Bài soạn He thong kien thuc chuong 1 NC

Trường THPT Nguyễn Đáng Giáo viên Huỳnh Thế Xương Trường THPT Nguyễn Đáng Lớp 12 Họ và Tên: HỆ THỐNG HÓA KIẾN THỨC VẬT LÝ 12 NÂNG CAO Chương 1 ĐỘNG LỰC HỌC VẬT RẮN  I/. Chuyển động quay của vật rắn quanh một trục cố định Xét một vật rắn bất kỳ quay quanh một trục cố định. Chuyển động này có hai đặc điểm: + Mỗi điểm trên vật vạch một đường tròn nằm trong mặt phẳng vuông góc với trục quay, có bán kính bằng khoảng cách từ điểm đó đến trục quay, có tâm ở trên trục quay. + Mọi điểm của vật đều quay được cùng một góc trong cùng một khoảng thời gian. 1. Tọa độ góc Vị trí của vật tại mỗi thời điểm sẽ được xác định bằng góc ϕ giữa một mặt phẳng động P gắn với vật và một mặt phẳng cố định P o (hai mặt phẳng này đều chứa trục quay). Góc ϕ được gọi là toạ độ góc của vật. Góc ϕ đo bằng radian (rad). Ta thường xét vật rắn quay theo một chiều và chọn chiều dương là chiều quay của vật, khi đó ϕ > 0. 2. Tốc độ góc Trong khoảng thời gian t ∆ , vật quay được một góc ∆ϕ . a) Tốc độ góc trung bình của vật rắn trong khoảng thời gian t ∆ : tb t ∆ϕ ω = ∆ b) Tốc độ góc tức thời ở thời điểm t: t 0 d lim t dt ∆ → ∆ϕ ϕ ω = = ∆ Hay: ( ) ' tω = ϕ Tốc độ góc tức thời (gọi tắt là tốc độ góc) là đại lượng đặc trưng cho mức độ nhanh, chậm của chuyển động quay của vật rắn quanh một trục ở thời điểm t và được xác định bằng đạo hàm của tọa độ góc theo thời gian. Đơn vị của tốc độ góc là rad/s. 3. Gia tốc góc Trong khoảng thời gian t∆ , tốc độ góc của vật biến thiên một lượng ∆ω . a) Gia tốc góc trung bình của vật rắn trong khoảng thời gian t∆ : tb t ∆ω γ = ∆ b) Gia tốc góc tức thời ở thời điểm t: t 0 d lim t dt ∆ → ∆ω ω γ = = ∆ Hay: ( ) ' tγ = ω Gia tốc góc tức thời (gọi tắt là gia tốc góc) của vật rắn quay quanh một trục ở thời điểm t là đại lượng đặc trưng cho sự biến thiên của tốc độ góc ở thời điểm đó và được xác định bằng đạo hàm của tốc độ góc theo thời gian. Đơn vị của gia tốc góc là ( ) 2 rad / s . 4. Các phương trình động học của chuyển động quay a) Chuyển động quay đều: 0γ = ω = hằng số. o tϕ = ϕ + ω Trong đó o ϕ là toạ độ góc ban đầu, lúc t = 0. b)Chuyển động quay biến đổi đều: γ = hằng số. o tω = ω + γ 2 o o 1 t t 2 ϕ = ϕ + ω + γ và ( ) 2 2 o o 2ω −ω = γ ϕ− ϕ o o ,ϕ ω là tọa độ góc và tốc độ góc ban đầu, lúc t = 0. + Nếu tốc độ góc ω tăng theo thời gian thì chuyển động quay là nhanh dần ( 0γ > ). + Nếu tốc độ góc ω giảm theo thời gian thì chuyển động quay là chậm dần ( 0γ < ). 5. Vận tốc và gia tốc của các điểm trên vật quay a) Liên hệ giữa tốc độ dài và tốc độ góc v .r= ω v là tốc độ dài của một điểm chuyển động trên quỹ đạo tròn có bán kính r. Vật lý 12 nâng cao Trang 1 Trường THPT Nguyễn Đáng Giáo viên Huỳnh Thế Xương b) Khi vật rắn quay đều + vectơ vận tốc v r của mỗi điểm trên đường tròn có phương trùng với tiếp tuyến, có chiều của chuyển động và có độ lớn không đổi. + Gia tốc hướng tâm: 2 2 n v a .r r = = ω c) Khi vật rắn quay không đều + vectơ vận tốc v r của mỗi điểm thay đổi cả về hướng lẫn độ lớn. +Vectơ gia tốc của mỗi điểm trên vật n t a a a= + r r r và có độ lớn 2 2 n t a a a= + Trong đó: n a v⊥ r r , đặc trưng cho sự thay đổi về hướng của v r , đó là gia tốc hướng tâm. t a r có phương của v r , đặc trưng cho sự thay đổi về độ lớn của v r , gọi là gia tốc tiếp tuyến ( ) ( ) t t dv a v' t r ' Hay a r. dt = = = ω = γ II/. Phương trình động lực học của vật rắn quay quanh một trục cố định 1. Mối liên hệ giữa gia tốc góc và momen lực a) Momen lực đối với một trục quay: M F.d= Với F là lực (N) và d là tay đòn của lực (m) và M là momen của lực đối với trục quay (N.m). Nếu chọn chiều quay của vật làm chiều dương. M > 0, nếu nó có tác dụng làm vật quay theo chiều dương và ngược lại. b) Mối liên hệ giữa gia tốc góc và momen lực Xét vật rắn gồm nhiều chất điểm khối lượng m i , m j , … ở cách trục quay những khoảng cách r i , r j , …khác nhau. Momen lực tác dụng lên mỗi chất điểm: ( ) 2 i i i M m r= γ Tổng các momen lực tác dụng lên toàn bộ vật rắn: 2 i i i i i M M m r   = = γ  ÷   ∑ ∑ 2. Momen quán tính 2 i i i I m r= ∑ Đơn vị của momen quán tính là 2 kg.m . + Momen quán tính I đối với một trục là đại lượng đặc trưng cho mức quán tính của vật rắn trong chuyển động quay quanh trục ấy. + Momen quán tính của một vật rắn không chỉ phụ thuộc khối lượng của vật mà còn phụ thuộc vào sự phân bố khối lượng xa hay gần trục quay. + Momen quán tính của một số vật đồng chất đối với trục đối xứng ∆ và m là khối lượng của vật: - Thanh có tiết diện nhỏ so với chiều dài l : 2 1 I m 12 = l - Vành tròn bán kính R: 2 I mR= - Đĩa tròn mỏng có bán kính R: 2 1 I mR 2 = - Khối cầu đặc có bán kính R: 2 2 I mR 5 = 3. Phương trình động lực học của vật rắn quay quanh một trục cố định M I= γ Trong đó: M là momen lực đối với trục quay (N.m). I là momen quán tính của vật rắn ( ) 2 kg.m . γ là gia tốc góc ( ) 2 rad / s . III/. Momen động lương. Định luật bảo toàn momen động lượng 1. Momen động lượng + Đại lượng L I= ω được gọi là momen động lượng của vật rắn đối với trục quay. + Đơn vị của momen động lượng là 2 kg.m /s. + Dạng khác của phương trình động lực học của vật rắn quay quanh một trục cố định: dL M dt = 2. Định luật bảo toàn momen động lượng Vật lý 12 nâng cao Trang 2 Trường THPT Nguyễn Đáng Giáo viên Huỳnh Thế Xương + Nếu dL M 0 dt = = thì L = hằng số. + Nếu tổng các momen lực tác dụng lên một vật rắn (hay hệ vật) đối với một trục bằng 0 thì tổng momen động lượng của vật rắn (hay hệ vật) đối với trục đó được bảo toàn. - Trường hợp momen quán tính I đối với trục quay không đổi thì vật không quay hoặc quay đều quanh trục đó. - Trường hợp vật hoặc hệ vật có momen quán tính đối với trục quay thay đổi thì 1 1 2 2 I Iω = ω . Trong đó 1 1 I ω là momen động lượng của hệ vật lúc trước và 2 2 I ω là momen động lượng của hệ vật lúc sau. IV/. Động năng của vật rắn quay quanh một trục cố định 1. Động năng của một vật rắn quay quanh một trục cố định 2 ð 1 W I 2 = ω Trong đó I là momen quán tính của vật rắn đối với trục quay. Đơn vị của động năng là Jun (J). + Động năng này còn được viết dưới dạng: 2 đ 1 L W 2 I = Trong đó L là momen động lượng. 2. Sự tương tự giữa các đại lượng góc đặc trưng cho chuyển động quay và các đại lượng dài đặc trưng cho chuyển động thẳng Chuyển động quay (trục quay cố định, chiều quay không đổi) Chuyển động thẳng (chiều không đổi) Tọa độ góc ϕ (rad) Tốc độ góc ω (rad/s) Gia tốc góc γ (rad/s 2 ) Momen lực M (N.m) Momen quán tính I (kg.m 2 ) Momen động lượng L I= ω (kg.m 2 /s) Động năng quay 2 ð 1 W I 2 = ω (J) Tọa độ x (m) Tốc độ v (m/s) Gia tốc a (m/s 2 ) Lực F (N) Khối lượng m (kg) Động lượng P = mv (kg.m/s) Động năng 2 ð 1 W mv 2 = (J) Chuyển động quay đều: ω = hằng số ; 0γ = ; o tϕ = ϕ + ω Chuyển động thẳng đều: v = hằng số ; a 0= ; o x x vt= + Chuyển động quay biến đổi đều: γ = hằng số ; o tω = ω + γ 2 o o 1 t t 2 ϕ = ϕ + ω + γ ; ( ) 2 2 o o 2ω − ω = γ ϕ− ϕ Góc quay được sau thời gian t ∆ : o t 2 ω+ ω ∆ϕ = ∆ Chuyển động thẳng biến đổi đều: a = hằng số ; o v v at= + 2 o o 1 x x v t at 2 = + + ; ( ) 2 2 o o v v 2a x x− = − Quãng đường đi được sau thời gian t ∆ : o v v s t 2 + ∆ = ∆ Phương trình động lực học: M I= γ hay dL M dt = Phương trình động lực học: F ma = hay dp F dt = Định luật bảo toàn momen động lượng: 1 1 2 2 I Iω = ω hay i L ∑ = hằng số Định luật bảo toàn động lượng: i i m v ∑ r = không đổi Công thức liên hệ giữa các đại lượng góc và đại lượng dài s r= ϕ ; v r= ω ; t a r= γ ; 2 n a r= ω Vật lý 12 nâng cao Trang 3 . hoặc hệ vật có momen quán tính đối với trục quay thay đổi thì 1 1 2 2 I Iω = ω . Trong đó 1 1 I ω là momen động lượng của hệ vật lúc trước và 2 2 I ω là. tiết diện nhỏ so với chiều dài l : 2 1 I m 12 = l - Vành tròn bán kính R: 2 I mR= - Đĩa tròn mỏng có bán kính R: 2 1 I mR 2 = - Khối cầu đặc có bán kính