Thế năng là gì? công thức tính thế năng trong vật lý

Thế năng là gì? Thế năng và động năng là 2 đại 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 là thế năng đàn hồi và thế năng trọng trường và chúng ta sẽ tìm hiểu ngay sau đây.

1. Thế năng là gì

Thế năng là một đại lượng trong môn vật lý. Thê năng thể hiện cho khả năng sinh công của vật và nó tồn tại dưới dạng năng lượng.

Trong vật lý, thế năng có tên Tiếng Anh là potential energy, có thể hiểu theo nghĩa đen: năng lượng tiềm tàng. dạng năng lượng một vật có được do vị trí của nó không cùng với các vật khác, lực tiềm tàng xuất hiện do lực nén bên trong bản thân, điện tích hoặc đến từ các yếu tố khác.

3 dạng thế năng phổ biến bao gồm thế năng hấp dẫn một vật phụ thuộc vào khối lượng với khoảng cách một vật khác, thế năng đàn hồi lò xo và cuối cùng thế năng của điện tích trong một điện trường.

3 dạng thế năng này đều dùng đơn vị đo năng lượng – Hệ đo lường quốc tế (SI): Jun, có ký hiệu J.

2. Thế năng đàn hồi

Khi một vật biến dạng do tác động nào đó thì đều có khả năng sinh công. Đây là năng lượng được gọi chung là thế năng đàn hồi. Để có thể tính được thế năng đàn hồi thì trước hết mọi người phải tính được công của lực đàn hồi.

Xét lò xo có chiều là I0 với độ cứng đàn hồi được kính bằng k. Bao gồm một đầu cố định một đầu gắn vào vật, tiến hành thực hiện kéo một đoạn cố định là ΔI. Khi đó, lực đàn hồi xuất hiện trực tiếp lò xo, tác động vào vật. Độ dài của lò xo sau khi kéo được tính là I = I0 + ΔI, lực đàn hồi tác dụng vào vật theo định luật Húc là:

Nếu chiều dương là chiều tăng của lò của chiều dài lò xo thì lực sẽ là:

Công thức tính lực đàn hồi gíup đưa vật trở về vị trí của lò xo không biến dạng là:

Sau khi tính toán được lực đàn hồi, ta có thể áp dụng công thức sau để tính thế năng lực đàn hồi của lò xo.

Công thức thế năng đàn hồi:

Wđh = 0.5.k.x 2

Với:

Wđh: Thế năng đàn hồi, được tính theo đơn vị J – Jun k: độ cứng lò xo (N.m) x: Độ biến dạng lò xo ( đơn vị m)

3. Thế năng trọng trường

3.1 Trọng trường

Xung quanh Trái Đất luôn tồn tại trọng trường do gia tốc trọng trường hay biểu hiện của nó là trọng lực. Biểu hiện rõ ràng là một vật khối lượng m đều có trọng trường được đặt tại vị trí bất kỳ trong khoảng không gian trong vùng trọng trường trái đất.

Công thức của trọng lực trong một vật có khối lượng m là:

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

3.2 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.