1.1.1. Thế năng

– Trường hấp dẫn do Trái Đất gây ra xung quanh nó gọi là trọng lực. 

Lực nâng của người thực hiện công truyền năng lượng cho kiện hàng

– Biểu hiện của trường trọng lực là sự xuất hiện của trọng lực P tác dụng lên một vật có khối lượng m đặt tại một vị trí bất kì trong khoảng không gian có trường trọng lực:

\(P = m.g\)

g: là giá trị gia tốc rơi tự do hay còn gọi là gia tốc trọng trường.

– Xét một khoảng không gian không quá rộng thì gia tốc trọng trường tại mọi điểm có phương song song, cùng chiều và cùng độ lớn.

– Thế năng trong trường trọng lực đều được xác định bằng biểu thức:

\({W_t} = m.g.h\) (h là độ cao so với mốc thế năng được chọn)

– Thế năng là năng lượng nên được đo bằng Jun (J).

– Nhận xét: Khi vật ở trên mặt đất (h = 0) thì vật không có thế năng (W_t = 0). Ta nói mặt đất được chọn làm mốc (hay gốc) thế năng.

Mốc thế năng

1.1.2. Động năng

– Động năng là năng lượng một vật có được do chuyển động và được xác định bằng biểu thức: \({W_d} = \frac{1}{2}m.{v^2}\)

– Động năng là năng lượng nên được đo bằng Jun (J)

– Ví dụ:

Cánh quạt đang quay có động năng	Quả bóng bay đi có động năng

1.2.1. Sự chuyển hóa động năng và thế năng của vật

– Xung quanh có rất nhiều tình huống mà có sự chuyển hóa giữa động năng và thế năng.

– Quan sát trò chơi tàu lượn để thấy được động năng và thế năng của tàu chuyển hóa qua lại lẫn nhau

Người ngồi trên toa tàu lượn cảm nhận sự thay đổi nhanh và liên tục của vận tốc và độ cao của mình

+ Trong trò chơi tàu lượn, khi bắt đầu, động cơ điện kéo toa tàu lên dến đỉnh đầu tiên của cung đường. Sau đó nó trượt xuống và tăng tốc. Khi xuống thì tốc độ tăng dần và có đà để di chuyển lên đỉnh tiếp theo, rồi tiếp tục trượt xuống và tăng tốc.

• Ở trên đỉnh cao nhất toa tàu dự trữ thế năng cực đại, khi trượt xuống tốc độ tăng tức là động năng tăng, đồng thời thế năng giảm do độ cao giảm. Như vậy thế năng đã chuyển hoá thành động năng.
• Còn khi lên dốc thì động năng giảm, thế năng tăng, tức là động năng đã chuyển hoá thành thế năng.

+ Trong quá trình này có hao phí dưới dạng năng lượng nhiệt hay năng lượng âm thanh do đó các đỉnh sau thì luôn thấp hơn đỉnh trước.

– Ví dụ: Sự chuyển hóa động năng và thế năng của vật trong thực tế

Động năng và thế năng của em bé chuyển hóa qua lại

1.2.2. Định luật bảo toàn cơ năng

Cơ năng của một vật là tổng động năng và thế năng của nó.

– Thế năng và động năng là hai dạng của cơ năng. Cơ năng W của một vật bằng tổng thế năng W_t và động năng W_đ của nó: \(W = {W_d} + {W_t}\)

– Trong quá trình chuyển động, động năng có thể giảm do chuyển hóa thành thế năng hoặc thế năng giảm do chuyển hóa thành động năng. Quá trình chuyển hóa này thường kèm theo sự hao phí năng lượng.

– Động năng giảm đi bao nhiêu thì thế năng tăng lên bấy nhiêu và ngược lại. Hay nói cách khác tổng thế năng và động năng là không đổi. Đó là định luật bảo toàn cơ năng.

Bỏ qua ma sát thì cơ năng của con lắc đơn được bảo toàn

– Năng lượng có thể được dự trữ và chuyển từ dạng này sang dạng khác (chuyển hóa năng lượng), từ vật này sang vật khác (truyền năng lượng) khi có lực tác dụng hoặc các tác động vật lý khác.

– Ví dụ: Chuyển hóa năng lượng:

Chuyển hóa năng lượng Mặt Trời thành điện năng

Truyền năng lượng từ bếp sang nồi	Chuyển hoá năng lượng từ điện năng sang nhiệt năng

1.3.2. Hiệu suất

– Trong khoa học, người ta sử dụng khái niệm hiệu suất H để mô tả tỉ lệ (có thể tính theo phần trăm) giữa năng lượng có ích được tạo ra W_có ích và tổng năng lượng cung cấp W_{cung cấp}: \(H = \frac{{{W_{có ích}}}}{{{W_{cung cấp}}}}\)

– Ví dụ: Động cơ ô tô có hiệu suất 25% nghĩa là chỉ 25% năng lượng hoá học trong xăng được chuyển hoá thành động năng của ô tô, còn 75% năng lượng còn lại bị hao phí dưới dạng nhiệt năng, năng lượng âm thanh,…

Lược đồ minh họa hiệu suất động cơ xăng của ô tô H = 25% như hình dưới đây:

⇒ Vì vậy, nâng cao hiệu suất máy móc, sử dụng năng lượng hiệu quả là biện pháp quan trọng cho sự phát triển bền vững.

1.3.3. Minh họa định luật bảo toàn năng lượng

– Năng lượng không tự sinh ra hoặc không tự mất đi; năng lượng chỉ chuyển hóa từ dạng này sang dạng khác hoặc truyền từ vật này sang vật khác. Nói cách khác, năng lượng được bảo toàn.

Mô hình đơn giản minh họa sự bảo toàn năng lượng

– Trong trường trọng lực đều, thế năng của vật có khối lượng ở độ cao so với mặt đất được xác định bằng công thức: \({W_t} = m.g.h\), trong đó, g ≈ 9,81 m/s2. – Động năng của vật có khối lượng chuyển động với tốc độ được xác định bằng công thức: \({W_d} = \frac{1}{2}m.{v^2}\). – Động năng của vật có thể chuyển hoá thành thế năng và ngược lại. Nếu bỏ qua sự hao phí năng lượng trong quá trình chuyển động thì tổng thế năng và động năng của vật không đổi, tức là cơ năng của vật được bảo toàn. – Hiệu suất cho biết tỉ lệ (có thể tính theo phần trăm) giữa năng lượng có ích được tạo ra và tổng năng lượng cung cấp. – Năng lượng không tự sinh ra hoặc không tự mất đi, năng lượng chỉ chuyển hoá từ dạng này sang dạng khác hoặc truyền từ vật này sang vật khác. Nói cách khác, năng lượng được bảo toàn.