Định luật bảo toàn năng lượng – Lý thuyết môn Vật lý 9

Định luật bảo toàn năng lượng là kiến thức quan trọng trong lĩnh vực Vật lý. Hôm nay mời bạn cùng Marathon Education tìm hiểu và phân tích định luận này nhé!

1. Năng lượng là gì?

• Năng lượng là đặc điểm quyết định khả năng hoạt động của một vật. Chỉ số năng lượng này kết nối với sự di chuyển của các hạt và từ trường. Mối quan hệ giữa năng lượng và khối lượng dựa trên thuyết tương đối.
• Trong lĩnh vực Vật lý, năng lượng được xem như một đại lượng bảo toàn (duy trì). Định luật bảo toàn năng lượng cho biết rằng năng lượng không thể tạo ra hoặc mất đi một cách tự nhiên.
• Các sinh vật trên Trái Đất đều cần năng lượng để duy trì sự sống, ví dụ như con người lấy năng lượng qua thức ăn. Xã hội hiện đại đòi hỏi năng lượng để hoạt động, và nó sử dụng nguồn năng lượng từ các nguồn nhiên liệu hóa thạch, năng.

2. Cơ sở hình thành định luật bảo toàn năng lượng

2.1. Biến đổi thế năng thành động năng

Sự chuyển đổi giữa thế năng và động năng đã được phát hiện ra trước khi định luật bảo toàn được khám phá. Trong các hiện tượng tự nhiên, chúng ta sẽ thấy rõ quá trình chuyển đổi giữa thế năng và động năng. Năng lượng cơ học chuyển đổi thành thế năng thông qua sự hao hụt trong cơ năng và nó có thể nói rằng năng lượng cơ học (cơ năng) giảm đi theo thời gian.

>> Dành cho bạn: Máy phát điện xoay chiều là gì? Lý thuyết Vật lý 9

2.2. Biến đổi cơ năng thành điện năng

• Trong trường hợp của sự hao hụt dựa trên định luật bảo toàn cơ năng xảy ra khi cơ năng chuyển đổi thành điện năng và ngược lại. Đối với hầu hết các động cơ điện ngày nay, chúng ta thấy rằng điện năng được chuyển đổi thành cơ năng. Nhưng đối với các máy phát điện thì ngược lại, phần lớn cơ năng chuyển hóa thành điện năng.
• Nếu cơ năng được gia tăng thêm so với lúc ban đầu, chúng ta có thể quan sát năng lượng đã được chuyển hóa.

 

 

3. Định luật bảo toàn năng lượng

• Định luật bảo toàn năng lượng: Năng lượng không tự sinh ra hoặc mất đi, mà nó chuyển đổi từ dạng này sang dạng khác, hoặc từ một vật thể sang vật thể khác.
• Định luật này có thể giải thích việc tăng giảm về cơ năng của vật. Ngoài ra, nó cũng giải thích lý do tại sao vật trở nên lạnh hơn hoặc nóng lên. Tất cả dựa trên sự chuyển đổi năng lượng trong các hiện tượng nhiệt, cơ hoặc trong tự nhiên. Hơn nữa, chúng cũng khẳng định sự chuyển đổi của vật dựa trên định luật bảo toàn.

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

• Định luật bảo toàn năng lượng đã được nghiên cứu và thực hiện bởi nhiều nhà khoa học, Émilie Du Châtelet là người đầu tiên đề xuất và thử nghiệm nó.
• Sau khi cơ học ra đời vào năm 1826, James Prescott Joule đã chứng minh việc chuyển đổi năng lượng từ công năng sang nhiệt năng vào năm 1854. Julius Robert Mayer, nhà Vật lý người Đức đã có những tuyên bố về định luật bảo toàn năng lượng vào những năm 1981.
• Mặc dù nhiều nhà nghiên cứu đã đạt được kết quả và xác minh đúng, giới lĩnh vực Vật lý chỉ ghi nhận Julius Robert Mayer là tác giả của định luật bảo toàn năng lượng.

>> Xem thêm: Thấu kính hội tụ là gì? Đặc điểm của thấu kính hội tụ

5. Bảo toàn năng lượng trong dao động cơ học

Năng lượng có trong dao động cơ được gọi là cơ năng. Nó tương đương với tổng động năng và thế năng trong một hệ kín và cơ năng không thay đổi.

6. Thế năng và động năng

6.1. Động năng là gì? Khái niệm động năng

• Động năng là loại năng lượng phát sinh từ chuyển động của một vật. Khi một vật có động năng, nó có thể tác động lực lên vật khác và tạo ra công.
• Công thức:

Trong đó: 

Wđ: Động năng của vật (J)

m: Khối lượng của vật (kg)

v: Vận tốc của vật thể (m/s)

6.2. Thế năng là gì?

• Thế năng là một đại lượng trong lĩnh vực Vật lý, biểu thị khả năng tạo ra công của một vật và nó tồn tại dưới dạng năng lượng.
• Cách tính thế năng của vật rơi tự do:

Trong đó: 

Wt: Thế năng của vật (J)

m: Trọng lượng của vật (kg)

H: Độ cao của vật khi rơi tự do (m)

>>  Từ phổ và đường sức từ – Lý thuyết môn Vật lý lớp 9

7. Biểu thức bảo toàn cơ năng

• Công thức tổng quát:

Trong đó:

Wđ1: Động năng của vật ở vị trí có vận tốc v1

Wđ2: Động năng của vật ở vị trí có vận tốc v2

Wt1: Thế năng của vật ở độ cao h1

Wt2: Thế năng của vật ở độ cao h2

⇒ Kết luận: Khi một vật rơi tự do, động năng sẽ là 0 khi thế năng đạt mức cực đại. Thế năng giữ giá trị 0 khi động năng đạt mức cực đại. Khi thế năng tăng, động năng giảm đi, nhưng tổng thế năng và động năng luôn bằng một hằng số không đổi.

8. Thông tin liên quan về định luật bảo toàn

8.1. Sự khác nhau giữa bảo toàn năng lượng và bảo toàn khối lượng

• Theo lý thuyết vật lý cổ điển, bảo toàn năng lượng không tương tự với bảo toàn khối lượng. Tuy nhiên, theo thuyết tương đối đặc biệt, nó cho thấy rằng khối lượng có mối liên kết chặt chẽ với năng lượng. Khoa học ngày nay cho rằng tất cả năng lượng và khối lượng đều có thể được bảo toàn.
• Về lý thuyết, điều này chỉ ra rằng mọi vật thể khi mang khối lượng đều có thể chuyển đổi thành năng lượng hoàn toàn và ngược lại, mặc dù điều này chỉ xảy ra trong điều kiện cực kỳ khắc nghiệt.

8.2. Hệ quả của định luật

Hệ quả của định luật bảo toàn năng lượng chính là một loại động cơ vĩnh viễn. Có thể nói rằng loại động cơ này không thể tồn tại. Do đó, không có hệ thống nào có khả năng cung cấp năng lượng vô hạn cho môi trường xung quanh như vậy. Đối với những hệ thống không có tính đối xứng thời gian, ta có thể thấy chúng không tuân thủ nguyên tắc bảo toàn năng lượng.

8.3. Thuyết tương đối

Ngoài định luật bảo toàn thì thuyết tương đối cũng là một khái niệm được nhiều người đề cập đến. Trong thuyết này, năng lượng được xem như một thành phần của vectơ động lượng 4 chiều, gồm một năng lượng và ba động lượng. Các thành phần này sẽ được bảo toàn độc lập theo thời gian. Bảo toàn xảy ra trong một hệ kín hoặc bất kỳ hệ quy chiếu quán tính nào. 

9. Các công thức liên quan tới định luật bảo toàn năng lượng

10. Bài tập minh họa