Phân tích chương trình vật lý phổ thông chương các định luật bảo toàn

Phân tích kiến thức cơ bản chương các định luật bảo toàn SGK vật lý 10. Bao gồm các định nghĩa, các khái niệm, các định lý, các định luật bảo toàn có trong chương. giúp học sinh, sinh viên, và các giáo viên trẻ trong việc tìm hiểu kiến thức chương

MỤC LỤC

Trang

A MỞ ĐẦU 2 B NỘI DUNG4

I Kiến thức cơ bản của chương 4 II Sơ đồ logic kiến thức chương5 III Phân tích nội dung các kiến thức cơ bản 6 1 CÁC KHÁI NIỆM6 1.1 Khái niệm xung lượng của lực 6 1.2 Khái niệm động lượng và định lý biến thiên động lượng6 1.2.1 Khái niệm động lượng 6 1.2.2 Định lý biến thiên động lượng7 1.3 Khái niệm hệ kín 8 1.4 Khái niệm công 8 1.5 Khái niệm công suất 10 1.6 Khái niệm năng lượng11 1.7 Khái niệm động năng và định lý biến thiên động năng 12 1.7.1 Khái niệm động năng12 1.7.2 Định lý biến thiên động năng 13 1.8 Khái niệm thế năng14 1.8.1 Thế năng trọng trường 15 1.8.2 Thế năng đàn hồi16 1.9 Khái niệm cơ năng 18 2 CÁC ĐỊNH LUẬT19 2.1 Định luật bảo toàn động lượng 19

2.2 Định luật bảo toàn cơ năng19 2.2.1 Định luật bảo toàn cơ năng trong trường hợp trọng lực 19 2.2.2 Định luật bảo toàn cơ năng trong trường hợp lực đàn hồi20

3 ỨNG DỤNG VẬT LÝ 21 3.1 Chuyển động bằng phản lực21 3.3 Bài toán va chạm mềm 22 C TÀI LIỆU THAM KHẢO

24

A MỞ ĐẦU

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

Trong đó chương định luật bảo toàn (SGK Vật Lý 10) được xem là “hòn đá thửvàng” của mọi thuyết vật lí Chúng là cơ sở của những tính toán quan trọng trong vật lýthực nghiệm và trong kĩ thuật

Các định luật bảo toàn trong cơ học cổ điển có:

- Định luật bảo toàn động lượng

- Định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng

Nói chung, các bài toán cơ học đều có thể giải được bằng phương pháp động lựchọc Nhưng trong thực tế, có rất nhiều bài toán lại không cần phải tính toán chi tiết ( hoặckhông thể tính toán được vì quá phức tạp) mà chỉ cần xác định trạng thái cuối cùng củachuyển động dựa vào các điều kiện ban đầu.Một số các bài toán khác khi các vật chuyểnđộng có khối lượng biến đổi, nếu áp dụng định luật II Newton F =m a thì hoàn toànkhông thể được Điều đó bắt buộc phải đi tìm một dạng khác diễn tả định luật nói trên

Do vậy, các định luật bảo toàn đã thực sự cung cấp thêm một phương pháp giải cácbài toán cơ học rất hữu hiệu, bổ sung cho phương pháp động lực học Các định luật bảotoàn không phụ thuộc vào quỹ đạo của các hạt và tính chất của các lực tương tác Giải cácbài toán cơ học bằng cả hai phương pháp bao giờ cũng dẫn đến cùng một kết quả, nhưng

khi sử dụng các định luật bảo toàn trong một số bài toán thường nhận được kết quả nhanhhơn.

Xu hướng hiện nay của sách giao khoa là đề cao vai trò của các định luật bảo toàn,đặc biệt là định luật bảo toàn năng lượng Định luật bảo toàn năng lượng không chỉ chiphối trong lĩnh vực cơ học mà là toàn bộ vật lí học và trong nhiều lĩnh vực khác của khoahọc

B NỘI DUNG

I Kiến thức cơ bản của chương :

CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN

ĐLBT cơ năng

Ứng dụng VL

Chuyển động bằng phản lực Bài toán va chạm mềm

II Sơ đồ logic kiến thức chương :

Định nghĩa ( P =mv)

Chuyển động bằng phản lực

CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN

Khái niệm công

Cơ năng

Định nghĩa

W = W đ + W t

Định nghĩa công

Cơ năng của vật

W t = 1

2K(∆ l

Liên hệ giữa biến thiên thế năng và trọng lực

Chuyển động bằng phản lực

III Phân tích nội dung các kiến thức cơ bản :

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 F Theo định luật II Niu-tơn ta

Đơn vị xung lượng của lực là N.s

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

Chuyển động bằng phản lực Chuyển động

bằng phản lực

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 đobằng tích mv, ông đã biết rằng tốc độ biến thiên động lượng giữ một vai trò quan trọngtrong việc xác định các đặc trưng của tương tác

Động lượng được kí hiệu là p và được xác định bằng

p=mv

Động lượng là đại lượng véc tơ và luôn cùng phương và chiều với vận tốc

Động lượng có đơn vị là kgm/s

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

1.2.2 Định lý biến thiên động lượng :

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

khoảng thời gian đó.

   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 đổinên ta có:

đổi vận tốc (tức là gây ra gia tốc của vật) Trong trường hợp này, khối lượng được xemnhư một thuộc tính của vật chất, là số đo mức quán tính của vật và không thay đổi trongkhi vật chuyển động Tuy nhiên, trong thực tế đối với một vật chuyển động thì không thểtách rời khối lượng và vận tốc của nó.

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 cơnăng( để áp dụng ĐLBT cơ năng thì cần có thêm điều kiện là hệ không chịu tác dụng củalực ma sát nữa))

Theo SGK thì một hệ được gọi là kín chỉ có những lực của các vật bên trong hệ tácdụng lẫn nhau( gọi là nội lực) mà không có tác dụng của những lực bên ngoài hệ(gọi làngoại 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” Tuynhiên, trong một số trường hợp sau đây thì ta có thể xem hệ là hệ kín được Các trườnghợp 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 mộtkhoảng thời gian rất ngắn, chẳng hạn như trong các hiện tượng nổ, hay va chạm)

Bản chất vật lí của công chỉ được thể hiện rõ khi gắn khái niệm này với định luậtbảo toàn năng lượng Công xuất hiện khi có sự chuyển hoá năng lượng từ dạng này sangdạng khác hay truyền từ vật này sang vật khác.Khái niệm công và bản chất của nó chỉđươc hiểu trong mối quan hệ với khái niệm năng lượng và định luật bảo toàn nănglượng.Như vậy có nghĩa là phải nghiên cứu khái niệm năng lượng trước và độc lập với

khái niệm công Tuy nhiên, việc xây dựng khái niệm năng lượng một cách tổng quát lạigặp khó khăn vì học sinh chưa có những hiểu biết cần thiết vế các dạng chuyển độngkhác với chuyển động cơ học.

Để giải quyết mâu thuẫn đó, đả có nhiếu ý kiến khác nhau về cách hình thành kháiniệm công trong chương trình vật lý phổ thông

Xeleghinski đề nghị đưa khái niệm năng lượng xem như là số đo của chuyển động

ra trước, độc lập với khái niệm công, sau đó mới nghiên cứu khái niệm công Phương ánnày logic về mặt khoa học nhưng để hiều được năng lượng là số đo chuyển động trongnghiên cứu cơ học thì quả thật là rất khó

Landao và Kitaigơrotski lại cho rằng: khi khảo sát quá trình cơ học ta thấy tổng hai

số hạng mv2

2 + mgh là một đại lượng bảo toàn Đại lượng đó đặc trưng cho mỗi trạng

thái của cơ hệ gọi là năng lượng gồm 2 thành phần: thành phần mv2

2 gọi là động năng,

và đại lượng mgh gọi là thế năng Trong quá trình biến đổi, gia số mv2

2 luôn luôn bằngtích F.s Tích đó gọi là công cơ học Rõ ràng rằng cách này làm rõ được bản chất kháiniệm công, nhưng còn bản chất của khái niệm năng lượng thì chưa rõ Học sinh phải tạmthời thừa nhận một đại lượng năng lượng mà ý nghĩa vật lý của nó mãi về sau này mớilàm sang tỏ

Xôcôlốpski đưa đồng thời một lúc hai khái niệm công và năng lượng khi nghiên cứuphương trình hoạt năng trong quá trình lấy đà hay quá trình hãm Khi tác dụng một lực Flên một vật có khối lượng m để cho vận tốc của vật tăng từ v1 lên v2 thì không những cầnphải một thời gian t mà vật còn phải đi qua một quãng đường s Lập tích F.s ta luôn có

Cách thứ tư được trình bày trong nhiều tài liệu giáo khoa phổ thông Xuất phát từđịnh nghĩa khái niệm công A=F.s mà chưa cần đưa ra bản chất là gì Giai đoạn thứ hainghiên cứu khái niệm năng lượng là một đại lượng đặc trưng cho khả năng thực hiệncông của một vật hay hệ vật, rồi từ định nghĩa đó đưa ra khái niệm động năng và thế năng

là hai dạng đặc biệt của năng lượng trong cơ học Tiếp theo là khảo sát sự biến đổi củađộng năng và thế năng và xác lập định luật bảo toàn và biến hóa cơ năng Sau đó làm rõ

tư tưởng năng lượng là một hàm số đơn giá của trạng thái Giai đoạn thứ ba vạch rõ bảnchất của khái niệm công qua mối liên hệ A=F.s = W2-W1 Từ đó suy ra rằng công là mộtquá trình chuyển hóa năng lượng từ dạng này sang dạng khác hoặc truyền từ vật này sangvật khác và là số đo độ biến thiên năng lượng

Cách làm này tuy không được chặt chẽ về mặt logic nhưng dễ hiểu đối với học sinh

vì nó xuất phát từ thực tiễn cần phải đưa ra hai khái niệm công và năng lượng Ban đầucần thiết phải có sự chấp nhận rồi sau đó mới đi sâu vào bản chất

Theo Bách khoa toàn thư Việt Nam, công là năng lượng cơ học do lực sinh ra khidịch 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

+ A>0 nếu α nhọn, được gọi là công phát

động

+ A<0 nếu α tù, được gọi là công cản

+ A=0 nếu α = 900

Trong đó α là góc giữa vectơ lực và vectơ di

chuyển; F  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

F

S

Hình 1: Lực thực hiện công

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 thuộcvào đường dịch chuyển mà chỉ phụ thuộc vào điểm đầu và điểm cuối của dịch chuyển.Trong hệ đơn vị quốc tế SI là Jun (kí hiệu J), 1 J = 1 N.m

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 độbiến đổi của công nhau trong những khoảng thời gian bằng nhau thì bằng nhau, do đocông 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, cònđiểm đặt của lực di chuyển với vận tốc v hợp với hướng của lực một góc là α thì P =F.v.cosα

Nếu lựcF

có độ lớn không đổi và cùng hướng với vectơ vận tốc thì:

Trong đó: A là công sinh ra trong khoảng thời gian t

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)

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 lượngtương ứng: Cơ năng, nội năng, quang năng,…

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

Theo “Bách khoa toàn thư Việt Nam”: năng lượng là độ đo định lượng chung chomọi 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 củacông trong một quá trình đúng bằng độ lớn của phần năng lượng đã truyền từ vật nàysang 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 hệtương ứng với một giá trị năng lượng xác định của hệ, tức là giá trị của năng lượng phụthuộc vào trạng thái của hệ Còn công đặc trưng cho độ biến thiên năng lượng của hệtrong 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 đãtruyền 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: vậnđộng cơ tương ứng với cơ năng, vận động nhiệt tương ứng với nội năng, vận động điện từtương ứng với năng lượng điện từ,

Có nhiều dạng năng lượng: Cơ năng, nhiệt năng, quang năng,… Trong phần cơ họcnày, HS được học về cơ năng (tức là năng lượng cơ học) Dạng năng lượng này bao gồmđộng năng và thế năng Động năng là một dạng của cơ năng mà vật có được do nóchuyển động, còn thế năng là dạng năng lượng mà vật có được do tương tác giữa với cácvật khác (Trái đất) hoặc do tương tác giữa các phần của vật

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

1.7.1 Khái niệm động năng

Công thức tính động năng

2 d

1 2

W  mv

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

Công thức (2) xác định động năng của chất điểm chuyển động và cũng đúng cho vậtchuyển động tịnh tiến, vì khi đó mọi điểm của vật đều có cùng vận tốc

Động năng là một đại lượng vô hướng và luôn luôn dương Vì vận tốc có tính tươngđối nên động năng cũng có tính tương đối

( Nếu vật vừa tham gia chuyển động tịnh tiến và chuyển động quay quanh một trụcthì ngoài động năng đã được định nghĩa như trên vật có thêm một động năng nữa gọi là

động năng quay của vật được xác định theo công thức

2 d

1 2

W  I

Trong đó: I là

mô men quán tính của vật, là vận tốc góc của vật Lúc đó động năng toàn phần của vật

được xác định theo công thức

Biểu thức của định lý động năng là: