Thế năng hấp dẫn: Yếu tố khối lượng và độ cao Hướng dẫn

Tổng quan

Thế năng hấp dẫn là năng lượng mà một vật có được do vị trí trên cao của nó. Trong thí nghiệm này, chúng ta sẽ so sánh trực quan độ lớn của thế năng hấp dẫn bằng cách quan sát độ sâu của 'hố' tạo ra bởi một quả bóng rơi vào miếng bọt biển. Chúng ta sẽ sử dụng phương pháp kiểm soát biến để nghiên cứu riêng biệt ảnh hưởng của khối lượng và độ cao đối với thế năng hấp dẫn.

Bối cảnh

• 1853: Kỹ sư người Scotland William Rankine lần đầu tiên chính thức đề xuất khái niệm 'Thế năng' (Potential Energy), phân biệt giữa năng lượng dự trữ và năng lượng hoạt động.
• Đầu thế kỷ 19: Gaspard-Gustave de Coriolis và những người khác đã phát triển mối quan hệ toán học giữa 'công' và 'năng lượng', thiết lập mối quan hệ giữa công do trọng lực thực hiện và sự thay đổi thế năng.
• Ứng dụng kỹ thuật: Từ những guồng nước cổ xưa đến các nhà máy thủy điện hiện đại, con người đã sử dụng thế năng hấp dẫn từ rất lâu.

Khái niệm chính

Công thức và diễn giải

Các bước thí nghiệm

1. 1

   Nghiên cứu ảnh hưởng của khối lượng

   Cố định độ cao $h$ ở một giá trị nhất định (ví dụ $30\text{cm}$ hoặc $50\text{cm}$). Thả các quả bóng có khối lượng lần lượt là $1.0\text{kg}$, $2.0\text{kg}$ và $3.0\text{kg}$. So sánh độ nén của miếng bọt biển trong ba lần thử và suy nghĩ xem khối lượng ảnh hưởng như thế nào đến độ lớn của năng lượng.
2. 2

   Nghiên cứu ảnh hưởng của độ cao

   Chọn một khối lượng cố định (ví dụ $2.0\text{kg}$). Thả quả bóng từ các độ cao lần lượt là $10\text{cm}$, $30\text{cm}$ và $50\text{cm}$. Quan sát sự thay đổi độ sâu của miếng bọt biển và suy nghĩ về ảnh hưởng đáng kể của độ cao đối với thế năng hấp dẫn.
3. 3

   Phân tích tổng hợp

   So sánh toàn bộ bảng ghi dữ liệu. Tìm các trường hợp mà cả khối lượng và độ cao đều khác nhau, nhưng độ sâu nén kết quả lại tương tự nhau. Suy nghĩ về mối quan hệ giữa tích $m \times h$ và thế năng hấp dẫn.

Mục tiêu học tập

• Hiểu định nghĩa về thế năng hấp dẫn và mối quan hệ định tính của nó với khối lượng và độ cao.
• Nắm vững ứng dụng của 'Phương pháp chuyển đổi' trong các thí nghiệm vật lý (Thế năng $\rightarrow$ Biến dạng nén).
• Học cách thiết kế các quy trình thực nghiệm khoa học sử dụng phương pháp kiểm soát biến.
• Có thể thực hiện các ước tính năng lượng đơn giản sử dụng $E_p = mgh$.

Ứng dụng thực tế

• Xây dựng: Máy đóng cọc sử dụng một búa nặng rơi từ trên cao xuống để đóng cọc xuống đất bằng cách sử dụng thế năng hấp dẫn.
• Phòng chống thiên tai: Không đặt các vật nặng dễ rơi trên ban công cao, vì thế năng hấp dẫn ở độ cao lớn của chúng là rất lớn và rất nguy hiểm nếu chúng rơi xuống.
• Thủy điện: Sử dụng thế năng hấp dẫn của nước trong các hồ chứa trên cao để chuyển đổi thành động năng của tua bin, sau đó tạo ra điện.

Sự hiểu lầm phổ biến

Đọc thêm

• Gravitational Potential Energy - Wikipedia