Thế năng là gì? Công thức tính thế năng chính xác nhất

Thế năng và động năng là 2 đại lượng thường thấy trong vật lý về khả năng sinh công của một vật. Vậy thế năng là gì? Cùng Vimitech tìm hiểu về đại lượng này qua bài chia sẻ dưới đây nhé?

1. Thế năng là gì?

Thế năng là đại lượng Vật Lý đóng vai trò hết sức quan trọng. Đại lượng này biểu thị cho khả năng sinh công của một vật ở một số điều kiện nhất định. Hay nói một cách đơn giản thì thế năng chính là một dạng năng lượng tồn tại bên trong của vật thể.

Thế năng còn có tên tiếng anh là potential energy, có thể hiểu được theo nghĩa đen: năng lượng tiềm tàng. Đây là năng lượng một vật có được do vị trí của vật đó không cùng với các vật khác. Lực tiềm tàng này xuất hiện do lực nén bên trong vật, điện tích hoặc đến từ các yếu tố khác.

Thuật ngữ năng lượng tiềm năng được đưa ra đầu tiên bởi một nhà vật lý người Scotland vào thế kỷ 19 là William Rankine. Thế năng liên quan tới các lực tác dụng lên vật thể. Hiện nay có 3 dạng thế năng phổ biến bao gồm: thế năng hấp dẫn, thế năng đàn hồi và thế năng tĩnh điện. Các đại lượng thế năng này đều có đơn vị đo theo hệ đo lường quốc tế là Jun, ký hiệu là J.

2. Thế năng trọng trường

2.1 Trọng trường

Xung quanh trái đất luôn tồn tại một lực gọi là lực hấp dẫn của trái đất hay còn gọi là trọng trường hoặc trọng lực. Tất cả các vật thể tồn tại trên trái đất đều chịu tác dụng trực tiếp từ lực này. 

Công thức tính độ lớn của trọng lực có khối lượng m là :

F = m g

Trong đó: 

• F: Trọng lực  đơn vị là Newton (N)
• m: khối lượng của vật thể đơn vị đo là kg
• g: gia tốc rơi tự do hay gia tốc trọng trường m/s2

Trong một khoảng không gian rộng lớn, nếu gia tốc trọng trường đều tại mọi điểm đều có phương song song và cùng chiều thì trọng trường tại các điểm đó có độ lớn bằng nhau.

2.2 Thế năng trọng trường

Thế năng là gì? Thế năng trọng trường là gì?

Thế năng trọng trường hay còn được gọi là thế năng hấp dẫn là một dạng năng lượng sản sinh nhờ sự tương tác giữa trái đất và vật thể. Thế năng trọng trường phụ thuộc vào độ cao tính từ vật đến mặt đất đến một vị trí bất kỳ được lựa chọn làm mốc tính trọng trường.  Ví dụ như viên đạn đang bay hay quả mít ở trên cây,…

Công thức tính thế năng trọng trường:

Wt= m.g.z.

Trong đó:

• Wt: là thế năng của một vật tại vị trí Z, đơn vị Jun (J)
• m: là khối lượng của một vật đơn vị là (kg)
• z: là độ cao của vật so với mặt đất

Đặc điểm nổi vật của thế năng hấp dẫn đó là đây là lực vô hương, có thể rơi vào khoảng từ >0=0 hoặc <0. Sự biến thiên thế năng và công của trọng lực và công của trọng lực chính là một vật bắt đầu di chuyển từ vị trí A cho đến B.

2.3 Mối liên hệ biến thiên giữa công của trọng lực  thế năng là gì

Một vật bất kỳ chuyển động trong trọng trường từ vị trí M đến vị trí N thì khi đó công của trọng lực vật này được xác định bằng hiệu thế năng trọng trường tại M và N.

Hệ thức về mối liên hệ: W(MN) = Wt (M) – Wt (N)

Lưu ý: Trong quá trình chuyển động của một vật trong trọng trường. Khi vận tốc chuyển động của vật giảm dần đi, đồng thời thế năng của vật giảm thì trọng lực sẽ sinh công dương (+). Vật có vị trí càng cao, thế năng của vật tăng thì trọng lực sinh công âm (-).

3. Thế năng đàn hồi

3.1 Định nghĩa

Thế năng là gì? Thế năng đàn hồi là gì?

Thế năng đàn hồi là năng lượng được sinh ra từ sự biến dạng do tác động nào đó thì đều có khả năng sinh công. Đây là năng lượng được gọi chung là thế năng đàn hồi. Để có thể tính được thế năng đàn hồi thì người sử dụng để tính được công của lực đàn hồi.

Khi một vật biến dạng do tác động nào đó đến khả năng sinh công. Đây là năng lượng chung được gọi bằng thế năng đàn hồi, để có thể tính được thế năng đàn hồi thì trước tiên chúng ta phải tính được công năng của lực đàn hồi.

Xét lò xo có chiều là I0 với độ cứng đàn hồi được tính bằng k. Bao gồm một đầu cố định và một đầu gắn vào vật, tiến hành thực hiện kéo một đoạn cố định là ΔI. Lực đàn hồi này sẽ xuất hiện trực tiếp lò xo, tác động vào vật. Độ dài của lò xo sau khi được kéo tính là I = I0 + ΔI.

Công thức tính lực đàn hồi tác dụng vào vật theo định luật Hooke là: 

F = k.|Δl|

Công của lực đàn hồi sẽ được tính theo công thức:

3.2 Công thức tính thế năng đàn hồi

Thế năng là gì? Công thức tính thế năng đàn hồi là gì?

Wđh = 1/2 . k . x^2

Trong đó:

• Wđh: là thế năng đàn hồi có đơn vị là Jun (J)
• k là độ cứng của lò xo, đơn vị là Newton. mét (N.m)
• x là độ biến dạng của lò xo, đơn vị là mét ký hiệu là m

4. Thế năng tĩnh điện

4.1 Định nghĩa

Thế năng tĩnh điện là một trong những năng lượng được bảo toàn dưới dạng tĩnh điện. Đại lượng vật lý này được xác định dựa theo công thức dưới đây:

φ = q V

Trong đó:

• q: là đại lượng về điện thế. Đơn vị là C
• V là điện tích của vật đang xét. Đơn vị là (V) 

Để tính được thì đầu tiên chúng ta phải xác định được độ lớn của các đại lượng q và V.  Công thức tính các đại lượng này như sau:

F = q.E

Trong đó:

• F là là độ lớn của lực điện (N)
• E là cường độ điện trường. đơn vị là V/m hoặc N/C
• q là độ lớn của điện tích thử. Đơn vị là C