Bài học

Thế năng đàn hồi

Mục tiêu bài học

Sau bài này, em nêu được thế năng đàn hồi xuất hiện khi nào, giải thích được vì sao độ lớn của nó phụ thuộc vào độ biến dạng của vật đàn hồi, và phân biệt được thế năng đàn hồi với thế năng trọng trường qua các ví dụ thực tế (lò xo, dây cao su, cung tên).

Kiến thức nền cần nhớ

Bài trước, em đã học rằng thế năng trọng trường xuất hiện do vị trí của vật so với mặt đất. Ở đây ta xét một tình huống khác hẳn: vật không nhất thiết ở trên cao, nhưng vẫn dự trữ năng lượng — vì nó bị biến dạng. Vật liệu có tính đàn hồi (lò xo, dây cao su, cần câu bằng thép) sẽ trở lại hình dạng ban đầu khi thôi tác dụng lực, và trong lúc biến dạng, nó tích luỹ năng lượng.

Bài trước, em đã học rằng thế năng trọng trường xuất hiện do **vị trí** của vật so với mặt đất. Ở đây ta xét một tình huống khác hẳn: vật không nhất thiết ở trên cao, nhưng vẫn dự trữ năng lượng — vì nó bị **biến dạng**. Vật liệu có tính đàn hồi (lò xo, dây cao su, cần câu bằng thép) sẽ trở lại hình dạng ban đầu khi thôi tác dụng lực, và trong lúc biến dạng, nó tích luỹ năng lượng.

Khởi động

Khi em kéo căng một sợi dây thun rồi bất ngờ buông tay, viên giấy vo tròn ở đầu dây bắn vọt đi rất xa. Dây thun lúc bị kéo căng không hề ở trên cao — vậy năng lượng khiến viên giấy bay đi từ đâu mà có?

Kiến thức trọng tâm

Thế năng đàn hồi là năng lượng một vật có được do nó bị biến dạng đàn hồi (bị nén lại hoặc bị kéo dãn ra so với hình dạng tự nhiên). Vật đàn hồi càng bị biến dạng nhiều — lò xo bị nén càng sâu, dây cao su bị kéo càng căng — thì thế năng đàn hồi tích luỹ trong nó càng lớn. Ở mức lớp 9, ta chỉ xét quan hệ này một cách định tính: thế năng đàn hồi phụ thuộc vào độ biến dạng của vật, chưa cần một công thức tính số như $W_t = 10.m.h$ .

Khi vật đàn hồi được thả ra, nó có xu hướng trở về hình dạng ban đầu và trong quá trình đó, thế năng đàn hồi chuyển hoá thành động năng của chính vật đó hoặc của một vật khác mà nó tiếp xúc — chính là cơ chế bắn một viên bi bằng súng cao su, bắn mũi tên bằng cung, hay bật một chiếc lò xo đồ chơi lên cao.

Nhiều thiết bị và đồ vật trong đời sống vận dụng thế năng đàn hồi: bút bi bấm có lò xo bên trong; đệm lò xo của giường ngủ; nhíp xe máy, ô tô (một dạng lò xo lá) giúp giảm xóc bằng cách tạm thời tích trữ năng lượng va chạm rồi giải phóng từ từ; cung và ná cao su dùng để phóng vật đi xa.

**Thế năng đàn hồi** là năng lượng một vật có được do nó bị biến dạng đàn hồi (bị nén lại hoặc bị kéo dãn ra so với hình dạng tự nhiên). Vật đàn hồi càng bị biến dạng nhiều — lò xo bị nén càng sâu, dây cao su bị kéo càng căng — thì thế năng đàn hồi tích luỹ trong nó càng lớn. Ở mức lớp 9, ta chỉ xét quan hệ này một cách định tính: thế năng đàn hồi phụ thuộc vào độ biến dạng của vật, chưa cần một công thức tính số như $W_t = 10.m.h$. Khi vật đàn hồi được thả ra, nó có xu hướng trở về hình dạng ban đầu và trong quá trình đó, thế năng đàn hồi chuyển hoá thành động năng của chính vật đó hoặc của một vật khác mà nó tiếp xúc — chính là cơ chế bắn một viên bi bằng súng cao su, bắn mũi tên bằng cung, hay bật một chiếc lò xo đồ chơi lên cao. Nhiều thiết bị và đồ vật trong đời sống vận dụng thế năng đàn hồi: bút bi bấm có lò xo bên trong; đệm lò xo của giường ngủ; nhíp xe máy, ô tô (một dạng lò xo lá) giúp giảm xóc bằng cách tạm thời tích trữ năng lượng va chạm rồi giải phóng từ từ; cung và ná cao su dùng để phóng vật đi xa.

Ví dụ chuẩn

Ví dụ

Xác định thời điểm thế năng đàn hồi lớn nhất

1
Một lò xo được nén lại rồi thả ra để bắn một viên bi lên khỏi ống phóng. So sánh thế năng đàn hồi của lò xo ở ba thời điểm: lúc chưa nén, lúc bị nén sâu nhất, và ngay khi viên bi vừa rời khỏi lò xo.
2
Lúc chưa nén: lò xo ở hình dạng tự nhiên, không biến dạng, thế năng đàn hồi bằng 0. Lúc bị nén sâu nhất: lò xo biến dạng nhiều nhất trong cả quá trình, nên thế năng đàn hồi đạt giá trị lớn nhất. Ngay khi viên bi rời khỏi lò xo: lò xo đã giãn trở lại gần hình dạng ban đầu, thế năng đàn hồi gần như bằng 0.
3
Thế năng đàn hồi lớn nhất chính là lúc lò xo bị nén sâu nhất — đây là lúc độ biến dạng của lò xo lớn nhất trong cả quá trình.

Ví dụ dạng thi

Ví dụ

Giải thích hiện tượng thực tế bằng thế năng đàn hồi

1
Một vận động viên bắn cung kéo dây cung căng hơn bình thường rồi mới bắn. Hãy giải thích vì sao mũi tên bắn ra khi dây cung được kéo căng hơn lại bay xa hơn, nhanh hơn so với khi dây chỉ được kéo căng vừa phải.
2
Khi kéo căng dây cung, người bắn đã làm dây cung biến dạng (căng ra so với hình dạng tự nhiên), nên dây cung tích luỹ thế năng đàn hồi.
3
Dây cung càng được kéo căng thì độ biến dạng càng lớn, nên thế năng đàn hồi tích luỹ trong dây càng lớn.
4
Khi buông tay, thế năng đàn hồi của dây cung chuyển hoá thành động năng của mũi tên. Thế năng đàn hồi ban đầu càng lớn thì động năng mũi tên nhận được càng lớn, nên mũi tên bay càng nhanh và càng xa.
5
Vậy khi dây cung được kéo căng hơn, độ biến dạng của dây lớn hơn nên thế năng đàn hồi lớn hơn, dẫn đến mũi tên nhận được động năng lớn hơn và bay xa hơn, nhanh hơn.

Sai lầm thường gặp

Sai lầm thường gặp: nhiều em nghĩ thế năng đàn hồi chỉ có ở lò xo. Thực ra bất kì vật nào có tính đàn hồi và đang bị biến dạng (dây cao su, nhíp xe, cần câu cong, dây cung) đều có thế năng đàn hồi. Một sai lầm khác là nhầm lẫn: thế năng đàn hồi lớn nhất không phải lúc vật chuyển động nhanh nhất, mà là lúc độ biến dạng lớn nhất — hai thời điểm này thường khác nhau.

Luyện tập có hướng dẫn

Luyện tập độc lập

Kiểm tra nhanh

Ghi nhớ

Thế năng đàn hồi là năng lượng dự trữ trong một vật đàn hồi đang bị biến dạng (nén hoặc kéo dãn); độ biến dạng càng lớn thì thế năng đàn hồi càng lớn. Khi vật trở lại hình dạng tự nhiên, thế năng đàn hồi chuyển hoá thành dạng năng lượng khác, thường là động năng.

Cầu nối

Cả thế năng trọng trường lẫn thế năng đàn hồi đều là năng lượng "tiềm tàng", chưa gắn với chuyển động. Bài tiếp theo học dạng năng lượng gắn liền với chuyển động của vật — động năng.