Giáo trình VẬT LÝ 2 potx

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM W  X ThS. Trương Thành Giáo trình VẬT LÝ 2 (Dùng cho sinh viên Cao đẳng kỹ thuật) Giáo trình Vật lý 2 ThS. Trương Thành 1 Mở đầu Việc đào tạo đại học, cao đẳng theo chế độ Tín chỉ nhằm kích thích tính độc lập, sáng tạo và tự học của sinh viên, nâng cao trình độ của người học trong thời kỳ hội nhập. Tuy nhiên để thực hiện được mục đích trên người dạy và người học phải có đủ các trang bị cần thiết mà trước hết là giáo trình, tài liệu tham khảo. Để góp thêm một giáo trình sát với chương trình của trường Cao đẳng Công nghệ, Đại Học Đà Nẵng chúng tôi quyết định viết giáo trình này. Giáo trình "Vật Lý 2" dùng cho các lớp cao đẳng kỹ thuật và cao đẳng công nghệ thông tin gồm các kiến thức cơ bản về Vật Lý đại cương nhằm trang bị cho sinh viên những kiến thức cần thiết có liên quan đến ngành học của mình. Nội dung gồm có 12 chương được phân bố đều từ Từ trường đến Vật lý h ạt nhân nguyên tử. Giáo trình được viết trên cơ sở chương trình "Vật Lý 2” của trường Cao Đẳng Công nghệ, Đại Học Đà Nẵng. Trong quá trình viết giáo trình này chúng tôi được Đại học Đà Nẵng, trường Đại học Sư phạm tạo điều kiện thuận lợi, trường Cao đẳng Công nghệ khuyến khích, sự góp ý bổ ích của các cán bộ giảng dạy trong khoa Vật Lý. Xin chân thành cảm ơn những sự giúp đỡ quý báu đó. Tuy đã có cố gắng và đã có nhiều chỉnh lý bổ sung nhưng vẫn không thể tránh khỏi thiếu sót. Rất mong được sự góp ý phê bình của bạn đọc. Tác giả Giáo trình Vật lý 2 ThS. Trương Thành 2 Chương I. TỪ TRƯỜNG CỦA DÒNG ĐIỆN KHÔNG ĐỔI 1.1. TỪ TRƯỜNG CỦA DÒNG ĐIỆN KHÔNG ĐỔI, ĐỊNH LUẬT AMPERE 1.1.1. TƯƠNG TÁC TỪ Tương tác giữa: - Dòng điện với dòng điện. - Dòng điện với nam châm - Nam châm với dòng điện không phải là lực hấp dẫn, không phải là lực điện trường mà có một bả n chất khác là do từ trường nên gọi là tương tác từ. Các thí nghiệm cụ thể đã được trình bày trong vật lý lớp 11 ở đây ta không nhắc lại nữa. 1.1.2. ĐỊNH LUẬT AMPERE Trước khi đi đến định luật ta cần định nghĩa phần tử dòng điện: Phần tử dòng điện lId r của dòng điện I là tích số giữa cường độ dòng điện I với một đoạn chiều dài vô cùng nhỏ dl của dây dẫn. Phương và chiều của lId r là phương và chiều của tiếp tuyến dương của dây dẫn tại điểm đang xét. Trước khi tìm biểu thức tương tác từ của hai dòng điện bất kỳ I và I 0 ta hãy tìm lực từ của hai phần tử dòng điện dlI và 00 dlI của hai dòng điện này. Dựng mặt phẳng P chứa phần tử dlI và r , sau đó vẽ pháp tuyến n r của mặt phẳng p tại điểm M 0 (như trên hình Hình I-1). Theo Ampere lực mà phần tử dòng điện dlI của dòng điện I tác dụng lên phần tử 00 dlI của dòng I 0 đặt cách nó r là dF có: - Có phương vuông góc với 00 ldI r và pháp tuyến của mặt phẳng chứa r và lId r - Có chiều sao cho ba vector FdldIn r r r ,, 00 lập thành một tam diện thuận. - Độ lớn tỷ lệ với lId r và 00 ldI r 0 sin,sin θ θ và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa hai phần tử dòng điện. Trong đó: θ là góc giữa dB và r 0 θ là góc giữa n r và 0 ld r dF dl M 0 0 dl θ o n P O θ Hình I-1 r I 0 I Giáo trình Vật lý 2 ThS. Trương Thành 3 Nghĩa là độ lớn của dF tỷ lệ với 2 000 sinsin r dlIIdl θ θ , Trong chân không: dF = 2 000 4 sinsin r dlIkIdl π θ θ Trong từ môi: dF = 2 000 4 sinsin r dlIIdlk π θ θ µ Trong đó: k là một hệ số tỷ lệ phụ thuộc vào hệ đơn vị. Trong hệ đơn vị SI: k = π µ 4 0 với µ 0 = 4 π .10 -7 m H là hằng số từ, µ là độ từ thẩm của môi trường có vai trò và ý nghĩa giống như ε trong trường tĩnh điện chẳng hạn nên: dF = 2 0000 r 4 sindlIsinIdl π θθµµ - Với chân không, không khí: 1)(10 03,01 6 ≈+= − m H µ - Với nước: 1)(10 72,01 6 ≈−= − m H µ - v.v Theo như đã nói ở trên thì dạng vector của lực này là: ( ) rlIdldI r Fd r r r r ××= 00 3 0 4 π µµ . (I-1). Đó là nội dung của định luật Ampere về tương tác gia hai phần tử của hai dòng điện. Nếu gọi hai dòng điện đó là I và 0 I Lực tương tác giữa hai dòng điện đó là: ∫∫ ×× = ))(( 3 0 00 0 )( 4 II r rldld II F r r r r π µµ (I-2). Giáo trình Vật lý 2 ThS. Trương Thành 4 1.2. VECTOR CẢM ỨNG TỪ 1.2.1. KHÁI NIỆM TỪ TRƯỜNG 1.2.1.1. Từ trường Theo “Thuyết Tương Tác Gần” thì: - Từ trường là môi trường vật chất đặc biệt do các nam châm và dòng điện sinh ra. - Từ trường lan truyền trong không gian với vận tốc bằng vận tốc ánh sáng - Khi có một nam châm hay một dòng điện thì môi trường xung quanh đã có sự thay đổi đó là có một từ trường. Tóm lại t ừ trường có thể định nghĩa: Từ trường là môi trường vật chất đặc biệt của các nam châm và dòng điện sinh ra và nó được biểu hiện thông qua có tương tác từ. 1.2.1.2. Vector cảm ứng từ, định lý Bio - Savart - Laplace Từ công thức (I-1) ta thấy: ( ) rlId r Bd r r r ×= 3 0 4 π µµ (I-3). không phụ thuộc gì vào 00 ldI r mà chỉ phụ thuộc vào lId r gây ra từ trường và khoảng cách r từ nó đến điểm M tại đó ta đặt phần tử 00 ldI r ta gọi là cảm ứng từ dB . Về độ lớn: 2 0 4 sin r Idl dB π θ µ µ = . dB có phương vuông góc với mặt phẳng chứa dl và vector r r ; có chiều xác định theo quy tắc vặn nút chai (nếu ta vặn cái nút cho nó tiến theo chiều dòng điện thì chiều vặn của nút là chiều của cảm ứng từ), có điểm đặt tại M; có đơn vị là Tesla (T). Công thức (I-3) là nội dung của định lý Bio - Savart - Laplace. Hình I-2 vẽ vector cảm ứng từ của dòng điện thẳng và dài, vì Fd r vuông góc với 0 & lIdn r r nên có phương tiếp tuyến với đường cảm ứng từ, chiều thì như hình vẽ, độ lớn của nó sẽ được tính trong mục tiếp theo. 1.2.1.3. Nguyên lý chồng chất từ trường Khái niệm chồng chất từ trường (hay tổng hợp từ trường) cũng được lập luận và xây dựng tương tự như điện trường. - Cảm ứng từ củ a nhiều dòng điện gây ra tại một điểm nào đó: ∑ =+++= kn BBBBB r r r r r 21 . (I-4). - Từ trường của một yếu tố dòng điện sinh ra tại điểm đang xét: ( ) rlId r Bd r r r ×= 3 0 4 π µµ Hình I-2 Bd Bd Bd dl r I 0 Giáo trình Vật lý 2 ThS. Trương Thành 5 - Như vậy từ trường của cả dòng điện sinh ra tại điểm đang xét: ∫∫ × == )()( 3 0 4 LL r rlId BdB r r rr π µµ . (I-5). Vector cường độ từ trường H r được định nghĩa tương tự và có ý nghĩa như vector điện cảm D r , như sau: 0 µµ B H r r = (I-6). 1.2.2. TỪ TRƯỜNG CỦA MỘT SỐ DÒNG ĐIỆN 1.2.2.1. Từ trừơng gây bởi một dòng điện dài hữu hạn Vấn đề đặt ra là tìm cảm ứng từ của dòng điện thẳng dài hữu hạn AB tại điểm M cách dòng điện một đoạn R nhất định nào đó. Tại toạ độ l ta lấy một đoạn nhỏ c ủa dòng điện là dl thì từ trường mà nó gây ra tại M là: 2 0 4 sin r Idl dB π θµµ = Nên cảm ứng từ do cả dòng điện gây ra tại M là: ∫ = 2 0 sin 4 r dl I B θ π µµ . Trong đó: θ Rtgl −= (l < 0 vì nó nằm dưới gốc toạ độ). Vi phân l ta được: θ θ θ 2 2 2 2 sin , sin R r d Rdl == ). Vậy: () 21 00 coscos 4 sin 4 2 1 θθ π µµ θθ π µµ θ θ −== ∫ R I d R I B Hay do 2211 cossin,cossin θϕθϕ −== nên: )sin(sin 4 21 0 ϕϕ π µµ += R I B (I-7). 1.2.2.2. Từ trừơng gây bởi một dòng điện dài vô hạn Dòng điện dài vô hạn là trường hợp của dòng điện dài hữu hạn khi: 2 , 2 21 π ϕ π ϕ == , nên: ) 2 sin 2 (sin 4 0 ππ π µµ += R I B R I B π µµ 2 0 = . (I-8). 1.2.2.3. Từ trừơng gây bởi một dòng điện tròn Ở đây ta tìm cảm ứng từ của dòng điện tròn có cường độ I, bán kính R gây ra tại tâm của dòng điện. Cũng cách làm tương tự lấy một đoạn dl thì: Bd s Hình I-4 R ld r B s ( + O l R θ 1 B r dl Hình I-3 B M A θ ϕ ϕ θ 2 Giáo trình Vật lý 2 ThS. Trương Thành 6 θ π µµ sin 4 2 0 Idl R dB = ( 2 π θ = ) R I dl R I R dl I B R 2 4 4 0 2 0 2 0 2 0 µµ π µµ π µµ π == = ∫ ∫ . Tóm lại: R I H R I B 2 2 0 =→ = µµ ( I-9). (Biểu thức của B mà ta đã tính được ở trên là tại tâm dòng điện). Giáo trình Vật lý 2 ThS. Trương Thành 7 1.3. TỪ THÔNG, ĐỊNH LÝ O-G (Oxtrograxki - Gauss), LƯU THÔNG CỦA CỦA VECTOR CƯỜNG ĐỘ TỪ TRƯỜNG H r 1.3.1. ĐƯỜNG SỨC TỪ TRƯỜNG, TỪ THÔNG, ĐỊNH LÝ O-G 1.3.1.1. Đường cảm ứng từ Để có khái niệm đường sức từ trường ta làm thí nghiệm như sau: rải đều các mạt sắt (hay các kim nam châm nhỏ) lên một tấm bìa có dây dẫn xuyên qua như hình vẽ I-5. Khi chưa có dòng điện chạy qua thì các mạt sắt (hay các kim nam châm) sắp xếp theo cách mà chúng ta đã rải chúng; bây giờ cho dòng điện chạy qua thì chúng tạo thành các vòng tròn khép kín mà tâm là giao tuyến của dây dẫn và tấm bìa. Sự sắp xếp thành các vòng tròn đồng tâm của các mạt sắt hay các nam châm nhỏ trên hình I-5 cho ta nghĩ đến chúng là các đường sức từ trường. Cũng định nghĩa tương tự như đường sức điện trường. Do đó có thể định nghiã đường sức từ trường như sau: Đường sức từ trường là những đường mà tiếp tuyến tại mỗi đi ểm trùng với vector cường độ từ trường tại điểm đó. Để thấy được sự giống và khác nhau giữa đường sức điện trường và đường sức từ trường ta rút ra các tính chất sau của đường sức từ trường: - Đường sức từ trường là những đường cong kín. - Các đường sức từ trường không bao giờ cắt nhau(nghĩa là tại mỗi điể m trong trường chỉ vẽ được một đường sức và chỉ một đường sức mà thôi). - Đường sức càng dày thì từ trường càng mạnh, đường sức càng thưa thì từ trường càng yếu. 1.3.1.2. Từ thông Từ thông φ d của từ trường B gưỉ qua diện tích dS trong từ trường có định nghĩa như như sau: )(cos WbBdSSdBd αφ == r r (I-10). α là góc giữa B r và Sd r Nhân xét. - Nếu 0= α (vector trường xuyên vuông góc với diện tích S) thì BdSd = φ lớn nhất. I B r Hình I-5 B r Hình I-6 Sd r n r B r Giáo trình Vật lý 2 ThS. Trương Thành 8 - Nếu 2 π α = (vector trường không xuyên qua diện tích S) thì: 0= φ d . - Nếu 22 3 π α π ≥≥ thì 0 < φ d (âm). - Từ thông gửi qua toàn bộ diện tích S nào đó là ∫ = S SdB r r φ (I-11). Đặc biệt nếu từ trường đều thì B r không đổi đưa B r ra ngoài dấu tích phân ta được: ∫ = S SdB r r φ ⇒ SB r r = φ (I-12). 1.3.1.2. Định lý O-G đối với từ trường (hình I-7) Từ thông gửi qua một mặt kín S bất kỳ đặt trong từ trường thì bằng không. 0== ∫ S SdB r r φ (I-13). 1.3.2. LƯU SỐ CỦA VECTOR H r 1.3.2.1. Định nghĩa Lưu số của vector cường độ từ trường H r dọc theo một đường cong kín bất kỳ C trong từ trường là: ∫∫ == CC HdlldHL α cos r r (I-14). Trong đó: ld r là một vi phân nhỏ của đường cong C, nó có phương và chiều của tiếp tuyến dương tại đó; H r là cường độ từ trường tai ld r ; ),( ldB r r = α . Nghĩa là dấu của L tuỳ thuộc vào góc α 1.3.2.2. Định lý 1 Lưu số của vector cường độ từ trường H r dọc theo một đường tròn có dòng điện thẳng xuyên qua tâm và vuông góc với mặt phẳng của đường tròn bằng cường độ dòng điện. ∫ == C IldHL s s (I-15). 1.3.2.3. Định lý 2 Lưu số của vector cường độ từ trường H r dọc theo một đường cong bất kỳ bằng tổng các dòng điện xuyên qua diện tích giới hạn bởi đường cong đó. ∫ ∑ = ±== C n k k IldHL 1 s s (I-16). B r B r S Hình I-7 H r Hình I-8 C ld r I Giáo trình Vật lý 2 ThS. Trương Thành 9 - Dấu cộng nếu chiều lấy tích phân thuận quy tắc vặn nút chai với chiều dòng điện (nghĩa là nếu ta vặn cái nút chai tiến theo chiều dòng điện thì chiều vặn là chiều lấy tích phân). - Dấu trừ nếu chiều lấy tích phân ngược quy tắc vặn nút chai với chiều dòng điện (nghĩa là nếu ta vặn cái nút chai tiến theo chiều dòng điện thì chiều vặn ng ược chiều lấy tích phân) 1.3.2.4. Ứng dụng Sau đây ta dùng định lý lưu số tìm từ trường trong lòng ống dây hình xuyến và ống dây thẳng: a). Tìm từ trường trong lòng ống dây hình xuyến Ta chọn đường tròn lưu số đồng tâm với tâm hình xuyến bán kính R (R 1 < R <R 2 ) và dùng định lý lưu số cho đường tròn này: NIRHdlH HdlldHL C CC === == ∫ ∫∫ π α 2 cos r r . Suy ra: R NI B R NI H π µµ π 22 0 =⇒= (I-17). b). Tìm từ trường trong lòng ống dây thẳng Trường hợp ống dây thẳng được suy ra từ ống dây hình xuyến khi bán kính hình xuyến bằng vô cùng. Nghĩa là từ: R NI B R NI H π µµ π 22 0 =⇒= , ta thay n R N = π 2 , Dẫn đến: nIBnIH 0 µµ = ⇒= (I-18). (Trong đó N là số vòng dây quấn trên ống, n là mật độ dây quấn, R là bán kính trung bình của vòng xuyến). C I 1 I 2 I n Hình I-9a I Hình I-9b [...]... 2S 2 1 2 1 LI = ( àà 0 )I 2 2 l N 2V 1 W = ( àà 0 2 ) I 2 2 l 1 N2 W = ( àà0 2 ) I 2V 2 l W = Mt nng lng trong ng: W 1 N2 = ( àà 0 2 ) I 2 2 V l 2 2 1 1 N I = àà 0 2 = àà 0 n 2 I 2 2 2r l r B2 BH BH = = = àà 0 2 2 1 rr W = V = BHV 2 = Do õoù: (II-5a) (II-5b) 2. 2.3 .2 Nng lng ca mch in kớn t trong t trng Mt mch in kớn quay trong t trng B thỡ cụng ca lc t A = I ( 2 1 ) = l: Trong ú 1 v 2. .. 0 à I1 I 2 l 2a Lc F4 tỏc dng lờn on CD cú chiu hng t trỏi sang phi v cú giỏ tr bng: F4 = à 0 à I1 I 2 l 2 (a + 1) Lc tng hp tỏc dng lờn khung cú chiu t phi sang trỏi v cú giỏ tr bng: F = F3 - F4 = = = à0 à 1 1 a a + 1 I1I2l 2 à 0 à 1 2 l 2 2 (a + 1) a 4 10 710 .2, 5.16.10 2 = 9, 52. 10-5N 2 2 2 ( 42. 10 )2. 10 Bi tp mu 3: Qu o ca mt in t t trong mt t trng u cú vector cm ng t -5 B bng 2. 10 T, l... thnh hỡnh vuụng mi cnh di l = 40cm Cnh gn nht ca khung cỏch dõy mt khong bng a = 2cm Dũng in I2 chy trong khung cú cng I2 = 2, 5A 12 Giỏo trỡnh Vt lý 2 ThS Trng Thnh Tớnh lc tỏc dng ca dũng in thng di vụ hn lờn khung Cho bit chiu dũng in nh hỡnh v I-13 Gii: I1 = 10A I2 = 2, 5A Cho: Hi: F=? l = 40cm = 4.10-1m a = 2cm = 2. 10-2m Vector cm ng t B gõy bi dũng in I1 vuụng gúc vi khung ti mi im ca khung ABCD,... dõy: = 2n, n l s vũng B quay trong 1 giõy Thay = 2n vo biu thc ca , ta cú: = NBS cos2nt Sut in ng xut hin trong khung: Hỡnh II-6 d = NBS 2n sin2nt Ec = dt Ec = Emax sin2nt Vy: E max = NBS 2n = 3,14 vụn Bi tp mu 2: Mt ng dõy in di 50cm, gm 800 vũng dõy, tit in ca ng bng 2 10cm Xỏc nh t cm ca ng dõy ú Mụi trng xột l khụng khớ Gii: l = 50cm = 5.10-1m Cho: Hi: N = 800 vũng 23 L=? Giỏo trỡnh Vt lý 2 ThS... W=? E tc = 0,16 V I = 2A a) H s t cm L ca cun dõy c tớnh bng cụng thc: Ec= L dl dt L = Ec / dl 0,16 = 3 ,2. 10-3H = dt 50 T thụng gi qua ng ú khi cú dũng in I = 2A chy qua bng: = LI = 3 ,2. 10- 3 2 = 6,4.10- 3Wb T thụng gi qua tit din ng khi cú dũng in I = 2A chy qua 0 = N = 6,4.10 3 Wb = 8.10- 6Wb 800 b) Nng lng t trng trong cun dõy bng: W= LI 2 3 ,2. 10 3 .2 2 -3 = = 6,410 J 2 2 Bi tp t gii: 1 Mt mỏy... LI 2 = 0 ,26 2.sin(100t) J 2 6 Mt ng dõy in thng cú tit din S = 20 cm2, s vũng qun trờn mi cm l n = 25 Nh mt bin tr, ngi ta gim cng dũng in I trong ng dõy 20 A sau mi giõy Hi sut in ng t cm xut hin trong ng dõy Cho bit ng dõy di 15cm ỏp s: E tc = 18,9.10- 4V 7 Mt khung dõy dn cú tit din S = 100 cm2 quay vi vn tc 50 vũng/s trong mt t trng u vi vector cm ng t B = 0,1T Trc quay ca 25 Giỏo trỡnh Vt lý 2 ThS... + C (C l hng s tớch phõn) Suy ra Do th nng vụ cựng bng 0 nờn: 21 Giỏo trỡnh Vt lý 2 ThS Trng Thnh dA' = dA = I C d 2. 2.3.3 Nng lng ca t trng bt kỡ i vi t trng bt kỡ, nng lng cha trong th tớch dV l: (II-6) V 1 rr dW = dV = BHdV 2 Nng lng cha trong ton khụng gian V: W = dV = V 1 rr BHdV 2V r B (II-7) dV 22 Hỡnh II-5 Giỏo trỡnh Vt lý 2 ThS Trng Thnh Bi tp chng II CM NG T Bi tp mu1: Mt cun dõy gm... thng: L = I = àà 0 N 2 S l = àà 0 n 2V Trong ú: - N l s vũng dõy qun trờn ng dõy - n l s vũng dõy qun trờn mt n v di ca ng - S l din tớch tit din ca ng - l l chiu di ca ng - V l th tớch ca ng 2. 2.3 NNG LNG T TRNG 20 (II-3) Giỏo trỡnh Vt lý 2 ThS Trng Thnh 2. 2.3.1 Nng lổồỹng tổỡ trổồỡng cuớa ọỳng dỏy Nng lng t trng trong ng dõy nh ta ó bit chng trỡnh ph thụng trung hc: W = 1 2 LI 2 (II-4) Nu thay h... Pha ban u ca dao ng: - Tn s ca dao ng: 0 = - Tn s gúc ca dao ng: - Chu k ca dao ng: T0 = 1 = 0 T0 2 - Vn tc ca dao ng: 1 = 2 0 0 v = x' = 0 A sin( 0 t + ) 32 Giỏo trỡnh Vt lý 2 ThS Trng Thnh 2 - Gia tc ca dao ng: x ' ' = A 0 cos( 0 t + ) - Cụng thc liờn h gia vn tc v to : x2 A0 2 + v2 0 2 A0 2 =1 33 ... qB.R 1,6.10 19 .2. 10 5.3.10 2 m = = 1,03.10 5 31 m s 9,1.10 ng nng ca ht in t ú bng: W= mv 2 9.1.10 31.(1,03) 2 1010 -21 = = 4,96.10 J 2 2 Bi tp mu 4: Mt dõy dn ng kớnh d = 1mm qun thnh mt ng dõy sao cho vector cm ng t B trong ng cú giỏ tr bng 3.10-2T Cng dũng in chy trong ng dõy bng 6A Tớnh xem phi qun my lp, bit rng cỏc vũng dõy qun sỏt nhau Gii: d = 1mm Hi: S lp phi qun Cho: B = 3.10-2T I=6A Aùp dng . θ ϕ ϕ θ 2 Giáo trình Vật lý 2 ThS. Trương Thành 6 θ π µµ sin 4 2 0 Idl R dB = ( 2 π θ = ) R I dl R I R dl I B R 2 4 4 0 2 0 2 0 2 0 µµ π µµ π µµ π == = ∫ ∫ . Tóm lại: R I H R I B 2 2 0 =→ = µµ . F 3 - F 4 = ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ + − 1 11 2 0 aa π µµ I 1 I 2 l = aa l )1 (2 2 21 0 + ΙΙ π µµ = 22 27 10 .2) 10. 42( 2 10.16.5 ,2. 1010.4 −− −− π π = 9, 52. 10 -5 N Bài tập mẫu 3: Quĩ đạo của. PHẠM W  X ThS. Trương Thành Giáo trình VẬT LÝ 2 (Dùng cho sinh viên Cao đẳng kỹ thuật) Giáo trình Vật lý 2 ThS. Trương Thành 1 Mở đầu Việc đào