Công thức tính thế năng trong vật lý đầy đủ nhất (Đàn Hồi, Trọng Trường..)

Thế năng là một trong những kiến thức quan trọng trong bộ môn vật lý lớp 10. Tuy nhiên đây cũng là một bài tính toán tương đối khó đối với nhiều học sinh đòi hỏi phải nắm chắc các kiến thức để có thể giải hết các bài tập về thế năng. Vậy thế năng là gì? Công thức tính thế năng trong vật lý đầy đủ nhất như thế nào? Bạn hãy cùng tìm hiểu rõ hơn trong bài viết dưới đây nhé!

 

1. Thế năng là gì?

Thế năng là một đại lượng trong vật lý. Nó thể hiện cho khả năng sinh công của các vật và tồn tại dưới dạng năng lượng hay có thể nói thế năng là năng lượng do lực thế sinh ra.

 

( Thế năng là gì? )

 

Thế năng gồm có 2 dạng đó là thế năng đàn hồi và thế năng trọng trường. Cả hai loại có những tính chất và công thức tính khác nhau.

 

2. Công thức tính thế năng đàn hồi

Như chúng ta đã biết, khi một vật bị biến dạng do một có tác động thì nó có thể sinh công. Khi đó vật là dạng năng lượng được gọi là thế năng đàn hồi. 

 

a. Định nghĩa: 

Thế năng đàn hồi là một dạng năng lượng khi vật chịu tác dụng của lực đàn hồi.

 

b. Công thức tính thế năng đàn hồi

Nếu muốn tính được thế năng đàn hồi thì trước tiên các bạn phải tính được công của lực đàn hồi.

Khi xét một lò xo có độ cứng đàn hồi là k và chiều dài là l0. Một đầu cố định đầu còn lại gắn vào vật, tiến hành kéo xa ra một đoạn cố định là Δl. Khi đó, lực của đàn hồi sẽ bắt đầu xuất hiện trực tiếp lò xo và tác động vào vật.

 

Vậy độ dài của lò xo được tính là: 

 

Lực đàn hồi tác dụng vào vật theo định luật Húc thì công thức là:  

 

Chọn chiều + là chiều tăng của chiều dài lò xo thì công thức là:  

 

Công thức tính lực đàn hồi khi đưa vật trở về vị trí lò xo mà không bị biến dạng là:  

 

Sau khi đã tính toán được lực đàn hồi thì các bạn có thể tính được thế năng đàn hồi của lò xo dựa trên công thức sau:  

Trong đó:

• Wđh: thế năng đàn hồi, có đơn vị là (J)
• k: độ cứng của lò xo, có đơn vị là (N.m)
• x: độ biến dạng của lò xo, có đơn vị là (m)

 

3. Công thức thế năng trọng trường

a. Trọng trường

Trọng trường luôn tồn tại xung quanh Trái Đất. Biểu hiện của nó là sự xuất hiện của trọng lực tác dụng lên vật có khối lượng là m, được đặt tại mọi vị trí bất kỳ trong khoảng không gian có trọng trường.

 

(Thế năng trọng trường)

 

 

Công thức trọng lực của một vật có khối lượng m có dạng là:  F= m.g

Trong đó:

• g: gia tốc rơi tự do hay chính là gia tốc trọng trường.
•  
• m: khối lượng của vật.

 

Trong một khoảng không gian không quá rộng nếu gia tốc trọng trường tại mọi điểm có phương song song, cùng độ lớn và cùng chiều thì ta nói khoảng không gian đó trọng trường là đều.

 

b. Định nghĩa thế năng trọng trường

Thế năng trọng trường là về trọng trường của vật. Nó được xem là dạng năng lượng tương tác giữa vật và Trái Đất, phụ thuộc vào vị trí của vật đó tồn tại trong trọng trường.

 

c. Công thức tính thế năng trọng trường

Nếu chọn thế năng của vật với khối lượng là m, được đặt tại mặt đất với độ cao của vị trí tương ứng so với trọng trường trái đất tính là z. 

Suy ra thế năng sẽ được tính bằng công thức:  Wt = m.g.z.

Trong đó:

• Wt: Thế năng của vật đặt tại vị trí z có đơn vị là Jun (J)).
• m: Khối lượng của vật có đơn vị là (kg)
• z: Độ cao của mặt đất so với vật.

 

Thế năng trọng trường có đặc điểm là đại lượng vô hướng, có thể rơi vào khoảng > 0 hoặc = 0 hoặc < 0.

Biến thiên của thế năng và công của trọng lực có sự liên kết chính là khi 1 vật bắt đầu di chuyển từ vị trí A đến vị trí B thì công của trọng lực của vật sẽ được tính bằng hiệu thế năng của trọng trường tại hai vị trí này.

 

Công thức:        AAB = Wt (tại A) – Wt (tại B)

 

Trong trường hợp khi vật rơi do lực hấp dẫn thì sẽ làm cho hiện tượng thế năng bị giảm và chuyển thành công để vật rơi một cách tự do. Còn trường hợp được ném lên từ gốc thế năng sẽ giúp lực ném chuyển thành công và cũng sẽ cản trở trọng lực đến khi trọng lực giúp vật rơi 1 cách tự do.

 

4. Bài tập vận dụng

 

Ví dụ 1: Cho một thanh lò xò bị nén 6cm với độ cứng lò xo là k = 110N/m, vậy thế năng đàn hồi của lò xo là bao nhiêu?

 

Cách giải:

Đổi 6cm = 0,06m.

Theo công thức: Wđh= ½ .k.x^2

Suy ra:  Wđh = ½ × 110 × 0.06^2 = 0,198 (J)

Vậy lò xo có thế năng đàn hồi là 0,198 (J)

 

Ví dụ 2: Cho 1 thanh lò xo nằm ngang với độ cứng k là 260N/m, khi lò xo bị kéo dãn từ 3cm đến 5cm thì lúc này công của lực đàn hồi là bao nhiêu?

 

Cách giải:

Đổi 3cm = 0,03m

5cm = 0,05m

A = Wt2 – Wt1 = ½ .260.(0.05^2 -  0,03^2) = 0,208 (J)

Lúc này công cần tìm sẽ là A’ = -A = -0.208 (J)

 

(Thế năng)

 

Trên đây là những kiến thức tổng hợp để giúp mọi người hiểu rõ hơn về thế năng và công thức tính thế năng cho thế năng đàn hồi và thế năng trọng. Hãy phân biệt rõ 2 loại thế năng này có thể đưa ra phép tính toán chính xác nhất.