Luận văn tốt nghiệp
GVHD: ThS Lê Văn Nhạn
TRƯỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA SƯ PHẠM
BỘ MÔN SƯ PHẠM VẬT LÝ
----------
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP
Đề tài
CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN TRONG
SÁCH GIÁO KHOA VẬT LÝ 10 CƠ BẢN
Giảng viên hướng dẫn:
Sinh viên thực hiện:
ThS. Lê Văn Nhạn
Trương Hồng Phi
MSSV: 1100245
Lớp: Sp Vật Lý - K36
Cần Thơ, 05/2014
Các ĐLBT trong SGK Vật Lý 10 cơ bản
1
Luận văn tốt nghiệp
GVHD: ThS Lê Văn Nhạn
MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ------------------------------------------------------------------------------- 2
MỤC LỤC ----------------------------------------------------------------------------------- 3
A. PHẦN MỞ ĐẦU ------------------------------------------------------------------------ 7
I. LÝ DO CHỌN ĐỀ TÀI ------------------------------------------------------------------------ 7
II. LỊCH SỬ NGHIÊN CỨU ĐỀ TÀI ---------------------------------------------------------- 7
III. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU ---------------------------------------------------------------- 7
IV. PHẠM VI NGHIÊN CỨU ------------------------------------------------------------------ 8
V. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ----------------------------------------------------------- 8
B. PHẦN NỘI DUNG --------------------------------------------------------------------- 9
Chương 1: -------------------------------------------------------------------------------------------- 9
CÁC TƯ TƯỞNG BẢO TOÀN VÀ SỰ HÌNH THÀNH ----------------------------------- 9
CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN ----------------------------------------------------------------- 9
I. CHỦ NGHĨA DUY TÂM --------------------------------------------------------------------- 9
II. CHỦ NGHĨA DUY VẬT --------------------------------------------------------------------- 9
III. SỰ HÌNH THÀNH CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN ----------------------------------- 9
Chương 2: ------------------------------------------------------------------------------------------ 13
ĐỐI TƯỢNG BẢO TOÀN VÀ PHƯƠNG THỨC BẢO TOÀN ------------------------ 13
I. ĐỐI TƯỢNG BẢO TOÀN ------------------------------------------------------------------ 13
1.1. Sự bảo toàn các vật cụ thể -------------------------------------------------------------- 13
1.2. Sự bảo toàn các thuộc tính của vật chất ---------------------------------------------- 14
1.3. Sự bảo toàn các quan hệ ---------------------------------------------------------------- 15
II. PHƯƠNG THỨC BẢO TOÀN ------------------------------------------------------------ 15
6.1. Nhiệt năng -------------------------------------------------------------------------------- 24
6.1.1. Khí đơn nguyên tử------------------------------------------------------------------ 25
6.1.2. Khí lưỡng nguyên tử --------------------------------------------------------------- 25
6.1.3. Khí đa nguyên tử ------------------------------------------------------------------- 25
6.1.4. Năng lượng chuyển động dao động ---------------------------------------------- 25
6.2. Nhiệt dung riêng của khí lí tưởng và công thức tính nhiệt lượng ----------------- 25
6.2.1. Nhiệt dung riêng của khí lí tưởng ------------------------------------------------ 25
6.2.1.1. Nhiệt dung riêng của một chất bất kì --------------------------------------- 25
6.2.1.2. Nhiệt dung riêng phân tử của một chất------------------------------------- 26
6.2.1.3. Các trường hợp riêng --------------------------------------------------------- 26
6.6.2. Công thức tính nhiệt lượng -------------------------------------------------------- 26
6.3. Nội năng ---------------------------------------------------------------------------------- 26
6.4. Nội năng là hàm đơn giá của trạng thái ---------------------------------------------- 27
VII. NHIỆT VÀ CÔNG ------------------------------------------------------------------------ 27
7.1. Các cách làm thay đổi nhiệt độ và nội năng của hệ --------------------------------- 27
7.2. So sánh nhiệt và công ------------------------------------------------------------------- 27
7.3. So sánh giữa năng lượng với nhiệt và công ------------------------------------------ 28
VIII. Ý NGHĨA CỦA CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN ----------------------------------- 29
Chương 4: ------------------------------------------------------------------------------------------ 31
ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN ĐỘNG LƯỢNG ------------------------------------------------- 31
I. LỊCH SỬ HÌNH THÀNH ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN ĐỘNG LƯỢNG ------------- 31
II. XÂY DỰNG ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN ĐỘNG LƯỢNG---------------------------- 32
2.1. Khái niệm động lượng.----------------------------------------------------------------- 32
2.2. Các định lí về động lượng ------------------------------------------------------------- 32
2.2.1. Định lí 1------------------------------------------------------------------------------ 32
2.2.2. Định lí 2------------------------------------------------------------------------------ 32
2.3. Ý nghĩa của động lượng và xung lượng --------------------------------------------- 33
2.3.1. Ý nghĩa của động lượng ----------------------------------------------------------- 33
2.3.2. Ý nghĩa của xung lượng ----------------------------------------------------------- 34
2.4. Định luật bảo toàn động lượng -------------------------------------------------------- 34
3.3.1.4. Mối liên hệ giữa thế năng và lực thế --------------------------------------- 43
3.3.2. Thế năng của vật dưới tác dụng của lực đàn hồi ------------------------------- 43
3.3.2.1. Công của lực đàn hồi --------------------------------------------------------- 43
3.3.2.2. Thế năng đàn hồi -------------------------------------------------------------- 44
3.3.3. Định luật bảo toàn cơ năng của vật trong trường lực thế --------------------- 45
3.3.4. Định luật bảo toàn cơ năng trong trường lực khi vật chịu tác dụng của lực
đàn hồi --------------------------------------------------------------------------------------- 46
IV. TRƯỜNG HẤP DẪN. TÍNH CHẤT THẾ CỦA TRƯỜNG HẤP DẪN. ĐỊNH
LUẬT BẢO TOÀN CƠ NĂNG TRONG TRƯỜNG HẤP DẪN ------------------------ 46
4.1. Khái niệm trường hấp dẫn -------------------------------------------------------------- 46
4.2. Công của lực hấp dẫn ------------------------------------------------------------------- 47
4.3. Thế năng của chất điểm có khối lượng m -------------------------------------------- 47
4.4. Bảo toàn cơ năng trong trường hấp dẫn --------------------------------------------- 47
V. ỨNG DỤNG ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN CƠ NĂNG ---------------------------------- 48
5.1. Va chạm ---------------------------------------------------------------------------------- 48
5.1.1. Định nghĩa --------------------------------------------------------------------------- 48
5.1.2. Phân loại ----------------------------------------------------------------------------- 48
5.1.2.1. Va chạm đàn hồi: -------------------------------------------------------------- 48
5.1.2.2. Va chạm không đàn hồi: ------------------------------------------------------ 49
Chương 6: -----------------------------------------------------------------------------------51
ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN VÀ CHUYỂN HÓA NĂNG LƯỢNG TRONG
CÁC QUÁ TRÌNH CƠ - NHIỆT-------------------------------------------------------51
I. ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN VÀ CHUYỂN HÓA NĂNG LƯỢNG ----------51
1.1. Lịch sử hình thành ----------------------------------------------------------------------- 51
1.1.1. Mayer và những quan niệm tổng quát về sự bảo toàn và chuyển hóa năng
lượng ----------------------------------------------------------------------------------------- 51
1.1.2. Joule và việc xây dựng cơ sở thực nghiệm cho định luật bảo toàn và chuyển
hóa năng lượng ----------------------------------------------------------------------------- 53
1.1.3. Helmholtz với việc khảo sát định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng
2.2.3.1.2. Nguyên tắc hoạt động ---------------------------------------------------- 65
2.2.3.1.3. Hiệu suất------------------------------------------------------------------- 66
2.2.3.2. Máy làm lạnh ------------------------------------------------------------------ 66
2.2.3.2.1. Định nghĩa----------------------------------------------------------------- 66
2.2.3.2.2. Hiệu năng------------------------------------------------------------------ 66
2.2.3.3. Chu trình Carnot -------------------------------------------------------------- 67
2.2.4. Hàm Entropi và nguyên lí Entropi ----------------------------------------------- 67
2.2.4.1. Hàm Entropi ------------------------------------------------------------------- 67
2.2.4.2. Nguyên lí tăng Entropi-------------------------------------------------------- 68
2.2.5. Trạng thái chết nhiệt của vũ trụ -------------------------------------------------- 69
Chương 7: -----------------------------------------------------------------------------------71
HỆ THỐNG BÀI TẬP VỀ CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN ---------------------71
I. BÀI TẬP VỀ ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN ĐỘNG LƯỢNG CHO HỆ KÍN ---------- 71
II. BÀI TOÁN VỀ VA CHẠM, CHUYỂN ĐỘNG CỦA TÊN LỬA -------------------- 80
III. BÀI TẬP VỀ CÔNG- CÔNG SUẤT, ĐỘNG NĂNG VÀ THẾ NĂNG ----------- 92
IV. BÀI TẬP VỀ ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN CƠ NĂNG --------------------------------- 97
V. BÀI TẬP VỀ NHỮNG NGUYÊN LÍ CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC -----------105
C. PHẦN KẾT LUẬN ------------------------------------------------------------------ 116
TÀI LIỆU THAM KHẢO ------------------------------------------------------------- 117
Các ĐLBT trong SGK Vật Lý 10 cơ bản
6
SVTH: Trương Hồng Phi
Luận văn tốt nghiệp
III. MỤC ĐÍCH NGHIÊN CỨU
Trong chương trình học em chỉ biết vận dụng các định luật bảo toàn vào việc giải
bài tập. Vì vậy em chọn đề tài: “Các định luật bảo toàn trong sách giáo khoa Vật lý 10 cơ
bản” để em có dịp tìm hiểu về tư tưởng xuất phát của các định luật, đồng thời tìm hiểu cơ
Các ĐLBT trong SGK Vật Lý 10 cơ bản
7
SVTH: Trương Hồng Phi
Luận văn tốt nghiệp
GVHD: ThS Lê Văn Nhạn
sở vững chắc của việc hình thành các định luật cũng như lịch sử hình thành của nó. Trong
đề tài em sẽ tìm hiểu về tư tưởng hình thành, tính chất và điều kiện áp dụng từng định
luật để đánh giá một cách toàn diện các định luật bảo toàn.
IV. PHẠM VI NGHIÊN CỨU
Đề tài chỉ nghiên cứu về sự hình thành, nội dung, tính chất và một vài bài tập áp
dụng của các định luật bảo toàn. Nội dung của đề tài xoay quanh các định luật bảo toàn
trong sách giáo khoa Vật lý lớp 10 ban cơ bản.
V. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU
Trong quá trình nghiên cứu em sử dụng các phương pháp sau:
- Tìm hiểu và tham khảo các tài liệu liên quan.
- So sánh các loại tài liệu với nhau.
- Tổng hợp các nguồn tài liệu.
- Trình bày một cách hệ thống, logic.
thế giới vật chất không do bất cứ một ai tạo ra cả mà bản thân nó xưa nay vẫn tồn tại như
vậy. Chính vì vậy thế giới vật chất không bao giờ bị hủy diệt. Nó luôn luôn vận động
theo quy luật riêng của nó mà không phải chịu sự điều khiển của bất kì ai cả.
III. SỰ HÌNH THÀNH CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN
Cùng với sự phát triển của khoa học cũng như căn cứ vào thực tiễn của cuộc sống
đã chứng minh được sự đúng đắn của chủ nghĩa duy vật.
Tư tưởng bảo toàn cũng được hình thành cùng với những quan niệm duy vật về
thế giới vật chất và tư tưởng bảo toàn được xem là những thể hiện quan trọng nhất của
quan điểm này. “Không có gì được tạo thành từ hư vô và cũng không có gì có thể bị hủy
diệt”. Điều này có nghĩa là thế giới vật chất xung quanh ta được bảo toàn vĩnh cửu không
Các ĐLBT trong SGK Vật Lý 10 cơ bản
9
SVTH: Trương Hồng Phi
Luận văn tốt nghiệp
GVHD: ThS Lê Văn Nhạn
tự sinh ra và cũng không tự mất đi. Đây chính là quan điểm tổng quát của tư tưởng bảo
toàn.
Tư tưởng có nguồn gốc từ Ấn Độ cổ đại và Trung Quốc cổ đại, sau đó thâm nhập
vào thế giới Hi Lạp cổ đại. Đêmôcrit quan niệm rằng thế giới vật chất do các nguyên tử
tạo thành. Nguyên tử là phần tử vật chất vô cùng nhỏ không thể phân chia được nữa,
không bị các hạt khác xuyên qua cũng như không bao giờ thay đổi hay bị hủy diệt. Đây
cũng chính là quan điểm về nguyên tử của Đêmôcrit và theo ông sự bảo toàn nguyên tử là
nguyên nhân của sự bảo toàn vật chất hay những tính chất của từng nguyên tử riêng lẻ.
Luận văn tốt nghiệp
GVHD: ThS Lê Văn Nhạn
lượng các chất trước phản ứng bằng tổng khối lượng của các chất sau phản ứng”. Sau đó
định luật này được vận dụng vào cơ học và sử dụng phổ biến. Ngày nay khi khoa học
phát triển và mỗi khi Vật lý học đi sâu vào một lĩnh vực mới hay mới lý thuyết mới lại
xuất hiện thêm những định luật mới. Tuy nhiên đến giữa thế kỷ XIX những định luật
mang tính chất định lượng mới được kiểm chứng bằng thực nghiệm. Trong giai đoạn này
cơ học Newton được xem là cơ sở của mọi khoa học, mọi lý thuyết vật lý đều phù hợp
với các định luật này.
Từ cuối thế kỷ XIX, Vật lý học bước vào nghiên cứu mới là thế giới vi mô. Khi đó
các định luật bảo toàn cũng bước vào giai đoạn thách thức mới.
Khi nghiên cứu sự phân rả người ta thấy rằng năng lượng của các hạt này
phóng ra có mọi giá trị tùy ý nhưng nhỏ hơn độ giảm năng lượng của các hạt nhân. Như
vậy có phải định luật bảo toàn năng lượng không đúng trong trường hợp này có nghĩa là
năng lượng đã mất đi. Một số nhà khoa học cho rằng định luật này không còn phổ biến.
Nhưng nhiều nhà khoa học khác vẫn tin tưởng vào định luật này nên đã kiên trì nghiên
cứu và tìm ra hạt Neutrino là nguyên nhân làm mất năng lượng. Khi đó định luật bảo toàn
năng lượng lại nghiệm đúng một cách chính xác.
Nhưng sau đó khi đi sâu nghiên cứu thế giới vi mô, người ta thấy rằng năng lượng
mang tính chất đặc biệt không giống như trong cơ học cổ điển và một lần nữa người ta lại
nghi ngờ định luật bảo toàn năng lượng. Bởi vì người ta cho rằng trong từng động tác hay
giai đoạn riêng lẻ thì định luật này lại không được nghiệm đúng mà chỉ đúng khi xét cả
quá trình. Nghĩa là trong các động tác riêng lẻ đó năng lượng đã được bù trừ lẫn nhau
một cách ngẫu nhiên và định luật này mang tính thống kê. Nhưng Vật lý học đã chứng
minh được rằng định luật bảo toàn năng lượng vẫn bảo toàn trong từng động tác một
trong thế giới vi mô năng lượng thì cũng giống như các tính chất khác của vật chất và có
những nét đặc trưng riêng so với thế giới vĩ mô, nhưng nó vẫn là định luật chính xác và
có ý nghĩa rất cơ bản.
Chương 2:
ĐỐI TƯỢNG BẢO TOÀN VÀ PHƯƠNG THỨC BẢO TOÀN
Ngày nay trong Vật lý học xuất hiện hàng chục định luật bảo toàn và các định luật
bảo toàn là những định luật cơ bản của Vật lý học. Trong tương lai sẽ còn xuất hiện thêm
các định luật bảo toàn mới nữa. Như vậy cần phải nghiên cứu ngay bản thân nội dung, cơ
cấu và vị trí của chúng trong sự phát triển của Vật lý học. Sự nghiên cứu như vậy sẽ giúp
chúng ta hiểu và vận dụng các định luật một cách đúng đắn và dễ dàng hơn trong việc
xây dựng định luật mới. Hay nói cách khác chúng ta xét xem các đối tượng được bảo
toàn và phương thức bảo toàn như thế nào?
I. ĐỐI TƯỢNG BẢO TOÀN
1.1. Sự bảo toàn các vật cụ thể
Sự bảo toàn các vật cụ thể được xem là hình thức bảo toàn đơn giản nhất và dễ
hình dung nhất.
Trong thuyết nguyên tử cổ đại, thế giới vật chất do nguyên tử bất biến tạo thành và
các nguyên tử này bảo toàn về số lượng. Mặc dù các nguyên tử này có thể sắp xếp với
nhau theo cách này hoặc cách khác, chúng có thể kết hợp hoặc tách rời nhau theo mọi
hướng nhưng tổng số lượng của chúng trong thế giới vật chất là không đổi. Tuy nhiên
quan niệm này không còn được công nhận.
Trong Vật lý học có những hình thức bảo toàn tương tự như:
- Trong thuyết động học phân tử: Tổng số lượng các phân tử của một lượng khí nhất định
không đổi. Mặc dù các phân tử luôn va chạm vào nhau và va chạm vào thành bình nhưng
số lượng các phân tử luôn bảo toàn trong mọi quá trình.
- Trong sự tương tác của các hạt thì luôn có sự chuyển hóa giữa các hạt. Mặc dù các hạt
trước phản ứng và sau phản ứng là khác nhau nhưng số lượng các hạt nặng không đổi. Cụ
thể ta xét trong sự tương tác của các hạt và phản hạt, trong sự sinh cặp và hủy cặp luôn có
những hạt nặng được sinh ra hoặc mất đi.
- Trong cơ học lượng tử khi xét trong mọi quá trình nghiên cứu thì tổng số các hạt nặng
được sinh ra hoặc mất đi là không đổi.
Vào thế kỷ XVIII thuyết điện của Frankin quan niệm rằng “điện tích là một chất
lỏng vô hình, không trọng lượng có khả năng thẩm thấu và chảy từ vật này sang vật kia”.
Như vậy người ta quan niệm điện tích là vật chất và quan niệm này cũng giải thích được
sự truyền điện theo định luât bảo toàn. Cho đến khi định luật Coulomb ra đời đã khẳng
định sự tồn tại của hai loại điện tích. Khi định luật ra đời đã giải quyết được nhiều vấn đề
về lý thuyết và thực nghiệm nhưng lại gặp mâu thuẩn khi giải thích hiện tượng trung hòa
về điện. Trong cách giải thích này thì hai chất điện hủy diệt nhau trái với quan niệm bảo
toàn vật chất và dẫn đến cuộc đấu tranh chống lại khái niệm “chất lỏng không trọng
lượng”, cuối cùng khái niệm này bị gạt bỏ.
Ngày nay quan niệm điện tích là thuộc tính của các hạt cở bản đặc trưng cho sự
tương tác từ giữa các hạt.
Các ĐLBT trong SGK Vật Lý 10 cơ bản
14
SVTH: Trương Hồng Phi
Luận văn tốt nghiệp
GVHD: ThS Lê Văn Nhạn
1.3. Sự bảo toàn các quan hệ
Sự bảo toàn các quan hệ có ý nghĩa khái quát hơn sự bảo toàn các vật cụ thể và các
thuộc tính. Bởi vì bảo toàn các vật, các thuộc tính chỉ mang ý nghĩa vật chất và vận động
là không thể tự tạo ra và không bị hủy diệt, còn bảo toàn các quan hệ mang một ý nghĩa
rộng hơn đó là nó nói lên rằng quy luật vận động của vật chất là bất biến, là khách quan
đặc biệt không phụ thuộc vào điều kiện nhận thức. Thật vậy khi ta chuyển từ hệ quán tính
này sang hệ quán tính khác thì giá trị của các đại lượng tham gia vào các phương trình
Luận văn tốt nghiệp
GVHD: ThS Lê Văn Nhạn
bằng nó và ngược dấu xuất hiện ở chổ khác, hoặc khi điện tích dương hoặc âm ở chổ này
tăng lên bao nhiêu lần thì ở chổ khác sẽ đồng thời giảm đi bấy nhiêu lần.
2.2. Sự bảo toàn cục bộ
Khi xét đến phương thức bảo toàn cục bộ thì định luật bảo toàn cục bộ lại được
nghiệm đúng. Bởi vì phương thức này đề cập đến sự bảo toàn của đối tượng trong một
miền nhất định mà không nêu thành sự bảo toàn trong toàn thể không gian. Trong miền ta
xét nếu tại A mất đi một điện tích và tại B thêm một điện tích, phải có cái gì đó di chuyển
giữa A và B. Có nghĩa là không nhất thiết một điện tích mất tại A thì xuất hiện tại B đồng
thời, lúc đó nó đang tồn tại ở một nơi nào đó trong khoảng giữa A và B. Như vậy định
luật bảo toàn không vi phạm.
Xét một điểm của không gian phương thức bảo toàn cục bộ được biểu diễn bằng
phương trình sau:
div j 0
t
Theo phương trình bảo toàn nếu lấy tích phân cho miền không gian hữu hạn thì
điện tích không tăng thêm và không bị mất đi. Vậy phương thức bảo toàn không trái với
thuyết Einstein, theo thuyết Einstein tất cả các định luật bảo toàn là những định luật bảo
toàn cục bộ.
Tóm lại: Theo hai phương thức bảo toàn trên thì số lượng đối tượng bảo toàn
không đổi trong miền xác định hoặc trong toàn thể không gian và các đối tượng đó không
thời gian. Theo Vật lý học cổ điển thì các hiện tượng không ảnh hưởng đến không gian
và thời gian, không gian như cái sân khấu trên đó diễn ra các hiện tượng, thời gian như
cái màn đóng mở đều đặn. Không gian và thời gian có tính chất khác nhau, không có liên
hệ gì. Những quan niệm này không hoàn toàn đúng và bị sửa đổi bởi Thuyết tương đối.
Tuy nhiên ta chỉ nghiên cứu trong phạm vi Vật lý cổ điển nên ta không quan tâm điều đó.
1.1. Sự đồng tính của không gian
Không gian có tính chất đồng tính, nghĩa là tính chất của nó ở mọi điểm là như
nhau. Hiện tượng xảy ra ở điểm M như thế nào thì xảy ra ở một điểm M’ như thế ấy. Ta
loại trừ trường hợp ở M’ có cái gì đó mà ở M không có, vì ta đang nghiên cứu không gian
thuần túy, trống rỗng.
Nói cách khác, hiện tượng là bất biến đối với sự tịnh tiến trong không gian.
1.2. Sự đẳng hướng của không gian
Không gian là đẳng hướng, nghĩa là tính chất của nó ở mọi hướng là như nhau.
Nếu ta xoay phòng thí nghiệm theo một hướng khác thì kết quả thí nghiệm vẫn như cũ.
Ta loại trừ trường hợp theo hướng mới ngoại cảnh khác hướng cũ. Ta nói rằng có sự bất
biến đối với phép quay trong không gian.
1.3. Sự đồng tính (sự trôi đều) của thời gian
Thời gian là khái niệm quen thuộc với mọi người: thời gian của tiết học là 45 phút,
mạch đập nhanh hay chậm, tức là nhiều lần hay ít lần trong cùng một thời gian, ai cũng
già đi với thời gian…Nhưng thời gian cũng là khái niệm bí hiểm nhất, gây nhiều tranh cãi
như: có thời gian duy nhất cho mọi người không? Nó có trôi đều không? Có điểm bắt đầu
của thời gian cho toàn vũ trụ không?
Các ĐLBT trong SGK Vật Lý 10 cơ bản
17
SVTH: Trương Hồng Phi
(gọi là nội lực) mà không có tác dụng của những lực bên ngoài hệ (gọi là ngoại lực), hoặc
nếu có thì những lực này phải triệt tiêu lẫn nhau. Ta nhớ lại các nội lực từng đôi trực đối
theo định luật III Newton. Ví dụ: cô lập về Cơ là không có ngoại lực tác động. Cô lập về
Nhiệt là không trao đổi công hay nhiệt lượng với ngoại cảnh. Cô lập về Điện là không
cho hay nhận điện tích của ngoại cảnh…
Trong thực tế, trên Trái Đất khó có thể thực hiện được một hệ tuyệt đối kín vì
không thể nào triệt tiêu hoàn toàn lực ma sát và các lực cản khác. Hệ gồm vật và Trái Đất
cũng chỉ là gần đúng hệ kín vì vẫn luôn luôn tồn tại các lực hấp dẫn từ các thiên thể trong
Các ĐLBT trong SGK Vật Lý 10 cơ bản
18
SVTH: Trương Hồng Phi
Luận văn tốt nghiệp
GVHD: ThS Lê Văn Nhạn
vũ trụ tác dụng lên hệ. Trong các hiện tượng như nổ, va chạm … các nội lực xuất hiện
thường rất lớn so với ngoại lực thông thường, nên hệ vật có thể coi gần đúng là kín trong
thời gian ngắn xảy ra hiện tượng.
Trong cơ học cổ điển, một số định luật bảo toàn có thể suy ra từ các định luật
Newton. Tuy nhiên, Vật lý học hiện đại có những lĩnh vực mà ở đó các định lực Newton
không áp dụng được, nhưng vẫn tồn tại các định luật bảo toàn. Điều này nói lên tính phổ
biến và tổng quát của các định luật bảo toàn.
2.2. Hệ cô lập tuân theo các định luật bảo toàn
Khảo sát các hệ kín, người ta thấy có một số đại lượng vật lý đặc trưng cho trạng
thái của hệ được bảo toàn, nghĩa là chúng có giá trị không đổi theo thời gian. Cụ thể là,
SVTH: Trương Hồng Phi
Luận văn tốt nghiệp
GVHD: ThS Lê Văn Nhạn
- Từ sự bất biến đối với phép quay trong không gian có thể suy ra định luật bảo toàn
momen động lượng.
- Từ sự bất biến đối với phép dịch chuyển trong thời gian có thể suy ra định luật bảo toàn
cơ năng.
Ta chỉ xét ba sự tương ứng này nhưng thực tế vấn đề rộng hơn, áp dụng cho nhiều
phép biến đổi khác, như: lấy hình trong gương (đối xứng P) ; đổi dấu các điện tích hoặc
thay bằng phản ứng các hạt (đối xứng C) ; đổi chiều thời thời gian (đối xứng T). Định lí
Noether không phải luôn luôn đúng, như số chẳn lẻ P trong đối xứng gương không được
bảo toàn trong các tương tác yếu. Ngay định luật bảo toàn điện tích cũng không gắn liền
với một sự bất biến nào.
Sau đây ta chứng minh định lí Noether cho trường hợp bảo toàn cơ năng (mở rộng
cho năng lượng) và bảo toàn động lượng
III. SỰ ĐỒNG TÍNH CỦA THỜI GIAN VÀ SỰ BẢO TOÀN CƠ NĂNG
Định luật bảo toàn cơ năng nói rằng: “Tổng động năng và thế năng, tức là cơ năng,
của một hệ cô lập không có ma sát, được bảo toàn”.
Ta hãy xét xem định luật này liên quan thế nào với sự dịch chuyển trong thời gian.
Đại lượng quan trọng trong Cơ học là lực, thể hiện sự tương tác giữa các vật. Sự bất biến
đối với phép dịch chuyển trong thời gian có nghĩa là biểu thức toán học của lực F không
chứa tường minh thời gian t. Ví dụ lực đàn hồi F ( x) kx chỉ phụ thuộc vào độ dịch
chuyển x của đầu lò xo với vị trí tự nhiên, lực hấp dẫn F (r ) G
m1.m2
Do đó: A
m
d (v 2 )
2
m 2
(v2 v12 )
2
Ta gọi
(1)
m 2
v là động năng. Ta có định lí động năng: “Biến thiên động năng của
2
chất điểm bằng công của lực tác dụng”.
Mặc khác, ta dễ dàng tìm được nguyên hàm V(x) của biểu thức F(x), tức là:
F ( x)
dV ( x)
dx
Tích phân biểu thức trên ta được: A V ( x2 ) V ( x1 )
(2)
Hay:
m 2
m
v2 Wt (M 2 ) v12 Wt (M 1 )
2
2
Tổng của động năng Wđ
(4)
m 2
v và thế năng Wt (M ) gọi là cơ năng W của chất
2
điểm. Phương trình (4) có nghĩa là W const . Tức là: Cơ năng của chất điểm chỉ chịu tác
dụng của lực thế được bảo toàn, hoặc cơ năng của vật trong trường lực thế được bảo toàn.
Nếu ta gộp cả vật sinh ra trường ấy vào trong hệ ta xét thì ta có một hệ cô lập, và có thể
Các ĐLBT trong SGK Vật Lý 10 cơ bản
21
SVTH: Trương Hồng Phi
Luận văn tốt nghiệp
GVHD: ThS Lê Văn Nhạn
của điện từ trường, năng lượng bức xạ…Đáng kinh ngạc nhất là Einstein đã phát hiện ra
một dạng năng lượng mới mà Vật lí cổ điển chưa hề biết đến, đó là năng lượng nghỉ của
khối lượng m0 đứng yên W0 m0 c 2 . Như vậy theo cách nói của Triết học thì vật chất
luôn luôn gắn với biến đổi, tức là “vận động” theo nghĩa rộng nhất. Theo Thuyết tương
đối của Einstein thì một lượng vật chất đo bằng khối lượng tương đối m luôn tỉ lệ với một
lượng xác định W của một đại lượng gọi là năng lượng tương đối: W mc 2 , với c là vận
tốc ánh sáng trong chân không. Có thể định nghĩa năng lượng trong các trường hợp riêng
Các ĐLBT trong SGK Vật Lý 10 cơ bản
22
SVTH: Trương Hồng Phi
Luận văn tốt nghiệp
GVHD: ThS Lê Văn Nhạn
như ta đã làm, nhưng không thể định nghĩa một cách tổng quát. Chỉ có thể nói như nhà
vật lí học Faynman rằng: “Nếu một hệ là cô lập, thì có một đại lượng vô hướng (một số)
gắn với nó được bảo toàn, đó là năng lượng”.
Định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng bao trùm lên mọi hiện tượng của thế
giới. Năng lượng có nhiều dạng, nếu trong một lĩnh vực, hiện tượng nào, ví dụ Vật lí cổ
điển, không có sự biến đổi các hạt nhân, hạt cơ bản, thì năng lượng nghỉ không biến đổi
nên coi như không có. Ta có sự bảo toàn của tổng các dạng năng lượng cổ điển trong quá
trình chuyển hóa.
V. SỰ ĐỒNG TÍNH CỦA KHÔNG GIAN VÀ ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN
ĐỘNG LƯỢNG
Trên đây ta đã thấy rằng biểu thức của lực chỉ phụ thuộc vào tọa độ của các chất
Đây chính là biểu thức của định luật III Newton: lực và phản lực là hai lực trực
đối.
Kết hợp với định luật II Newton, ta suy ra định luật bảo toàn động lượng. Dạng
thứ hai của định luật II Newton:
Các ĐLBT trong SGK Vật Lý 10 cơ bản
23
SVTH: Trương Hồng Phi
Luận văn tốt nghiệp
GVHD: ThS Lê Văn Nhạn
d pi
Fi
dt
(5)
trong đó p i m. v i theo định nghĩa là động lượng của chất điểm mi có vận tốc v i
Xét hệ cô lập gồm n chất điểm, ta viết n phương trình của (5) và cộng lại:
tổng động lượng của hệ.
Vậy:
dp
0 , nghĩa là: p const
dt
(7)
Như vậy: Tổng động lượng của một hệ cô lập được bảo toàn. Đẳng thức (7)
tương đương với ba đẳng thức sau:
p x const ; p y const ; p z const
Nếu hệ không cô lập nhưng các ngoại lực đều song song với một phương nào đó,
ví dụ phương z chẳng hạn, thì khi chiếu (6) xuống hai trục Ox và O y ta có:
F
ix
p
Do đó:
ix
6.1. Nhiệt năng
Xét một vật, nhiệt năng của vật (năng lượng chuyển động nhiệt) có giá trị bằng
tổng động năng của tất cả các phân tử tham gia chuyển nhiệt cấu thành vật ấy. Trong vật,
ngoài tổng động năng còn có thế năng tương tác giữa các phân tử với nhau. Khi xét khí lí
tưởng, ta bỏ qua thế năng tương tác ấy.
- Năng lượng ứng với một bậc tự do của một phân tử khí:
Các ĐLBT trong SGK Vật Lý 10 cơ bản
24
SVTH: Trương Hồng Phi
Luận văn tốt nghiệp
GVHD: ThS Lê Văn Nhạn
1
2
kT
- Nhiệt năng là dạng năng lượng do chuyển động nhiệt tạo thành. Bao gồm:
+ Chuyển động tịnh tiến: 3 bậc tự do.
+ Chuyển động quay: 3 bậc tự do.
+ Dao động: 1 bậc tự do ứng với thế năng và 1 bậc tự do ứng với động năng.
6.1.1. Khí đơn nguyên tử
Ví dụ: He, Ne, Ar…: phân tử khí loại này chỉ gồm một nguyên tử. Ta coi chúng là
chất điểm. Động năng chỉ có ở chuyển động tịnh tiến. Động năng ứng với chuyển quay
không có. Nhiệt năng của khí được tính theo công thức:
E0
6.2. Nhiệt dung riêng của khí lí tưởng và công thức tính nhiệt lượng
6.2.1. Nhiệt dung riêng của khí lí tưởng
6.2.1.1. Nhiệt dung riêng của một chất bất kì
Các ĐLBT trong SGK Vật Lý 10 cơ bản
25
SVTH: Trương Hồng Phi
Copyright: Tài liệu đại học ©