Vật lý đại cương

Khoa Sư Phạm Vật Lý Đại Cương Tác giả: VŨ TIẾN DŨNG - TRẦN THỂ Đồng tác giả: Jesse Bader Biên mục: sdms GIỚI THIỆU TRƯỜNG ĐẠI HỌC AN GIANG Giáo trình VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG Dành cho sinh viên ngành phát triển nông thôn Người biên soạn VŨ TIẾN DŨNG - TRẦN THỂ LƯU HÀNH NỘI BỘ năm 2004 Chương I: CƠ HỌC Nhiệm vụ: Nghiên cứu tượng học đơn giản Mục tiêu: • • • • Các đặc trưng phương trình chuyển động học Những khái niệm vật tượng trình học thường gặp đời sống sản xuất Những định luật, nguyên lý học bản, phương pháp nghiên cứu học nói riêng vật lý học nói chung Những ứng dụng học đời sống sản xuất Mở đầu ĐỐI TƯỢNG - ĐẶC ĐIỂM CỦA VẬT LÝ HỌC Vật lý học giai đoạn đầu phát triển khoa học giới tự nhiên, thâu tóm hiểu biết lồi người tượng xãy giới xung quanh Những hiểu biết lồi người tích luỹ ngày nhiều, phương pháp nghiên cứu tự nhiên ngày hoàn thiện, làm cho phân riêng rẽ vật lý học cổ đại phát triển thành ngành khoa học độc lập, từ xuất sinh vật học, điạ chất, hóa học v v… Mỗi ngành khoa học nghiên cứu giới tự nhiên có đối tượng nghiên cứu riêng Vật lý học theo nghĩa ngày ngành khoa học nghiên cứu giới tự nhiên VẬT LÝ HỌC NGÀY NAY NGHIÊN CỨU CÁI GÌ? Vật lý nghiên cứu dạng chuyển động tổng quát bao gồm: chuyển động học, chuyển động nhiệt phân tử, chuyển động điện từ, chuyển động nội nguyên tử, chuyển động nội hạt nhân… Những chuyển động vật chất lại chuyển hố từ dạng sang dạng khác đối tượng nghiên cứu vật lý học Chẳng hạn Vật lý nghiên cứu chuyển hóa lượng giải phóng phân hạch dây chuyền thành điện Tóm lại: Vật lý nghiên cứu dạng chuyển động tổng quát vật chất biến đổi tương hổ chúng VẬT LÝ HỌC VÀ CÁC NGÀNH KHOA HỌC KHÁC Vật lý học với khoa học khác Trong ngành khoa học nghiên cứu giới tự nhiên, vật lý học đóng vai trị khoa học Nó phát tính chất tổng quát định luật tổng quát vật chất, cần thiết cho việc nghiên cứu giới tự nhiên nhiều ngành khoa học khác Ngược lại phát triển khoa học thúc đẩy Vật lý học phát triển đồng thời dẫn tới hình thành nhiều liên ngành khoa học tự nhiên khác, chẳng hạn như: Địa – Vật lý; Sinh – Lý v v… Vật lý với kĩ thuật Những nhu cầu người, kỹ thuật đặt nhiều vấn đề cho vật lý học nghiên cứu giải quyết, qua thúc đẩy vật lý học phát triển Bản thân kỹ thuật xuất phát triển phải dựa vào vật lý học Những thành tựu vật lý học ứng dụng kỹ thuật giúp cho kỹ thuật tiến bước nhảy vọt Chẳng hạn phát tượng cảm ứng điện từ tạo nên cách mạng lượng kỷ 19 Thuyết điện từ Maxwell khám phá sóng điện từ thực nghiệm Henzt, tạo sở kỹ thuật cho thông tin liên lạc phát triển Những phát lượng hạt nhân nguyên tử nhà Vật lý kỷ 20, đặt móng thúc đẩy ngành kỹ thuật lượng hạt nhân phát triển HỆ THỐNG ĐO LƯỜNG – CÔNG THỨC THỨ NGUYÊN Hệ thống đo lường Các đơn vị đo lường đại lượng vật lý chia làm hai loại: Các đơn vị đơn vị dẫn suất Từ mà xuất nhiều hệ thống đo lường khác Hệ thống đo lường chọn hệ thống đo lường quốc tế ( Hệ: SI ) gồm có đơn vị • • • • • • • Đơn vị đo độ dài: Mét (m) Đơn vị đo khối lượng: Kilôgam (Kg) Đơn vị đo thời gian: Giây (s) Đơn vị đo nhiêt độ: Độ Kenvin (K) Đơn vị đo lượng chất: Mol (mol) Đơn vị đo cường độ dòng điện: Ampe (A) Đơn vị đo cường độ ánh sáng: Candela (Cd) Công thức thứ nguyên Công thức cho phép xác định biến đổi đơn vị dẫn xuất đơn vị chuyển từ hệ thống đo lường sang hệ thống đo lường khác gọi công thức thứ nguyên đơn vị dẫn xuất Ví dụ: Cơng thức thứ ngun vận tốc là: [v] = [L][T-1] [v]: gọi thứ nguyên vận tốc [L]: gọi thứ nguyên độ dài [T]: gọi thứ nguyên thới gian [M]: gọi thứ nguyên khối lượng Sự chuyển động vật Chất điểm Những vật thể có kích thước nhỏ so với khoảng cách khảo sát coi chất điểm Ví dụ: Trái đất, Mặt trời có kích thước nhỏ so với khoảng cách chúng nên chúng coi hai chất điểm Chuyển động chất điểm Khái niệm chuyển động khái niệm học Chuyển động thay đổi vị trí vật so với vật khác chọn làm mốc Nếu vật mốc gắn hệ toạ độ lập thành hệ quy chiếu, vị trí vật xác định toạ độ không gian Toạ độ không gian chất điểm chuyển động thay đổi theo thời gian Chuyển động có tính tương đối: Có thể chọn hệ quy chiếu khác để xác định chuyển động vật nên toạ độ vật hệ khác nhau, hệ vật chuyển động hệ khác vật lại đứng yên Vì chuyển động hay đứng yên tương đối hay nói chung chuyển động có tính tương đối PHƯƠNG TRÌNH CHUYỂN ĐỘNG Phương tình biểu diễn thay đổi toạ độ chất điểm theo thời gian gọi phương trình chuyển động chất điểm Chuyển động thẳng: x = x(t) (1-1) Chuyển động bất kỳ: Trong trường hợp tổng quát chất điểm chuyển động khơng gian vị trí ( cịn gọi bán kính xác định toạ độ Dercart:x , y , z , vectơ tia vectơ ) vẽ từ gốc tọa độ tới vị trí chất điểm ( hình 1-2), phương trình chuyển động là: Biểu diễn chuyển động khơng gian phương trình tọa độ (1-3) chất điểm theo thời gian phân tích chuyển động thành chuyển động thẳng trục tọa độ Nói cách khác chất điểm chuyển động khơng gian xem đồng thời tham gia vào chuyển động thẳng Các định luật Newton LỰC Xét chất điểm chuyển động đến va chạm với chất điểm khác, kết dẫn đến chuyển động hai chất điểm thay đổi Sự va chạm hai chất điểm với nhau, người ta gọi tương tác chúng Sự tương tác vật lên vật khác biểu diễn vectơ gọi lực Ví dụ: Tương tác hai điện tích điểm biểu diễn lực: Khi chất điểm tương tác với vận tốc chúng thay đổi, tức thay đổi trạng thái chuyển động Vì lực nguyên nhân làm biến đổi chuyển động nguyên nhân làm chất điểm chuyển động có gia tốc CÁC ĐỊNH LUẬT NEWTON Ðịnh luật Newton thứ Mọi vật giữ nguyên trạng thái đứng yên hay chuyển động thẳng lực ngồi tác động lên vật gây biến đổi trạng thái Tính chất bảo tồn trạng thái vật ( độ lớn hướng ) khơng có lực ( lực cân nhau) tác dụng lên vật gọi quán tính (hoặc tính ỳ ) Sự thay đổi chuyển động không xác định lực tác dụng lên vật mà cịn tính chất bên Đại lượng vật lí đặc trưng cho độ ỳ ( quán tính ) vật gọi khối lượng Khối lượng cịn có mặt định luật vạn vật hấp dẫn ( nói phần sau ) khối lượng đặc trưng cho mức độ tác dụng hấp dẫn tương hỗ vật Tuy nhiên kết thu từ thí nghiệm chứng tỏ khối lượng hấp dẫn khối lượng quán tính vật Vì người ta nói khối lượng đặc trưng cho mức độ quán tính tính hấp dẫn vật Ðịnh luật Newton thứ hai Gia tốc mà vật thu tác dụng lực , tỷ lệ thuận với lực tỷ lệ nghịch với khối lượng m vật Hướng gia tốc hướng với lực tác dụng Trong hệ SI: đơn vị gia tốc m.s-2 đơn vị khối lượng là: kg; đơn vị lực Newton (N) Một vật chịu tác dụng nhiều lực lực tất lực tác dụng lên vật Nghĩa là: (1-10) tổng vectơ Biểu thức (1-11) nguyên lý chồng chất lực Ðịnh luật Newton thứ ba Lực tương tác hai vật có phương,cùng độ lớn, có chiều ngược đặt vào hai vật khác Trong F21 lực đặt lên vật thứ nhất; F12 lực đặt lên vật thứ hai; m1, m2 khối lương tương ứng hai vật; a1, a2 gia tốc hai vật Các định luật Newton cho hệ quy chiếu qn tính Biểu thức tốn học định luật Newton thứ hai phương trình động lực học chất điểm Trong hệ quy chiếu không qn tính phương trình động lực chất điểm, ngồi lựcĠ cịn phải kể đến lực quán tính Chẳng hạn hệ quy chiếu chuyển động thẳng có gia tốc a0 phương trình là: Với Fqt gọi lực qn tính Động lượng - Mơmen động lượng ĐỘNG LƯỢNG VÀ BẢO TOÀN ĐỘNG LƯỢNG Khái niệm động lượng Hai hạt tự do, lúc đầu chúng khơng tương tác nhau, chuyển động thẳng với vận tốc tương ứng lại gần va chạm với Sau va chạm vận tốc hạt thứ là: độ biến thiên vận tốc hạt thứ Sau va chạm vận tốc hạt thứ hai độ biến thiên vận tốc nó: Thực nghiệm chứng tỏ sau va chạm tốc độ hạt thay đổi hường độ lớn Nhưng độ biến thiên vận tốc chúng phương ngược chiều tỷ lệ nghịch với khối lượng hai hạt: Điều có nghĩa q trình va chạm, biến thiên đại lượng hạt thứ biến thiên đại lượng hạt thứ hai, trái dấu dùng đại lượng để đặc trưng cho q trình truyền chuyển động hạt Đại lượng vectơ tích khối lượng m vận tốc hạt gọi động lượng ( hay xung lượng ) hạt Bảo toàn biến đối động lượng Hệ hai chất điểm: Từ (1-15) Tổng gọi động lượng toàn phần hệ hai hạt Động lượng toàn phần hai hạt tương tác lẫn không tương tác với hạt khác đại lượng không thay đổi theo thời gian Một đại lượng không thay đổi theo thời gian gọi đại lượng bảo tồn • · Tổng quát: Điều phát biểu không cho trường hợp hai hạt, mà cịn với hệ kín bất kỳ, nghĩa với tập hợp chất điểm tương tác lẫn nhau, không tương tác với vật thể bên Gọi động lượng tồn phần hệ kín ta có: Như động lượng tồn phần hệ kín bảo tồn Đó nội dung định luật bảo tồn động lượng, định luật tổng quát vật lý tự nhiên · Định lý biên thiên động lượng: Trong trường hợp hệ chịu tác dụng ngoại lực động lượng hệ khơng bảo tồn lúc ta có định lí Độ biến thiên động lượng hạt ( hệ hạt ) đơn vị thời gian ngoại lực tác dụng lên hệ Tổng quát: MÔMEN ĐỘNG LƯỢNG VÀ ĐỊNH LUẬT BẢO TỒN MƠMEN ĐỘNG LƯỢNG Một chất điểm khối lượng m chuyển động theo đường tròn tâm 0,bán kính r tác dụng lực có độ lớn không đổi hợp với tiếp tuyến đường trịn góc j (hình 1-5) Ta có Nhân vế với r : F rcosjDt = m rDv Đại lượng : M = F.r.cosj (1-20) mô men lực tâm Mômen lực đại lượng véc tơ có phương vng góc với mặt phẳng quỹ đạo có chiều xác định theo quy tắc đinh ốc Vì m r khơng đổi nên ta có: m r.Dv = D.(r mv) M Dt = D.(r mv) = D.(r2mw) (1-21) · Mômen động lượng: Đại lượng: L = r2mw = r mv gọi mômen động lượng hay mômen xung lượng chất điểm m.Mômen động lượng đại lượng véctơ phương với véctơ mômen lực Tổng quát: · Định lý biên thiên mômen động lượng: Từ (1-21) (1-22) => Định lý: Độ biến thiên mômen xung lượng đơn vị thời gian mômen lực tác dụng lên vật · Bảo tồn mơmen động lượng: Nếu Khi tổng mơmen tất ngoại lực tác dụng lên vật trục quay cố định khơng, mơmen động lượng vật trục quay khơng thay đổi trình chuyển động Trường hấp dẫn Nhiều tượng tự nhiên chứng tỏ vật có khơí lượng ln ln tác dụng lên lực hút Trọng lực lực hút trái đất vật xung quanh Quả đất quay xung quanh mặt trời lực hút trái đất Giữa vũ trụ có lực hút lẫn …Các lực hút lực hấp dẫn vũ trụ Giữa vật xung quanh ta có lực hấp dẫn vụ trụ, nhỏ ta không quan sát Newton người nêu lên định luật lực hấp dẫn vũ trụ, gọi định luật vạn vật hấp dẫn ĐỊNH LUẬT VẠN VẬT HẤT DẪN Hai chất điểm khối lượng m1 m2 đặt cách khoảng r hút lực có phương đường thẳng nối hai chất điểm đó, có trị số tỷ lệ thuận với hai ng m1 m2 tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách r Trong G hệ số tỷ lệ chung, không phụ thuộc chất vật tương tác Dấu trừ lực F lực hút Đại lượng G gọi số hấp dẫn vũ trụ G = 6,68.10-11 m3/kg.s2 Về nguyên tắc, thay biểu thức lực hấp dẫn (1-31) vào phương trình chuyển động ta tìm đặc điểm chuyển động chất điểm Ngoài biết mối liên hệ lực từ biểu thức lực hấp dẫn ta có: Do đó: E0 số tích phấn chọn tùy ý CƯỜNG ĐỘ TRƯỜNG HẤP DẪN Theo quan điểm tương tác vật khối lượng m1 tạo khoảng khơng gian quanh trường hấp dẫn Hay có mặt m1 làm thay đổi tính chất vật lý khoảng khơng gian quanh nó, mà biểu cụ thể khơí lượng m nằm trường bị tác dụng lực có chiều hường m1 có độ lớn xác định từ biểu thức: Đại lượngĠ đặc trưng cho trường hấp dẫn mặt tác dụng lực điểm gọi cường độ trường hấp dẫn Các nghiên cứu vật lý cho thấy trường hấp dẫn m1 gây tồn cách độc lập khơng phụ thuộc vào có mặt hay khơng có mặt khơí lượng m Như trường lực hấp dẫn thực tế vật lý độc lập tồn tự nhiên vật thể khác Nó tính chất chung trường Nói cách khác trường dạng vật chất dạng vận động So sánh (1-31) với (1-34) Ta có: Biểu thức (7-5) cho thấy cường độ hấp dẫn đại lượng vectơ có hướng ngược với hướng vectơ tiaĠ có độ lớn Cường độ trường hấp dẫn tuân theo nguyên lý chồng chất cường độ trường tổng hợp nhiều khối lượng tổng vectơ cường độ khối lượng riêng rẽ sinh ra: Trường hấp dẫn biến thiên phức tạp không gian theo thời gian THẾ HẤP DẪN Từ biểu thức trường hấp dẫn (1-33) Ta nhận thấy hấp dẫn m1 gây điểm khơng phụ thuộc vào vị trí mà cịn phụ thuộc vào khơí lượng m đặt điểm Nếu ta đưa vào đại lượng ký hiệu j xác định bởi: Thì rõ ràng ( phụ thuộc vào điểm xét (Ta chọn E¥ = E0 = • • • • • Năng lượng hấp dẫn Năng lượng hạt nhân Năng lượng nghỉ gắn liền với khối lượng nghỉ vật Năng lượng sinh học Năng lượng tâm thần, tư tưởng ( ? ) 3.ĐỊNH LUẬT BẢO TỒN VÀ CHUYỂN HĨA NĂNG LƯỢNG Tuy lượng có nhiều dạng khác chúng có biến đổi qua lại lẫn theo tỷ lệ xác định cho lượng tổng cộng toàn phần khơng đổi, lịch sử vật lý nói riêng, lịch sử khoa học nói chung rút kết luận chứng tỏ ln ln nghiệm … Từ khái quát thành định luật phổ quát , gọi định luật bảo tồn chuyển hóa lượng Định luật: “Trong hệ kín lượng khơng tự nhiên sinh không tự nhiên mà chúng chuyển từ hệ sang hệ khác hay từ dạng sang dạng khác – tức lượng tồn phần hệ kín khơng đổi “ Định luật bảo tồn chuyển hóa lượng định luật tổng quát vững tự nhiên học,của khoa học … Nó có liên quan đến tính chất đồng thời gian hệ qn tính MỘT SỐ TÍNH CHẤT MỚI CỦA NĂNG LƯỢNG THEO VẬT LÝ HỌC HIỆN ĐẠI Thuyết tương đối hẹp Năng lượng liên quan tới khối lượng trạng thái chuyển động vật theo hệ thức: (5-1) Trong : E: Năng lượng vật m0 : Khối lượng đo hệ quy chiếu mà vật đứng yên C: Vận tốc ánh sáng chân không v: Vận tốc vật Khi vật đứng n ( v=0), vật có lượng khác khơng gọi lượng nghỉ: E = m0C2 (5-2) Điều chứng tỏ lượng thứơc đo vận động vật chất mà gắn liền với tồn vật chất Thuyết lượng tử tính bất định phép đo lượng · Năng lượng xạ bị lượng tử hoá: lượng phân, nguyên tử phát có giá trị gián đoạn số nguyên lần lượng lượng nguyên tố ( Lượng lượng nguyên tố gọi lượng tử lượng ): (5-3) Trong h = 6,625.10-34 J.s Tính lượng tử bảo tồn q trình truyền xạ xạ bị hấp thụ · Tính bất định : Giữa lượng vật thời gian tồn khơng xác định xác đồng thời tuân theo hệ thức bất định Heisenberg: với (5-4) De độ bất định lượng Dt độ bất định thời gian Nguồn gốc bảo toàn lượng Định luật bảo toàn lượng định luật phổ quát sở khái qt hóa thí nghiệm thực tiễn kỉêm chứng chặt chẽ thực tiễn, …tuy nhiên khoa học khơng chứng minh trực tiếp tính đắn định luật bảo toàn lượng lý thuyết ngun lý sở tảng khoa học người ta chứng tỏ định luật bảo tồn hệ tính đồng thời gian nguyên lý tác dụng tối thiểu – nghĩa nguyên lý cực tiểu thời gian đồng lượng phải bảo toàn ĐƠN VỊ CỦA NĂNG LƯỢNG • • • Hệ SI: Năng lượng đo June (J) Hệ CGS: Năng lượng đo erg Vật lý nguyên tử hạt nhân: electron-von (eV) (J) = 107 erg = 6,242.1018 Ev Ý NGHĨA CỦA KHÁI NIỆM NĂNG LƯỢNG VÀ ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN NĂNG LƯỢNG Năng lượng khái niệm mang tính khái quát cao khái niệm vật chất vận động Sự bảo tồn E thể tính vĩnh cửu vật chất vận động nó.Do sở khoa học triết học Duy Vật Định luật bảo toàn lượng sở nguồn gốc chất nguyên lý quan trọng tự nhiên, nguyên lý nhân Các nguồn lượng dùng nhiên liệu cổ truyền THỜI CỔ ĐẠI Năng lượng có vai trị quan trọng bậc thiên nhiên sống tính phổ quát Mọi q trình xảy thiên nhiên thực chất trình trao đổi lượng … Chẳng hạn sống trái đất sinh phát triển nhờ có lượng xạ mặt trời: Cây xanh nhờ ánh sáng mặt trời để quang hợp, động vật sống nhờ cỏ thực vật, người sống động vật lẫn thực vật … Khi khoa học chưa phát triển, người sử dụng nguồn lượng sẵn có tự nhiên Thời cổ đại người tìm lửa nguồn lượng phát kiến vĩ đại người Người cổ đại dùng lửa để sưởi ấm, nướng chín thức ăn để tự vệ chống kẻ thù … Với lửa “promete” tay, người tách dần khỏi đồng loại hoang dã trở thành chủ nhân thiên nhiên với “ngọn lửa trí tuệ” bất diệt THỜI HIỆN ĐẠI Các nguồn lượng sử dụng Trong suốt chiều dài lịch sử người khai thác sử dụng nhiều nguồn lượng sẵn có tự nhiên, chẳng hạn : • • • • • • Lửa Sức gió Sức kéo động vật Ánh sáng mặt trời Sức nước Than đá, củi đốt, dầu mỏ … Đặc điểm chung • • • • • Các nguồn lượng cổ truyền phong phú có đặt điểm chung : o Nhiên liệu sẵn có tự nhiên o Dễ sử dụng biến đổi thành năng, nhiệt năng,… Ví dụ: o Sử dụng trực tiếp dạng năng: Sức gió, sức nước, sức kéo động vật.… o Sử dụng gián tiếp cách biến đổi thành nhiệt năng, năng,điện năng: Lửa tự nhiên Ánh sáng mặt trời Chất đốt, than, củi, dầu,… * Tuy nhiên trữ lượng nguồn nhiên liệu sẵn có trái đất phong phú hữu hạn, nên có nguy cạn kiệt tương lai gần vậy, loại người tìm kiếm nguồn lượng mới, đồng thời sử dụng cơng nghệ tiên tiến tốn lượng Động nhiệt KHÁI NIỆM ĐỘNG CƠ NHIỆT Động nhiệt hệ thống biến đổi nhiệt thành công học, nguồn nhiệt nhiên liệu hoá học (do đốt cháy) hay nhiên liệu hạt nhân Tuỳ theo cách cung cấp nhiệt cho động cơ, mà động chia thành hai loại : động đốt động đốt * Động đốt : Trong q trình đốt nhiên liệu biến nhiệt thành công học xẩy khoang động * Động đốt ngồi : Có q trình đốt nhiên liệu q trình biến nhiệt thành cơng học thực hai khoang khác động (Máy nước) NGUYÊN LÝ CẤU TẠO VÀ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐỘNG CƠ NHIỆT Nguyên lý cấu tạo Muốn biến đổi nhiệt thành cơng học cần có nguồn nhiệt có nhiệt độ T1 khác T2 chất công tác biến đổi nhiệt thành gọi tác nhân Nếu T1 >T2 T1 nguồn nóng, T2 nguồn lạnh Hoạt động Nhiệt Q1 nguồn nóng T1 biến đổi thành nội tác nhân, tác nhân giãn nở, phần nội tác nhân biến thành động cơ, phần lại biến thành nhiệt Q2 truyền cho nguồn lạnh nhiệt độ T2 Sơ đồ hoạt động : Hiệu suất · Hiệu suất lý thuyết: · Hiệu suất kỹ thuật : (5-5) Trong dấu ứng với chu trình Carnot thuận nghịch, dấu < ứng với chu trình T1,T2 : Nhiệt độ tuyệt đối h : Hiệu suất A : Công học Q1 : Nhiệt truyền từ nguồn nóng Q2 : Nhiệt truyền sang nguồn lạnh Vì T2 > nên hiệu suất h < hay A < Q1 Nghĩa biến đổi trực tiếp hoàn toàn nhiệt thành · Để tăng hiệu suất động nhiệt có cách : + Thiết kế chế tạo chu trình thực tế gần với chu trình Carnot thuận nghịch hiệu suất cao + Tăng chênh lệch nhiệt độ T1 nguồn nóng T2 nguồn lạnh Ngày động nhiệt thực tế có hiệu suất h vào khoảng từ 0,1 đến 0,4 Động điện KHÁI NIỆM VỀ ĐỘNG CƠ ĐIỆN Định nghĩa: Động điện hệ thống biến đổi điện thành Nguyên tắc hoạt động : Dựa tượng cảm ừng điện từ cách sử dụng từ trường quay để biến điện thành Cấu tạo : Có phần : Roto Stato - Stato (đứng yên) : gồm cuộn dây quấn cách điện lỏi sắt bố trí vành trịn để tạo từ trường quay - Roto (quay) : thường có hình trụ, có tác dụng cuộn dây quấn lõi thép Hoạt động : Khi cho dòng điện chạy vào động điện từ trường quay Stato tạo làm cho Roto quay trục, chuyển động quay roto trục máy truyền sử dụng để vận hành máy công cụ cấu chuyển động khác CÁC LOẠI ĐỘNG CƠ ĐIỆN Căn vào nguồn điện cung cấp cho động mà động chia thành hai loại: Động điện chiều Nguồn điện cung cấp cho động nguồn điện chiều Ưu điểm : • • Có mơmen khởi động lớn, thường dùng để chạy tàu điện Có tính thuận nghịch Nhược điểm : • • Cấu tạo phức tạp Không bền Động điện xoay chiều Nguồn điện cung cấp cho động nguồn điện xoay chiều, gồm loại: • Động khơng địng pha:Loại dùng điện dòng điện xoay chiều pha, có mơmen khởi động nhỏ, cơng suất nhỏ Ví dụ : quạt máy, dụng cụ điện gia đình • • Động khơng đồng ba pha :Loại dùng điện dòng điện xoay chiều ba pha chạy qua cuộn dây Stato tạo từ trường Từ trường quay tác động lên roto làm roto quay theo chậm chút nên gọi động không ba pha Đây loại động điện phổ biến nhất, có cấu tạo đơn giản, có cơng suất lớn Động đồng ba pha : Đây loại động điện giống động không đồng ba pha, roto hệ nam châm quay tốc độ với từ trường stato, loại động có cơng suất lớn, có tốc độ quay khơng đổi, khởi động cần phải tạo cho tốc độ ban đầu lớn có giá trị chiều với vận tốc từ trường quay ĐỘNG CƠ VĨNH CỬU LOẠI VÀ VẬT LÝ HỌC Trong lịch sử phát triển ngành kỹ thuật chế tạo động xuất ý tưởng chế tạo động vĩnh cửu, có nhiều cơng trình nghiên cứu chế tạo loại động đó, khơng thể thực Động vĩnh cửu loại Là loại động sinh công mà không tiêu tốn lượng Hay nói cách khác, lượng tự sinh biến đổi Rõ ràng, mâu thuẩn với định luật bảo toàn lượng Động vĩnh cửu loại Là loại động biến đổi hoàn toàn nhiệt thành công, tức h =1 điều mâu thuẫn với nhiệt học Định luật bảo toàn biến đổi lượng nguyên lý nhiệt động lực học chứng tỏ không tồn động vĩnh cửu Năng lượng hạt nhân Hệ THỨC EINSTEIN GIỮA NĂNG LƯỢNG VÀ KHỐI LƯỢNG Năng lượng toàn phần Theo thuyết tương đối hẹp Einstein khối lượng lượng có quan hệ với theo hệ thức : Trong :m0 khối lượng vật v = gọi khối lượng nghỉ Như với khối lượng nghỉ m0 ¹ ln có lượng nghỉ tương ứng với : E0 = m0.C2 Đại lượng Là khối lượng toàn phần vật, hay khối lượng trạng thái chuyển động lượng vật Đây hệ thức tiếng Einstein mối liên hệ lượng toàn phần khối lượng toàn phần vật Hệ • • • • • Năng lượng xem khối lượng ngược lại có liên hệ với theo tỷ lệ xác định (C = const) Sự biến thiên khối lượng nhỏ kèm theo biến thiên lượng lớn vận tốc ánh sáng chân khơng có giá trị lớn ( C = 3.108 m/s) Một vật đứng yên (v = 0) có lượng nghỉ E0 = m0.C2 khác không NNăng lượng ứng với chuyển động nội vật Khi vật chuyển động với vận tốc khác khơng khối lượng tồn phần lớn đứng yên (m > m0) Nếu quan niệm khối lượng m vật có giá trị số thực, vật có khối lượng nghỉ m0 = chuyển động với vận tốc v = C • Hạt ánh sáng (phơ-tơn) chuyển động với vận tốc v = C, khối lượng hạt hữu hạn khối lượng nghỉ m0 bắt buộc phải khơng Hay nói cách khác, phơ-tơn không tồn trạng thái đứng yên hệ quy chiếu quán tính ĐỘ HỤT KHỐI – NĂNG LƯỢNG LIÊN KẾT Hệ không tương tác Xét hệ gồm hạt,hạt A có khối lượng mA hạt B có khối lượng mB khơng tương tác với nhau, lượng hệ bảo toàn, nên khối lượng hệ: Mhe=mA + mB Trong hệ phần tử A B độc lập, khơng có liên hệ với nhau, muốn chúng phải xa chân không Hệ tương tác Nếu hệ hai hạt A, B tương tác với nhau, ta thấy : Mhe ≠ mA = mB Do đó, : • • • Dm = MA+B – ( mA + mB ) < : tương tác hút Dm = MA+B – ( mA + mB ) > 0: tương tác đẩy Dm = MA+B – ( mA + mB ) = 0: không tương tác Độ hụt khối lượng liên kết * Hệ gồm phân tử A, B bền vững tương tác liên kết A B liên kết hút tức Dm < * Đại lượng Dm tương ứng với liên kết hút gọi độ hụt khối ∆m = MA+B – ( mA + mB ) < * Năng lượng liên kết : Theo (5-1) độ hụt khối lượng Dm tương ứng lượng xác định, gọi lượng liên kết: * Rõ ràng hệ bền vững liên kết phần tử mạnh tức lượng liên kết lớn tương ứng với độ hụt khối lượng lớn ngược lại Trên thực tế liên kết tự nhiên quan sát thường ứng với độ hụt khối nhỏ so với khối lượng toàn phần vật NĂNG LƯỢNG HẠT NHÂN Định nghĩa: -Năng lượng toả hay thu vào trình biến đổi hạt nhân gọi lượng hạt nhân Đa số hạt nhân bền vững lượng liên kết hạt nhân lớn (mạnh liên kết điện từ), nên lượng hạt nhân lớn, lớn lượng hóa học nhiều Phản ứng hạt nhân Hai hạt nhân A B tương tác với biến đổi thành C D phản ứng hạt nhân biểu diễn dạng: A+B→C+D Gọi mA+B khối lượng nghỉ hai hạt A B, mC+D khối lượng nghỉ hai hạt C D Nếu: · mA+B > mC+D : phản ứng tỏa lượng Năng lượng toả ra: >0 Năng lượng tỏa dạng xạ điện từ, động hạt C, D · mA+B < mC+D : phản ứng thu lượng, phản ứng không tự xảy ra, mà cần phải cấp thêm lượng tối thiểu là: Năng lượng DE cung cấp cho phản ứng thường dạng động hạt ban đầu Ví dụ: ký hiệu hạt trạng thái kích thích Theo quan điểm sử dụng lượng ta quan tâm đến phản ứng tỏa lượng Hai loại phản ứng toả lượng Năng lượng hạt nhân Các khảo sát lý thuyết thực nghiệm lượng liên kết Nucleon hạt nhân chứng tỏ : Các hạt nhân bảng tuần hoàn Mendeleep bền vững hạt nhân nhẹ đầu bảng tuần hoàn hạt nhân nặng cuối bảng tuần hồn Ví dụ : Uranium, Pluton, Hyđro, Heli khơng bền, xảy phản ứng hạt nhân làm biến đổi hạt nhân ban đầu toả lượng Có hai loại phản ứng toả lượng: 4.3.3.1 Phản ứng phân hạch Một hạt nhân nặng :Urani, Plutoni…hấp thụ Neutron vỡ thành hai, ba …hạt nhân có khối lượng trung bình, tượng có tên phân hạch, trình phân hạch toả lượng lớn dạng xạ động hạt nhân Chẳng hạn hạt nhân Urani phân hạch toả lượng xấp xỉ 200 Mcv = 3,2 10-11J theo phản ứng: ĉ ( k = k =3 ) Các Neutron thứ cấp lại tiếp tục bắn phá hạt nhân Urani khác có đủ điều kiện gây phản ứng dây chuyền Hoặc U238 (đồng vị) ta có: Plutoni chất phân hạch Ta biết gam 235U chứa khoảng 1021 hạt nhân nên phân hạch hết giải phóng lượng khổng lồ » 8.1010 J » 22.000 kw/h , kg U235 tương đương 20.000 thuốc nổ TNT 4.3.3.2 Phản ứng nhiệt hạch Phản ứng kết hợp hai hạt nhân nhẹ thành hạt nhân nặng gọi phản ứng nhiệt hạch, xẩy nhiệt độ cao Phản ứng nhiệt hạch toả lượng lớn (còn lớn phản ứng phân hạch tính theo đơn vị khối lượng) Ví dụ: Tuy nhiên phản ứng nhiệt hạch khó thực xảy nhiệt độ khoảng 100 triệu độ, hạt nhân nhẹ có đủ động để thắng lực đẩy Cuolomb chúng tiến lại gần đến mức kết hợp thành hạt nhân nặng Trong tự nhiên người ta cho lòng mặt trời nhiệt độ cao mà hạt nhân Hydro biến thành hạt nhân Hêli giải phóng lượng Theo Bethe nguồn gốc lượng mặt trời Con người thực phản ứng nhiệt hạch dạng không điều khiển bom khinh khí với kíp nổ bom nguyên tử để tạo nhiệt độ cao SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG HẠT NHÂN Năng lượng hạt nhân nguồn lượng mới, kết đặc sắc lý thuyết tương đối Với trữ lượng Urani Hydro trái đất lớn, nguồn lượng xem > thay cho nguồn lượng truyền thống Hiện lượng hạt nhân sử dụng nhiều quốc gia phát triển,Ví dụ: Ở Pháp chiếm tỷ lệ 35% tổng lượng sử dụng, Thụy Điển 35%, Nhật 30%, Mỹ 12% Vấn đề đặt sử dụng lượng hạt nhân cần quan tâm điều khiển phản ứng nhiệt hạch xử lý nước thải phản ứng phân hạch đặc biệt an toàn lò phản ứng nhà máy điện nguyên tử Năng lượng mặt trời NGUỒN GỐC NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI * Mặt trời nguồn lượng khổng lồ, liên tục phát lượng vào khơng gian dạng xạ điện từ dòng hạt, lượng gọi lượng mặt trời Công suất xạ mặt trời lớn cỡ 3,8.1028 W ; nguồn gốc lượng vĩ đại từ lâu đối tượng nghiên cứu khoa học người ta cho phản ứng nhiệt hạch nguồn gốc lượng mặt trời lịng mặt trời có nhiệt độ cao điều kiện cho phép phản ứng nhiệt hạch xảy * Người ta cho phản ứng nhiệt hạch nguồn gốc lượng mặt trời mà nguồn lượng vũ trụ Năng lượng nhiệt hạch toả theo nhiều đường khác nhau, chẳng hạn đường là: Chu trình Carbon-Nitơ H.Bethe đưa năm 1939 là: Chu trình dẫn đến kết từ hạt nhân hydro kết hợp thành hạt nhân heli, lượng Cacbon khơng thay đồi có vai trị chất xúc tác Chu trình diễn nhiệt độ cao lịng ngơi * Bên lạnh mặt trời xảy chu trình khác, chu trình proton – proton (Bethe Kristsfild 1983) Quá trình dẫn đến tạo thành hạt nhân hêli tử hạt nhân Hydro toả lượng 26MeV SỬ DỤNG NĂNG LƯỢNG MẶT TRỜI Năng lượng mặt trời nguồn gốc sống trái đất nguồn lượng khổng lồ tràn ngập khơng gian bao quanh mặt trời, xem vơ tận Từ lâu lồi người sử dụng lượng mặt trời nhiều hình thức khác từ thô sơ đến đại Thời cổ xưa Dùng ánh sáng mặt trời để phơi, sấy khô Làm nguồn sáng để thấp sáng Nói chung thời kỳ người ta thường sử dụng trực tiếp lượng mặt trời không qua “chế biến” hay “biến đổi” thành dạng lượng khác khơng tích trữ Thời đại * Với phát triển vật lý tiến kỹ thuật kỷ XX, XXI đặc biệt thuyết lượng tử ánh sáng đời ứng dụng hiệu ứng quang điện – người ta biến đổi lượng mặt trời thành điện với dụng cụ tế bào quang điện (hiện tượng quang điện bên trong) * Hiện tượng quang dẫn pin quang điện : • • • Định nghĩa : Hiện tượng giảm điện trở chất bán dẫn chiếu sáng gọi tượng quang dẫn Trong tượng quang dẫn, foton (ánh sáng) bị hấp thụ giải phóng electron liên kết để trở thành electron tự có khả dẫn điện (và với “lỗ trống” có khả dẫn điện) tượng quang điện bên khác với tượng electron bật khỏi bề mặt kim loại tượng quang điện Để biến electron liên kết thành electron dẫn không cần phải có foton có lượng cao lắm, nên hiệu ứng quang dẫn áp dụng rộng rãi Chẳng hạn chất bán dẫn CdS có giới hạn quang dẫn 0,9 (hồng ngoại) ưu điểm tượng quang dẫn * Pin quang điện : Định nghĩa : Pin quang điện nguồn điện quang biến đổi trực tiếp thành điện Pin hoạt động dựa vào hiệu ứng quang điện xảy chất bán dẫn Người ta thường dùng pin quang điện đồng oxit (CuO); Selen Hiện nay, Pin Selen phổ biến nhất, sử dụng nhiều thiết bị máy tính bỏ túi, vệ tinh nhân tạo * Hiện tượng quang hố – phát quang : • Phản ứng quang hoá : Là phản ứng hoá học xảy ánh sáng Sự quang hợp : 2CO2 +Ġ 2CO + O2 Sự phân tích : AgBr +Ġ Ag + Br Sự phát quang : o Sự huỳnh quang : khí, lỏng o Lân quang : chất rắn o o • Các nguồn lượng khơng nhiên liệu 1.CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG KHÔNG NHIÊN LIỆU Về nguyên tắc lượng khơng tự nhiên sinh kết biến đổi nguồn lượng ban đầu xem thứ nhiên liệu Tuy nhiên từ xưa tới hành tinh lồi người sử dụng trực tiếp số nguồn lượng mà đốt cháy thứ nguyên liệu nào, nguồn lượng gọi nguồn lượng khơng nhiên liệu Năng lượng gió Cơ gió biến đổi thành cơng học thuyền buồm, làm quay động gió để phát điện, để bơm nước.Đồng sơng Cửu Long gió trung bình hàng năm 1,7 m/s nguồn lượng đáng kể khai thác để phục vụ đời sống người Thuỷ Năng lượng dòng nước sử dụng chủ yếu nhà máy thuỷ điện, nguồn lượng rẻ tiền phổ biến giới Nguyên lý chung thuỷ điện dùng dòng nước hay lượng thuỷ triều đại dương biên đổi thành máy phát điện.Ví dụ nhà máy thuỷ điện Hồ Bình lớn Việt Nam có cơng suất 1920 MW Năng lượng địa nhiệt Năng lượng địa nhiệt nhiệt lấy từ lịng đất trung bình khoan sâu vào lòng đất nhiệt độ tăng thêm 300C, lịng đất có bồn địa nhiệt dạng: • • • Bồn nhiệt nóng: lượng nhiệt giữ dạng chủ yếu Bồn nhiệt nước nóng: lượng nhiệt giữ dạng nước chủ yếu Bồn nhiệt đá nóng :Do dịng magma nóng chảy đơng cứng giữ nhiệt dạng đá nóng tạo thành truyền cho dịng nước ngầm tạo thành dịng nước nóng phun lên mặt đất tạo thành suối nước nóng Ngày giới xây dựng thành công nhiều nhà máy điện địa nhiệt Ví dụ Sanfrancisco có nhà máy điện địa nhiệt lớn giới với cơng suất 1180 MW Năng lượng mặt trời Có thể sử dụng trực tiếp biến đổi thành dạng lượng khác chủ yếu biến đổi thành điện nhờ pin quang điện ƯU, NHƯỢC ĐIỂM CỦA CÁC NGUỒN NĂNG LƯỢNG KHÔNG NHIÊN LIỆU Ưu điểm • • • Ít gây nhiễm mơi trường Trữ lượng lớn Phân bố rộng khắp trái đất Nhược điểm • • • Phụ thuộc vào thiên nhiên nên không ổn định Để khai thác quy mô lớn cần có kỹ thuật cao Đầu tư ban đầu cho khai thác sử dung lớn Những điều cần ghi nhớ Năng lượng số đo lượng vận động vật chất hình thức vận động Năng lượng không tự sinh không tự mà biến đổi từ dạng sang dạng khác hay từ vật sang vật khác Sự biến đổi lượng theo hai trình sinh công truyền nhiệt.Con người biến đổi lượng thông qua loại động Công thức Einstein lượng khối lượng: Khối lượng vật: · Đơn vị khối lượng nguyên tử: u = 1,66055.10-27 kg · Năng lượng nghỉ tương ứng: 1u.C2 = 931Mev Năng lượng xạ điện từ: e = hf Hiệu suất động nhiệt: Năng lượng hạt nhân: DE > Phản ứng toả lượng DE < Phản ứng thu lượng Lồi người tìm kiếm nguồn lượng mới, nguồn lượng không nhiên liệu nghiên cứu công nghệ sử dụng lượng hợp lý hiệu ... khác, chẳng hạn như: Địa – Vật lý; Sinh – Lý v v… Vật lý với kĩ thuật Những nhu cầu người, kỹ thuật đặt nhiều vấn đề cho vật lý học nghiên cứu giải quyết, qua thúc đẩy vật lý học phát triển Bản thân... lòng vật dẫn Vậy: Vật dẫn cân tĩnh điện vật đẳng , mặt vật dẫn mặt đẳng Điện tích phân bố mặt vật dẫn Thật vậy, theo định lý O – G , điện tích lịng vật dẫn khác khơng , thì: Với mặt S chọn vật. .. chuyển động vật chất lại chuyển hố từ dạng sang dạng khác đối tượng nghiên cứu vật lý học Chẳng hạn Vật lý nghiên cứu chuyển hóa lượng giải phóng phân hạch dây chuyền thành điện Tóm lại: Vật lý nghiên