Mục lục bài họcĐang ở d03-b4
Force–Position Graphs, Dissipated Energy and Gravitational Potential Energy at a Distance
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.
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.
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?
(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.
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.