Tài liệu giảng dạy môn Vật lý đại cương (Ngành Công nghệ Hóa học)

TRƯỜNG ĐẠI HỌC TRÀ VINH KHOA KHOA HỌC CƠ BẢN TÀI LIỆU GIẢNG DẠY MÔN VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG Ngành Cơng nghệ Hóa học GV biên soạn: Lê Thị Cẩm Loan Trà Vinh, Tháng năm 2014 Lưu hành nội KHOA KHOA HỌC CƠ BẢN BỘ MÔN VẬT LÝ TÌNH TRẠNG PHÊ DUYỆT TÀI LIỆU GIẢNG DẠY Tên tài liệu giảng dạy: VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG (Ngành Công nghệ Hóa học) Ngày hồn chỉnh: 02 tháng 07 năm 2014 Tác giả biên soạn: Lê Thị Cẩm Loan Đơn vị công tác: Bộ môn Vật lý, Khoa khoa học Cơ Bản Địa liên lạc: 126 Quốc lộ 53, Phường 5, Tp Trà Vinh Trà Vinh, ngày 02 tháng 07 năm 2014 Tác giả (Ký & ghi họ tên) Lê Thị Cẩm Loan PHÊ DUYỆT CỦA BỘ MÔN Đồng ý sử dụng tài liệu giảng dạy …………….…………………… ……… …………………………… biên soạn để giảng dạy môn… …… …… ……………… Trà Vinh, ngày … tháng … năm…… TRƯỞNG BỘ MƠN Cơ Thị Thúy PHÊ DUYỆT CỦA KHOA Trà Vinh, ngày … tháng … năm 201 TRƯỞNG KHOA Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý đại cương ngành Cơng nghệ Hóa học MỤC LỤC Nội dung Trang PHẦN LÝ THUYẾT BÀI MỞ ĐẦU CHƯƠNG ĐỘNG HỌC CHẤT ĐIỂM BÀI CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN BÀI VẬN TỐC VÀ GIA TỐC BÀI 14 MỘT SỐ CHUYỂN ĐỘNG ĐƠN GIẢN CỦA CHẤT ĐIỂM 14 CHƯƠNG 19 ĐỘNG LỰC HỌC CHẤT ĐIỂM 19 BÀI 19 CÁC ĐỊNH LUẬT NEWTON 19 BÀI 22 HỆ QUI CHIẾU KHƠNG QN TÍNH – LỰC QUÁN TÍNH – NGUYÊN LÝ TƯƠNG ĐỐI GALILLE 22 BÀI 24 CÁC LỰC CƠ HỌC 24 CHƯƠNG 29 ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN NĂNG LƯỢNG 29 BÀI 29 CÔNG VÀ CÔNG SUẤT 29 BÀI 32 ĐỘNG NĂNG VÀ THẾ NĂNG 32 BÀI 35 ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN CƠ NĂNG 35 CHƯƠNG 37 KHÍ LÝ TƯỞNG 37 CHƯƠNG 40 NHỮNG NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC 40 BÀI 40 NGUYÊN LÝ THỨ NHẤT NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC 40 BÀI 44 NGUYÊN LÝ THỨ HAI NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC 44 CHƯƠNG 50 ĐIỆN TRƯỜNG TĨNH ĐIỆN 50 BÀI 50 ĐIỆN TÍCH VÀ ĐỊNH LUẬT COULOMB 50 BÀI 54 ĐIỆN TRƯỜNG 54 BÀI 59 ĐIỆN THẾ 59 CHƯƠNG 65 VẬT DẪN 65 BÀI 65 Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý đại cương ngành Công nghệ Hóa học VẬT DẪN TRONG ĐIỀU KIỆN CÂN BẰNG TĨNH ĐIỆN HIỆN TƯỢNG ĐIỆN HƯỞNG HIỆN TƯỢNG PHÂN CỰC CHẤT ĐIỆN MÔI 65 BÀI 70 ĐIỆN DUNG CỦA VẬT DẪN 70 CHƯƠNG 74 DỊNG ĐIỆN KHƠNG ĐỔI 74 BÀI 74 DÒNG ĐIỆN KHÔNG ĐỔI ĐỊNH LUẬT OHM 74 BÀI 78 CÁC ĐỊNH LUẬT KIRCHOFF 78 CHƯƠNG 81 TỪ TRƯỜNG TĨNH 81 BÀI 81 VECTƠ CẢM ỨNG TỪ - VÉCTƠ CƯỜNG ĐỘ TỪ TRƯỜNG 81 BÀI 86 ĐƯỜNG CẢM ỨNG TỪ-TỪ THƠNG-ĐỊNH LÍ O-G ĐỐI VỚI TỪTRƯỜNG ĐỊNH LÍ AMPERE VỀ DỊNG ĐIỆN TỒN PHẦN 86 BÀI 90 LỰC TỪ TÁC DỤNG LÊN PHÂN TỬ DÒNG ĐIỆN 90 CHƯƠNG 10 93 GIAO THOA, NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG 93 BÀI 93 GIAO THOA ÁNH SÁNG 93 BÀI 102 NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG 102 TÀI LIỆU THAM KHẢO 10909 Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý đại cương ngành Cơng nghệ Hóa học PHẦN LÝ THUYẾT BÀI MỞ ĐẦU  Mục tiêu học tập: - Trình bày tầm quan trọng vật lý môn khoa học khác - Dùng với đơn vị đo lường sử dụng vật lý I Đối tượng phương pháp nghiên cứu Vật lý học: Đối tượng nghiên cứu Vật lý học Vật lý học: môn khoa học tự nhiên nghiên cứu quy luật đơn giản tổng quát tượng tự nhiên, nghiên cứu tính chất cấu trúc vật chất định luật vận động vật chất Cơ học: phận Vật lý học Nghiên cứu dịch chuyển vật phận vật Chuyển động học (hay dịch chuyển) dạng đơn giản vận động vật chất Phương pháp nghiên cứu Vật lý học Phương pháp nghiên cứu Vật lý học biểu diễn theo sơ đồ sau: Quan sát Thí nghiệm Khảo sát Giả thuyết Lý luận giải thích Thí nghiệm Kiểm chứng giả thuyết Đúng Định luật Định lý Đ Thuyết Sai II Phép đo đơn vị đo vật lý Phép đo: chia thành phép đo sau: Phép đo trực tiếp: so sánh đại lượng cần đo với đại lượng loại chọn làm đơn vị Thí dụ: Đo chiều dài: so sánh với chiều dài thước đo Đo khoảng thời gian: so sánh với thời gian mà kim đồng hồ dịch chuyển qua vạch mặt đồng hồ Phép đo gián tiếp: tính đại lượng cơng thức Tốn học định luật Vật lý thông qua đại lượng biết Thí dụ: Đo khối lượng riêng vật vắn: tính khối lượng theo cơng thức: D  m , thông V qua đại lượng biết khối lượng m thể tích V Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý đại cương ngành Công nghệ Hóa học Đo Vận tốc: tính vận tốc theo công thức: v  S thông qua hai đại lượng biết t quảng đường S thời gian t Như vậy, muốn thực phép đo, phải xác định đơn vị đo công thức để tính Đơn vị đo Đơn vị bản: đơn vị qui ước, nghĩa dùng định luật Vật lý đề suy từ đơn vị đơn vị Đơn vị dẫn xuất: đơn vị rút từ đơn vị công thức Vật lý Hệ đơn vị đo lường bản: hệ đơn vị đo trực tiếp, có tính quốc tế nhà khoa học thống sử dụng viết tắt SI Hệ SI (International System) bao gồm đơn vị đo sau: Tên đơn vị Ký hiệu Đo đơn vị Độ dài L mét (m) Khối lượng M kilôgam (kg) Thời gian T giây (s) Nhiệt độ T độ Kenvin (0 K) Cường độ dòng điện I Ampere (A) Cường độ ánh sáng J Candela (Cd) Lượng vật chất N Mol (mol) 2.1 Đơn vị đo chiều dài: Đơn vị đo chiều dài mét Mét độ dài 1650763,73 lần bước sóng chân khơng vạch màu da cam nguyên tử Krypton (số thứ tự 36) chuyển từ mức 5d5 xuống 2p10 phát Mét gần phần 40 triệu độ dài kinh tuyến Trái đất Bảng 1: Các đơn vị đo độ dài khác tính mét (tham khảo) Tên Inch Ký hiệu So với m in 0,0254 Tên Feet Yard Yd 0,9144 Ăngstrong Leaque Le 4828,04 Leaque (nautica) Dặm mi 1609,344 Hải lý Light year 9,461.1015 Đơn vị thiên văn Năm ánh sáng Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý đại cương ngành Cơng nghệ Hóa học Ký hiệu So với m ft 0,03048 A 10-10 Le-n 5556 1850 Ae 1,49.1011 2.2 Đơn vị đo khối lượng Đơn vị đo khối lượng kilogram (Kg); Kg khối lượng vật chuẩn Platin-Iridi giữ lại phòng cân đo quốc tế Sèvres gần Paris Khối lượng Kg khối lượng 1000 cm3 nước nguyên chất nhiệt độ 40C Bảng 2: Các đơn vị đo khối lượng khác tính Kg (tham khảo) Tên Tính kg Tên Slug 14,593903 Pound, Ib, Ibs Catti Gin [China] 0,604875 Chin Gin [Japan] Ounce 0,028349523 Carat 0,00002 Tính kg 0,45359237 0,6 Tonne, Ton 1000 1,660538.1027 Atomic mass unit 2.3 Đơn vị đo thời gian: Đơn vị đo thời gian giây: Giây khoảng thời gian tổng 9192631770 chu kỳ xạ ứng với chuyển hai mức trạng thái siêu tinh tế nguyên tử Xezi (113) Giây gần 1/86400 ngày mặt trời trung bình Bảng 3: Ý nghĩa số độ dài thời gian Thời gian (giây) Ý nghĩa 10-23 Ánh sáng qua proton 10-15 Chu kỳ sóng ánh sáng 10-8 Thời gian xạ photon nguyên tử bị kích thích 10-2 10-9 107 Thang thời gian cho người Một năm mặt trời 16 10 Hệ mặt trời quay vòng quay trung tâm Thiên hà 1017 Tuổi trái đất 1018 Tuổi vũ trụ Bảng 4: Các tiếp đầu ngữ để gọi tên bội số ước số đơn vị: Bội số Số mũ Cách đọc Ước số Kí hiệu Số mũ Cách đọc Kí hiệu 1018 Exa E 10-1 đêxi d 1013 Peta P 10-2 centi c 1012 Têra T 10-3 mili m 109 Giga G 10-6 micrô  106 Mega M 10-9 nanô n Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý đại cương ngành Cơng nghệ Hóa học 103 Kilo K 10-12 picơ p 102 Hecto H 10-13 femtô f 101 Deca Da 10-18 attô a Chú ý: riêng khối lượng, đơn vị kilôgam, 1kg=103g, tiếp đầu ngữ khác gắn với từ “gam”, không gắn với từ “kilơgam” Thí dụ: 1mg =10-3g=10-6kg; 1g =10-6g=10-9kg; 1Gm =106m, Công thức thứ nguyên: Công thức thứ nguyên công thức biểu diễn quan hệ đơn vị dẫn xuất thông qua đơn đơn vị với định dạng sau: [X] = [M]p [L]q [T]r (1) Trong đó: p, q, r số nguyên [X] ký hiệu thứ nguyên tên đơn vị đại lượng vật lý X Thí dụ 1: Đơn vị vận tốc m/s nên đơn vị thứ nguyên vận tốc là: [v] = [L][T]-1 Đơn vị lực kg.m/s2 nên đơn vị thứ nguyên lực là: [F] = [M][L][T]-2 Công thứ (1) dùng để kiểm tra xác cơng thức vật lý  Câu hỏi (bài tập) củng cố: Vận tốc xe du lịch 80 km/h, tương đương với a 22,2 m/s b 28,8 cm/s c 13,3 m/s d 48 cm/s Động xe Toyota Camry có tổng thể tích buồng đốt 2000 cm3 Nếu thể tích hình lập phương cạnh hình hộp bằng: a in b 126 mm c 41,3 ft d mi Một năm ánh sáng bằng: a 9,461.1015 m b 9,461 Pm c 107 d câu a b Một năm mặt trời bằng: a 1017 s b 107 s c 9,461.1015 m d 365 ngày Công thức thứ nguyên động ( lượng nói chung): a [M]2 [L]1 [T]2 b [M]1 [L]2 [T]-2 c [M]2 [L]2 [T]-1 d [M]1 [L]-1 [T]-2 Momen lực đo đơn vị Niutơn.mét (N.m) Xét xem hệ SI Nm có đơn vị là: a kg.m2 b ms/kg c kgm2/s2 Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý đại cương ngành Cơng nghệ Hóa học d kgm3/s3 CHƯƠNG ĐỘNG HỌC CHẤT ĐIỂM BÀI CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN  Mục tiêu học tập: - Nêu khái niệm học - Viết phương trình chuyển động, phương trình quỹ đạo chuyển động đơn giản Chuyển động học: Sự thay đổi vị trí vật so với vật khác Đối với vật vật mà ta khảo sát đứng n, vật chuyển động Như vậy, chuyển động có tính chất tương đối phụ thuộc vào vật mà ta qui ước đứng n Thực vũ trụ khơng có vật đứng yên cách tuyệt đối, vật chuyển động khơng ngừng Vì vậy, nói vật chuyển động ta phải nói rõ vật chuyển động vật mà ta qui ước đứng yên Động học: Là phần học, nghiên cứu hình thái chuyển động vật mà không xét đến lực nguyên nhân làm thay đổi trạng thái chuyển động Chất điểm: Vật có kích thước nhỏ so với qng đường mà chuyển động Khái niệm chất điểm có tính tương đối, ví dụ nghiên cứu chuyển động Trái đất quanh Mặt trời ta xem trái đất chất điểm, nghiên cứu chuyển động tự quay quanh trục ta khơng thể xem Trái đất chất điểm Không gian thời gian: Theo học cổ điển, không gian chuyển động xem không gian ba chiều đẳng hướng Thời gian không phụ thuộc vào chuyển động Thời gian đôc lập với vật qui ước đứng yên Thời gian khơng gian có tính chất tuyệt đối Lưu ý vật chuyển động nhanh cỡ vận tốc ánh sáng nghiên cứu học tương đối khái niệm khơng gian thời gian khơng cịn đơc lập với vận tốc chuyển động Hệ qui chiếu Vật chọn làm mốc xem đứng yên để xét chuyển động vật khác không gian đo thời gian chuyển động chất điểm Với hệ qui chiếu khác nhau, chuyển động có dạng khác Việc chọn hệ quy chiếu tùy ý nên chọn cho việc khảo sát thích hợp tiện lợi Hệ tọa độ: Là hệ thống đường thẳng cố định véctơ đơn vị góc định hướng dùng để xác định vị trí chuyển động vật Tùy theo đặc điểm chuyển động mà ta chọn hệ tọa độ này, hệ tọa độ khác cho thích hợp hệ tọa độ thông dụng học: Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý đại cương ngành Cơng nghệ Hóa học Hệ toạ độ ĐềCác z z  k M  r  j  i y x y M’ x Hình 1.1 Hệ gồm ba trục Ox, Oy, Oz vng góc đơi một, chúng tạo thành tam diện thuận Điểm O gốc tọa độ Vị trí điểm M xác định hồn tồn   véctơ định vị r = OM , hay tập hợp ba số (x, y, z)    Gọi i , j , k véctơ đơn vị hướng theo trục Ox, Oy, Oz ta viết:     r  OM  x i  y j  z k (1.1) r  x2  y2  z2 Trong đó: x, y, z : toạ độ M Hệ tọa độ cong : O M (C) Hình 1.2 Hệ tọa độ dùng cho chuyển động chiều chuyển động xảy dọc theo đường cong (C) tùy ý quỹ đạo xác định trước không gian Vị trí chất điểm xác định bởi: s = OM ( O : điểm gốc ; s : tọa độ M) Hệ tọa độ cầu : Ở hệ tọa độ cầu, vị trí điểm M xác định ba tọa độ r, ,  Trong r   độ dài bán kính r ,  góc định hướng từ trục Oz đến r  góc định hướng từ trục  Ox đến tia hình chiếu r mặt phẳng Oxy với qui ước góc quay ln theo chiều kim đồng hồ Như vậy, ta có :  r ;    1800 Biết ba tọa độ cầu điểm M bất kỳ, ta tính tọa độ Descarter điểm M theo cơng thức sau : Tài liệu giảng dạy Mơn Vật lý đại cương ngành Cơng nghệ Hóa học ...KHOA KHOA HỌC CƠ BẢN BỘ MƠN VẬT LÝ TÌNH TRẠNG PHÊ DUYỆT TÀI LIỆU GIẢNG DẠY Tên tài liệu giảng dạy: VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG (Ngành Cơng nghệ Hóa học) Ngày hoàn chỉnh: 02 tháng 07 năm 2014... 102 TÀI LIỆU THAM KHẢO 10909 Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý đại cương ngành Cơng nghệ Hóa học PHẦN LÝ THUYẾT BÀI MỞ ĐẦU  Mục tiêu học tập: - Trình bày tầm quan trọng vật lý môn khoa... chuyển động vật? Lực phản lực không tác dụng lên điểm? Vật khơng có gia tốc khơng có lực tác dụng vào vật? Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý đại cương ngành Cơng nghệ Hóa học 20 Một vật đứng yên