Luận văn tốt nghiệp xây dựng một số bài tập song ngữ chương các định luật bảo toàn trong cơ học

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM HÀ NỘI 2
KHOA VẬT LÝ

======

ĐOÀN THỊ DUNG

XÂY DỰNG MỘT SỐ BÀI TẬP SONG NGỮ
CHƯƠNG CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN
TRONG CƠ HỌC
Chuyên ngành: Vật lý đại cương

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC

Người hướng dẫn khoa học

GV.ThS HOÀNG VĂN QUYẾT

HÀ NỘI, 2017


LỜI CẢM ƠN
Trước tiên, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc nhất đến thầy giáo –
ThS. Hoàng Văn Quyết người đã tận tình hướng dẫn và giúp đỡ em để em có
thể hồn thành khóa luận này.
Em xin bày tỏ lời cảm ơn chân thành đến những thầy cô đã giảng dạy
em trong bốn năm qua, đặc biệt là các thầy cô trong khoa Vật lý trường Đại
học sư phạm Hà Nội 2, đã giảng dạy và trang bị cho em những kiến thức cơ
bản trong học tập, nghiên cứu khóa luận cũng như trong cơng việc sau này.
Trong q trình nghiên cứu vì thời gian có hạn và bước đầu làm quen
với phương pháp nghiên cứu khoa học nên đề tài khơng tránh khỏi những

thiếu sót. Vì vậy, em rất mong nhận được sự đóng góp của các quý thầy cô và
các bạn để đề tài này được hoàn thiện hơn.
Em xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, tháng 4 năm 2017
Sinh viên

Đoàn Thị Dung


LỜI CAM ĐOAN
Tơi hồn thành khóa luận này dưới sự hướng dẫn của của ThS. Hoàng
Văn Quyết và sự lỗ lực của bản thân. Tôi xin cam đoan đây là cơng trình
nghiên cứu của chúng tơi và khơng trùng với kết quả nghiên cứu của tác giả
nào đã công bố trước đây. Mọi sự giúp đỡ cho việc thực hiện khóa luận này
đã được cảm ơn và các thơng tin trích dẫn trong khóa luận này đã được ghi rõ
nguồn gốc.
Hà Nội, tháng 4 năm 2017
Sinh viên

Đoàn Thị Dung


MỤC LỤC
MỞ ĐẦU ........................................................................................................... 1
1. Lý do chọn đề tài ........................................................................................... 1
2. Mục đích nghiên cứu đề tài ........................................................................... 2
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu................................................................. 2
4. Nhiệm vụ nghiên cứu .................................................................................... 2
5. Phương pháp nghiên cứu............................................................................... 2
6. Cấu trúc khóa luận ........................................................................................ 2

CHƯƠNG I. CƠ SỞ LÝ THUYẾT .................................................................. 3
1. Động lượng. Định luật bảo toàn động lượng ................................................ 3
1.1. Khái niệm động lượng................................................................................ 3
1.2. Định lý biến thiên động lượng của chất điểm ............................................ 3
1.3. Định luật bảo tồn động lượng của hệ cơ lập ............................................ 5
1.3.1. Thiết lập................................................................................................... 5
1.3.2. Bảo toàn động lượng theo phương .......................................................... 5
2. Công và công suất ......................................................................................... 5
2.1. Công ........................................................................................................... 5
2.2. Công suất .................................................................................................... 8
3. Động năng ..................................................................................................... 8
4. Thế năng ...................................................................................................... 10
4.1. Định nghĩa ................................................................................................ 10
4.2. Tính chất................................................................................................... 10
5. Định luật bảo toàn và biến thiên cơ năng.................................................... 10
6. Định luật bảo toàn và biến thiên momen động lượng ................................. 11
6.1. Định lý về momen động lượng của chất điểm ......................................... 11
6.2. Momen động lượng của một hệ chất điểm............................................... 12
6.2.1. Định nghĩa ............................................................................................ 12


6.2.2. Định lý về momen động lượng của một hệ chất điểm .......................... 13
6.3. Định luật bảo toàn momen động lượng.................................................... 15
6.3.1. Thiết lập................................................................................................. 15
6.3.2. Trường hợp hệ quay xung quanh một trục cố định ............................... 15
Kết luận chương 1 ........................................................................................... 17
CHƯƠNG 2. PHÂN DẠNG BÀI TẬP PHẦN CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO
TOÀN TRONG CƠ HỌC ............................................................................... 18
1. Từ vựng - vocabulary .................................................................................. 18
2. Phân dạng bài tập bằng song ngữ................................................................ 18

2.1. Bài tập về định luật bảo toàn và biến thiên động lượng .......................... 19
2.1.1. Bài tập mẫu............................................................................................ 19
2.1.2. Bài tập áp dụng...................................................................................... 25
2.2. Công và công suất .................................................................................... 26
2.2.1. Bài tập mẫu............................................................................................ 26
2.2.2. Bài tập áp dụng...................................................................................... 29
2.3. Bài tập về động năng – định lý biến thiên động năng.............................. 32
2.3.1. Bài tập mẫu............................................................................................ 32
2.3.2. Bài tập áp dụng...................................................................................... 34
2.4. Bài tập về định luật bảo toàn cơ năng ...................................................... 37
2.4.1. Bài tập mẫu............................................................................................ 37
2.4.2. Bài tập áp dụng...................................................................................... 40
2.5. Bài tập về định luật bảo toàn và biến thiên momen động lượng ............. 41
2.5.1. Bài tập mẫu............................................................................................ 41
2.5.2. Bài tập áp dụng...................................................................................... 46
Kết luận chương 2 ........................................................................................... 49
KẾT LUẬN ..................................................................................................... 50
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................... 51


MỞ ĐẦU
1. Lý do chọn đề tài
Thế giới đang xảy ra sự bùng nổ tri thức khoa học – công nghệ. Cứ mỗi
giây, mỗi phút trơi qua có hàng nghìn ý tưởng được nảy sinh, hàng trăm phát
minh được ra đời và biết bao sự thay đổi của khoa học – cơng nghệ đang diễn
ra. Để có thể vươn lên cùng với sự thay đổi của khoa học – công nghệ đó,
chúng ta khơng những phải học hỏi kinh nghiệm của các nước tiên tiến mà
còn phải biết vận dụng những kinh nghiệm đó một cách sáng tạo, tìm ra con
đường phát triển riêng của đất nước. Trong chiến lược xây dựng và phát triển,
Nhà nước ta luôn xem nhân tố con người có tầm quan trọng đặc biệt quyết

định sự thành cơng. Để làm được điều đó, chúng ta cần tạo ra bước tiến mới
trong sự nghiệp phát triển giáo dục – đào tạo, không ngừng đổi mới tổ chức,
nội dung nâng cao chất lượng giáo dục sao cho phù hợp nhất nhằm bồi dưỡng
và phát triển nguồn nhân lực đáp ứng yêu cầu của xã hội.
Cùng với sự hội nhập của các nước trên thế giới, sự tiến bộ khơng ngừng
của khoa học – cơng nghệ, đã địi hỏi Đảng và Nhà nước ta phải đổi mới giáo
dục cả về nội dung, phương pháp và hình thức tổ chức giáo dục. Cụ thể trong
việc Bộ giáo dục xuất bản và đưa sách song ngữ vào giảng dạy thay thế cho
sách sử dụng tiếng mẹ đẻ trước đây. Sở giáo dục cho biết sẽ thí điểm đưa sách
này vào các trường phổ thông theo chủ trương nâng cao năng lực tiếng anh
cho học sinh và dự kiến đến năm 2020, sách song ngữ sẽ được đưa vào dạy
đại trà.
Trên thực tế giảng dạy ở trường phổ thông, ta thấy rằng việc lồng ghép
tiếng Anh vào các mơn khác nói chung và Vật lý nói riêng là điều cần thiết và
càng trở nên cấp bách hơn bao giờ hết. Không những bổ sung kiến thức
chun mơn mà cịn nâng cao khả năng ngoại ngữ, hướng đến đọc được sách

1


và tài liệu nước ngoài.
Xuất phát từ những nhu cầu thực tế đó của xã hội, tơi sử dụng đề tài
nghiên cứu khoa học theo xu hướng: “Xây dựng một số bài tập song ngữ
chương Các định luật bảo toàn trong cơ học” với mong muốn nghiên cứu
nâng cao chất lượng dạy học vật lý và củng cố kiến thức tiếng Anh chuyên
ngành giúp các em tránh khỏi những bỡ ngỡ trong hình thức dạy học mới.
2. Mục đích nghiên cứu đề tài
Phân dạng bài tập phần các định luật bảo toàn trong cơ học bằng song
ngữ
3. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu

- Đối tượng: Các kiến thức phần định luật bảo toàn và tiếng Anh cho
chuyên ngành Vật lý
- Phạm vi: Xét trong Vật lý cổ điển
4. Nhiệm vụ nghiên cứu
- Xây dựng hệ thống từ vựng phần các định luật bảo tồn trong cơ học.
- Trình bày logic khoa học lý thuyết phần các định luật bảo tồn.
- Phân dạng các bài tốn bằng song ngữ.
5. Phương pháp nghiên cứu
Đọc, tra cứu và tổng hợp tài liệu
6. Cấu trúc khóa luận
Phần 1. Mở đầu
Phần 2. Nội dung
Phần 3: Kết luận

2


CHƯƠNG I. CƠ SỞ LÝ THUYẾT
1. Động lượng. Định luật bảo toàn động lượng
1.1. Khái niệm động lượng
Khi một lực 𝐹⃗ tác dụng lên một vật trong khoảng thời gian ∆𝑡 thì tích
𝐹⃗ . ∆𝑡 được định nghĩa là xung lượng của lực 𝐹⃗ trong khoảng thời gian ∆𝑡 ấy.
Giả sử lực 𝐹⃗ (không đổi) tác dụng lên một vật khối lượng m đang
chuyển động với vận tốc ⃗⃗⃗⃗⃗.
𝑣1 Trong khoảng thời gian tác dụng ∆𝑡, vận tốc của
vật biến đổi thành 𝑣
⃗⃗⃗⃗⃗2 nghĩa là vật đã có gia tốc:
𝑎⃗ =

𝑣

⃗⃗⃗⃗⃗2 − ⃗⃗⃗⃗⃗
𝑣1
∆𝑡

Theo định luật II Niuton:
𝑚𝑎⃗ = 𝐹⃗
𝑚

𝑣
⃗⃗⃗⃗⃗2 − ⃗⃗⃗⃗⃗
𝑣1
= 𝐹⃗
∆𝑡

Suy ra 𝑚𝑣
⃗⃗⃗⃗⃗2 − 𝑚𝑣
⃗⃗⃗⃗⃗1 = 𝐹⃗ ∆𝑡

(1.1)

Vế phải của (1.1) chính là xung lượng của lực trong khoảng thời gian
∆𝑡, còn về trái là độ biến thiên của đại lượng 𝑝⃗ = 𝑚𝑣⃗
Đại lượng 𝑝⃗ được gọi là động lượng của một vật
Động lượng của một vật khối lượng m đang chuyển động với vận tốc 𝑣⃗
là đại lượng được xác định bởi công thức:
𝑝⃗ = 𝑚𝑣⃗
1.2. Định lý biến thiên động lượng của chất điểm
Theo định luật Newton II, nếu một chất điểm khối lượng m chịu tác
dụng của một lực 𝐹⃗ (hay của nhiều lực, lực tổng hợp là 𝐹⃗ ) thì sẽ có gia tốc 𝑎⃗
cho bởi:

𝐹⃗ = 𝑚𝑎⃗
Từ biểu thức của gia tốc ta có thể viết lại biểu thức trên như sau:

3


𝑑𝑣⃗
= 𝐹⃗
𝑑𝑡
vì m khơng đổi nên ta có thể viết lại là:
𝑚

𝑑(𝑚𝑣⃗)
= 𝐹⃗
𝑑𝑡

(1.2)

Vectơ 𝑝⃗ = 𝑚𝑣⃗ gọi là vectơ động lượng của chất điểm. Vậy biểu thức
(1.2) có thể viết thành:
𝑑𝑝⃗
= ⃗⃗⃗⃗
𝐹
(1.3)
𝑑𝑡
Định lý 1: Đạo hàm động lượng của một chất điểm đối với thời gian có
giá trị bằng lực (hay tổng hợp các lực) tác dụng lên chất điểm đó.
Từ (1.3) ta suy ra: 𝑑𝑝⃗ = 𝐹⃗ 𝑑𝑡

(1.4)

Tích phân 2 vế của biểu thức (1.4) trong khoảng thời gian từ t 1 đến t2
ứng với sự biến thiên của động lượng từ p1 đến p2 ta được:
𝑡2

∆𝑝⃗ = ⃗⃗⃗⃗⃗
𝑝2 − ⃗⃗⃗⃗⃗
𝑝1 = ∫ 𝑝⃗ 𝑑𝑡

(1.5)

𝑡1

Theo định nghĩa tích phân của lực F theo t từ t 1 đến t2 gọi là xung lượng
của F trong khoảng thời gian đó. Vậy biểu thức (1.5) có thể phát biểu như sau:
Định lý 2: Độ biến thiên động lượng của một chất điểm trong một
khoảng thời gian nào đó có giá trị bằng xung lượng của lực (hay tổng hợp
lực) tác dụng lên chất điểm trong khoảng thời gian đó.
Trong trường hợp F không đổi theo thời gian, (1.5) trở thành:
∆𝑝⃗ = 𝐹⃗ ∆𝑡
Hay

∆𝑝⃗
∆𝑡

(1.6)

= 𝐹⃗

(1.7)

Theo (1.7) ta có thể phát biểu: Độ biến thiên động lượng của chất điểm
trong một đơn vị thời gian có giá trị bằng lực tác dụng lên chất điểm đó.

4


1.3. Định luật bảo tồn động lượng của hệ cơ lập
1.3.1. Thiết lập
Đối với một hệ chất điểm chuyển động, ta có định lý về động lượng:
𝑑
(𝑚 ⃗⃗⃗⃗⃗
𝑣 + 𝑚2 𝑣
⃗⃗⃗⃗⃗2 + ⋯ + 𝑚𝑛 ⃗⃗⃗⃗⃗)
𝑣𝑛 = 𝐹⃗
𝑑𝑡 1 1
trong đó 𝐹⃗ là tổng các ngoại lực tác dụng lên hệ (theo định luật Newton
III thì tổng các nội lực tương tác trong hệ bằng 0).
Nếu hệ đang xét là một hệ cơ lập (F = 0) thì:
𝑑
(𝑚 ⃗⃗⃗⃗⃗
𝑣 + 𝑚2 𝑣
⃗⃗⃗⃗⃗2 + ⋯ + 𝑚𝑛 ⃗⃗⃗⃗⃗)
𝑣𝑛 = 0
𝑑𝑡 1 1
⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗
Nghĩa là 𝑚1 ⃗⃗⃗⃗⃗
𝑣1 + 𝑚2 𝑣
⃗⃗⃗⃗⃗2 + ⋯ + 𝑚𝑛 ⃗⃗⃗⃗⃗
𝑣𝑛 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡

(1.8)

Phát biểu: Tổng động lượng của một hệ cơ lập là một đại lượng bảo
tồn.
1.3.2. Bảo tồn động lượng theo phương
Trong trường hợp một hệ chất điểm khơng cơ lập nghĩa là 𝐹⃗ ≠ 0 nhưng
hình chiếu của 𝐹⃗ lên một phương x nào đó ln ln bằng 0, khi đó nếu
chiếu phương trình vectơ
𝑑
(𝑚 ⃗⃗⃗⃗⃗
𝑣 + 𝑚2 𝑣
⃗⃗⃗⃗⃗2 + ⋯ + 𝑚𝑛 ⃗⃗⃗⃗⃗)
𝑣𝑛 = 𝐹⃗
𝑑𝑡 1 1
lên phương x ta được: 𝑚1 𝑣1𝑥 + 𝑚2 𝑣2𝑥 + ⋯ + 𝑚𝑛 𝑣𝑛𝑥 = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡
Vậy, hình chiếu của tổng động lượng của hệ lên phương x là một đại
lượng bảo tồn.
2. Cơng và cơng suất
2.1. Cơng
Xét một vật nằm yên trên bàn. Nó chịu tác dụng của hai lực: trọng lực
và phản lực của mặt bàn, tổng hình học của các ngoại lực bằng khơng. Do đó,
theo định luật bảo tồn động lượng thì động lượng của vật bảo toàn. Suy ra,
vật phải giữ nguyên trạng thái nằm yên trên bàn.

5


Lại xét một ôtô chuyển động thẳng đều trên đường, ôtô chịu tác dụng
của lực kéo của động cơ, lực cản của không khí, lực ma sát của mặt đường,

trọng lượng của ơtơ phản lực của mặt đường. Vì ơtơ chuyển động thẳng đều,
nên theo định luật I Newton thì tổng hình học của tất cả các lực tác dụng lên
ơtơ phải bằng 0. Do đó, theo định luật bảo tồn động lượng thì động lượng
của ơtơ khơng thay đổi theo thời gian. Như vậy, trạng thái chuyển động của
ôtô và vật nằm trên mặt bàn là như nhau. Tuy nhiên, động cơ của ôtô phải
hoạt động liên tục, tiêu tốn nhiên liệu để sản sinh ra lực kéo nhằm duy trì
trạng thái chuyển động cơ học khơng thay đổi theo thời gian, trái lại vật nằm
trên mặt bàn lại không cần tiêu tốn một tí năng lượng nào cả.
Nghiên cứu kỹ, ta thấy có sự khác nhau rất cơ bản giữa hai ví dụ nêu ra ở
trên, đó là: điểm đặt của các lực tác dụng lên vật nằm trên mặt bàn khơng dịch
chuyển, cịn điểm đặt của lực kéo của động cơ ôtô liên tục dịch chuyển cùng
ôtô.
Vậy, ta có thể nói rằng: một lực sinh cơng khi điểm đặt của nó chuyển
dời.
Thí nghiệm chứng tỏ rằng, lượng nhiên liệu tiêu thụ bởi động cơ ôtô tỷ lệ
với tích số của lực kéo 𝐹⃗ và quãng đường dịch chuyển x của điểm đặt của lực
kéo (quãng đường dịch chuyển của ôtô).
Công là đại lượng vô hướng được đo bằng tích số của lực và quãng
đường dịch chuyển của điểm đặt của lực.
Ví dụ trên cho thấy rằng năng lượng nhiệt chứa
trong nhiên liệu khi bị đốt cháy trong động cơ ôtô đã

⃗
𝛼 𝐹

chuyển thành công cơ học làm cho ôtô chuyển động.

.

Vậy công chính là đại lượng đặc trưng cho phần năng

Hình 1.1

lượng chuyển đổi từ dạng năng lượng này sang dạng
năng khác, hay chính là phần năng lượng trao đổi giữa các vật.

6

𝑑𝑠⃗


Dưới tác dụng của lực 𝐹⃗ giả sử chất điểm dịch chuyển được một đoạn
đường vi phân d𝑠⃗ . Công vi phân 𝜕A mà lực 𝐹⃗ thực hiện được trên đoạn
đường 𝑑𝑠⃗ là tích vô hướng của hai vectơ:
𝜕𝐴 = 𝐹⃗ . 𝑑𝑠⃗ = 𝐹. 𝑑𝑠. cos 𝛼

(1.9)

Nếu: α < π/2 thì 𝜕A > 0: cơng hữu ích
α < π/2 thì 𝜕A = 0: lực tác dụng vng góc với chuyển động nên
khơng sinh cơng.
α > π/2 thì 𝜕A < 0: công cản (ví dụ công của lực ma sát)
Từ biểu thức (1.9) ta suy ra đơn vị của công là Jun (J): 1J = 1Nm.
Biểu thức này chỉ đúng cho trường hợp lực
𝑑𝑠⃗

𝐹⃗ không đổi và chuyển dời của s là thẳng.
Trong trường hợp tổng quát điểm đặt của lực 𝐹⃗
chuyển dời từ điểm P đến điểm Q trên quỹ đạo,

𝛼
P

Q

𝐹⃗
Hình 1.2

trong quá trình này lực thay đổi. Để tính cơng
trong trường hợp này ta chia đoạn đường PQ thành nhiều đoạn nhỏ, rồi áp
dụng công thức (1.9) tính cơng vi phân dA trên đoạn 𝑑𝑠⃗ đó, rồi cộng tất cả
các công vi phân lại ta sẽ tính được công mà lực 𝐹⃗ thực hiện được trên đoạn
đường PQ:
𝑄

𝑄

𝜕𝐴 = 𝐹⃗ 𝑑𝑠⃗ → 𝐴 = ∫ 𝜕𝐴 = ∫ 𝐹⃗ 𝑑𝑠⃗
𝑃

(1.10)

𝑃

Nếu phân tích vectơ 𝐹⃗ và d𝑠⃗ thành các thành phần theo các trục toạ độ
của hệ toạ độ Descarst thì ta có thể biểu diễn cơng A dưới dạng:
𝑄

𝐴 = ∫(𝐹𝑥 𝑑𝑥 + 𝐹𝑦 𝑑𝑦 + 𝐹𝑧 𝑑𝑧)
𝑃

7

(1.11)


2.2. Công suất
Khi định nghĩa công mà lực 𝐹⃗ thực hiện được trên một đoạn đường nào
đó ta khơng tính đến thời gian thực hiện công. Để đặc trưng cho khả năng
sinh công nhanh hay chậm của một máy sinh công (Ví dụ: một động cơ)
người ta đưa vào một đại lượng vật lý mới gọi là công suất.
Công suất trung bình Ptb của một máy sinh cơng là tỷ số của công ΔA và
thời gian Δt để thực hiện cơng đó, ta có:
𝑃𝑡𝑏 =

∆𝐴

(1.12)

∆𝑡

Về mặt ý nghĩa, cơng suất trung bình có giá trị bằng cơng trung bình của
lực sinh ra trong đơn vị thời gian.
Để tính công suất tại từng thời điểm, ta cho Δt → 0. Giới hạn của

∆𝐴
∆𝑡

khi

Δt → 0 theo định nghĩa gọi là công suất tức thời (gọi tắt là công suất) của lực,
được ký hiệu là:
∆𝐴 𝑑𝐴
=
∆𝑡→0 ∆𝑡
𝑑𝑡

𝑃 = lim

(1.13)

Vậy: cơng suất có giá trị bằng đạo hàm của công theo thời gian.
𝑑𝐴
𝑑𝑠⃗
= 𝐹⃗
= 𝐹⃗ . 𝑣⃗
(1.14)
𝑑𝑡
𝑑𝑡
Vậy: cơng suất bằng tích vơ hướng của lực tác dụng với vectơ vận tốc
𝑃=

của chuyển dời.
Đơn vị của công suất là Woat (W), 1W = 1J/s = 1 Nm/s.
3. Động năng
Động năng là phần cơ năng tương ứng
với sự chuyển động của các vật. Muốn xác
định biểu thức của động năng ta hãy tính

𝑑𝑠⃗

𝑦⃗

(2)

(1)

𝐹⃗
Hình 1.3

cơng của lực ngoài tác dụng lên vật.
Xét một chất điểm khối lượng m, chịu tác dụng của một lực 𝐹⃗ và chuyển rời

8


từ vị trí 1 sang vị trí 2 (hình 1.3). Công của lực 𝐹⃗ trong chuyển rời từ 1 sang
2 là:
(2)
𝐴 = ∫(1) 𝐹⃗ 𝑑𝑠⃗
⃗⃗
𝑑𝑣
Mà ta lại có: 𝐹⃗ = 𝑚𝑎⃗ = 𝑚 , thay vào biểu thức của A ta được:
𝑑𝑡

(2)

(2)

(2)

(2)

𝑑𝑣⃗
𝑑𝑠⃗
𝑚𝑣 2
𝐴 = ∫ 𝑚.
. 𝑑𝑠⃗ = ∫ 𝑚. . 𝑑𝑣⃗ = ∫ 𝑚𝑣⃗ 𝑑𝑣⃗ = ∫ 𝑑 (
)
𝑑𝑡
𝑑𝑡
2
(1)

(1)

(1)

(1)

Thực hiện phép tích phân ta được:
𝑚𝑣22
2

−

𝑚𝑣12
2

(1.15)

=𝐴

trong đó: v1 và v2 là vận tốc của chất điểm tại các vị trí 1 và 2.
Theo (1.13) cơng A có trị số bằng độ biến thiên động năng. Vậy ta có
định nghĩa:
𝑚𝑣12
2
𝑚𝑣22
2

= động năng chất điểm tại vị trí 1 = 𝑊đ1
= động năng chất điểm tại vị trí 2 = Wđ2

Tổng quát, biểu thức động năng của chất điểm có khối lượng m, vận tốc
𝑣⃗ cho bởi:
𝑚𝑣 2
𝑊đ =
2

(1.16)

Biểu thức (1.15) trở thành:𝑊đ2 − 𝑊đ1 = 𝐴
Định lý về động năng: Độ biến thiên động năng của một chất điểm trong
một quãng đường nào đó có giá trị bằng cơng của ngoại lực tác dụng lên chất
điểm sinh ra trong quãng đường đó.
Kết luận: Khi động năng của một vật giảm thì ngoại lực tác dụng lên vật
sinh một công cản; như thế nghĩa là vật đó tác dụng lên vật khác một lực và
lực đó sinh cơng dương.

9


4. Thế năng
4.1. Định nghĩa
Khi một chất điểm dịch chuyển từ vị trí M sang vị trí N trong trường lực
thế thì cơng AMN của trường lực chỉ phụ thuộc vào hai vị trí đầu và cuối M, N.
Tính chất này ta có thể định nghĩa:
Thế năng của chất điểm trong trường lực thế là một hàm Wt phụ thuộc
vào vị trí của chất điểm sao cho:
AMN = Wt(M) – Wt(N)

(1.17)

Từ định nghĩa ta thấy rằng: nếu đồng thời cộng Wt(M) và Wt(N) với
cùng một hằng số thì hệ thức định nghĩa trong (1.17) vẫn được nghiệm đúng,
nói cách khác: "thế năng của chất điểm tại một vị trí được định nghĩa sai khác
một hằng số cộng".
4.2. Tính chất
Thế năng tại một vị trí được xác định sai khác một hằng số cộng nhưng
hiệu thế năng giữa hai vị trí thì hồn tồn xác định.
Giữa trường lực và thế năng có hệ thức sau:
𝐴𝑀𝑁 = ∫ 𝐹⃗ 𝑑𝑠⃗ = 𝑊𝑡 (𝑀) − 𝑊𝑡 (𝑁)

(1.18)

𝑀𝑁

Nếu cho chất điểm địch chuyển theo một vịng kín (M ≡ N) thì hệ thức
trên đây trở thành:

∮ 𝐹⃗ 𝑑𝑠⃗ = 0
5. Định luật bảo toàn và biến thiên cơ năng
Khi chất điểm khối lượng m chuyển động từ vị trí M đến vị trí N trong
một trường lực thế thì cơng của trường lực cho bởi:
AMN = Wt(M) – Wt(N)
Nếu chất điểm chỉ chịu tác dụng của trường lực thế thì theo định lý về

10


động năng, ta có:
𝐴𝑀𝑁 = 𝑊đ (𝑁) − 𝑊đ (𝑀)
Wt(M) – Wt(N) = Wđ(N) – Wđ(M)

Vậy:
Hay

Wđ(M) + Wt(M) = Wđ(N) + Wt(N)

(1.19)

Vậy tổng:

Wđ(M) + Wt(M) = const

(1.20)

Tổng này có giá trị khơng đổi, khơng phụ thuộc vào vị trí của chất điểm.
Tổng động năng và thế năng của chất điểm được gọi là cơ năng của chất
điểm. Khi chất điểm chuyển động trong một trường lực thế (không chịu tác

dụng của một lực nào khác) thì cơ năng của chất điểm là một đại lượng bảo
tồn. Đây chính là định luật bảo tồn cơ năng trong trường lực thế.
Ví dụ: Khi chất điểm khối lượng m chuyển động trong trọng trường đều
thì:
𝑚𝑣 2
𝑊=
+ 𝑚𝑔ℎ = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡
2

(1.21)

Hệ quả: Vì W = Wđ + Wt = const nên trong quá trình chuyển động của
chất điểm trong trường lực thế nếu động năng Wđ tăng thì thế năng Wt giảm
và ngược lại; ở chỗ nào Wđ đạt giá trị cực đại thì Wt cực tiểu và ngược lại.
Chú ý: Khi chất điểm chuyển động trong trường lực thế còn chịu tác
dụng của một lực khác 𝐹⃗ (ví dụ lực ma sát) thì nói chung cơ năng của chất
điểm khơng bảo tồn: độ biến thiên của cơ năng chất điểm sẽ bằng công của
lực 𝐹⃗ đó.
6. Định luật bảo tồn và biến thiên momen động lượng
6.1. Định lý về momen động lượng của chất điểm
Một chất điểm M chuyển động trên một quỹ
đạo (C) dưới tác dụng của một lực 𝐹⃗ (hình 1.4).
Theo định lý về sự biến thiên động lượng ta

𝐹⃗

O

(C)

𝑟⃗
M

có:

𝑝⃗ = 𝑚𝑣⃗

Hình 1.4

11


𝑑𝑝⃗ 𝑑(𝑚𝑣⃗)
=
= 𝐹⃗
𝑑𝑡
𝑑𝑡

(1.22)

Nhân hữu hướng cả hai vế của (1.22) với t = ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗
𝑂𝑀 (O là gốc tọa độ) ta
được:
𝑟⃗ ∧
(Vì

𝑑
𝑑𝑡

Hay:

𝑑(𝑚𝑣⃗) 𝑑
𝑑
= (𝑟⃗ ∧ 𝑚𝑣⃗) = (𝑟⃗ ∧ 𝑝⃗) = 𝑟⃗ ∧ 𝐹⃗
𝑑𝑡
𝑑𝑡
𝑑𝑡

(𝑟⃗ ∧ 𝑚𝑣⃗) =
𝑑
𝑑𝑡

𝑑𝑟⃗
𝑑𝑡

∧ 𝑚𝑣⃗ + 𝑟⃗ ∧

⃗⃗)
𝑑(𝑚𝑣
𝑑𝑡

𝑣à

𝑑𝑟⃗
𝑑𝑡

= 𝑣⃗ ∧ 𝑚𝑣⃗ →

⃗⃗⃗(𝑂, 𝐹⃗ )
(𝐿⃗⃗) = 𝑀

(1.23)
𝑑𝑟⃗
𝑑𝑡

∧ 𝑚𝑣⃗ = ⃗0⃗
(1.24)

Trong đó 𝐿⃗⃗ = 𝑟⃗ ∧ 𝑝⃗ là mơmen động lượng của chất điểm M đối với điểm
⃗⃗⃗(𝑂, 𝐹⃗ ) = 𝑟⃗ ∧ 𝐹⃗ là mônmen của lực 𝐹⃗ đối với điểm O.
O và 𝑀
Phương trình (1.24) cũng chính là biểu thức của định lí về mơmen động
lượng, định lí đó được phát biểu như sau:
"Đạo hàm theo thời gian của mômen động lượng đối với điểm O của một
chất điểm chuyển động bằng tổng mômen đối với điểm O của các lực tác
dụng lên chất điểm".
Hệ quả: Trong trường hợp chất điểm chuyển động luôn luôn chịu tác
dụng của một lực xun tâm ( 𝐹⃗ ln có phương đi qua điểm O) thì M(O,𝐹⃗ ) =
0 và do đó:
𝑑
⃗⃗ → 𝐿⃗⃗ = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡
⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗
(𝐿⃗⃗) = 0
𝑑𝑡

(1.25)

Từ (1.25) ta thấy 𝐿⃗⃗ khơng đổi. Mặt khác, L ln vng góc với mặt
phẳng tạo bởi O và 𝑝⃗ = 𝑚𝑣⃗, do đó, mặt phẳng chứa O và 𝑝⃗ là một mặt phẳng
cố định. Điều đó có nghĩa là chất điểm M ln ln chuyển động trong một

mặt phẳng cố định
6.2. Momen động lượng của một hệ chất điểm
6.2.1. Định nghĩa
Một hệ chất điểm M1, M2,…,Mi,… lần lượt có khối lượng m1, m2,...,

12


mi,... và chuyển động với những vận tốc ⃗⃗⃗⃗⃗
𝑣1 , 𝑣
⃗⃗⃗⃗⃗2 , . . . , ⃗⃗⃗⃗
𝑣𝑖 , . .. đối với một hệ quy
chiếu gốc O. Tại thời điểm t vị trí những chất điểm ấy được xác định bởi các
vector bán kính
𝑟1 , ⃗⃗⃗⃗,
⃗⃗⃗⃗⃗
𝑟2 … , ⃗𝑟⃗,𝑖 …
Mơmen động lượng của hệ chất điểm đối với điểm O được định nghĩa
bởi:
𝐿⃗⃗ = ∑ ⃗⃗⃗⃗
𝐿𝑖 = ∑ ⃗𝑟⃗𝑖 ∧ 𝑚𝑣
⃗⃗⃗⃗𝑖

(1.26)

bằng tổng các mômen động lượng của các chất điểm trong hệ đó với O.
Chúng ta hãy xét một số trường hợp riêng
a. Hệ chất điểm quay xung quanh một trục cố định Δ
Khi đó, ta có mơmen động lượng của một chất điểm ( mi, ⃗𝑟⃗):
𝑖

⃗⃗⃗⃗
𝐿𝑖 = 𝐼𝑖 ⃗⃗⃗⃗⃗
𝜔𝑖

(1.27)

trong đó I = 𝑚𝑖 𝑟𝑖2 là mơmen qn tính của chất điểm đối với trục quay
Δ, ωi là vận tốc góc của chất điểm trong chuyển động quay xung quanh Δ.
Khi đó mơmen động lượng của hệ được xác định bởi:
𝐿⃗⃗ = ∑ ⃗⃗⃗⃗
𝐿𝑖 = ∑ 𝐼𝑖 ⃗⃗⃗⃗⃗
𝜔𝑖
𝑖

(1.28)

𝑖

b. Trường hợp vật rắn quay xung quanh một trục cố định Δ.
Khi đó mọi chất điểm của vật rắn quay đều có cùng vận tốc góc.
𝜔1 = ⃗⃗⃗⃗⃗⃗
⃗⃗⃗⃗⃗⃗
𝜔2 = ⋯ = ⃗⃗⃗⃗⃗
𝜔𝑖 = ⋯ = 𝜔
⃗⃗
Vậy 𝐿⃗⃗ = ∑𝑖 𝐼𝑖 ⃗⃗⃗⃗⃗
𝜔𝑖 = (∑𝑖 𝐼𝑖 ) 𝜔
⃗⃗ = 𝐼𝜔
⃗⃗

(1.29)
(1.30)

Trong đó 𝐼 = ∑𝑖 𝐼𝑖 = ∑𝑖 𝑚𝑖 𝑟𝑖2 là momen vật rắn đối với trục quay ∆.
6.2.2. Định lý về momen động lượng của một hệ chất điểm
Đối với chất điểm (m, r) của hệ khi áp dụng định lí về mơmen động
lượng ta được:

13


⃗⃗⃗⃗𝑖
𝑑𝐿
⃗⃗⃗(𝑂, ⃗⃗⃗
=𝑀
𝐹𝑖 )
𝑑𝑡

(1.31)

⃗⃗⃗(𝑂, ⃗⃗⃗
𝑀
𝐹𝑖 ) là tổng mômen đối với gốc O của các lực tác dụng lên chất
điểm (mi). Cộng các phương trình trên theo I ta được:
∑
𝑖

Vế trái (1.32)

𝑑

𝑑𝑡

⃗⃗⃗⃗𝑖
𝑑𝐿
⃗⃗⃗(𝑂, ⃗⃗⃗
= ∑𝑀
𝐹𝑖 )
𝑑𝑡

(1.32)

𝑖

𝐿⃗⃗ là đạo hàm theo thời gian của mômen động lượng của

hệ. Vế phải của (1.32) biểu thị tổng mômen đối với gốc O của các lực tác
dụng lên các chất điểm của hệ. Các lực tác dụng lên các chất điểm của hệ bao
gồm các ngoại lực tác dụng và các nội lực tương tác của các chất điểm trong
hệ. Chú ý rằng các nội lực tương tác của các chất điểm trong hệ từng đôi một
đối nhau (cùng phương, ngược chiều và cùng độ lớn), do đó, tổng mơmen đối
với O của những lực này sử bằng 0. Vậy vế phải của (1.32) chỉ còn là tổng
mômen đối với O của các ngoại lực tác dụng lên hệ. Kết quả ta thu được công
thức sau:
𝑑𝐿⃗⃗ 𝑑(𝐼𝜔
⃗⃗)
⃗⃗⃗
=
=𝑀
𝑑𝑡
𝑑𝑡

(1.33)

Định lí: Đạo hàm theo thời gian của mơmen động lượng của một hệ
chấm điểm bằng tổng mômen các ngoại lực tác dụng lên hệ (đối với một điểm
gốc O bất kì).
Chúng ta hãy xét một trường hợp riêng: hệ chất điểm là một vật rắn quay
xung quanh một trục cố định Δ. Có:𝐿⃗⃗ = 𝐼𝜔
⃗⃗𝐼 = 𝑚𝑖 ⃗⃗⃗⃗⃗
𝑟𝑖2 , do đó định lí về mơmen
động lượng có thể viết:
𝑑𝐿⃗⃗ 𝑑(𝐼𝜔
⃗⃗)
⃗⃗⃗
=
=𝑀
𝑑𝑡
𝑑𝑡

(1.34)

⃗⃗⃗ là tổng mômen các ngoại lực tác dụng lên vật rắn quay.
trong đó 𝑀
Tích phân phương trình (1.35) từ thời điểm t1 đến thời điểm t2 tương ứng

14


với sự biến thiên của t từ L1 đến L2 ta được:
𝑡2

⃗⃗⃗ 𝑑𝑡
∆𝐿⃗⃗ = ⃗⃗⃗⃗⃗
𝐿2 − ⃗⃗⃗⃗⃗
𝐿1 = ∫ 𝑀

(1.35)

𝑡1
𝑡
⃗⃗⃗ 𝑑𝑡 được gọi là mômen xung lượng của mômen lực M
Đại lượng ∫𝑡 2 𝑀
1

trong khoảng thời gian Δt = t2 – t1:
⃗⃗⃗ = khơng đổi thì ta được:
Nếu 𝑀
⃗⃗⃗∆𝑡
∆𝐿⃗⃗ = 𝑀

(1.36)

Chú ý: đối với vật rắn quay xung quanh một trục cố định, mơmen qn
tính I = const. Vì vậy, ta có thể viết:
𝑑𝐿⃗⃗ 𝑑(𝐼𝜔
⃗⃗)
𝑑𝜔
⃗⃗
⃗⃗⃗
=

=𝐼
= 𝐼𝛽⃗ → 𝐼𝛽⃗ = 𝑀
𝑑𝑡
𝑑𝑡
𝑑𝑡
trong đó 𝛽 =

⃗⃗⃗⃗
𝑑𝜔
𝑑𝑡

(1.37)

là gia tốc góc và phương trình (1.37) là phương trình

cơ bản của chuyển động quay của vật rắn xung quanh một trục mà ta đã biết.
6.3. Định luật bảo toàn momen động lượng
6.3.1. Thiết lập
Giả sử có một hệ chất điểm khơng chịu tác dụng của các ngoại lực (hệ
chất điểm cơ lập) hoặc có chịu tác dụng của các ngoại lực nhưng tổng mômen
của các ngoại lực ấy đối với điểm gốc O bằng 0. Khi đó theo định lí về
mơmen động lượng ta có:
𝑑𝐿⃗⃗
⃗⃗⃗ = 0 → 𝐿⃗⃗ = ̅̅̅̅̅̅̅
=𝑀
𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡
(1.38)
𝑑𝑡
Vậy: Đối với một hệ chất điểm cô lập hay chịu tác dụng của các ngoại lực
nhưng tổng mômen của các ngoại lúc ấy đối với điểm gốc O bằng 0, thì tổng

mơmen động lượng của hệ là một đại lượng bảo toàn.
6.3.2. Trường hợp hệ quay xung quanh một trục cố định
Định lí về mômen động lượng đối với hệ trong trường hợp này:

15


𝑑
⃗⃗⃗
(𝐼 ⃗⃗⃗⃗⃗⃗
𝜔 + 𝐼2 ⃗⃗⃗⃗⃗⃗
𝜔2 + ⋯ + 𝐼𝑖 ⃗⃗⃗⃗⃗
𝜔𝑖 + ⋯ ) = 𝑀
(1.39)
𝑑𝑡 1 1
Cần chú ý rằng các vector vận tốc góc và vector mơmen lực đều nằm
⃗⃗⃗ = ⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗
trên trục quay. Khi 𝑀
𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡 ta được kết quả:
⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗⃗
𝐼1 𝜔
⃗⃗⃗⃗⃗⃗1 + 𝐼2 ⃗⃗⃗⃗⃗⃗
𝜔2 + ⋯ + 𝐼𝑖 ⃗⃗⃗⃗⃗
𝜔𝑖 + ⋯ = 𝑐𝑜𝑛𝑠𝑡

16


Kết luận chương 1
Trong chương 1, chúng tôi đã hệ thống các cơ sở lý thuyết phục vụ cho

chương 2 một cách logic và hệ thống. Để khắc phục những khó khăn và sai
lầm của học sinh, sinh viên trong việc giải bài tập và giúp giáo viên dễ dàng
lựa chọn và sử dụng được các bài tập bằng song ngữ một cách có hiệu quả
trong q trình dạy học chương “Các định luật bảo toàn“ trong cơ học nhằm
phát huy tính tích cực của học sinh, sinh viên cần phải phân dạng các bài tập
chương này một cách phù hợp dựa trên cơ sở lý thuyết đã đưa ra.
Trong chương 2 chúng tôi sẽ phân dạng và hướng dẫn giải hệ thống các
dạng bài tập chương “Các định luật bảo toàn”.

17


CHƯƠNG 2. PHÂN DẠNG BÀI TẬP
PHẦN CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN TRONG CƠ HỌC
1. Từ vựng - vocabulary
Conservation laws

Định luật bảo tồn

Momentum

Động lượng, xung lượng

Force

Lực

Weigh

Khối lượng

Velocity

Vận tốc

Isolated system

Hệ cơ lập

Soft collision

Va chạm mềm

Jet

Phản lực

Power

Công suất

Work

Công

Kinetic energy

Động năng

Energy

Năng lượng

Gravitational potential energy

Thế năng hấp dẫn

Potential energy

Thế năng

Potential energy due to gravity

Thế năng trọng trường

Elastic potential energy

Thế năng đàn hồi

Mechanical energy

Cơ năng

Elastic force

Lực đàn hồi

2. Phân dạng bài tập bằng song ngữ

18

2.1. Bài tập về định luật bảo toàn 2.1 Exercises on conservation laws
và biến thiên động lượng

and momentum variability

2.1.1. Bài tập mẫu

2.1.1. Sample exercises

Bài tập 1. Một xe tải có khối lượng Exercise 1. A pickup truck with mass
1,8.103 kg đi theo hướng đông với 1,8.103 kg is travelling eastbound at
vận tốc 15m/s, trong khi một chiếc xe 15 m/s, while a compact car with
ô tô nhỏ với khối lượng 9,0.102 kg mass

9,0.102

kg

is

travelling

đang di chuyển về phía tây -15m/s. westbound at −15 m/s. The vehicles
Hai xe va chạm trực diện và dính vào collide head-on, becoming entangled.
nhau.

a. Find the speed of the entangled

a. Tìm tốc độ của các xe ngay sau va vehicles after the collision.
chạm.

b. Find the change in the velocity of

b. Tìm sự thay đổi vận tốc của mỗi each vehicle.
chiếc xe.

c. Find the change in the kinetic

c. Tìm độ biến thiên động năng của energy of the system consisting of
hệ bao gồm cả hai xe.

both vehicles.

Giải

Answer

a. Đây là bài tốn va chạm, vì vậy ta a. This problem involves a collision,
sử dụng bảo toàn động lượng.

so we should use conservation of

𝑚𝑡 𝑣𝑡 + 𝑚𝑐 𝑣𝑐 = (𝑚𝑡 + 𝑚𝑐 )𝑣
⇔𝑣=

𝑚𝑡 𝑣𝑡 + 𝑚𝑐 𝑣𝑐
𝑚𝑡 + 𝑚𝑐
3

⇔𝑣=

momentum.
𝑚𝑡 𝑣𝑡 + 𝑚𝑐 𝑣𝑐 = (𝑚𝑡 + 𝑚𝑐 )𝑣
⇔𝑣=

2

1,8. 10 ×15 − 9,0. 10 ×15
1,8. 103 + 9,0. 102

𝑚𝑡 𝑣𝑡 + 𝑚𝑐 𝑣𝑐
𝑚𝑡 + 𝑚𝑐

⇔ 𝑣 = 5,0 𝑚/𝑠

1,8. 103 ×15 − 9,0. 102 ×15
⇔𝑣=
1,8. 103 + 9,0. 102

b. Sự thay đổi vận tốc của xe tải là

⇔ 𝑣 = 5,0 𝑚/𝑠

∆𝑣 = 𝑣 − 𝑣𝑡 = 5 − 15 = −10(𝑚/𝑠)

b. The change in velocity of the truck

19

Sự thay đổi vận tốc của xe ô tô là is
∆𝑣 = 𝑣 − 𝑣𝑐 = 5 + 15 = 20(𝑚/𝑠).

∆𝑣 = 𝑣 − 𝑣𝑡 = 5 − 15 = −10(𝑚/𝑠)

c. Sự biến thiên động năng là

The change in velocity of the car is
∆𝑣 = 𝑣 − 𝑣𝑐 = 5 + 15 = 20(𝑚/𝑠).

∆𝑊đ = 𝑊đ2 − 𝑊đ1
1
1
∆𝑊đ = (𝑚𝑡 + 𝑚𝑐 )𝑣 2 − 𝑚𝑡 𝑣𝑡2
2
2
1
− 𝑚𝑐 𝑣𝑐2
2

c. The change in kinetic energy is
∆𝑊đ = 𝑊đ2 − 𝑊đ1
1
1
∆𝑊đ = (𝑚𝑡 + 𝑚𝑐 )𝑣 2 − 𝑚𝑡 𝑣𝑡2
2
2
1

− 𝑚𝑐 𝑣𝑐2
2

∆𝑊đ = −2,7. 105 (J).
Vậy: Độ giảm động năng chuyển

thành nhiệt lượng tỏa ra sau khi va ∆𝑊đ = −2,7. 105 (J).
chạm.

So: The decrease in kinetic energy
translates into the heat radiating after
a collision.

Bài tập 2. Một tên lửa chuyển động Exercise 2: A rocket moves in the
khơng có ngoại lực tác dụng luôn absence of external forces by ejecting
luôn phụt một luồng khí liên tục; vận a steady jet with velocity u constant
tốc phụt khí đối với tên lửa bằng u, relative to the rocket. Find the
khơng đổi. Tìm vận tốc tên lửa v tại velocity v of the rocket at the moment
thời điểm mà khối lượng của nó bằng when its mass is equal to m, if at the
m, nếu thời điểm ban đầu vận tốc initial moment it possessed the mass
bằng 0 và khối lượng bằng m0.

m0 and its velocity was equal to zero.

Giải

Answer

Áp dụng định luật bảo toàn động Application of variable kinetic energy
lượng ta có:

𝑑𝑝⃗
𝑑𝑡

= 𝐹⃗

Theo giả thuyết, 𝐹⃗ = 0 ⟹

theorem:
𝑑𝑝⃗
𝑑𝑡

=0

𝑑𝑝⃗
𝑑𝑡

According

20

= 𝐹⃗
to

the

question, 𝐹⃗ =