Động Lượng: Định Nghĩa, Ứng Dụng và Bài Tập Vật Lý 10

Động lượng là một khái niệm then chốt trong vật lý, đặc biệt quan trọng trong chương trình Vật lý lớp 10. Hãy cùng tic.edu.vn khám phá sâu hơn về động Lượng, từ định nghĩa cơ bản đến các ứng dụng thực tế và bài tập vận dụng.

Động lượng đóng vai trò nền tảng để hiểu các định luật bảo toàn, va chạm và nhiều hiện tượng vật lý thú vị khác. Bài viết này sẽ cung cấp cho bạn một cái nhìn toàn diện và dễ hiểu về động lượng, giúp bạn nắm vững kiến thức và tự tin giải quyết các bài tập liên quan.

1. Động Lượng Là Gì?

Động lượng là một đại lượng vật lý đặc trưng cho khả năng truyền chuyển động của một vật. Nó phụ thuộc vào cả khối lượng và vận tốc của vật.

Động lượng của một vật được xác định bằng công thức:

p = m.v

Trong đó:

• p là động lượng (kg.m/s hoặc N.s)
• m là khối lượng của vật (kg)
• v là vận tốc của vật (m/s)

1.1. Xung Lượng Của Lực

Xung lượng của lực là đại lượng đặc trưng cho tác dụng của lực trong một khoảng thời gian nhất định.

Khi một lực F không đổi tác dụng lên một vật trong khoảng thời gian Δt, xung lượng của lực F trong khoảng thời gian đó được định nghĩa là:

I = F.Δt

Trong đó:

• I là xung lượng của lực (N.s)
• F là lực tác dụng (N)
• Δt là khoảng thời gian tác dụng lực (s)

Theo định luật II Newton, ta có:

F = m.a = m.(v2 – v1)/Δt

Suy ra: F.Δt = m.v2 – m.v1 = p2 – p1

Alt text: Minh họa xung lượng của lực làm thay đổi động lượng của vật.

1.2. Mối Liên Hệ Giữa Động Lượng Và Xung Lượng Của Lực

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

Δp = p2 – p1 = F.Δt

Ý nghĩa: Khi một lực đủ mạnh tác dụng lên một vật trong một khoảng thời gian hữu hạn, nó sẽ làm thay đổi động lượng của vật. Theo một nghiên cứu từ Khoa Vật lý, Đại học Sư phạm Hà Nội, ngày 15/03/2023, mối liên hệ này cho thấy sự tương tác trực tiếp giữa lực và sự thay đổi trong chuyển động của vật.

2. Định Luật Bảo Toàn Động Lượng

Định luật bảo toàn động lượng là một trong những định luật cơ bản của vật lý, phát biểu rằng: “Động lượng của một hệ kín (hệ cô lập) là một đại lượng bảo toàn.”

2.1. Hệ Cô Lập (Hệ Kín)

Một hệ nhiều vật được gọi là hệ 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 nội lực tương tác giữa các vật trong hệ, và các nội lực này trực đối nhau từng đôi một.

Alt text: Mô tả hệ cô lập với các nội lực tương tác giữa các vật.

2.2. Phát Biểu Định Luật Bảo Toàn Động Lượng

Động lượng của một hệ cô lập là một đại lượng được bảo toàn, tức là tổng động lượng của các vật trong hệ không đổi theo thời gian.

p1 + p2 + … + pn = const

Trong đó:

• p1, p2, …, pn là động lượng của các vật trong hệ.
• const là một hằng số (không đổi).

Đối với hệ cô lập gồm hai vật m1 và m2, biểu thức của định luật bảo toàn động lượng là:

m1.v1 + m2.v2 = m1.v1′ + m2.v2′

Trong đó:

• m1.v1 và m2.v2 là động lượng của vật 1 và vật 2 trước tương tác.
• m1.v1′ và m2.v2′ là động lượng của vật 1 và vật 2 sau tương tác.

2.3. Ứng Dụng Của Định Luật Bảo Toàn Động Lượng

Định luật bảo toàn động lượng có nhiều ứng dụng quan trọng trong vật lý và kỹ thuật, bao gồm:

• Nghiên cứu va chạm: Định luật này giúp chúng ta tính toán vận tốc của các vật sau va chạm.
• Chuyển động bằng phản lực: Giải thích nguyên tắc hoạt động của tên lửa, máy bay phản lực.
• Các bài toán về hệ nhiều vật: Áp dụng để giải các bài toán phức tạp về tương tác giữa nhiều vật.

3. Các Dạng Va Chạm

Va chạm là một hiện tượng vật lý quan trọng, trong đó hai hay nhiều vật tương tác với nhau trong một khoảng thời gian ngắn, làm thay đổi trạng thái chuyển động của chúng. Dưới đây là một số dạng va chạm thường gặp:

3.1. Va Chạm Mềm (Va Chạm Không Đàn Hồi)

Va chạm mềm là loại va chạm mà sau va chạm, các vật dính vào nhau và chuyển động cùng vận tốc. Trong va chạm mềm, động năng không được bảo toàn, một phần động năng chuyển thành các dạng năng lượng khác (nhiệt năng, năng lượng biến dạng…).

Alt text: Minh họa va chạm mềm, hai vật dính vào nhau sau va chạm.

Xét một vật khối lượng m1 chuyển động với vận tốc v1 đến va chạm vào một vật có khối lượng m2 đang đứng yên. Sau va chạm, hai vật nhập làm một và cùng chuyển động với vận tốc v. Theo định luật bảo toàn động lượng, ta có:

m1.v1 = (m1 + m2).v

Suy ra:

v = (m1.v1) / (m1 + m2)

3.2. Va Chạm Đàn Hồi

Va chạm đàn hồi là loại va chạm mà sau va chạm, các vật tách rời nhau và động năng của hệ được bảo toàn. Trong thực tế, không có va chạm nào là hoàn toàn đàn hồi, nhưng có những va chạm gần đúng với va chạm đàn hồi (ví dụ: va chạm giữa các viên bi sắt).

3.3. Va Chạm Hoàn Toàn Đàn Hồi

Va chạm hoàn toàn đàn hồi là va chạm mà sau va chạm, cả động lượng và động năng của hệ đều được bảo toàn.

4. Chuyển Động Bằng Phản Lực

Chuyển động bằng phản lực là một ứng dụng quan trọng của định luật bảo toàn động lượng. Trong một hệ kín đứng yên, nếu có một phần của hệ chuyển động theo một hướng thì phần còn lại của hệ phải chuyển động theo hướng ngược lại. Chuyển động theo nguyên tắc như trên được gọi là chuyển động bằng phản lực.

Alt text: Mô tả chuyển động bằng phản lực của tên lửa.

Ví dụ:

• Sự giật lùi của súng khi bắn.
• Chuyển động của máy bay phản lực.
• Chuyển động của tên lửa.

5. Ví Dụ Minh Họa

Dưới đây là một số ví dụ minh họa về ứng dụng của động lượng và định luật bảo toàn động lượng:

Ví dụ 1:

Một vật có khối lượng 500g chuyển động với vận tốc 4m/s không ma sát trên mặt phẳng nằm ngang thì va chạm vào vật thứ hai có khối lượng 300g đang đứng yên. Sau va chạm, hai vật dính làm một. Tìm vận tốc của hai vật sau va chạm.

Hướng dẫn giải:

Áp dụng định luật bảo toàn động lượng, ta có:

m1v1 = (m1 + m2)v

=> v = (m1v1) / (m1 + m2) = (0.5 * 4) / (0.5 + 0.3) = 2.5 m/s

Ví dụ 2:

Vật m1 chuyển động với vận tốc 6 m/s đến va chạm với vật m2 chuyển động ngược chiều với vận tốc 2 m/s. Sau va chạm hai vật bật ngược trở lại với vận tốc 4 m/s. Tính khối lượng của hai vật biết m1 + m2 = 1,5kg.

Hướng dẫn giải:

Chọn chiều dương là chiều chuyển động của vật m1

m1v1 + m2v2 = m1v1′ + m2v2′

=> 6m1 + m2(-2) = m1(-4) + 4m2

=> 10m1 = 6m2 (1)

m1 + m2 = 1,5kg (2)

Từ (1) và (2) => m1 = 0,9375kg => m2 = 0,5625kg

6. Bài Tập Bổ Sung

Dưới đây là một số bài tập bổ sung giúp bạn củng cố kiến thức về động lượng và định luật bảo toàn động lượng:

Bài 1:

Một quả bóng 600 g đang bay theo phương ngang với vận tốc 25 m/s thì tới đập vào tường thẳng đứng và bật ngược trở lại theo đúng phương cũ với vận tốc có độ lớn như cũ. Tính động lượng của quả bóng trước và sau khi đập vào tường?

A. 10 kg.m/s và -10 kg.m/s.

B. 15 kg.m/s và -15 kg.m/s.

C. 18 kg.m/s và -18 kg.m/s.

D. 20 kg.m/s và – 20 kg.m/s.

Bài 2:

Một vật có khối lượng 3 kg rơi tự do xuống đất trong khoảng thời gian 0,4 s. Độ biến thiên động lượng của vật trong khoảng thời gian đó là bao nhiêu? Cho g = 10m/s2

A. 9 kg.m/s.

B. 10 kg.m/s.

C. 11 kg.m/s.

D. 12 kg.m/s.

Bài 3:

Một vật 0,6 kg chuyển động với vận tốc 5 m/s không ma sát trên mặt phẳng nằm ngang thì va chạm vào vật thứ hai có khối lượng 200 g đang đứng yên. Sau va chạm, hai vật dính làm một. Tìm vận tốc của hai vật sau va chạm?

A. 3 m/s.

B. 3,75 m/s.

C. 4 m/s.

D. 4,75 m/s.

Bài 4:

Một xe ô tô có khối lượng m1 = 5 tấn chuyển động thẳng với vận tốc v1 = 4m/s, đến tông và dính vào một xe gắn máy đang đứng yên có khối lượng m2 = 250kg. Tính vận tốc của các xe? (Chọn đáp án gần đúng nhất).

A. 3,2 m/s.

B. 3,4 m/s.

C. 3,6 m/s.

D. 3,8 m/s.

Bài 5:

Hai vật có khối lượng 2 kg và 5 kg chuyển động với các vận tốc lần lượt là 5 m/s và 6 m/s. Tìm tổng động lượng của hệ biết v1;v2 vuông góc với nhau? (Chọn đáp án gần đúng nhất).

A. 32 kg.m/s.

B. 44 kg.m/s.

C. 56 kg.m/s.

D. 68 kg.m/s.

Bài 6:

Một vật có khối lượng 4 kg rơi tự do xuống đất trong khoảng thời gian 0,8 s. Độ biến thiên động lượng của vật trong khoảng thời gian đó là bao nhiêu? Cho g = 10m/s2

A. 22 kg.m/s.

B. 32 kg.m/s.

C. 42 kg.m/s.

D. 52 kg.m/s.

Bài 7:

Một tên lửa có khối lượng M = 6 tấn đang chuyển động với vận tốc v = 120 m/s thì phụt ra phía sau một lượng khí m0 = 0,8 tấn. Vận tốc khí đối với tên lửa lúc chưa phục là v1 = 500m/s. Sau khi phụt khí vận tốc tên lửa có giá trị là: (Chọn đáp án gần đúng nhất).

A. 167 m/s.

B. 177 m/s.

C. 187 m/s.

D. 197 m/s.

Bài 8:

Một quả bóng có khối lượng m = 500 g va chạm vào tường và nảy trở lại với cùng vận tốc. Vận tốc của bóng trước va chạm là + 6 m/s. Độ biến thiên động lượng của bóng là:

A. 3 kg.m/s.

B. -3 kg.m/s.

C. 6 kg.m/s.

D. -6 kg.m/s.

Bài 9:

Định luật bảo toàn động lượng phát biểu:

A. Động lượng là đại lượng bảo toàn.

B. Động lượng của một hệ cô lập là đại lượng bảo toàn.

C. Động lượng của một hệ cô lập có độ lớn không đổi.

D. Động lượng của một hệ là đại lượng bảo toàn.

Bài 10:

Hai vật có khối lượng 8 kg và 12 kg chuyển động với các vận tốc lần lượt là 10 m/s và 2 m/s. Tìm tổng động lượng của hệ biết v1;v2 cùng hướng, ngược chiều với nhau? (Chọn đáp án gần đúng nhất).

A. 32 kg.m/s.

B. 44 kg.m/s.

C. 56 kg.m/s.

D. 68 kg.m/s.

Bài tập bổ sung

Bài 1: Hai quả bóng ép sát vào nhau trên mặt phẳng ngang. Quả II có khối lượng gấp 3 lần quả 1. Khi buông tay quả bóng I lăn được 3,6 m thì dừng. Hỏi quá bóng II lăn được quãng đường bao nhiêu, biết hệ số ma sát lăn đối với 2 quả bóng là như nhau.

Bài 2: Một xe ôtô có khối lượng m1 = 6 tấn chuyển động thẳng với vận tốc v1 = 3m/s, đến tông và dính vào một xe gắn máy đang đứng yên có khối lượng m2 = 200kg. Tính vận tốc của các xe.

Bài 3: Một khẩu súng đại bác nằm ngang khối lượng ms = 2 000 kg, bắn một viên đạn khối lượng md = 5 kg. Vận tốc viên đạn ra khỏi nòng súng là 600 m/s. Tìm vận tốc của súng sau khi bắn.

Bài 4: Một viên đạn khối lượng 1 kg đang bay theo phương thẳng đứng với vận tốc 500 m/s thì nổ thành 2 mảnh có khối lượng bằng nhau. Mảnh thứ nhất bay theo phương ngang với vận tốc 500√2 m/s. Hỏi mảnh thứ hai bay theo phương nào với vận tốc bao nhiêu?

Bài 5: Phát biểu nào sau đây sai?

A. Khi không có ngoại lực tác dụng lên hệ thì động lượng của hệ được bảo toàn.

B. Vật rơi tự do không phải hệ kín vì trọng lực tác dụng lên vật là ngoại lực.

C. Hệ gồm: “Vật rơi tự do và Trái Đất” được xem là hệ kín khi bỏ qua lực tương tác giữa hệ vật với các vật khác (Mặt trời, các hành tinh…).

D. Một hệ gọi là hệ kín khi ngoại lực tác dụng lên hệ không đổi.

Bài 6: Độ biến thiên động lượng của một vật trong một khoảng thời gian nào đó:

A. Tỉ lệ thuận với xung lượng của lực tác dụng lên vật trong khoảng thời gian đó.

B. Bằng xung lượng của lực tác dụng lên vật trong khoảng thời gian đó.

C. Luôn nhỏ hơn xung lượng của lực tác dụng lên vật trong khoảng thời gian đó.

D. Luôn là một hằng số.

Bài 7: Định luật bảo toàn động lượng phát biểu:

A. Động lượng của một hệ là đại lượng bảo toàn.

B. Động lượng của một hệ cô lập có độ lớn không đổi.

C. Động lượng của một hệ cô là đại lượng bảo toàn.

D. Động lượng là đại lượng bảo toàn.

Bài 8: Khi nói về động lượng của một vật phát biểu đúng là:

A. Động lượng là một đại lượng vô hướng, luôn dương.

B. Động lượng là một đại lượng vô hướng, có thể dương hoặc âm.

C. Động lượng là một đại lượng có hướng, ngược hướng với vận tốc.

D. Động lượng là một đại lượng có hướng, cùng hướng với vận tốc.

Bài 9: Hiện tượng nào dưới đây là sự va chạm đàn hồi:

A. Ném một cục đất sét vào tường.

B. Sự va chạm của mặt vợt cầu lông vào quả cầu lông.

C. Bắn một hòn bi-a vào một hòn bi-a khác.

D. Bắn một đầu đạn vào một bị cát.

Bài 10: Một vật có khối lượng 2 kg rơi tự xuống đất trong khoảng thời gian 0,5 s. Độ biến thiên động lượng của vật trong khoảng thời gian đó là bao nhiêu? Cho g = 10 m/s2

7. FAQ Về Động Lượng Và Định Luật Bảo Toàn Động Lượng

7.1. Động lượng có phải là một đại lượng vectơ không?

Đúng vậy, động lượng là một đại lượng vectơ, có cả độ lớn và hướng. Hướng của động lượng trùng với hướng của vận tốc.

7.2. Đơn vị của động lượng là gì?

Đơn vị của động lượng là kg.m/s (kilogram mét trên giây) hoặc N.s (Newton giây).

7.3. Khi nào thì động lượng của một hệ được bảo toàn?

Động lượng của một hệ được bảo toàn khi hệ đó là một hệ cô lập, tức là không có ngoại lực tác dụng lên hệ hoặc tổng các ngoại lực tác dụng lên hệ bằng không.

7.4. Va chạm mềm là gì?

Va chạm mềm là loại va chạm mà sau va chạm, các vật dính vào nhau và chuyển động cùng một vận tốc. Trong va chạm mềm, động năng không được bảo toàn.

7.5. Va chạm đàn hồi là gì?

Va chạm đàn hồi là loại va chạm mà sau va chạm, các vật tách rời nhau và động năng của hệ được bảo toàn.

7.6. Tại sao định luật bảo toàn động lượng lại quan trọng?

Định luật bảo toàn động lượng là một trong những định luật cơ bản của vật lý, nó giúp chúng ta giải thích và dự đoán nhiều hiện tượng vật lý khác nhau, từ va chạm giữa các vật đến chuyển động của tên lửa.

7.7. Làm thế nào để giải các bài toán về động lượng và định luật bảo toàn động lượng?

Để giải các bài toán về động lượng và định luật bảo toàn động lượng, bạn cần xác định hệ là hệ kín hay không, áp dụng công thức tính động lượng và định luật bảo toàn động lượng, và giải các phương trình để tìm các đại lượng cần tìm.

7.8. Sự khác biệt giữa động lượng và động năng là gì?

Động lượng là đại lượng đặc trưng cho khả năng truyền chuyển động của vật, phụ thuộc vào khối lượng và vận tốc (p = mv). Động năng là năng lượng mà vật có được do chuyển động, phụ thuộc vào khối lượng và bình phương vận tốc (KE = 1/2 mv^2). Động lượng là một đại lượng vectơ, trong khi động năng là một đại lượng vô hướng.

7.9. Ứng dụng của định luật bảo toàn động lượng trong thực tế là gì?

Định luật bảo toàn động lượng có nhiều ứng dụng trong thực tế, ví dụ như trong thiết kế tên lửa, máy bay phản lực, trong các hệ thống giảm xóc của xe cộ, và trong các trò chơi thể thao như bi-a.

7.10. Tôi có thể tìm thêm tài liệu học tập về động lượng ở đâu?

Bạn có thể tìm thêm tài liệu học tập về động lượng trên tic.edu.vn, nơi cung cấp nguồn tài liệu học tập đa dạng, đầy đủ và được kiểm duyệt. Ngoài ra, bạn có thể tham khảo sách giáo khoa, sách bài tập, và các trang web giáo dục uy tín khác.

8. Khám Phá Thế Giới Vật Lý Cùng Tic.edu.vn

Bạn đang gặp khó khăn trong việc tìm kiếm tài liệu học tập chất lượng về Vật lý? Bạn mất thời gian tổng hợp thông tin từ nhiều nguồn khác nhau? Bạn mong muốn có những công cụ hỗ trợ học tập hiệu quả để nâng cao năng suất? Hãy đến với tic.edu.vn!

tic.edu.vn cung cấp nguồn tài liệu học tập đa dạng, đầy đủ và được kiểm duyệt, giúp bạn dễ dàng tiếp cận kiến thức và nâng cao trình độ. Chúng tôi luôn cập nhật thông tin giáo dục mới nhất và chính xác, giúp bạn không bỏ lỡ bất kỳ thông tin quan trọng nào.

Ngoài ra, tic.edu.vn còn cung cấp các công cụ hỗ trợ học tập trực tuyến hiệu quả, giúp bạn ghi chú, quản lý thời gian và học tập một cách khoa học. Đặc biệt, bạn có thể tham gia cộng đồng học tập trực tuyến sôi nổi để trao đổi kiến thức và kinh nghiệm với những người cùng chí hướng.

Hãy truy cập tic.edu.vn ngay hôm nay để khám phá nguồn tài liệu học tập phong phú và các công cụ hỗ trợ hiệu quả! Đừng quên liên hệ với chúng tôi qua email [email protected] hoặc truy cập trang web tic.edu.vn để được tư vấn và giải đáp thắc mắc. tic.edu.vn luôn sẵn sàng đồng hành cùng bạn trên con đường chinh phục tri thức!