Giải Hoạt động trang 21 SGK Khoa học tự nhiên 9

Lời giải

a) Mô tả sự chuyển hoá năng lượng

Khi quả nặng được giữ ở độ cao $h$ so với sàn xe, nó có thế năng trọng trường.

Khi thả ra, quả nặng rơi xuống, độ cao giảm dần nên thế năng giảm. Trong quá trình rơi, sợi dây kéo trục làm bánh xe lăn, xe chuyển động. Vì vậy thế năng của quả nặng chuyển hoá thành động năng của quả nặng đang rơi và động năng của xe đang chuyển động (một phần nhỏ còn hao phí thành nhiệt do ma sát).

Đến khi quả nặng chạm sàn xe thì thế năng (so với sàn) bằng 0, lúc này năng lượng đã chuyển gần hết thành động năng của chuyển động.

b) Tính tốc độ của xe

Đổi đơn vị: $h = 8\ \text{cm} = 0{,}08\ \text{m}$; $m_1 = 20\ \text{g} = 0{,}02\ \text{kg}$; $m_2 = 50\ \text{g} = 0{,}05\ \text{kg}$. Lấy $g = 10\ \text{m/s}^2$.

Thế năng của quả nặng ở độ cao ban đầu:
$$W_t = m_1 g h = 0{,}02 \times 10 \times 0{,}08 = 0{,}016\ \text{J}$$

Coi toàn bộ thế năng này chuyển hoá thành động năng của xe:
$$W_t = W_đ = \frac{1}{2} m_2 v^2$$

Suy ra:
$$v^2 = \frac{2 W_t}{m_2} = \frac{2 \times 0{,}016}{0{,}05} = 0{,}64\ (\text{m/s})^2$$
$$v = \sqrt{0{,}64} = 0{,}8\ \text{m/s}$$

Vậy tốc độ của xe ngay khi quả nặng chạm sàn là $v = 0{,}8\ \text{m/s}$.

c) Giải thích vì sao thực tế tốc độ nhỏ hơn

Trong thực tế, thế năng của quả nặng không chuyển hoá hoàn toàn thành động năng của xe, vì:

- Có ma sát ở trục xe, ở ròng rọc và giữa bánh xe với sàn, cùng với lực cản của không khí. Một phần năng lượng bị hao phí, chuyển thành nhiệt năng (làm nóng các bộ phận) và năng lượng âm thanh.
- Ngoài ra, bản thân quả nặng khi rơi cũng có động năng, nên không phải toàn bộ năng lượng đều dồn cho chuyển động của xe.

Vì vậy phần động năng thực sự truyền cho xe nhỏ hơn giá trị tính toán, dẫn đến tốc độ thực tế của xe nhỏ hơn $0{,}8\ \text{m/s}$.

Đáp số