Phân Tích Chương động Lượng, định Luật Bảo Toàn động Lượng

Tải bản đầy đủ (.doc) (32 trang)

1. Trang chủ
>>
2. Thạc sĩ - Cao học
>>
3. Sư phạm

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

Bạn đang xem bản rút gọn của tài liệu. Xem và tải ngay bản đầy đủ của tài liệu tại đây (2.57 MB, 32 trang )

TIỂU LUẬN MÔN NGHIÊN CỨU CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÍ PHỔ THÔNGMỤC LỤCA. MỞ ĐẦU.........................................................................................................................2B. NỘI DUNG.....................................................................................................................31. Giới thiệu chung...........................................................................................................32. Vị trí, nhiệm vụ và muc tiêu về chuẩn kiến thức và kĩ năng.......................................32.1. Vị trí chương các định luật bảo toàn....................................................................32.2. Nhiệm vụ .............................................................................................................42.3.Muc tiêu về chuẩn kiến thức và kĩ năng................................................................4Từ mục tiêu về chuẩn kiến thức và kĩ năng có thể tóm tắt nội dung của chương bởi sơđồ cấu trúc sau.................................................................................................................63. Phân tích về mặt nội dung kiến thức của chương các định luật bảo toàn trong SGK.63.1. Định luật bảo toàn động lượng.............................................................................63.1.1.Khái niệm hệ kín.................................................................................................63.2. Ứng dụng của định luật bảo toàn động lượng: chuyển động bằng phản lực.....113.3. Công và công suất.............................................................................................123.4. Động năng. Định lý biến thiên động năng..........................................................163.5. Khái niệm thế năng.............................................................................................183.7.Va chạm đàn hồi và va chạm không đàn hồi.......................................................263.8. Các định luật Kê-ple...........................................................................................273.9. Vệ tinh nhân tạo. Vận tốc vũ trụ.........................................................................284. Phân tích về mặt thực hiện rèn luyện kỹ năng ..........................................................29C. KẾT LUẬN...................................................................................................................31TÀI LIỆU THAM KHẢO.................................................................................................321TIỂU LUẬN MÔN NGHIÊN CỨU CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÍ PHỔ THÔNGA. MỞ ĐẦUĐổi 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 biếtrõ lực tác dụng lên vật. Phần các định luật bảo toàn cũng góp phần giáo dục kỹthuật tổng hợp thông qua việc nghiên cứu ứng dụng của định luật và các công thứctrong 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.2TIỂU LUẬN MÔN NGHIÊN CỨU CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÍ PHỔ THÔNGB. NỘI DUNG1. Giới thiệu chungCác 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 năng2.1. Vị trí chương các định luật bảo toànCác định luật bảo toàn nằm ở chương IV sau chương tĩnh học vật rắn sàutrước 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 10.3TIỂU LUẬN MÔN NGHIÊN CỨU CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÍ PHỔ THÔNG2.2. 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 lượngvà định luật bảo toàn cơ năng.2.3.Muc tiêu về chuẩn kiến thức và kĩ năngNhìn 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 bàiMụctiêuChủ đềNội dungĐộng lượng, +Nêu được khái niệm và lấy được ví dụ về hệ kín?ĐLBT động +Viết được công thức tính và nêu được đơn vị của độnglượng,lượngchuyển động +Phát biểu và viết được biểu thức của ĐLBT đối với hệbằngphản kín gồm hai vật.lực+Nêu được nguyên tắc CĐ bằng phản lựcCông, công +Phát biểu được định nghĩa và viết được công thức tínhsuấtĐộng năngcông, công suất+Phát biểu được định nghĩa, viết được công thức và nêuđược đơn vị của động năng4TIỂU LUẬN MÔN NGHIÊN CỨU CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÍ PHỔ THÔNGThế+Phát biểu và viết được biểu thức của định lý ĐNnăng +Phát biểu được định nghĩa, viết được công thức và nêutrọng trường được đơn vị của thế năng của một vật trong trọng trườngvà TN đàn +Viết được công thức tính thế năng đàn hồihồiCơ năng và +Phát biểu được định nghĩa, và viết được biểu thức của cơĐLBTnăngVacơ năng+Phát biểu và viết được biểu thức của ĐLBT cơ năngchạm +Có khái niệm chung về va chạm và phân biệt được vađàn hồi và chạm đàn hồi và va chạm mềm (va chạm hoàn toàn khôngkhôngđàn đàn hồi)hồiBa định luật +Có khái niệm đúng về hệ nhật tâm: Mặt Trời là trungKê-pletâm của các hành tinh quay xung quanh.+Phát biểu và viết được hệ thức của ba định luật Kê-ple.Nắm được các hệ quả được suy ra từ các định luật này.+Vận dụng ĐLBT động lượng (xét hệ kín gồm hai vànhiều vật), bảo toàn năng lượng (cơ năng) để giải đượcVềcác bài tập đối với hai vật va chạm mềm, va chạm đànkỹhồi.năng+Vận dụng được các CT A = F .s. cos α và P =At+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 vàphần động năng của hệ bị giảm sau va chạm mềm.5TIỂU LUẬN MÔN NGHIÊN CỨU CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÍ PHỔ THÔNGTừ mục tiêu về chuẩn kiến thức và kĩ năng có thể tóm tắt nội dung củachương bởi sơ đồ cấu trúc sauHình 1: Sơ đồ cấu trúc nội dung chương “Các định luật bảo toàn”3. Phân tích về mặt nội dung kiến thức của chương các định luật bảo toàntrong SGK3.1. Định luật bảo toàn động lượng3.1.1.Khái niệm hệ kín6TIỂU LUẬN MÔN NGHIÊN CỨU CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÍ PHỔ THÔNGHệ 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 lượng3.1.2.1. Khái niệm động lượngĐộng 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 Đêcac 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 mv 2 và được ông gọi là “hoạt lực”7TIỂU LUẬN MÔN NGHIÊN CỨU CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÍ PHỔ THÔNG(lực sống). “Hoạt lực” của Lepnich ngày nay được gọi là động năng, có giá trịbằng1mv2 và là dạng năng lượng đặc trưng cho chuyển động của vật. Niu-tơn coi2động lượng là đại lượng đặc cho chuyển động về phương diện động lực và đorbằng tích m v , 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.rĐộng lượng được kí hiệu là p và được xác định bằngrrp = mvĐộng lượng là đại lượng véc tơ và luôn cùng phương và chiều với vận tốcĐộng lượng có đơn vị là kgm/sVì vận tốc có tính tương đối nên động lượng cũng có tính tương đối.3.1.2.2 Khái niệm xung lượng của lựcKhái niệm xung lượng của lực từ định luật II Niu- tơn như sau:rXét một vật có khối lượng m chịu tác dụng của lực F . Theo định luật IINiu-tơn ta có:rr∆vrF = ma = m. Vì khối lượng của vật là không đổi nên có thể viết∆tr ∆(mvr) ∆prF==. từ biểu thức này ta có thể viết∆t∆trrF .∆t = ∆p(1)F∆t được định nghĩa là xung lượng của lực tác dụng trong khoảng thờigian ∆t .Đơn vị xung lượng của lực là N.s3.1.2.3 Định lý biến thiên động lượng8TIỂU LUẬN MÔN NGHIÊN CỨU CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÍ PHỔ THÔNGĐịnh 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 lênvật trong khoảng thời gian đó.urrrF .∆t = ∆p = ∆ (mv )(2)rr∆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:rur∆vrrr urF .∆t = ∆p = ∆ (mv ) = m∆v ⇒ F = m∆tHay:urrF =ma(3)Biểu thức (3) chính là biểu thức của định luật II Niutơn dạng tường minh.Biểu thức này đã tách riêng khối lượng của vật và cho thấy rằng lực là nguyênnhân gây ra sự biến đổi vận tốc (tức là gây ra gia tốc của vật). Trong trường hợpnày, khối lượng được xem như một thuộc tính của vật chất, là số đo mức quán tínhcủa vật và không thay đổi trong khi vật chuyển động. Tuy nhiên, trong thực tế đốivới một vật chuyển động thì không thể tách rời khối lượng và vận tốc của nó.3.1.2.4. Định luật bảo toàn động lượngur ∆pr ∆ (mvr)ur=Từ F = F ∆t = ∆ p = p 2 − p1 ta nhận thấy rằng nếu F = 0∆t∆turrrrthì ∆p = ∆(mv ) = 0 hay p = const . Như vậy : để F = 0 ta xét hệ là hệ kín, hoặcnhững trường hợp được xem là hệ kín ở trên, thì động lượng được bảo toànVậy: Véc tơ tổng động lượng của hệ kín được bảo toàn.ur uur'p= p(4)Trong đóur uur uurp = p1 + p2 + ... là tổng độnglượng của hệ trước tương tác9TIỂU LUẬN MÔN NGHIÊN CỨU CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÍ PHỔ THÔNGuur uur uurp ' = p1' + p2' + ... 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 làhợp lực của tất cả các lực tác dụng lên hệ bằng 0. Tuy nhiên với một hệ không côlập nhưng nếu hợp lực của tất cả các ngoại lực tác Hình 2: Thí nghiệm kiểmdụng lên hệ có hình chiếu trên một trục cố định nào chứng ĐLBT động lượngđó bằng không tại mọi thời điểm, thì động lượng củahệ 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 luậtcơ 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.m=m0( m0 : khối lượng nghỉ )v21− 2cr÷urm0 v ÷ urr∆ p = ∆ ( mv ) = ∆= F ∆tv2 ÷ 1− 2 ÷c 10ur( giả thuyết F không đổi) (6)TIỂU LUẬN MÔN NGHIÊN CỨU CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÍ PHỔ THÔNGurNếu F = 0 thìurp=rm0v1−v 2 = const.c2Từ biểu thức (2) có thể phát biểu như sau: Độ biến thiên động lượng củavật trong thời gian ∆t bằng xung lượng của lực tác dụng lên vật trong thời gian ∆tđó( 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-tơnĐối 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 phảnlựcKhi trình bày các ứng dụng định luật bảotoàn động lượng, SGK trình bày về chuyểnđộng bằng phản lực và một số bài tập áp dụngĐLBT động lượng. Dưới đây chỉ phân tíchchuyển động bằng phản lực.Trong một hệ kín đứng yên, nếu có mộtHình 3: Tên lửa nhiều tầngphần 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 nhau11TIỂU LUẬN MÔN NGHIÊN CỨU CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÍ PHỔ THÔNGgiữa “Chuyển động bằng phản lực” với chuyển động nhờ phản lực của của mặt đấtvà 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 phảnlực là có một bộ phận đốt nhiên liệu để tạora một luồng khí phóng ra phía sau với vận Hình 5: Tên lửa chuyển động bằngtốc lớn, phần còn lại của động cơ sẽ chuyển phản lựcđộng ngược chiều theo định luật bảo toànđộng lượng, vận tốc của chuyển động phụthuộc 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 diều3.3. Công và công suất3.3.1.Khái niệm côngKhái 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 của12TIỂU LUẬN MÔN NGHIÊN CỨU CHƯƠNG TRÌNH VẬT LÍ PHỔ THÔNGđiểm 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.FαCông là dương nếu α nhọn, là âm nếu α tùvà bằng không nếu α = 900.SHình 6: Lực thực hiện côngNếu A>0 được gọi là công phát động. Nếu A