1. Năng lượng là gì ?
- Năng lượng là đại lượng vật lí mà phải được chuyển đến một đối tượng để thực hiện một công việc trên hoặc để làm nóng các đối tượng.
- Năng lượng là đại lượng được bảo toàn; định luật bảo toàn năng lượng cho biết năng lương có thể chuyển đổi thành các dạng khác nhau, nhưng không tự nhiên sinh ra hoặc mất đi.
- Đơn vị của nặng lượng là jun, đó là công làm cho một đối tượng di chuyển đến khoảng cách 1 mét để chống lại một lực có giá trị 1 newton.
2. Phát biểu định luật bảo toàn năng lượng
Trong Hoá học và Vật lý định luật này được hiểu: " Tổng năng lượng của một hệ cô lập luôn không đổi và có nghĩa là nó sẽ được bảo toàn theo thời gian ". Từ đó ta có phát biểu về định luật bảo toàn năng lượng cụ thể như sau: "Năng lượng sẽ không tự nhiên sinh ra hay mất đi mà chúng sẽ chuyển từ dạng này sang dạng khác hoặc từ vật thể này sang vật thể khác".
Các cách giải thích này có thể tương đồng với giải thích của cơ năng của vật tại sao tăng lên hoặc giảm. Ngoài ra, nó cũng giải thích được tại sao vật lại nguội đi hay bị nóng lên. Tất cả đều dựa vào chuyển hoá của năng lượng ở trong hiện tượng nhiệt, cơ hoặc điện trong tự nhiên. Ngoài ra, chúng cũng khẳng định sự chuyển đổi của vật dựa vào định luật bảo toàn.
Ví dụ: Thả một viên bi vào trong cái chén. Lúc này năng lượng của hòn bi là thế năng hấp dẫn. Khi bị hòn bi rơi xuống chén, nó chuyển động quanh chiếc chén một khoảng thời gian và lúc này sẽ là động năng. Ngoài ra, khi bị hòn bi rơi sẽ có chuyển động gây ma sát với bề mặt chén, sinh ra nhiệt năng. Như vậy, khi thả hòn bi vào trong cái chén không chỉ có một dạng năng lượng ban đầu là thế năng mà hòn bi đã chuyển hoá thành ít nhất ba dạng năng lượng mới là động năng, âm năng, nhiệt năng.
- Định luật bảo toàn năng lượng là một quá trình nghiên cứu được nhà khoa học thực hiện và Émilie Du Châtelet là người đã đề xuất và thử nghiệm đầu tiên. Sau khi cơ học ra đời vào năm 1826, James Prescott Joule đã chứng minh được sự chuyển hoá năng lượng từ công năng sang nhiệt năng vào năm 1854. Cho đến những năm 1981, Julius Robert Mayer - nhà vật lý học người Đức đã có những phát biểu về bảo toàn năng lượng. Khi mặc dù có nhiều nhà nghiên cứu tìm ra và chứng minh đúng nhưng giới Vật lý chỉ công nhận Julius Robert Mayer là tác giả của định luật bảo toàn năng lượng.
3. Sự chuyển hóa năng lượng trong các hiện tượng cơ - nhiệt - điện
Biến đổi thế năng thành động năng và ngược lại. Hao hụt cơ năng.
- Trong các hiện tượng tự nhiên, thường có sự biến đổi giữa thế năng và động năng.
- Cơ năng luôn luôn giảm, phần cơ năng hao hụt đi đã chuyển hoá thành nhiệt năng.
- Nếu cơ năng của vật tăng thêm so với ban đầu thì phần tăng thêm là do dạng năng lượng khác chuyển hoá thành.
- Biến đổi cơ năng thành điện năng và ngược lại. Hao hụt cơ năng
- Trong động cơ điện, phần lớn điện năng chuyển hoá thành cơ năng.
- Trong các máy phát điện, phần lớn cơ năng chuyển hoá thành điện năng
- Phần năng lượng hữu ích thu được cuối cùng bao giờ cũng nhỏ hơn phần năng lượng ban đầu cung cấp cho máy.
- Phần năng lượng hao hụt đi biến đổi thành dạng năng lượng khác.
4. Sự bảo toàn năng lượng trong dao động cơ và một số công thức cơ bản
- Thực chất, năng lượng trong dao động cơ được gọi là cơ năng, chúng sẽ bằng tổng động năng và thế năng theo một hệ kín cơ năng không đổi. Vậy động năng là gì ? Động năng kà dạng năng lượng được tạo ra từ chuyển động của nó. Khi một vật có động năng thì vật đó có thể tác dụng lực lên vật khác và sẽ sinh công. Công thức tính động năng rơi tự do : Wđ = 1 / 2 (mv2). Trong đó : Wđ là động năng của vật (J); m kà khối lượng của vật (kg), v là vận tốc của vật thể (m/s).
- Thế năng là một đại lượng trong bộ môn Vật lý, thể hiện cho khả năng sinh công của vật và nó tồn tại dưới dạng năng lượng. Công thức tính thế năng của vật rơi tự do: Wt = mgh. Trong đó, Wt là thế năng của vật (J), m là trọng lượng của vật (kg), H là độ cao của vật khi rơi tự do (m).
- Cơ năng của vật chính là một đại lượng bảo toàn khi chuyển động trong trọng trường chịu tác dụng của trọng lực: W = Wđ + Wt = const (hằng số). W = 1 / 2 mv2 + mgh = Wđ1 + Wt2 = 1/2 mv12 + mgh1 +1/2 mv22 + mgh2. Trong đó: Wđ1 là động năng của vật ở vị trí có vận tốc v1; Wđ 2 là động năng của vật ở vị trí có vận tốc v2; Wt1 là thế năng của vật ở độ cao h1; Wt2 là thế năng của vật ở độ cao h2. Dựa vào biểu thức ta thấy rằng: "Một vật khi rơi tự do, động năng sẽ bằng 0 nếu thời điểm thế năng đạt cực đại. Thế năng bằng 0 khi động năng đạt cực đại. Thế năng tăng thì động năng sẽ giảm nhưng tổng của thế năng là một đại lượng không đổi".
- Các công thức liên quan định luật bảo toàn năng lượng. Sau khi biết định luật bảo toàn năng lượng của ai cũng như khái niệm về định luật này, dưới đây sẽ là môt số công thức liên quan và bài tập để các em luyện tập:
+ Công thức công : A = F.s.cos 
. Trong đó A là công của lực F (đơn vị là Jun); F là lực tác dụng vào vật (đơn vị là N); S là quãng đường vật dịch chuyển ( đơn vị là m); đơn vị của công là jun (kí hiệu là J)
1 J = 1N.1m = 1Nm; 1kJ = 1000 J; Bội số của Jun là kilojun (kJ)
+ Công thức trung bình: P = A / t. Trong đó P là công suất (đơn vị là J/s hoặc W); A là công thực hiên (đơn vị là N.m hoặc J); t là thời gian thực hiện công (Đơn vị là s)
1 KW = 1000 W; 1 MW = 1.000.000 W
+ Công suất tức thời: P = F.v.cos
5. Ý nghĩa của định luật bảo toàn năng lượng
- Là năng lượng không thể được tạo ra cũng như không thể bị phá huỷ; thay vào đó, nó chỉ có thể được biến đổi từ dạng này sang dang khác hoặc chuyển đổi từ vật này sang vật khác (hoặc cả hai).
- Ví dụ: năng lượng hoá học được chuyển đổi thành động năng khi một thanh thuốc nổ phát nổ.
- Nếu cộng thêm tất cả các dạng năng lượng giải phóng trong vụ nổ, chẳng hạn như động năng và tế năng của các mảnh vỡ, cũng như nhiệt và âm thanh, người ta sẽ nhận được chính xác sự giảm năng lượng hoá học trong quá trình đốt cháy chất nổ.
6. Một số bài tập vận dụng
Bài 1. Trong nhà máy thuỷ điện có sử dụng một tua bin. Khi tua bin này quay, ta có thể thấy máy phát điện quay theo. Từ đó cung cấp cho ta năng lượng điện để sử dụng. Tua bin này quay liên tục là nhờ nước ở hồ chứa sẵn. Thế nên ta không cần phải mất công để bơm lên. Vậy tua bin này có phải là một động cơ vĩnh cửu hay không ? Vì sao ?
Bài 2. Một cây búa máy khi rơi tự do từ một cao h xuống, chúng đập vào đầu một cái cọc sắt ở dưới đất. Hãy dựa vào định luật bảo toàn năng lượng, dự đoán xem búa đập vào cọc sẽ có những dạng năng lượng nào xuất hiện ? HIện tượng gì có thể xảy ra kèm theo ?
Bài 3. Một quả bóng cao su có thể được ném từ độ cao h, xuống dưới nền đất cứng và sau đó bị nảy lên. Sau mỗi lần nảy, độ cao của bóng cũng giảm dần, điều này có nghĩa là cơ năng cũng sẽ giảm dần. Vậy nó có trái với định luật bảo toàn năng lượng như đã nếu trên không ? Tại sao lại như vậy ? Hãy thử dự đoán xem hiện tượng gì xảy đến với quả bóng ngoài việc bị nảy lên và xuống ?
Bài 4. Tìm hiểu hiện tượng không tuân theo định luật bảo toàn và chuyển hoá năng lượng
A . Bàn là nguội đi khi ngắt điện
B. Bếp nguội đi khi tắt lửa
C. Xe dừng lại khi tắt máy
D. Không có định luật nào nêu trên theo định luật
Hướng dẫn:
Bài 1. Tua bin này không phải tua bin vĩnh cửu. Nếu như muốn tua bin chạy, ta cần phải cung cấp cho nó năng lượng từ trên cao chảy xuống. Tuy ta không bơm nước lên, thế những chính nhờ mặt trời đã cũng cấp nhiệt năng cho nó. Từ đó nhiệt nước bốc hơi lên cao và trở thành mây. Mây làm cho mưa rơi xuống phần hồ chưa nước ở trên cao.
Bài 2. Có thể giải thích được như sau: Nhiệt năng sẽ làm cho đầu cọ bị đập mạnh và nóng lên. Còn cơ năng sẽ giúp cho cọc được chuyển động và ngập sâu vào bên trong đất.
Bài 3. Điều này không trái với định luật bảo toàn. Lý do là bởi một phần cơ năng của quả bóng đã chuyển thành nhiệt năng. Khi quả bóng đập vào đất, một phần trong chúng đã chuyển vào không khí và từ đó, làm cho các phân tử không khí được chuyển động .
Bài 4. Đáp án D
Bạn đọc có thể tham khảo bài viết dưới đây: Định luật bảo toàn năng lượng lớp 9
