Thế năng là gì? Đơn vi, công thức tính thế năng đàn hồi, thế năng trọng trường

Trong bộ môn Vật lý, chúng ta được học nhiều loại đại lượng khác nhau. Một trong số đó phải kể đến thế năng. Thế năng được ứng dụng và sử dụng phổ biến trong đời sống. Để có thể giải được các bài toán về thế năng, chúng ta cần nắm rõ các lý thuyết và các khái niệm của nó. Vậy Thế năng là gì? Đơn vị, công thức tính thế năng đàn hồi, thế năng trọng trường, thế năng tĩnh điện?

Thế năng là gì?

Thế năng là một trong những đại lượng vật lý quan trọng. Đại lượng này biểu hiện khả năng sinh công của một vật trong một số điều kiện nhất định. Nói cách khác, thế năng chính là một dạng năng lượng tồn tại bên trong vật thể. Có 3 loại thế năng: thế năng trọng trường, thế năng đàn hồi và thế năng tĩnh điện.

Thế năng đàn hồi là gì?

Khi một vật có khả năng biến dạng do tác động nào đó đều có khả năng sinh công. Đây được xem như một dạng năng lượng được gọi chung là thế năng đàn hồi.

VD: Thế năng đàn hồi:

– Lò xo bị co dãn

– Quả bóng bị móp

– Chai nhựa bị biến dạng

Công thức tính thế năng đàn hồi

Công thức tính thế năng đàn hồi khi lò xo bị biến dạng một đoạn Δl là:

W_đh = ½ k.(∆l)²

Trong đó:

• W_t là thế năng đàn hồi, đơn vị đo là J (Jun)
• k là độ cứng của lò xo, đơn vị đo là N.m
• ∆l là độ biến dạng của lò xo, đơn vị đo là m

Thế năng trọng trường là gì?

Thế năng trọng trường gắn liền với trọng trường của Trái Đất. Trước khi tìm hiểu thế năng trọng trường là gì, chúng ta cùng tìm hiểu về trọng trường của Trái Đất và tác động của nó đối với các vật thể bên trong.

Trọng trường là môi trường tồn tại xung quanh Trái Đất. Mọi vật thể bên trong trọng trường của Trái Đất đều bị tác động bởi lực hấp dẫn (trọng lực). Công thức tính trọng lượng của một vật có khối lượng m được đặt trong trọng trường:

P = m.g

Trong đó:

• P là trọng lượng, đơn vị đo là Newton (N)
• m là khối lượng của vật thể, đơn vị đo là kg
• g là gia tốc rơi tự do hay gia tốc trọng trường, đơn vị đo là m/s²

Từ đó, ta có thể định nghĩa thế năng trọng trường của một vật bất kỳ chính là năng lượng vật có được khi có lực hấp dẫn giữa vật và Trái Đất. Độ lớn của thế năng trọng trường phụ thuộc vào vị trí của vật thể bên trong trọng trường.

VD: Thế năng trọng trường:

– Quả dừa trên cây

– Chim đậu bên vách đá

– Bong bóng mắc kẹt trên cây

Công thức tính thế năng trọng trường

Thế năng trọng trường của một vật thể bất kỳ có khối lượng m đặt ở vị trí cách mốc thế năng một khoảng z trong môi trường trọng trường, được tính theo công thức sau:

W_t = m.g.z

Trong đó

• W_t là thế năng trọng trường của thể vật tại vị trí đang xét, đơn vị đo là J (Jun)
• m là khối lượng của vật thể, đơn vị đo là kg
• z là khoảng cách từ vật đến mốc thế năng, đơn vị đo là m
• g là độ lớn gia tốc rơi tự do của vật thể, đơn vị đo là m/s²

Mốc thế năng là vị trí ban đầu của vật trong trọng trường trước khi sinh công. Ví dụ như khi vật được ném lên không trung, lúc này, vị trí vật được ném lên chính là mốc thế năng.

Các trường hợp có thể xảy ra với thế năng trọng trường:

• W_t > 0
• W_t = 0
• W_t < 0
• z > 0 khi vật ở trên mốc thế năng.
• z <0 khi vật ở dưới mốc thế năng.

Thế năng tĩnh điện

Lực tĩnh điện là một lực bảo toàn, và thế năng trong trường hợp này là thế năng tĩnh điện.

Ngoài thế năng trọng trường và đàn hồi còn có thêm một loại thế năng khác đó là tĩnh điện. Đây được xem là một lực bảo toàn dưới dạng tĩnh điện, được tính dựa vào công thức:     φ = q.V

Trong đó:

• q: là điện thế
• V: điện tích của vật xác định được.

Để tính đc q và V ta áp dụng công thức lực tĩnh điện F là:

F = q.E

Trong đó:

• F là độ lớn lực điện. Đơn vị: N
• E là cường độ điện trường. Đơn vị: V/m, N/C
• q là độ lớn của điện tích thử. Đơn vị: C

Liên hệ giữa biến thiên thế năng và công của trọng lực

Khi một vật bất kỳ chuyển động trong trọng trường từ vị trí M đến vị trí N thì khi đó, công của trọng lực của vật được xác định bằng hiệu thế năng trọng trường tại M và N.

Ta có hệ thức: W(MN) = W_t (M) – W_t (N)

Lưu ý: Trong quá trình chuyển động của một vật trong trọng trường:

• Khi tốc độ chuyển động của vật giảm đi, đồng thời thế năng của vật giảm thì trọng lực sinh công dương (+)
• Khi vật có vị trí càng cao, thế năng của vật tăng thì trọng lực sinh công âm (-).

Qua bài viết trên đã tổng hợp lại cho các bạn những kiến thức về thế năng là gì cũng như các công thức tính thế năng trọng trường và thế năng đàn hồi. Hy vọng bài viết sẽ giúp các bạn nắm rõ kiến thức này và vận dụng tốt vào bài tập liên quan. Hãy theo dõi boxthuthuat để biết thêm nhiều kiến thức bổ ích nhé!