Bài giảng Vật lý ứng dụng

Gồm 8 bài: 1. Động học; 2. Nguyên lý bảo toàn động lượng và moment động lượng; 3. Nguyên lý bảo toàn năng lượng; 4. Nhiệt động lực học; 5. Chất lỏng; 6: Trường điện từ; 7: Tính chất sóng của ánh sáng; 8. Lý thuyết lượng tử.Gồm 8 bài: 1. Động học; 2. Nguyên lý bảo toàn động lượng và moment động lượng; 3. Nguyên lý bảo toàn năng lượng; 4. Nhiệt động lực học; 5. Chất lỏng; 6: Trường điện từ; 7: Tính chất sóng của ánh sáng; 8. Lý thuyết lượng tử.

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM HUẾ DỰ ÁN HỢP TÁC VIỆT NAM – HÀ LAN BÀI GIẢNG VẬT LÝ ỨNG DỤNG Người biên soạn: Trần Ngọc Truồi Huế, 08/2009 1 MỤC LỤC  Bài 1. ĐỘNG HỌC 3 1.1. Chuyển động cơ học, véctơ tọa độ 3 1.2. Véctơ vận tốc 5 1.3. Véc tơ gia tốc 7 1.4. Thí dụ về các dạng chuyển động cơ bản 10 Bài 2. NGUYÊN LÝ BẢO TOÀN ĐỘNG LƯỢNG VÀ MOMENT ĐỘNG LƯỢNG 12 2.1. Nguyên lý quán tính 12 2.2. Nguyên lý bảo toàn động lượng 12 2.3. Các dạng tương tác cơ bản 15 2.4. Nguyên lý bảo toàn moment động lượng 18 Bài 3. NGUYÊN LÝ BẢO TOÀN NĂNG LƯỢNG 21 3.1. Nguyên lý bảo toàn năng lượng 21 3.2. Động năng 23 3.3. Thế năng 241 3.4. Cơ năng 25 Bài 4. NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC 25 4.1. Một số khái niệm của nhiệt động lực học 28 4.2. Nguyên lý thứ nhất của nhiệt động học 31 4.3. Ứng dụng của nguyên lý thứ nhất 329 4.4. Nguyên lý thứ hai nhiệt động học 341 Bài 5. CHẤT LỎNG 38 5.1. Tính chất và cấu tạo của chất lỏng 38 5.2. Các hiện tượng mặt ngoài của chất lỏng 39 5.3. Hiện tượng dính ướt và không dính ướt 41 5.4. Hiện tượng mao dẫn 42 Bài 6: TRƯỜNG ĐIỆN TỪ 45 6.1. Trường tĩnh điện 45 6.2. Từ trường của dòng điện không đổi 53 6.3. Các định luật Mắc – Xoen, sóng điện từ 66 Bài 7: TÍNH CHẤT SÓNG CỦA ÁNH SÁNG 70 2 7.1. Quá trình sóng, phương trình sóng, mặt sóng 70 7.2. Sự giao thoa của sóng 72 7.3. Hiện tượng nhiễu xạ ánh sáng 74 7.4. Hiện tượng phân cực ánh sáng 75 Bài 8. LÝ THUYẾT LƯỢNG TỬ 78 8.1 Sự bức xạ và hấp thụ nhiệt, vật đen tuyệt đối, định luật Kiếc – khốp 78 8.2. Các định luật phát xạ của vật đen tuyệt đối 80 8.3. Thuyết lượng tử năng lượng của Planck, thuyết lượng tử ánh sáng của Anhstanh (Einstein) 81 8.4. Hiện tượng quang điện, các định luật quang điện 82 3 B B à à i i 1 1 . . Đ Đ Ộ Ộ N N G G H H Ọ Ọ C C 1.1. Chuyển động cơ học, véctơ tọa độ 1.1.1. Định nghĩa chuyển động cơ Định nghĩa: Chuyển động cơ học của vật thể là sự thay đổi vị trí của vật thể trong không gian cùng với sự biến đổi của thời gian. Chất điểm là một vật thể có kích thước rất nhỏ không đáng kể so với những khoảng cách và những kích thước mà ta xét. Ví dụ: Quả đất chuyển động quanh Mặt Trời có thể được coi là một chất điểm, nhưng nếu xét quả đất quay quanh trục riêng của nó thì quả đất lại không thể coi như chất điểm. Như vậy, khái niệm chất điểm có tính chất tương đối. Một tập hợp chất điểm được gọi là hệ chất điểm. Ví dụ: Vật rắn là một hệ chất điểm cách nhau những khoảng không đổi. 1.1.2. Hệ quy chiếu. Véctơ tọa độ Hệ quy chiếu: Để nghiên cứu sự chuyển động của chất điểm trong không gian, ta phải đối chiếu vị trí của chất điểm tại từng thời điểm với vị trí của các điểm đứng yên, gọi là điểm mốc. Tập hợp các điểm mốc trong không gian tạo thành hệ qui chiếu. Véctơ tọa độ: Trong hệ qui chiếu đã chọn ta lấy một điểm mốc làm gốc. Một véctơ có gốc đặt điểm gốc, có ngọn đặt tại chất điểm ta nghiên cứu, được gọi là véctơ tọa độ r  . Véctơ tọa độ có độ lớn bằng khoảng cách từ chất điểm đến điểm gốc, có phương và chiều xác định bằng cách so sánh với các trục cố định trong hệ quy chiếu. Như vậy, véctơ tọa độ cho phép xác định vị trí còn gọi là tọa độ của chất điểm đối với hệ quy chiếu. Do tọa độ của chất điểm thay đổi cùng với thời gian nên véctơ tọa độ phụ thuộc vào thời gian: r r(t)    . Biết được quy luật biến đổi của véctơ tọa độ r(t)  , ta xác định đường dịch chuyển của chất điểm trong hệ quy chiếu và gọi là quỹ đạo chuyển động của chất điểm. Ví dụ: Xét hệ tọa độ Đềcác: (Descarte) 3 tọa độ x, y, z của chất điểm M là 3 tọa độ của bán kính véctơ OM r    Từ r r(t)    ta viết: x f (t) M y g(t) z h(t)         Xét chất điểm M có phương trình chuyển động sau M r  x y z O k  i  j  4 o 2 2 2 o x v t 1 g M y gt y .x 2 2v z 0                     Quỹ đạo Parabol 1.1.3. Các hệ tọa độ: Hệ các thông số được dùng để xác định véctơ tọa độ r(t)  , có nghĩa là xác định tọa độ của chất điểm trong hệ quy chiếu, được gọi là hệ tọa độ. Ta sẽ xét một số hệ tọa độ thường dùng dưới đây. a) Hệ tọa độ Đềcác  Hệ trục tọa độ Đềcác gồm điểm gốc O và 3 trục Ox, Oy, Oz vuông góc với nhau từng đôi một có định hướng.  Véctơ tọa độ r  được xác định bởi hệ tọa độ (x,y,z) là các thành phần của r  trên 3 trục nói trên.  i, j, k    là các véctơ đơn vị trên 3 trục Ox, Oy, Oz Ta có biểu thức véctơ cho r  : r x.i y.j z.k        (1) b) Hệ tọa độ cầu x y z O M r    Trong hệ tọa độ cầu véctơ r  được xác định bởi hệ tọa độ gồm độ lớn r của véctơ r  và hai góc  và . c) Hệ tọa độ cong Trong hệ tọa độ cong vị trí của chất điểm được xác định bởi khoảng cách S trên quỹ đạo cong từ vị trí của chất điểm M ở thời điểm t đến một vị trí M o được chọn làm mốc Các véctơ tọa độ tương ứng với các vị trí đó là o r  và r(t)  o r  5 d) Hệ tọa độ góc Trường hợp chất điểm chuyển động trên một quỹ đạo tròn, vị trí của chất điểm trên quỹ đạo được xác định bởi góc  hợp bởi véctơ tọa độ r(t)  và véctơ tọa độ o r  được chọn làm mốc. Nếu R: bán kính của quỹ đạo tròn, tọa độ góc  và tọa độ cong S liên hệ với nhau bởi hệ thức: S R.   (2)  o r  ( ) r t  1.2. Véctơ vận tốc Véctơ vận tốc là đại lượng đặc trưng cho phương, chiều và độ nhanh, chậm của chuyển động. 1.2.1. Định nghĩa a) Véctơ vận tốc trung bình Ở thời điểm t 1, chất điểm ở vị trí M 1 Ở thời điểm t 2, chất điểm ở vị trí M 2 Tính trung bình trong khoảng thời gian 2 1 t t t    , véctơ tọa độ đã biến đổi một lượng biểu diễn bằng véctơ r   . 2 1 r r r       Vận tốc trung bình của chất điểm trong một khoảng thời gian bằng: 12 12 tt rr t r v           (3) b) Véctơ vận tốc tức thời Nếu khoảng thời gian t  vô cùng nhỏ bằng cách cho t  tiến tới không, độ biến đổi của véctơ tọa độ có ý nghĩa tức thời và tỉ số trên tiến tới một giới hạn. Độ biến đổi tức thời của véctơ tọa độ trong một đơn vị thời gian được gọi là véctơ vận tốc tức thời của chất điểm và bằng: t 0 r v lim t              (4) Theo toán học, giới hạn này bằng đạo hàm của véctơ tọa độ theo thời gian, do đó véctơ vận tốc tức thời được tính bằng đạo hàm của véctơ tọa độ theo thời gian: t 0 r dr v lim t dt                (5) Trong hệ S.I         r m v m s t s    1.2.2. Vận tốc trong các hệ tọa độ a) Hệ tọa độ Đềcác Xét hệ tọa độ Đềcác cố định, các véc tơ đơn vị i, j,k    không biến đổi theo thời gian: 6 dr dx dy dz v i j k dt dt dt dt          Các đạo hàm dx dy dz , , dt dt dt có ý nghĩa là độ biến đổi tọa độ của chất điểm trong đơn vị thời gian dọc theo các trục tọa độ, là các thành phần của véc tơ vận tốc trên các trục trong hệ tọa độ Đềcác. x dx v dt  ; y dy v dt  ; z dz v dt  Vậy: x y z v v i v j v k        (6) Với các thành phần v x , v y , v z ta có thể xác định được véc tơ vận tốc v  b) Hệ tọa độ cong Trong hệ tọa độ cong, khi t 0   véc tơ r   có phương tiến dần đến phương của tiếp tuyến với quỹ đạo tại vị trí M 1 của chất điểm, có chiều cùng với chiều chuyển động và độ lớn 1 2 r M M   tiến gần với cung  1 2 M M s   Kết luận: Do vậy véc tơ vận tốc tức thời v  theo hệ thức (5)  Có phương trùng với tiếp tuyến với quỹ đạo tại vị trí của chất điểm.  Có chiều cùng chiều chuyển động.  Có độ lớn t 0 r dS v lim t dt             Ý nghĩa: Đạo hàm dS dt có ý nghĩa là độ biến đổi tọa độ của chất điểm trong đơn vị thời gian dọc theo quỹ đạo cong. Gọi m  : véc tơ đơn vị tiếp tuyến. Véc tơ vận tốc trong hệ tọa độ cong sẽ bằng: dS v v.m .m dt      (7) c) Hệ tọa độ góc Trong hệ tọa độ góc; vận tốc góc  được định nghĩa bằng độ biến đổi tọa độ góc  trong đơn vị thời gian: d dt    (8) Đơn vị của vận tốc góc       rad t s     Trong trường hợp chuyển động tròn đều, ngoài  còn các đại lượng khác đặc trưng cho tốc độ chuyển động là chu kỳ T và tần số n. Khoảng thời gian chất điểm thực hiện một vòng tròn được gọi là chu kỳ. Ta có: T 2    2 T    (9) 7 Số chu kỳ trong một đơn vị thời gian gọi là tần số 1 n T  (10) Liên hệ vận tốc dài và vận tốc góc Vận tốc góc  và vận tốc dài v liên hệ với nhau trên cơ sở hệ thức (8) và (2): S d d 1 dS R dt dt R dt             v R   1.3. Véc tơ gia tốc Véc tơ gia tốc là đại lượng vật lý đặc trưng cho độ biến thiên về phương, chiều và độ lớn của vận tốc. 1.3.1. Định nghĩa a) Véc tơ gia tốc trung bình  Tại thời điểm t 1 chất điểm ở tại vị trí xác định bởi 1 r  , có vận tốc 1 v   Tại thời điểm t 2 chất điểm ở tại vị trí xác định bởi 2 r  , có vận tốc 2 v   Tính trung bình, trong khoảng thời gian 2 1 t t t    , véc tơ vận tốc đã biến đổi một lượng biểu diễn bằng véc tơ v   12 vvΔv  * Định nghĩa: Độ biến đổi trung bình của véc tơ vận tốc trong đơn vị thời gian được gọi là véc tơ gia tốc trung bình của chất điểm. 2 1 2 1 v v v a t t t         (12) b) Véc tơ gia tốc tức thời Khi t 0   , độ biến đổi v   có ý nghĩa tức thời, tỷ số v t    sẽ tiến tới một giới hạn Độ biến đổi tức thời của véc tơ vận tốc trong một đơn vị thời gian được gọi là véc tơ gia tốc tức thời của chất điểm trong chuyển động. t 0 v dv a lim t dt          (13) Vậy: gia tốc tức thời được tính bằng đạo hàm của véc tơ vận tốc theo thời gian. Trong hệ S.I, gia tốc đo bằng       2 v m a t s   1.3.2. Gia tốc trong các hệ tọa độ a) Hệ tọa độ Đềcác Trong hệ tọa độ Đềcác cố định, từ các biểu thức (6) và (13) 8 k dt dv j dt dv i dt dv dt vd a dt vd a kvjvivv z y x zyx    . Các đạo hàm y x z dv dv dv , , dt dt dt có ý nghĩa là độ biến đổi vận tốc của chất điểm trong đơn vị thời gian dọc theo các trục tọa độ, là các thành phần của véc tơ gia tốc trên các trục trong hệ tọa độ Đềcác. y x z x y z dv dv dv a ; a ; a dt dt dt    Vậy x y z a a .i a .j a .k        (14) Véc tơ gia tốc a  được xác định hoàn toàn nếu biết x y z a ,a ,a . b) Hệ tọa độ cong ) Công thức tính gia tốc: Từ (7) và (13) ta có: d(v.m) a dt    Do véc tơ đơn vị tiếp tuyến m  luôn thay đổi về phương trong chuyển động của chất điểm trên tọa độ cong, nên ta có: dv dm a .m v. dt dt      Ta hãy tính thành phần thứ hai trong vế phải của biểu thức trên Theo ý nghĩa của đạo hàm: t 0 dm m lim dt t              Từ hình vẽ, ta thấy khi t 0   véc tơ đơn vị tiếp tuyến 2 m  tiến dần trùng với 1 m  . Còn m   tiến dần tới một giới hạn sau đây:  Về phương vuông góc với 1 m  , nghĩa là vuông góc với tiếp tuyến với quỹ đạo tại vị trí của chất điểm.  Về chiều, hướng về phía lõm của quỹ đạo  Về độ lớn được tính theo sự đồng dạng của hai tam giác   1 2 1 M ,m ,m   và   1 2 CM M . Trong đó C là tâm của vòng tròn có một phần trùng với cung  1 2 M M , có  là bán kính cong. 9 Ta có: 1 2 M M m 1    Khi t 0   ;  1 2 1 2 M M M M S    t 0 t 0 m 1 S lim lim t t 1 dS v dt                             n  : véc tơ đơn vị pháp tuyến, gia tốc tức thời sẽ được tính: 2 dv v a m n dt         (15) ) Gia tốc tiếp tuyến: Thành phần gia tốc thứ nhất gọi là gia tốc tiếp tuyến t a  ( t a  ): nó cùng phương với véc tơ vận tốc biểu diễn bằng véc tơ đơn vị tiếp tuyến m  , có chiều là chiều chuyển động nếu chất điểm chuyển động nhanh dần và ngược chiều chuyển động nếu chất điểm chuyển động chậm dần, độ lớn a t được tính bằng: t dv a dt  Ta có: t t dv a m a .m dt       (16) Vậy trong chuyển động của chất điểm, gia tốc tiếp tuyến cho biết độ biến đổi về độ lớn của vận tốc trong đơn vị thời gian, giữ nguyên phương của chuyển động. ) Gia tốc pháp tuyến: Thành phần gia tốc thứ hai gọi là gia tốc pháp tuyến n a  .  n a  có phương, chiều được biểu diễn bằng véc tơ đơn vị pháp tuyến n  , vuông góc với véc tơ vận tốc và hướng vào tâm quĩ đạo.  Độ lớn của gia tốc tiếp tuyến a n liên hệ với độ lớn của vận tốc và bán kính cong của quỹ đạo theo hệ thức: 2 n v a   2 n n v a n a .n        (17) Trong chuyển động của chất điểm, gia tốc pháp tuyến cho biết độ biến thiên của véc tơ vận tốc trong đơn vị thời gian, bằng một lượng 2 v  theo phương vuông góc với phương chuyển động và hướng về phía lõm của quỹ đạo. [...]... động lượng 2.2.1 Sự tương tác giữa các vật thể Thực nghiệm chứng tỏ rằng không bao giờ có tác dụng một phía Khi vật A tác dụng lên vật B thì ngược lại vật B cũng tác dụng lên vật A Ta nói chúng tương tác với nhau Định luật xét mối liên hệ giữa các tương tác của hai vật (định luật 3 Newton) khi  chất điểm A tác dụng lên chất điểm B một lực F thì chất điểm B cũng tác dụng lên chất   điểm A một lực F '... cos(t  ) 11 Bài 2 NGUYÊN LÝ BẢO TOÀN ĐỘNG LƯỢNG VÀ MOMENT ĐỘNG LƯỢNG 2.1 Nguyên lý quán tính Nguyên lý quán tính nghiên cứu trạng thái chuyển động của các vật không chịu tác dụng nào ở bên ngoài (gọi là vật cô lập)  * Phát biểu: Một vật cô lập nếu đang ứng yên thì nó sẽ ứng yên mãi ( v  0 )  hoặc nếu đang chuyển động thì chuyển động của nó là thẳng và đều ( v = const)  + Chất điểm ứng yên có...  Chất điểm chịu tác dụng của n lực khác nhau thì lực tổng hợp F là:     F = F 1 + F 2 + + F n = n  F i i 1 Chú ý: Lực tác dụng lên một vật có thể làm cho vật đó biến dạng làm căng lò xo, làm bẹp các hộp Tác dụng làm biến dạng là tác dụng của lực, còn tác dụng gây ra gia tốc là tác dụng động của lực 2.3 Các dạng tương tác cơ bản 2.3.1 Các dạng tương tác cơ bản Trong vật lý hiện đại người ta... tạo một động cơ vĩnh cửu loại I" 4.3 Ứng dụng của nguyên lý thứ nhất Phạm vi ứng dụng của nguyên lý thứ nhất rất rộng rãi Trong giáo trình này ta chỉ ứng dụng nó để khảo sát một số quá trình cân bằng 4.3.1 Trạng thái cân bằng - Quá trình cân bằng a) Trạng thái cân bằng của hệ là trạng thái trong đó mọi P thông số của hệ sẽ được hoàn toàn xác định và nếu không có tác dụng bên ngoài thì trạng thái đó sẽ... 67.10-11N.m2/kg2 Từ biểu thức ta thấy, nếu các vật có khối lượng m1, m2 càng lớn thì lực hấp dẫn F1 , F2 càng lớn Vậy ta có thể định nghĩa khối lượng hấp dẫn của vật là đại lượng vật lý đặc trưng cho khả năng hấp dẫn của vật ấy - Sự tương tác giữa các vật chỉ có thể thực hiện thông qua trường vật chất trung gian, người ta gọi trường này là trường hấp dẫn b Trọng lượng Xét một vật có khối lượng m ở cách mặt đất... của tên lửa 2.2.4 Khái niệm về lực Thực nghiệm chứng tỏ rằng khi một chất điểm chịu một tác dụng bên ngoài thì trạng thái chuyển động của chất điểm thay đổi Tác dụng bên ngoài lên chất điểm được đặc trưng bởi đại lượng vật lý gọi là lực Vậy: Lực đặc trưng cho tương tác giữa các vật và là nguyên nhân gây ra sự thay đổi trạng thái chuyển động của các vật  Đại lượng đặc trưng cho sự thay đổi trạng thái... Lực ma sát khô: Xét hai vật tiếp xúc nhau, khi vật này chuyển động so với vật kia dưới tác dụng của ngoại lực, thì giữa chúng xuất hiện lực cản chuyển động Lực cản đó gọi là lực ma sát Nếu hai vật tiếp xúc là vật rắn thì lực ma sát được gọi là lực ma sát khô Thực nghiệm cho biết lực ma sát khô có những tính chất sau: - Luôn luôn cùng phương nhưng ngược chiều chuyển động - Nếu vật trượt với vận tốc v... chịu tác dụng của cùng một momen lực M nhưng những vật có momen quán tính I càng lớn, sẽ có gia tốc  càng nhỏ nghĩa là sự thay đổi trạng thái chuyển động quay càng ít, vật có quán tính lớn Như vậy, momen quán tính đặc trưng cho quán tính của vật rắn trong chuyển động quay 2.4.3 Nguyên lý bảo toàn momen động lượng a Định luật: Trong trường hợp nếu momen tổng hợp các ngoại lực tác dụng lên vật r  ... là với một vật rắn quay bất kỳ, chỉ cần momen lực M = 0 thì momen động lượng không thay đổi theo thời gian Vậy, nếu momen tổng hợp các ngoại lực tác dụng lên một vật rắn xung quanh một trục triệt tiêu thì momen động lượng của vật rắn được bảo toàn Định luật bảo toàn động lượng đúng cho cả trường hợp chất điểm bất kỳ chuyển động quanh 1 trục 20 Bài 3 NGUYÊN LÝ BẢO TOÀN NĂNG LƯỢNG 3.1 Nguyên lý bảo toàn... nguyên lý I a) Nếu hệ là cô lập, A = Q = 0 thì theo (7), U = 0, nghĩa là nội năng của hệ được bảo toàn Giả sử ta có hai hệ cô lập gồm hai vật trao đổi nhiệt Gọi Q1, Q2 là nhiệt lượng mà hai vật nhận được Ta có: Q = Q1 + Q2 = Q hay Q1 = - Q2 Nghĩa là nếu Q1 > 0 (vật thứ nhất nhận nhiệt thì Q2 < 0 (vật thứ hai tỏa nhiệt) và ngược lại Vậy trong hệ cô lập gồm 2 vật trao đổi nhiệt, nhiệt lượng do vật này