Cơ năng của vật được bảo toàn trong trường hợp nào?

1. Cơ năng của vật được bảo toàn trong trường hợp nào?

A. Vật chuyển động trong chất lỏng

B. Vật rơi tự do 

C. Vật rơi trong không khí

D. Vật trượt có ma sát trên mặt phẳng nghiêng

Đáp án: B. Vật rơi tự do 

Giải thích: 

Cơ năng của vật là tổng của năng lượng động học và năng lượng thế. Khi vật chuyển động, cơ năng có thể biến đổi giữa hai dạng này, nhưng tổng cơ năng không thay đổi nếu không có lực ngoài tác dụng. 

Trong các trường hợp trên, chỉ có trường hợp vật rơi tự do là cơ năng được bảo toàn. Lý do là khi vật rơi tự do, chỉ có trọng lực tác dụng lên vật, và trọng lực là một lực bảo toàn. Các trường hợp khác, vật chuyển động trong chất lỏng, vật rơi trong không khí và vật trượt có ma sát trên mặt phẳng nghiêng, đều có sự mất mát cơ năng do ma sát hoặc kháng cự không khí. 

Vì vậy, đáp án đúng là B. Vật rơi tự do.

2. Cơ năng của vật được bảo toàn khi nào? 

Cơ năng của vật là khả năng của vật để thực hiện công trên một vật khác. Cơ năng của vật được bảo toàn trong trường hợp không có lực ngoài tác dụng lên vật, hoặc tổng lực ngoài bằng không. Khi đó, cơ năng của vật không thay đổi theo thời gian, mà chỉ chuyển đổi giữa các dạng năng lượng khác nhau, như năng lượng động học, năng lượng thế, năng lượng nhiệt, v.v. 

Ví dụ, khi một quả bóng được ném lên cao, cơ năng của quả bóng được bảo toàn. Ban đầu, quả bóng có cơ năng bằng tổng của năng lượng động học và năng lượng thế. Khi quả bóng bay lên cao, năng lượng động học giảm dần và chuyển thành năng lượng thế. 

Khi quả bóng đạt đến điểm cao nhất, năng lượng động học bằng không và cơ năng bằng năng lượng thế tối đa. Khi quả bóng rơi xuống, năng lượng thế giảm dần và chuyển thành năng lượng động học. Khi quả bóng trở lại điểm xuất phát, cơ năng của quả bóng trở lại giá trị ban đầu.

3. Định luật bảo toàn cơ năng: 

Định luật bảo toàn cơ năng là một nguyên lý vật lý cho rằng cơ năng của một hệ vật lý không thay đổi khi hệ không tương tác với môi trường xung quanh, hoặc tổng lực tác dụng lên hệ bằng không. Theo định luật này, cơ năng của hệ chỉ có thể chuyển đổi giữa các dạng năng lượng khác nhau, nhưng không thể bị mất mát hay tạo ra. Định luật bảo toàn cơ năng là một trong những luật bảo toàn quan trọng nhất trong vật lý, và có thể áp dụng cho nhiều hiện tượng tự nhiên.

Định luật bảo toàn cơ năng là một nguyên lý cơ bản trong vật lý, vì nó cho phép chúng ta tính toán được cơ năng của một hệ vật lý trong các trường hợp khác nhau, mà không cần biết chi tiết về các quá trình chuyển đổi năng lượng bên trong hệ. Định luật cũng giúp chúng ta hiểu được nguồn gốc và tính chất của các dạng năng lượng khác nhau, và mối liên hệ giữa chúng. Định luật bảo toàn cơ năng có thể áp dụng cho nhiều hiện tượng vật lý, từ đơn giản như sự rơi tự do của một vật, đến phức tạp như sự phát xạ của các nguyên tử.

4. Sự bảo toàn cơ năng của vật chịu tác dụng của lực đàn hồi:

Sự bảo toàn cơ năng của vật chịu tác dụng của lực đàn hồi cho biết rằng: khi một vật bị biến dạng do lực đàn hồi, năng lượng cơ của vật không thay đổi, mà chỉ chuyển đổi giữa hai dạng là năng lượng động và năng lượng thế. Năng lượng động là năng lượng liên quan đến vận tốc của vật, còn năng lượng thế là năng lượng liên quan đến biến dạng của vật. Khi vật bị kéo dãn hoặc nén, năng lượng động giảm đi và năng lượng thế tăng lên. Khi vật được thả ra, năng lượng thế giảm đi và năng lượng động tăng lên. Quá trình này diễn ra liên tục cho đến khi vật dừng lại hoặc gặp sự cản trở khác. Nếu không có ma sát hay các yếu tố khác làm mất năng lượng, thì tổng năng lượng cơ của vật luôn bằng nhau ở mọi thời điểm.

Một ví dụ minh họa cho nguyên lý này là dao động của một con lắc đơn. Khi con lắc được kéo ra khỏi vị trí cân bằng, nó có năng lượng thế cao nhất và năng lượng động bằng không. Con lắc được thả ra, nó bắt đầu dao động và năng lượng thế giảm dần, trong khi năng lượng động tăng dần. Khi con lắc qua vị trí cân bằng, nó có năng lượng động cao nhất và năng lượng thế bằng không. Con lắc tiếp tục di chuyển đến vị trí cao nhất ở phía kia, quá trình ngược lại xảy ra. Nếu không có ma sát hay các yếu tố khác làm mất năng lượng, thì con lắc sẽ dao động mãi mãi với biên độ không đổi.

Một ví dụ khác là dao động của một quả cầu treo trên một sợi dây co giãn. Quả cầu được kéo xuống từ vị trí ban đầu, sợi dây co giãn và tạo ra một lực đàn hồi ngược lại. Năng lượng thế của quả cầu tăng do chiều cao giảm, trong khi năng lượng thế của sợi dây tăng do biến dạng tăng. Năng lượng động của quả cầu bằng không. Khi quả cầu được thả ra, nó bắt đầu dao động và năng lượng thế của quả cầu và sợi dây giảm dần, trong khi năng lượng động của quả cầu tăng dần. Khi quả cầu qua vị trí ban đầu, nó có năng lượng động cao nhất và năng lượng thế bằng không. Quả cầu tiếp tục di chuyển lên cao, quá trình ngược lại xảy ra. Nếu không có ma sát hay các yếu tố khác làm mất năng lượng, thì quả cầu sẽ dao động mãi mãi với biên độ không đổi.

5. Bài tập trắc nghiệm vận dụng liên quan:

Câu 1: Cơ năng đàn hồi của hệ vật và lò xo:

A. Bằng tổng động năng của vật và thế năng đàn hồi của lò xo 

B. Bằng thế năng đàn hồi của lò xo 

C. Bằng động năng của vật và cũng bằng thế năng đàn hồi của lò xo 

D. Bằng động năng của vật

Đáp án: A. Bằng tổng động năng của vật và thế năng đàn hồi của lò xo 

Câu 2: Chọn đáp án đúng: Cơ năng là:

A. Một đại lượng Véc tơ

B. Một đại lượng vô hướng có giá trị đại số

C. Một đại lượng vô hướng luôn dương hoặc có thể bằng 0

D. Một đại lượng vô hướng luôn luôn dương

Đáp án: C. Một đại lượng vô hướng luôn dương hoặc có thể bằng 0

Câu 3: Cơ năng là đại lượng: 

A. Vô hướng, có thể dương hoặc bằng không

B. Vô hướng, có thể dương, âm hoặc bằng không

C. Véc tơ, độ lớn có thể dương hoặc bằng không

D. Véc tơ, độ lớn có thể âm hoặc bằng không

Đáp án: C. Véc tơ, độ lớn có thể dương hoặc bằng không

Câu 4: Trong quá trình rơi tự do của một vật thì: 

A. Động năng tăng, thế năng giảm

B. Động năng tăng, thế năng tăng

C. Động năng giảm, thế năng giảm

D. Động năng giảm, thế năng tăng

Đáp án: A. Động năng tăng, thế năng giảm

Câu 5: Một vật được ném thẳng đứng từ dưới lên, trong quá trình chuyển động của vật thì:

A. Động năng giảm, thế năng giảm

B. Động năng giảm, thế năng tăng

C. Động năng tăng, thế năng giảm

D. Động năng tăng, thế năng tăng

Đáp án: B. Động năng giảm, thế năng tăng

Câu 6: Cơ năng đàn hồi là mô thức đại lượng:

A. Luôn luôn khác không

B. Luôn luôn dương 

C. Luôn luôn dương hoặc bằng không 

D. Có thể dương âm hoặc bằng 0

Đáp án: C. Luôn luôn dương hoặc bằng không 

Câu 7: Một vật nhỏ được ném lên từ một điểm M phía trên mặt đất, vật lên tới điểm N thì dừng và rơi xuống. Bỏ qua sức cản không khí trong quá trình MN thì:

A. Động năng tăng

B. Thế năng giảm

C. Cơ năng cực đại tại N

D. Cơ năng không đổi

Đáp án: D. Cơ năng không đổi

Câu 8: So sánh không đúng giữa thế năng hấp dẫn với thế năng đàn hồi:

A. Có dạng biểu thức khác nhau 

B. Đều phụ thuộc vào điểm đầu và điểm cuối

C. Đều là đại lượng vô hướng có thể dương, âm hoặc bằng 0 

D. Cùng là một dạng năng lượng

Đáp án: B. Đều phụ thuộc vào điểm đầu và điểm cuối

Câu 9: Điều nào sau đây là sai khi nói về cơ năng?

A. Cơ năng của vật được bảo toàn khi vật chỉ chịu tác dụng của trọng lực hoặc lực đàn hồi 

B. Cơ năng của vật có thể dương 

C. Cơ năng của vật là đại lượng vectơ 

D. Cơ năng bằng tổng động năng và thế năng

Đáp án: C. Cơ năng của vật là đại lượng vectơ 

Câu 10: Một vật nhỏ được ném thẳng đứng hướng xuống từ một điểm phía trên mặt đất trong quá trình vật rơi:

A. Cơ năng cực tiểu ngay trước khi chạm đất 

B. Cơ năng không đổi 

C. Động năng giảm 

D. Thế năng tăng

Đáp án: B. Cơ năng không đổi