Báo cáo thực hành Các dạng năng lượng học sinh: 1, Nguyễn Hằng Mây 2, Nguyễn Ngọc Phương Nghi 3, Văn Hải Linh. 4, Nguyễn Hoàng Vũ 5, Trần Trường Giang 6, Mai Nhật Hương 7, Đặng Quốc Bảo 8, Tăng Minh Đức Lời nói đầu: Năng lượng là khái niệm quan trọng trong vật lý, dù không cơ bản như khối lượng. Lịch sử của khái niệm này bắt đầu từ cơ học cổ điển, đến điện từ học, rồi trải qua cuộc cách mạng về việc đồng nhất với khái niệm nhiệt lượng trong nhiệt động lực học và đến giờ là quan niệm hiện đại của thuyết tương đối và thuyết lượng tử. Năng lượng, theo công thức liên hệ đến khối lượng toàn phần E = mc² trong lý thuyết tương đối của Albert Einstein, là một thước đo khác của lượng vật chất. Nó là khối lượng nhân với một hằng số có đơn vị là vận tốc bình phương. Do vậy đơn vị đo năng lượng, trong hệ đo lường quốc tế, là kg (m/s)². A, Các dạng năng lượng cơ bản: 1, Công năng: * đặc điểm: Công cơ học, gọi tắt là công, là năng lượng được thực hiện khi có một lực tác dụng lên vật thể làm vật thể và điểm đặt của lực chuyển dời. Công cơ học thu nhận bởi vật thể được chuyển hóa thành sự thay đổi công năng của vật thể, khi nội năng của vật thể này không đổi. Công được xác định bởi tích vô hướng của véctơ lực và véctơ đường đi: A=F.s ở đây • A là công, trong SI tính theo J. • F là véc-tơ lực không biến đổi trên quãng đường di chuyển, trong SI tính theo N • s là véc-tơ quãng đường thẳng mà vật đã di chuyển, trong SI tính theo m • "." là nhân vô hướng Khi quãng đường cong và/hoặc lực biến thiên trên đường đi, công được tính theo tích phân đường: với • A là công • C là đường cong mà vật đã đi • là véc-tơ lực • là véc-tơ vị trí • "." là nhân vô hướng Trong SI, đơn vị đo của công là đơn vị đo năng lượng Jule, viết tắt là "J" (1J = 1N x 1m). I. Cơ năng của vật chuyển động trong trọng trường 1. Định nghĩa Khi một vật chuyển động trong trọng trường thì tổng động năng và thế năng của vật được gọi là cơ năng của vật trong trọng trường (gọi tắt là cơ năng của vật) Kí hiệu cơ năng của vật là , theo định nghĩa ta có thể viết (27.1) 2. Sự bảo toàn cơ năng của vật chuyển động trong trọng trường Xét một vật khối lượng chuyển động trong trọng trường từ vị trí đến vị trí . Trong quá trình chuyển động đó, công của trọng lực được xác định bởi hiệu thế năng tại và tại (xem (26.5): (27.2) Nếu trong quá trình đó, vật chỉ chịu tác dụng của trọng lực thì theo (25.1) công của trọng lực cũng được tính bằng độ biến thiên động năng của vật từ đến : (27.3) Cho bằng nhau hai giá trị của trong (27.2) và (27.3) ta được: Theo định nghĩa cơ năng (27.1) vế trái của công thức trên biểu thị cơ năng của vật tại , vế phải biểu thị cơ năng của vật tại . (27.4) Vì và là hai vị trí bất kì của vật trong quá trình chuyển động, nên từ hệ thức (27.4) có thể phát biểu định luật bảo toàn cơ năng của vật chuyển động trong trọng trường: Định luật bảo toàn cơ năng: Khi một vật chuyển động trong trọng trường chỉ chịu tác dụng của trọng lực thì cơ năng của vật là một đại lượng bảo toàn. (hằng số) (27.5) 3. Hệ quả Trong quá trình chuyển động của một vật trong trọng trường: - Nếu động năng giảm thì thế năng tăng (động năng chuyển hoá thành thế năng) và ngược lại: - Tại vị trí nào động năng cực đại thì thế năng cực tiểu và ngược lại. II. Cơ năng của vật chịu tác dụng của lực đàn hồi Tương tự như trên có thể chứng minh rằng: Khi một vật chỉ chịu tác dụng của lực đàn hồi gây bởi sự biến dạng của một lò xo đàn hồi thì trong quá trình chuyển động của vật, cơ năng được tính bằng tổng động năng và thế năng đàn hồi của vật là một đại lượng bảo toàn. (27.6) Chú ý quan trọng: Định luật bảo toàn cơ năng chỉ nghiệm đúng khi vật chuyển động chỉ chịu tác dụng của trọng lực và lực đàn hồi, ngoài ra nếu vật còn chịu thêm tác dụng của lực cản, lực ma sát … thì cơ năng của vật sẽ biến đổi. Công của các lực cản, lực ma sát … sẽ bằng độ biến thiên của cơ năng. 2, Động năng: Bài học này xét dạng năng lượng mà một vật có được đo nó đang chuyển động. Dạng năng lượng ấy gọi là động năng. Khi một vật có động năng thì vật đó có thể tác dụng lực lên vật khác và lực này sinh công. Công thức tính động năng 1. Ta hãy xét một vật khối lượng chuyển động dưới tác dụng của một lực . Để đơn giản, ta giả thiết lực không đổi và vật đó chuyển động theo giá của lực . Trong một khoảng thời gian xác định dưới tác dụng của lực , giả sử vật đó đi được quãng đường và có vận tốc biến thiên từ đến . Vì lực không đổi nên gia tốc chuyển động của vật không đổi, nghĩa là vật chuyển động thẳng biến đổi đều. Với chuyển động này, ta có công thức: Thay , ta được Tích ở vế phải của công thức trên chính là công của lực trong chuyển động dời của vật: Vậy (25.1) 2. Ta xét trường hợp đặc biệt của công thức (25.1). Vật bắt đầu từ trạng thái nghỉ , dưới tác dụng của lực , đạt tới trạng thái có vận tốc . Khi đó (25.1) trở thành (25.2) Như vậy, khi lực tác dụng lên vật sinh công, vật nhận được năng lượng và chuyển từ trạng thái nghỉ sang trạng thái chuyển động. Vế trái của (25.2) biểu thị năng lượng mà vật thu được trong quá trình sinh công của lực và được gọi là động năng của vật. Kết quả này đã tìm được trong một ví dụ đơn giản. người ta chứng minh rằng nó vẫn đúng cho trường hợp tổng quát. Động năng của một vật khối lượng đang chuyển động với vận tốc v là năng lượng (kí hiệu ) mà vật đó có được do nó đang chuyển động và được xác định theo công thức: (25.3) Ta có đơn vị của động năng là jun (J). Công của lực tác dụng và độ biến thiên động năng Trong trường hợp vật đang chuyển động dưới tác dụng của lực từ vị trí có động năng đến vị trí có động năng , thì công do lực sinh ra được tính theo công thức: Hệ quả: Khi lực tác dụng lên vật sinh công dương thì động năng của vật tăng (tức là vật thu thêm công – hay vật sinh công âm). Ngược lại, khi lực tác dụng lên vật sinh công âm thì động năng của vật giảm (tức là vật sinh công dương). Trong cơ học cổ điển, động năng của một vật rắn có thể được tính dựa trên các công thức dưới đây. Chuyển động tịnh tiến Động năng của một vật chuyển động tịnh tiến và không quay (hay chuyển động của chất điểm) là E đ = ½.m.v 2 với • m: khối lượng, • v: vận tốc của vật Có thể liên hệ động năng với động lượng qua biểu thức: E đ = p 2 /2m với: • p: động lượng • m: khối lượng Chuyển động quay Động năng của một vật vừa chuyển động tịnh tiến, vừa quay là: E đ = E t + E q với E t là động năng tịnh tiến E t = ½.m.v 2 và E q là động năng quay E q = ½.I.ω 2 ở đây: • m: khối lượng, • v: vận tốc chuyển động tịnh tiến, • I: mômen quán tính và • ω: vận tốc góc Có thể liên hệ động năng quay với mômen động lượng qua biểu thức: E q = L 2 /2I với: • L: mômen động lượng • I: mômen quán tính Lý thuyết tương đối hẹp Động năng của một vật rắn chuyển động tịnh tiến không quay trong lý thuyết tương đối hẹp là hiệu của năng lượng toàn phần với năng lượng nghỉ: . Với: • m: khối lượng • v: vận tốc chuyển động tịnh tiến • c: tốc độ ánh sáng Khi vận tốc chuyển động của vật là rất nhỏ (so với c), có thể thu được động năng tịnh tiến cổ điển qua xấp xỉ với chuỗi Taylor: . Cơ học lượng tử cổ điển Giá trị kỳ vọng của động năng cổ điển của một hạt nhỏ (như electron) chuyển động tịnh tiến trong cơ học lượng tử, ký hiệu là , mà hạt này được mô tả hàm sóng là: với • m là khối lượng của hạt • là toán tử Laplace • là hằng số Planck rút gọn Công thức trên là phiên bản lượng tử hóa của công thức động năng cổ điển: với: • p: động lượng • m: khối lượng Nguồn gốc từ động năng hệ Trái Đất - Mặt Trăng Trường hấp dẫn không đều trên bề mặt Trái Đất gây ra bởi Mặt Trăng, cộng với trường lực quán tính ly tâm không đều tạo nên bề mặt hình elipsoit của thủy quyển Trái Đất (và ở mức độ yếu hơn, của khí quyển Trái Đất và thạch quyển Trái Đất). Hình elipsoit này cố định so với đường nối Mặt Trăng và Trái Đất, trong khi Trái Đất tự quay quanh nó, dẫn đến mực nước biển trên một điểm của bề mặt Trái Đất dâng lên hạ xuống trong ngày, tạo ra hiện tượng thủy triều. Sự nâng hạ của nước biển có thể làm chuyển động các máy phát điện trong các nhà máy điện thủy triều. Về lâu dài, hiện tượng thủy triều sẽ giảm dần mức độ, do tiêu thụ dần động năng tự quay của Trái Đất, cho đến lúc Trái Đất luôn hướng một mặt về phía Mặt Trăng. Thời gian kéo dài của hiện tượng thủy triều cũng nhỏ hơn so với tuổi thọ của Mặt Trời. 3, Thế năng: Trong cơ học, thế năng là trường thế vô hướng của trường véctơ lực bảo toàn. Cũng như mọi trường thế vô hướng, thế năng có giá trị tùy theo quy ước thế năng của điểm lấy mốc. Đôi khi, khái niệm hiệu thế năng thường được dùng khi so sánh thế năng giữa hai điểm, hoặc nói về thế năng của một điểm khi lấy điểm kia là mốc có thế năng bằng 0. Với mọi trường véctơ lực bảo toàn, tích phân đường của véctơ lực E từ vị trí r 0 đến r: đều có giá trị không phụ thuộc vào đường đi cụ thể từ r 0 đến r. Như vậy tại mỗi điểm r đều có thể đặt giá trị gọi là thế năng: với φ(r 0 ) là giá trị thế năng quy ước ở mốc r 0 . Vì lực nhân quãng đường là công cơ học, tức năng lượng, thế năng là một dạng năng lượng. Trong hệ đo lường quốc tế, thế năng được đo bằng Jule (viết tắt là J). Thế năng hấp dẫn Lực hấp dẫn là một lực bảo toàn, và thế năng trong trường hợp này gọi là thế năng hấp dẫn. 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 g là véctơ gia tốc trọng trường tại bề mặt, m là khối lượng vật. Lúc đó nếu lấy mốc thế năng của vật tại bề mặt bằng 0 thì thế năng tại độ cao h so với bềm mặt (h rất nhỏ so với bán kính của hành tinh) là: φ = m h |g| 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 với q là điện tích của hạt mang điện, E là cường độ điện trường. [...]... các nguyên tử hay phân tử chứa trong vật (bao gồm động năng tịnh tiến, động năng quay và động năng dao động) và tổng thế năng trong các liên kết phân tử, tính trong hệ quy chiếu gắn với khối tâm của vật hay hệ vật lý Nói nôm na, nó là năng lượng chứa bên trong các vật hay hệ vật lý, để phân biệt với động năng của chuyển động vĩ mô của vật, hay thế năng của toàn vật trong một trường lực bên ngoài Trong... trong vạn vật ở vũ trụ, ngoài những vật thể tạo nhiệt năng, tạo ra lửa, tạo ra quang năng, là thường xuyên có thể cung cấp quang năng, còn tất cả vật thể khác từ tử vật thể đến sinh vật thể đều ít khi phát ra ánh sáng, đặc biệt chỉ có vào loại thực vật tiết ra lân tinh: nấm sáng, động vật: con đom đóm, kình ngư ở đáy biển sâu, có khi các vùng đất sình lầy phát sinh ra đèn ma ban đêm Tuy nhiên các vật thể... linh tử, thực vật vi linh tử, động vật vi linh tử, nhơn vật vi linh tử trong đệ tam sung phân hợp vữa vũ trụ Thành ra sung phân hợp gồm có: ngũ năng, ngũ hành, ngũ tử để cấu tạo nên các vật thể trong vũ trụ Quang năng quan trọng lắm, nhờ nó mà vạn vật sinh tồn và được bảo quản chu đáo, nó tiếp giúp cho các vi linh tử cấu tạo nên vũ trụ và vạn vật công trình của nó đứngvào bậc khai quang điểm vật cho vũ... 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, x: |F| = k x Thì thế năng đàn hồi của lò xo là: φ = k x2/2 nếu lấy mốc thế năng bằng 0 khi lò xo không bị biến dạng 4, Nội năng: Trong vật lý học, đặc biệt là trong nhiệt động lực học, nội năng của một vật hay một hệ vật lý là tổng... năng lượng từ dạng này sang dạng khác, chỉ có sự truyền nội năng từ vật này sang vật khác b) Nhiệt lượng Số đo độ biến thiên của nội năng trong quá trình truyền nhiệt là nhiệt lượng (còn goị tắt là nhiệt) (32.1) là độ biến thiên nội năng của vật trong quá trình truyền nhiệt: nhận được từ vật khác hay toả ra cho vật khác là nhiệt lượng vật Ở lớp 8 ta đã học công thức tính nhiệt lượng mà một lượng chất... nhiệt động lực học người ta gọi tổng động năng và thế năng của các phân tử cấu tạo nên vật là nội năng của vật Nội năng của vật được kí hiệu bằng chữ và đơn vị của nội năng là jun (J) 2 Độ biến thiên nội năng Trong nhiệt động lực học người ta không quan tâm đến nội năng của vậtt mà quan tâm đến độ biến thiên nội năng của vật, nghĩa là phần nội tạng tăng thêm lên hay giảm bớt đi trong một quá trình II Các... muôn loài, vắng bóng quang năng là vạn vật hoàn toàn chìm vào cõi chết, nó còn sưởi ấm không gian nơi nó ngự trị hay xuyên qua, ánh sáng của nó còn giúp các cơ quan bộ phận phát triển: thực vật hấp thụ lục diệp tố từ quang năng, động vật hấp thụ nhiệt năng của quang năng để tăng trưởng và sinh tồn Tuy nhiên quang năng cũng có nhiều độc hại mà thực vật và sinh vật thường hứng chịu Chúng ta có ngờ đâu... năng quay của phân tử quanh khối tâm Tổng các động năng này của các phân tử chính là nhiệt năng của vật Nhiệt năng có quan hệ chặt chẽ với nhiệt độ Nhiệt độ của vật càng cao thì các phân tử cấu tạo nên vật chuyển động càng nhanh và nhiệt năng của vật càng lớn Nhiệt năng có thể được trao đổi giữa các vật hay hệ thống do sự khác biệt về nhiệt độ Nhiệt năng có thể được tạo ra hoặc thay đổi, bằng cách... năng trợ lực cho thực vật rất nhiều, từ trên cạn đến dưới nước, chỗ nào quang năng đặt chân đến là nơi đó thực vật mới có thể sinh sống đước, vì lục diệp tố rất cần quang năng và nhiệt năng để chế tạo từ lá cây mới có thể đủ chất dinh dưỡng cho thục vật, ở dưới nước ánh sáng thường bị khúc xạ nên không xuống sâu quá 4000 thước, thành ra chỗ nào biển sâu quá 4000 thước không có thực vật sống ở chỗ sâu... nhơn loại và sinh vật không ít, nhưng nó vô tình, không đếm xỉa gì đến lời ta thán của con người Công nghiệp thứ ba, nó cung cấp hơi nóng cho thực vật chuyển nhựa nguyên thành nhựa luyện bởi xuyên qua diệp lục tố ở lá, để nuôi thân cây tăng trưởng và đơm hoa kết trái, nó cung ứng nhiệt lượng cho tất cả sinh vật trên các sinh hành tinh để sinh tồn, không có nhiệt năng là con người và sinh vật khó sống Công . tâm của vật hay hệ vật lý. Nói nôm na, nó là năng lượng chứa bên trong các vật hay hệ vật lý, để phân biệt với động năng của chuyển động vĩ mô của vật, hay. bị biến dạng. 4, Nội năng: Trong vật lý học, đặc biệt là trong nhiệt động lực học, nội năng của một vật hay một hệ vật lý là tổng động năng của chuyển động