Cơ sở vật lý tập1 cơ học p i

DAVID HALLIDAY - ROBERT RESNICK - JEARL WALKER Cữ Sữ VẬT LÍ TẬP MỘT ; C HỌC - I Ngĩểời dịch : NGƠ QUỐC QNH (Chủ biên) HỒNG HỮU THƯ (Đổng chủ biên) ĐÀO KIM NGỌC (Tài bàn lần thứ 2) NHÀ XUẤT BẢN GIÁO DỤC - 1999 Chịu trách nhiệm xuăt NGỒ TRẦN ÁI VŨ DƯONG THỤY DỊch : NGÔ QUỐC QUÝNH (Chủ biên) DAO kim ng ọ c Biên tập nội dung : NGUYỄN QUANG HẬU Biên tập tái : PHẠM QUANG TRựC Biên tập kĩ thuật : BÙI CHÍ HỂU Sửa in : PHÙNG THANH HUYỀN Sắp chữ : PHÒNG CHẾ BẤN (NXB GIÁO DỤC) - 747/1 - 99 Mă SỐ : 7K119T9 LÒi NHÀ XUẤT BẨN Bộ sách "Cơ S ỏ VẬT LÍ" Vụ Đào tạo Đại học - Bộ Giáo dục Đào tạo Trường Đại học Tổng hợp H Nội (cũ) tổ chức dịch từ sách "Pundam entals of Physics’’ tác giả David Halliday, Robert Resnick Jearl Walker Việc dịch cho xuất sách nàni chủ trương triển khai Chương trình mục tiêu (1993 “ 1996) nhàm xây dựng hệ thống giáo trình đại học Bộ sách gổm 42 chưcmg, chưcmg gồm nhiéu tiết, cuối chương cd phẩn "ôn tập tóm tát" nhàm giúp sinh viên nắm chác nội dung chương TVong chương, phẩn nội dung lí thuyết có "Mục chủ chốt" cấu trúc cách hợp lí để hút, hướng dản sinh viên trình suy luận thiết kế sau : Câu hòi hóc búa mở dáu Mỗi chương mở đấu bàng "câu hỏi hóc búa" vé vật lí, có mơ tả tượng li kì với mục đích hút sinh viên "Câu hỏi hdc búa" liên quan mật thiết tới nội dung vật lí chương ảnh minh họa cho câu hỏi hóc búa lựa chọn cho gây ấn tượng mạnh cho người đọc Việc trà lời câu hỏi hóc búa tìm thấy (một cách định tính) tiết chương (một cách định lượng) toán mẫu Các toán tnấu Nội dung toán mẫu đế cập tới vấn đé nêu chương Các tốn mẫu Cílíu tạo cho sinh viên có dịp thơng qua toán mà làm việc với tác giả để thấy rõ cách bát đầu với câu hòi cách kết thúc với câu trả lời Các toán máu tạo cáu nối từ giảng vật lí tới tập tốn cuõi chương Chúng giúp sinh viên phân loại khái niệm, th u ật ngữ, ki hiệu, củng cố kỉ nãng toán học Các ch iến th u ật giải toán Sự quan tâni đặc biệt tới việc phát triến kỉ náng giải toán sinh viên điốni bật sách 'ĨYong inục "Các chiến thuật giải toán" tác giả nhấn mạnh kỉ thuật kỉ nang giải hài toan, xem lại logic toán mẫu biện luận điểu hiểu Ịám thườnp gặp vé th u ật ngữ vể khđi niệm vật lí Phán lớn hướng dẫn học tập nảni ('ác tập sách đấu sách, chỗ mà sinh viên cắn giúp đỡ nhiéu ; hướng dẫn nảy củng thấy tập sau xuất tình đậc biệt rác rối Các cảu hỏi, tập toán Tập hơp CÁC t'âu hỏi, tập toán cuối chương vượt xa giáo trình nháp mồn V(* vật lí rộng lớn phong phú Các tác giả đà đưa vào số lượng dâng kể cảu hỏi, tập toán vé ứng dụng lí thuyết Việc sử ciụn^ rộng rái hỉnh vẽ ảnh chụp giúp cho việc minh họa tốt câu ịíòi, tạp hài tốn Cứí câu hỏi Các cáu hỏi định tính (chỉ cán suy nghỉ, m khồng phải tính tốn trước trả lời) có khoảĩiíí 1150 câu Đó nét đặc biệt sách Các câu hỏi liên hệ mặt thiêt với CÁC tượng xảv quanh ta hầng ngày nhàm gợi tính tò mò gậỊT hứng thú nhán mạnh khái niệm vật lí Các tập íoén Tổng số tập toán vào khoáng 3400 Các tập kí hiệu chữ E, ghi sau số thứ tự, đậc tn ín g cho loại tốn bước hoậc cơng thủc trình bày ứng dụng Nd tạo cho sinh viên tự tin vào việc giải tốn Các tốn kí hiệu bầng chữ p, ghi sau số ihứ thự ; số có trỉnh độ cao đánh dấu (•) sau số thứ tự Thêm vào việc phân thành loại E p, sáp xếp theo mức độ khổ mục chương Mục đích tác giả đơn giản hđa trình lựa chọn thấy giáo trước tài liệu phong phú có Do đd, người dạy có th ể thay đổi nội dung cấn nhẫn mạnh mức độ kho cho phù hợp với IhỊ hiếu việc đào tạo lớp sinh viên, thời dành khối lượng lớn tập toán cho nhiểu nốm giảng dạy khác Các toán bổ sung Cuối phán lớn chương có "các tốn bổ sung" Khi giải tốn, khơng dẫn vé chương mục này, sinh viên phải tự chọn cho minh nguyên lí vật lí thích hợp Các ứng dụng tiểu luận Các tác già đưa vào chương, nhiểu ứng dụng vật lí vào kỉ thuật, cơng nghệ học, y học, tượng quen thuộc thường ngày Ngoài sách có 17 tiểu luận nhà khoa học có tên tuổi viết phân bổ vào chỗ thích hợp giáo trinh, vế ứng dụng vật lí vào chủ đề mà sinh viên đặc biệt thích thú khiêu vũ, thể thao, hiệu ứng nhà kính, lade, phép chụp tồn ảnh v.v (Xin xem mục lục) Phấn lớn tiểu luận, GÓ dẳn tài liệu phạm vi chương trưởc chứa đựng câ\i hỏi để thu hút sinh viên trình suy n ^ ỉ Để thuận tiện cho việc in ẵn sử dụng, sách dịch chia thành sáu tập phân cỏng dịch sau : Tập : Cơ học - I gổm 10 chương PGS NGÔ QUỐC QUÝNH DÀO KIM NGỌC Tập : Cơ học - II gổm chương PGS NGÔ QUỐC QUÝNH PGS.PTS PHAN VẢN THÍCH Tập : Nhiệt động học gổm chương PGS.PTS NGUYỄN VlẾT KÍNH Tập : Điện học - I gổm chương GS DÀM TRƯNG DồN PGS.PTS LÊ KKẤC BÌNH Tập : Điện học - II gồm chương GS DÀM TRƯNG DồN PGS.PTS LÊ KHẮC BÌNH Tập Quang học Thuyết tương đối gổm chương PGS.PTS PHAN VÀN THÍCH Theo chủ trương Vụ Dào tạo Đại học Bộ Giáo dục Đào tạo sách dùng làm tài liệu gỉảng dạy học tẠp giai đoạn (Đại học Đại cương) cùa trường Đại học Cao đẳng toàn quốc Bộ sách ỉà tàỉ liệu thanì khảo hữu ích cán kỉ thuật cán nghiên cứu ngành có liên quan tới Vật lí giáo trường phổ thông Bộ sách xuất lẩn đấu nên chác khổng tránh kbỏỉ số thiếu sổt Chứng hoan nghênh Txhận xét, phê binh cho sách từ độc già để lẩn xuất sau sách hồn thiện Thư góp V xin gửi vể NHÀ XUẤT BẨN GIÁO DỤC, 81 Trần H ưng Đạo H Nội NHÀ XUẤT BẤN GIÁO DỤC ĐO LƯỊNG Bạn thê quan sát Mặt Trùi lặn vù biến m ất mặt dại dương phẳng lặn^ lân bạn nằm irôn hãi hiên lăn niìci hạn dứng dậy Ngạc nhiên íliay , hằní' cách khốni’ iliời gian hai lan Mặt Trời lặn hạn có thề tính ụtn (lược hán kính Ti Dất Vậy có thè sử dụng th ế m ột quan sát dơn giàn mà dược Trái Dất ? -1 Đ O LƯ Ò N G Vật lí dựa đo lường Khoảng thời gian hai tiếng lích kích cùa máy đếm ? Nhiệt độ hêli lỏng binh ? Bước sóng ánh sáng nguỗn lade ? Cường độ dòng điện dây dẫn điện ? Và rấ t nhiéu câu hỏi khác Chúng ta bát đấu học vật lí việc học đo đạc đại lượng gặp định luật vật lí Trong đại lượng đd có độ dài, thời gian, khối lượng, nhiệt độ, áp lực điện trở H àng ngày thường sử dụng từ Thí dụ bạn ndi : "Tồi muốn tỉm cách để giúp anh miền anh đừng gây áp lực với tơi” Trong vật lí từ độ dài áp lực có ý nghía xác mà khơng nhẩm với ý nghía thường ngày (thường mơ hổ) chúng Thực tế ý nghỉa khoa học xác độ dài áp lực khơng cd chung với ý nghỉa chúng câu nói hàng ngày, điéu đd có th ể rác rối : theo nhà vật lí Robert Oppenheimer thl "Thường việc từ khoa học từ sống ngồn ngữ thông thường nên cd th ể làm người ta hiểu sai hiểu đúng” Để mô tả đại lượng vật lí trước tiên định nghỉa đ n vị ; đd số đo đại lượng lấy xác bàng 1,0 Sau đò định nghĩa c h u ấ n , vật mốc để người ta so sánh tấ t mảu khác đại lượng dó Thí dụ đơn vị độ dài mét, bạn thấy, chuẩn cho mét độ dài mà ánh sáng chân không phán giây Chúng ta tùy ý chọn để định nghỉa đơn vị chuẩn nố Điéu quan trọng phải cho ĩứià khoa học toàn th ế giới trí định nghỉa vừa hợp lí, vừa thực tế Một xác lập chuẩn, chảng hạn cho độ dài, thỉ phải đưa cách xác định độ dài bất kỉ, dù đò bán kính ngun tử hiđrơ, bánh xe trượt, hay khoảng cách tới m ột sao, theo chuẩn đđ Nhiều phép so sánh ta phài iàm gián tỉếp Chảng hạn bạn khổng thể dùng thước để đo hoậc bán kinh nguyên tử khoảng cách tới Cd nhiéu đại lượng vật lí vậy, nẻn vấn đé cần sáp xếp chúng lại May thay tấ t đéu độc lập Thí dụ tốc độ thương số độ dài thời gian Vậy nhiệm vụ ta rú t - theo thỏa thuận quốc tế - số nhỏ đại lượng vật l | , độr dài thời gian, chl xác lập chuẩn cho chúng Sau đd định nghỉa tấ t cáe đại lượng vật lí khác theo đại lượng chuẩn chúng Thí dụ tổc độ định nghỉa theo đại lượng Ì3ản độ dàỉ thời gỉan chuẩn kết hợp Các chuẩn phải vừa khả dụng vừa không đổi Nếu định nghỉa chuẩn độ dài khoảng cách mũi ngổn tay trỏ cánh tay duỗi thảng, rố ràng chủng ta cd m ột chuẩn khả dụng dl nhiên sẻ thay đổi từ người đến người khác Đòi hỏi vé độ xác khoa học vá công nghệ lại thúc ép cách khác Chúng ta quan tâm đến tính bát biến trước tiên, sau cổgáng chuẩn thành khả dụng cho cẩn chúng 1-2 HỆ ĐON VỊ QUỐC TẾ N&m 197Ỉ Hội n£^ị Cân Đo Quốc tế lán thứ 14 láy bảy đại lượng làm đại lượng bản, đtí hlnh thành sỏ Hệ Đơn vị Quđc tế, viết tát SI từ tôn tiếng Pháp, thường gọi hộ met Bảng 1.1 đơn vị cho ba đại lượng - độ dài, khối ỉượng thời gian - mà sử dụng chương đẩu cuổn sách Những đơn vị cho đại lượng chọn để phù hợp với "kích cỡ người" Nhiéu dơn vị dán xuất SI định nghĩa theo đơn vị Thí dụ đơn vị SI cho cơng st, gọi o a t (viết tất W) định nghỉa theo đơn vị khối lượng, độ dài thời gian Như bạn thấy ỏ chương 7, oat = 1W = Ikg.m2/s3 (1-1) Để biểu diễn sổ lớn nhỏ thường gập vật lí ta dùng kí hiệu khoa học, sử dụng lũy thừa 10 Trong kí hiệu 560 000 000m và, = 3,56 X 10’m ,0 0 0 (1-2) = ,9 X - ''s (1 -3 ) Bảng 1-1 MỘT SỐ DƠN VỊ CO BẤN SI Đại lượng Tẽn dơn vị KÍ hiệu đơn vị Độ dài Thời gian Khổi iượng met giĂy kilogam m s kg Bđng ĩ - CÁC TIỂP DẰU NGỮ CHO CẤC ĐON VỊ Thừa số 7^4» đòu ngữ yotta10^‘ z e tta - 10** Gocapetatera- 10*' 10*' lo ’ 10*’ 10^ 10^ gigamềga- 10* a) Cấc chủ VIÔI Thừa 8Ố Y z E p T G 10-2-* yocto- -2 zep tO “ 10'*® attofemto- 1010-12 hectô- M k h 10’ 10”* 10“^ ĩo '2 đêca- da 10 ‘ k ilV đầu ngữ K í hiệu đậm díc liếp đáu ngũ hay dùng nhát picouanontỉcro* K í hiệu y z a f p n millicentỉ- m c đẽxi- d Từ xuát máy điện tốn (computơ) đơi kí hiệu khoa học có dạng ngắn gọn hơn, 3,56 E9 m 4,92 E -7 s, E thay cho "lũy thừa 10" ỏ số máy tính ngắn gọn với E thay bàng khoảng trống Để thuận iợi ỉàm việc với số đo rát lớn hoậc rát bé ta sử dụng tiếp đáu ngữ ghi bảng 1-2 Gán tiếp đẩu ngữ vào đơn vị có nghỉa nhân với thừa sổ tương ứng Như ta ctí thể diễn đạt công suất điện 1,27 X 10’ oat = 1,27 giga oat = 1,27GW (1-4) khoảng thời gian 2,35 X 10“’s = 2,35 nano giây = 2,35 ns (1-5) Một số tiếp đẩu ngữ dùng mililit, centimet, kilogam megabit quen thuộc bạn Phụ lục F bla cho biết hệ số biến đổi sang hệ đơn vị khống phải hệ SI Hoa Ki nước lớn (thực tế hấu nước dụy nhất) khống chấp nhận cách chinh thức Hệ Đơn vị Quốc tế 1-3 CHUYỂN ĐỎI CÁC ĐON vị Thường ta cấn chuyển đổi đơn vị mà đại lượng vật lí có Khi ta dùng phương pháp biến đối nói xích Trong phương pháp ta nhân số đo ban đáu với th a số b ié n d ổ i (thương số đơn vị bàng 1) Thí dụ, vỉ phút 60s khoảng thời gian nhau, nên cd th ể viết 60s Cái hoàn toàn khác với viết dO = 60s = = hay 60 = ; 8Ố đơn vị phải xử lí với Vỉ nhân đại lượng với khơng làm cho đại lượng đd thay đổi nên ta đưa thừa số biến đổi nơi thấy cán thiết Trong biến đổi xích ta sử dụng thừa sổ cho đơn vị khổng cẩn thiết m ất Thí dụ, , 60s 2m in = (2m in)(l) = (2 aũft)' ( ) = 120s \ m k tỉ (1-6) Nếu tinh cờ m bạn dùng thừa số biến đổi lại không loại bỏ đơn vị cũ thỉ chi cần đảo ngược thừa số thử lại Nhớ ràng đơn vị cũnẹ tuân theo quy tác biến đại số số Bii toán mỉu 1-1 Chiếc tàu ngẩm n ^ ié n cứu ALVIN chuyển động với tốc độ 36,5 íathoms (sải) phút a) Diễn đạt tốc độ theo met giây Một íathom (fath) bàng fut (bộ> Giải Để tim tốc độ theo met giây ta viết m in -/ èR K / _ đ L \ / \ ( ’ m in) ( s ) ( fath) \ , f t ) = l,llm /s (Đáp 8Ố) o) Tốc độ dặm ? Giải Tương tư ta ctí ^ fath , ^fath> y GOmin, , 6ft X , Im i \ (ĩS ỉh ) ( ^ t ) = c) Tốc độ bàng nám ánh ^ 2.49mi/h (Đáp s6) sáng nám ? G iải, Một nam ánh sáng (ly) khoảng cách m ánh sáng nâm , 9,46 X 10‘2km Chúng ta bát đáu từ kết nhận phẩn (a) : Uỵ _> , Ikm ■ , 3,16 X lOV * 3.71 X lo-^iy/y^ ly / ’ 1,11 ^s = \( I n ísl /) \Q ( - fivX1 10‘2km/ i2 k m / \V lOOOm) lOOOm/ (\ 9,46 (Đáp số) Chúng ta có th ể viết kết dạng 3,71nlyẠr, tĩxing đd "nly" viết tá t nano nèm ánh sáng Nếu bạn tìm đáp số cho phẩn (a) bàng dùng máy tính "mở rộng" thỉ trê n hh h xuất l,112804878m /s ; Trong kết độ xác thể chín chữ số thập phân hồn tồn vơ nghỉa Tầ đă làm tròn (một cách thích hợp) sổ ttàn h l,lln i/s , độ xác biện minh độ chỉnh xác số liệu gốc Tốc đc cho 36,5fath/min chứa ba chữ số gọi ch ữ sơ' có nghía Khơng có chữ sc thủ tư x uất bên phải chữ số 5, nên kết biến đổi khống đáng tin cậy qiá ba chữ sổ, hay ba chữ số có nghĩa Phải ln điều chỉnh kết máy tính để pkản ánh giới hạn độ tin cậy này.* Bài tốn mẳu 1-2 Có centiraet vng diện tích 6,0km^ ? Giải Phải biến đổi kỉlomet số liệu gốc Cách chấc chán tách chúng : ^ ^ w 1000m> 6,0km- = 6,0