Công thức vật lý 10 chương 4: các định luật bảo toàn

$\overrightarrow{p}=m.\overrightarrow{v}$

Định nghĩa:

- Động lượng của vật khối lượng m đang chuyển động với vận tốc $\overrightarrow{v}$  là đại lượng được xác định bởi công thức $\overrightarrow{p}=m.\overrightarrow{v}$.

- Về mặt toán học, động lượng là tích giữa một vectơ (vận tốc $\overrightarrow{v}$) và một số thực (khối lượng $m$ của vật). Do khối lượng không bao giờ âm, nên động lượng của vật cùng chiều với vận tốc.

- Về độ lớn, động lượng được xác định bởi công thức: $p=m.v$.

Chú thích:

$\overrightarrow{p}$: là động lượng của vật $(kg.m/s)$.

$m$: khối lượng của vật $\left(kg\right)$.

$\overrightarrow{v}$: vận tốc của vật $(m/s)$.

$∆\overrightarrow{p}=\overrightarrow{p_1}-\overrightarrow{p_0}=\overrightarrow{F}.∆t$

Khái niệm:

Độ biến thiên động lượng của vật trong một khoảng thời gian nào đó bằng xung lượng của tổng các lực tác dụng lên vật trong khoảng thời gian đó.

Độ biến thiên động lượng còn là hiệu số giữa động lượng lúc sau so với động lượng lúc đầu.

Chú thích:

$∆\overrightarrow{p}$: độ biến thiên động lượng của vật $(kg.m/s)$.

$\overrightarrow{p_1}$: động lượng lúc sau của vật $(kg.m/s)$.

$\overrightarrow{p_0}$: động lượng lúc đầu của vật $(kg.m/s)$.

$\overrightarrow{F}.∆t$: xung lượng của lực $F$ tác dụng lên vật trong thời gian $\Delta t$ $(N.s)$

$\overrightarrow{F}$: lực tác dụng $\left(N\right)$.

$\Delta t$: độ biến thiên thời gian - thời gian tương tác $\left(s\right)$.

$\overrightarrow{p_1}+\overrightarrow{p_2}=const$ 

$\overrightarrow{p_1}+\overrightarrow{p_2}={\overrightarrow{p_1}}^{\text{'} }+{\overrightarrow{p_2}}^{\text{'}}$

Phát biểu:

Trog một hệ kín, tổng động lượng của hệ là một hằng số. Nói cách khác, tổng động lượng của hệ trước tương tác bằng tổng động lượng của hệ sau tương tác.

Chú thích:

$\overrightarrow{p_1}$: động lượng của vật thứ 1 trước tương tác $(kg.m/s)$

$\overrightarrow{p_2}$: động lượng của vật thứ 2 trước tương tác $(kg.m/s)$

${\overrightarrow{p_1}}^{\text{'}}$: động lượng của vật thứ 1 sau tương tác $(kg.m/s)$

${\overrightarrow{p_2}}^{\text{'}}$: động lượng của vật thứ 2 sau tương tác $(kg.m/s)$

$\overrightarrow{F}=\frac{∆\overrightarrow{p}}{∆t}$

Chú thích:

$F$: lực tác dụng lên vật $\left(N\right)$.

$∆p$: độ biến thiên động lượng $(kg.m/s)$.

$∆t$: độ biến thiên thời gian $\left(s\right)$.

Chứng minh công thức:

$\overrightarrow{F}=\frac{∆\overrightarrow{p}}{∆t}=\frac{\overrightarrow{p_2}-\overrightarrow{p_1}}{∆t}=\frac{m.\overrightarrow{v_2}-m.\overrightarrow{v_1}}{∆t}=\frac{m(\overrightarrow{v_2}-\overrightarrow{v_1})}{∆t}=m.\overrightarrow{a}$

$\overrightarrow{v}=\frac{m_1.\overrightarrow{v_1}+m_2.\overrightarrow{v_2}}{m_1+m_2}$

Khái niệm:

Va chạm mềm là va chạm mà sau va chạm 2 vật nhập làm một ( dính nhau) cùng chuyển động vận tốc.   

Chú thích:

$\overrightarrow{v}$: vận tốc của hệ sau va chạm $(m/s)$.

$m_1;m_2$: khối lượng của hai vật 1 và 2 $\left(kg\right)$.

$\overrightarrow{v_1};\overrightarrow{v_2}$: vận tốc trước va chạm của hai vật 1 và 2$(m/s)$.

${\overrightarrow{V}}_{ten lua}=-\frac{m}{M}.{\overrightarrow{v}}_{nhien lieu}$

Chú thích:

${\overrightarrow{V}}_{ten lua}$: vận tốc của tên lửa $(m/s)$.

${\overrightarrow{v}}_{nhien lieu}$: vận tốc của nhiên liệu phụt ra $(m/s)$.

$m$: khối lượng nhiên liệu phụt ra $\left(kg\right)$.

$M$: khối lượng tên lửa $\left(kg\right)$.

Chứng minh công thức:

Công thức trên được xây dựng dựa trên định luật bảo toàn động lượng. Tổng động lượng của hệ trước tương tác bằng tổng động lượng của hệ sau tương tác. Trước khi phóng tên lửa đứng yên. Nên động lượng của hệ bằng 0.

Áp dụng định luât bảo toàn động lượng.

$$\begin{gathered} Ta có: \Sigma {\overrightarrow{p}}_{trước}=\Sigma {\overrightarrow{p}}_{sau} \\ \iff 0 = \Sigma {\overrightarrow{p}}_{sau} \\ \iff 0 ={\overrightarrow{p}}_{ten lua} + {\overrightarrow{p}}_{nhien lieu} \\ \iff 0 =M.{\overrightarrow{V}}_{ten lua} + m.{\overrightarrow{v}}_{nhien lieu} \\ \iff M.{\overrightarrow{V}}_{ten lua}= - m.{\overrightarrow{v}}_{nhien lieu} \\ \iff {\overrightarrow{V}}_{ten lua} = -\frac{m}{M}.{\overrightarrow{v}}_{nhien lieu} \end{gathered}$$

Các ví dụ khác:

Ngoài tên lửa ra tất cả những dạng chuyển động khác sử dụng bằng phản lực đề có thể dùng công thức này để giải quyết bài toán. Ví dụ như đại bác khai hỏa, đạn nổ v....v....

Súng chống tăng khai hỏa, nhiên liệu phụt về sau đẩy đầu đạn đi tới.

Nhiên liệu phụt về phía sau đẩy tàu vũ trụ đi tới.

$A=F.s.\cos \left(\alpha \right)$

Bản chất toán học:

Về bản chất toán học, công của một lực chính là tích vô hướng giửa hai vectơ $\overrightarrow{F};\overrightarrow{s}$.

Để hiểu rõ bản chất vấn đề, xin nhắc lại bài toán tích vô hướng giữa hai vectơ.

Định nghĩa:

Khi lực $\overrightarrow{F}$  không đổi tác dụng lên một vật và điểm đặt của lực đó chuyển dời một đoạn s theo hướng hợp với hướng của lực góc $\alpha$ thi công thực hiện được bởi lực đó được tính theo công thức $A=F.s.\cos \left(\alpha \right)$

Chú thích:

$A$: công cơ học $\left(J\right)$,

$F$: lực tác dụng $\left(N\right)$.

$s$: quãng đường vật dịch chuyển $\left(m\right)$.

$\alpha$: góc tạo bởi hai vectơ $\overrightarrow{F};\overrightarrow{s}$ $\left(deg\right)$ hoặc $\left(rad\right)$.

Biện luận:

Mối quan hệ giữa góc anpha và công do lực sinh ra.

$\mathcal{P}=F.v$

Chú thích:

$\mathcal{P}$: công suất $\left(W\right).$

$F$: lực tác dụng $\left(N\right)$.

$v$: vận tốc chuyển động của vật $(m/s)$.

$\mathcal{P}=\frac{A}{t}$

Định nghĩa:

Công suất là đại lượng đo bằng công sinh ra trong một đơn vị thời gian.

Chú thích:

$A$: công cơ học $\left(J\right)$.

$t$: thời gian thực hiện công đó $\left(s\right)$.

$\mathcal{P}$: công suất $\left(W\right)$.

$A=∆W_{đ}=W_{đ2}-W_{đ1}=\frac{1}{2}m.v_2^2-\frac{1}{2}m.v_1^2$

Định lý động năng:

Độ biến thiên động năng của vật bằng với công của ngoại lực tác dụng lên vật.

Chú thích:

$A$: công do ngoại lực tác động $\left(J\right)$.

$∆W_{đ}$: độ biến thiên động năng của vật $\left(J\right)$.

$W_{đ2}$: động năng lúc sau của vật $\left(J\right)$.

$W_{đ1}$: động năng lúc đầ của vật $\left(J\right)$.

Công thức độc lập theo thời gian:

Từ định lý động năng này, sau khi biến đổi sẽ cho ra hệ thức độc lập theo thời gian.

Ta có $A=∆W_{đ}=\frac{1}{2}m.v_2^2-\frac{1}{2}m.v_1^2$

$$\begin{gathered} \iff A=\frac{1}{2}m(v_2^2-v_1^2) \\ \iff F.s=\frac{1}{2}m(v_2^2-v_1^2) \\ \iff v^2-v_0^2=2.a.S \end{gathered}$$

Bản chất công thức độc lập theo thời gian được xây dựng từ định lý động năng.

$W_{đ}=\frac{p^2}{2.m}$

Chú thích:

$W_{đ}$: động năng của vật $\left(J\right)$.

$m$: khối lượng của vật $\left(kg\right)$.

$p$: là động lượng của vật $(kg.m/s)$.

$W_{đ}=\frac{1}{2}m.v^2$

Khái niệm:

Động năng là dạng năng lượng mà một vật có được do nó đang chuyển động. 

Chú thích:

$W_{đ}$: động năng của vật $\left(J\right)$.

$m$: khối lượng của vật $\left(kg\right)$.

$v$: tốc độ của vật $(m/s)$

$W_t=m.g.h$

Định nghĩa:

Thế năng trọng trường của một vật là dạng năng lượng tương tác giữa Trái Đất và vật; nó phụ thuộc vào vị trí của vật trong trọng trường.

Chú thích:

$W_t$: thế năng $\left(J\right)$.

$m$: khối lượng của vật $\left(kg\right).$

$h$: độ cao của vật so với mốc thế năng $\left(m\right)$.

$g$: gia tốc trọng trường $(m/s^2)$.

$A_{MN}=W_{tM}-W_{tN}$

Khái niệm:

Khi một vật chuyển động trong trọng trường từ vị trí M đến vị trí N thì công của trọng lực thực hiện có giá trị bằng hiệu thế năng trọng trường tại M và tại N.

Hệ quả:

Trong quá trình chuyển động của một vật trong trọng trường:

- Khi vật giảm độ cao, thế năng của vật giảm thì trọng lực sinh công dương.

- Khi vật tăng độ cao, thế năng của vật tăng thì trọng lực sinh công âm.

Tính chất lực thế:

Về bản chất, trọng lực là lực thế. Công do nó sinh ra không phụ thuộc vào quỹ đạo chuyển động mà chỉ phụ thuộc vào vị trí của điểm đầu và điểm cuối. Trong hình min họa, giả sử hai trái táo có cùng khối lượng. Dù hai trái táo rơi theo quỹ đạo khác nhau, nhưng nếu cùng một độ cao xuống đất thì công do trọng lực sinh ra trên hai quả táo sẽ bằng nhau.

Quỹ đạo màu đỏ và quỹ đạo màu xanh khác nhau, tuy nhiên công do trọng lực tác dụng lên chúng bằng nhau do có cùng hiệu độ cao M và N.

Chú thích:

$A_{MN}$: công do trọng lực thực hiện khi vật di chuyển qua hai điểm MN $\left(J\right).$

$W_{tM}$: thế năng tại M $\left(J\right).$

$W_{tN}$: thế năng tại N $\left(J\right).$

$W_{đh}=\frac{1}{2}k.{(∆l)}^2$

Chú thích:

$k$: độ cứng của lò xo $(N/m)$.

$∆l$: độ biến đạng của lò xo $\left(m\right)$.

$W_{đh}$: thế năng đàn hồi $\left(J\right)$.

$A=W_{đh1}-W_{đh2}$

Khái niệm:

Công do lò xo tác dụng lên vật khi di chuyển qua hai điểm 1 và 2 bằng đúng hiệu thế năng đàn hồi của vật ở hai vị trí 1 và 2.

Chú thích:

$A$: công của lò xo thực hiện $\left(J\right)$.

$W_{đh1}$: thế năng đàn hồi tại điểm thứ 1 $\left(J\right)$.

$W_{đh2}$: thế năng đàn hồi tại điểm thứ 2 $\left(J\right)$.

$W=W_{đ}+W_t=W_{đmax}=W_{tmax}=const$

Định nghĩa:

Khi một vật chuyển động trong trọng trường chỉ chịu tác dụng của trọng lực thì cơ năng của một vật là đại lượng bảo toàn.

Nếu động năng giảm thì thế năng tăng ( động năng chuyển hóa thành thế năng) và ngược lại.

Tại vị trí động năng cực đại thì thế năng cực tiểu và ngược  lại.

Chú thích:

$W$: cơ năng $\left(J\right)$.

$W_{đ};W_{đmax}$: động năng - động năng cực đại $\left(J\right)$.

$W_t;W_{t max}$: thế năng - thế năng cực đại $\left(J\right)$.

$W=W_{đ}+W_{đh}=W_{đ max}=W_{đh max} =const$

Khái niệm:

Khi một vật chỉ chịu tác dụng của lực đàn hồi gây bởi sự biến dạng của một lò xo đàn hồi thì trong quá trình chuyển động của vật, cơ năng được tính bằng tổng động năng và thế năng đàn hồi của vật là đại lượng bảo toàn.

$W=\frac{1}{2}.m.v^2+\frac{1}{2}.k.{(∆l)}^2 =\frac{1}{2}.m.{v^2}_{max}=\frac{1}{2}.k.{(∆l_{max})}^2 =const$

Chú thích:

$W$: cơ năng $\left(J\right)$.

$W_{đ};W_{đmax}$: động năng - động năng cực đại $\left(J\right)$.

$W_{đh};W_{đh max}$: thế năng - thế năng cực đại $\left(J\right)$.

$\left\{\begin{array}{l}v=\sqrt{2gl(\cos \alpha -\cos {\alpha }_o)}\\ v_{max}=\sqrt{2gl(1-\cos {\alpha }_o)}\end{array}\right.$

Chú thích:

$v$: vận tốc của vật $(m/s)$.

$g$: gia tốc trọng trường $(m/s^2)$.

$l$: chiều dài dây treo $\left(m\right)$.

$\alpha$: góc lệc giữa dây treo với phương thẳng đứng $\left(deg\right)$hoặc $\left(rad\right)$.

$T=mg(3\cos \alpha -2\cos {\alpha }_o)$

Chú thích:

$T$: lực căng dây $\left(N\right).$

$m$: khối lượng quả nặng $\left(kg\right)$.

$g$: gia tốc trọng trường $(m/s^2)$.

$\alpha$: góc lệch của dây treo so với phương thẳng đứng $\left(deg\right)$ hoặc $\left(rad\right)$.

${\alpha }_o$: góc lệch cực đại của dây treo so với phương thẳng đứng $\left(deg\right)$ hoặc $\left(rad\right)$.

Lưu ý thêm: Để tránh nhầm lẫn với chu kỳ dao động của phần dao động điều hòa ở chương trình Vật Lý 12. Một số tài liệu sẽ kí hiệu lực căng dây là chữ calligraphic T thay vì T.

$T_{max}=mg(3-2\cos {\alpha }_o) >P$

Chú thích:

$T_{max}$: lực căng dây cực đại $\left(N\right).$

$m$: khối lượng quả nặng $\left(kg\right)$.

$g$: gia tốc trọng trường $(m/s^2)$.

${\alpha }_o$: góc lệch cực đại của dây treo so với phương thẳng đứng $\left(deg\right)$ hoặc $\left(rad\right)$.

Nhận xét: Trong quá trình dao động. Lực căng dây cực đại ở vị trí cân bằng.

Lưu ý thêm: Để tránh nhầm lẫn với chu kỳ dao động của phần dao động điều hòa ở chương trình Vật Lý 12. Một số tài liệu sẽ kí hiệu lực căng dây là chữ calligraphic T thay vì T.

$T_{min}=mg\cos {\alpha }_o <P$

Chú thích:

$T_{max}$: lực căng dây cực đại $\left(N\right).$

$m$: khối lượng quả nặng $\left(kg\right)$.

$g$: gia tốc trọng trường $(m/s^2)$.

${\alpha }_o$: góc lệch cực đại của dây treo so với phương thẳng đứng $\left(deg\right)$ hoặc $\left(rad\right)$.

Nhận xét: Trong quá trình dao động. Lực căng dây cực tiểu ở vị trí biên.

Lưu ý thêm: Để tránh nhầm lẫn với chu kỳ dao động của phần dao động điều hòa ở chương trình Vật Lý 12. Một số tài liệu sẽ kí hiệu lực căng dây là chữ calligraphic T thay vì T.

$\left\{\begin{array}{l}{W}_t=m.g.l(1-\cos \alpha )\\ W_{t max}=m.g.l(1-\cos {\alpha }_o)\end{array}\right.$

Áp dụng tỉ số lượng giác ta có: $h=l(1-\cos \alpha )$.

Từ đây suy ra $h_{max}=l(1-\cos {\alpha }_o)$.

Mà thế năng lại được tính bằng: $W_t=m.g.z$ 

Vậy $\left\{\begin{array}{l}{W}_t=m.g.l(1-\cos \alpha )\\ W_{t max}=m.g.l(1-\cos {\alpha }_o)\end{array}\right.$

Chú thích:

$W_t;W_{t max}$: thế năng, thế năng cực đại $\left(J\right)$.

$m$: khối lượng vật năng $\left(kg\right)$.

$g$: gia tốc trọng trường $(m/s^2)$.

$l$: chiều dài dây treo $\left(m\right)$.

$\alpha$: góc lệc giữa dây treo với phương thẳng đứng $\left(deg\right)$hoặc $\left(rad\right)$.