BÀI 23. ĐỘNG LƯỢNG. ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN ĐỘNG LƯỢNG

CHƯƠNG IV

CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN

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:

- 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.

ĐỘNG LƯỢNG. ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN ĐỘNG LƯỢNG

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”

Chúng ta đều biết trong tương 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 trước và sau tương tác với khối lượng của chúng không? Và đại lượng gì sẽ đặc trưng cho sự truyền chuyển động giữa các vật trong tương tác, đại lượng này tuân theo quy luật nào?

I - ĐỘNG LƯỢNG

1. Xung lượng 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 23.3).

Trong những thí dụ trên, các vật (quả bóng, 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 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 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 23.1. Nếu Real Madrid cần một cú vô lê quyết định để mang lại danh hiệu Champions League thứ 9 trong lịch sử CLB hoàng gia Tây Ban Nha, người làm được điều đó chỉ có thể là Zidane. Với cú sút đẳng cấp nâng tỉ số lên 2 - 1, Zidane và các đồng đội đã chính thức có được danh hiệu cao quý thứ 9 tại đấu trường Châu Âu

Video 23.2

Video 23.3

2. Động lượng

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 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)

Động lượng là một vectơ cùng hướng với vận tốc của vật (Hình 23.1). Đơn vị động lượng là kilôgam mét trên giây (kí hiệu là kgm/s).

Hình 23.1

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.

1. Chứng minh công thức (23.3).

II - ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN ĐỘNG LƯỢNG

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 lượng 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 được:

và

. Nghĩa là biến thiên động lượng của hệ bằng 0 hay là động 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.

+ + … + = 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 động bằng phản lực của các máy bay, tên lửa (Video 23.7),...

Video 23.4. Minh hoạ

Video 23.5. Minh hoạ

Video 23.6. Súng giật khi bắn

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 vậy gọi là va chạm mềm. Vì không có ma sát nên các ngoại lực tác dụng gồm có các trọng lực & các phản lực pháp tuyến chúng cân bằng nhau: Hệ là một hệ cô lập.

Theo định luật bảo toàn động lượng ta có :

m₁= (m₁ + m₂)

Các vectơ vận tốc cùng hướng:

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 tên khối lượng M chuyển động với vận tốc (Video 23.9).

Lúc đầu động lượng của tên lửa bằng không:

Khí phụt ra, động lượng của hệ:

Coi tên lửa là hệ cô lập, theo định luật bảo toàn động lượng ta có:

m + M =

Þ = -

Ta thấy ngược hướng với nghĩa là tên lửa bay về phía trước, ngược với hướng khí phụt ra.

Video 23.8. Va chạm mềm trên đệm không khí

Video 23.9

Video 23.10. Mô hình tên lửa nhiều tầng

Động lượng của một vật là một vectơ cùng hướng với vận tốc của vật và được 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 lượng của vật đó.

Động lượng của một hệ cô lập là một đại lượng 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 2. Khi nào động lượng của một vật biến thiên?

Câu 3. Phát biểu định luật bảo toàn động lượng? Biểu thức?

Câu 4. Em hãy kể các chuyển động bằng phản lực mà em biết?

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 ngoại lực tác dụng lên hệ vật bằng 0.	c) thì hình chiếu lên phương z của tổng 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.

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 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 phương từ căn cứ vũ trụ Kennedy, bang Florida.

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 )

Mục đích của lần phóng này là thử nghiệm công nghệ phát triển thiết bị phóng có người lái trong tương lai để có thể thay thế đội tàu con thoi sắp "về hưu" và phục vụ tham vọng đưa người lên mặt trăng của Mỹ.

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 như 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.

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)