Mục lục bài họcĐang ở d03-b4
← AP Physics 1
0/32 bài đã học xong
Chương 3 · Unit 3 — Work, Energy, and Power · Bài 4/4 của chương · bài 12/32 của AP Physics 1

Force–Position Graphs, Dissipated Energy and Gravitational Potential Energy at a Distance

Đồ thị lực – vị trí, năng lượng hao phí và thế năng hấp dẫn ở xa
← Mục lục bài học
Lý thuyết · English

Work is the area under a force–position graph

$W=Fd\cos\theta$ only works for a constant force. When the force varies with position, the work done is the area between the $F$–$x$ curve and the axis, with area below the axis counted negative. This is where the spring formula comes from: the graph of $F=kx$ is a straight line through the origin, and the triangle under it from $0$ to $x$ has area $\tfrac12(x)(kx)=\tfrac12kx^2$. A force that rises linearly from $0$ to $40$ N over $0{,}5$ m does $\tfrac12(0{,}5)(40)=10$ J of work, not $20$ J.

Where the energy goes with friction

Kinetic friction converts mechanical energy into thermal energy in exactly the amount

$$\Delta E_{\text{thermal}}=f_kd=\mu_kNd$$

where $d$ is the distance slid, not the displacement. On a round trip the displacement is zero but friction still removes energy on both legs. The full energy statement is $K_i+U_i+W_{\text{ext}}=K_f+U_f+\Delta E_{\text{thermal}}$; on AP free-response questions you will be asked to name where the missing energy went, so say "thermal energy of the block and surface", not "lost".

Gravitational potential energy far from Earth

$U_g=mgh$ assumes $g$ is constant, which is only true near the surface. The general expression, with the zero chosen at infinite separation, is

$$U_g=-\frac{GMm}{r}$$

It is negative everywhere and increases toward zero as $r$ grows — moving away from a planet always raises potential energy, exactly as climbing does. The negative sign is a bookkeeping choice, not a sign that energy is "missing". The formula gives the escape speed directly: total energy zero at infinity means $\tfrac12mv^2-\frac{GMm}{R}=0$, so $v_{\text{esc}}=\sqrt{2GM/R}$, about $11{,}2$ km/s for Earth, independent of the mass of the object.

Giải thích tiếng Việt

Công là diện tích dưới đồ thị $F$–$x$. $W=Fd\cos\theta$ chỉ đúng khi lực không đổi; lực đổi theo vị trí thì công bằng diện tích giữa đường cong và trục hoành, phần dưới trục mang dấu âm. Công thức lò xo sinh ra từ đây: đồ thị $F=kx$ là đường thẳng qua gốc, tam giác dưới nó từ $0$ đến $x$ có diện tích $\tfrac12kx^2$. Lực tăng đều từ $0$ đến $40$ N trên $0{,}5$ m sinh công $\tfrac12(0{,}5)(40)=10$ J, không phải $20$ J.

Ma sát đem năng lượng đi đâu: ma sát trượt đổi cơ năng thành nhiệt đúng bằng $\Delta E_{\text{nhiệt}}=f_kd=\mu_kNd$, trong đó $d$ là quãng đường trượt, không phải độ dời — đi một vòng về chỗ cũ, độ dời bằng $0$ nhưng ma sát vẫn lấy năng lượng ở cả hai lượt. Câu tự luận AP hay bắt gọi tên chỗ năng lượng đã đến: viết “nhiệt năng của vật và mặt sàn”, đừng viết “mất”.

Thế năng hấp dẫn ở xa Trái Đất: $mgh$ chỉ đúng khi $g$ coi như không đổi. Công thức tổng quát, chọn mốc $0$ ở vô cực, là $U_g=-\dfrac{GMm}{r}$ — âm ở mọi nơi và tăng dần về $0$ khi $r$ lớn, tức càng ra xa thế năng càng cao, đúng như leo lên. Dấu âm chỉ là cách chọn mốc. Từ đây suy ra tốc độ thoát: cơ năng bằng $0$ ở vô cực nên $v_{\text{thoát}}=\sqrt{2GM/R}\approx11{,}2$ km/s với Trái Đất, không phụ thuộc khối lượng vật.

Ví dụ — lực biến thiên rồi ma sát

Vật $2$ kg nằm yên trên sàn ngang. Một lực đẩy ngang tăng đều từ $0$ đến $20$ N trong khi vật đi $2$ m, sau đó ngừng tác dụng. Hệ số ma sát trượt $\mu_k=0{,}25$, $g=10$ m/s². (a) Tốc độ vật ở cuối đoạn $2$ m. (b) Vật trượt thêm bao xa rồi dừng?

Giải.

(a) Công của lực đẩy là diện tích tam giác dưới đồ thị $F$–$x$:

$$W_F=\tfrac12(2)(20)=20\ \text{J}$$

Ma sát trượt $f_k=\mu_kN=0{,}25(2)(10)=5$ N, sinh công $-5(2)=-10$ J trên cùng đoạn. Định lý công – động năng:

$$\tfrac12mv^2=20-10=10\ \text{J}\quad\Longrightarrow\quad v=\sqrt{\frac{2(10)}{2}}=\sqrt{10}\approx3{,}16\ \text{m/s}$$

(b) Sau khi lực ngừng, chỉ còn ma sát lấy nốt $10$ J động năng:

$$f_kd=10\ \Longrightarrow\ d=\frac{10}{5}=2\ \text{m}$$

Tổng cộng $20$ J của lực đẩy đã thành $20$ J nhiệt năng trên $4$ m trượt — năng lượng không mất, chỉ đổi dạng.

Bẫy hay mất điểm — Diện tích dưới trục là công âm — đồ thị lực cản nằm dưới trục $x$, cộng cả hai phần như nhau là sai dấu. $d$ trong $f_kd$ là quãng đường, không phải độ dời: vật đi lên rồi tụt xuống dốc chịu ma sát ở cả hai lượt, trong khi trọng lực thì hoàn lại. $U_g=-GMm/r$ âm không có nghĩa “ít hơn không” — chỉ là mốc ở vô cực; hiệu thế năng mới có nghĩa vật lý, và $mgh$ chỉ là bản gần đúng của hiệu đó khi $h\ll R$. Cuối cùng, tốc độ thoát không phụ thuộc khối lượng vật phóng — $m$ triệt tiêu hai vế.
Phải nhớ — Lực đổi theo vị trí thì công là diện tích dưới đồ thị $F$–$x$, dưới trục mang dấu âm. Ma sát trượt biến cơ năng thành nhiệt đúng bằng $f_k$ nhân quãng đường trượt, và câu tự luận muốn bạn gọi tên “nhiệt năng”. Xa Trái Đất thì $U_g=-GMm/r$ với mốc ở vô cực, luôn âm và tăng khi ra xa. Cho cơ năng bằng $0$ ở vô cực là có ngay tốc độ thoát $\sqrt{2GM/R}$.

Đọc xong rồi — làm thử ngay

Bài tập của chương Unit 3 — Work, Energy, and Power gồm 14 câu trắc nghiệm và 3 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.

Làm bài tập chương →