Lời giới thiệu
Trong thời đại hiện nay, sự nghiệp giáo dục cần đào tạo những người lao động có phẩm chất, tri thức và kỹ năng sáng tạo, thích ứng nhanh với tiến bộ khoa học kỹ thuật Học sinh phổ thông tiếp nhận nhiều thông tin đa dạng và phong phú, cần được lĩnh hội tri thức một cách độc lập và phát triển toàn diện các kỹ năng Để đạt được mục tiêu giáo dục trong giai đoạn mới, phương pháp dạy học cần lấy học sinh làm trung tâm và chú trọng rèn luyện, phát triển năng lực sáng tạo cho học sinh, đặc biệt trong môn Vật lý.
Giải bài tập Vật lý không chỉ giúp học sinh hiểu sâu hơn về các hiện tượng tự nhiên mà còn rèn luyện kỹ năng phân tích, tổng hợp và phán đoán Qua đó, học sinh được trang bị khả năng giải quyết các vấn đề trong cuộc sống sau này.
Định luật bảo toàn trong chương IV vật lý 10 là một phần thiết yếu của chương trình Vật lí THPT, mở ra hướng đi mới trong việc giải quyết bài tập vật lý Cùng với các định luật NiuTơn, định luật bảo toàn năng lượng, động lượng và cơ năng là chìa khóa để giải quyết bài tập cơ học và vật lý Kiến thức này còn liên quan mật thiết đến đời sống và khoa học kỹ thuật Nghiên cứu và xây dựng hệ thống bài tập cùng phương pháp giải cho các dạng bài tập trong chương là cần thiết, giúp học sinh nắm vững lý thuyết, rèn luyện kỹ năng, phát triển tư duy sáng tạo và khả năng giải quyết tình huống thực tiễn.
Trong quá trình giảng dạy các định luật bảo toàn, tôi nhận thấy rằng học sinh thường chỉ nhớ và áp dụng công thức một cách máy móc mà chưa hiểu rõ bản chất của vấn đề Điều này đặc biệt rõ ràng khi các em làm bài tập liên quan đến định luật bảo toàn động lượng, khi mà các em thường tỏ ra lúng túng và gặp khó khăn trong việc áp dụng.
Với lý do này, tôi đã quyết định chọn đề tài: “Ứng dụng các định luật bảo toàn trong việc giải quyết các bài tập Vật lý lớp 10.”
Bài viết này nhằm giải quyết những khúc mắc của học sinh trong việc học vật lý, cung cấp phương pháp giải ngắn gọn cho các bài tập cụ thể mà vẫn giữ nguyên bản chất của môn học Việc áp dụng các định luật bảo toàn trong cơ học sẽ giúp học sinh phát triển kỹ năng giải bài tập và khả năng ứng dụng linh hoạt kiến thức toán học vào vật lý Đồng thời, điều này còn nâng cao tinh thần tự học và sáng tạo của các em.
Tên sáng kiến
- Họ và tên: Trần Thị Thảo.
- Địa chỉ: Trường THPT Ngô Gia Tự
- Số điện thoại: 0382696080 Email: thaolyngt86@gmail.com
Chủ đầu tư
- Là tác giả sáng kiến.
Lĩnh vực áp dụng
6 Ngày sáng kiến được áp dụng lần đầu hoặc áp dụng thử: 27/2/2017
7 Mô tả bản chất của sáng kiến
PHẦN 1 NỘI DUNG CHƯƠNG I: CƠ SỞ LÝ LUẬN
I ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN ĐỘNG LƯỢNG
– Hệ kín là hệ vật chỉ tương tác với nhau chứ không tương tác với các vật bên ngoài hệ (chỉ có nội lực chứ không có ngoại lực).
– Các trường hợp thường gặp:
+ Hệ không có ngoại lực tác dụng.
+ Hệ có ngoại lực tác dụng nhưng cân bằng nhau.
+ Hệ có ngoại lực tác dụng nhưng rất nhỏ so với nội lực (đạn nổ )
+ Hệ kín theo một phương nào đó
- Động lượng urp là đại lượng đo bằng tích giữa khối lượng m và vận tốc của vật: p m v ur r
(động lượng urp là đại lượng vectơ, luôn cùng chiều với vectơ vận tốc v r.
- Động lượng urp của hệ bằng tổng động lượng uurp 1 , p 2 uur của các vật trong hệ:
- Đơn vị của động lượng là kg.m/s
- Xung lực (xung lượng của lực trong thời gian ∆ t ) bằng độ biến thiên động lượng của vật trong thời gian đó: urF t∆ = ∆urp v r m1 m2 m3 p r 1 p r 2 p r 3 vr ur
- Đơn vị của xung lực là N.s.
4 Định luật bảo toàn động lượng
- Định luật: vectơ tổng động lượng của một hệ kín được bảo toàn Σurp
1 2 1 2 1 1 2 2 1 1 2 2 p + p =uur uurp + p ⇒m v +m v =m vuur+m vuur uur uur ur uur
Lưu ý rằng trong trường hợp hệ không kín, nếu các ngoại lực có thành phần theo phương Oy, thì hình chiếu của tổng ngoại lực xuống phương Ox sẽ bằng không Điều này dẫn đến việc hình chiếu của tổng động lượng trên phương Ox được bảo toàn, tức là p 1 x + p 2 x = hằng số.
5 Chuyển động bằng phản lực
Chuyển động bằng phản lực là hiện tượng xảy ra khi một phần của vật tách ra và di chuyển theo một hướng, trong khi phần còn lại di chuyển ngược lại Ví dụ điển hình của chuyển động này là súng giật khi bắn và tên lửa phóng lên.
- Công thức về tên lửa:
+ Lực đẩy của động cơ tên lửa: F ur = − m u r + Gia tốc của tên lửa: a m u
+ Vận tốc tức thời của tên lửa: v = u.ln
M0 là khối lượng ban đầu của tên lửa, trong khi M là khối lượng tên lửa tại thời điểm t Khối lượng khí phụt ra trong thời gian t được ký hiệu là m, với u là vận tốc phụt của khí so với tên lửa và v là vận tốc tức thời của tên lửa.
6 Tóm tắt các công thức và một số lưu ý khi giải bài tập
Động lượng là một đại lượng vectơ, do đó tổng động lượng của một hệ được xác định bằng cách cộng các vectơ theo quy tắc hình bình hành Cần lưu ý đến những trường hợp đặc biệt trong quá trình tính toán.
+uurp 1 , p 2 uur cùng chiều: p = p1 + p2. + uurp 1 , p 2 uur ngược chiều: p = |p1 – p2|.
- Khi áp dụng định luật bảo toàn động lượng cần:
+ Kiểm tra điều kiện áp dụng định luật (hệ kín), chú ý các trường hợp hệ kín thường gặp trên.
+ Xác định tổng động lượng của hệ trước và sau tương tác.
+ Áp dụng định luật bảo toàn động lượng cho hệ: Chú ý các trường hợp đặc biệt (cùng chiều, ngược chiều, vuông góc, bằng nhau ).
- Với hệ kín 2 vật ban đầu đứng yên thì: uur uur rp 1 + p 2 = ⇒0 m v M V.r+ ur r=0
Vậy sau tương tác 2 vật chuyển động ngược chiều nhau.
Khi ngoại lực tác động vào hệ trong khoảng thời gian ngắn hoặc khi khối lượng của vật thay đổi, việc xác định nội lực tương tác có thể gặp khó khăn Trong những trường hợp này, chúng ta nên áp dụng mối liên hệ giữa xung lực và sự biến thiên động lượng để giải quyết bài toán một cách hiệu quả.
- Với chuyển động của tên lửa cần chú ý hai trường hợp sau:
Khi nhiên liệu cháy phụt ra hoặc các phần của tên lửa tách rời, định luật bảo toàn động lượng được áp dụng với công thức: \(m v_{0} = m_{1} v_{1} + m_{2} v_{2}\), trong đó \(m\) là tổng khối lượng của tên lửa trước khi nhiên liệu cháy, \(v_{0}\) là vận tốc lúc đó, \(m_{1}\) và \(v_{1}\) lần lượt là khối lượng và vận tốc của nhiên liệu phụt ra, còn \(m_{2}\) và \(v_{2}\) là khối lượng và vận tốc của tên lửa sau khi nhiên liệu cháy.
+ Lượng nhiên liệu cháy và phụt ra liên tục: Áp dụng các công thức về tên lửa: ur F = − m u r, a m u
M0 là khối lượng ban đầu của tên lửa, trong khi M là khối lượng của tên lửa tại thời điểm t Khí phụt ra trong thời gian t được ký hiệu là m, với u là vận tốc phụt của khí so với tên lửa và v là vận tốc tức thời của tên lửa.
II ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN CƠ NĂNG
- Năng lượng là đại lượng đặc trưng cho khả năng thực hiện công của một vật hoặc một hệ vật.
- Năng lượng của một vật (hoặc hệ vật) ở một trạng thái xác định có giá trị bằng công lớn nhất mà vật (hoặc hệ vật) thực hiện được.
Năng lượng được hiểu là trạng thái của vật, trong khi công là quá trình chuyển đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác của vật.
- Đơn vị: Trong hệ SI, đơn vị của năng lượng là J, ngoài ra năng lượng cũng có các đơn vị khác là Wh hoặc kWh.
2 Động năng a) Định nghĩa: động năng là dạng năng lượng của một vật có được do nó đang chuyển động:
* Đơn vị của động năng: Jun t s p = pr r Δ Δ
Định lý động năng khẳng định rằng độ biến thiên động năng của một vật trong một quá trình được xác định bằng tổng công mà các ngoại lực thực hiện lên vật trong suốt quá trình đó.
∆ = − =∑ c) Động năng có tính tương đối, phụ thuộc hệ quy chiếu Thông thường được hiểu là động năng được xét trong hệ quy chiếu gắn với Trái đất
Thế năng được định nghĩa là năng lượng mà một hệ thống có được nhờ vào sự tương tác giữa các phần của nó thông qua lực thế Đơn vị đo lường của thế năng là Jun.
Thế năng trọng trường, hay còn gọi là thế năng hấp dẫn, là dạng năng lượng tương tác giữa Trái đất và một vật thể Nó phụ thuộc vào vị trí cụ thể của vật trong trọng trường, thể hiện khả năng sinh công của vật khi di chuyển trong không gian trọng lực.
Biểu thức thế năng trọng trường tại một vị trí có độ cao h: Wt = mgh
(g là gia tốc trọng trường, h là độ cao của vật).
+ Thế năng đàn hồi: là dạng năng lượng của một vật chịu tác dụng của lực đàn hồi
Biểu thức thế năng đàn hồi của lò xo: Wt = kx 2
(x là độ biến dạng của vật đàn hồi).
- Tổng động năng và thế năng của vât gọi là cơ năng của vật: W = Wđ + Wt
5 Tóm tắt các công thức và một số lưu ý khi giải bài tập Động năng:
Trong đó v là vận tốc của vật trong hệ quy chiếu đang khảo sát. Định lí động năng:
Trong đó ∑ A là tổng công của các ngoại lực tác dụng lên vật.
Thế năng trọng trường: Wt = mgh
Wt > 0 khi vật ở vị trí cao hơn gốc thế năng (mặt phẳng thế năng).
Wt < 0 khi vật ở vị trí thấp hơn gốc thế năng (mặt phẳng thế năng).
Thế năng đàn hồi: Wt = kx 2 (x là độ biến dạng tính từ vị trí lò xo có chiều dài tự nhiên).
Thế năng toàn phần: ( )W t tp = ∑ W t = kx 2 (x là độ lệch khỏi vị trí cân bằng)
Với các lực thế (trọng lực, đàn hồi) thì: Alucthe = Wt1 – Wt2 = - Wt
Khi tính toán động năng và thế năng của một vật, cần lưu ý rằng giá trị của chúng phụ thuộc vào hệ quy chiếu được chọn Do đó, việc xác định hệ quy chiếu cho động năng và mốc tính cho thế năng là rất quan trọng để có được kết quả chính xác.
Khi áp dụng định lý động năng để tính công hoặc giải quyết các bài toán cơ học, việc xác định đầy đủ công của các ngoại lực tác động lên vật là rất quan trọng Cần lưu ý rằng tổng công của các ngoại lực phải được tính theo tổng đại số, vì các công thành phần có thể có giá trị dương hoặc âm.
CHƯƠNG II: VẬN DỤNG CƠ SỞ LÝ THUYẾT ĐỂ GIẢI QUYẾT CÁC BÀI TẬP Chủ đề 1 ĐỘNG LƯỢNG –ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN ĐỘNG LƯỢNG
Dạng1: Xác định động lượng của vật, hệ vật
+ Động lượng của vật: urp m v= r
+ Động lượng của hệ: ur uur uurp= +p 1 p 2 +
Để tìm tổng động lượng của hệ hai vật m1 = 1kg và m2 = 2kg với vận tốc v1 = v2 = 2m/s, ta cần xem xét ba trường hợp khác nhau a) Khi hai vật chuyển động ngược nhau, tổng động lượng sẽ có độ lớn và hướng xác định theo công thức động lượng b) Trong trường hợp hai vật chuyển động vuông góc nhau, tổng động lượng sẽ được tính bằng cách sử dụng định lý Pythagore để xác định độ lớn và hướng c) Khi hai vật hợp với nhau một góc 60 độ, tổng động lượng sẽ được tính dựa trên công thức tổng hợp động lượng với góc cho trước, cho ra kết quả về độ lớn và hướng của tổng động lượng.
Giải: Chọn hệ khảo sát: Hai vật.
– Tổng động lượng của hệ: ur uur uurp p= + 1 p 2 với: + uurp 1 cùng hướng với vur 1
+ uurp 2 cùng hướng với vur 2
⇒ p1 < p2 a) Hai vật chuyển động theo hướng ngược nhau p 2 r pr1 pr β α β p r 2 p r 1 p r α pr2 pr3 A C
Vì ngược hướng với nên ngược hướng với và p1 < p2 nên: p = p2 – p1 = 4 – 2 = 2 kg.m/s và urp cùng hướnguurp 2
. b) Hai vật chuyển động theo hướng vuông góc nhau
Vì vur 1 vuông góc với vur 2 nên uurp 1 vuông góc với uurp 2 ta có: p = p 1 2 + p 2 2 = 4,5 kg.m/s và
Vật có độ lớn p = 4,5 kg.m/s và hợp với các vectơ vận tốc vur 2 và vur 1 các góc lần lượt là 26°33’ và 27°27’ Khi hai vật chuyển động theo hướng hợp với nhau một góc 60°, áp dụng định lý cosin, ta có công thức p = p1^2 + p2^2 + 2 * p1 * p2 * cos60°.
Vậy: urp có độ lớn p = 5,3 kg.m/s và hợp với vur 2 và vur 1 các góc 19 0 và 41 0
Bài 2 Một vật khối lượng m = 1kg chuyển động tròn đều với vận tốc v = 10m/s.
Tính độ biến thiên động lượng của vật sau a) 1/4 chu kì. b) 1/2 chu kì. c) cả chu kì
+ Ban đầu vật ở A và có động lượng uurp 0
+ Sau 1/4 chu kì vật đến B và có động lượng uurp 1 vuông góc vớiuurp 0
+ Sau 1/2 chu kì vật đến C và có động lượng uurp 2 ngược hương với uurp 0
. + Sau cả chu kì vật đến D và có động lượng uurp 3 cùng hướng với uurp 0
Vì vật chuyển động tròn đều nên: p3 = p2 = p1 = p0 = 10 kg.m/s a) Sau 1/4 chu kì
Ta có: ∆ = −uur uur uur uurp p 1 p 0 = + −p 1 ( uurp 0 )
Vì uurp 1 vuông góc vớiuurp 0
Ta có: ∆ =uur uur uur uurp p 2 − p 0 = p 2 + −( uurp 0 )
Vì uurp 2 ↑↓uurp 0 nên: ∆ = p 2 p 0 = 20( kgm s / ) c) Sau cả chu kì
Ta có: ∆ =uur uur uur uurp p 3 − p 0 = p 3 + −( uurp 0 ) 0=r
Dạng 2: Mối quan hệ giữa xung lượng và độ biến thiên động lượng