lời giải bài tập SGK Vật Lí lớp 10 Kết nối tri thức hay, chi tiết khác:

Bài 27: Hiệu suất

Bài 28: Động lượng

Bài 29: Định luật bảo toàn động lượng

Bài 30: Thực hành: Xác định động lượng của vật trước và sau va chạm

Bài 31: Động học của chuyển động tròn đều