Bài giảng Vật lý đại cương A - Chương 1: Đọng học chất điểm - Lê Văn Dũng

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM Vietnam National University of Agriculture Giảng viên: Lê Văn Dũng Bộ môn vật lý - Khoa Công nghệ thông tin 2 HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM Vietnam National University of Agriculture 1. Thời gian học: 10 tuần + 1 tuần dự trữ (Nếu cần) 2. Thời lượng: 2 tín chỉ = 30 tiết 3. Đánh giá môn học: Điểm chuyên cần (10 %) + Điểm giữa kỳ (30 %) + Điểm thi cuối kỳ (60 %) 4. Điểm giữa kỳ = (Bài KTGK + Thực tập)/ 2 5. Thực tập bắt buộc, không thực tập thì điểm chuyên cần và điểm giữa kỳ bị 0 điểm. 6. Hình thức kiểm tra và thi: Thi viết (Lý thuyết + bài tập) 7. Kiểm tra giữa kỳ: Tuần thứ 7 (Từ chương 1 - chương 5) 8. Thi cuối kỳ: Lịch Học viện (Từ chương 6 - chương 10) Bài mở đầu 3 HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM Vietnam National University of Agriculture Chương 1: Động học chất điểm Chương 2: Động lực học chất điểm Chương 3: Cơ học hệ chất điểm và vật rắn Chương 4: Công và năng lượng Chương 5: Cơ học chất lưu Chương 6: Dao động và sóng cơ Chương 7: Nhiệt học Chương 8: Trạng thái lỏng và biến đổi pha Chương 9: Trường tĩnh điện Chương 10: Từ trường và Cảm ứng từ 4 HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM Vietnam National University of Agriculture 1. Vật lý đại cương A1, Giáo trình ĐH. Ngô Tất Vĩnh . 1998 2. Vật lý Đại cương. Lương Duyên Bình, Ngô Phú An. NXBGD 1998 + Bài tập 3. University Physics 13th Edition, Young & Freedman – Addison Wesley (2012) 4. Slide bài giảng dưới dạng file pdf. Tải xuống tại web: 5 1. Phép đo. Độ bất định. Các chuẩn Mở đầu Phép đo: Biểu diễn mối quan hệ giữa các đại lượng vật lý một cách định lượng. Độ bất định: Mỗi phép đo có một độ bất định (độ không ổn định) gắn với phép đo. Chuẩn: Các phép đo đại lượng vật lý phải quy về cùng một chuẩn (Đơn vị cơ bản) 6 Một số chuẩn trong vật lý Thời gian: Một giây là thời gian của 9.192.631.770 chu kì của một bức xạ xác định của nguyên tử xêsi 137. Độ dài: Một mét là độ dài mà ánh sáng đi được trong chân không trong một khoảng thời gian bằng 1/299729458 giây. Khối lượng: Một kilogam là khối lượng của một khối trụ platini – iriđi đặc biệt được cất giữ ở gần Paris, Pháp. Mở đầu 7 2. Hệ các đơn vị Mở đầu Hệ đơn vị chuẩn quốc tế (Système International d’unites) - SI Đại lƣợng Đơn vị Kí hiệu Chiều dài Mét M Thời gian Giây s Khối lƣợng Kilôgam kg Cƣờng độ dòng điện Ampe A Nhiệt độ Kenvin K Lƣợng chất Mole Mol Cƣờng độ sáng Candela Cd CHƢƠNG 1: ĐỘNG HỌC CHẤT ĐIỂM §1. Một số khái niệm 8 §2. Vận tốc §3. Gia tốc §4. Vận tốc góc. Gia tốc góc §5. Một số dạng chuyển động cơ HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM Vietnam National University of Agriculture 9 §1. Một số khái niệm Hệ quy chiếu: Vật (hệ vật) coi là đứng yên dùng làm mốc để xác định vị trí của các vật trong không gian Chuyển động cơ học: Sự thay đổi vị trí của vật này đối với vật khác hoặc sự thay đổi vị trí giữa các phần của một vật đối với nhau 1. Chuyển động cơ học và hệ quy chiếu 2. Chất điểm Những vật có khối lượng nhưng kích thước không đáng kể so với những khoảng cách khảo sát. 3. Véctơ tọa độ và phƣơng trình chuyển động (PTCĐ) M z x y O i r j k (1)  xi yj zkr 10 , ,i j kVới : 3 véctơ đơn vị hướng theo 3 trục Ox, Oy, Oz. 2 2 2 (2)  y zr x+ Độ lớn: + Biểu diễn véctơ tọa độ trong Hệ tọa độ Đề các ba chiều: rVéctơ tọa độ ( ): Véctơ được vẽ từ gốc tọa độ đến chất điểm khảo sát. §1. Một số khái niệm Phƣơng trình chuyển động (PTCĐ) ( ) ( ) (3) ( ) x y z x f t M y f t z f t      r M z x y O Ví dụ: Phương trình chuyển động của chất điểm dao động điều hòa: 5cos(4 ) 2   x t 11 ( ) (4)r r t §1. Một số khái niệm 4. Quỹ đạo chuyển động và Phƣơng trình quỹ đạo 2 ( 0)y ax bx c a    12 Ví dụ phương trình quỹ đạo Parapol trong mặt phẳng: Phƣơng trình quỹ đạo: Biểu diễn mối quan hệ giữa các tọa độ không gian của chất điểm. Quỹ đạo chuyển động: Đường cong mà chất điểm vạch ra trong không gian khi chuyển động. §1. Một số khái niệm 5. Hoành độ cong (5)(t)S S 13 0M M ( )C  S + S được gọi là hoành độ cong. Phương trình chuyển động viết theo hoành độ cong: 0M M S + Tại mỗi thời điểm t, vị trí của chất điểm được xác định bởi độ lớn cung + Xét chất điểm M chuyển động trên đường cong (C). Tại thời điểm ban đầu chất điểm ở vị trí M0 §1. Một số khái niệm 6km/h 913 km/h 108.107 km/h 14 §2. Vận tốc Khái niệm tốc độ 120km/h 1. Vận tốc trung bình 2 1  r r r 15 1r 2r r    tb r v t 1M 2Ms 2 1t t t  Sau véctơ tọa độ biến thiên một lượng: 2t 2r + Thời điểm: Chất điểm ở vị trí M2, 1t 1r + Thời điểm: Chất điểm ở vị trí M1, §2. Vận tốc → Tỷ số gọi là véctơ vận tốc trung bình   r t tb v (1)    tb r v t 16 1r 2r r    tb r v t 1M 2Ms tbv+ Ý nghĩa: cho ta biết phương chiều, mức độ nhanh chậm trung bình của chuyển động trong cả khoảng thời gian ∆t    tb r v t + Độ lớn: r+ Có phương và chiều của tbvĐặc điểm của §2. Vận tốc Ví dụ: Một chim bồ câu bay từ Giảng đường Nguyễn Đăng dọc theo đường thẳng Đông - Tây 17 Tìm vận tốc trung bình trong các trƣờng hợp: a. Chim bay 50km từ sảnh về phía Đông trong 1 giờ b. Chim bay 50km từ sảnh về phía Tây trong 1 giờ Tìm tốc độ trung bình trong các trƣờng hợp trên 2 1 2 1 x x v t t     Qu·ng®­êng®· ®i Thêi gian®· ®i u §2. Vận tốc 2. Vận tốc tức thời 0 lim (2) t r dr v t dt       18 Đơn vị: mét/giây (m/s) [Trong hệ SI]; + Km/h; miles/h; 1miles ≈ 1.609 km Định nghĩa: Vận tốc chuyển động của chất điểm là đại lượng được xác định bằng đạo hàm của véctơ tọa độ của chất điểm theo thời gian. 0t + Xét khoảng thời gian vô cùng nhỏ: §2. Vận tốc Nhận xét: Khi , véctơ có phương trùng với tiếp tuyến của quỹ đạo chuyển động của chất điểm 0t  r 19 A B Av Bv Biểu diễn véctơ vận tốc: →Véctơ vận tốc có phương tiếp tuyến với quỹ đạo chuyển động và có chiều cùng chiều chuyển động của chất điểm. §2. Vận tốc 3. Vận tốc trong hệ tọa độ Đềcác ( )       dr d dx dy dz v xi yj zk i j k dt dt dt dt dt 20 Đơn vị: mét/giây (m/s) 2 2 2 x y zv v v v  Độ lớn: , ,x y z dx dy dz v v v dt dt dt       x y zv v i v j v kĐặt: §2. Vận tốc 21 Sự thay đổi vận tốc của một chất điểm chuyển động trong mặt phẳng §2. Vận tốc Ferrari F40 Tăng tốc 0 →100km/h: 4.1 s Mclaren F1 Tăng tốc 0 →100km/h: 3.2 s Koenigsegg CCR Tăng tốc 0 →100km/h: 2.8 s Bugatti Veyron Super Sport Tăng tốc 0 →100km/h: 2.4 s 22 §3. Gia tốc 1. Gia tốc trung bình 2M 1M 1v 2v v 2 1v v v   23 2 1t t t  Sau véctơ vận tốc biến thiên một lượng là: 2t 2 2, vM+ Tại : Chất điểm ở vị trí 1t 1 1, vM+ Tại : Chất điểm ở vị trí Xét chất điểm M chuyển động trên quỹ đạo cong §3. Gia tốc →Tỷ sô ́ gọi là véctơ gia tốc trung bình v t   (1)tb v a t    2M 1M 1v 2v v 24 + Ý nghĩa: Gia tốc trung bình đặc trưng cho sự biến thiên của véctơ vận tốc trong cả khoảng thời gian ∆t tb v a t    + Độ lớn: v+ Có phương và chiều của tbaĐặc điểm của §3. Gia tốc 25 Song song tba 1v 2v 1v 2v v X Y O 1M 2M Song song tba 1v 2v 1v 2v v X Y O 1M 2M Song song tba 1v 2v 1v 2v v X Y O 1M 2M (a) (b) (c) §3. Gia tốc 2. Gia tốc tức thời 0 (2)lim t v dv a t dt      26 Đơn vị: mét /giây bình phương (m/s2) [Trong hệ SI] Định nghĩa: Gia tốc chuyển động của chất điểm là đại lượng được xác định bằng đạo hàm bậc nhất của véctơ vận tốc của chất điểm hoặc đạo hàm bậc hai của véctơ tọa độ theo thời gian. 0t Xét khoảng thời gian vô cùng nhỏ: khi đó: §3. Gia tốc 27 Kết luận v X Y O a Khi một vật chuyển động theo quỹ đạo cong, gia tốc của vật luôn có thành phần hướng về phía lõm của quỹ đạo §3. Gia tốc 3. Gia tốc trong hệ tọa độ Đề các (v )       yx z x y z dvdv dvdv d a i v j v k i j k dt dt dt dt dt 28 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 2 ( ) ( ) ( )x y z d x d y d z a a a a dt dt dt      Độ lớn:   x y za a i a j a kKhi đó: 2 2 2 2 2 2 ; ; yx z x y z dvdv dvd x d y d z a a a dt dt dt dt dt dt      Đặt : §3. Gia tốc 4. Gia tốc tiếp tuyến và gia tốc pháp tuyến a na ta (3)t na a a  29 §3. Gia tốc  Qua 3 điểm A, B, C vẽ 1 đường tròn  Cho C tiến dần về A => đường tròn mật tiếp với quỹ đạo tại điểm A  Bán kính của đường tròn mật tiếp chính là bán kính cong của quỹ đạo tại điểm A Đường tròn mật tiếp Độ lớn: Xác định bằng đạo hàm độ lớn của véctơ vận tốc theo thời gian. (4)/ dtta dv 30 Ý nghĩa: Đặc trưng cho sự thay đổi về độ lớn của véctơ vận tốc. §3. Gia tốc Chiều: Cùng chiều chuyển động khi chuyển động là nhanh dần và ngược chiều chuyển động khi chuyển động là chậm dần. Phƣơng: Trùng với tiếp tuyến của quỹ đạo chuyển động taa. Gia tốc tiếp tuyến b. Gia tốc pháp tuyến na 31 a na ta Ý nghĩa: Đặc trưng cho sự thay đổi về phương của véctơ vận tốc. 2 (5)/ rna vĐộ lớn: Chiều: Hướng về tâm của quỹ đạo chuyển động tròn (Tâm đường tròn mật tiếp) Phƣơng: Vuông góc với tiếp tuyến của quỹ đạo chuyển động của chất điểm §3. Gia tốc 1M 2M S  R 32 §4. Vận tốc góc và gia tốc góc 2 1t t t   S  Sau , chất điểm vạch được một cung tương đương với bán kính R quét được góc + Xét chất điểm chuyển động trên quỹ đạo tròn bán kính R 1. Vận tốc góc Trong chuyển động tròn của vật, thay vì sử dụng độ dời s, vận tốc dài v và gia tốc dài a, ta thường sử dụng đại lượng góc quét θ, vận tốc góc ω và gia tốc góc β. 0 (2)lim t d t dt          33 Khi đó: được gọi là vận tốc góc trung bình: t   (1)tb t      Đơn vị: Trong hệ SI: Radian/giây (rad/s) Định nghĩa: Vận tốc góc có giá trị bằng đạo hàm bậc nhất của góc quét theo thời gian. 0t Xét khoảng thời gian vô cùng nhỏ: khi đó: §4. Vận tốc góc và gia tốc góc Biểu diễn véc tơ vận tốc góc  v R 34 Chiều: Thuận chiều quay của chuyển động (Quy tắc vặn đinh ốc): Quay cái đinh ốc sao cho chiều quay của cái đinh ốc là chiều chuyển động của chất điểm → chiều tiến của cái đinh ốc chính là chiều của véctơ vận tốc góc. Phƣơng: Trùng với trục của vòng tròn quỹ đạo Gốc: Đặt tại tâm của quỹ đạo chuyển động tròn §4. Vận tốc góc và gia tốc góc Liên hệ giữa vận tốc dài và vận tốc góc . S R t t       1 2    M M S R 1M 2M S  R 35 v R Dạng véctơ:   dS d R dt dt  v RCho ∆t→0 ta có: §4. Vận tốc góc và gia tốc góc 2. Gia tốc góc 2 20 (3)lim t d d t dt dt            36      tb t ( 0)t + Xét khoảng thời gian ∆t vô cùng nhỏ . Khi đó: t   tb → Tỷ số: được gọi là véctơ gia tốc góc trung bình 2 1     + Giả sử trong khoảng thời gian: ∆t = t2 – t1 vận tốc góc biến thiêu lượng: §4. Vận tốc góc và gia tốc góc Định nghĩa: Gia tốc góc có giá trị bằng đạo hàm của vận tốc góc theo thời gian hoặc bằng đạo hàm bậc hai của góc quét theo thời gian. 37 ta R + Dạng véctơ: ( )     t dv d R d a R R dt dt dt + Ta có: Liên hệ giữa gia tốc góc và gia tốc tiếp tuyến Đơn vị: Radian/giây2 (rad/s2) §4. Vận tốc góc và gia tốc góc Biểu diễn véctơ gia tốc góc   ta R   ta R 38 2 2 d d dt dt     + Độ lớn: + Chiều: Cùng chiều với véctơ vận tốc góc khi chuyển động là nhanh dần và ngược chiều với véctơ vận tốc góc khi chuyển động là chậm dần. + Phƣơng: Nằm trên trục của vòng tròn quỹ đạo + Gốc: Đặt tại tâm quỹ đạo chuyển động tròn §4. Vận tốc góc và gia tốc góc Chú ý với chuyển động tròn đều còn một số khái niệm 2 (s)T    1 f (Hz) 2T     39 Tần số: Đại lượng đặc trưng cho tính tuần hoàn của chuyển động và được xác định bằng số chu kỳ trong một đơn vị thời gian. Chu kỳ: Thời gian mà chất điểm chuyển động được một vòng tròn §4. Vận tốc góc và gia tốc góc tdv a a const dt    0  t dS v v at dt 2 0 0 1 2   S S v t at 2 2 0 2tv v aS  40 §5. Một số dạng chuyển động cơ đặc biệt 2. Chuyển động thẳng biến đổi đều 1. Chuyển động thẳng đều const  0    t 2 0 0 1 2      t t2 2 0 2t    41 §5. Một số dạng chuyển động đặc biệt 4. Chuyển động rơi tự do 3. Chuyển động tròn biến đổi đều 0 v v gt a g const  2 0 0 1 2 y y v t gt  Độ cao: 2 0 1 2 s v t gt Quãng đường: Hết chƣơng 1