Bài giảng vật lý đại cương chương 1 cơ học chất điểm và vật rắn

HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM
Vietnam National University of Agriculture

Giảng viên: Lê Văn Dũng
Bộ môn vật lý - Khoa Công nghệ thông tin


HỌC VIỆN NÔNG NGHIỆP VIỆT NAM
Vietnam National University of Agriculture

Bài mở đầu
Chương 1. Cơ học chất điểm và vật rắn
Chương 2. Dao động và sóng cơ học

Chương 3. Chất lỏng
Chương 4. Hệ nhiệt động
Chương 5. Điện trường
Chương 6. Từ trường và sóng điện từ
Chương 7. Quang sóng
Chương 8. Quang lượng tử và quang sinh học
Chương 9. Cơ học lượng tử. Vật lý nguyên tử và hạt nhân
2


Mở đầu
I. Phép đo. Độ bất định. Các chuẩn
Phép đo: Để biểu thị mối quan hệ giữa các đại lượng vật
lý một cách định lượng ta cần phải tiến hành các phép đo.
Độ bất định: Mỗi phép đo có một độ bất định (độ không
ổn định) gắn phép đo đó.
Chuẩn: Các đại lượng vật lý đều được định nghĩa cẩn

thận. Không chỉ các con số cần được đo chính xác mà
phép đo cũng phải quy về một chuẩn (Đơn vị cơ bản)

3


Mở đầu
Một số chuẩn trong vật lý
Thời gian: Một giây là thời gian của 9.192.631.770 chu
kì của một bức xạ xác định của nguyên tử xêsi 137.
Độ dài: Một mét là độ dài mà ánh sáng đi được trong
chân không trong một khoảng thời gian bằng
1/299729458 giây.
Khối lượng: Một kilogam là khối lượng của một khối trụ
platini – iriđi đặc biệt được cất giữ ở gần Paris, Pháp.
4


Mở đầu
II. Hệ các đơn vị
Hệ đơn vị chuẩn quốc tế (Système International d’unites) - SI
Đại lượng

Đơn vị

Kí hiệu

Chiều dài

Mét

M

Thời gian

Giây

s

Khối lượng

Kilôgam

kg

Cường độ dòng điện

Ampe

A

Nhiệt độ

Kenvin

K

Lượng chất

Mole

Mol

Cường độ sáng

Candela

Cd
5


Chương 1. Cơ học chất điểm và vật rắn
§1. Động học chất điểm
§2. Động lực học chất điểm
§3. Công và năng lượng
§4. Chuyển động quay của vật rắn

6


§1. Động học chất điểm
Động học: Nghiên cứu các đặc trưng của chuyển động và
những chuyển động khác nhau (Không tính đến lực tác dụng).

I. Một số khái niệm
1. Chuyển động cơ học và hệ quy chiếu
Chuyển động cơ học: Sự thay đổi vị trí của vật này đối
với vật khác hoặc sự thay đổi vị trí giữa các phần của
một vật đối với nhau.
Hệ quy chiếu: Vật (hệ vật) coi là đứng yên dùng làm

mốc để xác định vị trí của các vật trong không gian.
7


§1. Động học chất điểm
2. Chất điểm
+ Những vật có khối lượng nhưng kích thước không
đáng kể so với những khoảng cách khảo sát.
+ Khoảng cách từ Trái đất → Mặt trời: 150,000,000 Km
+ Bán kính Trái đất: 6,371 Km
+ Nếu xét chuyển động tự quay của trái đất khi đó trái
đất không được coi là chất điểm nữa
→ Chất điểm chỉ mang tính chất tương đối.
+ Hệ chất điểm: Tập hợp nhiều chất điểm.
8


§1. Động học chất điểm
3. Véctơ tọa độ và phương trình chuyển động (PTCĐ)
Véctơ tọa độ ( r): Véctơ được vẽ từ gốc tọa độ đến chất
điểm khảo sát.
+ Biểu diễn véctơ tọa độ trong Hệ tọa độ Đềcác 3 chiều:
z

r  x.i  y. j  z.k
+ Độ lớn:

r  x y z
2

2

(1)
M

2

k

(2)

r

O

Với i , j , k : 3 véctơ đơn vị hướng
theo 3 trục Ox, Oy, Oz.

i

y

j

x
9


§1. Động học chất điểm
Phương trình chuyển động (PTCĐ)

z

 x  f x (t )

M  y  f y (t )
 z  f (t )
z


(3)

r  r (t )

(4)

r

M

O

y

x

Ví dụ: Phương trình chuyển động của chất điểm dao
động điều hòa:



x  4cos(10t  )
4
10


§1. Động học chất điểm
4. Quỹ đạo chuyển động và Phương trình quỹ đạo
Quỹ đạo chuyển động: Đường cong mà chất điểm vạch ra
trong không gian khi chuyển động.

Phương trình quỹ đạo: Biểu diễn mối quan hệ giữa các
tọa độ không gian của chất điểm.
Ví dụ phương trình quỹ đạo Parapol trong mặt phẳng:

y  ax2  bx  c (a  0)
11


§1. Động học chất điểm


5. Hoành độ cong
M0

M

S

(C )

+ Xét chất điểm M chuyển động trên đường cong (C).
Tại thời điểm ban đầu chất điểm ở vị trí M 0
+ Tại mỗi thời điểm t, vị trí của chất điểm được xác định
bởi độ lớn cung M 0 M  S
+ S được gọi là hoành độ cong. Phương trình chuyển
động viết theo hoành độ cong:
S  S (t) (5)

12


§1. Động học chất điểm
II. Vận tốc
Khái niệm tốc độ
48m/h

6km/h

108.107 km/h

913 km/h
13


§1. Động học chất điểm
1. Vận tốc trung bình
+ Thời điểm: t1
Chất điểm ở vị trí M1, r1
+ Thời điểm: t 2
Chất điểm ở vị trí M2, r2

M1

s

M2

r
vtb 
t

r

r1

r2

Sau t  t2  t1 véctơ tọa độ biến thiên lượng:

r  r2  r1
14


§1. Động học chất điểm
r
→ Tỷ số
gọi là véc tơ vận tốc trung bình
t

r

vtb 
t

Đặc điểm của

vtb

+ Có phương và chiều của r
+ Độ lớn: vtb 

r

(1)
M1

s

M2

vtb

r
vtb 
t

r

r1

r2

t

+ Ý nghĩa: vtb cho ta biết phương chiều, mức độ nhanh
chậm trung bình của chuyển động trong cả khoảng thời
gian t
15


§1. Động học chất điểm
Ví dụ: Một chim bồ câu bay từ Giảng đường Nguyễn
Đăng dọc theo đường thẳng Đông - Tây
Tìm vận tốc trung bình trong các trường hợp:
a. Chim bay 50km từ sảnh về phía Đông trong 1 giờ
b. Chim bay 50km từ sảnh về phía Tây trong 1 giờ
Tìm tốc độ trung bình trong các trường hợp trên

x2  x1
v
t2  t1

Qu·ng ®­êng ®· ®i
u
Thêi gian ®· ®i
16


§1. Động học chất điểm
2. Vận tốc tức thời
+ Xét khoảng thời gian vô cùng nhỏ: t  0

r dr
 lim

 v (2)
t 0 t
dt
Định nghĩa: Vận tốc chuyển động của chất điểm là đại
lượng được xác định bằng đạo hàm của véctơ tọa độ của
chất điểm theo thời gian.
Đơn vị: mét/giây (m/s) [Trong hệ SI]
17


§1. Động học chất điểm
Nhận xét: Khi t  0 , véctơ r có phương trùng với
tiếp tuyến của quỹ đạo chuyển động của chất điểm
→Véctơ vận tốc có phương tiếp tuyến với quỹ đạo
chuyển động và có chiều cùng chiều chuyển động của chất
điểm.
Biểu diễn véctơ vận tốc:

vA

A
B

vB

18

§1. Động học chất điểm
3. Vận tốc trong hệ tọa độ Đềcác
dr d
dx
dy
dz
v
 (x  i  y  j  z  k )   i   j   k
dt dt
dt
dt
dt
dx
dy
dz
Đặt: vx  , v y  , vz 
dt
dt
dt

Độ lớn:

 v  vx  i  vy  j  vz  k

v  vx  v y  v z
2

2

2

Đơn vị: mét/giây (m/s)
19


§1. Động học chất điểm
Sự thay đổi vận tốc của một chất điểm chuyển động
trong mặt phẳng

20


§1. Động học chất điểm
III. Gia tốc

Ferrari F40
Tăng tốc 0 →100km/h: 4.1 s

Mclaren F1
Tăng tốc 0 →100km/h: 3.2 s

Koenigsegg CCR
Tăng tốc 0 →100km/h: 2.8 s

Bugatti Veyron Super Sport
Tăng tốc 0 →100km/h: 2.4 s
21

§1. Động học chất điểm
v1

1. Gia tốc trung bình
Xét chất điểm M chuyển động
trên quỹ đạo cong

M1

v

+ Tại t1 : Chất điểm ở vị trí M 1 , v1

M2

v2

+ Tại t 2 : Chất điểm ở vị trí M 2 , v 2
Sau t  t2  t1 véctơ vận tốc biến thiên lượng:

v  v2  v1
22


§1. Động học chất điểm
v
→Tỷ số
gọi là véc tơ gia tốc trung bình
t

v
atb 
t

Đặc điểm của

(1)

atb

+ Có phương và chiều của v
v
+ Độ lớn: atb 
t

v1
M1

M2

v
v2

+ Ý nghĩa: Gia tốc trung bình đặc trưng cho sự biến
thiên của véctơ vận tốc trong cả khoảng thời gian t
23


§1. Động học chất điểm

Y

Y

Song song

v2

Song song

v2

atb

Y

Song song

v2

v

atb

v
v1

v

v2
v1

M2

v1

v2
M2

M1

v1

O

(a)

atb

v2

M1

X O

M2

M1

v1

X

(b)

O

v1

X

(c)

24


§1. Động học chất điểm
2. Gia tốc tức thời
Xét khoảng thời gian vô cùng nhỏ: t  0 khi đó:

v dv
lim

 a (2)
t 0 t
dt
Định nghĩa: Gia tốc chuyển động của chất điểm là đại
lượng được xác định bằng đạo hàm bậc nhất của vận tốc
của chất điểm hoặc đạo hàm bậc hai của véctơ tọa độ

theo thời gian.
Đơn vị: mét /giây bình phương (m/s2) [Trong hệ SI]
25