Khoa học tự nhiên 9 • Bộ sách Kết nối tri thức với cuộc sống
Xe thế năng gồm một thân xe có 4 bánh xe lăn. Trên sàn xe dựng cột trụ có gắn một ròng rọc cố định trên đỉnh. Một quả nặng có khối lượng m₁ được treo vào sợi dây mềm, không dãn vắt qua ròng rọc và quấn nhiều vòng quanh trục bánh xe.
• Khi thả quả nặng chuyển động từ trên xuống, trọng lực kéo quả nặng rơi xuống làm dây kéo trục bánh xe quay, xe bắt đầu chuyển động về phía trước.
• Khối lượng quả nặng: m₁ = 20 g = 0,02 kg
• Khối lượng xe: m₂ = 50 g = 0,05 kg
• Độ cao ban đầu: h₀ = 8 cm = 0,08 m
• Quả nặng rơi: Thế năng W_t giảm dần.
• Xe & quả nặng tăng tốc: Động năng W_đ tăng dần.
• Cơ năng toàn phần: W_c = W_t + W_đ = const.
Từ khi thả quả nặng đến khi quả nặng chạm sàn xe: Thế năng trọng trường của quả nặng giảm dần và chuyển hóa thành động năng của quả nặng (chuyển động tịnh tiến đi xuống) đồng thời truyền qua lực căng dây làm quay trục bánh xe, chuyển hóa thành động năng của xe (xe lăn bánh chuyển động thẳng về phía trước).
• Thế năng ban đầu: W_t0 = m₁ · g · h₀ = 0,02 · 9,8 · 0,08 = 0,01568 J ≈ 0,016 J
• Động năng khi chạm sàn: W_đ = ½ (m₁ + m₂) · v²
• Bảo toàn cơ năng: ½ (m₁ + m₂) · v² = m₁ · g · h₀
➔ v = √[ (2 · m₁ · g · h₀) / (m₁ + m₂) ] = √[ (2 · 0,01568) / 0,07 ] ≈ 0,669 m/s ≈ 67 cm/s
Trong thực tế, luôn tồn tại lực ma sát (ma sát ở trục ròng rọc, ma sát ổ trục bánh xe, ma sát lăn giữa bánh xe và mặt sàn) cùng với lực cản không khí và sự đàn hồi co dãn nhẹ của sợi dây. Do đó, một phần thế năng của quả nặng bị chuyển hóa thành nhiệt năng hao phí làm nóng các bộ phận, khiến động năng thu được nhỏ hơn lý thuyết, làm tốc độ thực tế v_thực < v_lý_thuyết.
• Chạm giữ và kéo Quả Nặng lên/xuống để thay đổi độ cao h₀.
• Chạm giữ và kéo Thân Xe lùi về sau để quấn dây quanh trục xe.
• Xoay góc nhìn (Orbit 3D), phóng to/thu nhỏ (Zoom) tự do.
• Điều chỉnh khối lượng quả nặng m₁ (10 g → 100 g).
• Điều chỉnh khối lượng xe m₂ (30 g → 150 g).
• Bật/tắt ma sát μ để so sánh giữa trường hợp lý tưởng và thực tế.
Câu 1: Khi thả quả nặng từ trên xuống, dạng năng lượng nào của quả nặng giảm dần và chuyển hóa thành động năng của xe?
| Lần | h₀(cm) | m₁(g) | m₂(g) | v_max |
|---|---|---|---|---|
| Chưa có lần đo nào | ||||