BÀI GIẢNG HỌC PHẦN VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG (DÀNH CHO SINH VIÊN NGÀNH NÔNG - LÂM - NGƯ) 1 mở đầu Đối tợng và phơng pháp nghiên cứu 1.Vật lý học Vật lý học là một trong những môn khoa học tìm hiểu và nghiên cứu các định luật chi phối các hiện tợng xảy ra trong tự nhiên. Các lý thuyết và các định luật cơ bản của vật lý không nhiều nhng đủ để tạo cơ sở cho con ngời hiểu biết thế giới tự nhiên và vũ trụ, hình thành một nền tảng kiến thức của loài ngời. Từ xa xa, các nhà triết học và thiên văn Hy Lạp đã xây dựng một lí thuyết về chuyển động. Họ đã hình dung một mẫu khá phức tạp về vũ trụ để mô tả chuyển động của các tinh tú trên bầu trời. Tuy nhiên lí thuyết đó lại không phù hợp với các chuyển động của các vật thể thờng gặp hàng ngày. Vào thế kỷ XVI, các công trình đồ sộ và kéo dài hàng thập kỉ của các nhà thiên văn trong đó có Brahê, Kêpler và Copecnic đã góp phần rất lớn cho cuộc cách mạng trong cơ học. Trong suốt thế kỉ XVI và XVII, nhiều nhà bác học đã có những công trình nghiên cứu cơ học quan trọng Galileo đã tìm cách gắn chuyển động của một vật rơi tự do và của những vật đợc ném lên với chuyển động của các hành tinh, Sevin và Hôke đã nghiên cứu mối liên hệ giữa lực và chuyển động Rồi đến năm 1687 bằng cuốn sách "Những nguyên lí triết học của tự nhiên", Newton đã dựa trên giả thuyết vạn vật hấp dẫn và những công trình của Galileo và các nhà tiền bối khác, đã đa cơ học tiến vợt bậc và xây dựng cơ sở của môn Cơ học nói riêng và của ngành vật lí nói chung. Ngày nay, vật lý là môn học chủ đạo không thể thiếu đợc của sinh viên trong mọi ngành khoa học kỹ thuật. Đặc biệt là cơ học mô tả rất tốt chuyển động của các vật thể vật chất từ các hành tinh đến các vật chuyển động quan sát đợc hằng ngày. 2. Vật lí và các môn khoa học khác Mục tiêu của vật lí cho phép chúng ta hiểu biết về các thành phần cơ bản nhất của vật chất và các tơng tác giữa chúng, giải thích những hiện tợng tự nhiên, những đặc tính của vật chất trong tổng thể. Nh thế, ta thấy vật lý là một trong các môn cơ bản nhất của khoa học tự nhiên. Hóa học quan tâm đến phần đặc thù của toàn bộ vấn đề nêu trên, tức là áp dụng các định luật vật lí vào nghiên cứu sự tạo thành các phân tử và những biện pháp thực nghiệm khác nhau để chuyển đổi các phân tử qua nhau. Sinh học dựa chủ yếu trên các kiến thức của vật lí và hóa học vào đời sống, trong các ngành nghề đã nảy sinh nhiều ngành khoa học ứng dụng khác nhau. Để xây dựng một nền công nghệ hiện đại, không thể thiếu đợc những hiểu biết sâu sắc về các môn khoa học tự nhiên, trong đó vật lí đóng vai trò hết sức quan trọng. Tuy nhiên, vật lý không chỉ quan trọng ở chỗ nó tạo nên một nền tảng các khái niệm và lý thuyết cho các ngành khoa học tự nhiên khác, mà về mặt lý 2 thuyết, nó hình thành những kỹ thuật có thể ứng dụng đợc trong hầu hết các lĩnh vực nghiên cứu nh: Thiên văn học cần đến các kỹ thuật quang hình, quang phổ và vô tuyến điện, Địa chất học cần đến phép đo trọng lực, âm học, vật lí hạt nhân và cơ học. Có thể kể thêm các ngành khác đã cần đến cơ sở lí thuyết vật lí nh Đại d- ơng đồ, Khí tợng học, Địa chấn họcMột bệnh viên hiện đại không thể thiếu đợc mày chụp hình bằng tia X, mày chiếu xạtrong đó ứng dụng những kỹ thuật vật lí hiện đại nhất. Tóm lại, rất nhiều hoạt động nghiên cứu cần đến những kỹ thuật vật lí hiện đại, kể cả những ngành rất xa với bộ môn Vật lí nh Khảo cổ, Cổ sinh vật học, Lịch sử và Nghệ thuật. Tất cả những điều đó đem lại cho các nhà vật lí một tình cảm đẹp về chuyên môn của mình, vì vật lí không những chỉ đem lại cho loài ngời những hiểu biết sâu sắc về tự nhiên mà còn góp phần vào sự tiến bộ của xã hội của toàn nhân loại. Một vấn đề không thể không nói đến là mối liên hệ giữa vật lí và toán học. Ta biết rằng để diễn đạt các định luật vật lí, ngời ta dùng ngôn ngữ toán học. Nhờ sử dụng ngôn ngữ toán học mà các lí thuyết vật lí có cơ sở khoa học vững chắc, các hiện tợng vật lí đợc lí giải rõ ràng và sâu sắc. Sự phát triển của vật lí nói chung, của cơ học nói riêng dựa rất nhiều vào toán học. Ngợc lại, vật lí là chỗ dựa thực tiễn của nhiều ngành toàn học, nhờ đó mà toán học cũng đợc phát triển thêm. 3. Phơng pháp nghiên cứu của vật lý học Phơng pháp nghiên cứu của vật lý học đã đợc hình thành từng bớc trong quá trình phát triển của vật lý học. Từ thời cổ đại xa xa cho đến tận thế kỉ XVII, khoa học tổng hợp về tự nhiên mang tên là "triết học tự nhiên" tức là sự hiểu biết thiên nhiên bằng trí tuệ. Phơng pháp của các "nhà hiền triết" thời cổ đại là dùng phơng pháp suy luận và sự tranh luận để tìm ra chân lý. Phơng pháp đó là một sự tiến bộ lớn so với luận điểm của các tôn giáo khẳng định rằng chân lý là do các thần linh ban phát cho con ngời và con ngời không thể tự tìm ra chân lý. Những phơng pháp đó chỉ dẫn đến những kết luận định tính, giúp cho việc xác định một thái độ sống mà hầu nh không có tác dụng bao nhiêu đối với kĩ thuật, đối với việc sản xuất ra của cải vật chất. Những kim tự tháp Ai Cập chứng tỏ con ngời thời cổ đại đã có những tri thức nhất định về cơ học. Tuy nhiên đó mới là những tri thức lẻ tẻ cha hệ thống thành khoa học, cha có ứng dụng đáng kể trong đời sống. Acsimet (287 212 TCN) là ngời đầu tiên đã tiến hành làm thí nghiệm, đã tìm ra đợc những định luật định lợng, đã vận dụng những định luật đó vào việc xây nhà, làm cầu, đóng tàu, dẫn nớc vào ruộng, Ngày nay, Acsimet đợc coi là ông tổ của vật lý học, nhng ở thời cổ đại và trung đại phơng pháp của ông không đợc các nhà khoa học khác áp dụng. Tới thế kỉ XVI, nền công nghiệp đang trên đà phát triển đòi hỏi khoa học phải có đóng góp cụ thể vào sự tiến bộ của kĩ thuật sản xuất. Galilê (1564-1642) đã áp dụng và nâng cao phơng pháp của Acsimet, mở đầu cho một phơng pháp mới, hữu hiệu trong khoa học, gọi là phơng pháp thực nghiệm và bản thân Galilê đợc coi là ông tổ của vật lý thực nghiệm. 3 Có thể tóm tắt nh sau phơng pháp thực nghiệm đang đợc áp dụng hiện nay. Trớc hết, nhà khoa học xuất phát từ những quan sát, những thí nghiệm với những kết quả định lợng có độ chính xác nhất định, để xây dựng một giả thuyết khoa học. Giả thuyết này không phải là sự tổng kết đơn giản các kết quả thí nghiệm. Nó là một sự khái quát hóa nhất định, nó chứa đựng những yếu tố mới mẻ không có sẵn trong các thí nghiệm cụ thể. Sau đó, bằng phép suy luận logic và bằng toán học, nhà khoa học rút ra giả thuyết một số hệ quả định lợng, tiên đoán một số sự kiện mới trớc đó cha biết. Cuối cùng nhà khoa học dùng thực nghiệm để kiểm tra lại những hệ quả, những tiên đoán trớc đó. Nếu kết quả thực nghiệm phù hợp với những tiên đoán, giả thuyết đợc công nhận và trở thành một học thuyết khoa học. Nếu không, nó phải đợc sửa đổi, bổ sung và kiểm tra lại hoặc vứt bỏ hoàn toàn. Phơng pháp thực nghiệm là sự thống nhất giữa lý thuyết và thực nghiệm. Lý thuyết phải xuất phát từ thực nghiệm và phải đợc thực nghiệm kiểm tra lại. Thực nghiệm phải nhằm mục đích kiểm tra một luận điểm nào đó, hoặc đặt cơ sở mở đờng cho một lý thuyết nào đó. Chỉ làm rất nhiều thí nghiệm mà không nhằm mục đích nhận thức thiên nhiên, phát hiện cái mới thì cha phải là phơng pháp thực nghiệm hiểu theo đúng nghĩa khoa học. Trong quá trình nghiên cứu, nhà vật lý học luôn luôn phải đo các đại lợng vật lý và tìm ra những quy luật định tính biểu hiện bằng những biểu thức toán học ngày càng phức tạp khi vật lý học càng đi sâu vào những bí hiểm của thế giới vật chất. Vì vậy sự phát triển của vật lý học và của toán học gắn bó với nhau rất mật thiết. Lúc ban đầu, vật lý học vận dụng những công cụ toán học sẵn có. Nhng khi phải giải quyết những vấn đề mới của vật lý học mà công cụ toán học sẵn có không đủ sức giải quyết, bản thân các nhà vật lý phải sáng tạo thêm công cụ toán học mới. Newton và nhiều nhà vật lý học khác đã phát minh phép tính tích phân khi các ông xây dựng và phát triển cơ học cổ điển. Sau này, khi xây dựng và phát triển thuyết tơng đối Einstein và cơ học lợng tử, các nhà vật lý cũng phải xây dựng những công cụ toán học mới. Vai trò của toán học trong vật lý ngày càng nổi rõ. Từ thế kỉ XIX vai trò của toán học trong vật lý học đã phát triển mạnh mẽ về cả bề rộng và bề sâu, hiệu lực của toán học trong vật lý học cũng lớn lên đến mức làm nẩy sinh một ngành vật lý học mới là vật lý lý thuyết. Vật lý lý thuyết đã nâng cao và khái quát hóa các định luật vật lý thành những quy luật, những lý thuyết rất tổng quát, bao gồm và giải thích đợc một phạm vi rộng rãi nhiều hiện t- ợng vật lý có vẻ nh rất khác nhau. Với phơng pháp toán học phát triển cao, nó còn tìm đợc những quy luật mới cha phát hiện đợc bằng thực nghiệm, đoán trớc đợc những mối quan hệ mới giữa các hiện tợng mà thực nghiệm cha quan sát đợc. Chúng ta biết rằng cơ học lý thuyết, điện động lực học, cơ học lợng tử và các bộ môn vật lý lý thuyết khác không những đã phát biểu đợc những quy luật tổng quát nhất, mà còn tiên đoán đợc những hiện tợng, những tính chất của thế giới vật 4 chất mà cơ học, điện học, quang học trớc đó cha biết. Chúng cũng chứng tỏ rằng những hiện tợng cơ học, điện học, quang học, tởng nh không có liên quan với nhau, lại có quan hệ với nhau rất mật thiết, có bản chất thống nhất với nhau. Thậm chí hiện nay có những công thức toán học của vật lý lý thuyết đã đợc áp dụng rất tốt trong khoa học và kĩ thuật, nhng ý nghĩa vật lý của chúng vẫn còn là đề tài tranh luận giữa các nhà khoa học. Cần nói thêm rằng giữa vật lý lý thuyết và vật lý thực nghiệm không có một ranh giới thật rõ rệt. Những luận điểm cơ bản của vật lý lý thuyết là sự khái quát hóa và nâng cao những kết quả thực nghiệm đã thu đợc. Những kết luận của vật lý lý thuyết cũng phải đợc thực nghiệm kiểm tra và xác nhận mới đợc công nhận là đúng và có giá trị. Mặt khác, phơng pháp của Newton xuất phát từ ba định luật Newton và định luật vạn vật hấp dẫn để xây dựng hệ thống cơ học của mình cũng đợc coi là một mẫu mực về phơng pháp cho vật lý lý thuyết. Dựa trên các hiện tợng quan sát đợc trong tự nhiên, ta có thể chia vật lý thành 5 ngành sau đây: 1. Cơ học nghiên cứu chuyển động của vật thể 2. Nhiệt động lực học nghiên cứu về nhiệt, nhiệt độ và các tính chất của tập hợp số rất lớn các hạt. 3. Điện từ nghiên cứu các hiện tợng điện từ và sóng điện từ 4. Thuyết tơng đối nghiên cứu các vật chuyển động với mọi vận tốc từ nhỏ đến vận tốc cỡ vận tốc ánh sáng. 5. Cơ học lợng tử là lý thuyết mô tả tất cả các vật thể với mọi kích thớc, từ kích thớc nhỏ đến kích thớc lớn hơn nguyên tử đến kích thớc thiên văn. 5 Phần i: cơ học Chơng I: động học chất điểm i. Vật lí và đo lờng 1. Vật lí và đo lờng Vật lí đợc xây dựng từ những quan sát và đo lờng. Mục tiêu chính của vật lí là thiết lập các lí thuyết, các định luật cơ bản cho phép tiên đoán kết quả của các thực nghiệm. Thực tế cho thấy, rất nhiều hiện tợng vật lí đợc giải thích bằng một số ít ỏi các định luật cơ bản. Mỗi khi có sự không phù hợp giữa lí thuyết và thực nghiệm, thì cần hình thành những khái niệm mới dẫn đến một lí thuyết mới áp dụng đợc trong những điều kiện rộng rãi hơn. Thí dụ, cơ học Newton không áp dụng đợc cho các vật chuyển động nhanh. Lí thuyết tơng đối Eistein ra đời, quan niệm về không gian và thời gian đợc hiểu một cách đầy đủ và có những hệ quả trái ngợc với quan niệm trớc đây trong lí thuyết cổ điển của Newton. lí thuyết t- ơng đối áp dụng cho các vật chuyển động với vận tốc lớn cỡ vận tốc ánh sáng và cả các trờng hợp vật chuyển động với vận tốc rất nhỏ so với vận tốc ánh sáng, tức là bao hàm cả cơ học cổ điển của Newton. Nh vậy nói đến vật lí ta phải nói đến đo lờng trong vật lí. Trong đo lờng trớc hết phải nói đến hệ đơn vị và các mẫu đo trong hệ đó. 2. Hệ đơn vị đo lờng SI Vật lý là khoa học dựa vào việc đo lờng các đại lợng. Những đại lợng này đặc tr- ng cho tính chất vật lý của một đối tợng vật lý mà ta cần khảo sát. Để đo lờng một đại lợng vật lý, trớc hết cần phải chọn một đại lợng cùng loại làm chuẩn, chuẩn này có số đo đợc lấy chính xác bằng đơn vị rồi so sánh đại lợng phải đo với chuẩn đó. Giá trị đo của đại lợng cần đo sẽ bằng tỷ số giữa đại l- ợng phải đo và đại lợng đơn vị. Có rất nhiều đại lợng vật lý, tuy nhiên không phải tất cả các đại lợng đó đều độc lập với nhau. Nhiệm vụ của các nhà khoa học là thoả thuận để rút ra một số nhỏ các đại lợng vật lý cơ bản nh độ dài, khối lợng, thời gian và xác lập chuẩn cho chúng. Sau đó từ định nghĩa hoặc từ các quy luật vật lý, theo các đơn vị cơ bản này ngời ta định nghĩa các đơn vị vật lý khác. Các đơn vị vật lý đợc xác định nh vậy đợc gọi là các đơn vị dẫn suất. Các định luật vật lí đợc diễn đạt qua một số đại lợng vật lí, đợc định nghĩa chặt chẽ và rõ ràng. Chính vì thế các đại lợng nh lực, vận tốc, thể tích và gia tốc có thể diễn đạt qua một số đại lợng cơ bản hơn. Để đo lờng các đại lợng cơ bản đó, ta cần có mẫu chuẩn của từng đại lợng. Năm 1960, Uỷ ban Quốc tế đã xây dựng quy tắc xác định tập hợp mẫu các đại lợng cơ bản và thừa nhận một hệ các đơn vị đo lợng gọi là Hệ đơn vị đo lờng quốc tế (viết tắt là SI). Trong hệ này có 6 đại lợng cơ bản là khối lợng (đo bằng kilôgam), chiều dài (đo bằng mét), thời gian (đo bằng giây) và ba đại lợng khác là nhiệt độ (đo bằng Kenvin), cờng độ dòng điện (đo bằng ampe) và cờng độ sáng (đo bằng candela). 6 Bảng 1.1: Các đơn vị cơ bản của hệ SI Đại lợng Tên đơn vị Ký hiệu Định nghĩa Độ dài mét m " độ dài của quãng đờng mà ánh sáng đi đợc trong chân không trong (299792458) -1 giây". (1983) Khối l- ợng Kilôgam kg " Chuẩn gốc (một hình trụ bằng platin - irinđi nào đó) đợc lấy làm đơn vị khối lợng từ đấy về sau". (1889) Thời gian Giây s " Khoảng thời gian bằng 9192631770 chu kỳ của bức xạ ứng với dịch chuyển giữa hai mức siêu tinh tế của trạng thái cơ bản của nguyên tử xêdi 133". (1967) Dòng điện Ampe A " Cờng độ dòng điện không đổi theo thời gian, khi chạy qua hai dây dẫn thẳng, song song, dài vô hạn, có tiết diện nhỏ không đáng kể, đặt trong chân không cách nhau 1 mét, thì gây trên mỗi mét dài của mỗi dây dẫn 1 lực bằng 2.10 -7 Niu tơn". (1967) Nhiệt độ nhiệt động lực học Kenvin K " Phần 16,273 1 của nhiệt độ nhiệt động lực học của điểm ba của nớc. (1967) Lợng chất mol mol " Lợng của một chất chứa một số lợng phân tử bằng số lợng nguyên tử chứa trong 0,012 kg đồng vị các bon 12" (1971). Cờng độ sáng Canleda cd " Cờng độ phát sáng theo phơng vuông góc của một diện tích bằng (600000) -1 mét vuông của một vật đen ở nhiệt độ đông đặc của platin dới áp suất 101,325 niutơn/ mét vuông". (1967) Tập hợp các đơn vị cơ bản chọn trớc và các đơn vị dẫn suất tơng ứng tạo thành một hệ đơn vị đo. Hệ đơn vị đo đợc áp dụng rộng rãi trong tất cả các ngành khoa học và kỹ thuật nhờ tính thuận tiện và u việt của nó là hệ quốc tế (hệ SI: System International) hay còn gọi là hệ mét (bảng 1.1) Trong cơ học, ta chỉ sử dụng các đơn vị của khối lợng, chiều dài và thời gian. Dới đây, ta nói đến các mẫu của ba đại lợng này. 7 3. Mẫu đo chiều dài, khối lợng và thời gian 3.1. Mẫu của đơn vị khối lợng Đơn vị khối lợng là kilôgam. Mẫu của kilogam là khối lợng của một hình trụ đờng kính 3,9cm, cao 3,9cm làm bằng platin (bạch kim) pha iriđi đặt tại Cơ quan Quốc tế về trọng lợng và đo lờng ở Sowevres, Cộng hòa Pháp (Bureau international des poids et mesures). Mẫu này đợc làm từ năm 1901 và cho đến nay không có một biến đổi nào. 3.2. Mẫu của các đơn vị chiều dài Cho đến trớc năm 1960, đơn vị chiều dài (met) có mẫu là khoảng cách giữa hai vạch của một thanh platin pha iriddi lu giữ rất cẩn thận ở Sỡvres. Sau đó ngời ta không dùng mẫu này nữa vì nhiều lí do, đặc biệt là do độ chính xác của hai vạch dùng để xác định khoảng cách giữa chúng không đủ đáp ứng với các yêu cầu chính xác trong nghiên cứu khoa học và trong công nghệ hiện nay. Vì thế Hội nghị Quốc tế về đo lờng năm 1983 đã đa ra định nghĩa mét nh sau: "Mét là chiều dài đoạn đờng đi đợc của ánh sáng trong chân không trong khoảng thời gian 1 phần 299 792 458 giây" Độ dài của một vài khoảng cách đợc cho trong Bảng 1.2. 3.3. Mẫu đơn vị thời gian Trớc năm 1960, mẫu thời gian đợc xác định bằng ngày Mặt Trời trung bình là trung bình các ngày Mặt Trời trong một năm. Ngày Mặt Trời là khoảng thời gian Mặt Trời liên tiếp đi qua một kinh tuyến nhất định. Một giây Mặt Trời trung bình là đơn vị cơ bản của thời gian (1/60). (1/60). (1/24) của một ngày Mặt Trời trung bình. Ngời ta gọi thời gian vũ trụ là thời gian xác định bằng chuyển động quay của Trái Đất quanh Mặt Trời. Các phép đo chính xác cho thấy chuyển động quay của Trái Đất xung quanh trục của nó là không đều mà chậm dần tuy rằng sự sai lệch đó rất nhỏ. Cũng chính vì thế mà năm 1967 ngời ta đa định nghĩa lại về giây. Giây đợc đo bằng tần số phát ra từ đồng hồ nguyên tử. Đó là tần số những chuyển dời nguyên tử đặc biệt bền vững có thể dùng đo lờng với độ chính xác cao đến một phần của 10 12 , tức là tơng đơng độ sai lệch 1 giây trong 30000 năm. Đơn vị thời gian trong hệ SI là giây và đợc định nghĩa nh sau: "Giây là khoảng thời gian bằng 9 192 631 770 chu kì của bứa xạ trong dịch chuyển giữa hai mức siêu tinh tế của trạng thái cơ bản của nguyên tử Cerium 133" Mẫu mới này của giây có u việt không chối cãi đợc vì mẫu "không thể bị phá hủy" và có thể tạo ra đợc dễ dàng. 4. Phép chuyển về đơn vị cơ bản Trong nhiều trờng hợp ngời ta đo chiều dài bằng centimet (cm) và khối lợng băng gam (g). Phép chuyển dời về đơn vị chuẩn là mét và kilôgam là đơn giản. Thí dụ, một khối hình hộp có cạnh 5,35cm có khối lợng là 856g. Hãy tính mật độ khối lợng (khối lợng riêng) của nó bằng đơn vị cơ bản SI. Ta có: 8 ( ) ( ) 3 3 3 3 3 m 856g g kg 5,59 5,59.10 V cm m 5,35 cm = = = = . iI. Các khái niệm cơ bản về chuyển độnG của chất điểm 1. Khái niệm về đại lợng vật lý Mỗi hiện tợng, quá trình, trạng thái vật lý của một vật thể - những đối tợng nghiên cứu của vật lý đều có những thuộc tính của mình. Từng thuộc tính này lại đợc đặc trng bởi một hay nhiều đại lợng vật lý. Các đại lợng vật lý đợc đo bằng những dụng cụ đo và đợc biểu diễn trong những đơn vị đo thích hợp. Các đại lợng vật lý có thể là đại lợng vô hớng hoặc đại lợng véctơ. 2. Chuyển động cơ học Chuyển động có tính tơng đối. Theo định nghĩa chuyển động cơ học là sự thay đổi vị trí tơng đối giữa các vật hoặc giữa các phần của vật theo thời gian. Chuyển động cơ học là dạng chuyển động đơn giản nhất, nó có thể là thành phần của những dạng chuyển động phức tạp hơn. Chuyển động của một vật có thể coi là xác định nếu biết từng điểm của nó chuyển động nh thế nào. Khi vật chuyển động tịnh tiến, tất cả các điểm của vật chuyển động sao cho đờng thẳng nối hai điểm bất kỳ của vật luôn dịch chuyển song song với chính nó. Còn trong chuyển động quay, tất cả các điểm của vật vẽ lên những đờng tròn nằm trong những mặt phẳng song song và tâm của chúng nằm trên cùng một đờng thẳng gọi là trục quay. Để mô tả chuyển động của một vật, cần phải biết cách xác định vị trí của nó trong không gian và sự thay đổi vị trí này theo thời gian nh thế nào? Muốn thế chúng ta phải chọn trớc một vật (hoặc hệ vật) mà ta qui ớc là đứng yên làm mốc (gốc) để xác định sự thay đổi vị trí của vật đang xét. Hệ vật chọn trớc này đợc gọi là hệ qui chiếu. Để xác định thời gian chuyển động của vật, ta gắn vào hệ qui chiếu một đồng hồ đo thời gian và muốn xác định vị trí (và sự thay đổi vị trí) của vật một cách định lợng, phải gắn vào hệ quy chiếu một hệ toạ độ. 3. Chất điểm, hệ chất điểm, vật rắn Trong những trờng hợp, khi vị trí một phần của vật (hoặc của cả vật) đợc xác định một cách đơn trị bởi vị trí của một điểm trên đờng chuyển động của nó, ngời ta sử dụng khái niệm chất điểm, đó là một phần của vật hoặc toàn bộ vật nếu kích thớc của phần đó không đáng kể so với toàn bộ vật, hoặc kích thớc của vật không đáng kể so với khoảng cách mà vật đó đi qua trong chuyển động đang xét. Khi biết qui luật chuyển động của chất điểm, có thể nghiên cứu chuyển động của hệ chất điểm, của vật rắn, đó là những tập hợp các chất điểm riêng biệt hoặc liên kết với nhau. 9 4. Phơng trình chuyển động, phơng trình quĩ đạo của chất điểm Trong động học, mô tả chuyển động, khảo sát các đặc trng, các qui luật của chuyển động mà không chú ý đến nguyên nhân gây ra và làm biến đổi chuyển động đó. Theo quan điểm của cơ học cổ điển, bất kỳ một vật vĩ mô nào hoặc một hệ vật đều có thể chia tởng tợng ra thành từng phần vĩ mô bé hơn tác dụng lẫn nhau. Mỗi phần này có thể coi nh một chất điểm. Trớc khi khảo sát chuyển động của một vật vĩ mô bất kỳ, hãy xem xét chuyển động của một hệ chất điểm. Chọn hệ toạ độ bất kỳ, vị trí của chất điểm đợc xác định bởi véctơ bán kính r của nó. Rõ ràng khi chất điểm chuyển động, r phụ thuộc vào thời gian t: )t(rr = (1) Trong hệ toạ độ Đềcác, các thành phần của véctơ bán kính r trên các trục toạ độ lần lợt là: )t(xx = ; y = y(t); z = z(t) (2) Các phơng trình (1) và (2) đợc gọi là phơng trình chuyển động của chất điểm. Chúng cho phép xác định vị trí của chất điểm ở những thời điểm khác nhau. Khi chất điểm chuyển động, tập hợp tất cả các vị trí mà nó có trong không gian tạo thành quĩ đạo chuyển động. Muốn tìm phơng trình đờng cong quĩ đạo, có thể sử dụng phơng trình (2) nh các phơng trình tham số. Khử t trong các ph- ơng trình này, ta tìm đợc mối liên hệ giữa các thành phần toạ độ của chất điểm, tức là tìm đợc phơng trình quĩ đạo chuyển động của nó. 5. Hoành độ cong Giả thiết chất điểm M chuyển động trên đờng cong quĩ đạo (C) (hình 1). Trên (C) sẽ đợc xác định bởi trị đại số của cung AM, ký hiệu là: AM = s (3) Trong đó s đợc gọi là hoành độ cong của M. Khi M chuyển động s là hàm của thời gian t: s = s(t) (4) 10 [...]... đại lợng vật lý sau: 2 Lực, khối lợng 2.1 Lực Đại lợng vật lý đặc trng cho tác động lên vật đang xét từ những vật khác đợc gọi là lực Nh vậy, ít nhất phải có hai vật tham gia vào quá trình này và các kết quả của tác động hoặc là sự thay đổi trạng thái chuyển động của vật hoặc làm biến dạng vật Thực nghiệm cũng chứng tỏ rằng tác động giữa các vật là tác động qua lại hay tơng tác, do đó tơng tác cơ học. .. tác, do đó tơng tác cơ học giữa một vật với các vật còn lại, hoặc tác động của các vật còn lại lên vật đã cho có thể đợc xác định nhờ các lực mà các vật còn lại tác động lên vật đang xét 2.2 Khối lợng Trong tơng tác bất kỳ của các vật, chúng đều nhận đợc gia tốc hớng về các hớng ngợc nhau Tỷ số các giá trị của gia tốc có cùng một trị số cho dù chính các gia tốc của từng vật có thể khác nhau trong những... động của vật đợc gọi là tính quán tính Chuyển động của vật khi không có bất kỳ ảnh hởng nào của ngoại vật lên nó đợc gọi là chuyển động theo quán tính Vật (chất điểm) trong trờng hợp này đợc gọi là cô lập Tính quán tính là một trong những tính chất chung nhất của vật chất, bất kỳ vật nào cũng có tính quán tính Tác động của các vật khác lên vật đang xét sẽ lầm biến đổi vận tốc chuyển động của vật, hay... chất của chính các vật Tính chất của chất điểm nhân đợc gia tốc dới tác dụng của ngoại lực kết hợp với 18 tính bảo toàn trạng thái chuyển động khi không có tác động bên ngoài (hoặc các tác động đó triệt tiêu nhau) đợc gọi là tính quán tính Dại lợng vật lý đặc trng cho tính quán tính của vật chính là khối lợng của nó Một vật có khối lợng nhỏ thì nhận gia tốc lớn khi chịu tác động của các vật khác và ngợc... chúng ta có thêm khái niệm mômen lực, mômen động lợng và xung lợng của mômen lực Về ý nghĩa vật lý, các đại lợng này có cùng bản chất với các đại lợng tơng ứng đã nêu nhng chúng đợc dùng để đặc trng cho chuyển động quay của chất điểm iii Nguyên lý tơng đối Galilê 1 Không gian và thời gian theo quan điểm của cơ học cổ điển Giả sử hệ quy chiếu quán tính O và hệ O' chuyển động tịnh tiến so với O r với vận... quán tính tức là những hệ quy chiếu mà ở đó cơ học Newton áp dụng đợc 3 Định luật III Newton Trong mục trên chúng ta đã đề cập đến vấn đề là phải có ít nhất hai vật tham gia vào quá trình tơng tác Định luật III Newton xét mối quan hệ của sự tác động qua lại này, đợc phát biểu nh sau: "Khi vật A tác dụng lên vật B một lực, thì vật B cũng tác dụng đồng thời lên vật A một lực cùng phơng, cùng giá trị nhng... 19 (2) r Nếu gọi lực tác động từ vật A lên vật B là F và lực tác động từ vật từ vật B r lên vật A là F ' thì từ định luật III Newton ta suy ra: r r r r F = F ' hay F + F' = 0 Cần chú ý rằng tuy tổng của hai lực này bằng không, nhng tác của chúng không triệt tiêu nhau vì điểm đặt của chúng khác nhau ii động lợng và mô men động lợng của chất điểm 1 Động lợng, các định lý về động lợng Từ phơng trình... = max; Fy = may; Fz = maz Các phơng trình này biểu diễn mối liên hệ giữa ba thành phần của lực tổng hợp tác dụng lên vật với ba thành phần gia tốc của vật đó Chú ý rằng định luật thứ hai bao gồm cả định luật thứ nhất Thật vậy, nếu trong phơng trình (1) F = 0 (vật không chịu tác động bên ngoài thì a = 0 ), có nghĩa là vật không có gia tốc; hay trạng thái chuyển động của nó đợc bảo toàn Điều này không... do lực F sinh ra trong s uuu u ur chuyển dời MM ' là đại lợng có trị số cho bởi: u ur r uuu r A = F.MM 'cos(F, MM ') F r u ur ã uuu A = Fs cos ( = F MM') rr M' M Fs hay A = F.s (1) Ta nhận thấy Fcos chính là hình chiếu Fs của F lên phơng chuyển dời nên ta cũng có thể viết: A = Fs.s (2) Theo định nghĩa (1) công A do lực F sinh ra là một đại lợng vô hớng: + A > 0 khi nhọn, ta nói lực F sinh công... trí cuối(2) Đại lợng: Wđ = mv2/ 2 đợc gọi là động năng của chất điểm Khi đó (8) có dạng: 27 A12 = Wđ2- Wđ1 (9) Công thức (9) là biểu thức của định lý công - động năng: Phát biểu định lý: Công của lực trong dịch chuyển chất điểm từ vị trí (1) đến vị trí (2) bằng độ biến thiên động năng của chất điểm trong dịch chuyển này Kết quả khi động năng của một vật giảm thì ngoại lực tác dụng lên vật sinh một công . BÀI GIẢNG HỌC PHẦN VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG (DÀNH CHO SINH VIÊN NGÀNH NÔNG - LÂM - NGƯ) 1 mở đầu Đối tợng và phơng pháp nghiên cứu 1 .Vật lý học Vật lý học là một trong những môn khoa học tìm. toán học trong vật lý học đã phát triển mạnh mẽ về cả bề rộng và bề sâu, hiệu lực của toán học trong vật lý học cũng lớn lên đến mức làm nẩy sinh một ngành vật lý học mới là vật lý lý thuyết. Vật. ngành vật lí nói chung. Ngày nay, vật lý là môn học chủ đạo không thể thiếu đợc của sinh viên trong mọi ngành khoa học kỹ thuật. Đặc biệt là cơ học mô tả rất tốt chuyển động của các vật thể vật