1. CHƢƠNG IV
CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN
Bài 23. Động lượng.
Định luật bảo toàn động
lượng
Bài 24. Công và công
suất
Bài 25. Động năng
Bài 26. Thế năng
Bài 27. Cơ năng
Khi đi vào hoạt động, nhà máy thủy điện Sơn La
(ảnh trên đây, chụp ngày 27/5/2010) sẽ có công suất
lớn hơn công trình Hòa Bình
Khi một hệ vật chuyển động thì nói chung vị trí, vận tốc, gia tốc…của các vật
trong hệ thay đổi theo thời gian. Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp có thể tìm
được những đại lượng đặc trưng cho trạng thái của hệ không thay đổi theo thời
gian. Đó là những đại lượng bảo toàn. Nếu đại lượng bảo toàn là một vô hướng
thì giá trị của nó không đổi; nếu đại lượng bảo toàn là một vectơ thì phương,
chiều và độ lớn của nó không đổi.
Các định luật bảo toàn cơ bản của cơ học:
2. - Bảo toàn động lượng;
- Bảo toàn cơ năng.
Các định luật này cho phép ta hiểu được sâu sắc nhiều thông tin về chuyển
động của một hệ và vận dụng có hiệu quả trong việc giải nhiều bài toán cơ học.
23 ĐỘNG LƢỢNG. ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN ĐỘNG
LƢỢNG
1. Kiến thức
- Định nghĩa được động lượng, nêu được hệ quả: lực với cường độ đủ mạnh
tác dụng lên một vật trong một khoảng thời gian ngắn có thể làm cho động
lượng của vật biến thiên.
- Từ định luật II Niu-tơn suy ra được định lí biến thiên động lượng.
- Phát biểu được định nghĩa hệ cô lập.
- Phát biểu được định luật bảo toàn động lượng.
2. Kỹ năng
- Vận dụng được định luật bảo toàn động lượng để giải bài toán va chạm mềm.
- Giải thích được nguyên tắc chuyển động bằng phản lực.
3. Thái độ
- Có ý thức vận dụng kiến thức Vật lí để giải thích các hiện tượng trong thực
tế.
- Thích chơi các môn thể thao nhằm phát huy “Một tinh thần minh mẫn trong
một thân thể tráng kiện - A sound mind in a sound body”
3. Chúng ta đều biết trong tƣơng tác giữa hai vật có sự biến đổi vận tốc
của các vật. Vậy hệ thức nào liên hệ giữa vận tốc giữa các vật trƣớc và
sau tƣơng tác với khối lƣợng của chúng không? Và đại lƣợng gì sẽ đặc trƣng
cho sự truyền chuyển động giữa các vật trong tƣơng tác, đại lƣợng này tuân
theo quy luật nào?
I - ĐỘNG LƢỢNG
1. Xung lƣợng của lực
a) Ta hãy xét những
ví dụ sau:
- Cầu thủ đá vô lê đã
đưa bóng vào lưới đối
phương (Video 23.1).
- Hòn bi đang chuyển
động nhanh, chạm vào
thành bàn, đổi hướng
(Video 23.2).
- Hai hòn bi va chạm
vào nhau, đổi hướng Video 23.1. Nếu Real Madrid cần một cú vô lê quyết định
(Video 23.3). để mang lại danh hiệu Champions League thứ 9 trong lịch
sử CLB hoàng gia Tây Ban Nha, người làm được điều đó
Trong những thí dụ chỉ có thể là Zidane. Với cú sút đẳng cấp nâng tỉ số lên 2 -
trên, các vật (quả bóng, 1, Zidane và các đồng đội đã chính thức có được danh hiệu
cao quý thứ 9 tại đấu trường Châu Âu
hòn bi...) đã chịu tác
dụng của ngoại lực
trong một khoảng thời
gian ngắn. Do thời gian
tác dụng rất ngắn nên
ta phải tạo ra những lực
có độ lớn đáng kể làm
đổi hướng chuyển động
của vật. Nói cách
4. khác: Lực có độ lớn
đáng kể tác dụng lên
một vật trong khoảng
thời gian ngắn có thể
gây ra biến đổi đáng kể
trạng thái chuyển động
của vật.
b) Khi một lực
tác dụng lên một vật
trong khoảng thời gian Video 23.2
Δt thì tích được
định nghĩa là xung của
lực trong khoảng
thời gian Δt .
Ở định nghĩa này, ta
giả thiết lực không đổi
trong khoảng thời gian
tác dụng Δt.
Đơn vị xung của lực:
Niu-tơn giây (N.s).
Video 23.3
2. Động lƣợng
a) Tác dụng của xung
của lực có thể giải
thích dựa vào định luật
II Niu-tơn. Giả sử
lực (không đổi) tác
dụng lên một vật có
khối lượng m đang
chuyển động với vận
tốc . Trong khoảng
5. thời gian tác dụng Δt
nhỏ, vận tốc của vật
biến đổi thành nghĩa
là vật đã có gia tốc.
Theo định luật II
Niu-tơn:
(23.1)
Vế phải của hệ thức
này chính là xung của
lực trong khoảng thời
gian Δt; ở vế trái xuất
hiện độ biến thiên của
đại lượng
b) Đại lượng được
gọi là động lượng của
một vật.
Động lượng của một
vật có khối lượng m
đang chuyển động với
vận tốc là đại lượng
xác định bởi công
thức:
(23.2)
6. Động lượng là một
vectơ cùng hướng với
vận tốc của vật (Hình
23.1). Đơn vị động
lượng là kilôgam mét Hình 23.1
trên giây (kí hiệu là
kgm/s).
1. Chứng minh công thức (23.3).
c) Dạng khác của định
luật II Niu-tơn
Hệ thức (20.l) có thể
viết dưới dạng:
(23.3)
Độ biến thiên động
lượng của một vật
trong một khoảng thời
gian nào đó bằng
xung của lực tác dụng
lên vật trong khoảng
thời gian đó.
Phát biểu trên được
gọi là định lí biến thiên
động lượng. Có thể coi
đó là một cách phát
biểu khác của định luật
II Niu-tơn.
Ý nghĩa: Lực tác
dụng đủ mạnh trong
một khoảng thời gian
thì có thể gây ra biến
thiên động lượng của
vật.
II - ĐỊNH LUẬT
7. BẢO TOÀN ĐỘNG
LƢỢNG
1. Hệ cô lập (hệ kín)
Một hệ nhiều vật được
gọi là cô lập khi không có
ngoại lực tác dụng lên hệ
hoặc nếu có thì các ngoại
lực ấy cân bằng
nhau. Trong hệ cô lập
chỉ có các nội lực trực
đối nhau theo định luật
III Niu-tơn.
2. Định luật bảo toàn
động lƣợng của hệ cô lập
Xét một hệ cô lập
gồm hai vật nhỏ có
khối lượng m1 và
m2 tương tác nhau.
Theo định luật III
Niu-tơn:
hay
Áp dụng (23.3), ta
Video 23.4. Minh hoạ
được:
và
. Nghĩa là biến thiên
động lượng của hệ
bằng 0 hay là động
8. lượng của hệ không
đổi.
Từ kết quả nhiều thí
nghiệm, nhiều hiện
tượng khác nhau, ta rút
ra định luật bảo toàn
động lượng.
Động lượng của một
hệ cô lập là một đại
lượng bảo toàn.
Video 23.5. Minh hoạ
+ + … + =
vectơ không đổi (23.6)
Định luật bảo toàn
động lượng có nhiều
ứng dụng thực tế như
để giải các bài toán về
va chạm, giải thích
hiện tượng súng giật
khi bắn
(Video 23.6),... Định
luật này cũng là cơ sở
của nguyên tắc chuyển Video 23.6. Súng giật khi bắn
động bằng phản lực của
các máy bay, tên lửa
(Video 23.7),...
9. Video 23.7. Phóng vệ tinh Vinasat-1
3. Va chạm mềm
Xét một vật khối lượng
m1, chuyển động trên một
mặt phẳng ngang với vân
tốc đến va chạm vào
một vật có khối lượng
m2 đang đứng yên (Video
23.8). Sau va chạm hai vật
nhấp làm một và cùng
chuyển động với vận tốc
. Va chạm của hai vật như Video 23.8. Va chạm mềm trên đệm không khí
vậy gọi là va chạm
mềm.
.
Theo định luật bảo toàn
động lượng ta có :
m1 = (m1 + m2)
10. :
4. Chuyển động bằng
phản lực
Một quả tên lửa có khối
lượng M chứa một khối khí
khối lượng m. Khi phóng
tên lửa khối khí m phụt ra
phía sau với vận tốc thì Video 23.9
tên khối lượng M chuyển
động với vận tốc
(Video 23.9).
:
:
,
theo định luật bảo toàn
động lượng ta có:
m +M =
=-
Video 23.10. Mô hình tên lửa nhiều tầng
.
11. Động lƣợng của một vật là một vectơ cùng hƣớng với vận tốc của vật và
đƣợc xác định bởi công thức .
Lực đủ mạnh tác dụng lên một vật trong một khoảng thời gian thì có thể
gây ra sự biến thiên động lƣợng của vật đó.
Động lƣợng của một hệ cô lập là một đại lƣợng bảo toàn.
Câu 1. Nêu định nghĩa, viết biểu thức động lượng của một vật và nêu
tên đơn vị các ĐLVL có trong đó?
?
Câu 3. Phát biểu định luật bảo toàn động lượng? Biểu thức?
?
23.1. Ghép nội dung ở cột bên trái với nội dung tương ứng ở cột bên phải để được
một câu có nội dung đúng.
1. Vectơ động lượng. a) động lượng của hệ được bảo toàn.
2. Với một hệ cô lập thì. b) cùng hướng với vận tốc.
3. Nếu hình chiếu lên phương z của tổng c) thì hình chiếu lên phương z của tổng
ngoại lực tác dụng lên hệ vật bằng 0. động lượng của hệ bảo toàn.
23.2. Một vật có khối lượng 2 kg rơi tự do xuống đất trong khoảng thời gian 0,5s.
Độ biến thiên động lượng của vật trong khoảng thời gian đó là bao nhiêu?
A. 5,0 kg.m/s. C. 10 kg.m/s.
12. B. 4,9 kg.m/s. D. 0,5 kg.m/s.
Cho g = 9,8 m/s2.
23.3. Trong quá trình nào sau đây, động lượng của ô tô được bảo toàn?
A. Ô tô tăng tốc.
B. Ô tô giảam tốc.
C. Ô tô chuyển động tròn đều.
D. Ô tô chuyển động thẳng đều trên đường có ma sát.
23.4. Tính lực đẩy trung bình của hơi thuốc súng lên đầu đạn ở trong nòng một
súng trường bộ binh, biết rằng đầu đạn có khối lượng 10 g, chuyển động trong
nòng súng nằm ngang trong khoảng 10-3 s, vận tốc đầu bằng 0, vận tốc khi đến
đầu nòng súng v = 865 m/s.
23.5. Một toa xe khối lượng 10 tấn đang chuyển động trên đường ray nằm ngang
với vận tốc không đổi v = 54 km/h. Người ta tác dụng lên toa xe một lực hãm
theo phương ngang. Tính độ lớn trung bình của lực hãm nếu toa xe dừng lại sau
:
a) 1 giờ 40 phút.
b) 10 giây.
23.6. Một vật nhỏ khối lượng m0 đặt trên một toa xe khối lượng m. Toa xe này có
thể chuyển động trên một đường ray nằm ngang không ma sát. Ban đầu hệ đứng
yên. Sau đó cho m0 chuyển động ngang trên toa xe với vận tốc . Xác định
vận tốc chuyển động của toa xe trong hai trường hợp:
a) là vận tốc của m0 đối với mặt đất.
b) là vận tốc của m0 đối với toa xe.
23.7*. Có một bệ khối lượng 10 tấn có thể chuyển động trên đường ray nằm ngang
không ma sát. Trên bệ có gắn một khẩu pháo khối lượng 5 tấn. Giả sử khẩu
pháo chứa một viên đạn khối lượng 100 kg và nhả đạn theo phương ngang với
13. vận tốc đầu nòng 500 m/s (vận tốc đối với khẩu pháo). Xác định vận tốc của bệ
pháo ngay sau khi bắn, trong các trường hợp sau:
1. lúc đầu hệ đứng yên.
2. Trước khi bắn, bệ pháo chuyển động với vận tốc 18 km/s:
a) Theo chiều bắn.
b) Ngược chiều bắn.
23.8. Một xe chở cát khối lượng 38 kg đang chạy trên đường nằm ngang không ma
sát với vận tốc 1 m/s. Một vật nhỏ khối lượng 2 kg bay ngang với vận tốc 7 m/s
(đối với mặt đất) đến chui vào cát và nằm yên trong cát. Xác định vận tốc mới
của xe. Xét hai trường hợp :
a) Vật bay đến ngược chiều xe chạy.
b) Vật bay đến cùng chiều xe chạy.
(VTC News) - Cơ quan quản lý hàng không vũ trụ Mỹ
(NASA) đã phóng thử thành công tên lửa đẩy Ares I-X
vào ngày hôm qua 28/10 theo giờ địa phƣơng từ căn cứ vũ
trụ Kennedy, bang Florida.
14. Tên lửa Ares I-X có chiều dài 99,6 mét được phóng lên từ bệ
phóng tàu không gian Canaveral thuộc căn cứ vũ trụ Kennedy
vào khoảng 22: 30 theo giờ Hà Nội (15:30 GMT )
.
NASA đã mất gần 4 năm với kinh phí 350 triệu USD cho tên lửa này. Hôm 27/10
vừa qua Mỹ đã hủy bỏ vụ phóng tên lửa Ares I-X vì thời tiết xấu.
Tên lửa Ares I-X được phóng lên và bay khoảng 2 phút trước khi rơi xuống Đại
Tây Dương, nhưng các kỹ sư của NASA hy vọng sẽ biết được những thông tin
đáng giá về hoạt động của tên lửa Ares I-X nhờ 700 thiết bị cảm ứng được gắn trên
tên lửa này.
Lê Dũng (Theo Press, BBC)
Con mực bơi nhƣ thế nào?
Hẳn bạn sẽ vô cùng ngạc nhiên khi nghe nói: Với nhiều sinh vật thì phương pháp
hoang đường “tự túm tóc để nâng mình lên trên” lại chính là cách di chuyển thông
thường của chúng ở trong nước. Mực cũng thế.
15. Con mực và nói chung đa số các động vật nhuyễn thể lớp đầu túc đều di chuyển
trong nước theo cách: lấy nước vào lỗ máng qua khe hở bên và cái phễu đặc biệt ở
đằng trước thân, sau đó chúng dùng sức tống tia nước qua cái phễu đó. Như thế,
theo định luật phản tác dụng, chúng nhận được một sức đẩy ngược lại đủ để thân
chúng bơi khá nhanh về phía trước. Ngoài ra con mực còn có thể xoay ống phễu về
một bên hoặc về đằng sau và khi ép mình để đẩy nước ra khỏi phễu thì nó có thể
chuyển động theo bất kỳ hướng nào cũng được.
Chuyển động của con sứa cũng tương tự như thế: nó co các cơ lại để đẩy nước từ
dưới cái thân hình chuông của nó ra và như thế nó bị đẩy về phía ngược lại.
Chuyển động của bọ nước, của các ấu trùng chuồn chuồn và nhiều loài động vật
dưới nước khác cũng theo phương pháp này.
(Theo: Vật lí vui)
