Định luật bảo toàn năng lượng là một khái niệm quan trọng trong vật lý học và luôn kích thích sự tò mò của nhiều bạn học sinh. Trên thực tế, định luật này giúp chúng ta hiểu rõ hơn về sự chuyển đổi và bảo toàn năng lượng trong các hiện tượng tự nhiên. Bài viết này sẽ cung cấp cho bạn những kiến thức cơ bản về định luật bảo toàn năng lượng, bao gồm cả công thức và ví dụ minh họa.
Mục lục
1. Định luật bảo toàn năng lượng là gì?
Định luật bảo toàn năng lượng cho biết rằng năng lượng không tự nhiên sinh ra cũng không tự nhiên mất đi mà nó chỉ chuyển đổi từ dạng này sang dạng khác hoặc từ vật này sang vật khác. Đây là một nguyên lý cơ bản của vật lý học và có thể được hiểu dễ dàng qua ví dụ sau đây:
Nếu chúng ta thả một hòn bi từ trên cao xuống một cái chén, năng lượng ban đầu của hòn bi là thế năng hấp dẫn. Khi hòn bi rơi vào chén và di chuyển trong chén, nó sẽ có động năng. Đồng thời, âm thanh phát ra từ va chạm giữa bi và chén cũng là một dạng năng lượng, gọi là âm năng. Hơn nữa, sự ma sát giữa bi và chén tạo ra nhiệt năng.
Từ ví dụ trên, chúng ta có thể thấy rằng năng lượng ban đầu dưới dạng thế năng đã chuyển đổi thành ba dạng năng lượng khác nhau, bao gồm động năng, âm năng và nhiệt năng.
2. Bảo toàn năng lượng trong dao động cơ
Trong dao động cơ, năng lượng được gọi là cơ năng và bảo toàn trong một hệ kín. Cơ năng bằng tổng của động năng và thế năng.
-
Động năng của một vật là năng lượng được sinh ra từ chuyển động của vật đó. Nó được xác định bằng công cần thực hiện để gia tốc một vật với khối lượng cho trước từ trạng thái nghỉ tới vận tốc hiện tại của vật.
-
Thế năng là một đại lượng mô tả khả năng của một vật để thực hiện công. Trong trường hợp của vật rơi tự do, thế năng được tính bằng công thức: Wt = mgh.
3. Biểu thức bảo toàn cơ năng
Công thức biểu thị bảo toàn cơ năng trong dao động cơ là:
W = Wd1 + Wt1 = Wd2 + Wt2 = mv1² + mgh1 + mv2² + mgh2.
Trong đó:
- Wd1 là động năng của vật tại vị trí có vận tốc v1.
- Wd2 là động năng của vật tại vị trí có vận tốc v2.
- Wt1 là thế năng của vật tại độ cao h1.
- Wt2 là thế năng của vật tại độ cao h2.
Từ công thức trên, chúng ta có thể thấy rằng:
- Một vật rơi tự do, khi thế năng cực đại, động năng bằng 0. Động năng cực đại, thế năng bằng 0.
- Động năng tăng thì thế năng giảm và ngược lại, nhưng tổng động năng và thế năng luôn duy trì không đổi.
4. Các công thức liên quan đến định luật bảo toàn năng lượng
Ngoài ra, có nhiều công thức khác liên quan đến định luật bảo toàn năng lượng, bao gồm:
- Công suất: P = F.s.cosα.
- Động năng: Wd = 1/2.mv².
- Thế năng trọng trường: Wt = mgh.
- Hiệu suất: Aci = Công có ích / Công toàn phần.
5. Ví dụ minh họa về định luật bảo toàn năng lượng
Để hiểu rõ hơn về định luật bảo toàn năng lượng, hãy xem một ví dụ cụ thể. Giả sử chúng ta có một vật có khối lượng m = 10g, rơi tự do từ độ cao 5m và có vận tốc rơi là 13km/h.
Áp dụng công thức, chúng ta có:
W = Wd + Wt = mv² + mgh = 554,8J.
6. Bài tập trắc nghiệm về định luật bảo toàn năng lượng
Cuối cùng, hãy cùng làm một số bài tập trắc nghiệm để kiểm tra hiểu biết của bạn về định luật bảo toàn năng lượng:
-
Trong các hiện tượng tự nhiên, thường có sự biến đổi giữa:
A. Điện năng và thế năng
B. Thế năng và động năng
C. Quang năng và động năng
D. Hóa năng và điện năng -
Trong quá trình biến đổi thế năng thành động năng và ngược lại trong các hiện tượng tự nhiên, phần cơ năng luôn giảm và chuyển hóa thành:
A. Nhiệt năng
B. Hóa năng
C. Quang năng
D. Năng lượng hạt nhân -
Trong động cơ điện, phần lớn điện năng chuyển hóa thành:
A. Điện năng
B. Hóa năng
C. Quang năng
D. Cơ năng -
Trong các câu sau, lựa chọn phát biểu đúng là:
A. Trong động cơ điện, phần lớn điện năng chuyển hóa thành nhiệt năng.
B. Trong các máy phát điện, phần lớn cơ năng chuyển hóa thành hóa năng.
C. Phần năng lượng hữu ích thu được luôn lớn hơn phần năng lượng ban đầu cung cấp cho máy.
D. Phần năng lượng hao hụt đi biến đổi thành dạng năng lượng khác. -
Phát biểu nào sau đây là đúng khi nói về định luật bảo toàn năng lượng:
A. Năng lượng có thể tự sinh ra hoặc tự mất đi và chuyển từ dạng này sang dạng khác hoặc truyền từ vật này sang vật khác.
B. Năng lượng không tự sinh ra và tự mất đi mà có thể truyền từ vật này sang vật khác.
C. Năng lượng không tự sinh ra hoặc tự mất đi mà chỉ chuyển từ dạng này sang dạng khác hoặc truyền từ vật này sang vật khác.
D. Năng lượng không tự sinh ra hoặc tự mất đi mà chỉ chuyển từ dạng này sang dạng khác. -
Trong máy phát điện, điện năng thu được luôn có giá trị nhỏ hơn cơ năng cung cấp cho máy. Điều này xảy ra vì:
A. Một đơn vị điện năng lớn hơn một đơn vị cơ năng.
B. Một phần cơ năng đã chuyển hóa thành dạng năng lượng khác ngoài điện năng.
C. Một phần cơ năng đã tự biến mất.
D. Chất lượng điện năng cao hơn chất lượng cơ năng. -
Trong các quá trình biến đổi từ động năng sang thế năng và ngược lại, điều gì luôn xảy ra với cơ năng?
A. Luôn được bảo toàn
B. Luôn tăng thêm
C. Luôn bị hao hụt
D. Khi thì tăng, khi thì giảm -
Hiệu suất của một pin mặt trời là 10%. Điều này có nghĩa là:
A. Nếu pin nhận được 100J năng lượng mặt trời, sẽ tạo ra 10J điện năng.
B. Nếu năng lượng mặt trời là 100J, sẽ tạo ra 10J điện năng.
C. Nếu điện năng là 10J, sẽ tạo ra 100J quang năng.
D. Năng lượng mặt trời là 10J, sẽ tạo ra 100J điện năng. -
Hiệu suất của động cơ điện là 97%. Điều này có nghĩa là 97% điện năng đã sử dụng được chuyển hóa thành:
A. Cơ năng
B. Nhiệt năng
C. Cơ năng và nhiệt năng
D. Cơ năng và năng lượng khác -
Trong các hiện tượng sau, hiện tượng nào không tuân theo định luật bảo toàn năng lượng?
A. Bếp nguội khi tắt lửa
B. Xe dừng lại khi tắt máy
C. Bàn là nguội khi tắt điện
D. Không có hiện tượng nào
