Successfully reported this slideshow.
We use your LinkedIn profile and activity data to personalize ads and to show you more relevant ads. You can change your ad preferences anytime.

Bai giang vldc

812 views

Published on

engineering

Published in: Engineering
  • Be the first to comment

  • Be the first to like this

Bai giang vldc

  1. 1. BỘ CÔNG THƯƠNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG CÔNG NGHIỆP TUY HÒA KHOA: GIÁO DỤC ĐẠI CƯƠNG BÀI GIẢNG HỌC PHẦN: VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG DÀNH CHO SINH VIÊN BẬC CAO ĐẲNG KHỐI NGÀNH KỸ THUẬT TUY HÒA, NĂM 2010 1
  2. 2. Chương 1 ĐỘNG HỌC CHẤT ĐIỂM A/ Nội dung 1.1Những khái niệm mở đầu 1.1.1 Chuyển động và hệ qui chiếu Chuyển động của một vật là sự chuyển dời vị trí của vật đó đối với các vật khác trong không gian và thời gian Hệ vật mà ta qui ước là đứng yên dùng làm mốc để xác định vị trí của các vật trong không gian gọi là hệ qui chiếu Hệ qui chiếu = Hệ tọa độ gắn với vật mốc + đồng hồ và gốc thời gian 1.1.2 Chất điểm và hệ chất điểm Chất điểm là một vật có kích thước nhỏ không đáng kể so với những khoảng cách, những kích thước mà ta đang khảo sát Ví dụ: Xét chuyển động của viên đạn trong không khí, ta có thể coi viên đạn là chất điểm Một tập hợp chất điểm được gọi là hệ chất điểm Ví dụ: Khối khí đựng trong một chiếc cốc (m1; m2; m3….mn) là một hệ chất điểm 1.1.3 Phương trình chuyển động của chất điểm Khi chất điểm chuyển động thì tọa độ x của chất điểm biến đổi theo thời gian. Phương trình biểu diễn sự phụ thuộc của tọa độ x vào thời gian t x = f(t) gọi là phương trình chuyển động của chất điểm theo phương x Nếu biết phương trình chuyển động của một vật, ta có thể mô tả đầy đủ chuyển động của vật đó 1.1.4 Quĩ đạo Quĩ đạo của chất điểm chuyển động là đường tạo bởi tập hợp tất cả các vị trí của nó trong không gian, trong suốt quá trình chuyển động 1.1.5 Hoành độ cong Giả thiết chất điểm M chuyển động trên đường cong quĩ đạo (C). Trên (C) ta chọn một điểm A cố định làm gốc và một chiều dương. Khi đó ở mỗi thời điểm t, vị trí của điểm M trên (C) sẽ được xác định bởi độ lớn đại số của cung AM kí hiệu là ¼AM s= , với s gọi là hoành độ cong của M. Khi M chuyển động, s là hàm của thời gian t: s =s(t) 2
  3. 3. 1.2Vận tốc 1.2.1 Định nghĩa vận tốc Vận tốc của chất điểm có giá trị bằng đạo hàm hoành độ cong của chất điểm đối với thời gian Vận tốc đặc trưng cho chiều và độ nhanh chậm của chuyển động chất điểm ( Dấu của v xác định chiều chuyển động: v >0 chất điểm chuyển động theo chiều dương của quĩ đạo; v <0 chất điểm chuyển động theo chiều ngược lại; Giá trị độ lớn đại số của v xác định độ nhanh chậm của chuyển động tại từng thời điểm ) 1.2.2 Vectơ vận tốc Vectơ vận tốc tại một vị trí M trên quĩ đạo là một vectơ có phương nằm trên tiếp tuyến với quĩ đạo tại M, có chiều theo chiều chuyển động và có giá trị bằng trị tuyệt đối của v: ds v dt = ur r 1.2.3 Vectơ vận tốc trong hệ tọa độ Đềcác: Vectơ vận tốc bằng đạo hàm của bán kính vectơ đối với thời gian: ; ; dx vx dt dy v vy dt dz vz dt = = =         r Độ lớn vận tốc được tính theo công thức: 2 2 2 2 2 2 dx dy dz v v v vx y z dt dt dt = + + = + +        ÷  ÷  ÷       r 1.3Gia tốc 1.3.1 Định nghĩa và biểu thức của vectơ gia tốc Vectơ gia tốc trung bình bằng độ biến thiên trung bình của vectơ vận tốc trong một đơn vị thời gian : v atb t ∆ = ∆ ur uur Vectơ gia tốc tức thời bằng đạo hàm của vectơ vận tốc đối với thời gian: dv a dt = ur r Vectơ gia tốc trong hệ tọa độ Đềcác: 2 ;2 2 ;2 2 2 dv d xx ax dt dt dv d yy a ay dt dt dv d zz az dt dt = = = = = =          r 3
  4. 4. Độ lớn gia tốc được tính theo công thức: 2 2 22 2 2 2 2 2 2 2 2 d x d y d z a a a ax y z dt dt dt = + + = + +        ÷  ÷  ÷       r 1.3.2 Gia tốc tiếp tuyến và gia tốc pháp tuyến Gia tốc tiếp tuyến Vectơ gia tốc tiếp tuyến đặc trưng cho sự biến thiên của vectơ vận tốc về giá trị; vectơ này: - Có phương trùng với tiếp tuyến của quĩ đạo tại M - Có chiều là chiều chuyển động khi v tăng và chiều ngược lại khi v giảm - Có độ lớn bằng đạo hàm độ lớn vận tốc theo thời gian: dv at dt = Gia tốc pháp tuyến Vectơ gia tốc pháp tuyến đặc trưng cho sự biến thiên về phương của vectơ vận tốc, vectơ gia tốc này: - Có phương trùng với phương pháp tuyến của quĩ đạo tại M - Có chiều hướng về phía lõm của quĩ đạo - Có độ lớn bằng 2 v an R = Kết luận Ta có thể phân tích vectơ gia tốc ra hai thành phần t na a a= + r ur uur Về độ lớn 22 2 2 2 dv v a at n dt R a = + = +     ÷  ÷     Vectơ gia tốc tiếp tuyến đặc trưng cho sự biến thiên của vectơ vận tốc về độ lớn Vectơ gia tốc pháp tuyến đặc trưng cho sự biến thiên của vectơ vận tốc về phương Một số trường hợp đặc biệt an = 0 : vectơ vận tốc không thay đổi phương, chất điểm chuyển động thẳng at = 0 : vectơ vận tốc không thay đổi chiều và giá trị, chất điểm chuyển động cong đều a = 0 : vectơ vận tốc không đổi về phương, chiều và giá trị, chất điểm chuyển động thẳng đều B/ Sinh viên tự đọc sách, nghiên cứu phần: 4
  5. 5. Một số dạng chuyển động cơ đặc biệt Chuyển động thẳng thay đổi đều Chuyển động tròn Chuyển động với gia tốc không đổi C/ Câu hỏi và bài tập - Nói trong chuyển động tròn, gia tốc của chất điểm là gia tốc hướng tâm là đúng hay sai? Giải thích? - Viết công thức gia tốc hướng tâm và nói rõ các đặc trưng của vectơ gia tốc hướng tâm? 1/ Một vật được thả rơi từ độ cao H +h theo phương thẳng đứng DD’ (D’ là chân độ cao H + h). Cùng lúc đó một vật thứ hai được ném lên từ D’ theo phương thẳng đứng với vận tốc v0? a/ Hỏi vận tốc v0 phải bằng bao nhiêu để hai vật gặp nhau ở độ cao h? b/ Tính khoảng cách x giữa hai vật trước lúc gặp nhau theo thời gian? c/ Nếu không có vật thứ nhất thì vật thứ hai đạt độ cao lớn nhất bằng bao nhiêu? 2/ Một chất điểm chuyển động trên một mặt phẳng có các phương trình chuyển động là x = 3cos2t, y = 3sin2t, trong đó t là thời gian a/ Tính mô đun vận tốc v ? b/ Tìm hướng và mô đun của vec tơ gia tốc ? c/ Chuyển động này là chuyển động gì? 3/ Một hòn đá được ném theo phương nằm ngang với vận tốc v0 = 15 m/s. Tính gia tốc pháp tuyến và gia tốc tiếp tuyến của hòn đá sau lúc ném 1s ? Chương 2 ĐỘNG LỰC HỌC CHẤT ĐIỂM A. Nội dung 2.1Các định luật Newton 2.1.1 Định luật Newton thứ nhất Phát biểu: Khi một chất điểm cô lập (không chịu một tác động nào từ bên ngoài) nếu đang đứng yên, nó sẽ tiếp tục đứng yên, nếu đang chuyển động thì chuyển động của nó là thẳng đều Một chất điểm cô lập bảo toàn trạng thái chuyển động (quán tính) của nó 2.1.2 Định luật Newton thứ hai Phát biểu: Chuyển động của một chất điểm chịu tác dụng của các lực có tổng hợp 0F ≠ ur là một chuyển động có gia tốc 5
  6. 6. Gia tốc chuyển động của chất điểm tỉ lệ với tổng hợp lực tác dụng F ur và tỉ lệ nghịch với khối lượng của chất điểm ấy: F a k m = r r ( k là một hệ số tỉ lệ phụ thuộc vào các đơn vị sử dụng; trong hệ SI k =1) 2.1.3 Phương trình cơ bản của cơ học chất điểm: F ma= ur r Với định luật Newton I : 0 0 onstF a v c= → = ⇒ = r r r Với định luật Newton II : 0 0 F F a m ≠ → = ≠ r r r 2.1.4 Hệ qui chiếu quán tính Thực nghiệm chứng tỏ rằng biểu thức F a m = r r chỉ nghiệm đúng đối với những hệ qui chiếu đặc biệt gọi là hệ qui chiếu quán tính 2.1.5 Lực tác dụng lên chuyển động cong Lực tác dụng lên chất điểm chuyển động cong được phân tích thành các thành phần: F F Fnτ= + r r uur Lực tiếp tuyến F maτ τ= r ur lực này gây ra gia tốc tiếp tuyến làm độ lớn vận tốc thay đổi Lực pháp tuyến F man n= uur uur lực này gây ra gia tốc pháp tuyến làm cho vận tốc đổi hướng Để cho một chất điểm chuyển động cong, điều kiện cần là phải tác dụng lên nó một lực hướng tâm có độ lớn bằng: 2 v F ma mn n R = = 2.1.6 Định luật Newton thứ ba Phát biểu: Khi chất điểm A tác dụng lên chất điểm B một lực F ur thì chất điểm B cũng tác dụng lên chất điểm A một lực 'F ur : hai lực F uur và 'F uur tồn tại đồng thời cùng phương, ngược chiều và cùng cường độ Hay: Tổng hình học các lực tương tác giữa hai chất điểm bằng không ' 0F F+ = r r Chú y: Hai lực F ur và 'F ur là hai lực trực đối (không phải là hai lực cân bằng) vì điểm đặt của chúng khác nhau Tổng quát: Tổng các nội lực của một hệ chất điểm cô lập (còn gọi là hệ kín) bằng không 2.2Các định lí về động lượng 2.2.1 Thiết lập các định lí về động lượng 6
  7. 7. Ta đã biết ma F= r ur Mặt khác, ta cũng có thể viết ( )d v d mv m F F dt dt = ⇔ = r r r r d K F dt ⇒ = r r Định lí 1: Đạo hàm động lượng của một chất điểm đối với thời gian có giá trị bằng lực (hay tổng hợp các lực) tác dụng lên chất điểm đó: 2 2 1 1 t K K K Fdt t ∆ = − = ∫ r uur uur r Định lí 2: Độ biến thiên động lượng của một chất điểm trong một khoảng thời gian nào đó có giá trị bằng xung lượng của lực (hay tổng hợp lực) tác dụng lên chất điểm trong khoảng thời gian đó Trường hợp F ur không đổi theo thời gian, ta có K K F t F t ∆ ∆ = ∆ ⇔ = ∆ r r r r Độ biến thiên động lượng của chất điểm trong đơn vị thời gian có giá trị bằng lực tác dụng lên chất điểm đó 2.2.2 Ý nghĩa của động lượng và xung lượng Về mặt động lực học: vận tốc không đặc trưng cho chuyển động, mà đại lượng kết hợp cả khối lượng và vận tốc mới đặc trưng cho chuyển động Trong các hiện tượng va chạm: động lượng là một đại lượng đặc trưng cho khả năng truyền chuyển động Ý nghĩa của xung lượng: Xung lực của một lực trong khoảng thời gian t∆ đặc trưng cho tác dụng của lực trong khoảng thời gian đó. Nghĩa là cùng một lực tác dụng nhưng thời gian tác dụng lâu thì động lượng của vật biến thiên nhiều và ngược lại, nếu thời gian tác dụng rất ngắn thì dù lực lớn, động lượng cũng biến thiên ít B/ Sinh viên tự đọc sách, nghiên cứu phần - Khảo sát chuyển động của các vật dựa vào phương trình cơ bản của cơ học Các lực liên kết Một thí dụ khảo sát chuyển động - Mô ment động lượng Môment của một vectơ đối với một điểm Định lí về môment động lượng Trường hợp chuyển động tròn 7
  8. 8. C/ Câu hỏi và bài tập - Viết phương trình của định lí về động lượng cho hệ cô lập gồm hai vật? - Trong bóng đá, khi người thủ môn bắt một quả bóng sút rất căng, người đó phải làm động tác kéo dài thời gian bóng chạm tay mình (thu bóng vào bụng). Hãy giải thích tại sao? 1/ Thả rơi một vật từ độ cao h = 19,6m. Tính: a/ Quãng đường mà vật rơi trong 0,1s đầu và 0,1 s cuối của thời gian rơi? b/ Thời gian cần thiết để vật đi hết 1m đầu và 1m cuối của độ cao h? 2/ Người ta ném một hòn đá với vận tốc ban đầu v0 = 10m/s theo phương hợp với mặt phẳng nằm ngang một góc 400 . Giả sử quả bóng được ném đi từ mặt đất. Hỏi: a/ Độ cao lớn nhất mà quả bóng có thể đạt được? b/ Tầm xa của quả bóng? c/ Thời gian từ lúc ném bóng đến lúc bóng chạm đất? 3/Từ một đỉnh tháp cao h =25m người ta ném một hòn đá lên phía trên với vận tốc v0 = 15 m/s theo phương hợp với mặt phẳng nằm ngang một góc 300 . Xác định: a/ Thời gian chuyển động của hòn đá? b/ Khoảng cách từ chân tháp đến chỗ rơi của hòn đá? c/ Vận tốc của hòn đá lúc chạm đất? 4/Một vật được đặt trên một mặt phẳng nghiêng hợp vói mặt phẳng nằm ngang một góc 40 . Hỏi: a/ Giới hạn của hệ số ma sát giữa vật và mặt phẳng nghiêng để vật có thể trượt xuống được trên mặt phẳng nghiêng đó b/ Nếu hệ số ma sát bằng 0,03 thì gia tốc của vật bằng bao nhiêu? Khi đó muốn trượt hết quãng đường s = 100m, vật phải mất thời gian bao lâu? c/ Trong điều kiện câu hỏi b, vận tốc của vật ở cuối quãng đường 100m bằng bao nhiêu? 5/ Một tàu điện sau khi xuất phát chuyển động với gia tốc không đổi a1 = 0,6m/s2 . Sau khi chuyển động được 12s, người ta tắt động cơ và tàu chuyển động chậm dần đều cho đến khi dừng hẳn. Trên toàn bộ quãng đường, hệ số ma sát là k = 0,01. Tìm: a/ Vận tốc lớn nhất của tàu? b/ Thời gian từ lúc xuất phát đến khi dừng hẳn? c/ Gia tốc của tàu trong chuyển động chậm dần đều? d/ Quãng đường tàu đã đi được? 6/ Một xe có khối lượng 2000kg, chuyển động chậm dần đều dưới tác dụng của một lực hãm bằng 6000N, vận tốc ban đầu của xe là 15m/s. Hỏi: a/ Gia tốc của xe? b/ Sau bao lâu xe dừng lại? c/ Đoạn đường xe đã chạy được kể từ lúc hãm cho đến khi xe dừng hẳn 7/ Một xe khối lượng 15 tấn, chuyển động chậm dần đều với gia tốc có độ lớn bằng 0,49 m/s2 . Biết vận tốc ban đầu của xe là v0 = 27km/h. Hỏi: a/ Lực hãm tác dụng lên xe? b/ Sau bao lâu xe dừng lại? 8/ Xe có khối lượng m1 = 20kg có thể chuyển động không ma sát trên mặt phẳng ngang. Đặt lên xe vật m2 = 5kg, hệ số ma sát giữa m2 và m1 là k=0,2; rồi tác dụng lên m2 lực F theo phương ngang dọc theo xe. Tìm gia tốc của m1, m2 và lực ma sát giữa hai vật nếu F bằng: 8
  9. 9. a/ F = 2N; b/ F = 20N c/ F = 12N 9/ Một thanh gỗ nặng 49N bị kẹp giữa hai mặt phẳng thẳng đứng. Lực ép thẳng góc lên mỗi mặt của thanh là 147N. Hỏi lực nhỏ nhất cần để nâng hoặc hạ thanh gỗ? Hệ số ma sát giữa thanh gỗ và mặt ép là k = 0,2 10/ Một người di chuyển một chiếc xe với vận tốc không đổi. Lúc đầu người ấy kéo xe về phía trước, sau đó người ấy đẩy xe về phía sau. Trong cả hai trường hợp càng xe hợp với mặt phẳng nằm ngang một góc α. Hỏi trong trường hợp nào, người ấy phải đặt lên xe một lực lớn hơn? Biết rằng trọng lượng của xe là P, hệ số ma sát giữa bánh xe và mặt đường là k 11/ Một ô tô khối lượng một tấn chuyển động trên một đường nằm ngang, hệ số ma sát giữa bánh xe và mặt đường là 0,1. Tính lực kéo của động cơ ô tô trong trường hợp: a/ Ô tô chuyển động đều b/ Ô tô chuyển động nhanh dần đều với gia tốc 2 m/s2 12/ Một ô tô khối lượng 1 tấn chuyển động đều và lên một dốc nghiêng 300 so với phương ngang, hệ số ma sát giữa bánh xe và mặt đường là 0,1. Tính lực kéo của động cơ ô tô 13/ Xác định lực nén của phi công vào ghế máy bay ở các điểm cao nhất và thấp nhất của vòng nhào lộn nếu khối lượng của phi công bằng 75kg, bán kính của vòng nhào lộn là 200m, và vận tốc của máy bay trong vòng nhào lộn luôn không đổi và bằng 360km/h 14/ Một xe khối lượng 15 tấn, chuyển động chậm dần đều với gia tốc có độ lớn bằng 0,49m/s2 . Biết vận tốc ban đầu của xe là v0 = 27km/h. Hỏi: a/ Lực hãm tác dụng lên xe b/ Sau bao lâu xe dừng lại? Chương 3 ĐỘNG LỰC HỌC HỆ CHẤT ĐIỂM – ĐỘNG LỰC HỌC VẬT RẮN A/ Nội dung 3.1 Khối tâm 3.1.1 Định nghĩa Hình 3.1 Khối tâm Khối tâm của một hệ chất điểm M1, M2 …, Mn lần lượt có khối lượng m1, m2… mn là một điểm G xác định bởi đẳng thức ... 01 1 2 2m M G m M G m M Gn n+ + + = uuur uuur uuur (3.1) Hay 1 0 n i m M Gi i = =∑ uuur (3.2) Xác định tọa độ của khối tâm G đối với một gốc tọa độ O nào đó Ta có: OG OM M Gi i= + uur uuur uuur (3.3) 9
  10. 10. Nhân 2 vế của (3.3) với m rồi cộng các phương trình nhận được vế theo vế từ 1 đến n, ta được: 1 1 n m OMi i i OG n mi i ∑ = = ∑ = uuur uur (3.4) Đặt OG R= uuur ur với ba tọa độ là X, Y, Z; i iOM r= uuuur ur với ba tọa độ là xi, yi, zi viết lại (3.4) : 1 1 n m ri i i R n mi i ∑ = = ∑ = r r (3.5) Hay chiếu lên ba trục tọa độ: 1 1 1 ; ; 1 1 1 n n n m x m y m zi i i i i i i i i X Y Zn n n m m mi i i i i i ∑ ∑ ∑ = = = = = = ∑ ∑ ∑ = = = (3.6) Các biểu thức (3.5);(3.6) cho phép ta tính tọa độ khối tâm của một hệ chất điểm 3.1.2 Vận tốc của khối tâm Ta có dri m m v pi i i idR Pi dt i i V dt m m m mi i i i i i i i ∑ ∑ ∑ = = = = = ∑ ∑ ∑ ∑ uur urur r r (3.7) Ta suy ra ( )P m Vi i ∑= r r (3.8) Vậy, tổng động lượng của hệ bằng động lượng của một chất điểm đặt tại khối tâm của hệ, có khối lượng bằng tổng khối lượng của hệ và có vận tốc bằng vận tốc khối tâm của hệ 3.1.3 Phương trình chuyển động của khối tâm Giả thiết các chất điểm M1, M2….Mn của hệ lần lượt chịu tác dụng của những lực 1 2, ...., nF F F uur uur uur và chuyển động với những vectơ gia tốc 1 2, ,...., na a a ur uur uur thõa mãn các phương trình ; ;....;1 1 1 2 2 2m a F m a F m a Fn n n= = = ur ur uur uur uur uur Ta có dvi midV i dt dt mi i ∑ = ∑ uur uur Hay ( ) dV m m a Fi i i i i i idt ∑ ∑ ∑= = uur ur ur Hay ( )m a Fi i i i ∑ ∑= r ur (3.9) Khối tâm của một hệ chuyển động như một chất điểm có khối lượng bằng tổng khối lượng của hệ và chịu tác dụng của một lực bằng tổng hợp ngoại lực tác dụng lên hệ Chuyển động khối tâm của một hệ được gọi là chuyển động toàn thể của hệ 10
  11. 11. 3.2 Định luật bảo toàn động lượng 3.2.1 Thiết lập Ta có định lí về động lượng đối với một hệ chất điểm chuyển động ( ... )1 1 2 2 d m v m v m v Fn n dt + + + = ur ur ur r (3.10) Trong đó F ur là tổng các ngoại lực tác dụng lên hệ Nếu hệ chất điểm cô lập, thì ta có: ... onst1 1 2 2m v m v m v cn n+ + + = ur ur ur uuur (3.11) Phát biểu: Tổng động lượng của một hệ cô lập là một đại lượng bảo toàn Mặt khác, cũng với một hệ chất điểm cô lập, ta còn có: onst m vi i V c mi i ∑ = = ∑ r r uuur (3.12) Khối tâm của một hệ cô lập hoặc đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều 3.2.2 Bảo toàn động lượng theo phương Trường hợp một hệ chất điểm không cô lập, nghĩa là 0F ≠ ur nhưng hình chiếu của F ur lên một phương x nào đó luôn luôn bằng 0 thì nếu chiếu phương trình (3.10) lên phương x ta được : ... onst1 1 2 2m v m v m v cn nxx x+ + + = (3.13) Hình chiếu của tổng động lượng của hệ lên phương x là một đại lượng bảo toàn 3.2.3 Ứng dụng Giải thích hiện tượng súng giật lùi Xét hệ (súng + đạn) cô lập theo phương nằm ngang Áp dụng định luật bảo toàn cho hệ (súng + đạn) trước và sau khi bắn, ta được: 0mv MV+ = r r . Do đó: mv V M = − r r Dấu “-” cho thấy súng và đạn chuyển động ngược chiều sau khi bắn  Hiện tượng súng giật lùi khi bắn Chuyển động phản lực Giả thiết có một vật chứa một hỗn hợp khí nóng, ban đầu đứng yên. Theo định luật bảo toàn động lượng, nếu hỗn hợp khí phụt ra phía sau thì vật sẽ tiến lên phía trước Gọi tổng khối lượng ban đầu của tên lửa là M0; vận tốc v r . Qua một khoảng thời gian dt, tên lửa phụt ra một lượng khí là dM1 11
  12. 12. Gọi vận tốc phụt khí đối với tên lửa là không đổi và luôn bằng u r thì vận tốc phụt khí đối với hệ qui chiếu đang quan sát bằng u v+ r r và động lượng của khí phụt ra là 1( )dM u v+ r r Sau khi phụt khí, khối lượng tên lửa bằng M + dM, vận tốc v dv+ r r Động lượng tên lửa sau khi phụt khí là ( )( )M dM v dv+ + r r Động lượng của hệ sau khi phụt khí là ( ) ( )( )2 1K dM u v M dM v dv= + + + + uur r r r r Giả sử hệ cô lập theo phương chuyển động, ta có 2 1K K= uur uur Hay ( ) ( )( )dM u v M dM v dv M v− + + + + = r r r r r Khai triển các phép tính và bỏ qua số hạng vô cùng bé bậc hai .dM d v− r ta được M dv udM= ur r Chiếu lên phương chuyển động và chọn làm chiều dương, ta được: dM Mdv udM dv u M = − ⇒ = − Tích phân hai vế của phương trình trên từ lúc vận tốc bằng 0 đến lúc vận tốc là v, ta được: 0 ln M v u M = Theo công thức này, muốn cho vận tốc của tên lửa lớn thì vận tốc phụt khí (đối với tên lửa) u phải lớn và tỉ số 0M M cũng phải lớn 3.3 Chuyển động của vật rắn 3.3.1 Chuyển động tịnh tiến Khi một vật rắn chuyển động tịnh tiến, mọi chất điểm của nó chuyển động theo những quĩ đạo giống nhau Từ phương trình Newtơn ta có: 1 1 2 2 .... m a F m a F m a Fi i = = = r ur r uur r ur (3.14) Cộng vế theo vế của phương trình (3.14) ta được ( )m a Fi i i i ∑ ∑= r ur (3.15) Từ (3.9) và (3.15) ta thấy muốn khảo sát chuyển động tịnh tiến của một vật rắn ta chỉ cần xét chuyển động của khối tâm của nó 12
  13. 13. 3.3.2 Chuyển động quay Khi một vật rắn chuyển động quay xung quanh một đường thẳng cố định ∆ (trục quay) thì - Mọi điểm của vật rắn vạch những vòng tròn có cùng trục ∆ - Trong cùng một khoảng thời gian, mọi điểm của vật rắn đều quay được cùng một góc θ Tại cùng một thời điểm, mọi điểm của vật rắn đều có cùng vận tốc góc d dt θ ω = và cùng gia tốc góc 2 2 d d dt dt ω θ β = = Tại một thời điểm, vectơ vận tốc thẳng và vectơ gia tốc tiếp tuyến của một chất điểm bất kì của vật rắn cách trục quay một khoảng r được xác định bởi những hệ thức v r a rt ω β = ∧ = ∧ r r r r r r Đó là những tính chất động học của chuyển động quay của vật rắn xung quanh một trục cố định B/ Sinh viên tự đọc sách, nghiên cứu phần: Chuyển động quay của vật rắn quanh một trục cố định: Momentz lực; Thiết lập phương trình cơ bản của chuyển động quay; Tính ra momentz quán tính Kiểm tra 1 tiết C/ Câu hỏi và bài tập 1/Một bánh xe quay chậm dần đều, sau 1 phút vận tốc của nó giảm từ 300 vòng/ phút xuống 180 vòng/ phút. Tìm gia tốc góc của bánh xe và số vòng mà bánh xe quay được trong một phút ấy? 2/ Một bánh xe có bán kính R = 10cm lúc đầu đứng yên, sau đó quay xung quanh trục của nó với gia tốc góc bằng 3,14 rad/s2 . Hỏi sau giây thứ nhất: a/ Vận tốc góc và vận tốc dài của một điểm trên vành bánh? b/ Gia tốc pháp tuyến, gia tốc tiếp tuyến và gia tốc toàn phần của một điểm trên vành bánh? 3/ Một bản gỗ A được đặt trên mặt phẳng nằm ngang. Bản A được nối với bản gỗ B khác bằng một sợi dây vắt qua một ròng rọc cố định. Khối lượng của ròng rọc và của dây coi như không đáng kể 13
  14. 14. a/ Tính gia tốc của hệ thống nếu cho mA = 200g; mB = 300g; hệ số ma sát giữa bản A và mặt phẳng nằm ngang k = 0,25 b/ Tính lực căng của dây? Nếu thay đổi vị trí của A và B thì lực căng của dây sẽ bằng bao nhiêu? Xem hệ số ma sát vẫn như cũ 4/ Ở đỉnh của mặt phẳng nghiêng hợp với mặt phẳng nằm ngang các góc 300 và 450 , có gắn một ròng rọc khối lượng không đáng kể. Dùng sợi dây vắt qua ròng rọc, hai đầu dây nối với hai vật A và B đặt trên các mặt phẳng nghiêng. Khối lượng của các vật A và B đều bằng 1kg. Bỏ qua mọi lực ma sát. Tìm gia tốc của hệ và lực căng dây? 5/ Người ta gắn vào mép bàn nằm ngang một ròng rọc có khối lượng không đáng kể. Hai vật A và B có khối lượng bằng nhau mA = mB = 1kg được nối với nhau bằng một sợi dây vắt qua ròng rọc. Hệ số ma sát giữa vật B và mặt bàn bằng 0,1. Tìm: a/ Gia tốc của hệ b/ Lực căng của dây. Coi ma sát của ròng rọc là không đáng kể 6/ Hai vật có khối lượng m1 = 1kg, m2 = 2kg được nối với nhau bằng một sợi dây và được đặt trên mặt bàn nằm ngang. Dùng một sợi dây khác vắt qua một ròng rọc, một đầu dây buộc vào m2 và đầu kia buộc vào một vật thứ ba có khối lượng m3 = 3kg. Coi ma sát không đáng kể. Tính lực căng của hai sợi dây? 7/ Một vật có khối lượng m = 200g, được treo ở đầu một sợi dây dài l = 40cm; vật quay trong mặt phẳng nằm ngang với vận tốc không đổi sao cho sợi dây vạch một mặt nón. Giả sử khi đó dây tạo với phương thẳng đứng một góc α = 300 . Tìm vận tốc góc và lực căng dây 8/ Trên một đĩa nằm ngang đang quay, người ta dặt một vật có khối lượng m = 1kg cách trục quay r = 50cm. Hệ số ma sát giữa vật và đĩa là 0,25s. Hỏi: a/ Lực ma sát phải có độ lớn bằng bao nhiêu để vật được giữ trên đĩa nếu đĩa quay với vận tốc n = 12 vòng/ phút b/ Với vận tốc góc nào thì vật bắt đầu trượt khỏi đĩa? 9/ Một sợi dây được vắt qua một ròng rọc có khối lượng không đáng kể, hai đầu buộc hai vật có khối lượng m1 và m2 (m1 > m2). Xác định gia tốc của hai vật và sức căng của dây. Coi ma sát không đáng kể. Áp dụng bằng số: m1 = 2m2 = 1kg 10/ Một viên đạn có khối lượng 10g, chuyển động với vận tốc 200m/s đập vào một tấm gỗ và xuyên sâu vào tấm gỗ một đoạn l. Biết thời gian chuyển động của viên đạn trong tấm gỗ bằng t = 4.10-4 s. Xác định lực cản trung bình của tấm gỗ lên viên đạn? 11/ Một người khối lượng m1 = 60kg đang chạy với vận tốc v1 = 4m/s thì nhảy lên một chiếc xe khối lượng m2 = 90kg chạy song song ngang qua người này với vận tốc v2 = 3m/s. Sau đó, xe và người tiếp tục chuyển động trên phương cũ. Tính vận tốc xe sau khi người nhảy lên nếu ban đầu xe và người chuyển động: a/ Cùng chiều b/ Ngược chiều 12/ Từ đỉnh dốc cao OA = h, dốc AB nghiêng góc α với mặt phẳng ngang, một chất điểm khối lượng m bắt đầu trượt xuống không ma sát. Xác định tại thời điểm t và đối với O a/ Moment tổng hợp các lực tác dụng lên chất điểm b/ Momnt động lượng của chất điểm 13/ Chất điểm khối lượng m được ném lên từ một điểm O trên mặt đất, với vận tốc ban đầu v0 theo hướng nghiêng góc α với mặt phẳng ngang. Xác định moment động lượng của chất điểm đối với O tại thời điểm vận tốc chuyển động của chất điểm nằm ngang? 14/ Khẩu đại bác đặt lên một xe lăn, khối lượng tổng cộng m = 7,5 tấn; nòng súng hợp với mặt đường nằm ngang 1 góc α = 600 . Khi bắn một viên đạn khối lượng m2 = 20kg 14
  15. 15. với vận tốc (lúc rời nòng súng) v2 = 750m/s. Tìm vận tốc của xe lăn sau khi bắn? (bỏ qua ma sát)? 15/ Chất điểm khối lượng m được ném lên từ một điểm O trên mặt đất với vận tốc đầu v0 theo hướng nghiêng góc α với mặt nằm ngang. Bỏ qua sức cản không khí. Xác định tại thời điểm t và đối với O: a/ Moment ngoại lực tác dụng lên chất điểm b/ Moment động lượng của chất điểm 16/ Một quả lựu đạn được ném với vận tốc v0 = 10m/s theo phương làm với đường nằm ngang một góc α= 300 . Lên tới điểm cao nhất thì nó nổ thành hai mảnh có khối lượng bằng nhau. Mảnh một rơi thẳng đứng với vận tốc ban đầu v1 = 10m/s a/ Tìm hướng và độ lớn mảnh 2 b/ Mảnh hai lên tới độ cao cực đại bằng bao nhiêu so với điểm ném. Lấy g = 10m/s2 . Khối lượng của thuốc nổ không đáng kể 17/ Một toa xe có khối lượng m1 = 10tấn lăn với vận tốc v1 = 1,2m/s đến va vào một toa xe có khối lượng m2 = 20 tấn đang lăn cùng chiều với vận tốc v2 = 0,6m/s. Hai toa xe móc vào nhau và lăn đến móc vào một toa xe đứng yên có khối lượng m3 = 10 tấn. Tính vận tốc của đoàn hai toa xe và đoàn 3 toa xe. Bỏ qua ma sát Chương 4 NGUYÊN LÍ THỨ NHẤT CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC A/ Nội dung 4.1 Một số khái niệm 4.1.1 Thông số trạng thái và phương trình trạng thái Trạng thái của một vật được xác định bởi một tập hợp xác định các đại lượng vật lí, các đại lượng vật lí này được gọi là các thông số trạng thái Ví dụ trạng thái 1 (P= 40atm; V= 1l; T= 200 C) ; trạng thái 2 (P= 20atm; V= 1l; T= 200 C) Hệ thức giữa các thông số trạng thái của một vật gọi là phương trình trạng thái của vật đó Ví dụ 4.1.2 Khái niệm áp suất và nhiệt độ Áp suất là một đại lượng vật lí có giá trị bằng lực nén vuông góc lên một đơn vị diện tích Đơn vị: N/m2 (Pa) ; at (9,80665.104 – 9,81.104 N/m2 ); mmHg (1at= 736mmHg= 9,81.104 N/m2 ) Nhiệt độ là đại lượng vật lí đặc trưng cho mức độ chuyển động hỗn loạn phân tử của các vật 15 onst P c T = F p S = ∆ (4.1) (4.2)
  16. 16. Đo nhiệt độ bằng nhiệt kế (Đo nhiệt độ bằng cách đo một đại lượng vật lí biến thiên theo nhiệt độ ví dụ như độ cao cột thủy ngân, suất điện động) Nhiệt độ tuyệt đối (K-Kelvin), nhiệt độ Bách phân (C-Celsius): T0 K = t0 C + 273,16 Nhiệt độ Fahrenheit: T (F) = 9/5 t0 C +320 4.2 Các định luật thực nghiệm về chất khí 4.2.1 Định luật Bôilơ- Mariôt Trong quá trình đẳng nhiệt của một khối khí, thể tích tỉ lệ nghịch với áp suất. Hay: tích số của thể tích và áp suất của khối khí là một hằng số: PV= const - Ứng với các nhiệt độ khác nhau ta được các đường đẳng nhiệt khác nhau - Nhiệt độ càng cao, đường đẳng nhiệt càng xa điểm gốc - Tập hợp các đường đẳng nhiệt gọi là họ đường đẳng nhiệt 4.2.2 Các định luật Gay- Luy-xác Trong quá trình đẳng tích của một khối khí, áp suất tỉ lệ với nhiệt độ tuyệt đối Trong quá trình đẳng áp của một khối khí, thể tích tỉ lệ với nhiệt độ tuyệt đối Hay Nếu chọn T0 = 273K = 1/a (hệ số a gọi là hệ số dãn nở nhiệt của chất khí) thì ; 4.2.3 Giới hạn ứng dụng của các định luật Bôilơ-Mariốt và Gay-Luy-xác Nếu áp suất khí quá lớn hoặc nhiệt độ khí quá thấp, các chất khí không còn tuân theo các định luật B-M và G Bảng N-1; N-2 trang 146, 147 Vật lí đại cương, Lương Duyên Bình (chủ biên) Trong bảng N-1, khi áp suất từ 500at trở lên, sự sai lệch của pV rất rõ rệt. Trong bảng N-2, với các nhiệt độ thấp và ở áp suất thông thường, hầu hết các chất khí đều đã hóa lỏng. Lúc đó không thể áp dụng định luật B-M và G được nữa vì lúc này hệ số dãn nở nhiệt của các chất khí không phải là hằng số mà phụ thuộc vào khoảng nhiệt độ ta xét 4.3 Phương trình trạng thái của khí lí tưởng 4.3.1 Thiết lập phương trình trạng thái của khí lí tưởng 16 onst P c T = onst V c T = 0 ( onst) 0 PP V c T T = = 0 ( onst) 0 VV P c T T = = ( onst)0P P aT V c= = ( onst)0V V aT P c= = (4.3) (4.5) (4.7) (4.8) (4.9) (4.6) (4.4)
  17. 17. Ta đã biết, nếu áp suất không lớn quá và nhiệt độ không thấp quá thì các chất khí tuân theo khá đúng hai định luật B-M và G Khí lí tưởng là khí tuân theo hoàn toàn chính xác hai định luật B-M và G Tìm mối liên hệ giữa các thông số trạng thái của một khối khí khi chuyển từ trạng thái 1 (p1, V1, T1) sang trạng thái 2 (p2, V2, T2) Hình 4.1 Cung hybebol 12’ biểu diễn quá trình đẳng nhiệt. Đoạn thẳng 2’2 biểu diễn quá trình đẳng tích Áp dụng định luật B-M cho quá trình đẳng nhiệt 1 2’, ta có: Áp dụng định luật Sáclơ cho quá trình đẳng tích 2’ 2, ta có: Hay Thay vào , ta được: Hay Phương trình trạng thái dạng tổng quát 4.3.2 Giá trị của hằng số khí R Xét lượng khí có KL là m (g); có KL mol là (g/mol); ở ĐKC Tính hằng số C của phương trình trạng thái như sau: Giá trị của R là như nhau đối với mọi chất khí, gọi là hằng số của các khí Từ ; viết lại phương trình trạng thái: Đây là phương trình Cla-pê-rôn- Menđêlê ép 4.3.3 Khối lượng riêng của khí lí tưởng Thay m = ; v =1 ; được viết lại : 4.4 Nội năng của một hệ nhiệt động. Công và nhiệt 4.4.1 Hệ nhiệt động Mọi tập hợp các vật được xác định hoàn toàn bởi một số các thông số vĩ mô, độc lập đối với nhau, được gọi là hệ vĩ mô hay hệ nhiệt động hoặc còn được gọi là hệ Tất cả các vật còn lại ngoài hệ là ngoại vật đối với hệ hay môi trường xung quanh của hệ 17 ' 1 1 2 2pV p V= (4.10) (4.11) ' 2 1 2 2 p T p T = 1 1 1 2 2 2 T p V p V T = ' 1 2 2 2 T p p T = (4.11) (4.10) 1 1 2 2 1 2 p V p V T T = (4.12) onst pV C c T = = (4.13) µ 3 0 .0,0224 /V v m mol= m pV CT vRT RT µ = = = 3 3 2 . Pa m N m Nm J K mol m Kmol Kmol Kmol         = = = ÷  ÷  ÷  ÷        (4.14) (4.15) m pV CT vRT RT µ = = =(4.13) (4.14) ρ (4.15) p RT µ ρ = (4.16)
  18. 18. Nếu hệ tương tác với môi trường bên ngoài, sẽ có trao đổi công và nhiệt gọi là hệ không cô lập Nếu hệ và môi trường ngoài không trao đổi nhiệt thì hệ là cô lập về phương diện nhiệt Nếu hệ và môi trường ngoài có trao đổi nhiệt nhưng không sinh công thì hệ là cô lập về phương diện cơ học Nếu hệ hoàn toàn không tương tác và trao đổi năng lượng với môi trường bên ngoài thì gọi là hệ cô lập 4.4.2 Nội năng Ở mỗi trạng thái, hệ có các dạng vận động xác định, do đó có một năng lượng xác định, được biểu diễn bằng một hàm trạng thái Năng lượng của một hệ gồm động năng ứng với chuyển động có hướng của cả hệ, thế năng của hệ trong trường lực và phần năng lượng ứng với vận động bên trong hệ (nội năng của hệ): W = Wđ + Wt + U Có thể chia nội năng của hệ thành các phần sau đây: - Động năng chuyển động hỗn loạn của các phân tử (tịnh tiến và quay) - Thế năng gây bởi các lực tương tác phân tử - Động năng và thế năng chuyển động dao động của các nguyên tử trong phân tử - Năng lượng các vỏ điện tử của các nguyên tử và ion, năng lượng trong hạt nhân nguyên tử Đối với khí lí tưởng, nội năng là tổng động năng chuyển động nhiệt của các phân tử cấu tạo nên hệ Gốc để tính toán nội năng được chọn rất tùy y. Do đó việc chọn gốc tính nội năng không quan trọng. Thông thường, người ta chọn nội năng của hệ bằng không ở nhiệt độ không tuyệt đối (T= 0K) 4.4.3 Công và nhiệt Trong nhiệt động học, công và nhiệt là hai dạng truyền năng lượng khi các hệ khác nhau tương tác với nhau Dạng truyền năng lượng làm tăng mức độ chuyển động có trật tự của một vật, gọi là công Ví dụ, khối khí dãn nở trong xilanh làm pittông chuyển động. Như vậy, khí đã truyền năng lượng cho pittông dưới dạng công 18
  19. 19. Dạng năng lượng được trao đổi trực tiếp giữa các phân tử chuyển động hỗn loạn của những vật tương tác với nhau, gọi là nhiệt Ví dụ, cho vật lạnh tiếp xúc với vật nóng, các phân tử chuyển động nhanh của vật nóng va chạm với các phân tử chuyển động chậm hơn của vật lạnh và truyền cho chúng một phần động năng của mình. Do đó nội năng của vật lạnh được tăng lên, nội năng của vật nóng bị giảm đi. Quá trình tăng và giảm này sẽ dừng lại khi nào nhiệt độ của hai vật bằng nhau Công và nhiệt đều là những đại lượng đo mức độ trao đổi năng lượng giữa các hệ. Giữa công và nhiệt có mối liên hệ chặt chẽ với nhau và có thể chuyển hóa lẫn nhau Công và nhiệt chỉ xuất hiện trong quá trình biến đổi trạng thái của hệ. Nếu hệ biến đổi từ trạng thái này sang trạng thái khác theo những co đường khác nhau thì công và nhiệt trong quá trình biến đổi đó sẽ có những giá trị khác nhau. Vậy công và nhiệt không phải là những hàm trạng thái mà là những hàm của quá trình 4.5 Nguyên lí thứ nhất của nhiệt động học 4.5.1 Phát biểu Trong một quá trình biến đổi, độ biến thiên nội năng của hệ có giá trị bằng tổng của công A và nhiệt Q mà hệ nhận được trong quá trình đó Khi hệ thực hiện một quá trình biến đổi vô cùng nhỏ, biểu thức của nguyên lí thứ nhất sẽ có dạng Hay có thể phát biểu như sau: Nhiệt truyền cho hệ trong một quá trình có giá trị bằng độ biến thiên nội năng của hệ và công do hệ sinh ra trong quá trình đó Qui ước A, Q >0 là công và nhiệt mà hệ nhận được A’ = -A; Q’ = -Q là công và nhiệt mà hệ sinh ra Nghĩa là hệ nhận công và nhiệt từ bên ngoài làm cho nội năng của hệ tăng Nghĩa là hệ sinh công và tỏa nhiệt ra bên ngoài, lúc này nội năng của hệ giảm 4.5.2 Hệ quả Hệ quả 1 Đối với hệ cô lập ta được Vậy, nội năng của một hệ cô lập được bảo toàn: Nếu Q1 < 0 (vật 1 tỏa nhiệt) thì Q2 > 0 (vật 2 thu nhiệt) và ngược lại Vậy, trong một hệ cô lập gồm hai vật chỉ trao đổi nhiệt, nhiệt lượng do vật này tỏa ra bằng nhiệt lượng do vật kia thu vào 19 U=A+Q∆ Q= U+A'∆ (A,Q, U)>0∆ (A,Q, U)<0∆ A=Q 0= U=0 U=const∆ ⇔ Q Q 01 2 1 2Q Q Q= + = ⇔ = − U= A+ Qd δ δ
  20. 20. Hệ quả 2 Đối với hệ là một máy làm việc tuần hoàn, biến đổi trạng thái theo một chu trình, thì sau một chu trình Vậy, trong một chu trình công mà hệ nhận được có giá trị bằng nhiệt do hệ tỏa ra bên ngoài hay công do hệ sinh ra có giá trị bằng nhiệt mà hệ nhận vào từ bên ngoài 4.5.3 Ý nghĩa của nguyên lí thứ nhất Nguyên lí thứ nhất là một quy luật tuyệt đối của thiên nhiên Không thể nào chế tạo được động cơ vĩnh cửu loại một B/ Sinh viên tự đọc sách, nghiên cứu phần: Khảo sát các quá trình cân bằng của khí lí tưởng - Trạng thái cân bằng và quá trình cân bằng - Nội năng khí lí tưởng - Quá trình đẳng tích - Quá trình đẳng áp - Quá trình đẳng nhiệt - Quá trình đoạn nhiệt C/ Câu hỏi và bài tập Nội năng là gì? Nó phụ thuộc vào những thông số nào của hệ? Nêu các cách làm biến đổi nội năng? Tại sao có thể nói rằng nguyên lí thứ nhất của NĐLH là sự vận dụng định luật bảo toàn và chuyển hóa năng lượng vào các hiện tượng nhiệt? 1/ Tìm vận tốc chảy của dòng khí CO2 trong ống dẫn, biết rằng cứ nửa giờ khối lượng khí chảy qua 1 tiết diện ngang của ống bằng 0,51kg. Khối lượng riêng của khí bằng 7,5 kg/m3 . Đường kính của ống bằng 2cm. Coi khí là chất lưu lí tưởng 2/ Một bình hình trụ đựng nước có bán kính R. Ở đáy bình có một lỗ thủng nhỏ bán kính r ( r << R). Biết chiều cao mực nước là h. Tìm vận tốc hạ mực nước trong bình? 3/ Khi đun nóng đẳng tích một khối khí thêm 10 C thì áp suất khí tăng thêm 1/360 áp suất ban đầu. Tính nhiệt độ ban đầu của khí? 4/ Một cột không khí chứa trong một ống nhỏ, dài, tiết diện đều. Cột không khí được ngăn cách với khí quyển bởi một cột thủy ngân có chiều dài d = 150mm. Áp suất khí quyển là P0 = 750mmHg, chiều dài cột không khí khi ống nằm ngang là l0 = 144mm. Hãy tính chiều dài cột không khí trong các trường hợp sau: a/ Ống thẳng đứng, miệng ống ở trên b/ Ống thẳng đứng, miệng ống ở dưới c/ Ống đặt nghiêng góc 300 so với phương ngang, miệng ống ở dưới 20 U 0 A=-Q∆ = ⇒
  21. 21. d/ Ống đặt nghiêng góc 300 so với phương ngang, miệng ống ở trên 5/ Một bình dung tích V = 15cm3 chứa không khí ở nhiệt độ t1 = 1770 C, bình được nối với một ống nằm ngang chứa đầy thủy ngân, đầu kia của ống thông với khí quyển. Tính khối lượng của thủy ngân chảy vào bình khi không khí trong bình được làm lạnh đến nhiệt độ t2 = 270 C. Khối lượng riêng của thủy ngân là D = 13,6 g/ cm3 6/ Một xi lanh kín được chia làm 2 phần bằng nhau bởi một pittong cách nhiệt, mỗi phần có chiều dài l0 = 30cm, chứa một lượng khí giống nhau ở 270 C. Nung nóng một phần thêm 100 C và làm lạnh phần kia đi 100 C. Hỏi pitong dịch chuyển một đoạn bao nhiêu? 7/ Có 40g khí oxi chiếm thể tích 3l, áp suất 10at a/ Tính nhiệt độ của khối khí b/ Cho khối khí giãn nở đẳng áp đến thể tích 4l. Hỏi nhiệt độ của khối khí sau khi giãn nở? 8/ Một bình chứa khí H2 nén thể tích V = 10l, nhiệt độ t1 = 70 C, áp suất P = 50at. Khi nung nóng bình vì hở nên có một phần khí thoát ra ngoài; phần khí còn lại có nhiệt độ t2 = 170 C, còn áp suất vẫn như cũ. Tính khối lượng khí H2 thoát ra ngoài? 9/ Có m = 10g khí oxy ở áp suất P1 = 3at. Sau khi hơ nóng đẳng áp, khối khí chiếm thể tích V2 = 10l. Tìm nhiệt và khối lượng riêng của khối khí sau khi dãn nở? 10/ Có m = 10g khí oxy ở nhiệt độ t1 = 100 C, áp suất P1 = 3.105 N/m3 . Sau khi hơ nóng đẳng áp thể tích khí tăng đến V2 = 10l. Tìm: Nhiệt lượng mà khối khí nhận được? 11/ Lúc đầu một khối khí H2 chiếm một thể tích V1 = 1m3 dưới áp suất P1 = 200Kpa. Người ta hơ nóng đẳng áp khối khí đến thể tích V2 = 3m3 , rồi sau đó tiếp tục hơ nóng đẳng tích đến áp suất P3 = 500Kpa. Hãy vẽ đồ thị biểu diễn quá trình biến đổi trạng thái của khối khí và tính nhiệt lượng mà khối khí nhận được trong cả quá trình? Chương 5 NGUYÊN LÍ THỨ HAI CỦA NHIỆT ĐỘNG HỌC 5.1 Những hạn chế của nguyên lí thứ nhất của nhiệt động lực học - Nhiệt truyền tự nhiên từ vật nóng hơn sang vật lạnh hơn. Không có quá trình tự nhiên ngược lại vật lạnh  vật nóng Nhiệt lượng không thể truyền từ không khí nóng trong phòng sang cốc nước để làm cho cốc nước nóng hơn lên - Thế năng biến tự nhiên thành động năng rồi thành nhiệt tỏa ra. Không có quá trình tự nhiên ngược lại: Nhiệt  Động năng  Thế năng Hòn đá không thể biến đổi toàn bộ nhiệt lượng nhận được từ nguồn nóng sang công 5.2 Quá trình thuận nghịch và quá trình không thuận nghịch 5.2.1 Định nghĩa Quá trình biến đổi của hệ từ trạng thái A sang trạng thái B được gọi là thuận nghịch, khi nó có thể tiến hành theo chiều ngược lại và trong quá trình ngược đó, hệ đi qua các trạng thái trung gian như trong quá trình thuận 21
  22. 22. Hình 5.1 Quá trình thuận nghịch - Quá trình thuận nghịch cũng là quá trình cân bằng: Athuận = Anghịch ; Qthuận= Qnghịch - Đối với quá trình thuận nghịch, sau khi tiến hành quá trình thuận và quá trình nghịch để đưa hệ về trạng thái ban đầu thì môi trường xung quanh không xảy ra một biến đổi nào cả Quá trình không thuận nghịch là quá trình mà khi tiến hành theo chiều ngược lại, hệ không qua đầy đủ các trạng thái trung gian như trong quá trình thuận - Đối với quá trình không thuận nghịch, sau khi tiến hành quá trình thuận và quá trình ngược lại để đưa hệ trở về trạng thái ban đầu thì môi trường xung quanh bị biến đổi 5.2.2 Thí dụ Về quá trình thuận nghịch: các quá trình xảy ra không có ma sát Xét một con lắc dao động không ma sát và nhiệt độ của nó bằng nhiệt độ của môi trường Sau quá trình thuận và quá trình nghịch, công của trọng lực sinh ra bằng không. Kết quả là môi trường xung quanh không bị biến đổi Xét quá trình nén, giãn khí đoạn nhiệt vô cùng chậm Nếu nén khối khí vô cùng chậm từ V2 đến V1 (quá trình nghịch), khối khí sẽ đi qua các trạng thái cân bằng trung gian như trong quá trình giãn (quá trình thuận). Công mà khối khí nhận được trong quá trình nén bằng công do khí sinh ra trong quá trình giãn. Kết quả là sau khi trở về trạng thái ban đầu, khối khí không trao đổi công với bên ngoài và môi trường xung quanh không bị biến đổi Về quá trình không thuận nghịch: + Các quá trình xảy ra có ma sát Do có ma sát, một phần công trong quá trình thuận biến thành nhiệt; nếu tiến hành quá trình nghịch thì một phần công nữa biến thành nhiệt. Kết quả là một phần công biến thành nhiệt, nhiệt đó làm nóng các vật khác và làm môi trường xung quanh bị biến đổi + Quá trình truyền nhiệt từ vật nóng sang vật lạnh Sau khi vật nóng truyền nhiệt cho vật lạnh và lấy nhiệt từ vật lạnh trả lại cho vật nóng để hai vật trở về trạng thái ban đầu thì môi trường xung quanh bị biến đổi 22
  23. 23. Ý nghĩa của việc nghiên cứu các quá trình thuận nghịch và không thuận nghịch Có vai trò rất quan trọng trong công trình xây dựng nguyên lí thứ hai của nhiệt động học 5.3 Nguyên lí thứ hai của nhiệt động học 5.3.1 Máy nhiệt Là một hệ hoạt động tuần hoàn biến công thành nhiệt và biến nhiệt thành công Động cơ nhiệt: là loại máy nhiệt biến nhiệt thành công VD: máy hơi nước Máy làm lạnh: là loại máy tiêu thụ công để vận chuyển nhiệt từ nguồn lạnh sang nguồn nóng VD: máy làm lạnh dùng khí ép 5.3.2 Phát biểu nguyên lí thứ hai Phát biểu của Claodiut: Nhiệt không thể tự động truyền từ vật lạnh sang vật nóng hơn Phát biểu của Tômxơn: Không thể chế tạo được động cơ vĩnh cửu loại hai (Động cơ nhiệt không thể biến đổi toàn bộ nhiệt lượng nhận được thành ra công) 5.4 Chu trình Cácnô và định lí Cácnô 5.4.1 Chu trình Cácnô (thuận nghịch) Là chu trình gồm hai quá trình đẳng nhiệt thuận nghịch và hai quá trình đoạn nhiệt thuận nghịch Hình 5.2 Chu trình Cacnô thuận Giãn đẳng nhiệt ở T1: tác nhân thu nhiệt Q1 2 ln1 1 1 Vm Q RT Vµ = Giãn đoạn nhiệt: nhiệt độ từ T1 giảm xuống T2 Nén đẳng nhiệt ở T2: tác nhân tỏa nhiệt Q2 ' 3 ln2 2 2 4 Vm Q Q RT Vµ = − = Nén đoạn nhiệt: nhiệt độ tăng từ T2 lên T1 Hiệu suất của chu trình Cacnô thuận nghịch 32 1 4 VV V V ⇒ = 2 1 1 T T η = − 23
  24. 24. Vậy hiệu suất của chu trình Cácnô thuận nghịch đối với khí lí tưởng chỉ phụ thuộc vào nhiệt độ của nguồn nóng và nguồn lạnh Nếu chu trình Cacnô thuận nghịch tiến hành theo chiều ngược lại thì ta có chu trình Cacnô ngược 5.4.2 Định lí Cácnô Hiệu suất của tất cả các động cơ thuận nghịch chạy theo chu trình Cacnô với cùng nguồn nóng và nguồn lạnh đều bằng nhau và không phụ thuộc vào tác nhân cũng như cách chế tạo máy. Hiệu suất của động cơ không thuận nghịch thì nhỏ hơn hiệu suất của động cơ thuận nghịch Nhận xét - Nhiệt không thể biến hoàn toàn thành công - Hiệu suất của động cơ nhiệt càng lớn nếu nhiệt độ nguồn nóng càng cao và nhiệt độ nguồn lạnh càng thấp - Muốn tăng hiệu suất của động cơ nhiệt thì ngoài cách làm nói trên còn phải chế tạo sao cho động cơ này càng gần động cơ thuận nghịch (phải tránh mất mát nhiệt nhận từ nguồn nóng do truyền nhiệt và ma sát) B/ Sinh viên tự đọc sách, nghiên cứu phần: Biểu thức định lượng của nguyên lí Cácnô Kiểm tra giữa kì C/ Câu hỏi và bài tập - Hãy cho biết y nghĩa của định lí Cácnô - Nguyên lí II NĐLH liên quan đến hiện tượng gì trong tự nhiên? Mối quan hệ giữa nó với nguyên lí I NĐLH như thế nào? 1/ Một động cơ nhiệt làm việc theo chu trình Cacno giữa hai nguồn nhiệt T1 = 9273 K và T2 = 273K, công suất của động cơ là: P = 106 W. Tính: a/ Hiệu suất của động cơ? b/ Nhiệt lượng tác nhân nhận được từ nguồn nóng và nhiệt lượng mà tác nhân nhả ra từ nguồn lạnh trong một giây? 2/ Một động cơ nhiệt hoạt động với hai nguồn nhiệt t1 = 2270 C, t2 = 270 C. Hỏi động cơ sinh ra một công cực đại là bao nhiêu khi nó nhận được của nguồn nóng một nhiệt lượng là Q1 = 4,18KJ Chương 6 TRƯỜNG TĨNH ĐIỆN A. Nội dung 24
  25. 25. 6.1 Khái niệm mở đầu. Định luật Coulomb 6.1.1 Khái niệm mở đầu Khái niệm điện tích -Điện tích là đại lượng đặc trưng cho mức độ nhiễm điện của một vật. Đơn vị là Coulomb (C) -Có hai loại điện tích là điện tích âm và dương. Các điện tích cùng loại thì đẩy nhau, khác loại thì hút nhau Thuyết điện tử -Nguyên tử là một hệ điện gồm hạt nhân mang điện tích dương ở giữa và các điện tử mang điện tích âm chuyển động xung quanh -Ở điều kiện bình thường, tổng số điện tích dương của hạt nhân bằng tổng số điện tích âm của điện tử ở vỏ, nguyên tử trung hòa về điện -Nguyên tử bị mất điện tử, nó trở nên thừa điện tích dương và trở thành ion dương. Nguyên tử thu thêm điện tử, nó trở nên thừa điện tích âm và trở thành ion âm Vật dẫn – điện môi – chất bán dẫn - Vật dẫn là vật để cho điện tích chuyển động tự do trong toàn bộ thể tích của vật Các kim loại, các dung dịch axít, muối, bazơ, các muối nóng chảy… là các vật dẫn - Điện môi là vật mà điện tích xuất hiện ở đâu sẽ định xứ ở đấy Thủy tinh, êbônit, cao su, dầu, nước nguyên chất… là các điện môi - Chất bán dẫn là những chất có tính chất dẫn điện trung gian giữa vật dẫn và điện môi 6.1.2 Định luật Coulomb 6.1.2.1 Định luật Coulomb trong chân không Lực tương tác giữa hai điện tích điểm có phương nằm trên đường nối hai điện tích, chiều hút nếu trái dấu và đẩy nếu cùng dấu, độ lớn tỉ lệ thuận với tích độ lớn hai điện tích và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng 25 1 2 1 2 2 2 0 1 4 q q q q F k r rπε = =
  26. 26. k= 9.109 Nm2 /C2 ; ε0 = 8,86.10-12 C2 /N.m2 Hình 6.1 Lực tĩnh điện tương tác giữa hai điện tích 6.1.2.2 Định luật Coulomb trong các môi trường ε là hằng số điện môi của môi trường đặt điện tích 6.2 Khái niệm điện trường. Vectơ cường độ điện trường 6.2.1 Khái niệm điện trường - Điện trường là một môi trường vật chất đặc biệt bao quanh các điện tích, làm trung gian truyền tương tác tới các điện tích khác đặt vào môi trường đó - Đặc điểm của điện trường là bất kì một điện tích nào đặt vào điện trường đều bị nó tác dụng một lực, lực này gọi là lực điện trường - Điện trường bao quanh các điện tích đứng yên gọi là điện trường tĩnh Các đại lượng đặc trưng cho điện trường + Vectơ cường độ điện trường E + Vectơ cảm ứng điện D + Điện thế 6.2.2 Vectơ cường độ điện trường - Định nghĩa: q0 là điện tích thử dương tại điểm cần tính cường độ điểm trường - Đơn vị: V/m - Ý nghĩa: Nếu q0 = +1C thì - Vectơ cường độ điện trường gây bởi một điện tích điểm: Hình 6.2 Cường độ điện trường tại điểm M do điện tích q gây ra - Nguyên lí chồng chất điện trường: Hay Vectơ cảm ứng điện 26 11 2 1 2 2 2 4 0 q q q qr r F k r r r rε πε ε = = r r r 0 F E q = r r E F= ur ur 1 2 2 4 40 0 qq r E E r r rπε ε πε ε = ⇒ = r r ...1 2 1 n E E E E Ei n i ∑= = + + + = r r ur uur uur E dE= ∫ r uur toµn bé vËt
  27. 27. - Định nghĩa: - Đơn vị: C/m2 - Vectơ cảm ứng điện gây bởi một điện tích điểm - Cảm ứng điện không phụ thuộc môi trường 6.2.3 Thí dụ …… 6.3 Điện thông. Định lí Ô-G đối với điện trường 6.3.1 Điện thông (Thông lượng của vectơ cảm ứng điện) 6.3.1.1 Đường sức điện trường (Đường cảm ứng điện) Định nghĩa: Là đường cong trong điện trường mà vectơ cảm ứng điện tại một điểm trên đường cong đó có phương trùng với tiếp tuyến của đường cong tại điểm đó Chiều đường sức điện trường tại một điểm qui ước là chiều của vectơ cảm ứng điện tại điểm đó Qui ước: Số đường sức vẽ qua một đơn vị diện tích đặt vuông góc với các đường sức tỉ lệ với độ lớn của cảm ứng điện tại điểm đặt đơn vị diện tích đó Tính chất: - Qua một điểm trong điện trường chỉ vẽ được duy nhất một đường cảm ứng điện - Đường cảm ứng điện là đường cong hở xuất phát ở điện tích dương và kết thúc ở điện tích âm - Điện trường mạnh ở những nơi có đường sức mau, điện trường yếu ở những nơi có đường sức thưa Điện trường đều: Điện trường mà vectơ cường độ điện trường tại mọi điểm đều như nhau cả về phương chiều và độ lớn. Đường sức điện của điện trường đều là những đường thẳng song song cách đều nhau Đường cảm ứng của một số điện trường đặc biệt Hình 6.3 Đường cảm ứng của một số điện trường đặc biệt 6.3.1.2 Sự gián đoạn của đường sức điện trường. Vectơ cảm ứng điện (điện cảm) Do E tỉ lệ nghịch vớiε nên khi đi qua mặt phân cách của hai môi trường (hằng số điện môi ε thay đổi), cường độ điện trường E biến 27 0D Eεε= r r 3 2 4 4 qq r D D r rπ π = ⇒ = r r
  28. 28. đổi đột ngột. Vì vậy, phổ các đường sức điện trường bị gián đoạn ở mặt phân cách của hai môi trường Hình 6.4 Sự gián đoạn của phổ đường sức điện trường Vì D không phụ thuộc môi trường nên khi đi qua mặt phân cách của hai môi trường khác nhau, phổ các đường cảm ứng điện là liên tục. Hình 6.5 Sự liên tục của phổ đường cảm ứng điện 6.3.1.3 Thông lượng cảm ứng điện (điện thông) Điện thông qua diện tích dS vô cùng bé Điện thông qua một diện tích S bất kì Điện trường đều và Đơn vị: Coulomb (C) Hình 6.6 Điện thông qua diện tích dS Ý nghĩa: Điện thông qua một diện tích tỉ lệ với số đường cảm ứng điện vẽ qua diện tích đó 6.3.2 Định lí Ô-G 6.3.2.1 Góc khối Giả sử α là góc tạo bởi hai vectơ n r và OM r= uuuur r , ta định nghĩa góc khối từ O nhìn diện tích dS là đại lượng os 2 r dSc d α Ω = hay 2 r dSn dΩ = Góc khối dΩ là một đại lượng vô hướng: 0dΩ > khi α nhọn; 0dΩ < khi α tù Để xác định góc khối từ O nhìn một mặt S bất kì, ta chia S thành những diện tích vi phân dS rồi xác định góc khối dΩ từ O nhìn dS sau đó tích phân cho cả mặt S: os 2( ) ( ) r dSc d S S α Ω = Ω =∫ ∫ Giá trị tuyệt đối Ω chính là phần diện tích mặt cầu ( tâm O, bán kính 1) nằm trong mặt nón đỉnh O tựa trên chu vi của S Nếu S là mặt cầu tâm O bán kính r =1, thì 2 4 .1 4π πΩ = = Nếu chọn chiều n r hướng ra ngoài mặt S, thì 4πΩ = + ; ngược lại thì 4πΩ = − 28 dSDDdSdSDd ne === αφ cos. ( ) ( ) ( ) ∫∫∫ === S n SS ee dSDdSDdφφ : eS D DSφ⊥ = ur
  29. 29. 6.3.2.2 Điện thông xuất phát từ một điện tích điểm q Cho một điện tích điểm q đặt tại vị trí O cố định; trong khoảng không gian xung quanh q tồn tại điện trường của q. Xét một diện tích vi phân dS và gọi n r là vectơ pháp tuyến dương của dS, có chiều hướng ra ngoài O. Tại một điểm M của dS (OM =r) vectơ cảm ứng điện D ur có phương nằm theo OM r= uuuur r , có chiều từ O đi ra nếu q >0, đi vào O nếu q <0 và có độ lớn: 1 2 4 q D rπ = Điện thông qua diện tích vi phân dS cho bởi q os dScos =0 2 4 r dSc d D α α π Φ = Hay theo định nghĩa của góc khối: q 4 d de π Φ = Ω dΩ là góc khối từ O nhìn dS; ta có thể viết q 4 d de π Φ = Ω Và dễ dàng nghiệm lại rằng đẳng thức trên đúng trong cả hai trường hợp q >0 và q <0. Ta tính điện thông đi qua một mặt kín S bao quanh q: 4 q d deS S Sπ Φ = Φ = Ω∫ ∫ Qui ước pháp tuyến dương hướng ra ngoài S: 4d S πΩ =∫ e q⇒ Φ = Hệ thức này đúng trong cả hai trường hợp q >0 và q <0 Trong trường hợp điện tích q nằm ngoài mặt kín S, điện thông qua S cho bởi: q 4 de Sπ Φ = Ω∫ Ta dựng mặt nón đỉnh O tiếp xúc với mặt kín S; đường tiếp xúc của mặt nón ấy với S chia S thành hai phần là S1 và S2. Khi đó tích phân góc khối đối với S tách thành tổng hai tích phân: 1 2 d d d S S S Ω = Ω + Ω∫ ∫ ∫ Với qui ước chọn chiều pháp tuyến dương tại một điểm trên S luôn hướng ra ngoài S Ta có: 1 d S Φ = +∆Σ∫ ; 3 2S Φ = −∆Σ∫ Với ∆Σ là phần diện tích của mặt cầu (tâm O, r =1) nằm trong hình nón tiếp xúc nói trên 29
  30. 30. Cuối cùng ta được điện thông eΦ qua S: ( ) 0 4 q e π Φ = ∆Σ − ∆Σ = Kết luận: Điện thông do một điện tích q gây ra qua mặt kín S có giá trị bằng q nếu q ở trong mặt kín S và bằng 0 nếu q ở ngoài mặt kín S (với qui ước chọn chiều pháp tuyến dương hướng ra ngoài S) Vậy, điện thông qua mặt kín S bằng tổng điện thông do từng điện tích gây ra qua mặt kín S 6.3.2.3 Định lí Ô-G Điện thông qua một mặt kín bằng tổng đại số các điện tích chứa trong mặt kín ấy Biểu thức: *D dS qe iiS ∑Φ = =∫ ur uur i ∑ là phép lấy tổng đại số các điện tích chứa trong mặt kín S Chọn chiều dS uur luôn hướng ra ngoài mặt S 6.3.2.4 Dạng vi phân của định lí Ô-G. Phương trình Poatxông Nếu điện tích trong thể tích V được phân bố liên tục thì ta có thể biểu diễn định lí Ô-G dưới một dạng khác (dạng vi phân) Biểu thức: divD ρ= ur ρ là mật độ điện tích khối Hay còn gọi là phương trình Poatxông (được dùng để tính cường độ điện trường tại một điểm bất kì trong điện trường nếu biết hàm phân bố điện tích) Chứng minh định lí trong trường hợp đơn giản ( ) ( ) ( ) . .e S S S D dS D dS D dSφ = = =∫ ∫ ∫ ur uur 2 2 4 4 e q r q r φ π π = = Hình 6.7 Điện thông qua mặt kín S 6.3.2.5 Ứng dụng Điện trường của mặt phẳng vô hạn tích điện đều 2 D σ = 02 E σ ε ε = 0: Dσ > ur hướng ra xa mặt phẳng 0: Dσ < ur hướng vào mặt phẳng 30
  31. 31. Hình 6.8 Điện trường của mặt phẳng vô hạn tích điện đều Điện trường giữa hai mặt phẳng song song vô hạn tích điện đều, trái dấu, có cùng mật độ 0 ;D E σ σ ε ε = = Điện trường đều: 2D ⊥ ur bản, hướng từ bản dương sang bản âm Hình 6.9 Điện trường giữa hai mặt phẳng song song vô hạn tích điện đều, trái dấu, có cùng mật độ B/ Sinh viên tự đọc sách, nghiên cứu phần: Điện thế- Mặt đẳng thế * Điện thế + Công của lực tĩnh điện. Tính chất thế của trường tĩnh điện + Thế năng của một điện tích trong điện trường + Điện thế * Mặt đẳng thế + Định nghĩa + Tính chất của mặt đẳng thế Kiểm tra một tiết C/ Câu hỏi và bài tập 1/ Hai quả cầu nhỏ giống nhau, cùng khối lượng m, bán kính r, điện tích q được treo bằng hai sợi dây mảnh có cùng chiều dài l vào cùng một điểm. Do lực tương tác Coulomb, mỗi dây lệch một góc α so với đường thẳng đứng. Nhúng hai quả cầu vào dầu có ε 2 người ta thấy góc lệch mỗi dây vẫn là α. Tính khối lượng riêng D của quả cầu, biết khối lượng riêng của dầu là D0 = 0,8.103 kg.m3 2/ Cho ba điện tích cùng độ lớn q đặt ở ba đỉnh của một tam giác dều cạnh a trong không khí. Xác định lực tác dụng của hai điện tích lên điện tích thứ ba. Biết có một điện tích trái dấu với hai điện tích kia 3/ Hai điện tích dương q1 = q và q2 = 4q đặt cách nhau một đoạn d trong không khí. Phải đặt điện tích q0 ở đâu, bằng bao nhiêu để q0 nằm cân bằng? 4/ Một vòng tròn làm bằng một dây dẫn mảnh bán kính R mang điện tích q >0 phân bố đều trên dây. Xác định cường độ điện trường tại: a/ Một điểm M nằm trên trục vòng dây, cách tâm một đoạn h 31
  32. 32. b/ Tâm O của vòng dây 5/ Xác định cường độ điện trường gây bởi 1 sợi dây thẳng, mảnh, dài vô hạn tích điện đều với mật độ điện dài λ tại điểm M cách sợi dây một đoạn R? 6/ Tại ba đỉnh của tam giác ABC có AB = 30cm; AC = 40cm đặt ba điện tích dương q1 = q2 = q3 =q = 10-9 C. Xác định vecto cường độ điện trường tại chân đường cao hạ từ đỉnh góc vuông xuống cạnh huyền? 7/ Tại ba điểm A, B, C trong không khí tạo thành tam giác vuông tại A; AB = 4cm; AC = 3cm. Tại A đặt q1 = -2,7.10-9 C; tại B đặt q2. Biết 6 3 tổng hợp tại C có phương song song AB. Xác định q2 và E ur tại C? 8/ Hai điện tích –q và +q (q >0) đặt tại hai điểm A và B với AB = 2a trong không khí a/ Xác định cường độ điện trường tại M nằm trên trung trực của AB, cách AB một đoạn x b/ Tính x để EM cực đại và tính giá trị cực đại này 9/ Hai điện tích q1 = 4C và q2 = -4C đặt tại hai điểm A và B cách nhau 9cm trong chân không. Xác định điểm M để cường độ điện trường tổng hợp tại đó bằng không? 10/ Một giọt chất lỏng tích điện có khối lượng 2.109 g nằm cân bằng trong điện trường đều có phương thẳng đứng, có E = 1,25.105 V/m. Tính điện tích của giọt chất lỏng và số electron thừa hoặc thiếu trên giọt chất lỏng đó. Lấy g = 10m/s2 11/ Một quả cầu nhỏ, bằng kim loại có bán kính 1mm đặt trong dầu. Hệ thống đặt trong điện trường đều, E ur hướng thẳng đứng từ trên xuống và có độ lớn E = 106 V/m. Tìm điện tích của quả cầu để nó nằm lơ lửng trong dầu. Cho khối lượng riêng của kim loại và dầu là D = 2,7.103 kg/m3 ; D0 = 800kg/m3 . Lấy g = 10m/s2 12/ Một quả cầu kim loại bán kính 4cm tích điện dương. Để di chuyển điện tích q = 10- 9 C từ vô cùng đến M cách mặt quả cầu 20cm, người ta cần thực hiện một công A’ = 5.10-7 J. Tính điện thế trên mặt quả cầu do điện tích của quả cầu gây nên? 13/ Hai điện tích q1 = 5.10-6 C và q2 = 2.10-6 C đặt tại hai đỉnh A và D của hình chữ nhật ABCD; AB = a= 30cm; AD = b = 40cm. Tìm điện thế tại B và C 14/ Một vòng tròn làm bằng một dây dẫn mảnh, bán kính R mang điện tích q phân bố đều trên dây. Xác định điện thế tại: a/ Điểm M nằm trên trục vòng dây, cách tâm O một đoạn h b/ Tâm O của vòng dây 15/ Cho hai điện tích điểm q1 = 10-8 C; q2 = 4.10-8 C đặt cách nhau 12cm trong chân không. Tính điện thế tại điểm M mà cường độ điện trường gây ra bởi hai điện tích trên tại điểm đó bằng không? 16/ Có ba điện tích điểm q1 = 10-8 C; q2 = 2.10-8 C; q3 = -3.10-8 C đặt tại ba đỉnh của tam giác đều ABC cạnh a = 10cm trong không khí a/ Xác định điện thế tại tâm O và chân đường cao H kẻ từ A b/ Tính công của lực điện trường khi electron di chuyển từ O đến H Chương 7 TỪ TRƯỜNG KHÔNG ĐỔI A/ Nội dung 32
  33. 33. 7.1 Tương tác từ. Định luật Ampe 7.1.1 Thí nghiệm về tương tác từ • Tác dụng của dòng điện lên kim nam châm • Tác dụng của thanh nam châm lên cuộn dây có dòng điện • Tác dụng từ giữa hai dòng điện thẳng song song 7.1.2 Định luật Ampe Định luật Ampe là định luật tương tác giữa hai phần tử dòng điện Từ lực do phần tử dòng điện .I dl uur tác dụng lên phần tử dòng điện . 00I dl ur cùng đặt trong chân không là một vectơ 0dF uur với ( )0 0 0 0 3 4 I dl I dl r dF r µ π × × = uur ur r uur - Có phương vuông góc với mặt phẳng chứa phần tử . 00I dl ur và pháp tuyến n r - Có chiều sao cho ba vectơ 0;dl n uur r và 0dF uuur , theo thứ tự đó, hợp thành một tam diện thuận - Và có độ lớn bằng sin sin0 0 0 2 Idl I dl dF k r θ θ = Trong đó k là một hệ số tỉ lệ, phụ thuộc vào hệ đơn vị mà ta dùng. Trong hệ SI, 0 4 k µ π = với 0µ được gọi là hằng số từ, và có giá trị 7 4 .10 /0 H mµ π − = Nếu hai dòng điện I và I0 cùng đặt trong một môi trường đồng chất, thì lực từ sẽ là: ( )0 0 0 3 4 I dl I dl r dF r µ µ π × × = uur ur r uur 7.2 Vecơ cảm ứng từ và vectơ cường độ từ trường 7.2.1 Khái niệm từ trường Từ trường là dạng vật chất đặc biệt, đó là môi trường bao quanh các điện tích chuyển động có hướng và làm trung gian truyền tương tác từ Đặc điểm: Nếu trong từ trường, đặt một điện tích chuyển động hoặc dòng điện thì từ trường sẽ tác dụng lên chúng một lực từ Các đại lượng đặc trưng của từ trường: Vectơ cảm ứng từ B Vectơ cường độ từ trường H 7.2.2 Vectơ cảm ứng từ 33
  34. 34. Vectơ cảm ứng từ dB uur do một phần tử dòng điện Idl uur gây ra tại điểm M, cách phần tử một khoảng r là một vectơ có: - Gốc tại điểm M - Phương vuông góc với mặt phẳng chứa phần tử dòng điện Idl uur và điểm M - Chiều sao cho ba vectơ ;dl r uur r và dB uur theo thứ tự này hợp thành một tam diện thuận (qui tắc vặn nút chai) - Độ lớn dB được xác định bởi công thức sin0 2 4 Idl dB r µ µ θ π = 7.2.3 Nguyên lí chồng chất từ trường Đối với 1 dòng điện: ; Đối với 1 hệ dòng điện: Từ trường của một số dòng điện đặc biệt Dòng điện thẳng: Dòng điện tròn: 7.2.4 Vectơ cường độ từ trường Định nghĩa: Đơn vị: A/m Tính chất: Không phụ thuộc môi trường, phụ thuộc hình dạng, kích thước, chiều và cường độ dòng điện, phụ thuộc vị trí điểm khảo sát Đặc điểm: Vectơ cường độ từ trường là đại lượng đặc trưng cho từ trường tại một điểm 7.3 Từ thông. Định lí Ô-G đối với từ trường 7.3.1 Đường cảm ứng từ 34 B d B toanday → → = ∫ 1 n B Bi i → → ∑= = R I B π µµ 2 0 = 0 21 180;0 →→ θθ ( )21 coscos 4 θθ π −= R I B R I R IS B 22 03 0 µµ π µµ == ( ) 2/322 0 2 hR IS B + = π µµ 0 B H µµ = r ur
  35. 35. Khái niệm: Đường cảm ứng từ là đường cong vạch ra trong từ trường sao cho tiếp tuyến tại mọi điểm của nó trùng với phương của vectơ cảm ứng từ tại những điểm ấy, chiều của đường cảm ứng từ là chiều của vectơ cảm ứng từ Tập hợp các đường cảm ứng từ hợp thành từ phổ Đường sức từ là đường khép kín, có bao nhiêu đường sức từ đi vào một mặt kín (S) thì sẽ có bấy nhiêu đường sức từ đi ra khỏi mặt kín đó 7.3.2 Từ thông (thông lượng của vectơ cảm ứng từ) Từ thông qua dS Từ thông qua S bất kì Từ trường đều và Đơn vị: 1Wb = 1T.m2 Ý nghĩa: Từ thông qua một diện tích tỉ lệ với số đường cảm ứng từ vẽ qua diện tích đó 7.3.3 Tính chất xoáy của từ trường Ta đã biết một trường có các đường sức khép kín được gọi là một trường xoáy, và qua nghiên cứu từ phổ của từ trường các dòng điện ta nhận thấy các đường cảm ứng từ là các đường cong khép kín. Vậy từ trường là một trường xoáy hay từ trường có tính chất xoáy 7.3.4 Định lí Ô-G đối với từ trường Phát biểu: Từ thông qua một mặt kín bất kì luôn bằng không Biểu thức: Dạng vi phân: 35 . cosd B dS BdS B dSm nϕ α= = = r uur ( ) ( ) ( ) d BdS B dSm m n S S S ϕ ϕ= = =∫ ∫ ∫ ruur S B⊥ ur m BSφ = ( ) . 0 S B dS =∫ ur uur Ñ 0divB = ur
  36. 36. Ý nghĩa: - Đường sức từ là đường khép kín, không có điểm xuất phát và điểm kết thúc - Không tồn tại các phần tử từ cơ bản (từ tích) giống như các điện tích - Từ trường là trường xoáy B/ Sinh viên tự đọc sách, nghiên cứu phần: - Giải bài tập ứng dụng phần vectơ cảm ứng từ và vectơ cường độ từ trường - Lưu số của vectơ cường độ từ trường. Định lí về dòng điện toàn phần + Lưu số của vectơ cường độ từ trường + Định lí Ampe về dòng điện toàn phần + Ứng dụng + Mạch từ Kiểm tra một tiết C/ Câu hỏi và bài tập 1/ Một dòng điện có cường độ I = 5A chạy trong một dây dẫn thẳng dài. Xác định cảm ứng từ tại hai điểm M, N. Cho biết M, N và dòng điện nằm trên mặt phẳng hình vẽ và M, N cách dòng điện một đoạn d = 4cm 2/ Cảm ứng từ của một dòng điện thẳng tại điểm A cách dòng điện 2,5cm bằng 1,8.10- 5 T. Tính cường độ dòng điện? 3/ Hai dây dẫn thẳng dài có dòng điện chạy cùng chiều, song song cách nhau một khoảng cố định 42cm. Trong dây thứ nhất có dòng điện cường độ I1 = 3A, dây thứ hai có dòng điện cường độ I2 = 1,5A. Hãy tìm những điểm mà tại đó cảm ứng từ bằng không 4/ Hai dây dẫn thẳng dài có dòng điện chạy ngược chiều, song song cách nhau một khoảng cố định 42cm. Trong dây thứ nhất có dòng điện cường độ I1 = 3A, dây thứ hai có dòng điện cường độ I2 = 1,5A. Hãy tìm những điểm mà tại đó cảm ứng từ bằng không 5/ Một dây dẫn được uốn lại thành một hình vuông ABCD cạnh a có dòng điện I chạy qua. Tìm cảm ứng từ tại tâm O của hình vuông 6/ Một khung dây tròn bán kính R = 4cm gồm 10 vòng dây. Dòng điện chạy trong mỗi vòng dây có cường độ I = 0,3A. Tính cảm ứng từ tại tâm của khung dây? 7/ Tính cảm ứng từ của hai vòng tròn dây dẫn đồng tâm; bán kính một vòng là R, vòng kia là 2R; trong mỗi vòng có dòng điện cường độ I chạy qua cùng chiều, hai vòng nằm trong cùng một mặt phẳng? 8/ Tính cảm ứng từ của hai vòng tròn dây dẫn đồng tâm; bán kính một vòng là R, vòng kia là 2R; trong mỗi vòng có dòng điện cường độ I chạy qua ngược chiều, hai vòng nằm trong cùng một mặt phẳng? 9/ Tính cảm ứng từ của hai vòng tròn dây dẫn đồng tâm; bán kính một vòng là R, vòng kia là 2R; trong mỗi vòng có dòng điện cường độ I chạy qua có chiều bất kì, hai vòng nằm trong hai mặt phẳng vuông góc nhau? 36
  37. 37. Chương 8 QUANG HÌNH A/ Nội dung 8.1 Các định luật cơ bản của quang hình học 8.1.1 Định luật về sự truyền thẳng ánh sáng Trong một môi trường trong suốt đồng tính và đẳng hướng ánh sáng truyền theo đường thẳng 8.1.2 Định luật về tác dụng độc lập của tia sáng Tác dụng của các chùm sáng khác nhau thì độc lập với nhau, nghĩa là tác dụng của một chùm sáng này không phụ thuộc vào sự có mặt hay không của các chùm sáng khác 8.1.3 Hai định luật của Đềcác Định luật Đềcác thứ nhất: Tia phản xạ nằm trong mặt phẳng tới (tức là mặt phẳng chứa tia tới và pháp tuyến) và góc tới bằng góc phản xạ i1: là góc tới ; i’1: là góc phản xạ Định luật Đềcác thứ hai: Tia khúc xạ nằm trong mặt phẳng tới và tỉ số giữa sin góc tới và sin góc khúc xạ là một số không đổi Sini1: sin góc tới; sini2: sin góc khúc xạ; n21: chiết suất tỉ đổi của môi trường 2 đối với môi trường 1 8.2 Quang cụ: Kính lúp, kính ngắm, ống chuẩn trực và kính quang trắc 8.2.1 Kính lúp: Kính lúp là một dụng cụ quang học bổ trợ cho mắt trong việc quan sát các vật nhỏ. Nó có tác dụng làm tăng góc trông ảnh bằng cách tạo ra một ảnh ảo lớn hơn vật và nằm trong giới hạn nhìn rõ của mắt Kính lúp đơn giản nhất là một thấu kính hội tụ có tiêu cự ngắn 8.2.2 Kính ngắm, ống chuẩn trực và kính quang trắc 8.3 Các đại lượng trắc quang 8.3.1 Quang thông Quang thông do một chùm sáng gửi tới diện tích dS là một đại lượng có trị số bằng phần năng lượng gây ra cảm giác sáng gửi tới dS trong một đơn vị thời gian 8.3.2 Độ sáng Độ sáng là đại lượng đặc trưng cho khả năng phát sáng của nguồn theo một phương Đơn vị độ sáng là canđela (cd) Canđela là độ sáng đo theo phương vuông góc của một diện tích nhỏ, có diện tích 1/600.000 mét vuông, bức xạ như một vật bức xạ toàn phần, ở nhiệt độ đông đặc của platin dưới áp suất 101325 N/m2 Nếu I = 1 camđela; = 1 stêradian thì = 1 canđela .1 stêrađian = 1 lumen Lumen (lm) là quang thông của một nguồn sáng điểm đẳng hướng có độ sáng 1 canđela gửi đi trong góc khối 1 stêrađian 8.3.3 Độ rọi: Độ rọi E của một mặt nào đó là một đại lượng có giá trị bằng quang thông gửi tới một đơn vị diện tích của mặt đó 37 ' 1 1i i= sin 1 21 sin 2 i n i = onst P c T = d I d Φ = Ω dΩ dΦ d E dS Φ = 2 os r IdSc d Id α Φ = Ω =
  38. 38. Xét diện tích dS được rọi sáng bởi nguồn điểm O có độ sáng là I. Quang thông gửi tới dS là: Vậy độ rọi của diện tích dS là: Đơn vị độ rọi: nếu và dS =1m2 thì độ rọi E = 1lumen/m2 hay còn gọi là lux Vậy, lux (lx) là độ rọi của một mặt mà cứ 1m2 của mặt đó nhận được một quang thông là 1 lumen B/ Sinh viên tự đọc sách, nghiên cứu phần: Quang sai, kính hiển vi, kính thiên văn C/ Câu hỏi và bài tập - Chiết suất tỉ đối là gì? Chiết suất tuyệt đối là gì? Nêu hệ thức giữa hai loại chiết suất đó? - Nêu cấu tạo và cách ngắm chừng ảnh của một vật qua kính lúp, kính ngắm, ống chuẩn trực và kính quang trắc 1/ Cho một bản hai mặt song song có chiết suất n, bề dày e, đặt trong không khí. Xét một tia sáng SI từ một điểm sáng S tới bản tại I với góc tới là i, tia sáng khúc xạ đi qua bản và ló ra theo tia JR a/ Chứng tỏ rằng tia ló JR song song với tia tới SI b/ Xác định vị trí của ảnh S’ cho tới bản song song bằng cách vẽ đường đi tia sáng. Tính khoảng cách SS’ giữa vật và ảnh theo e và n c/ Tính lại khoảng cách SS’ nếu điểm sáng S và bản cùng ở trong nước có chiết suất n’ 2/ Mắt O nhìn xuống đáy một chậu nước có chiết suất là n = 4/3, bề dày lớp nước là 16cm. Đáy chậu là một gương phẳng, nằm ngang. Mắt cách mặt thoáng của nước là 21cm. Hỏi ảnh của mắt cho bởi quang hệ cách mắt một khoảng bao nhiêu cm? 3/ Một thước kẻ dài 40cm được để chìm một nửa chiều dài trong nước (nN = 4/3). Thước nghiêng 450 với mặt thoáng của nước. Hỏi mắt ở trong không khí sẽ thấy phần chìm của thước làm với mặt thoáng của nước một góc bao nhiêu độ? 4/ Một cái đinh được cắm vuông góc vào tâm O một tấm gỗ hình tròn có bán kính R= 5cm. Tấm gỗ được thả nổi trên mặt thoáng của một chậu nước. Đầu A của đinh ở trong nước. Cho nN = 4/3. a/ Cho chiều dài OA của đinh ở trong nước là 8,7cm. Hỏi mắt ở trong không khí sẽ nhìn thấy đầu đinh ở cách mặt nước bao nhiêu cm? b/ Cho chiều dài OA giảm dần. Tìm khoảng cách OA để mắt không còn nhìn thấy đầu A của đinh? 5/ Cho một bản thủy tinh hai mặt song song, có bề dày 6cm, chiết suất 1,5. Một vật sáng AB cao 4cm, cách bản 20 cm và song song với các mặt của bản. a/ Xác định vị trí, độ lớn và tính chất của ảnh? b/ Bây giờ đặt sau bản một gương phẳng song song với bản và cách bản 10cm. Xác định ảnh cho bởi quang hệ này. 38 os 2 r d Ic E dS αΦ = = 1ld umenΦ =
  39. 39. c/ Cho vật tiến lại gần bản một đoạn 2cm thì ảnh cho bởi quang hệ di chuyển theo chiều nào, một đoạn bằng bao nhiêu? 6/ Cho các dụng cụ: 1 bản mặt song song, trong suốt; 1 compa; 1 thước thẳng; 1 tờ giấy trắng Hãy trình bày và giải thích một phương án thực nghiệm để xác định chiết suất của bản mặt song song. HƯỚNG DẪN GIẢI: 9/ a/ Tại I: sini = nsinr Góc tới tại J là r: nsinr = sini’ .... suy ra i’ = i. Vậy tia ló song song với tia tới SI b/ Vẽ thêm tia tới SH thẳng góc với mặt bản. Tia này đi thẳng qua bản. Điểm cắt nhau S’ của hai tia ló JR và H’ R’ là ảnh của S cho bới bản. Ta có SS’ = IK = IP – KP = e – KP; Mặt khác, JP = IP tanr = IP r = er; Suy ra: KP = JP/ tani = er/ i; Suy ra: SS ’ = e – KP = e (1- r/i) Mà i== nr hay r/i = 1/n; Vậy, ta có SS’ = e. (n-1)/n c/ Bản mặt song song và S ở trong nước có chiết suất n’ . Chứng minh như câub/ nhưng thay n bằng chiết suất tỉ đối của bản đối với môi trường bên ngoài: n  n/n’ . Vậy, ta có: SS’ = e. (1- r/i) = e (1- n’ /n). Hay SS’ = e. (n- n’ )/n 10/ Coi mắt là vật. Ánh sáng từ O qua mặt phân cách không khí- nước cho ảnh là O1. Ta có: HI =HOtani=HO1tanr ĐK cho ảnh rõ nét là nhỏ  HO1/HO = Tani/tanr = i/r Mặt khác sini = nsinr nên: sini/ sinr = i/r = n Vậy, ta có: HO1/ HO = n ; Suy ra: HO1 = n.HO = 4/3.21 = 28cm. Ảnh O1 là vật đối với gương phẳng, cho ảnh là O2 đối xứng với O1 qua gương. Ta có: KO2 = KO1 = KH + HO1; KO2 = 16cm + 28cm = 44cm O2 cách mặt thoáng của nước là: HO2 = KO2 + HK = 44cm + 16cm = 60cm Chùm tia phản xạ từ đáy chậu đi qua mặt phân cách nước – không khí cho ảnh cuối cùng là O3. HM = HO3 tani = HO2 tanr; HO3 = HO2 tanr/tani Suy ra, HO3 = 1/n HO2 = 3/4. 60 = 45cm Vậy ảnh O3 cách mắt là: OO3 = OH + HO3 = 21cm + 45cm = 66cm 11/ Xét chùm tia sáng xf từ đầu A ở trong nước. Các tia ló dường như xf từ A’ (hình vẽ). Đoạn A’ O là ảnh của nửa AO của thước khi nhìn qua mặt phân cách không khi- nước. Ta có: HA’ = HAtani/tanr = HA.i/r Mặt khác, i/r == 1/n  HA’ = HA 1/n Ở đây, HA = OA sin 45 = 20.căn2/2 == 14,14cm Vậy, HA’ = 14,14.3/4= 10,61cm Mắt thấy dường như phần chìm của thước làm với mặt thoáng của nước một góc là HOA’ Tan HOA’ = HA’ /HO = HA’ /HA = 10,61/ 14,14 = 0,75 Suy ra HOA’ = 37 độ 12/a/ tan al = OA/ R = 8,7/5 = 1,73  al = 60 độ Góc tới của tia AB là: i= 90 – al = 30 độ Từ hình vẽ, OB = OA tani = OA’ tanr  OA’ = OA. Tani/tanr 39
  40. 40. Trong đó: sinr = n sini = 4/3 sin30 =2/3; cosr = căn (1- sin2 r) = căn 5/3 Vậy, tanr = 2/ căn 5. Mắt thấy đầu đinh A cách mặt nước một khoảng là: OA’ = OA tani/ tanr = 8,7 căn 5/ 2căn3 – 5,62cm b/Cho chiều dài AO giảm dần thì góc tới i sẽ tăng dần. Khi i > igh thì tia sáng sẽ phản xạ toàn phần, không có tia khúc xạ ló ra không khí. Khi đó, mắt không còn nhìn thấy đầu A của đinh nữa. Ta có; sinigh = 1/n = 3/4 = 0,75 Cosigh = căn (1- sin2 igh ) = căn 7/ 4 – 0,66 Hình vẽOA = OB tan (bi/2 – igh) = OB cosigh/ sinigh – 4,4cm Vậy, nếu OA <4,4cm thì mắt sẽ không nhìn thấy đầu A của đinh. 13/ a/ Ảnh cách vật: AA1 = e(n-1)/n = 2cm Độ lớn A1B1 = AB = 4cm, ảnh ảo, cách bản là 18cm b/ Sơ đồ tạo ảnh: AB (L): A1B1 (G): A2B2 (L): A3B3 A1B1 là vật đối với gương phẳng G, cách gương này 34cm. Ảnh cho bởi gương phẳng A2B2 = A1B1 =4cm và ở sau gương, cách gương: HA2 = HA1 = 34cm; Tia sáng phản xạ từ gươngG, đi qua bản L A2B2 bây giờ là vật đối với bản L, có ảnh tương ứng là A3B3. Tacó: A2A3 = e. (n-1)/n = 2cm. Vậy, ảnh 40

×