Phan tich chuong Cac dinh luat bao toan10NC

Đối với van chạm đàn hồi thời gian diễn ra va chạm ngắn nên nội lực xuất hiện trong lúc va chạm lớn hơn rất nhiều so với ngoại lực do đó có thể xem hệ là hệ kín, đồng thời va chạm đàn hồ[r]

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, chủđộng của học sinh là một vấn đề đang được các cấp, các ngành quan tâm Chươngtrình, nội dung sách giáo mới đã được đưa vào sử dụng ở tất cả các khối lớp nhằmmục đích nâng cao chất lượng giáo dục cho phù hợp với sự phát triển kinh tế, xãhội của đất nước và sự phát kiển khoa học kĩ thuật của thế giới Vì thế để đáp ứngmục tiêu chung, người giáo viên phải luôn tự bồi dưỡng về phương pháp và hìnhthức tổ chức dạy học Muốn làm được điều đó, cần phải nghiên cứu kĩ cấu trúcchương trình, nội dung kiến thức trong sách giáo khoa Do đó, việc nghiên cứuchương trình vật lí phổ thông là một việc làm quan trọng, cần thiết đối với mỗigiáo viên

Các định luật bảo toàn là một phần quan trọng trong chương trình vật lí phổthông Nó cung cấp một phương pháp giải các bài toán cơ học rất hữu hiệu, bốsung cho phương pháp động lực học và là phương pháp duy nhất nếu không biết rõlực tác dụng lên vật Phần các định luật bảo toàn cũng góp phần giáo dục kỹ thuậttổng 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 thứcđược trình bày trong sách giáo khoa trên cơ sở chuẩn kiến thức và kĩ năng theochương 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 củamọi lý thuyết vật lý, chúng là cơ sở của những tính toán quan trọng trong vật lýthực nghiệm và trong kỹ thuật Trong cơ học cổ điển, các ĐLBT không những ápdụng được cho cả thế giới vĩ mô mà còn cho phép khám phá ra những định luậtđặc 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 cơhọc rất hữu hiệu, bổ sung cho phương pháp động lực học, đôi khi nó còn cho kếtquả nhanh hơn khi sử dụng phương pháp động lực học để giải Khi áp dụng cácĐLBT, học sinh cũng cần phải nắm vững các định luật Niu-tơn, cách tính côngcủa các lực khác nhau, định lý động năng,…mới đem lại hiệu quả cao trong quátrình giải bài tập, vì vậy, có thể nói rằng bài tập về các ĐLBT hệ thống hoá mộtcách đầy đủ nhất các kiến thức của cơ học

Các ĐLBT có tính tổng quát cao hơn các định luật Niu-tơn vì chúng gắnvới 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, ĐLBTmômen động lượng phản ánh tính chất đẳng hướng của không gian, ĐLBT nănglượng 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 họcchất 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 làchương 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 độnglượng, 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 giảithích 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 độnglượng

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

+Nêu được nguyên tắc CĐ bằng phản lựcCông, công

suất

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

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

được đơn vị của động năng

hồi

+Vận dụng được các CT A  F s cos và P  A t

+Vận dụng ĐLBT cơ năng để giải được bài toán CĐ củamột vật, của hệ có hai vật

+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

Hình 1: Sơ đồ cấu trúc nội dung chương “Các định luật bảo toàn”

Hệ kín là một khái niệm rất quan trọng gắn liền với các ĐLBT Nó là điềukiện 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 khôngchịu tác dụng của lực ma sát nữa)).

Theo SGK thì một hệ được gọi là kín chỉ có những lực của các vật bêntrong hệ tác dụng lẫn nhau( gọi là nội lực) mà không có tác dụng của những lựcbên 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 trongmột khoảng thời gian rất ngắn, chẳng hạn như trong các hiện tượng nổ, hay vachạm)

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 khốilượng 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 cũngđịnh nghĩa động lượng tương tự như vậy, nhưng không hiểu rằng vận tốc là mộtđại lượng véc tơ Vì vậy ông đã mắc sai lầm khi vận dụng khái niệm đó vào lýthuyết va chạm Đê-cac đo chuyển động bằng động lượng và coi ĐLBT độnglượng là định luật bảo toàn chuyển động Năm 1686, một năm trước khi tác phẩmcủa 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 củakhối 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 coiđộng 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 quantrọng trong 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 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 F Theo định luật IINiu-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 vậttrong một khoảng thời gian nào đó bằng xung lượng của tổng các lực tác dụng lên

vật trong khoảng thời gian đó.

F t  p mv

  

(2)( )

p m v

   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 khôngthay đổi nên ta có:

3.1.2.4 Định luật bảo toàn động lượng

là tổng độnglượng của hệ trước tương 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 trongnhững hệ quy chiếu khác nhau

Định luật bảo toàn động lượng cũng đúng với hệ cô lập gồm nhiều chấtđiểm Mặc dù định luật bảo toàn động lượng được xem như một hệ quả của địnhluật Niutơn thứ ba, nhưng thực nghiệm chứng tỏ rằng định luật này không nhữngđúng trong cơ học cổ điển mà còn đúng với hệ vi mô (với hệ này không thể ápdụng 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 kểtheo 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 ĐLBTđộng lượng cho hệ kín vẫn luôn luôn đúng

2 2 0

1

c v

m m

1

m v

v c

Nếu F  0

thì

0 2 2

1

m v p

v c

 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 chạmcủa hai vật, từ đó khái quát hóa cho trường hợp tổng quát rồi đí đến phát biểuthành định luật

Thứ hai, xuất phát từ định luật II Niu-tơn người ta xây dựng định luật bảotoàn động lượng Tuy nhiên định luật bảo toàn động lượng là định luật vật lí độclập 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 độnglượng 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 theonguyên 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 bayphản lực Khi cánh quạt quay, do cấu tạo xoắn của nó mà một luồng không khí bịđẩy về phía sau với vận tốc lớn Theo định luật III Niu-tơn, phản lực do luồngkhông 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 Tênlửa, pháo thăng thiên khi phóng lên là chuyển động bằng phản lực liên tục nhờ cónhiên liệu được đốt cháy và phóng ra liên tục Cánh diều bay lên là nhờ có khôngkhí 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 giữathế kỷ XVIII để nói về khả năng hoạt động của các máy hơi nước, nhưng lúc đóchưa 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 củagóc 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 bằngtích 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 mộtcách nhanh chóng các trường hợp có công thực hiện và tính được công đó, songtích 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 vớiđịnh luật bảo toàn năng lượng Công xuất hiện khi có sự chuyển hoá năng lượng từdạng này sang dạng khác hay truyền từ vật này sang vật khác Công không phải làmột dạng năng lượng mà là một hình thức vĩ mô của sự truyền năng lượng Từ đósuy ra độ lớn của công xác định độ lớn của phần năng lượng được truyền từ vậtnày 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 rakhi dịch chuyển, là độ đo tác dụng của lực theo quãng đường đi Nếu lực cóphương, chiều, giá trị không đổi và điểm đặt của nó di chuyển một đoạn thẳng sthì công của lực là A = FScosα, trong đó α là góc giữa vectơ lực và vectơ dichuyển

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  là lực tác dụng lênvật 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 phụthuộc vào đường dịch chuyển mà chỉ phụ thuộc vào điểm đầu và điểm cuối của

F

S



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 thuậtcòn dùng kilôgam lực.mét (kí hiệu kgl.m), 1 kgl.m = 9,81 J Ngoài ra, Oát giờcũng là đơn vị của công Nó là công của một nhà máy công suất 1W sinh ra trongmột 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 thựchiện đều, tức là độ biến đổi của công nhau trong những khoảng thời gian bằngnhau thì bằng nhau, do đo công suất không đổi và bằng A/t (với A là công sinh ratrong khoảng thời gian t)

Từ biểu thức trên của công suất ta suy ra: Công suất là đại lượng đặc trưngcho tốc độ sinh công nhanh hay chậm của các máy (hay của lực) và được đo bằngcông 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 là

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)

Từ công thức P F v

 

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 Mỗidạng 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 gắnvới một trạng thái (hay điều kiện) của một hay nhiều vật”

Theo “Bách khoa toàn thư Việt Nam”: năng lượng là độ đo định lượngchung 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 nănglượng Cách định nghĩa này cho thấy công và năng lượng gắn bó mật thiết vớinhau 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 tháicủa hệ tương ứng với một giá trị năng lượng xác định của hệ, tức là giá trị củanăng lượng phụ thuộc vào trạng thái của hệ Còn công đặc trưng cho độ biến thiênnăng lượng của hệ trong một quá trình nào đó Ta nói rằng công phụ thuộc vào quátrình 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 dạngnày 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, vậnđộng 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,… Trongphần cơ học này, HS được học về cơ năng (tức là năng lượng cơ học) Dạng nănglượng 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 cóđược do tương tác giữa với các vật khác (Trái đất) hoặc do tương tác giữa cácphần 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 củachất 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 cũngđúng cho vật chuyển động tịnh tiến, vì khi đó mọi điểm của vật đều có cùng vậntốc

Hình 8: Cần cẩu văng quả nặng

để phá bức tường