Vật lý - Chương 4: Công và Năng lượng

Chương'4' Công'và'Năng'lượng' 7/10/15' Công'và'Công'suất' 1.  Công' !  Công'là'một'đại'lượng'dùng'để'đánh'giá'kết'quả'của' lực'tác'dụng'lên'một'vật'mà'kết'quả'là'gây'ra'chuyển' động'hay'làm'thay'đổi'trạng'thái'chuyển'động'của' vật'đó.' 7/10/15' ! F Công'và'Công'suất' 1.  Công' !  Định'nghĩa:'Gọi''''''là'lực'tác'dụng'lên'vật'và'kết'quả'' là'làm'vật'di'chuyển'một'quãng'đường'''''.'Công'của' lực'''','ký'hiệu'là'A,'được'định'nghĩa'là'tích'vô'hướng' của'véc'tơ'lực'tác'dụng'''''và'véc'tơ'độ'dời'''''của'vật.' ' ' !  Đơn'vị:'Jun'(J).'1#J#=#1#N.m# 7/10/15' ! F ! d! F ! F ! d A = ! F ⋅ ! d = F ⋅d ⋅cosα = F// ⋅d α ! F ! d ! F// Công'và'Công'suất' 2.  Tính'chất'của'công' !  Công'là'một'đại'lượng'vô'hướng' !  Khi'α#=#0,'cosα#=#1'nên##A#=#F.d# !  Khi'α#=#90°,'cosα#=#0,#A#=#0' !  Nếu'd'='0'=>'A'='0.' !  Công'có'thể'âm'hay'hương'phụ'thuộc'vào'chiều'của' lực'tác'dụng'và'hướng'dịch'chuyển'của'vật.' 7/10/15' α F ! d ! α F ! d ! 0A900 >⇒°<<° α 0A18090 <⇒°<<° α Công'và'Công'suất' 3.  Công'toàn'phần'thực'hiện'trên'một'vật' !  Nếu'vật'di'chuyển'trên'quỹ'đạo''''''''''''''''''''''''''''''''''''' cong'bất'kỳ,'ta'chia'nhỏ'quỹ'đạo'''''''''''''''''''''''''''''''''' thành'từng'quãng'đường'nhỏ''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''' sao'cho'quãng'đường'''''''đó'là'''''''''''''''''''''''''''''''''''''''' thẳng'và'lực'tác'dụng'lên'vật'trên'''''''''''''''''''''''''''''''''''''''' toàn'bộ'quãng'đường'''''''là'không'đổi.' !  Công'''''''thực'hiện'trên'quãng'đường'nhỏ'''''''bằng:' !  Do'đó,'công'thực'hiện'trên'toàn'bộ'quãng'đường'AB' là:' 7/10/15' sd ! sd ! BF ! sd ! A sdFdA !! ⋅= ∫∫ ⋅== B A B A sdFdAA !! sd ! sd ! dA Công'và'Công'suất' 4.  Công'suất' !  “Công'suất'là'tốc'độ'thực'hiện'công”.' !  Công'suất'trung'bình' !  Công'suất'tức'thời' !  Xét'trong'mối'liên'hệ'với'vật'chuyển'động' !  Đơn'vị:'Oát'(W)' 7/10/15' t A Ptb Δ Δ = dt dA t A limP 0t = Δ Δ = →Δ dA = ! F ⋅d ! s ⇒ P = dA dt = ! F d ! s dt = ! F ⋅ ! v s J 1W1 = Năng'lượng' 1.  Năng'lượng'là'đại'lượng'đặc'trưng'cho'mức'độ' vận'động'của'vật'chất.'Mỗi'dạng'vận'động'có'một' dạng'năng'lượng'tương'ứng.' 2.  Năng'lượng'là'một'hàm'của'trạng'thái.'Khi'vật' tương'tác'với'các'vật'khác'nó'sẽ'thay'đổi'trạng' thái'và'thay'đổi'(trao'đổi)'năng'lượng.' 3.  Năng'lượng'có'thể'được'truyền'từ'vật'này'sang' vật'khác'thông'qua'quá'trình'tương'tác'hoặc'có' thể'chuyển'hóa'từ'dạng'này'sang'dạng' 4.  Trong'chuyển'động'cơ'học'vật'trao'đổi'năng' lượng'bằng'cách'sinh'công'hay'nhận'công.' 7/10/15' Năng'lượng' 5.  Giả'thiết'khi'một'hệ'thay'đổi'trạng'thái'từ'trạng' thái'(1)sang'trạng'thái'(2),'thực'nghiệm'cho'thấy' 6.  Trong'đó'W1'và'W2'là'năng'lượng'của'hệ'ở'trạng' thái'(1)'và'(2),'A'là'công'mà'hệ'thực'hiện' 7.  Nếu'A'>'0'hệ'nhân'công,'A'<'0'hệ'thực'hiên'công,' còn'nếu'hệ'cô'lập'thì'A'='0.'Khi'đó'W1'='W2'='const.'' 8.  Định'luật'bảo'toàn'và'chuyển'hóa'năng'lượng:' “Năng'lượng'không'tự'sinh'ra'và'cũng'không'tự' mất'đi.'Nó'chỉ'chuyển'hóa'từ'dạng'này'sang'dạng' khác'hay'truyền'từ'vật'này'sang'vật'khác'mà'thôi”' 7/10/15' AWWW 12 =−=Δ Động'năng' 1.  Khái'niệm:'Động'năng'là'phần'năng'lượng'gắn'với' chuyển'động'của'vật' 2.  Biểu'thức'của'động'năng' 7/10/15' ∫∫ ⋅== B A B A AB sdFdAA !! ∫∫∫ =⋅=⋅=⇒== B A B A B A AB vdvmdt sd vmdsd dt vd mA dt vd mamF !!"!"!""" 2 A 2 B B A 2 AB mv2 1 mv 2 1 mv 2 1 A −== 2 BdB 2 AdA mv2 1 W;mv 2 1 W == BF ! sd ! A 2 d mv2 1 W =Tổng'quát' Động'năng' 3.  Định'lý'về'động'năng' !  Từ'biếu'thức'của'động'năng'suy'ra' !  Định'lý:'“Độ'biến'thiên'động'năng'của'vật'có'giá'trị' bằng'công'của'ngoại'lực'thực'hiện'lên'vật”' 4.  Ý'nghĩa'của'động'năng' !  Nếu'WdA'='0,'nghĩa'là'ban'đầu'vật'đứng'yên'thì'''''''' WdB'='AAB.' !  Vậy'“Động'năng'của'một'vật'chính'là'công'thực'hiện' để'tăng'tốc'vật'tới'giá'trị'vận'tốc'hiện'tại.”' 7/10/15' dAdBAB WWA −= Thế'năng' 1.  Trường'lực'và'Trường'lực'thế' !  Trường'lực:'Trường'véc'tơ'mô'tả'lực'tác'dụng'lên' chất'điểm'tại'mọi'vị'trí'trong'không'gian.' !  VD:'trường'lực'đàn'hồi'của'lò'xo,'trường'lực''hấp'dẫn' của'trái'đất,'trường'lực'tương'tác'tĩnh'điện' !  Trường'lực'thế:'Khi'chất'điểm'chuyển'động'trong' trường'lực'mà'công'của'lực'chỉ'phụ'thuộc'vào'điểm' đầu'và'điểm'cuối'của'quỹ'đạo'và'không'phụ'thuộc' vào'hình'dạng'của'quỹ'đạo'thì'trường'lực'đó'được' gọi'là'trường'lực'thế.' 7/10/15' Thế'năng' 2.  Ví'dụ:'Trọng'trường'của'trái'đất' !  Dấu'trừ'xuất'hiện'vì'trọng'lực'hướng'theo'chuyển' động'theo'chiều'h'giảm'(dh'<'0)' !  Biểu'thức'trên'chứng'tỏ'rằng'công'AAB'chỉ'phụ'thuộc' vào'hai'vị'trí'dầu'(hA)'và'vuối'(hB)'mà'không'phụ' thuộc'vào'hình'dạng'của'đường'đi.' !  Vậy'trọng'trường'của'trái'đất'là'trường'lực'thế' 7/10/15' ! F = ! p =m ! g dA = ! F ⋅d ! s = −mgdscosα = −mgdh AAB = dA A B ∫ = − mgdh hA hB ∫ =mg hA −hB( ) h A B h dhh + hA hB gm ! sd ! α Thế'năng' 3.  Định'nghĩa'thế'năng' !  Là'hàm'số'phụ'thuộc'vào'vị'trí' !  Thỏa'mãn'điều'kiện'là'công'của'lực'thế'làm'vật'di' chuyển'giữa'hai'điểm'bất'kỳ'trong'trường'lực'thế' bằng'độ'giảm'thế'năng'giữa'hai'điểm'đó.' !  Đối'với'trọng'trường'của'trái'đất' !  C'là'một'hằng'số'thường'được'lấy'bằng'0;'nghĩa'là' thế'năng'của'vật'tại'mặt'đất'(h'='0)'là'bằng'không.'Vì' vật'trong'trong'trường'của'trái'đất,'thế'năng'bằng' 7/10/15' AAB =WtA −WtB WtA =mghA +C và WtB =mghB +C ( ) mghhWt = Cơ'năng' 1.  Khái'niệm' 2.  Nguyên'lý'bảo'toàn'cơ'năng' !  Chất'điểm'di'chuyển'giữa'hai'vị'trí'A'và'B'trong' trường'lực'thế' ' !  Nếu'chất'điểm'chuyển'động'trong'trường'lực'thế'và' chỉ'chịu'tác'dụng'của'trường'lực'thế'thì'cơ'năng'của' chất'điểm'là'một'đại'lượng'bảo'toàn.' 7/10/15' W =Wd +Wt AAB =WtA −WtB AAB =WdB −WdA " # $ ⇒WtA −WtB =WdB −WdA WdA +WtA =WdB +WtA ⇒W =Wd +Wt = const Cơ'năng' 3.  Sơ'đồ'thế'năng' 7/10/15' xa ≤ x ≤ xb và x ≥ xc x ≤ xa và xb ≤ x ≤ xc # $ % Wt x( ) x Wba c xa xb xc Wt =Wt x( ) W =Wt +Wd = const ! " # ⇒Wt x( ) <W Chuyển'động'là'khả'dĩ' Chuyển'động'không'khả'dĩ' Trường'hấp'dẫn' 1.  Định'luật'vạn'vật'hấp'dẫn'của'Newton' !  “Mỗi'chất'điểm'tác'dụng'lên'các'chất'điểm'khác'một' lực'hút'có'độ'lớn'tỉ'lệ'thuận'với'tích'khối'lượng'của' chúng'và'tỉ'lệ'nghịch'với'bình'phương'khoảng'cách' giữa'chúng”'(Newton'1687).' !  Biểu'thức:'' !  '''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''''là'hằng'số'hấp'dẫn'vũ'trụ.' 7/10/15' m1 m2F21 F12 r F12 = F21 =G m1m2 r2 G = 6.67(42867 ) ⋅10−11 Nm2 kg2 Trường'hấp'dẫn' 2.  Dạng'véc'tơ'của'lực'hấp'dẫn' !  '''là'véc'tơ'hướng'từ'chất'điểm'1'sang'chất'điểm'2' 3.  Lực'hấp'dẫn'của'trái'đất' !  '''''''là'véc'tơ'có'độ'dài'bằng'bán'kính'trái'đất'và' hướng'từ'tâm'trái'đất'sang'chất'điểm'' 7/10/15' ! F12 = −G m1m2 r 3 ! r m1 m2 ! F12! r ! FTD = −G MTDm r3 ! r ≈ −G MTDm RTD 3 ! RTD ! r ! RTD Trường'hấp'dẫn' 4.  Vai'trò'của''lực'hấp'dẫn' !  Lực'hấp'dẫn'có'vai'trò'quan'trọng'nhất'ở'khoảng' cách'giữa'các'hành'tinh,'các'ngôi'sao,'các'thiên'hà' hay'vũ'trụ'(khoảng'cách'vĩ'mô)' !  Lực'hấp'dẫn'làm'cho'trái'đất'và'các'hành'tinh'khác' chuyển'động'trên'quỹ'đạo'xung'quanh'mặt'trời,'do' đó'nhận'được'năng'lượng'của'mặt'trời'giữ'cho'trái' đất'có'nhiệt'độ'thích'hợp'cho'sự'sống.' !  Lực'hấp'dẫn'giữ'cho'mặt'trời'ở'trạng'thái'cân'bằng' và'có'kích'thước'ổn'định,'luôn'nén'các'hạt'nhân' nguyên'tử'Hydro'làm'tăng'nhiệt'độ'mặt'trời'và'giữ' cho'phản'ứng'nhiệt'hạch'xảy'ra.' 7/10/15' Trường'hấp'dẫn' 5.  Hệ'quả'và'ứng'dụng'của'lực'hấp'dẫn' !  Sự'thay'đổi'của'gia'tốc'trọng'trường'theo'độ'cao' !  Tại'mặt'đất'(h'='0)' !  Ở'độ'cao'h'(h'<<'R)' 7/10/15' g = g0 RTD 2 RTD +h( ) 2 ≈ g0 1−2 h RTD # $ % & ' ( g0 =G MTD RTD 2 p =mg =G MTDm RTD +h( ) 2 ⇒ g =G MTD RTD +h( ) 2 Trường'hấp'dẫn' 5.  Hệ'quả'và'ứng'dụng'của'lực'hấp'dẫn' !  Tính'khối'lượng'của'các'thiên'thể' !  Khối'lượng'của'trái'đất' !  Khối'lượng'của'mặt'trời' 7/10/15' MTD = g0 RTD 2 G g0 = 9.81m /s 2; R = 6350km G = 6.67 ⋅10−11 Nm2 /kg2 ⇒ MTD = 6.10 24 kg MMT = 2.10 30 kg