phân tích chương động lượng, định luật bảo toàn động lượng

Phần các định luật bảo toàn cũng góp phần giáo dục kỹ thuật tổng hợp thông qua việc nghiên cứu ứng dụng của định luật và các công thức trong kỹ thuật như động cơ phản lực, hộp số, hiệu s

MỤC LỤC

A MỞ ĐẦU 2

B NỘI DUNG 3

1 Giới thiệu chung 3

2 Vị trí, nhiệm vụ và muc tiêu về chuẩn kiến thức và kĩ năng 3

2.1 Vị trí chương các định luật bảo toàn 3

2.2 Nhiệm vụ .4

2.3.Muc tiêu về chuẩn kiến thức và kĩ năng 4

Từ mục tiêu về chuẩn kiến thức và kĩ năng có thể tóm tắt nội dung của chương bởi sơ đồ cấu trúc sau 6

3 Phân tích về mặt nội dung kiến thức của chương các định luật bảo toàn trong SGK.6 3.1 Định luật bảo toàn động lượng 6

3.1.1.Khái niệm hệ kín 6

3.2 Ứng dụng của định luật bảo toàn động lượng: chuyển động bằng phản lực 11

3.3 Công và công suất 12

3.4 Động năng Định lý biến thiên động năng 16

3.5 Khái niệm thế năng 18

3.7.Va chạm đàn hồi và va chạm không đàn hồi 26

3.8 Các định luật Kê-ple 27

3.9 Vệ tinh nhân tạo Vận tốc vũ trụ 28

4 Phân tích về mặt thực hiện rèn luyện kỹ năng 29

C KẾT LUẬN 31

TÀI LIỆU THAM KHẢO 32

A MỞ ĐẦU

Đổi mới phương pháp dạy học theo tinh thần phát huy tính tích cực, chủ động của học sinh là một vấn đề đang được các cấp, các ngành quan tâm Chương trình, nội dung sách giáo mới đã được đưa vào sử dụng ở tất cả các khối lớp nhằm mục đích nâng cao chất lượng giáo dục cho phù hợp với sự phát triển kinh tế, xã hội của đất nước và sự phát kiển khoa học kĩ thuật của thế giới Vì thế để đáp ứng mục tiêu chung, người giáo viên phải luôn tự bồi dưỡng về phương pháp và hình thức tổ chức dạy học Muốn làm được điều đó, cần phải nghiên cứu kĩ cấu trúc chương trình, nội dung kiến thức trong sách giáo khoa Do đó, việc nghiên cứu chương trình vật lí phổ thông là một việc làm quan trọng, cần thiết đối với mỗi giáo viên

Các định luật bảo toàn là một phần quan trọng trong chương trình vật lí phổ thông Nó cung cấp một phương pháp giải các bài toán cơ học rất hữu hiệu, bố sung cho phương pháp động lực học và là phương pháp duy nhất nếu không biết

rõ lực tác dụng lên vật Phần các định luật bảo toàn cũng góp phần giáo dục kỹ thuật tổng hợp thông qua việc nghiên cứu ứng dụng của định luật và các công thức trong kỹ thuật như động cơ phản lực, hộp số, hiệu suất của máy, bộ chế hoà khí…

Nội dung của tiểu luận chủ yếu tập trung làm rõ thêm nội dung kiến thức được trình bày trong sách giáo khoa trên cơ sở chuẩn kiến thức và kĩ năng theo chương trinh của Bộ Giáo dục và Đào tạo

B NỘI DUNG

1 Giới thiệu chung

Các định luật bảo toàn(CĐLBT) đóng vai trò rất quan trọng, là nền tảng của mọi lý thuyết vật lý, chúng là cơ sở của những tính toán quan trọng trong vật lý thực nghiệm và trong kỹ thuật Trong cơ học cổ điển, các ĐLBT không những áp dụng được cho cả thế giới vĩ mô mà còn cho phép khám phá ra những định luật đặc thù trong thế giới vi mô: như ĐLBT điện tích, bảo toàn tính lạ,…

Các ĐLBT đã thực sự cung cấp thêm một phương pháp giải các bài toán cơ học rất hữu hiệu, bổ sung cho phương pháp động lực học, đôi khi nó còn cho kết quả nhanh hơn khi sử dụng phương pháp động lực học để giải Khi áp dụng các ĐLBT, học sinh cũng cần phải nắm vững các định luật Niu-tơn, cách tính công của các lực khác nhau, định lý động năng,…mới đem lại hiệu quả cao trong quá trình giải bài tập, vì vậy, có thể nói rằng bài tập về các ĐLBT hệ thống hoá một cách đầy đủ nhất các kiến thức của cơ học

Các ĐLBT có tính tổng quát cao hơn các định luật Niu-tơn vì chúng gắn với tính chất của không gian thời gian Từ các tính chất này có thể dẫn tới ĐLBT,

cụ thể như ĐLBT động lượng phản ánh tính chất đồng tính của không gian, ĐLBT mômen động lượng phản ánh tính chất đẳng hướng của không gian, ĐLBT năng lượng phản ánh tính chất đồng nhất của thời gian

2 Vị trí, nhiệm vụ và muc tiêu về chuẩn kiến thức và kĩ năng

2.1 Vị trí chương các định luật bảo toàn

Các định luật bảo toàn nằm ở chương IV sau chương tĩnh học vật rắn sàu

trước chương học chất lưu, nó là cơ sở để nghiên cứu kiến thức của chương co học chất lưu nói riêng và kiến thức của chương trình vật lí 11 và 12 sau này

Các định luật bảo toàn thuộc chương trình học kì II của năm học, đây là chương quan trọng của chương trình học kì II và cả năm học học lớp 10

2.2 Nhiệm vụ

-Trình bày về những đại lượng cơ học là: động lượng , công- công suất,

động năng, thế năng cơ năng

- Thiết lập định luật bảo toàn động lượng và định luật bảo toàn cơ năng

- Khảo sát một số chuyển động cơ trên cơ sở định luật bảo toàn động lượng

và định luật bảo toàn cơ năng

2.3.Muc tiêu về chuẩn kiến thức và kĩ năng

Nhìn chung, mục tiêu chung về kiến thức và kỹ năng ở sách giáo khoa ( SGK) tập trung chủ yếu vào các vấn đề sau:

- Phát biểu và viết được biểu thức (nếu có) đối với các khái niệm động lượng, công, công suất, năng lượng, động năng, thế năng, cơ năng

- Nêu được mối quan hệ giữa công, động năng, thế năng

- Phát biểu được nội dung, viết được biểu thức của các ĐLBT động lượng, bảo toàn cơ năng, 3 định luật Kê-ple và vận dụng được các ĐLBT này để giải thích một số hiện tượng và giải một số bài toán liên quan

Mục tiêu cụ thể cho từng bài

+Nêu được khái niệm và lấy được ví dụ về hệ kín?

+Viết được công thức tính và nêu được đơn vị của động lượng

+Phát biểu và viết được biểu thức của ĐLBT đối với hệ kín gồm hai vật

+Nêu được nguyên tắc CĐ bằng phản lựcCông, công

suất

+Phát biểu được định nghĩa và viết được công thức tính công, công suất

Động năng +Phát biểu được định nghĩa, viết được công thức và nêu

được đơn vị của động năng

+Phát biểu và viết được biểu thức của định lý ĐNThế năng

+Tính được vận tốc của các vật sau va chạm đàn hồi và

phần động năng của hệ bị giảm sau va chạm mềm

Từ mục tiêu về chuẩn kiến thức và kĩ năng có thể tóm tắt nội dung của chương bởi sơ đồ cấu trúc sau

3 Phân tích về mặt nội dung kiến thức của chương các định luật bảo toàn trong SGK

3.1 Định luật bảo toàn động lượng

3.1.1.Khái niệm hệ kín

Hệ kín là một khái niệm rất quan trọng gắn liền với các ĐLBT Nó là điều kiện cần để áp dụng một vài ĐLBT cho các hệ cơ học (ví dụ: ĐLBT động lượng, ĐLBT cơ năng( để áp dụng ĐLBT cơ năng thì cần có thêm điều kiện là hệ không chịu tác dụng của lực ma sát nữa)).

Theo SGK thì một hệ được gọi là kín chỉ có những lực của các vật bên trong hệ tác dụng lẫn nhau( gọi là nội lực) mà không có tác dụng của những lực bên ngoài hệ(gọi là ngoại lực, hoặc nếu có thì những lực này triệt tiêu nhau

Thực tế, không có hệ nào là kín tuyệt đối cả, ngay cả hệ “vật – Trái Đất” Tuy nhiên, trong một số trường hợp sau đây thì ta có thể xem hệ là hệ kín được Các trường hợp đó là:

+Hệ có ngoại lực tác dụng nhưng ngoại lực rất nhỏ, có thể bỏ qua được,+Hệ có ngoại lực tác dụng nhưng các ngoại lực đó cân bằng với nhau,

+Hệ có ngoại lực tác dụng nhưng ngoại lực rất nhỏ so với nội lực (xét trong một khoảng thời gian rất ngắn, chẳng hạn như trong các hiện tượng nổ, hay va chạm)

3.1.2 Khái niệm động lượng và định luật bảo toàn động lượng

3.1.2.1 Khái niệm động lượng

Động lượng được coi là khái niệm cơ bản thứ hai của vật lí học, sau khối lượng Niu-tơn là người đầu tiên đưa ra định nghĩa về khái niệm này Theo ông, động lượng là số đo chuyển động, nó tỉ lệ với khối lượng và vận tốc Đê-cac cũng định nghĩa động lượng tương tự như vậy, nhưng không hiểu rằng vận tốc là một đại lượng véc tơ Vì vậy ông đã mắc sai lầm khi vận dụng khái niệm đó vào lý thuyết va chạm Đê-cac đo chuyển động bằng động lượng và coi ĐLBT động lượng là định luật bảo toàn chuyển động Năm 1686, một năm trước khi tác phẩm của Niu-tơn ra đời, Lepnich đã công bố một bài báo công kích quan điểm của Đê-cac và đề nghị một số đo khác của chuyển động Đại lượng đó tỉ lệ với tích của khối lượng với bình phương vận tốc của vật mv2 và được ông gọi là “hoạt lực”

(lực sống) “Hoạt lực” của Lepnich ngày nay được gọi là động năng, có giá trị

bằng 1

2mv2 và là dạng năng lượng đặc trưng cho chuyển động của vật Niu-tơn coi động lượng là đại lượng đặc cho chuyển động về phương diện động lực và đo bằng tích mvr, ông đã biết rằng tốc độ biến thiên động lượng giữ một vai trò quan trọng trong việc xác định các đặc trưng của tương tác

Động lượng được kí hiệu là pr và được xác định bằng

pr=mvr

Động lượng là đại lượng véc tơ và luôn cùng phương và chiều với vận tốcĐộng lượng có đơn vị là kgm/s

Vì vận tốc có tính tương đối nên động lượng cũng có tính tương đối

3.1.2.2 Khái niệm xung lượng của lực

Khái niệm xung lượng của lực từ định luật II Niu- tơn như sau:

Xét một vật có khối lượng m chịu tác dụng của lực Fr Theo định luật II Niu-tơn ta có:

Đơn vị xung lượng của lực là N.s

3.1.2.3 Định lý biến thiên động lượng

Định lí này được phát biểu như sau : Độ biến thiên động lượng của một vật trong một khoảng thời gian nào đó bằng xung lượng của tổng các lực tác dụng lên

vật trong khoảng thời gian đó.

∆ = ∆r r là độ biến thiên động lượng của vật trong khoảng thời gian ∆t.

Trong khuôn khổ cơ học cổ điển của Niu-tơn thì khối lượng của vật không thay đổi nên ta có:

3.1.2.4 Định luật bảo toàn động lượng

thì ∆ = ∆pr (mvr) 0= hay p cr= onst Như vậy : để Fur=0ta xét hệ là hệ kín, hoặc

những trường hợp được xem là hệ kín ở trên, thì động lượng được bảo toàn

Vậy: Véc tơ tổng động lượng của hệ kín được bảo toàn.

'

p=uurp

ur

(4)Trong đó ur uur uurp= p1+p2+ là tổng động

lượng của hệ trước tương tác

' ' '

p = p +p +

uur uur uur

là tổng động lượng của hệ sau tương tác

Cần chú ý rằng ĐLBT động lượng áp dụng cho hệ cô lập (hệ kín), tức là hợp lực của tất cả các lực tác dụng lên hệ bằng 0 Tuy nhiên với một hệ không cô lập nhưng nếu hợp lực của tất cả các ngoại lực tác

dụng lên hệ có hình chiếu trên một trục cố định nào

đó bằng không tại mọi thời điểm, thì động lượng của

hệ được bảo toàn trên trục ấy ( súng giật lùi)

Động lượng của một hệ cô lập có thể có những giá trị khác nhau trong những hệ quy chiếu khác nhau

Định luật bảo toàn động lượng cũng đúng với hệ cô lập gồm nhiều chất điểm Mặc dù định luật bảo toàn động lượng được xem như một hệ quả của định luật Niutơn thứ ba, nhưng thực nghiệm chứng tỏ rằng định luật này không những đúng trong cơ học cổ điển mà còn đúng với hệ vi mô (với hệ này không thể áp dụng các định luật Niutơn) Vì thế định luật bảo toàn động lượng là một định luật

cơ bản của tự nhiên

Nếu vận tốc của vật là khá lớn thì khối lượng của vật sẽ thay đổi đáng kể theo thuyết tương đối của Anhxtanh Khi đó phương trình định luật II Niutơn dạng (3) không còn nghiệm đúng nữa, nhưng định lý biến thiên động lượng và ĐLBT động lượng cho hệ kín vẫn luôn luôn đúng

2 2 0

1

c v

m m

1

m v

v c

Nếu urF= 0 thì

0 2 2

1

m v p

v c

=

−

rur

= const

Từ biểu thức (2) có thể phát biểu như sau: Độ biến thiên động lượng của vật trong thời gian ∆t bằng xung lượng của lực tác dụng lên vật trong thời gian ∆t

đó( có thể xem là định lý biến thiên động lượng)

Để hình thành định luật bảo toàn động lượng thường thì có hai con đường:Thứ nhất, xuất phát từ thực nghiệm, xuất phát từ thí nghiệm về sự va chạm của hai vật, từ đó khái quát hóa cho trường hợp tổng quát rồi đí đến phát biểu thành định luật

Thứ hai, xuất phát từ định luật II Niu-tơn người ta xây dựng định luật bảo toàn động lượng Tuy nhiên định luật bảo toàn động lượng là định luật vật lí độc lập không phải là hệ quả của định luật II Niu-tơn

Đối với SGK thì việc hình thành định luật bảo toàn động lượng, và động lượng được xây dựng từ định luật II Niu-tơn

3.2 Ứng dụng của định luật bảo toàn động lượng: chuyển động bằng phản

lực

Khi trình bày các ứng dụng định luật bảo

toàn động lượng, SGK trình bày về chuyển

động bằng phản lực và một số bài tập áp dụng

ĐLBT động lượng Dưới đây chỉ phân tích

chuyển động bằng phản lực

Trong một hệ kín đứng yên, nếu có một

phần của hệ chuyển động theo một hướng, thì theo định luật bảo toàn động lượng, phần còn lại của hệ phải chuyển động theo hướng ngược lại Chuyển động theo nguyên tắc như thế gọi là chuyển động bằng phản lực Cần phân biệt sự khác nhau

Hình 3: Tên lửa nhiều tầng

giữa “Chuyển động bằng phản lực” với chuyển động nhờ phản lực của của mặt đất

và của chất lỏng

Máy bay cánh quạt có nguyên tắc chuyển động hoàn toàn khác với máy bay phản lực Khi cánh quạt quay, do cấu tạo xoắn của nó mà một luồng không khí bị đẩy về phía sau với vận tốc lớn Theo định luật III Niu-tơn, phản lực do luồng không khí tác dụng lên cánh quạt sẽ đẩy máy bay chuyển động về phía trước

Nguyên tắc chung của động cơ phản

lực là có một bộ phận đốt nhiên liệu để tạo

ra một luồng khí phóng ra phía sau với vận

tốc lớn, phần còn lại của động cơ sẽ chuyển

động ngược chiều theo định luật bảo toàn

động lượng, vận tốc của chuyển động phụ

thuộc vào vận tốc và khối lượng khí phụt ra

Súng bị giật lùi khi bắn là chuyển động bằng phản lực không liên tục Tên lửa, pháo thăng thiên khi phóng lên là chuyển động bằng phản lực liên tục nhờ có nhiên liệu được đốt cháy và phóng ra liên tục Cánh diều bay lên là nhờ có không khí đã tạo lực nâng tác dụng lên cánh diều

3.3 Công và công suất

3.3.1.Khái niệm công

Khái niêm công được hình thành trước tiên trong kĩ thuật vào khoảng giữa thế kỷ XVIII để nói về khả năng hoạt động của các máy hơi nước, nhưng lúc đó chưa có thuật ngữ “công” và “công suất” Năm 1803 Lada Cacnô đưa ra khái niệm

“mô men hoạt động” và được định nghĩa là tích của lực với đường đi và côsin của góc giữa chúng Có thể nói đây chính là định nghĩa đầu tiên của công Sau đó (1886) Pôngxơlê và Côriôlit bắt đầu dùng thuật ngữ “công” Theo ông, công bằng tích của lực tác dụng lên chất điểm theo phương chuyển dời và độ chuyển dời của

Hình 5: Tên lửa chuyển động bằng phản lực

điểm đặt lực Theo định nghĩa đó, tích F.s là dấu hiệu cho phép ta phân biệt một cách nhanh chóng các trường hợp có công thực hiện và tính được công đó, song tích đó chưa thể hiện được bản chất của công.

Bản chất vật lí của công chỉ được thể hiện rõ khi gắn khái niệm này với định luật bảo toàn năng lượng Công xuất hiện khi có sự chuyển hoá năng lượng từ dạng này sang dạng khác hay truyền từ vật này sang vật khác Công không phải là một dạng năng lượng mà là một hình thức vĩ mô của sự truyền năng lượng Từ đó suy ra độ lớn của công xác định độ lớn của phần năng lượng được truyền từ vật này sang vật khác hay chuyển từ dạng này sang dạng khác trong quá trình đó.Theo Bách khoa toàn thư Việt Nam, công là năng lượng cơ học do lực sinh ra khi dịch chuyển, là độ đo tác dụng của lực theo quãng đường đi Nếu lực có phương, chiều, giá trị không đổi và điểm đặt của nó di chuyển một đoạn thẳng s thì công của lực là A = FScosα, trong đó α là góc giữa vectơ lực và vectơ di chuyển

Công là dương nếu α nhọn, là âm nếu α tù

và bằng không nếu α = 900

Nếu A>0 được gọi là công phát động Nếu A<0

được gọi là công cản

Trong đó α là góc giữa vectơ lực và vectơ di chuyển; F r là lực tác dụng lên vật làm vật dịch chuyển đoạn đường s

Công là đại lượng vô hướng có thể dương, âm hoặc bằng không

Công phụ thuộc vào hệ quy chiếu nên nó có tính tương đối

Nếu lực là lực thế (lực hấp dẫn, lực tĩnh điện ) thì công của lực không phụ thuộc vào đường dịch chuyển mà chỉ phụ thuộc vào điểm đầu và điểm cuối của

F

S

α

Hình 6: Lực thực hiện công

dịch chuyển.

Trong hệ đơn vị quốc tế SI là Jun (kí hiệu J), 1 J = 1 N.m Trong kĩ thuật còn dùng kilôgam lực.mét (kí hiệu kgl.m), 1 kgl.m = 9,81 J Ngoài ra, Oát giờ cũng là đơn vị của công Nó là công của một nhà máy công suất 1W sinh ra trong một giờ

3.3.2 Khái niệm công suất

Công suất là đại lượng biểu thị tốc độ biến đổi của công theo thời gian, trong đó dA là lượng công sinh ra trong khoảng thời gian dt Nếu công được thực hiện đều, tức là độ biến đổi của công nhau trong những khoảng thời gian bằng nhau thì bằng nhau, do đo công suất không đổi và bằng A/t (với A là công sinh ra trong khoảng thời gian t)

Từ biểu thức trên của công suất ta suy ra: Công suất là đại lượng đặc trưng cho tốc độ sinh công nhanh hay chậm của các máy (hay của lực) và được đo bằng công mà lực sinh ra trong một đơn vị thời gian (1 giây)

Trong trường hợp tổng quát, khi lực thay đổi cả phương, chiều và cường

độ, còn điểm đặt của lực di chuyển với vận tốc v hợp với hướng của lực một góc

Trong hệ đơn vị quốc tế (SI), đơn vị của

công suất là oat (Watt : W); 1W = 1J/s Trong kĩ

thuật người ta còn dùng mã lực để làm đơn vị đo

của công suất, kí hiệu Hp (horse power) 1Hp =

736W = 0,736kW (Pháp)

Từ công thức P F v=ur r ta suy ra rằng nếu P không đổi:

Muốn tăng lực tác dụng F thì phải giảm vận

tốc v, và ngược lại muốn giảm lực F thì phải tăng

v Đây chính là nguyên tắc hoạt động của hộp số

3.3.3 Khái niệm năng lượng

Năng lượng là một trong những khái niệm phức tạp nhất của vật lý học Nó

là thước đo thống nhất của các dạng chuyển động khác nhau của vật chất Mỗi dạng chuyển động của vật lý học được đặc trưng bằng một dạng năng lượng riêng,

có công thức định lượng tương ứng: Cơ năng, nội năng, quang năng,…

Theo sách “Cơ sở vật lý” của Đavid Halliday thì “năng lượng là số đo gắn với một trạng thái (hay điều kiện) của một hay nhiều vật”

Theo “Bách khoa toàn thư Việt Nam”: năng lượng là độ đo định lượng chung cho mọi dạng vận động khác nhau của vật chất

Theo SGK: Một vật có khả năng sinh công, ta nói, vật đó có mang năng lượng Cách định nghĩa này cho thấy công và năng lượng gắn bó mật thiết với nhau Độ lớn của công trong một quá trình đúng bằng độ lớn của phần năng lượng

đã truyền từ vật này sang vật khác hoặc đã chuyển từ dạng này sang dạng khác

Tuy nhiên, cần phân biệt hai khái niệm công và năng lượng Một trạng thái của hệ tương ứng với một giá trị năng lượng xác định của hệ, tức là giá trị của năng lượng phụ thuộc vào trạng thái của hệ Còn công đặc trưng cho độ biến thiên năng lượng của hệ trong một quá trình nào đó Ta nói rằng công phụ thuộc vào quá trình biến đổi của hệ, như vậy công không phải là một dạng năng lượng mà chỉ là số đo phần năng lượng đã truyền từ vật này sang vật khác hoặc đã chuyển từ dạng này sang dạng khác

Mỗi hình thức vận động cụ thể tương ứng với một dạng năng lượng cụ thể: vận động cơ tương ứng với cơ năng, vận động nhiệt tương ứng với nội năng, vận động điện từ tương ứng với năng lượng điện từ,

Hình 7: Hộp số của động cơ ô tô

Có nhiều dạng năng lượng: Cơ năng, nhiệt năng, quang năng,… Trong phần cơ học này, HS được học về cơ năng (tức là năng lượng cơ học) Dạng năng lượng này bao gồm động năng và thế năng Động năng là một dạng của cơ năng

mà vật có được do nó chuyển động, còn thế năng là dạng năng lượng mà vật có được do tương tác giữa với các vật khác (Trái đất) hoặc do tương tác giữa các phần của vật

Đơn vị của năng lượng trong hệ SI là Jun (J)

3.4 Động năng Định lý biến thiên động năng

3.4.1 Khái niệm động năng

Ở SGKNC(cả SGKCB) khi xét động

năng của vật, người ta chỉ xét chuyển động

tịnh tiến của vật mà không xét đến chuyển

động quay

Khi chỉ xét chuyển động tịnh tiến của

vật thì: Động năng được hiểu là một phần của

năng lượng cơ học, được định nghĩa là năng

lượng của chất điểm có được do nó chuyển

động và có giá trị bằng một nửa tích của khối lượng với bình phương vận tốc của chất điểm

Công thức tính động năng

d 1 2

2

W = mv (8) Đơn vị của động năng trong hệ SI là Jun(J)

Công thức (8) xác định động năng của chất điểm chuyển động và cũng đúng cho vật chuyển động tịnh tiến, vì khi đó mọi điểm của vật đều có cùng vận tốc

Hình 8: Cần cẩu văng quả nặng để phá bức tường