chương i vận động cơ học công và năng lượng

TỔNG QUAN VỀ VẬT LÝVẬT LÝ CỔ ĐIỂN • Các hiện tượng trong đời sống hàng ngày thường xảy ra với vận tốc nhỏ và khoảng cách tương đối lớn.. • Vật lý cổ điển Vật lý Newton không thể giải thí

CHƯƠNG I

VẬN ĐỘNG CƠ HỌC CÔNG VÀ NĂNG LƯỢNG

1 BÀI MỞ ĐẦU

2 CHUYỂN ĐỘNG CỦA CHẤT ĐIỂM

3 CHUYỂN ĐỘNG QUAY CỦA VẬT RẮN

4 CÔNG VÀ NĂNG LƯỢNG

1 MỤC TIÊU MÔN HỌC

1 Trình bày được các định luật vật lý cơ bản

chi phối quá trình vận động của tự nhiên

2 Hiểu và giải thích các quá trình vật lý cơ bản

xảy ra trong cơ thể sống

3 Giải thích nguyên lý họat động và ứng dụng

các thiết bị vật lý dùng trong y dược học

4 Sử dụng được các thiết bị vật lý trong phân

tích, xét nghiệm, chẩn đóan bệnh lý

5 Biết cách tiến hành thực nghiệm để kiểm tra,

đo đạc, minh họa và nghiên cứu

TÀI LIỆU THAM KHẢO

1 Bài giảng Vật lý-Lý sinh; Bộ môn Vật lý-Lý

2 TỔNG QUAN VỀ VẬT LÝ

VẬT LÝ CỔ ĐIỂN

• Các hiện tượng trong đời sống hàng ngày thường xảy ra với vận tốc nhỏ và khoảng cách tương đối lớn.

• Vật lý cổ điển (còn gọi là Cơ học cổ điển hay Vật lý Newton) nghiên cứu các hiện tượng với vận tốc nhỏ hơn nhiều so với

vận tốc ánh sáng , và kích thước lớn hơn nhiều so với kích thước nguyên tử

• Vật lý cổ điển (Vật lý Newton) không thể giải thích được rất nhiều hiện tượng trong tự nhiên

từ cấp độ vi mô đến vĩ mô

• Sự ra đời Vật lý hiện đại nhằm giải thích một số

hiện tượng mà Vật lý cổ điển chưa làm được

• Đồng thời Vật lý hiện đại đã mang lại một cái nhìn sâu sắc của con người về tự nhiên, đồng thời thúc đẩy sự tiến bộ của loài người

• Thuật ngữ Vật lý hiện đại ám chỉ những khái

2 TỔNG QUAN VỀ VẬT LÝ

VẬT LÝ HIỆN ĐẠI

• Vật lý hiện đại dựa trên nền tảng của hai lý thuyết cơ học lượng tử và thuyết tương đối

• Các hiệu ứng lượng tử xảy ra ở cấp độ

nguyên tử (gần 10−9 m), trong khi các hiệu ứng tương đối tính xảy ra khi vận tốc của vật đạt xấp

2 TỔNG QUAN VỀ VẬT LÝ

CƠ HỌC LƯỢNG TỬ

3 ĐẠI LƯỢNG VẬT LÝ

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

• Đối tượng của vật lý: các vật thể, trường, hiện

tượng, quá trình…(tính chất, cấu tạo, vận động)

• Mỗi thuộc tính của một Đối tượng vật lý được đặc trưng bởi một hay nhiều Đại lượng vật lý:

khối lượng, nhiệt độ, điện tích, lực, vận tốc…

• Đại lượng vô hướng chỉ có giá trị độ lớn: khối

lượng, nhiệt độ, điện tích…

• Đại lượng có hướng-vectơ có độ lớn, phương,

chiều, điểm đặt: lực, cảm ứng từ, vận tốc…

Các hệ thức vật lý (Định luật) độc lập với hệ tọa độ

a 

3 ĐẠI LƯỢNG VẬT LÝ

TỌA ĐỘ VECTƠ

Hình 2-8 Hình 2-9a

A = A x i + Ayj+ Azk

4 ĐO LƯỜNG

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

• Vật lý dựa trên đo lường các đại lượng và

các biến đổi trong các đại lượng vật lý

• Đơn vị (đ/v) là một số đo đại lượng được lấy chính xác bằng 1

• Chuẩn là một vật mốc để người ta so sánh

tất cả các mẫu khác của đại lượng đó

• Các chuẩn phải vừa khả dụng vừa bất biến

và được thiết lập bằng thỏa thuận quốc tế

4 ĐO LƯỜNG

MỘT SỐ ĐƠN VỊ CƠ BẢN CỦA SI

• Mét (m) là độ dài của đoạn đường mà

ánh sáng đi được trong chân không trong thời gian 1/299792458 giây

• Một giây (s) là thời gian để xảy ra

9192631770 dao động của ánh sáng

do nguyên tử xêsi-133 phát ra

• Kilôgam (kg) là khối lượng của 1 chuẩn

gốc platin-iriđi được lưu trữ ở gần Pari

5 CÔNG CỤ TOÁN HỌC

GIẢI TÍCH VECTƠ

Hình 2-24a Hình 2-21

A.B = AB cos θ

C=AxB=(ABsinθ)u C

(A,B)=ABcosθ

1 ĐỘNG HỌC CHẤT ĐIỂM

CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN

• Chuyển động của một vật là sự chuyển dời vị trí

của vật đó so với các vật khác trong không gian và thời gian

• Chất điểm là một vật có kích thước rất nhỏ so với

• Vectơ vận tốc bằng đạo hàm của vectơ vị trí đối

với thời gian: v = dr/dt

• Vectơ gia tốc bằng đạo hàm của vectơ vận tốc

đối với thời gian: a = dv/dt = dr2 /dt 2 = a t +a n

1 ĐỘNG HỌC CHẤT ĐIỂM

CHUYỂN ĐỘNG TƯƠNG ĐỐI

• Chuyển động có tính tương đối phụ thuộc

vào hệ quy chiếu (v và a phụ thuộc hệ qc)

• Các hệ chuyển động với vận tốc không đổi

đối với nhau gọi là các hệ quy chiếu quán

- Đối với vật có khối lượng thay đổi: F=d(mv)/dt

• Định luật III Newton: F = -F’

Các lực tác dụng của 2 vật đối với nhau bao giờ cũng bằng và ngược chiều nhau (nhưng điểm đặt khác nhau!)

nó trượt hay định trượt trên 1 mặt nào đó

• Lực căng T là lực tác dụng lên vật bởi 1

dây căng tại điểm buộc

2 ĐỘNG LỰC HỌC CHẤT ĐIỂM

ĐỊNH LUẬT VẠN VẬT HẤP DẪN

• Định luật Newton

- Bất kỳ hạt nào cũng hút 1 hạt khác với 1 lực hấp dẫn có cường độ: F = Gm1m2/r2

- Hằng số hấp dẫn G = 6,67x10-11m3/kg.s2

• Trường hấp dẫn

- Nguyên lý chồng chập: Lực toàn phần F 1 tác dụng vào hạt số 1 là tổng của các lực do mọi

hạt kia: F1 = F12+F13+…F1n = ∫dF

- Thế năng hấp dẫn của 2 hạt: U(r) = -GMm/r

1 2 2

m m

r



• Nguyên lý tương đương

- Sự hấp dẫn và sự gia tốc là tương đương

• Các lực của tự nhiên

- Lực hấp dẫn

- Lực điện yếu: lực điện từ và lực yếu

- Lực mạnh: lực gắn proton và nơtron

2 ĐỘNG LỰC HỌC CHẤT ĐIỂM

CÁC ĐỊNH LÝ VỀ ĐỘNG LƯỢNG

• Động lượng - định lý 1

- ĐN động lượng là vectơ K = mv, đặc trưng cho

khả năng truyền chuyển động của vật

- F = ma = mdv/dt = d(mv)/dt = dK/dt:

“Lực tác động lên chất điểm bằng đạo hàm động

lượng chất điểm đó theo thời gian”

• Xung lượng - định lý 2

- dK = Fdt  ΔK = K 2 – K 1 = ∫Fdt (từ t1đến t2)

- ĐN xung lượng của lực F: J = ∫Fdt (từ t1đến t2)

2 ĐỘNG LỰC HỌC CHẤT ĐIỂM

CÁC ĐỊNH LÝ VỀ ĐỘNG LƯỢNG

• Định luật bảo toàn động lượng

- Đối với hệ chất điểm F = d(Σmivi)/dt

- Nếu hệ cô lập thì F = 0  Σmivi = const

- Phương trình: (Σmi) x a = ΣFi

• Đặc điểm chuyển động quay vật rắn:

- Mọi điểm vật có cùng vận tốc góc ω và gia tốc góc β

- Vectơ vận tốc dài và vectơ gia tốc tiếp tuyến của 1

điểm cách trục quay 1 khoảng r:

v = ω Λ r a t = β Λ r

2 CHUYỂN ĐỘNG QUAY CỦA VẬT

RẮN QUANH 1 TRỤC CỐ ĐỊNH

• Moment lực đối với trục quay ∆:

- Lực gây ra chuyển động quay: F t

- Moment lực đối với trục quay: M = r Λ F t

• Moment quán tính đối với trục quay ∆:

Ii = miri2 I = Σmiri2 I = ∫r2dm

• Phương trình cơ bản chuyển động quay:

F ti = mia ti  M i = r i Λ F ti = mi r i Λ a ti

MOMENT LỰC ĐỐI VỚI 1 ĐIỂM

Trục chiếu

3 ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN MOMENT ĐỘNG LƯỢNG

• ĐN moment động lượng

- Của hệ đối với gốc O: L= ΣL i = Σ r i Λ mv i

- Của hệ đối với trục quay: L= Σr i Λmv i= ΣIi ω i

- Của vật rắn đối với trục quay: L= (ΣIi)ω=Iω

3 ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN MOMENT ĐỘNG LƯỢNG

• dL/dt = M = 0  L = const

• Nếu tổng moment ngoại lực đối với gốc O của hệ chất điểm bằng 0 thì moment động lượng của hệ

được bảo toàn

• Nếu tổng moment ngoại lực tác dụng lên một vật

rắn quay quanh 1 trục cố định bằng 0 thì moment

động lượng của vật được bảo toàn: L=Iω = const

• Là định luật cơ bản của tự nhiên, đã được kiểm

nghiệm ở tốc độ cao hoặc kích thước nguyên tử.

• Ứng dụng: Múa, xiếc, định hướng tàu vũ trụ

4 ĐÒN BẨY VÀ CHUYỂN ĐỘNG

QUAY CỦA CƠ THỂ

• Chuyển động quay của cơ thể hoạt động

theo nguyên tắc đòn bẩy (hệ xương-cơ)

• Điều kiện cân bằng của đòn bẩy là tổng

moment lực cản và lực phát động bằng 0

• Lực phát động là lực cơ bắp, lực cản là

trọng lượng phần cơ thể bị quay

• Đòn bẩy I: điểm tựa nằm giữa điểm đặt lực

cản và lực phát động

• Đòn bẩy II: điểm đặt lực cản nằm giữa điểm

BÀI 4

CÔNG VÀ NĂNG LƯỢNG

1 CÔNG VÀ CÔNG SUẤT

2 NĂNG LƯỢNG

3 LỰC VÀ CÔNG CỦA CƠ

1 CÔNG VÀ CÔNG SUẤT

• Công A do lực F sinh ra trong chuyển dời s

có trị số: A= (F,s) = Fs cos(F,s)

• Khi lực F thay đổi: dA =(F,ds)

A = ∫(F,ds) = ∫(Fxdx+Fydy+Fzdz)

• Đơn vị công: J (jun) = 1N.m = 1kg.m2/s2

• Công suất là tốc độ thực hiện công:

• N= dA/dt= (F,ds/dt)= (F,v) (F không đổi)

• Đơn vị công suất: W (oat) = 1J/s

• Vật rắn quay: dA= (F,ds)= Ftds= Ftr.dφ= Mdφ

 N = dA/dt = Mdφ/dt = M.ω = (M,ω)

2 NĂNG LƯỢNG

• Năng lượng là số đo gắn với 1 trạng thái (hay

điều kiện) của 1 hay nhiều vật

• Một vật ở trạng thái xác định thì có một năng

lượng xác định

• Công là một đại lượng đặc trưng cho quá trình trao đổi năng lượng giữa các vật

• Độ biến thiên năng lượng của hệ bằng công mà

hệ đã trao đổi với bên ngòai: W2 –g W1 = A

• Năng lượng không tự sinh ra mà cũng không tự

2 NĂNG LƯỢNG-ĐỘNG NĂNG

• Động năng là phần cơ năng tương ứng với

sự chuyển động của các vật

• A= ∫(F,ds) = ∫(mdv/dt,ds)= ∫(mds/dt,dv) = ∫(mv,dv)= ∫d(mv2/2) = mv22/2 - mv12/2

ĐN: Động năng của chất điểm khối lượng

m và vận tốc v: Wđ= mv2/2

• Độ biến thiên Wđ của 1 chất điểm trong 1

chuyển dời bằng công ngoại lực tác dụng

trong chuyển dời đó: A = Wđ2 –g Wđ1

TRƯỜNG LỰC THẾ

• Một chất điểm gọi là chuyển động trong 1

trường lực nếu tại vị trí của chất điểm đều xuất hiện lực tác dụng lên chất điểm đó

• Khi chất điểm chuyển động từ M đến N thì công của lực F:

• AMN = ∫F.ds

• Nếu công AMN không phụ thuộc đường dịch

chuyển MN mà chỉ phụ thuộc vị trí của điểm M

MN

2 NĂNG LƯỢNG-THẾ NĂNG

• Thế năng của chât điểm trong trường lực thế là một hàm vị trí AMN = Wt(M) –g Wt(N)

BẢO TOÀN NĂNG LƯỢNG

• AMN = Wt(M) –g Wt(N) = Wđ(N) –g Wđ(M)

• Trong một hệ cô lập năng lượng có thể chuyển

từ dạng này sang dạng khác nhưng tổng năng

lượng của hệ luôn giữ nguyên:

W = E = const

2 NĂNG LƯỢNG & KHỐI LƯỢNG

3 LỰC VÀ CÔNG CỦA CƠ

• Tính đàn hồi của cơ:

• Tính đàn hồi của cơ gần với cao su, mođun

3 LỰC VÀ CÔNG CỦA CƠ

CÔNG CỦA BUỒNG TIM TRÁI

–g v là tốc độ chảy của máu

  là khối lượng riêng của máu

3 LỰC VÀ CÔNG CỦA CƠ

CÔNG CỦA TIM–g p = 100 tor = 1,3.104 N/m2;

–g V = 60 cm3 = 6.10-5 m3;

  = 1,05.103 kg/m3; v = 0,5 m/s

Bài tập 1

Từ đỉnh tháp cao 25m ta ném hòn đá theo phương nằm ngang với vận tốc 15m/s Bỏ qua sức cản của không khí Hãy xác định:

1 Quỹ đạo của hòn đá

2 Thời gian chuyển động của hòn đá (từ lúc ném đến lúc chạm đất)

3 Khỏang cách từ chân tháp đến điểm hòn đá

Tính gia tốc a và lực căng T của sợi dây trong các trường hợp:

1 Vật trượt không ma sát Dây không dãn

Ròng rọc khối lượng mr =0

2 Vật trượt có hệ số ma sát k Dây không dãn

Ròng rọc khối lượng r =0

3 Vật trượt có hệ số ma sát k

Bài tập 3

• Xác định gia tốc

của vật m1 trong hình vẽ, biết rằng m1 chuyển động xuống dưới Bỏ qua ma sát, khối

lượng của ròng rọc

và dây

Câu hỏi thảo luận

• Tại sao ta thấy có lợi khi có hai chuẩn khối lượng là

kilôgam và nguyên tử cacbon-12?

• Mục đích của các mặt cong ở phía sau xe đua là gì?

• Khi bạn đứng thẳng, thì quán tính quay của bạn đối với trục nào là nhỏ nhất và lớn nhất? Bạn có thể làm thế nào

để thay đổi giá trị quán tính quay của bạn?

• Một bánh đà nặng, quay nhanh có thể dùng để giữ cho tàu khỏi tròng trành Nếu bánh đà được lắp cho trục

quay của nó vuông góc với sàn tàu, thì tác dụng của nó thế nào, khi tàu chực ngả nghiêng, từ bên này sang bên kia?