Bài giảng vật lý đại cương chương 1 cơ học chất điểm và vật rắn

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 HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM Vietnam National University of Agriculture Bài mở đầu Chương Cơ học chất điểm vật rắn Chương Dao động sóng học Chương Chất lỏng Chương Hệ nhiệt động Chương Điện trường Chương Từ trường sóng điện từ Chương Quang sóng Chương Quang lượng tử quang sinh học Chương Cơ học lượng tử Vật lý nguyên tử hạt nhân Mở đầu I Phép đo Độ bất định Các chuẩn Phép đo: Để biểu thị mối quan hệ đại lượng vật lý cách định lượng ta cần phải tiến hành phép đo Độ bất định: Mỗi phép đo có độ bất định (độ không ổn định) gắn phép đo Chuẩn: Các đại lượng vật lý định nghĩa cẩn thận Không số cần đo xác mà phép đo phải quy chuẩn (Đơn vị bản) Mở đầu Một số chuẩn vật lý Thời gian: Một giây thời gian 9.192.631.770 chu kì xạ xác định nguyên tử xêsi 137 Độ dài: Một mét độ dài mà ánh sáng chân không khoảng thời gian 1/299729458 giây Khối lượng: Một kilogam khối lượng khối trụ platini – iriđi đặc biệt cất giữ gần Paris, Pháp Mở đầu II Hệ đơn vị Hệ đơn vị chuẩn quốc tế (Système International d’unites) - SI Đại lượng Đơn vị Kí hiệu Chiều dài Mét M Thời gian Giây s Khối lượng Kilôgam kg Cường độ dòng điện Ampe A Nhiệt độ Kenvin K Lượng chất Mole Mol Cường độ sáng Candela Cd Chương Cơ học chất điểm vật rắn §1 Động học chất điểm §2 Động lực học chất điểm §3 Công lượng §4 Chuyển động quay của vật rắn §1 Động học chất điểm Động học: Nghiên cứu các đặc trưng của chuyển động những chuyển động khác (Không tính đến lực tác dụng) I Một số khái niệm Chuyển động học hệ quy chiếu Chuyển động học: Sự thay đổi vị trí của vật này đối với vật khác hoặc thay đổi vị trí các phần của vật đối với Hệ quy chiếu: Vật (hệ vật) coi là đứng yên dùng làm mốc để xác định vị trí của các vật không gian §1 Động học chất điểm Chất điểm + Những vật có khối lượng kích thước không đáng kể so với khoảng cách khảo sát + Khoảng cách từ Trái đất → Mặt trời: 150,000,000 Km + Bán kính Trái đất: 6,371 Km + Nếu xét chuyển động tự quay của trái đất trái đất không coi chất điểm → Chất điểm mang tính chất tương đối + Hệ chất điểm: Tập hợp nhiều chất điểm §1 Động học chất điểm Véctơ tọa độ phương trình chuyển động (PTCĐ) Véctơ tọa độ ( r): Véctơ vẽ từ gốc tọa độ đến chất điểm khảo sát + Biểu diễn véctơ tọa độ Hệ tọa độ Đềcác chiều: z r  x.i  y j  z.k + Độ lớn: r  x y z 2 (1) M k (2) r O Với i , j , k : véctơ đơn vị hướng theo trục Ox, Oy, Oz i y j x §1 Động học chất điểm Phương trình chuyển động (PTCĐ) z  x  f x (t )  M  y  f y (t )  z  f (t ) z  (3) r  r (t ) (4) r M O y x Ví dụ: Phương trình chuyển động của chất điểm dao động điều hòa:  x  4cos(10t  ) 10 §4 Chuyển động quay của vật rắn Theo định luật Newton: Fti  mi ati (5) Nhân vế của (5) với ri ta được: ri Fti  ri mi ati Mà: ati   ri , M i  ri Fti (Mi gọi mômen của lực Fti với chất điểm i)  M i  mi ri  (6) + Đối với vật rắn gồm n chất điểm ta có:  n 2 M i    mi ri   (7)  i 1  i 1  n 96 §4 Chuyển động quay của vật rắn Đặt: + M   M i gọi mômen tổng hợp ngoại lực tác dụng lên vật rắn n + I   mi ri2 gọi mômen quán tính của vật rắn với trục i 1 quay + Do  M  I  M   (8) (?) nên ta viết dưới dạng véctơ: M  I  (9) 97 §4 Chuyển động quay của vật rắn Biểu thức (8), (9) phương trình của chuyển động quay của vật rắn quanh trục cố định M (9)    I Phát biểu Trong chuyển động quay vật rắn quanh trục, gia tốc góc mà vật rắn thu tỷ lệ thuận với mômen tổng hợp ngoại lực tác dụng lên vật rắn tỷ lệ nghịch với mômen quán tính vật rắn đối với trục quay 98 §4 Chuyển động quay của vật rắn Đặc điểm ý nghĩa của mômen quán tính Biểu thức mômen quán tính: I  m r i i Đối với vật rắn có khối lượng phân bố liên tục: I   r dm Đặc điểm Mômen quán tính của vật rắn với trục quay phụ thuộc: + Khối lượng của chất điểm thuộc vật rắn + Hình dạng, kích thước vị trí của vật rắn với trục quay 99 §4 Chuyển động quay của vật rắn Ý nghĩa Từ biểu thức: M  I Khi chịu tác dụng của M, I lớn β nhỏ →Trạng thái chuyển động quay thay đổi hay tính bảo toàn trạng thái chuyển động quay lớn → Quán tính CĐ quay lớn ngược lại →I đặc trưng cho quán tính chuyển động quay vật rắn quanh trục cố định 100 §4 Chuyển động quay của vật rắn Ví dụ: Mômen quán tính của mảnh có tiết diện không đổi S, chiều dài L, khối lượng m có trục quay  qua đầu Ta tính I của phần tử nhỏ có chiều O dài dx cách trục quay khoảng x Phần tử có khối lượng là: dm   Sdx dx L x x  dx  dI  r dm   Sx dx Mômen quán tính của thanh: L x  I   dI    Sx dx   S     SL3  0 L 2 Với: m   SL  I  mL 101 §4 Chuyển động quay của vật rắn Mômen quán tính của số vật rắn khác + Mômen quán tính của hình xuyến I m( R12  R22 ) + Mômen quán tính của hình trụ đặc I mR 2 + Mômen quán tính của hình nón I  mR 10 + Mômen quán tính của cầu đặc I  mR 102 §4 Chuyển động quay của vật rắn Ý nghĩa của đại lượng phương trình: M  I  Mômen lực M Đặc trưng cho tác dụng lực chuyển động quay vật rắn quanh trục cố định Gia tốc góc  Đặc trưng cho sự biến đổi trạng thái chuyển động quay vật rắn quanh trục cố định Mômen quán tính I Đặc trưng cho quán tính chuyển động quay vật rắn quanh trục cố định 103 §4 Chuyển động quay của vật rắn III Định luật bảo toàn mômen động lượng Mômen động lượng ( L) Ý nghĩa Đặc trưng cho trạng thái chuyển động về mặt động lực học vật rắn quay xung quanh trục Định nghĩa Mômen động lượng của vật rắn đại lượng có trị số bằng tích của vận tốc góc với mômen quán tính của vật rắn đối với trục quay L  I  (1) 104 §4 Chuyển động quay của vật rắn Định luật bảo toàn mômen động lượng + Từ d d (I ) d L dL M  I   M  I   Hay M  (2) dt dt dt dt Khi mômen tổng hợp ngoại lực tác dụng lên vật rắn bằng 0: dL M   L  const Hay I   const (3) dt Phát biểu Nếu mômen tổng hợp ngoại lực tác dụng lên vật rắn không mômen động lượng bảo toàn 105 §4 Chuyển động quay của vật rắn 106 §4 Chuyển động quay của vật rắn IV Sự ly tâm ứng dụng Lực quán tính ly tâm + Xét chất điểm M có khối lượng m nằm hệ chất điểm chuyển động tròn với vận tốc góc ( ) → M thu gia tốc hướng tâm an   R + Chất điểm M chịu lực quán tính ly tâm: Fqt  m.an Đặc điểm + Cùng phương, ngược chiều với lực hướng tâm + Lực này làm chất điểm chuyển động xa tâm của quỹ đạo + Độ lớn: F  m. R 107 §4 Chuyển động quay của vật rắn Ứng dụng + Máy ly tâm để tách các thành phần có khối lượng khác dung dịch, bộ điều tốc ly tâm giữ cho vận tốc động ổn định… + Máy bơm ly tâm loại bơm hoạt động theo nguyên lý lực ly tâm Nước dẫn vào tâm quay của cánh bơm Nhờ lực ly tâm, nước bị đẩy văng mép cánh bơm Năng lượng bên thông qua cánh bơm đã truyền cho dòng nước, phần tạo nên áp lực, phần tạo thành động khiến nước chuyển động + Vắt khô, làm khô sản phẩm… 108 §4 Chuyển động quay của vật rắn 109 §4 Chuyển động quay của vật rắn Bộ điều tốc ly tâm: Giữ động ở tốc độ quay ổn định Hoạt động của điều tốc ly tâm động chạy Bộ điều tốc ly tâm động nước của Watt Boulton Bảo tàng Khoa học, Luân Đôn 110 ... (5) 12 1 Động học chất điểm II Vận tốc Khái niệm tốc độ 48m/h 6km/h 10 8 .10 7 km/h 913 km/h 13 1 Động học chất điểm Vận tốc trung bình + Thời điểm: t1 Chất điểm ở vị trí M1, r1 + Thời điểm: ... sáng Candela Cd Chương Cơ học chất điểm vật rắn 1 Động học chất điểm §2 Động lực học chất điểm §3 Công lượng §4 Chuyển động quay của vật rắn 1 Động học chất điểm Động học: Nghiên cứu các... 23 1 Động học chất điểm Y Y Song song v2 Song song v2 atb Y Song song v2 v atb v v1 v v2 v1 M2 v1 v2 M2 M1 v1 O (a) atb v2 M1 X O M2 M1 v1 X (b) O v1 X (c) 24 1 Động học chất điểm Gia tốc