Thế Năng Là Gì Các Loại Công Thức Tính Thế Năng

Thế năng là một đại lượng phổ biến trong vật lý, thể hiện khả năng sinh công của vật. Về thế năng, hiện nay có hai dạng thế năng phổ biến nhất là thế năng đàn hồi và thế năng trọng trường (hay còn gọi là thế năng hấp dẫn).

Thế năng là một trong những kiến thức quan trọng về cơ học trong chương trình Vật Lý lớp 10. Nắm được kiến thức về thế năng và các công thức tính toán sẽ giúp các em học sinh giải quyết các bài toán về động năng, thế năng và cơ năng nhanh chóng và chính xác.

Vậy thế năng là gì? Công thức tính thế năng trọng trường và đàn hồi như thế nào?

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.

Tuy nhiên, trong chương trình Vật Lý lớp 10, các em sẽ chỉ tập trung tìm hiểu về 2 loại thế năng phổ biến. Đó là thế năng trọng trường và thế năng đàn hồi. Mỗi loại đều có khái niệm, đặc điểm và công thức tính toán riêng.

Thế năng trọng trường là gì? Công thức tính thế năng trọng trường

Khái niệm thế năng trọng trường

Thế năng trọng trường gắn liền với trọng trường của Trái Đất. Trước khi tìm hiểu thế năng trọng trường là gì, Team Marathon Education sẽ giải thích cho các em 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.

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:

Wt =m.g.z

Trong đó

Wt 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

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 là:

Wt > 0

Wt = 0

Wt < 0
z > 0 khi vật ở trên mốc thế năng.

z <0 khi vật ở dưới mốc thế năng.

Sự biến thiên hay sự thay đổi của thế năng và công của trọng lực phụ thuộc vào vị trí của vật ở các thời điểm khác nhau.

Khi vật thể di chuyển từ vị trí M đến vị trí N trong trọng trường (tăng độ cao hoặc giảm độ cao), công của trọng lực sẽ bằng với hiệu thế năng giữa 2 vị trí và được tính theo công thức AMN = Wt(M) – Wt(N).

Thế năng đàn hồi là gì? Công thức tính thế năng đàn hồi

Khái niệm thế năng đàn hồi

Một vật bị biến dạng do lực tác động từ bên ngoài và sinh công. Khi đó, năng lượng sinh ra được gọi là thế năng đàn hồi.

Xét một lò xo có một đầu cố định, một đầu gắn vào một vật có trọng lượng m. Lò xo có độ cứng k và có chiều dài tự nhiên l0. Khi bị kéo dãn một đoạn Δl, độ dài lò xo vào thời điểm đó là l = l0 + Δl.

Lúc đó, theo định luật Hooke, sẽ xuất hiện một lực đàn hồi có độ lớn là F = k.|Δl|. Lực này tác động vào lò xo nhằm đưa lò xo về trạng thái cân bằng.

Phân loại các loại thế năng

Thế năng là gì? phân loại thế năng với các dạng thế năng phổ biến bao gồm: thế năng hấp dẫn của một vật phụ thuộc vào khối lượng của nó và khoảng cách của nó với trọng tâm của một vật khác, thế năng đàn hồi của lò xo kéo dãn và thế năng của điện tích trong một điện trường.

Thế năng trọng trường 

Cơ năng của một vật sẽ phụ thuộc vào độ cao của vật so với mặt đất hoặc vị trí khác được chọn làm mốc để tính độ cao được gọi là thế năng trọng trường và cũng có thể gọi là thế năng hấp dẫn. Ví dụ như viên đạn đang bay hay quả mít ở trên cây,…

Hiểu đơn giản, thế năng trọng trường là dạng năng lượng tương tác giữa Trái Đất và vật; phụ thuộc vào vị trí của vật ở trong trọng trường. Nếu chọn thế năng của vật đặt tại mặt đất có khối lượng là m. Độ cao của vị trí tương ứng so với trọng trường trái đất là z. Thì công thức tính thế năng trọng trường sẽ là:

Wt= m.g.z.

Trong đó:

Wt: Thế năng của vật tại vị trí z, đơn vị đo là Jun (J)

m: Là khối lượng của vật (kg)

z: Là độ cao của vật so với mặt đất

Đặc điểm nổi bật của thế năng trọng trường đó chính là đại lượng vô hướng, có thể rơi vào khoảng từ >0=0 hoặc <0. Sự biến thiên thế năng và công của trọng lực chính là khi một vật bắt đầu di chuyển từ vị trí A cho đến B.

Công của trọng lực của vật sẽ được tính bằng hiệu điện thế năng của trọng lực tại 2 vị trí. Công thức: AAB = Wt (ở A) – Wt (ở B)

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

Thế năng hấp dẫn

Thế năng hấp dẫn (thế năng trọng trường) của một vật là dạng năng lượng tương tác giữa Trái Đất và vật; nó phụ thuộc vào vị trí của vật trong trọng trường.

Lực hấp dẫn là một lực bảo toàn, và thế năng trong trường hợp này gọi là thế năng hấp dẫn, còn gọi là thế năng trọng trường. Ví dụ, tại một điểm nhỏ trên bề mặt hành tinh lớn, có thể coi lực hấp dẫn lên vật thể (trọng lực) không đổi:

F = m g

Với tại bề mặt, vật. Lúc đó nếu lấy mốc thế năng của vật tại bề mặt bằng 0 thì thế năng tại độ cao h so với bề mặt (h rất nhỏ so với bán kính của hành tinh) là:

φ = m |g| z

Khi ở trên mặt đất thế năng trọng trường có công thức: Wt = mgz đơn vị Jun

m là khối lượng đơn vị kg

g là vectơ gia tốc trọng trường. Là hằng số 9,81

z là độ cao đơn vị là m

Thế năng tĩnh điện

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

Lực tĩnh điện F là: F = q E

Trong đó:

q là điện tích của hạt mang điện.

E là cường độ điện trường.

Trong khi đó, điện thế V lại là trường thế vô hướng ứng với trường véc tơ cường độ điện trường:

Suy ra: φ = q V, nghĩa là thế năng tĩnh điện bằng điện thế nhân với điện tích.

Thế năng đàn hồi

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

Lực đàn hồi của lò xo lý tưởng là lực bảo toàn, và thế năng trong trường hợp này gọi là thế năng đàn hồi.

Nếu lò xo tuân theo định luật Hooke với lực đàn hồi, F, tỷ lệ với biến dạng, y:

|F| = k y

Thì thế năng đàn hồi của lò xo là: φ = k y2/2

Có thể lấy mốc thế năng bằng 0 khi lò xo không bị biến dạng.

Trên đây Thiết Bị Điện Goldsun đã tổng hợp các thông tin về Thế năng là gì giúp cho quý bạn đọc cung cấp các kiến thức cần thiết để áp dụng cho công việc và học tập.