Bài giảng vật lý ứng dụng cơ bản

BÀI GIẢNG VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG (VẬT LÝ ỨNG DỤNG CƠ BẢN) CHỦ ĐỀ 1: VẬT LÝ VÀ ĐO LƯỜNG MỞ ĐẦU Cũng khoa học khác, vật lý khoa học dựa quan sát thực nghiệm Ccác phép đo định lượng Mục tiêu vật lý xác định số lượng có hạn định luật chi phối tượng tự nhiên sử dụng chúng để phát triển lý thuyết dự đốn kết thí nghiệm tương lai Các định luật diễn đạt ngơn ngữ tốn học, công cụ để để gắn kết lý thuyết với thực nghiệm Mỗi có khơng qn tiên đoán lý thuyết kết thực nghiệm cần phải đưa lý thuyết chỉnh sửa lý thuyết có để loại bỏ khơng qn Nếu lý thuyết thỏa mãn điều kiện định lý thuyết tổng quát thỏa mãn mà khơng cần điều kiện Ví dụ định luật chuyển động Newton (1642-1727) khám phá mơ tả xác chuyển động vật có tốc độ bình thường lại khơng áp dụng cho vật chuyển động với tốc độ tương đương với tốc độ ánh sáng Ngược lại, thuyết tương đối hẹp Einstein (1879-1955) cho kết giống với định luật Newton tốc độ nhỏ mơ tả xác chuyển động vật có tốc độ gần tốc độ ánh sáng Do đó, thuyết tương đối hẹp Einstein thuyết chuyển động tổng quát so với thuyết xây dựng từ định luật Newton Vật lý học cổ điển bao gồm nguyên lý học cổ điển, nhiệt động lực học, quang học điện từ học phát triển trước năm 1900 Newton người có đóng góp quan trọng cho vật lý học cổ điển, ông người khai sinh phép tính vi tích phân cơng cụ tốn học Các phát triển chủ yếu học tiếp diễn kỷ 18, ngành nhiệt động lực học điện từ phải đến nửa sau kỷ 19 phát triển Nguyên nhân chủ yếu thiết bị thí nghiệm thời q thơ sơ thiếu thốn Cuộc cách mạng lớn vật lý, có liên quan với vật lý đại, bắt đầu vào gần cuối kỷ 19 Vật lý đại phát triển vật lý cổ điển khơng thể giải thích nhiều tượng vật lý Hai phát triển quan trọng kỷ nguyên đại thuyết tương đối học lượng tử Thuyết tương đối hẹp Einstein mơ tả xác chuyển động vật có tốc độ tươndg đương với tốc độ ánh sáng mà hiệu chỉnh cách trọn vẹn khái niệm truyền thống không gian, thời gian lượng Lý thuyết tốc độ ánh sáng giới hạn tốc độ vật khối lượng lượng có liên hệ với Cơ học lượng tử hình thành nhiều nhà khoa học khác nhau, mô tả tượng vật lý cấp độ nguyên tử Nhiều thiết bị thực tiễn chế tạo dựa vào nguyên lý học lượng tử Các nhà khoa học làm việc không ngừng để cải thiện hiểu biết định luật Nhiều tiến công nghệ tàu vũ trụ không người lái, hàng loạt ứng dụng tiềm công nghệ na nô, vi mạch máy tính siêu tốc, kỹ thuật chụp ảnh tinh xảo dùng nghiên cứu khoa học y khoa nhiều kết đáng kể kỹ thuật gien kết nỗ lực nhiều nhà khoa học, kỹ sư, nhà kỹ thuật Ảnh hưởng phát triển khám phá đến xã hội thực to lớn chắn khám phá phát triển tương lai đầy hứng thú, thách thức mang lại nhiều lợi ích cho nhân loại 1.1 CÁC CHUẨN ĐỘ DÀY, KHỐI LƯỢNG VÀ THỜI GIAN Để mô tả tượng vật lý, ta cần phải đo lường nhiều khía cạnh khác tự nhiên Mỗi phép đo tương ứng với đại lượng vật lý, ví dụ chiều dài vật Các định luật vật lý diễn đạt mối quan hệ toán học đại lượng vật lý Trong học, ba đại lượng chiều dài, khối lượng thời gian Mọi đại lượng khác học biểu diễn thơng qua ba đại lượng Do quốc gia khác sử dụng chuẩn khác nên cần phải có chuẩn chung cho đại lượng Cái chọn làm chuẩn phải: • • • • có sẵn; có vài thuộc tính đo lường cách tin cậy; phải cho kết đo nơi nào; không thay đổi theo thời gian Vào năm 1960, ủy ban quốc tế đưa chuẩn cho đại lượng khoa học Nó gọi SI (Système International d’unités - Hệ đơn vị quốc tế) Bảng đại lượng đơn vị tương ứng Đại lượng Đơn vị SI Độ dài mét (m), Khối lượng ki-lô-gam (kg) Thời gian Giây (s) Nhiệt độ Kelvin (K) Cường độ dòng điện Ampère (A) Cường độ sáng Candela - Cd Lượng chất mole (mol) Các đại lượng dùng học chiều dài, khối lượng thời gian Các đại lượng lại biểu diễn qua đại lượng 1.1.1 Chuẩn độ dài, khối lượng thời gian a) Chuẩn độ dài Chiều dài xác định khoảng cách hai điểm không gian Năm 1799, mét chọn làm đơn vị đo hợp pháp chiều dài Pháp, mét định nghĩa 1/10.000.000 chiều dài đoạn kinh tuyến qua Paris, tính từ xích đạo lên cực bắc Trái đất Cần lưu ý giá trị khơng thỏa mãn u cầu sử dụng toàn vũ trụ Năm 1960, mét định nghĩa khoảng cách hai vạch platinumiridium đặc biệt lưu trữ Pháp điều kiện kiểm soát Trong năm 1960 1970, mét định nghĩa 1.650.763,73 lần bước sóng ánh sáng đỏ - cam phát từ đèn khí kripton-86 Năm 1983, mét định nghĩa quãng đường mà ánh sáng chân không khoảng thời gian 1/299.792.458 s Trong thực tế, định nghĩa thiết lập tốc độ ánh sáng chân khơng xác 299.792.458 m/s Định nghĩa hợp lệ toàn vũ trụ dựa giả thiết ánh sáng khắp nơi Bảng 1.1 Bảng liệt kê giá trị ước lượng số chiều dài đo đạc Bảng 1.1: Ước lượng giá trị số đo vài độ dài (m) Khoảng cách Độ dài (m) Khoảng cách từ Trái đất đến chuẩn tinh xa biết đến 1,4x 1026 Khoảng cách từ Trái đất đến thiên hà xa x 1025 Khoảng cách từ Trái đất đến thiên hà lớn gần (Andromeda) x 1022 Khoảng cách từ Mặt trời đến gần (Proxima Centauri) x 1016 Một năm ánh sáng 9,46 x 1015 Bán kính quĩ đạo trung bình Trái đất quanh Mặt trời 1,50 x 1011 Khoảng cách trung bình từ Trái đất đến Mặt trăng 3,84 x 108 Khoảng cách từ xích đạo đến Bắc cực 1,0 x 107 Bán kính trung bình Trái đất 6,37 x 106 Độ cao điển hình (tính từ bề mặt) vệ tinh bay quanh Trái đất x 105 Chiều dài sân bóng đá 9,1 x 101 Chiều dài ruồi nhà x 10-3 Kích thước hạt bụi nhỏ ~ 10-4 Kích thước tế bào hầu hết quan sống ~ 10-5 Đường kính nguyên tử hidro ~ 10-10 Đường kính hạt nhân nguyên tử ~ 10-14 Đường kính proton ~ 10-15 b) Chuẩn khối lượng Đơn vị khối lượng SI ki-lô-gram (kg), định nghĩa khối lượng khối platinum-iridium hình trụ đặc biệt lưu trữ văn phòng quốc tế khối lượng đo lường Sèvres, Pháp Chuẩn khối lượng đưa vào năm 1887 từ đến chưa thay đổi, platinum-iridium hợp kim đặc biệt bền Một khối trụ giữ Viện quốc tế tiêu chuẩn công nghệ (NIST) Gaithersburd, Maryland Bảng 1.2 liệt kê giá trị gần khối lượng vật thể khác Bảng 1.2: Ước lượng khối lượng vật thể khác Vật thể Khối lượng (kg) Phần vũ trụ quan sát 1052 Dải Ngân hà 1042 Mặt trời 1,99 x 1030 Trái đất 5,98 x 1024 Mặt trăng 7,36 x 1022 Cá mập ~ 103 Con người ~ 102 Con ếch ~ 10-1 Con muỗi ~ 10-5 Vi khuẩn ~ 10-15 Nguyên tử hidro 1,67 X 10-27 Điện tử 9,11 X 10-31 c) Chuẩn thời gian Vào năm 1967, giây định nghĩa lại xuất dụng cụ đo thời gian với độ xác cao - đồng hồ nguyên tử, đồng hồ đo dao động nguyên tử Cesium (Cs) Theo đó, giây 9.192.631.770 chu kỳ dao động nguyên tử Cs133 Bảng 1.3 trình bày sơ giá trị gân thời gian Khoảng thời gian (s) Tuổi Vũ trụ x 1017 Tuổi Trái đất 1,3 x 1017 Tuổi trung bình sinh viên đại học 6,3 x 108 Một năm 3,2 x 107 Một ngày 8,6 x 104 Một học 3,0 x 103 Thời gian hai nhịp tim bình thường 8x1021 Chu kỳ sóng âm (mà tai nghe được) ~ 10-23 Chu kỳ điển hình sóng vơ tuyến ~ 10-26 Chu kỳ dao động nguyên tử chất rắn ~ 10-13 Chu kỳ ánh sáng khả kiến ~ 10-15 Thời gian va chạm hai hạt nhân ~ 10-22 Thời gian để ánh sáng qua proton ~10-24 Ngoài đơn vị mét, kg s nói trên, ta dùng đơn vị khác mm (mili-mét), ns (nano giây), với mili nano tiếp đầu ngữ bội số 10 Các tiếp đầu ngữ: Các tiếp đầu ngữ (tiền tố) ghép vào trước đơn vị đo để biểu diễn bội số 10 Mỗi tiếp đầu ngữ có tên cách viết tắt riêng Có thể ghép tiếp đầu ngữ với đơn vị Nó hệ số nhân thêm vào đơn vị Đại lượng đại lượng phái sinh: Độ dài, khối lượng thời gian ví dụ cho đại lượng Hầu hết đại lượng lại đại lượng phái sinh, tức biểu diễn dạng tổ hợp toán học đại lượng Ví dụ thường gặp diện tích (tích hai chiều dài) tốc độ (tỉ số độ dài khoảng thời gian) Tính hợp lý kết quả: Khi giải tập, bạn cần phải kiểm tra câu trả lời xem chúng có hợp lý không Việc xem lại bảng giá trị gần độ dài, khối lượng thời gian giúp bạn kiểm tra tính hợp lý Bảng 1.4: Các tiếp đầu ngữ cho bội/ước số 10 Lũy thừa Tiếp đầu Viết tắt Lũy thừa Tiếp đầu ngữ Viết tắt 10 ngữ 10 10-22 yocto y 103 kilo k 10-21 zepto z 106 mega M 10-18 atto a 109 giga G 10-15 femto f 1012 tera T 10-12 pico p 1015 peta P 10-9 nano n 1018 -6 exa E 21 10 micro p 10 zetta Z 10-3 milli m 1024 yotta Y 10-2 centi c -1 deci d 10 1.1.2 Thứ nguyên, đơn vị độ xác a) Thứ nguyên Thứ nguyên đại lượng tính chất vật lí mà đại lượng mơ tả Ví dụ, thứ ngun đại lượng chuẩn thời gian [T], độ dài [L], khối lượng [M] Thứ nguyên đại lượng dẫn xuất tổ hợp đại lượng co Chẳng hạn thứ nguyên vận tốc độ dài chia cho thòi gian : [v]=L/T Còn thứ ngun diện tích độ dài bình phưong : [S]=L2 Có phưong pháp gọi phân tích thứ nguyên, dùng để phát sai sót phương trình Phép phân tích thứ ngun dựa sở đại lượng thứ ngun Ví dụ, chiều dài khối lượng Không thể cộng trừ đại lượng có thứ nguyên khác Các quy tắc việc phân tích thứ nguyên : - Gán thứ ngun cho kí hiệu phương trình, phù hợp với tính chất vật lí b) Đơn vị Đơn vị thang đo thứ nguyên Ví dụ, đơn vị độ dài mét, fút (foot) dặm (mile) Do nhiều hệ đơn vị khác sử dụng, nên cần phải biết cách chuyển từ hệ đơn vị sang hệ đơn vị khác Ví dụ, cần chuyển số giây thành phút, thành giờ, chuyển sô' inch thành xentimét mét Để làm việc này, dùng phương pháp gọi chuyển đổi liên hoàn Theo phương pháp này, ta viết thừa sô chuyên đổi thương có giá trị 1, có nghĩa tử sô' (theo đơn vị) mẫu sô' (theo đơn vị khác) Ví dụ : phút 60 giây khoảng thời gian nên viết : 1phút = 60 giây (60s) kilômét 1000 mét khoảng cách nhau, nên viết : 1kilơmét =1000 mét (103m) c) Độ xác chữ sơ có nghĩa Độ xác giá trị đo đại lượng vật lí phản ánh số chữ số có nghĩa dùng để thơng báo giá trị Ví dụ : Số 85,2 có ba chữ số có nghĩa, số 6,5 có hai chữ số có nghĩa Các số (số "không") đứng đầu số, không xem số có nghĩa ; ví dụ số 0,065 có hai chữ số có nghĩa Số đứng sau số có nghĩa đứng bên phải dấu thập phân, ví dụ số 6,30 có ba chữ số có nghĩa Nhưng số đứng sau mà nằm bên trái dấu thập phân có xem chữ số có nghĩa hay khơng ? Ví dụ, số 6900 có hai, ba hay bốn chữ số có nghĩa ? Trong trường hợp này, phải định rõ số chữ số có nghĩa ta trả lời Định nghĩa chữ số có nghĩa sau : Một chữ sỏ có nghĩa sơ số, trừ sơ đứng đầu khơng có nghĩa ; cịn sơ đứng sau có nghĩa chúng định rõ Chữ số có nghĩa số chữ số có nghĩa xa bên phải Trong sơ 8,67 số chữ số có nghĩa Số số có nghĩa phản ánh độ xác đại lượng Ví dụ, độ dài theo ý nghĩa cổ điển xem chia nhỏ đến vơ hạn, xác định độ dài "chính xác" địi hỏi số vơ hạn số có nghĩa, nhiên thực tế phép đo độ dài xác đến mức độ Các giá trị đo thường dùng để tính đại lượng khác, chẳng hạn tính chu vi đường trịn lừ phép đo bán kính theo công thức c = 2nr Giá trị n xác định tới nhiều số có nghĩa, ví dụ đến số có nghĩa 71 = 3,141593, đo bán kính r = l,60cm tính c ta có : c = 10,053098 (bằng cách bấm máy tính) Xử lí giá trị nào, máy tính ln xem chữ số có nghĩa ? Ta thấy chu vi vòng tròn có thê có độ xác bán kính, trường hợp này, độ xác có ba chữ số có nghĩa, giá trị c= 10,1 Ta thấy sơ cuối đa quy trịn lên Các quy tắc dùng sách để quy trịn giá trị có chữ số có nghĩa sau : + Quy tròn : Nếu chữ số bén phải chữ số có nghĩa kết cuối nhỏ giá trị quy trịn xuống, ví dụ để có hai chữ sơ có nghĩa số 7,53 quy tròn 7,5 Nếu chữ số bên phải chữ số có nghĩa kết cuối lớn giá trị quy trịn lên Ví dụ, để có hai chữ số có nghĩa sơ' 8,57 quy trịn 8.6 + Phép nhân phép chia : Kết phép nhân phép chia phải có số chữ số có nghĩa số xác phép tính ** Phân tích thứ nguyên (phần đọc thêm) Trong vật lý, từ “thứ nguyên'” dùng để chất vật lý đại lượng Ví dụ, khoảng cách hai điểm đo feet1, mét hay fulong2, tất cách khác để biểu thị thứ nguyên độ dài Trong này, dùng ký hiệu cho thứ nguyên độ dài, khối lượng thời gian tương ứng L, M T Chúng thường dùng cặp dấu ngoặc [ ] để biểu thị thứ nguyên đại lượng Ví dụ, v dùng để tốc độ, thứ nguyên tốc độ biểu thị [v]=L/T Với diện tích (ký hiệu A) ta có [A]=L2 Bảng 1.5 giới thiệu thứ nguyên số đại lượng Đại lượng Bảng 1.5: Các thứ nguyên đơn vị đại lượng biết Diện tích (A ) Thể tích ( V ) Tốc độ ( v ) Gia tốc ( a ) Thứ nguyên L2 L3 L/T L / T2 Đơn vị SI m2 m3 m/s m / s2 Đơn vị hệ đo ft2 ft3 ft / s ft / s2 lường Mỹ Trong nhiều trường hợp, bạn phải kiểm tra phương trình cụ thể để xem có phù hợp với dự tính bạn hay khơng Để làm điều đó, bạn sử dụng thủ thuật hữu ích, phân tích thứ ngun, thứ ngun xem đại lượng đại số Cần lưu ý: • • Chỉ cộng trừ đại lượng với chúng có thứ nguyên Vế trái vế phải đẳng thức (bất đẳng thức) cần phải có thứ nguyên Tuân theo quy tắc này, ta sử dụng phép phân tích thứ nguyên để kiểm tra tính đắn biểu thức Một quan hệ thứ nguyên hai vế phương trình giống Để minh họa cho thủ thuật này, giả thiết bạn quan tâm đến phương trình vị trí x xe thời gian t xe khởi hành từ trạng thái đứng yên vị trí x chuyển động với gia tốc không đổi a Biểu thức cho trường hợp x= at2 Đại lượng x vế trái có thứ nguyên L Để cho phương trình thứ nguyên vế bên phải phương trình phải có thứ nguyên L Ta tiến hành kiểm tra thứ nguyên cách thay thứ nguyên Feet: đơn vị đo chiều dài Anh, 0,3048m Fulong: đơn vị đo chiều dài, 1/8 dặm Anh, tức khoảng 201m Thứ nguyên đại lượng viết chữ viết hoa, thẳng; ký hiệu đại số cho đại lượng ký hiệu chữ in nghiêng: L cho độ dài t cho thời gian cho gia tốc L/T2, thời gian T vào phương trình Ta được: x at L  L  T2  L T Các thứ nguyên thời gian khử nên lại thứ nguyên độ dài Hai vế trái phải khớp với Phép phân tích thứ nguyên có hạn chế khơng kiểm tra hệ số số công thức Các ký hiệu dùng công thức không thiết phải ký hiệu dùng cho thứ nguyên đại lượng vật lý Một số ký hiệu dùng thường xuyên (ví dụ t) Một đại lượng biểu diễn nhiều ký hiệu (ví dụ tọa độ, dùng x, y z), tùy theo trường hợp sử dụng **Các chữ số có nghĩa Khi đo đại lượng đó, giá trị đo được biết đến giới hạn sai số thực nghiệm Giá trị sai số phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác • • Các sai số dụng cụ đo, kỹ người làm thí nghiệm và/hoặc số lượng phép đo thực Ta cần có kỹ thuật để tính đến sai số Ta dụng qui tắc chữ số có nghĩa để ước lượng sai số kết phép tính Số chữ số có nghĩa phép đo mơ tả nhiều sai số Nó có liên quan với số chữ số ghi kết phép đo Ví dụ ta cần đo bán kính đĩa CD thước mét Giả sử độ xác mà ta đạt ± 0,1 cm Nếu ta đo 6,0 cm ta nói bán kính đĩa nằm khoảng 5,9 cm đến 6,1 cm Trong trường hợp này, giá trị đo 6,0 cm có chữ số có nghĩa Lưu ý chữ số ước lượng tính chữ số có nghĩa Vì ta viết giá trị bán kính đĩa (6,0 ± 0,1) cm Chữ số có nghĩa chữ số đáng tin Số khơng (0) có nghĩa khơng có nghĩa • Số dùng để xác định vị trí dấu thập phân khơng có nghĩa Ví dụ số số 0,03 0,007 khơng có nghĩa Số chữ số có nghĩa hai giá trị Tuy nhiên, số 10,0 lại có chữ số có nghĩa • Nếu số nằm sau chữ số khác bị nhầm lẫn Ví dụ khối lượng vật ghi 500 g chữ số có phải số có nghĩa hay khơng Để đỡ nhầm lẫn phải dùng dạng số khoa học Trong trường hợp này, ghi 1,5 x 103 có chữ số có nghĩa Nếu ghi 1,50 x103 có chữ số có nghĩa ghi 1,500 x 103 có chữ số có nghĩa Các giá trị nhỏ xem xét với qui tắc tương tự: 2,3 x 10-4 (hoặc 0,000 23) có chữ số có nghĩa, 2,30 x104 (hoặc 0,000 230) có chữ số có nghĩa Khi giải tập, ta thường kết hợp đại lượng với phép toán nhân, chia, cộng, trừ Khi làm cần phải bảo đảm kết có số chữ số có nghĩa thích hợp • Khi nhân chia đại lượng, số chữ số có nghĩa kết số chữ số có nghĩa nhỏ giá trị tham gia vào phép tính Tính diện tích hình chữ nhật có cạnh 25,57 m 2,45 m, ta có: 25,57 m x 2,45 m = 62,6 m2 số chữ số có nghĩa hai thừa số nên lấy số chữ số có nghĩa cho kết phép nhân Tính diện tích hình trịn bán kính 6,0 cm: A = nr2 = n(6,0 cm)2 = 1,1 x102 cm2 Nếu dùng máy tính bạn thu kết 113,097 335 Tất nhiên ghi hết chữ số nên bạn ghi kết 113 cm2 Kết khơng có đến chữ số có nghĩa bán kính hình trịn có chữ số có nghĩa Vì vậy, kết phải ghi 1,1 X102 cm2 (chứ 110 cm2) • Nếu cộng trừ số kết lấy số chữ số thập phân nhỏ số hạng phép tính Ví dụ: Tổng 135 cm 3,25 cm là: 135 cm + 3,25 cm = 138 cm (do số 135 cm khơng có số thập phân nào) Tương tự vậy, ta có: 23,2 + 5,174 = 28,4 (Lưu ý khơng thể ghi kết 28,374 số 23,2 có chữ số thập phân) Qui tắc cộng trừ dẫn đến trường hợp mà số chữ số có nghĩa kết khơng giống với số chữ số có nghĩa số hạng phép tính Xét phép tính đây: 1,000 + 0,000 = 1,000 1,002 - 0,998 = 0,004 Ở phép tính thứ nhất, số chữ số có nghĩa kết 5, số chữ số có nghĩa số hạng Ở phép tính thứ 2, số chữ số có nghĩa kết 1, số chữ số có nghĩa số hạng Lưu ý: Trong sách này, ví dụ số toán cuối chương dùng số với chữ số có nghĩa Qui tắc làm trịn số: • Chữ số cuối giữ lại tăng lên đơn vị chữ số cuối bị bỏ lớn (Ví dụ, 1,346 làm trịn thành 1,35) • Giữ ngun chữ số cuối giữ lại chữ số cuối bị bỏ nhỏ (Ví dụ, 1,342 làm trịn thành 1,34) • Nếu chữ số cuối bỏ chữ số giữ lại làm tròn thành số chẵn gần nhất.4 (Qui tắc đưa để tránh sai số tích lũy loạt phép tính số học liên tiếp) • Khi làm tốn, có nhiều phép tính trung gian để tránh cộng dồn sai số, ta làm trịn phép tính cuối Bài tập mẫu 0.5: Người ta trải thảm phịng hình chữ nhật có số đo chiều dài 12,71 m chiều rộng 3,56 m Hãy tìm diện tích phòng Giải: Nếu nhân 12,71 m với 3,46 m máy tính bỏ túi ta kết 43,9766 m2 Ta chấp nhận chữ số kết Áp dụng qui tắc số chữ số có nghĩa số có chữ số có nghĩa 3,46 m Vì ta phải biểu diễn kết 44,0 m2 Qui tắc dựa lập luận q trình tính tốn 50% số làm tròn lên 50% lại làm tròn xuống Theo qui tắc này, bỏ chữ số cuối 2,315 2,325 làm tròn thành 2,32 b) Định lý biến thiên lượng Thực nghiệm chứng tỏ độ biến thiên lượng hệ công mà hệ trao đổi W2  W1  A1,2 W2 : lượng trạng thái W1 : lượng trạng thái (3.9) A: Công (năng lượng) mà hệ trao đổi * ND định lý biến thiên lượng: Độ biến thiên lượng hệ q trình có giá trị cơng trao đổi với bên ngồi c) Định luật bảo toàn lượng Thực nghiệm chứng tỏ hệ không trao đổi công (năng lượng) với bên ngồi (hệ gọi hệ kín) lượng hệ bảo toàn ND Định luật bảo toàn lượng phát biểu sau: Trong hệ kín, lượng khơng tự sinh ra, khơng tự mà chuyển từ vật sang vật khác, từ dạng sang dạng khác Có thể phát biểu theo cách khác: Trong hệ kín, lượng hệ bảo toàn Phân biệt lượng công: - Với trạng thái định vật có lượng định Như lượng hàm trạng thái - Công đặc trưng cho biến đổi lựợng vật Lượng công trao đổi tương ứng với trình cụ thể Vậy cơng hàm q trình biến đổi trạng thái Thí dụ: Một vật rơi độ cao h =240 m với vận tốc ban đầu v1 =14 m/s Vật sâu vào đất đoạn s = 0,2 m Tính lực cản trung bình đất tác dụng vào vật Cho khối lượng vật m =1 kg, ma sát khơng khí khơng đáng kể, gia tốc trọng trường g =10 m/s2 Giải Gọi vận tốc vật lúc chạm đất V2 Theo định luật bảo toàn W1 =W2  mv12 mv  mgh1   mgh2 2 Khi chạm đất vật mv12 mv  mgh1  2 Khi vật xuyên vào đất dừng lại V3  Theo định luật biến thiên động Wd  Wd  A23 với Wd  nên A23   W2  ( mv12  mgh1 ) Khi vật xuyên vào đất lực tác dụng vào vật gồm có trọng lượng P lực cản F đó: A23  ( P  F )S  mgS  FS  mgS  FS    FS  mv12  mgh1 mv12  mgh1  mgS  F  12500 N BÀI ĐỌC THÊM Năng lượng tái tạo gì? Chúng gồm có dạng nào? Gió mặt trời tạo cách mạng lượng vô mạnh mẽ Bài viết hôm nay, chia sẻ với bạn điều cần biết lượng tái tạo cách để bạn góp phần bảo vệ mơi trường, chống lại biến đổi khí hậu nhà Năng lượng tái tạo bùng nổ nước phát triển nước phát triển, mà công nghệ liên tục đời giúp giảm chi phí sản xuất đáng kể hiệu ngày tăng, hứa hẹn tương lai lượng Tại Hoa Kỳ, sản lượng điện mặt trời điện gió dồi tích hợp vào lưới điện quốc gia với độ ổn định độ tin cậy cao Điều có nghĩa lượng tái tạo thay hoàn tồn nhiên liệu hóa thạch xem lượng “bẩn” ngành điện, mang lại lợi ích cực cao việc giảm thiểu lượng khí CO2 loại ô nhiễm khác Những tất loại coi lượng “tái tạo” có lợi cho mơi trường Năng lượng từ sinh khối thủy điện địi hỏi phải có quy mơ lớn để xây dựng hệ thống lượng phải đánh đổi việc tác động tiêu cực đến loài động vật hoang dã, biến đổi khí hậu vài vấn đề khác Dưới đây, bạn nên biết nguồn lượng tái tạo khác cách bạn ứng dụng cơng nghệ ngơi nhà Năng lượng tái tạo (renewable energy) gì? Năng lượng tái tạo, hay cịn thường gọi lượng sạch, tạo từ nguồn thiên nhiên quy trình tự nhiên hình thành liên tục Chẳng hạn ánh sáng mặt trời, gió thổi ln xuất liên tục ngày Mặc dù lượng tái tạo thường coi công nghệ thực tế người sử dụng nguồn lượng tự nhiên từ lâu, chẳng hạn phơi khơ quần áo (nắng gió), thuyền buồm (lợi dụng sức gió), thiết kế giếng trời cho ngơi nhà (ánh sáng mặt trời)… Nhưng 500 năm qua, người chuyển sang sử dụng nguồn lượng rẻ hơn, hiệu nhanh lại vô “bẩn” tái tạo than đá khí đốt Bây có cách thức để cải tiến đổi cơng cụ tận dụng lượng mặt trời gió, cơng cụ dần tốn việc sản xuất vận hành, lượng tái tạo trở thành nguồn lượng quan trọng hứa hẹn tương lai Năng lượng tái tạo dần mở rộng cách nhanh chống quy mô lớn nhỏ; từ nhà máy điện mặt trời, điện gió hệ thống điện lượng mặt trời nhỏ phục vụ cho nhà dân Thậm chí nước phát triển xuất hệ thống điện mặt trời cộng đồng xây dựng hợp tác xã nông nghiệp để phục vụ cho nhu cầu điện họ Khi việc sử dụng nguồn tái tạo liên tục phát triển, mục tiêu người đứng đầu đại hóa để tích hợp điện tái tạo với lưới điện cách hiệu tất khu vực Năng lượng tái tạo gì? Năng lượng khơng thể tái tạo hay gọi lượng “bẩn”, tạo từ nhiên liệu hóa thạch dầu, khí đốt than đá Các nguồn lượng tái tạo có sẵn với lượng định biến dần theo thời gian Các nguồn lượng tái tạo thường phân bố không đồng khu vực toàn giới, có số vùng dồi có vùng bị khan Tuy nhiên, quốc gia giới tiếp cận với nắng gió Việc ưu tiên lượng tái tạo giúp số quốc gia giảm phụ thuộc vào nước phân phối giàu nhiên liệu hóa thạch Rất nhiều nguồn lượng khơng tái tạo gây nguy hiểm cho mơi trường sức khỏ người Ví dụ, việc khoan dầu địi hỏi phải phá rừng, cơng nghệ kết hợp thủy lực cắt phá gây động đất ô nhiễm nước nhà máy điện than làm nhiễm mùi khơng khí Tóm lại, tất hoạt động góp phần lớn vào nóng lên tồn cầu Các dạng lượng tạo điện Có nhiều dạng lượng tạo điện Trái đất viết này, đề cập đến nguồn lượng hay nói cách khác nguồn lượng tái tạo Phần lớn dạng lượng phục hồi, cách hay cách khác phụ thuộc vào ánh sáng mặt trời Năng lượng từ gió lượng thủy điện kết trực tiếp chênh lệch nhiệt độ nóng lên bề mặt Trái đất, dẫn đến khơng khí chuyển động (gió) lượng mưa hình thành bầu khơng khí nâng lên (liên quan đến thủy điện) Năng lượng mặt trời chuyển đổi trực tiếp từ ánh sáng sang điện hiệu ứng quang điện (thông qua pin lượng mặt trời) Năng lượng sinh khối lưu trữ ánh sáng mặt trời chứa thực vật Các dạng lượng tái sinh khác không phụ thuộc vào ánh sáng mặt trời lượng địa nhiệt, kết phân rã phóng xạ từ khống vật lớp vỏ Trái đất kết hợp với với nhiệt tâm Trái đất, lượng thủy triều chuyển đổi lượng hấp dẫn Năng lượng mặt trời Con người biết cách ứng dụng lượng mặt trời hàng ngàn năm qua để trồng trọt, sưởi ấm làm khơ thức ăn Theo Phịng thí nghiệm lượng tái tạo quốc gia Hoa Kỳ (NREL) chiếu sáng Mặt trời xuống Trái đất, tất nguồn lượng đủ để giới sử dụng năm Ngày nay, sử dụng ánh nắng mặt trời theo nhiều cách sưởi ấm ngơi nhà, làm nóng nước, tạo điện cung cấp cho thiết bị điện – điện tử… Tế bào quang điện (solar cell) chủ yếu làm từ silicon vật liệu khác có khả biến đổi ánh sáng mặt trời trực tiếp thành điện Hệ thống lượng mặt trời ngày ứng dụng trực tiếp với quy mô lớn nhỏ khác mái nhà dân, doanh nghiệp cộng đồng hợp tác xã Các hệ thống giúp tạo nguồn điện dồi không ảnh hưởng mặt sinh thái Năng lượng mặt trời cung cấp 1% sản lượng điện Hoa Kỳ, chiếm gần phần ba công suất phát “điện mới”, đứng sau khí đốt tự nhiên (số liệu 2017) Hệ thống phát điện pin lượng mặt trời không sản sinh chất gây ô nhiễm không khí đặc biệt khơng tạo CO2 (gây hiệu ứng nhà kính), miễn chúng lắp đặt cách hầu hết pin lượng mặt trời tác động đến mơi trường Năng lượng từ gió Sự chuyển động khí thúc đẩy chênh lệch nhiệt độ bề mặt Trái đất, lượng nhiệt từ xạ mặt trời chiếu lên bề mặt Trái đất thay đổi liên tục Năng lượng gió sử dụng để ứng cho hệ thống bơm nước tạo điện, cơng nghệ địi hỏi phải có khơng gian rộng để tạo lượng lượng đáng kể Ngày nay, tuabin gió xây dựng cao (bằng với tịa nhà chọc trời), với đường kính cánh gió lớn Nhưng công cụ giúp sản xuất lượng điện tương đối lớn dựa vào sức gió thổi Năng lượng từ gió biết đến nguồn lượng rẻ vài quốc gia giới Có thể kể đến tiểu bang California, Texas, Oklahoma, Kansas Iowa Hoa Kỳ sở hữu khu vực có tốc độ gió cao giúp sản xuất lượng điện gió dồi Thủy điện Thủy điện nguồn lượng tái tạo dẫn đầu hầu hết quốc gia, với nhà máy thủy điện quy mô lớn Thủy điện phụ thuộc vào nước – thường dòng nước chảy với tốc độ nhanh sông nước chảy nhanh từ cao xuống thác, tận dụng sức nước để thiết lập tuabin máy phát điện Tuy nhiên, giới nhiều nhà máy thủy điện lớn hay đập thủy điện siêu lớn không xem nguồn lượng tái tạo Bởi đập làm chuyển hướng giảm dòng chảy tự nhiên, làm ảnh hưởng đến quần thể động vật người sinh sống quanh dịng sơng Các nhà máy thủy điện nhỏ (công suất lắp đặt 40 MW) quản lý cẩn thận khơng có xu hướng tác động đến mơi trường chúng chuyển hướng phần dịng nước chảy Năng lượng sinh khối Sinh khối vật liệu hữu có nguồn gốc từ động thực vật bao gồm trồng, gỗ thải cối Khi sinh khối bị đốt cháy, lượng giải phóng dạng nhiệt tạo điện tuabin nước Sinh khối thường bị nhầm lẫn nhiên liệu sạch, tái tạo nguồn thay xanh cho nhiên liệu hóa thạch khác việc sản xuất điện Tuy nhiên, khoa học gần cho thấy nhiều dạng sinh khối – đặc biệt từ rừng lại tạo lượng khí thải CO2 cao nhiêu liệu hóa thạch Cũng có hậu tiêu cực đa dạng sinh học Tuy nhiên, số dạng lượng sinh khối có lượng thải CO2 thấp lựa chọn số trường hợp Ví dụ, mùn cưa phoi từ xưởng cưa nhanh chóng phân hủy giải phóng carbon với lượng thấp  Tìm hiểu: cách giảm thiểu khí thải CO2 hiệu Nhiên liệu hydrogen pin nhiên liệu hydro Đây cũng nguồn lượng tái tạo hoàn toàn dồi nhiễm mơi trường sử dụng Hydrogen đốt làm nhiên liệu, điển hình xe chạy nước Ứng dụng nhiên liệu đốt (sạch) giảm đáng kể nhiễm thành phố Hydrogen cịn sử dụng pin nhiên liệu hyrdo, tương tự pin lưu trữ để cung cấp lượng cho động điện Trong hai trường hợp sản xuất quan trọng hydrogen đòi hỏi động nhiệt có sức mạnh lớn, nên “được này, khác” nhà máy sản xuất động chạy nước xả khí thải nhiều Ngày nay, có số phương pháp đầy hứa hẹn để sản xuất khí hydro chẳng hạn lượng mặt trời, hy vọng vào tranh tích cực tương lai gần Năng lượng địa nhiệt Năng lượng địa nhiệt lượng tách từ nhiệt tâm Trái Đất Nguồn lượng xuất phát từ hình thành ban đầu hành tinh, từ trình phân rã phóng xạ khống vật, từ lượng mặt trời hấp thụ bề mặt Trái Đất Ở số khu vực định, độ dốc địa nhiệt (tăng dần nhiệt độ theo độ sâu) đủ cao để khai thác tạo điện Cơng nghệ để khai thác lượng cịn bị giới hạn mộ vài địa điểm Trái đất tồn nhiều vấn đề kỹ thuật làm hạn chế tiện ích Một dạng lượng địa nhiệt khác lượng Trái đất, kết qủa việc lưu trữ nhiệt bề mặt Trái đất Dạng lượng dùng để trì nhiệt độ thoải mái tịa nhà, khơng thể sử dụng để sản xuất điện Các dạng lượng tái tạo khác Năng lượng từ thủy triều, đại dương phản ứng tổng hợp hydro nóng dạng khác sử dụng để tạo điện Những dạng lượng tái sinh có nhược điểm đáng kể nhà khoa học thảo luận để giải khủng hoảng lượng tới Một quốc gia sử dụng hồn tồn 100% lượng tái tạo hay khơng? Nếu trước bạn có quan niệm người khơng thể sống dựa vào 100% lượng tái tạo, bạn nên suy nghĩ lại điều Một vài quốc gia giới thực dần kế hoạch đầy tham vọng để trở thành đất nước xanh Các quốc gia không tăng tốc việc cài đặt hệ thống/thiết bị sản xuất điện từ nguồn lượng tái tạo mà cịn tích hợp chúng vào sở hạ tầng có họ để đẩy nhanh kế hoạch cửa sổ lượng mặt trời, thiết bị chiếu sáng đèn lượng mặt trời, máy bay chạy điện mặt trời… 2.4 Chuyển động trường hấp dẫn 2.4.1 Định luật vạn vật hấp dẫn Trong sách Các nguyên lí, Newton sử dụng định luật thứ ba chuyển động để dẫn phụ thuộc vào khối lượng lực hấp dãn, đoạn văn sau : "Vì tác dụng lực hướng tâm lên vật bị hút, khoảng cách, tỉ lệ với lượng vật chất có đó, nên hợp lí cho tác dụng lực tỉ lệ với lượng vật chất có vật hút Do tương tác lẫn làm cho vật thể cố gắng (theo định luật III) tiến lại gần nhau, tương tác hai vật Một vật xem vật hút vật vật bị hút, phân biệt có ý nghĩa toán học nhiều tự nhiên Sức hút thực sức hút vật vật vật có chất” Định luật vạn vật hấp dẫn Newton định luật Isaac Newton nhà vật lý vĩ đại mà giới sản sinh khám phá Định luật khẳng định vật vũ trụ hút với lực gọi lực hấp dẫn Và theo đó, lực hấp dẫn hai chất điểm tỉ lệ thuận với tích hai khối lượng chúng tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách chúng Lực hấp dẫn: Mọi vật vũ trụ hút với lực gọi lực hấp dẫn Lực hấp dẫn lực tác dụng từ xa, qua khoảng không gian vật Lực hấp dẫn phổ biến có nhiều ý nghĩa thực tiễn lực hấp dẫn trái đất vật trái đất * Định luật vạn vật hấp dẫn ND: Lực hấp dẫn hai chất điểm tỉ lệ thuận với tích hai khối lượng chúng tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách chúng Biểu thức : Fhd  G m1 m2 r2 Trong hệ thức thì:     Fhd: Lực hấp dẫn (N) m1, m2 khối lượng hai chất điểm r khoảng cách chúng G = 6,67.10-11 Nm2/kg2 gọi hắng số hấp dẫn Đặc điểm lực hấp dẫn Để hiểu lực hấp dẫn, ta tìm hiểu qua phương diện sau:    Là lực hút Điểm đặt: Đặt trọng tâm vật (chất điểm) Giá lực: Là đường thẳng qua tâm vật ♦♦ Chú ý: Định luật vạn vật hấp dẫn khoảng cách hai vật lớn so với kích thước chúng vật đồng chất có dạng hình cầu Thường tốn ln cho thỏa mãn hai điều kiện Trường hợp riêng lực hấp dẫn “trọng lực” Định nghĩa trọng lực: Trọng lực vật lực hấp dẫn Trái đất vật Trọng lực đặt vào trọng tâm vật Khi thả rơi vật có khối lượng m độ cao h so với mặt đất trọng lượng P tác dụng lên vật (lực hấp dẫn Trái đất vật) là: P  Fhd  G mM ( R  h) Lực truyền cho vật m gia tốc rơi tự g g G M  P  mg ( R  h) → Như trình bày phần giới thiệu lực hấp dẫn Trái Đất lên vật xác định lực hấp dẫn có vai trò nhiều Và gọi với tên khác trọng lực Gia tốc rơi tự gì? Từ cơng thức trên, ta suy được: g G M ( R  h) → g gia tốc rơi tự Thường tập, gia tốc rơi tự lấy xỉ 10 Đơi 9.8 m / s^2 Những vật gần Trái Đất Khi độ cao h