Định luật bảo toàn năng lượng: Khái niệm, công thức & bài tập thực hành

Định luật bảo toàn năng lượng là một trong các định luật quan trọng trong môn Vật Lý. Bài viết dưới đây Monkey sẽ trả lời chính xác cho các câu hỏi: Định luật bảo toàn năng lượng của ai? Định luật bảo toàn năng lượng là gì? Cũng như đưa ra các phát biểu định luật bảo toàn năng lượng, từ đó có thể giúp bạn đọc củng cố kiến thức, vận dụng tốt vào những câu hỏi liên quan.

Năng lượng là gì?

Năng lượng chính là đặc trưng cho khả năng sinh công của một vật bất kỳ nào đó. Chỉ số của năng lượng này liên quan đến sự chuyển động của các hạt và từ trường. Năng lượng và khối lượng của vật có sự liên hệ với nhau dựa trên thuyết tương đối. 

Trong Vật lý, năng lượng được coi là một đại lượng bảo toàn. Định luật bảo toàn năng lượng cho chúng ta biết năng lượng không tự nhiên sinh ra cũng không tự nhiên mất đi của ai.

Bạn đang đọc: Định luật bảo toàn năng lượng: Khái niệm, công thức & bài tập thực hành

Các sinh vật trên Trái Đất đều cần năng lượng để sống, ví dụ điển hình như con người có năng lượng trải qua thức ăn. Nền văn minh hiện tại yên cầu năng lượng để hoạt động giải trí, nó lấy năng lượng từ những nguồn như nguyên vật liệu đá thạch, hạt nhân hay tái tạo, …

Cơ sở hình thành định luật bảo toàn năng lượng

Để biết định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng là gì ? Chúng ta sẽ dựa vào những cơ sở hình thành sau đây :

1. Biến đổi thế năng thành động năng và ngược lại. Hao hụt cơ năng 

Người ta đã nhìn thấy sự biến đổi từ thế năng thành động năng và ngược lại trước khi biết đến định luật bảo toàn. Trong các hiện tượng tự nhiên, chúng ta sẽ nhìn thấy sự biến đổi rõ ràng giữa thế năng và động năng. Cơ năng sẽ chuyển đổi thành thế năng nhờ những phần bị hao hụt trong cơ năng và có thể nói rằng cơ năng luôn giảm. 

2. Biến đổi cơ năng thành điện năng và ngược lại. Hao hụt cơ năng

Còn trong trường hợp sự hao hụt dựa vào định luật bào toàn cơ năng xảy ra khi cơ năng được biến đổi thành điện năng và ngược lại. Trong hầu hết các động cơ điện hiện nay, ta đều thấy điện năng sẽ được chuyển hóa thành cơ năng. Còn đối với các máy phát điện thì ngược lại, phần lớn các cơ năng sẽ chuyển hóa thành điện năng.

Nếu cơ năng được tăng thêm so với khởi đầu thì ta hoàn toàn có thể thấy đó chính là năng lượng khác đã được chuyển hóa mà thành .

Phát biểu định luật bảo toàn năng lượng

Trong Hóa học và Vật lý, định luật này được hiểu : “ Tổng năng lượng của một hệ cô lập luôn không đổi và có nghĩa là nó sẽ được bảo toàn theo thời hạn ” .

Từ đó ta có phát biểu về định luật bảo toàn năng lượng cụ thể như sau: 

“ Năng lượng sẽ không tự nhiên sinh ra hay mất đi mà chúng sẽ chuyển từ dạng này sang dạng khác hoặc từ vật thể này sang đến vật thể khác ” .

Các cách giải thích này có thể tương đồng với giải thích của cơ năng của vật tại sao tăng lên hoặc giảm. Ngoài ra, nó cũng giải thích được tại sao vật lại nguội đi hay bị nóng lên. Tất cả đều dựa vào chuyển hóa của năng lượng ở trong hiện tượng nhiệt, cơ hoặc điện trong tự nhiên. Ngoài ra, chúng cũng khẳng định sự chuyển đổi của vật dựa vào định luật bảo toàn. 

Ví dụ: 

Thả một hòn bi vào trong cái chén. Lúc này, năng lượng của hòn bi là thế năng mê hoặc. Khi bị hòn bi rơi xuống chén, nó hoạt động quanh chiếc chén một khoảng chừng thời hạn và lúc này sẽ là động năng. Đồng thời khi rơi xuống nó còn tạo ra tiếng động là âm năng. Ngoài ra, khi viên bi rơi sẽ có hoạt động gây ma sát với mặt phẳng chén, sinh ra nhiệt năng .
Như vậy, khi thả hòn bi vào trong cái chén không riêng gì có một dạng năng lượng bắt đầu là thế năng mà hòn bi đã chuyển hóa thành tối thiểu ba dạng năng lượng mới là động năng, âm năng, nhiệt năng .

Ai là người phát hiện ra định luật bảo toàn năng lượng? 

Định luật bảo toàn năng lượng là một quá trình nghiên cứu được nhiều nhà khoa học thực hiện và Émilie Du Châtelet là người đã đề xuất và thử nghiệm đầu tiên. 

Sau khi cơ học sinh ra vào năm 1826, James Prescott Joule đã chứng tỏ được sự chuyển hóa năng lượng từ công suất sang nhiệt năng vào năm 1854. Cho đến những năm 1981, Julius Robert Mayer – nhà Vật lý học người Đức đã có những phát biểu về bảo toàn năng lượng .

Khi Mặc dù có nhiều nhà nghiên cứu tìm ra và chứng minh đúng nhưng giới Vật lý chỉ công nhận Julius Robert Mayer là tác giả của định luật bảo toàn năng lượng. 

Sự bảo toàn năng lượng trong dao động cơ 

Thực chất, năng lượng trong dao động cơ được gọi là cơ năng, chúng sẽ bằng tổng động năng và thế năng theo một hệ kín cơ năng không đổi. Vậy :

Động năng là gì? 

Động năng là dạng năng lượng được tạo ra từ hoạt động của nó. Khi một vật có động năng thì vật đó hoàn toàn có thể tác dụng lực lên vật khác và sẽ sinh công .

Công thức tính động năng vật rơi tự do: 

Trong đó: 

• Wđ: Là động năng của vật (J)

• m: Là khối lượng của vật (kg)

• v: Là vận tốc của vật thể (m/s)

Thế năng là gì?

Thế năng một đại lượng trong bộ môn Vật lý, biểu lộ cho năng lực sinh công của vật và nó sống sót dưới dạng năng lượng .

Công thức tính thế năng của một vật rơi tự do: 

Wt = mgh

Trong đó :

• Wt: Là thế năng của vật (J)

• m: Là trọng lượng của vật (kg)

• H: Là độ cao của vật khi rơi tự do (m)

Biểu thức bảo toàn cơ năng

Cơ năng của vật chính là một đại lượng bảo toàn khi hoạt động trong trọng trường chỉ chịu công dụng của trọng tải .

W = Wđ + Wt= const (hằng số)

Trong đó :

• Wđ1: Là động năng của vật ở vị trí có vận tốc v1

• Wđ2: Là động năng của vật ở vị trí có vận tốc v2

• Wt1: Là thế năng của vật ở độ cao h1

• Wt2: Là thế năng của vật ở độ cao h2

Dựa vào biểu thức trên ta thấy rằng :

Một vật khi rơi tự do, động năng sẽ bằng 0 nếu thời gian thế năng đạt cực lớn. Thế năng bằng 0 khi động năng đạt cực lớn. Thế năng tăng thì động năng sẽ giảm, nhưng tổng của thế năng và động năng là một đại lượng không đổi .

Xem thêm: Công thức cộng vận tốc là gì? Áp dụng như thế nào (Giải đáp Vật Lý lớp 10)

Các công thức liên quan định luật bảo toàn năng lượng

Sau khi biết định luật bảo toàn năng lượng của ai ? Cũng như khái niệm về định luật này, dưới đây sẽ là một số ít công thức tương quan và bài tập để những em rèn luyện :

Công thức tính Công

A = F.s.cosα

Trong đó:

• A: Công của lực F (đơn vị là J)

• F : Lực tác dụng vào vật (đơn vị là N)

• S: Quãng đường vật dịch chuyển (đơn vị là m)

• Đơn vị của công là Jun (kí hiệu là J).

1J = 1N. 1 m = 1N m
1 kJ = 1000 J
Bội số của Jun là kilojun ( kJ )

Công suất trung bình

P  = A/t

Trong đó :

• P: Công suất ( đơn vị là J/s hoặc W)

• A: Công thực hiện ( đơn vị là N.m hoặc J)

• t: Thời gian thực hiện công (đơn vị là s)

1KW = 1000W ; 1MW = một triệu W

Công suất tức thời

P  = F.v.cosα

Các biểu thức liên hệ

Động năng:

Liên hệ giữa động năng và công:

ΔWđ = Wđ2–Wđ1= Ap (Công của ngoại lực là F)

Thế năng trọng trường:

Wt = mgz

Liên hệ giữa thế năng trọng trường và công:

ΔWt = Wt1– Wt2=Ap

Công của trọng lực (rơi):

Xem thêm: Tấm pin năng lượng mặt trời 2022 có giá bao nhiêu? – GIVASOLAR

Ap = mgh (Khi vật đi lên thì thêm dấu “-“)

Thế năng đàn hồi

Wt=kx^2

Liên hệ giữa thế năng đàn hồi và công:

–ΔWt = Wt1– Wt2= AFdh

Cơ năng:

W = Wt+ Wđ

Định luật bảo toàn cơ năng:

Wđ1 + Wt1 = Wt2 + Wđ2 (Cơ năng chỉ bảo toàn khi không có ngoại lực khống chế)

Độ cao động năng bằng n lần thế năng:

h = ho/(n + 1) (Nếu thế năng bằng m lần động năng thì thay n=1/m và chỉ dùng khi làm bài trắc nghiệm hoặc kiểm tra kết quả)

Hiệu suất:

H = Aci/Atp

Trong đó

• Aci: Công có ích
• Atp: Công toàn phần

GIÚP CON HỌC TOÁN KẾT HỢP VỚI TIẾNG ANH SIÊU TIẾT KIỆM CHỈ TRÊN MỘT APP MONKEY MATH. VỚI NỘI DUNG DẠY HỌC ĐA PHƯƠNG PHÁP GIÚP BÉ PHÁT TRIỂN TƯ DUY NÃO BỘ VÀ NGÔN NGỮ TOÀN DIỆN CHỈ VỚI KHOẢNG 2K/NGÀY.

Một số bài tập minh họa định luật bảo toàn năng lượng

Sau khi đã nắm được phần triết lý về bảo toàn năng lượng, dưới đây sẽ là một số ít bài tập tương quan để những em cùng nhau rèn luyện :

Một số bài tập thực hành về bảo toàn năng lượng tự luyện

I: Phần trắc nghiệm

Bài 1 : 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

Bài 2 : Trong quá trình biến đổi thế năng thành động năng và ngược lại trong các hiện tượng tự nhiên. Cơ năng luôn luôn giảm, phần cơ năng hao hụt đi đã chuyển hóa thành:

A. Nhiệt năng
B. Hóa năng
C. Quang năng
D. Năng lượng hạt nhân

Bài 3 : Trong động cơ điện, phần lớn điện năng chuyển hóa thành:

A. Điện năng
B. Hóa năng
C. Quang năng
D. Cơ năng

Bài 4 : Chọn phát biểu đúng.

A. Trong động cơ điện, phần nhiều điện năng chuyển hóa thành nhiệt năng .
B. Trong những máy phát điện, phần nhiều cơ năng chuyển hóa thành hóa năng .
C. Phần năng lượng có ích thu được ở đầu cuối khi nào cũng lớn hơn phần năng lượng khởi đầu cung ứng cho máy .
D. Phần năng lượng hao hụt đi đổi khác thành dạng năng lượng khác .

Bài 5 : Phát biểu nào sau đây là đúng khi nói về định luật bảo toàn năng lượng.

A. Năng lượng hoàn toàn 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 hoàn toàn 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

Bài 6 : Trong máy phát điện, điện năng thu được bao giờ cũng có giá trị nhỏ hơn cơ năng cung cấp cho máy. Vì sao?

A. Vì một đơn vị chức năng điện năng lớn hơn một đơn vị chức năng cơ năng
B. Vì một phần cơ năng đã biến thành dạng năng lượng khác ngoài điện năng
C. Vì một phần cơ năng đã tự biến mất
D. Vì chất lượng điện năng cao hơn chất lượng cơ năng

Bài 7 : 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

Bài 8 : Hiệu suất pin mặt trời là 10%. Điều này có nghĩa: Nếu pin nhận được:

A. điện năng là 100J thì sẽ tạo ra quang năng là 10J
B. năng lượng mặt trời là 100J thì sẽ tạo ra điện năng là 10J
C. điện năng là 10J thì sẽ tạo ra quang năng là 100J
D. năng lượng mặt trời là 10J thì sẽ tạo ra điện năng là 100J

Bài 9 : Nói hiệu suất 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

Bài 10 : Hiện tượng nào dưới đây không tuân theo định luật bảo toàn năng lượng?

A. Bếp nguội đi khi tắt lửa
B. Xe dừng lại khi tắt máy
C. Bàn là nguội đi khi tắt điện
D. Không có hiện tượng kỳ lạ nào

II: Phần tự luận

Như vậy, thông qua bài viết này chúng ta đã hiểu rõ hơn về định luật bảo toàn năng lượng là gì, định luật bảo toàn năng lượng của ai và các công thức liên quan đến định luật bảo toàn năng lượng. Hy vọng những thông tin này sẽ giúp các bạn nắm vững cũng như ôn lại kiến thức vừa học một cách đầy đủ và tốt nhất. Hãy theo dõi chuyên mục kiến thức cơ bản để có thể tìm  hiểu thêm nhiều thông tin thú vị về các môn học nhé!

Xem thêm: Hệ thống điện mặt trời là gì, cấu tạo và nguyên lý hoạt động – SUNEMIT

GIẢI PHÁP GIÚP CON PHÁT TRIỂN TOÀN DIỆN TƯ DUY VÀ NGÔN NGỮ VỚI BỘ SẢN PHẨM TOÁN + TIẾNG VIỆT + TIẾNG ANH VỚI ƯU ĐÃI LÊN TỚI 50% NGAY HÔM NAY.

Source: https://vh2.com.vn
Category : Năng Lượng