Tài liệu giảng dạy môn vật lý đại cương a1 (phần lý thuyết)

Phụ lục TRƯỜNG ĐẠI HỌC TRÀ VINH KHOA KHOA HỌC CƠ BẢN TÀI LIỆU GIẢNG DẠY MÔN VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG A1 (PHẦN LÝ THUYẾT) GV biên soạn: Đặng Diệp Minh Tân Trà Vinh, …/20… Lưu hành nội MỤC LỤC Phần I CƠ HỌC Chương MỞ ĐẦU Bài Đối tượng, phương pháp nghiên cứu hệ đơn vị đo lường Vật lý học Chương ĐỘNG HỌC CHẤT ĐIỂM Bài Các đại lượng động học chất điểm Bài Một số chuyển động đơn giản chất điểm 17 Chương ĐỘNG LỰC HỌC CHẤT ĐIỂM 27 Bài Khái niệm lực 27 Bài Các định luật Newton 28 Chương NĂNG LƯỢNG 39 Bài Các khái niệm lượng công 39 Bài Cơ 42 Chương ĐỘNG LỰC HỌC CƠ HỆ VÀ CÁC ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN TRONG CƠ HỌC 50 Bài Cơ hệ định luật bảo toàn hệ 50 Bài Khối tâm hệ 54 Chương VẬT RẮN 56 Bài Động học vật rắn 56 Bài Động lực học Vật rắn 60 Chương CƠ HỌC CHẤT LƯU 66 Bài Tĩnh học chất lưu 66 Bài Động lực học chất lưu lí tưởng 69 Phần II NHIỆT HỌC 72 Chương NHỮNG CƠ SỞ CỦA THUYẾT ĐỘNG HỌC PHÂN TỬ 72 Bài Mở đầu 72 Bài Những sở thuyết động học phân tử 74 Chương NHỮNG NGUYÊN LÝ CƠ BẢN CỦA NHIỆT ĐỘNG LỰC HỌC 83 Bài Các trình Nhiệt động lực học 83 Bài Nguyên lý thứ thứ hai Nhiệt động lực học 87 Bài đọc thêm 100 Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý đại cương A1 Phần I CƠ HỌC Chương MỞ ĐẦU Bài Đối tượng, phương pháp nghiên cứu hệ đơn vị đo lường Vật lý học  Mục tiêu học tập: Sau học xong này, người học có thể: - Nhận diện đối tượng, phương pháp nghiên cứu Vật lý học - Trình bày đơn vị sử dụng Cơ học 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 “Nhiệm vụ Cơ học xác định trạng thái chuyển động vật thời điểm nào” 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 Đ + Học thuyết khoa học + Định luật + Định lý S Hình II Phép đo đơn vị đo Vật lý: Phép đo: chia thành phép đo sau: a Phép đo trực tiếp: - Đo trực tiếp đại lượng 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 b Phép đo gián tiếp: Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý đại cương A1 - Đo gián tiếp đại lượng tính đại lượng cơng thức Tốn học định luật Vật lý thơng qua đại lượng biết - Thí dụ:  Đo khối lượng riêng vật vắn: tính khối lượng theo công thức (d=m/V) thông qua đại lượng biết khối lượng m thể tích V  Đo Vận tốc: tính vận tốc theo cơng thức (v=S/t) thông qua hai đại lượng biết quảng đường S thời gian t  Như vậy, muốn thực phép đo, phải xác định đơn vị đo cơng thức để tính Đơn vị đo: a Định nghĩa đơn vị đơn vị dẫn xuất.: - Đơn vị bản: đơn vị qui ước, nghĩa dùng định luật Vật lý để suy từ đơn vị đơn vị - Đơn vị dẫn xuất: đơn vị rút từ đơn vị công thức Vật lý b Hệ đơn vị đo lường Quốc tế SI (System International): hệ gồm số đơn vị Hội nghị toàn thể đo lường Quốc tế Quyết định thành lập vào năm 1960 Hiện nay, hệ SI có đơn vị sau: Bảng Hệ SI STT TÊN ĐƠN VỊ Mét Kilôgam Giây Kenvin Ampe Cadela Mol KÝ HIỆU TÊN ĐƠN VỊ m kg s K A Cd mol ĐẠI LƯỢNG ĐƯỢC ĐO Độ dài Khối lượng Thời gian Nhiệt độ Cường độ dòng điện Cường độ ánh sáng Lượng vật chất KÝ HIỆU TÊN ĐẠI LƯỢNG L M t T I I N Các đơn vị hệ SI dùng Cơ học: Cơ học sử dụng đơn vị hệ SI, gồm: kilôgam (kg), giây (s) mét (m): a kilôgam (kg): khối lượng vật chuẩn Platin – Iridi lưu trữ phòng cân đo Quốc tế Pháp b giây (s): thời gian 9192631770 chu kỳ xạ ứng với chuyển hai mức siêu tinh tế trạng thái nguyên tử Xezi 113 Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý đại cương A1 c mét (m): độ dài quảng đường mà ánh sáng truyền chân không khoảng thời gian 1/299792458 giây Công thức thứ nguyên: - Là công thức biểu thị phụ thuộc đơn vị dẫn xuất vào đơn vị - Công thức thứ nguyên suy từ cơng thức tốn học định luật vật lý, từ suy đơn vị dẫn xuất đại lượng, với quy ước cách viết thứ nguyên đại lượng sau: [tên gọi đại lượng] Thí dụ: ta có: Thí dụ: hay [ký hiệu tên đại lượng viết chữ in hoa] [độ dài] hay [L] : thứ nguyên độ dài [khối lượng] hay [M] : thứ nguyên khối lượng [thời gian] hay [T] : thứ nguyên thời gian [độ dài] = độ dài hay ký hiệu: [L] = L [khối lượng] = khối lượng hay ký hiệu: [M] = M [Thời gian] = Thời gian ký hiệu: [T] = T hay Hãy viết công thức thứ nguyên từ công thức sau: Công thức Vật lý  Thể tích: V=d3  Tốc độ: v  s t  Khối lượng riêng:d= Công thức thứ nguyên [V]=[d][d][d]=L.L.L=L3 Đơn vị hệ SI m3 [S ] L   L.T 1 [T ] T [M ] M [D]=   M L3 [V ] L m  m.s 1 s kg  kg.m 3 m [V]= m V Chú ý: Trong hệ đơn vị khác nhau, công thức thứ nguyên đại lượng không đổi đơn vị thay đổi Từ công thức thứ nguyên, cho phép kiểm tra đắn phương trình cơng thức Vật lý mặt thứ nguyên Đúng thứ nguyên điều kiện cần để phương trình cơng thức Vật lý ý nghĩa khoa họcVật lý Thí dụ : kiểm tra mặt thứ nguyên công thức sau: v R Gia tốc pháp tuyến: an  Ta biết thứ nguyên vế trái [An]= L.T-2 Thứ nguyên vế phải là: [V ] L.T 1   T 1 [ R] L Thứ nguyên hai vế khác nhau, nên công thức sai v2 R [V ] L2 T 2   LT  , thứ nguyên với vế trái Có thứ nguyên vế phải là: [ R] L Công thức là: Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý đại cương A1 an  Bảng tiếp đầu ngữ để gọi tên bội số ước số đơn vị: Trong khoa học kỹ thuật thường gặp đại lượng có độ lớn khác Thí dụ: - Chiều cao người vào khoảng 1.6m - Kích thước hạt nhân nguyên tử vào cỡ 10-15m - Kích thước Thiên Hà vào cỡ 1020m Để thuận tiện việc tính tốn ghi kết đo phép đo, hệ SI sử dụng bội số ước số thập phân đơn vị Để gọi tên bội số ước số đó, người ta gắn tiếp đầu ngữ sau vào tên đơn vị: Bảng Các tiếp đầu ngữ Stt Tiếp đầu ngữ exa peta têra giga mega kilô hectô đêca Bội số Kí hiệu E P T G M k h da Giá trị 1018 1013 1012 109 106 103 102 101 Tiếp đầu ngữ đêxi centi mili micrô nanô picơ femtơ attơ Ước số Kí hiệu d c m  n p f a Giá trị 10-1 10-2 10-2 10-6 10-9 10-12 10-13 10-18 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, Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý đại cương A1 PHẦN LUYỆN TẬP CÂU HỎI TRẮC NGHIỆM 1) Phương pháp nghiên cứu vật lý : a) Thực nghiệm quy nạp (induction) b) Diễn dịch (deduction - gần giống phương pháp suy luận toán học) c) Cả hai d) Khơng có câu 2) Hệ SI bao gồm đơn vị đo là: a) đơn vị đo b) Đơn vị dẫn xuất đơn vị phụ c) đơn vị đo bản, đơn vị dẫn xuất đơn vị phụ d) a b 3) Các đơn vị hệ SI là: a) m, kg, s, C, K, mol, Cd b) cm, g, s, A, K, mol, Cd c) m, kg, s, A, K, mol, Cd d) Khơng có câu 4) Bội số Giga đơn vị : a) 106 b) 109 c) 1012 d) 1015 5) Ước số pico đơn vị : a) 10-15 b) 10-12 c) 10-9 d) 10-6 6) Công thức thứ nguyên đơn vị lực N (Newton) theo công thức F=ma là: a) kg.m/s2 b) [M][L]/[T]2 c) [M][L][T]-2 d) b c 7) Vận tốc ánh sáng bằng: a) 8.103 m/s b) 3.108 m/s c) 300000 m/s d) Khơng có câu 8) Inch đơn vị đo độ dài dùng hệ SI: a) Đúng b) Sai c) Dùng Anh Mỹ d) Khơng có đơn vị Tài liệu giảng dạy Mơn Vật lý đại cương A1 9) Cơ học nghiên cứu : a) Chuyển động vật thể tức thay đổi vị trí vật khơng gian theo thời gian b) Chuyển động chất điểm tức thay đổi vị trí chất điểm không gian theo thời gian c) Nguyên nhân lực tạo chuyển động d) Các câu sai 10) Cơ học nghiên cứu chuyển động với vận tốc lớn gần với vận tốc ánh sáng là: a) Cơ học cổ điển b) Cơ học lý thuyết c) Cơ học tương đối d) Cơ học lượng tử Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý đại cương A1 Chương ĐỘNG HỌC CHẤT ĐIỂM Bài Các đại lượng động học chất điểm  Mục tiêu học tập: Sau học xong này, người học có thể: Xác định trạng thái chuyển động chất điểm I Đối tượng nghiên cứu: Khái niệm chất điểm: Một vật chuyển động có khích thước nhỏ so với quãng đường mà chuyển động xem chất điểm chuyển động Thí dụ: xét Trái Đất chuyển động quỹ đạo quanh Mặt Trời Trái Đất xem chất điểm Nhưng xét Trái Đất tự quay khơng thể xem chất điểm Đối tượng nghiên cứu: Động học chất điểm phần Cơ học, nghiên cứu chuyển động chất điểm, mà chưa xét đến nguyên nhân gây chuyển động II Hệ quy chiếu: Định nghĩa: hệ gồm vật làm mốc, hệ trục tọa độ với gốc tọa độ gắn vào vật làm mốc, đồng hồ để đo thời gian Hệ quy chiếu dùng để xác định vị trí khơng gian đo thời gian chuyển động chất điểm khảo sát chuyển động chất điểm Thông thường hệ quy chiếu chọn cho viêc nghiên cứu chuyển động đơn giản Hệ tọa độ ĐềCác (Descartes): a Hệ tọa độ Đềcác chiều: (hình 1) Là hệ gồm hai trục tọa độ vng góc Ox, Oy chia mặt phẳng thành phần b Hệ tọa độ Đềcác chiều: (hình 2) Là hệ gồm ba trục tọa độ vng góc đơi Ox, Oy, Oz tạo thành tam diện thuận Oxyz y z k j i O O x j i y x hình Tài liệu giảng dạy Mơn Vật lý đại cương A1 hình Quá trình đoạn nhiệt hiểu là: a) Q trình mà thể tích hệ khơng đổi b) Q trình mà hệ khơng trao đổi nhiệt lượng với bên ngồi c) Q trình mà nhiệt độü hệ khơng đổi d) Q trình mà áp suất hệ khơng đổi Tìm câu phát biểu sai câu sau đây: a) Trong chu trình Carnot khơng thuận nghịch tổng nhiệt lượng rút gọn nhỏ khơng b) Ðối với chu trình tổng nhiệt lượng rút gọn nhỏ không c) Entropy nội hệ hàm số trạng thái d) Trong trình, Entropy hệ tăng khơng đổi Một máy làm lạnh hoạt động theo chu trình Carnot với tác nhân nhiệt độ o C -100 oC Trong trường hợp hiệu suất máy làm lạnh không đổi: a) Giảm đồng thời nhiệt độ hai nguồn 200K b) Tăng đồng thời nhiệt độ hai nguồn lên hai lần c) Tăng đồng thời nhiệt độ tuyệt đối hai nguồn lên hai lần d) Tăng nhiệt độ nguồn lạnh thêm 1000K Tìm câu phát biểu câu sau đây: a) Có thể tạo động vĩnh cửu loại hai b) Trong trình đoạn nhiệt hệ sinh công c) Chu trình Carnot với khí thực cho hiệu suất cao chu trình Carnot với khí lý tưởng d) Trong q trình đẳng nhiệt cho khí lý tưởng, nội khí khơng đổi Tài liệu giảng dạy Mơn Vật lý đại cương A1 98 BÀI TẬP Bài 1: Ơtơ Môtscơvic tiêu thụ 5,67kg dầu xăng để quãng đường 90km Tính cơng suất động ôtô chạy với vận tốc 90km/h hiệu suất động 22% Biết suất toả nhiệt dầu xăng 46200kJ/kg Bài 2: Máy bay tiêu thụ dầu xăng sau bay với hiệu suất động 40% Tính cơng suất động Năng suất toả nhiệt dầu xăng máy bay 42000Kcal/kg Bài 3: Cơng suất trung bình động ơtơ “Vơnga” 60 mã lực cịn hiệu suất 25% Ơtơ chạy qng đường 250km tiêu thụ 40 kg dầu xăng có suất toả nhiệt 11200kcal/kg Tính vận tốc trung bình xe Bài 4: Một máy nước có cơng suất 14,7kw làm việc dùng hết 8,1kg than có suất toả nhiệt 7,8.103 cal/g Nhiệt độ nồi 200oC, nhiệt độ nguồn lạnh 58oC Tính hiệu suất thực  máy so sánh với hiệu suất lý tưởng Bài 5: Một máy làm lạnh lý tưởng làm việc theo chu trình Cacnơ thuận nghịch tiêu thụ cơng 3,7.104J chu trình Máy lấy nhiệt từ vật có nhiệt độ -10oC truyền nhiệt cho vật có nhiệt độ 17oC Tính: a Hiệu suất máy làm lạnh Giải thích ý nghĩa b Nhiệt lượng lấy từ nguồn lạnh chu trình c Nhiệt lượng truyền cho nguồn nóng chu trình Tài liệu giảng dạy Mơn Vật lý đại cương A1 99 Bài đọc thêm Nguyên lý tương đối Galilê Hệ quy chiếu quán tính: Nhận xét: - Ở ta nói vật chuyển động theo qn tính đứng yên chuyển động thẳng Thế vật chuyển động hệ quy chiếu nào? - Chuyển động quán tính vật diễn hệ quy chiếu Thật vậy: thí dụ người đứng yên hệ quy chiếu gắn với toa tàu, người bị hất phía trước đồn tàu, đồn tàu đột ngột hãm máy lại Trạng thái chuyển động theo quán tính bị phá vỡ, khơng có lực tác dụng vào người Khi đồn tàu chuyển động thẳng đều, dừng lại hồn tồn, trạng thái chuyển động theo qn tính người giử nguyên - Như phải chọn “loại” hệ quy chiếu riêng để khảo sát chuyển động quán tính vật cho chuyển động quán tính diễn Hệ quy chiếu gọi hệ quy chiếu quán tính - Cách chọn hệ quy chiếu quán tính: Trong thực tế người ta không đưa tiêu chuẩn để xác định hệ quy chiếu quán tính thực Tuỳ theo mức độ xác trường hợp khảo sát cụ thể, người ta có cách chọn hệ quy chiếu quán tính sau:  Lấy gốc tâm Mặt trời có ba trục toạ độ qua ba bất động bầu trời (do Newton chọn) Đây hệ quy chiếu quán tính toàn hệ Mặt trời  Lấy gốc trục gắn hoàn toàn với Trái đất Đây hệ quy chiếu quán tính đủ thích hợp để khảo sát chuyển động qn tính đồn tàu, ôtô, máy bay phản lực, Nguyên lý cộng vận tốc phép biến đổi Galilê: Gọi K K’ hai hệ quy chiếu quán tính; hệ K’ chuyển động thẳng K  với vận tốc v0 Ta gắn vào K K’ hai hệ tọa độ Đêcác Oxyz O’x’y’z’sao cho trục tương ứng song song chiều Chọn gốc thời gian (t = t’= 0) vào thời điểm O trùng với O’ Xét chất điểm M chyển động K K’; tọa độ M hệ K   rk (xk, yk, zk), hệ K’ rk ' (xk’, yk’, zk’) Sau khoảng thời gian dt, độ dịch chuyển của:    drk drk ' Hệ K’ K : OO'  v0 dt  Chất điểm M K: drk M1 v0 dt  Chấm điểm M K’: drk ' rk r k O, O’ O’ Hình ' Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý đại cương A1 100 Vận tốc M K xác định sau:     drk  OO'  drk '  v0 dt  drk '   drk  drk '   v0  dt dt     vk  v0  vk ' (1) Ta có: (1) cơng thức cộng vận tốc cổ điển (áp dụng cho vận tốc m1 , thì: k m2 1 m2 Động hệ sau va chạm gần động trước va chạm, tức vật đứng yên nhận động đáng kể Thí dụ, trường hợp dùng búa đóng đinh: búa nặng đinh cách đáng kể đóng đinh nhanh hơn, sâu - Nếu vật đứng yên có khối lượng lớn so với vật chuyển động, m1 >> m2 , : k m2  m1 Động hệ sau va chạm nhỏ so với lúc trước va chạm Vật đứng yên không thu động Thí dụ, trường hợp dùng búa đập đe: đe nặng búa cách đáng kể đe vững, khơng bị lún, bị nẩy (và phần chuyển thành nhiệt năng) Bài toán Nghiên cứu va chạm xuyên tâm, tuyệt đối đàn hồi, hai hịn bi có khối lượng m1 m2 chuyển động với vận tốc không đổi Chọn hệ tọa độ toán 1.Hòn bi m1 đứng yên gốc O Hòn bi m2 chuyển động phía O với vận tốc v2 = -v Sau va chạm, vận tốc hai hịn bi v’1 v’2 Vì va chạm xuyên tâm, v’1 v’2 trùng phương với trục Ox Tài liệu giảng dạy Môn Vật lý đại cương A1 104 Vì va chạm tuyệt đối đàn hồi, hệ bảo tồn, khơng chuyển hóa thành dạng lượng khác Động lượng động hệ trước sau va chạm (vì bảo tồn, thời gian va chạm ngắn, không thay đổi đáng kể) Ta viết được: m2 v2  m1v1'  m2 v2' (1) 1 m2 v22  m1v1'2  m2 v2'2 2 (2) Hay:    m v  v  m1v1'  m2 v v2' m1v1'2 2 '2 (3) (4) Chia hai (4) (3), ta được: v1'  v2  v2' Thế giá trị v’1 vào (3), ta rút được: - v2'  m2  m1 v2 m2  m1 v1'  2m2 v2 m2  m1 Nếu hịn bi chuyển động có khối lượng lớn so với bi đứng yên, m2 >> m1, thì: v’2  v2 v’1  2v2 Hịn bi chuyển động giữ vận tốc gần cũ, đẩy mạnh hịn bi đứng n phía trước với vận tốc gần gấp đơi vận tốc cũ - Nếu hịn bi chuyển động có khối lượng lớn so với bi đứng yên, m2