Đề cương ôn tập vật lý đại cương 1 BKHN

Đề cương ôn tập vật lý đại cương 1 BKHN Đề cương ôn tập vật lý đại cương 1 BKHN Đề cương ôn tập vật lý đại cương 1 BKHN Đề cương ôn tập vật lý đại cương 1 BKHN Đề cương ôn tập vật lý đại cương 1 BKHN Đề cương ôn tập vật lý đại cương 1 BKHN Đề cương ôn tập vật lý đại cương 1 BKHN Đề cương ôn tập vật lý đại cương 1 BKHN Đề cương ôn tập vật lý đại cương 1 BKHN Đề cương ôn tập vật lý đại cương 1 BKHN Đề cương ôn tập vật lý đại cương 1 BKHN Đề cương ôn tập vật lý đại cương 1 BKHN Đề cương ôn tập vật lý đại cương 1 BKHN Đề cương ôn tập vật lý đại cương 1 BKHN Đề cương ôn tập vật lý đại cương 1 BKHN Đề cương ôn tập vật lý đại cương 1 BKHN Đề cương ôn tập vật lý đại cương 1 BKHN Đề cương ôn tập vật lý đại cương 1 BKHN Đề cương ôn tập vật lý đại cương 1 BKHN Đề cương ôn tập vật lý đại cương 1 BKHN Đề cương ôn tập vật lý đại cương 1 BKHN Đề cương ôn tập vật lý đại cương 1 BKHN Đề cương ôn tập vật lý đại cương 1 BKHN Đề cương ôn tập vật lý đại cương 1 BKHN

lOMoARcPSD|10804335 VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG (CƠ - NHIỆT) PHẦN 1: CƠ HỌC Cơ học nghiên cứu dạng vận động (chuyển động) tức chuyển đổi vị trí vật vĩ mô Cơ học gồm phần sau: - Động học nghiên cứu đặc trưng chuyển động dạng chuyển động khác - Động lực học nghiên cứu mối liên hệ chuyển động với tương tác vật Tĩnh học phần động lực học nghiên cứu trạng thái cân vật Phần học trình bày chủ yếu sở học cổ điển Newton; nội dung chủ yếu bao gồm: định luật động lực học; định luật Newton nguyên lý tương đối Galilê; ba định luật bảo toàn học (định luật bảo toàn động lượng, bảo toàn mơmen động lượng định luật bảo tồn lượng); hai dạng chuyển động vật rắn (chuyển động tịnh tiến chuyển động quay) Cuối phần giới thiệu thuyết tương đối Einstein Bài mở đầu Đối tượng phương pháp nghiên cứu Vật lý học Vật lý học môn khoa học tự nhiên nghiên cứu dạng vận động tổng quát giới vật chất, từ suy tính chất tổng quát giới vật chất, kết luận tổng quát cấu tạo chất đối tượng vật chất; mục đích Vật lý học nghiên cứu đặc trưng tổng quát vận động cấu tạo vật chất Vật lý học nghiên cứu tính chất, chất, cấu tạo vận động vật thể đồng thời nghiên cứu tính chất, chất trình vận động trường Vật lý (trường điện từ, trường hấp dẫn, trường lượng tử, …) Vật lý học trước hết môn khoa học thực nghiệm Gần trình phát triển Vật lý học, bên cạnh phương pháp thực nghiệm truyền thống, cịn nảy sinh phương pháp tiên đề mơn Vật lý Lý thuyết Do mục đích nghiên cứu tính chất tổng quát giới vật chất, Vật lý học đứng khía cạnh coi sở nhiều mơn khoa học tự nhiên khác Những kết Vật lý học dùng làm sở để giải thích cấu tạo nguyên tử, phân tử, liên kết hoá học … hoá học Vật lý học cung cấp sở để khảo sát trình sống Môn kỹ thuật điện xây dựng sở lý thuyết điện từ trường Vật lý Vật lý học có tác dụng to lớn cách mạng khoa học kỹ thuật Nhờ thành tựu ngành Vật lý, cách mạng khoa học kỹ thuật Downloaded by Con Ca (concaconlonton01@gmail.com) lOMoARcPSD|10804335 tiến bước dài lĩnh vực sau: - Khai thác sử dụng nguồn lượng đặc biệt lượng hạt nhân - Chế tạo nghiên cứu tính chất vật liệu (siêu dẫn nhiệt độ cao, vật liệu vô định hình, vật liệu có kích thước nang …) - Tìm q trình cơng nghệ (cơng nghệ mạch tổ hợp, công nghệ nang …) - Cuộc cách mạng tin học xâm nhập tin học vào ngành khoa học kỹ thuật - Mục đích việc học mơn Vật lý trường đại học kỹ thuật công nghiệp: Cho sinh viên kiến thức Vật lý trình độ đại học - Cho sinh viên sở để học nghiên cứu ngành kỹ thuật - Góp phần rèn luyện phương pháp suy luận khoa học, tư logic, phương pháp nghiên cứu thực nghiệm, tác phong người kỹ sư tương lai - Góp phần xây dựng giới quan khoa học vật biện chứng Hệ đo lường quốc tế SI, Đơn vị thứ nguyên đại lượng Vật lý + Đơn vị Vật lý Đo đại lượng Vật lý chọn đại lượng loại làm chuẩn gọi đơn vị so sánh đại lượng phải đo với đơn vị đó, giá trị đo tỷ số: đại lượng phải đo/đại lượng đơn vị Muốn định nghĩa đơn đại lượng Vật lý người ta cần chọn trước số đơn vị gọi đơn vị - đơn vị khác suy từ đơn vị gọi đơn vị dẫn xuất Tuỳ theo đơn vị chọn trước suy đơn vị dẫn xuất khác Tập hợp đơn vị đơn vị dẫn xuất tương ứng hợp thành hệ đơn vị Năm 1960 nhiều nước giới chọn hệ đơn vị thống gọi hệ SI Hệ đơn vị đo lường hợp pháp nước ta ban hành từ 1965 dựa sở Hệ đơn vị bản: Hệ SI: - Độ dài mét (m) - Khối lượng kilogram (kg) - Thời gian giây (s) - Cường độ dòng điện ampe (A) - Độ sáng candela (Cơ) - Nhiệt độ (tuyệt đối) kelvin (K) - Lượng chất moi (moi) Downloaded by Con Ca (concaconlonton01@gmail.com) lOMoARcPSD|10804335 Đơn vị phụ: - Góc phẳng Radian (rao) - Góc khối Steradian (SI) Một số đơn vị dẫn xuất: - Diện tích Mét vng (m2) - Thể tích Mét khối (m3) - Chu kỳ Giây (s) - Tần số Héc (Hz) - Vận tốc Mét giây (m/s) - Gia tốc Mét giây bình phương (m/s2) - Lực Nguồn (N) - Năng lượng Jun (J) - Công suất Oát (W) - Áp suất Pascal (Pa) - Điện tích Cu lơng (C) - Hiệu điện Vôn (V) - Cường độ điện trường Vôn/mét (V/m) - Điện dung Fara (F) - Cảm ứng từ Tesla (T) - Từ thông Vêbe (Wb) - Tự cảm Henry (H) + Thứ nguyên: Từ đơn vị bản, ta định nghĩa đơn vị dẫn suất Việc định nghĩa dựa vào khái niệm gọi thứ nguyên Thứ nguyên đại lượng quy luật nêu lên phụ thuộc đơn vị đo đại lượng vào đơn vị Để cho cách viết đơn giản ta ký hiệu: [độ dài] = L [thời gian] = T [khối lượng] = M [diện tích] = L2 [thể tích] = L3 [vận tốc] = LT-1 [gia tốc] = LT-2 [khối lượng riêng] = ML-3 Downloaded by Con Ca (concaconlonton01@gmail.com) lOMoARcPSD|10804335 [lực] = MLT-2 [công] = ML2T-2 Khi viết biểu thức, công thức Vật lý, ta cần ý quy tắc sau: - Các số hạng tổng (đại số) phải có thứ nguyên - Hai vế cơng thức, phương trình Vật lý phải có thứ nguyên Downloaded by Con Ca (concaconlonton01@gmail.com) lOMoARcPSD|10804335 CHƯƠNG ĐỘNG HỌC CHẤT ĐIỂM 1.1 Chuyển động học, Hệ quy chiếu 1.1.1 Định nghĩa chuyển động học Chuyển động học chuyển dời vị trí khơng gian vật chuyển động phận so với phận khác vật Ví dụ: chuyển động thiên thể bầu trời, chuyển động xe ô tô đường, chuyển động thoi máy dệt, … Nói vật chuyển động hay đứng n điều có tính chất tương đối điều cịn phụ thuộc vào việc người quan sát đứng vị trí Thật vậy, ta đứng bên đường quan sát ta thấy đứng yên, ta ngồi tơ chuyển động ta thấy chuyển động Điều tương tự xảy quan sát bầu trời: ta thấy đất đứng yên mặt trời, mặt trăng quay quanh trái đất Tóm lại, chuyển động có tính chất tương đối phụ thuộc vào vị trí mà ta đứng quan sát chuyển động Thực vũ trụ khơng có vật đứng n cách tuyệt đối, vật chuyển động không ngừng V vậy, nói vật chuyển động ta phải nói rõ vật chuyển động so với vật mà ta quy ước đứng yên 1.1.2 Hệ quy chiếu Vật hay hệ vật mà ta quy ước đứng yên nghiên cứu chuyển động vật khác gọi hệ quy chiếu Với chuyển động hệ quy chiếu khác xảy khác Ví dụ: xét chuyển động điểm M nằm vành xe chạy, chọn hệ quy chiếu xe đạp ta thấy chuyển động điểm chuyển động trịn đều, cịn hệ quy chiếu mặt đường điểm M tham gia chuyển động phức tạp tổng hợp hai chuyển động: chuyển động tròn xe chuyển động thăng xe mặt đường Khi xét chuyển động cụ thể ta thường chọn hệ quy chiếu cho chuyển động mô tả đơn giản Để mô tả chuyển động mặt đất, ta thường chọn hệ quy chiếu đất vật gắn liền với đất Ví dụ: nghiên cứu chuyển động đạn pháo ta chọn hệ quy chiếu mặt đất hay pháo Khi nghiên cứu chuyển động hành tinh hệ quy chiếu đất ta thấy chuyển động hành tinh phức tạp nhiều kỷ nhà thiên văn khơng thể tìm quy luật chuyển động hành tinh Mãi đến đầu Downloaded by Con Ca (concaconlonton01@gmail.com) lOMoARcPSD|10804335 kỷ 17, nhờ sử dụng hệ quy chiếu mặt trời (hệ quy chiếu Copemic), Kepler tìm quy luật đắn mô tả chuyển động hành tinh hệ mặt trời Cần ý chuyển động mô tả khác hệ quy chiếu khác biết chuyển động tương đối hệ quy chiếu từ cách mô tả chuyển động hệ quy chiếu suy cách mơ tả chuyển động hệ quy chiếu Ví dụ: Khi biết chuyển động tròn điểm vành xe đạp biết chuyển động xe đạp mặt đường ta mơ tả chuyển động điểm vành xe mặt đường Vì chuyển động xảy không gian theo thời gian nên để mơ tả chuyển động trước tiên phải tìm cách định vị vật không gian Muốn vật ta phải đưa thêm vào hệ quy chiếu hệ toạ độ Trong Vật lý người ta sử dụng nhiều hệ toạ độ khác Ở đây, giới thiệu hai hệ toạ độ hay dùng hệ toạ độ Đề-các (Descartes) hệ toạ cầu a Hệ tọa độ Descartes Hệ toạ độ Descartes gồm trục Ox, Oy, Oz tương ứng vng góc với đơi một, chúng tạo thành tam diện thuận Điểm O gọi gốc toạ độ Vị trí điểm M hồn r tồn xác định bán kính vectơ r , hay tập hợp r số (x,y,z) r hình chiếu điểm mút M vectơ lên trục Ox, Oy, Oz tương ứng, gọi toạ độ điểm M hệ toạ độ Descartes b Hệ tọa độ cầu Trong hệ toạ độ cầu, vị trí điểm M xác định toạ độ r, r θ, φ Trong đó, r độ dài bán kính vectơ, θ góc trục Oz r , cịn φ góc trục Ox tia hình chiếu t mặt phẳng xOy Biết ba toạ độ cầu điểm M, ta tính toạ độ Descartes điểm M theo công thức sau: Downloaded by Con Ca (concaconlonton01@gmail.com) lOMoARcPSD|10804335 Trong hệ toạ độ cầu: ≤ θ ≤ 1800 ≤ φ ≤ 3600 Các đường tròn ứng với giá trị e gọi Các đường vĩ tuyến, đường tròn ứng với giá trị φ gọi đường kinh tuyến Hệ toạ độ cầu thuận tiện định vị địa điểm đất 1.1.3 Chất điểm Vật rắn Để mơ tả chuyển động hạt có kích thước, cần phải biết rõ chuyển động điểm vật Tuy nhiên, kích thước vật nhỏ so với khoảng cách dịch chuyển mà ta xét điểm vật dịch chuyển gần nhau, mơ tả chuyển động vật chuyển động điểm Trong trường hợp ta coi vật chất điểm, tức điểm hình học lại có khối lượng khối lượng vật (khơng có kích thước có khối lượng) Ví dụ: Khi xét chuyển động đất quanh mặt trời ta xem chuyển động chuyển động chất điểm Trái lại, xét chuyển động tự quay quanh đất ta khơng thể xem chuyển động chuyển động chất điểm Trong nhiều trường hợp nhờ có khái niệm chất điểm mà việc nghiên cứu chuyển động vật trở nên đơn giản nhiều Một tập hợp chất điểm gọi hệ chất điểm Vật rắn hệ chất điểm khoảng cách tương hỗ chất điểm hệ khơng thay đổi 1.1.4 Phương trình chuyển động phương trình quỹ đạo chất điểm a Phương trình chuyển động Để xác định chuyển động chất điểm cần biết vị trí chất điểm thời điểm khác Nói cách khác, cần biết phụ thuộc theo thời gian bán kính vectơ r chất điểm: Phương trình biểu diễn vị trí chất điểm theo thời gian gọi phương trình chuyển động chất điểm Trong hệ toạ độ Descartes, phương trình chuyển động chất điểm hệ Downloaded by Con Ca (concaconlonton01@gmail.com) lOMoARcPSD|10804335 gồm phương trình: Tương tự hệ toạ độ cầu, phương trình chuyển động chất điểm là: Ví dụ: phương trình chuyển động chất điểm hệ toạ độ Descartes: b Phương trình quỹ đạo Khi chuyển động, vị trí chất điểm thời điểm khác vạch không gian đường cong liên tục gọi quỹ đạo chuyển động Vậy quỹ đạo chất điểm chuyển động đường tạo tập hợp tất vị trí khơng gian, suốt q trình chuyển động Phương trình mơ tả đường cong quỹ đạo gọi phương trình quỹ đạo Trong f hàm toạ độ x, y, z C số Về nguyên tắc, biết phương trình chuyển động (1.1) cách khử tham số t ta tìm mối liên hệ toạ độ x, y, z tức tìm phương trình quỹ đạo Vì vậy, đơi người ta cịn gọi phương trình chuyền động (1.1) phương trình quỹ đạo cho dạng tham số Ví dụ: chuyển động chất điểm cho phương trình Ta khử tham số thời gian t cách sau: Ta suy quỹ đạo chất điểm đường trịn bán kính A tâm nằm gốc toạ độ Đường tròn nằm mặt phẳng xOy 1.2 Vận tốc Downloaded by Con Ca (concaconlonton01@gmail.com) lOMoARcPSD|10804335 Vận tốc đại lượng đặc trưng cho phương, chiều, nhanh chậm chuyển động 1.2.1 Khái niệm vận tốc Chuyển động chất điểm quỹ đạo lúc nhanh lúc chậm, để mơ tả đầy đủ trạng thái nhanh hay chậm chuyển động, người ta đưa vào đại lượng vật lý gọi vận tốc Trong đời sống ngày thường gặp khái niệm vận tốc dạng thuật ngữ tốc độ Xét chuyển động chất điểm đường cong (C): (C) ta chọn gốc A chiều dương Giả thiết thời điềm t, chất điểm vị trí M xác định bởi: AM = s Tại thời điểm t' = t + Δt chất điểm vị trí M' xác định bởi: AM = s' = s + Δs Quãng đường chất điểm khoảng thời gian Δt = t' - t là: MM'= s' - s = Δs Quãng đường trung bình chất điểm khoảng đơn vị thời gian Δs Δt theo định nghĩa, gọi vận tốc trung bình chất điểm khoảng thời gian Δt, ký hiệu là: Vận tốc trung bình đặc trưng cho độ nhanh chậm trung bình chuyển động chất điểm quãng đường MM'; quãng đường độ nhanh chậm chuyển động chất điểm nói chung chỗ khác nghĩa thời điểm khác Để đặc trưng cho độ nhanh chậm chuyển động thời điểm, ta phải tính tỷ số Δs khoảng thời gian vơ nhỏ Theo định nghĩa: cho Δt→0 (t'→t), Δt Δs dần tới giới hạn, gọi vận tốc tức thời (gọi tắt vận tốc) chất điểm tỷ số Δt thời điểm t, ký hiệu là: v = lim Δt →0 Δs Δt Theo định nghĩa đạo hàm ta viết: Downloaded by Con Ca (concaconlonton01@gmail.com) lOMoARcPSD|10804335 v = ds dt Vậy: Vận tốc chất điểm có giá trị đạo hàm quãng đường chất điểm thời gian Vận tốc v cho biểu thức (1.4) đại lượng đại số có: - Dấu xác định chiều chuyển động: v > 0, quỹ đạo chuyển động theo chiều dương quỹ đạo; v < 0, chất điểm chuyển động theo chiều ngược lại - Trị tuyệt đối v xác định độ nhanh chậm chuyển động thời điểm Vậy: Vận tốc đại lượng vật lý đặc trưng cho chiều độ nhanh chậm chuyển động chất điểm Để đặc trưng cách đầy đủ phương, chiều độ nhanh chậm chuyển động chất điểm, người ta đưa vectơ gọi vectơ vận tốc r Theo định nghĩa, vectơ vận tốc vị trí M vectơ v có phương nằm tiếp tuyến với quỹ đạo M, có chiều theo chiều chuyển động có giá trị giá trị tuyệt đối v (hình 1.3) 1.2.2 Vectơ vận tốc hệ tọa độ Descartes Giả thiết thời điểm t, vị trí chất điểm xác định bán kính vectơ (hình 1.4): r OM = r Ở thời điểm t + dt, vị trí chất điểm xác định bán kính vectơ: r r ON = r + Δr Rõ ràng dt vơ nhỏ vectơ r r chuyển rời: MN = ON − MN = Δr = dr có độ dài r dr = MN ≈ MN= ds r r Ngoài ra, dr ds chiều nên ta có: r r dr ≈ d s (1.6) nghĩa biểu thức (1.5) viết thành: Vậy: vectơ vận tốc đạo hàm bán kính vectơ thời gian r r r r Kết ba thành phần V X ,VY ,VZ vectơ vận tốc v theo ba trục có độ dài r đại số đạo hàm ba thành phần tương ứng bán kính vectơ v theo ba trục nghĩa là: 10 Downloaded by Con Ca (concaconlonton01@gmail.com) lOMoARcPSD|10804335 Theo nguyên lý định luật học bất biến chuyển từ hệ quán tính sang hệ qn tính khác Điều có nghĩa phương trình mơ tả định luật học đó, biểu diễn qua tọa độ thời gian, giữ nguyên dạng tất hệ quán tính Như vậy, nguyên lý tương đối Einstein mở rộng nguyên lý Galille từ tượng học sang tượng Vật lý nói chung Trong học cổ điển Newton, tương tác mô tả dựa vào tương tác Đó hàm tọa độ hạt tương tác Từ suy lực tương tác chất điểm với chất điểm cịn lại, thời điểm, phụ thuộc vào vị trí chất điểm thời điểm Sự tương tác ảnh hưởng tức thời đến chất điểm khác thời điểm Như vậy, tương tác truyền tức thời Nếu chia khoảng cách hai chất điểm cho thời gian truyền tương tác Δt (Δt = 0), truyền tức thời) ta thu vận tốc truyền tương tác Từ suy học cổ điển vận tốc truyền tương tác lớn vô hạn Tuy nhiên, thực nghiệm chứng tỏ, tự nhiên không tồn tương tác tức thời Nếu chất điểm hệ chất điểm có xảy thay đổi đó, thay đổi ảnh hưởng tới chất điểm khác hệ sau khoảng thời gian (Δt > 0) Như vậy, vận tốc truyền tương tác có giá trị hữu hạn Theo thuyết tương đối Einstein vận tốc truyền tương tác tất hệ quán tính Nó số phổ biến Thực nghiệm chứng tỏ vận tốc không đổi cực đại vận tốc truyền ánh sáng chân không (c = 3.108m/s) Trong thực tế hàng ngày thường gặp vận tốc nhỏ so với vận tốc ánh sáng (v c, công thức tọa độ x, t trở nên ảo, điều chứng tỏ khơng thể có chuyển động với vận tốc lớn vận tốc ánh sáng c Cũng không thê dùng hệ quy chiếu chuyển động với vận tốc vận tốc ánh sáng, mẫu số công thức (6.19), (6.20) không 72 Downloaded by Con Ca (concaconlonton01@gmail.com) lOMoARcPSD|10804335 6.4 Các hệ phép biến đổi Lorentz 6.4.1 Khái niệm tính đồng thời quan hệ nhân Giả sử trung hệ qn tính K có hai tượng (hoặc gọi biến cố) ; tượng A1 (x1y1z1t1) tượng A2 (x2y2z2t2) với x2 # x1 tìm khoảng thời gian t2 – t1 hai tượng hệ K', chuyển động với vận tốc V dọc theo trục x Từ cơng thức biến đổi Lorentz ta thu được: Từ suy tượng xảy đồng thời hệ K (t2 = t1) không đồng thời hệ K' t2 – t1 # Chỉ có trường hợp ngoại lệ hai biến cố xảy đồng thời điểm có giá trị x (tọa độ y khác nhau) Như vậy, khái niệm đồng thời khái niệm tương đối, hai biến cố đồng thời hệ quy chiếu nói chung khơng đồng thời hệ quy chiếu khác Biểu thức (6.21) chứng tỏ biến cố đồng thời hệ K, dấu t2 – t1 xác định dấu biểu thức (x2 – x1 )v Do đó, hệ quán tính khác (với giá trị khác V), hiệu t2 – t1 khơng khác độ lớn mà cịn khác dấu Điều có nghĩa thứ tự biến cố A1 A2 (A1 xảy trước A2 ngược lại) Tuy điều vừa trình bày khơng xét cho biến cố có liên hệ nhân với Liên hệ nhân liên hệ nguyên nhân kết Nguyên nhân xảy trước kết quả, định đời kết Thứ tự biến cố cso quan hệ nhân bảo đảm hệ quán tính Nguyên nhân xảy trước, kết xảy sau 6.4.2 Sự co ngắn Lorentz Bây dựa vào công thức (6.19) (6.20) so sánh độ dài vật khoảng thời gian trình hai hệ K K' Giả sử có đứng yên hệ K' đặt dọc theo trục x', độ dài hệ K' l0 = x2 – x1 Gọi l độ dài đo hệ K Muốn vậy, ta phải xác định vị trí đầu hệ K thời điểm Từ phép biến đổi Lorentz ta viết được: 73 Downloaded by Con Ca (concaconlonton01@gmail.com) lOMoARcPSD|10804335 Vậy: Độ dài (dọc theo phương chuyển động) hệ quy chiếu mà chuyển động ngắn độ dài hệ mà đứng yên Nói cách khác, vật chuyển động, kích thước bị co ngắn theo phương chuyển động Như vậy, kích thước vật khác tùy thuộc vào chỗ ta quan sát hệ đứng n hay chuyển động Điều nói lên tính chất không gian hệ quy chiếu thay đổi Nói cách khác, khơng gian có tính chất tương đối, phụ thuộc vào chuyển động Trường hợp vận tốc của.chuyển động nhỏ (V