CHƯƠNG 2: ÐỘNG LỰC HỌC

Chia sẻ: Tran Cong Phuc | Ngày: | Loại File: DOC | Số trang:34

Thêm vào BST

Báo xấu

152
lượt xem 37
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Vật tự do: Vật tự do là một vật không chịu bất kỳ lực tác dụng nào từ các vật kháïc. Trong thực tế không có vật hoàn toàn tự do, người ta có thể coi những vật chịu những lực tác dụng rất nhỏ từ những vật khác, là những vật tự do. Với khái niệm vật tự do, định luật I của Newton có thể phát biểu như sau: Vật tự do thì hoặc mãi mãi đứng yên hoặc mãi mãi chuyển động thẳng đều. ...

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: CHƯƠNG 2: ÐỘNG LỰC HỌC

CHƯƠNG 2 ÐỘNG LỰC HỌC I. ÐỊNH LUẬT 1 NEWTON 1. Nội dung định luật 2. Hệ qui chiếu quán tính 3. Nguyên lý tương đối Galileo. II. ÐỊNH LUẬT 2 NEWTON 1. Sự va chạm của hai vật. 2. Khối lượng quán tính. 3. Khái niệm về xung lượng. 4. Khái niệm về lực. 5. Phát biểu định luật 2 Newton. III. Đ Ị NHLUẬT 3 NEWTON IV. CÁC LỰC TRONG TỰ NHIÊN 1. Lực đàn hồi 2. Lực ma sát V. ỨNG DỤNG CÁC ĐỊNH LUẬT CƠ HỌC NEWTON VI. CÁC LỰC QUÁN TÍNH 1. Lực quán tính ly tâm 2. Lực Corialis VII. CÔNG VÀ NĂNG LƯỢNG 1. Công 2. Công suất 3. Đ ộngnăng và định lý động năng 4. Trường thế và thế năng 5. Cơ năng và sự bảo toàn cơ năng I. ÐỊNH LUẬT I NEWTON 1. Nội dung định luật TOP Vật tự do: Vật tự do là một vật không chịu bất kỳ lực tác dụng nào từ các vật kháïc. Trong thực tế không có vật hoàn toàn tự do, người ta có thể coi những vật chịu những lực tác dụng rất nhỏ từ những vật khác, là những vật tự do. Với khái niệm vật tự do, định luật I của Newton có thể phát biểu như sau: Vật tự do thì hoặc mãi mãi đứng yên hoặc mãi mãi chuyển động thẳng đều. Về phương diện toán học, véctơ vận tốc của vật tự do được biểu diễn là:
Ðịnh luật I Newton nói lên tính chất quán tính của vật thể, đó là tính chất bảo toàn trạng thái chuyển động (Khi đứng yên thì nó không muốn chuyển động và khi chuyển động thì không muốn thay đổi vận tốc hoặc dừng lại); Vì vậy định luật I Newton còn được gọi là định luật quán tính. Hãîy tưởng tượng bạn đang ngồi trên một xe ôtô. Khi xe bắt đầu chạy, bạn và những hành khách khác bị ngã về phía sau. Khi xe đột ngột dừng lại thì bạn bị chúi về phía trước. Khi xe lượn vòng sang phải thì bạn bị nghiêng về phía trái. Hiện tượng này là do bạn và những hành khách khác đều có quán tính nên vẫn giữ nguyên trạng thái chuyển động cũ. 2. Hệ qui chiếu quán tính TOP Hệ qui chiếu quán tính là hệ qui chiếu gắn lên các vật tự do hay đó là hệ qui chiếu trong đó định luật I Newton được nghiệm đúng. Vì không thể có vật tự do hoàn toàn nên không có hệ qui chiếu quán tính hoàn toàn, song người ta có thể chọn hệ qui chiếu gần đúng là hệ qui chiếu quán tính. Hệ qui chiếu có gốc tại mặt trời và 3 trục hướng về 3 ngôi sao xác định được gọi là hệ qui chiếu quán tính Copernie bởi vì mặt trời chuyển động với vận tốc thay đổi rất chậm trong thiên hà. Xét một cách gần đúng, cũng có thể xem hệ qui chiếu gắn với một điểm trên tráïi đất là hệ qui chiếu quán tính, mặc dù điểm đó vừa quay quanh mặt trời vừa tự xoay quanh trục của nó. Ngoài hệ qui chiếu quán tính, đôi khi người ta còn sử dụng các hệ qui chiếu không quán tính, đó là hệ qui chiếu gắn với những vật chuyển động có gia tốc không đổi hoặc thay đổi theo thời gian. 3. Nguyên lý tương đối Galileo. TOP Các thí nghiệm của Galileo đã dẫn đến một nguyên lý vô cùng quan trọng trong tự nhiên được phát biểu là: Mọi hệ qui chiếu quán tính đều tương đương nhau về phương diện cơ học. Ý nghĩa thực tiển của nguyên lý nầy là mọi hiện tượng vật lý đều xảy ra hoàn toàn như nhau trong các hệ qui chiếu quán tính. Nguyên lý trên có thể được kiểm chứng bằng thực nghiệm sau: Cho những giọt nước rơi xuống sàn từ một cái cốc treo trên trần khoang tàu. Trong cả hai trường hợp tàu đứng yên hay chuyển động với vận tốc không đổi thì những giọt nước cũng rơi thẳng đứng, không phải vì con tàu đang chuyển động mà chúng lại rơi lệch về phía cuối tàu.
Vậy với các thí nghiệm cơ học, chúng ta không thể phân biệt hệ qui chiếu quán tính này với hệ qui chiếu quán tính khác. Khi có 2 hệ qui chiếu chuyển động thẳng đều với nhau có thể giả thiết một hệ đứng yên còn một hệ chuyển động đều so với hệ thứ nhất. Lưu ý: Quỹ đạo của cùng một chuyển động có thể sẽ khác nhau trong những hệ qui chiếu quán tính khác nhau. Trong ví dụ ở trên, nếu ta đứng trong con tàu để quan sát sẽ thấy giọt nước rơi theo phương thẳng đứng, nếu ta đứng trên bờ quan sát thì thấy giọt nước trên tàu rơi theo quỹ đạo cong. Công thức cộng vận tốc Phát biểu nguyên lý cộng vận tốc của Galileo: Vận tốc của một chất điểm trong một hệ qui chiếu quán tính K sẽ bằng vận tốc của nó trong một hệ qui chiếu quán tính K nào đó cộng với vận tốc của hệ qui chiếu K( so với hệ qui chiếu K. Một cách tổng quát :
Khi sử dụng công thức này người ta đã giả thuyết rằng thời gian trôi giống nhau trong các hệ qui chiếu. Trên thực tế, khi các hệ qui chiếu quán tính chuyển động đều với vận tốc tương đối lớn (gần với vận tốc ánh sáng) thì công thức (2.2) không còn đúng nữa. II. ÐỊNH LUẬT II NEWTON. 1. Sự va chạm của hai vật TOP Theo định luật I Newton, khi một vật thay đổi vận tốc chuyển động thì vật đó không còn là vật tự do. Lúc đó nó chịu tác dụng của ngoại lực. Nói cách khác, lực là nguyên nhân làm thay đổi vận tốc chuyển động của vật.
Thực hiện nhiều thí nghiệm va chạm khác nhau, người ta thấy: vận tốc của các viên bị sau khi va chạm có thể biến đổi cả về phương chiều và độ lớn tùy theo điều kiện tương tác cụ thể, nhưng độ biến thiên vận tốc của chúng luôn cùng phương, ngược chiều và thoả một hệ thức chung: 2. Khối lượng quán tính TOP Từ biểu thức (2. 6) có thể rút ra một số nhận xét như sau: 3. Khái niệm về xung lượng TOP
Hai vật có cùng vận tốc nhưng nếu có khối lượng khác nhau thì xung lượng của chúng sẽ khác nhau, và khi nó va chạm với một viên bi khác nào đó thì chúng sẽ truyền cho viên bi này những vận tốc khác nhau. Như vậy, xung lượng đặc trưng đầy đủ cho sự truyền tương tác của các vật với nhau. 4. Khái niệm về lực TOP Khi một vật chuyển động chịu tương tác bởi một lực thì vận tốc của vật đó bị biến đổi và do đó xung lượng của nó cũng thay đổi.
Vậy, lực là một đại lượng véctơ, lực tác dụng lên một chất điểm bằng đạo hàm của xung lượng chất điểm theo thời gian. 5. Phát biểu định luật 2 Newton TOP
Phương trình (2.13) được gọi là phương trình cơ bản của động lực học chất điểm. Nó còn được sử dụng ngay cả khi khối lượng của vật thay đổi. Lời giải:
Ví dụ 2: Một xe lửa có khối lượng m = 3 tấn đang chuyển động với vận tốc 40 Km/h thì gặp một đàn cừu đi ngang qua đường ray cách xe lửa 80 m. Tính giá trị của lực hãm sao cho xe lửa không đụng vào đàn cừu ? Lời giải: III. ÐỊNH LUẬT III NEWTON TOP Qua thí nghiệm tương tác của 2 viên bi có thể rút ra công thức: Ðây là công thức của định luật III Newton, được phát biểu như sau : Hai vật khi tương tác sẽ tác dụng lẫn nhau hai lực có cùng phương nhưng ngược chiều, cùng độ lớn và có điểm đặt khác nhau.
Như vậy trong tự nhiên, lực chỉ xuất hiện khi có sự tương tác, và tương tác chỉ xảy ra đối với ít nhất là 2 vật, từ đó cho thấy lực trong tự nhiên luôn xuất hiện thành từng cặp. Mặc dù độ lớn hai lực tác dụng bằng nhau nhưng tác dụng của nó sẽ khác nhau vì mỗi vật có khối lượng quán tính khác nhau nên gia tốc mỗi vật thu được sẽ khác nhau. Ðiều này giải thích tại sao khi xe hơi đụng phải một xe đạp, xe đạp bị hất tung vài chục mét trong khi xe hơi chỉ lệch đi một vài mét. IV. CÁC LỰC TRONG TỰ NHIÊN. TOP Do lực chỉ xuất hiện thành từng cặp và mỗi cặp có cùng một tính chất như nhau ( được tạo ra từ một tương tác) cho nên người ta phân chia các loại lực thông qua các dạng tương tác của chúng. Có bốn dạng tương tác chủ yếu: 1-Tương tác hấp hẫn. 2-Tương tác điện từ. 3-Tương tác mạnh. 4-Tương tác yếu.
Tương tác hấp dẫn sẽ được khảo sát riêng ở chương 3. Tương tác điện từ được khảo sát riêng ở phần 2 về điện từ học. Tương tác mạnh và tương tác yếu sẽ được trình bày ở phần 3 về cấu trúc nguyên tử và hạt nhân. Trong phạm vi chương này chủ yếu là phân tích các tính chất của lực đàn hồi và lực ma sát xuất hiện do sự tương tác điện từ . 1. Lực đàn hồi TOP a) Ðiều kiện xuất hiện lực đàn hồi: Khi một vật bị một lực kéo dãn hay nén lại làm cho vật đó bị biến dạng thì bản thân vật đó tác dụng một lực đàn hồi lên vật tác dụng nó để buộc vật này trả lại cho nó hình dạng cũ. b)Tính chất:
c) Phản lực d) Lực căng dây treo
2. Lực ma sát TOP a) Ðiều kiện xuất hiện Dạng thứ hai của lực đàn hồi là lực ma sát. Lực ma sát xuất hiện khi có sự chuyển động tương đối của 2 hoặc nhiều vật với nhau. Nếu hai vật chuyển động tiếp xúc là vật rắn người ta gọi đó là lực ma sát khô. Nếu một hoặc cả hai vật là chất lưu ( gồm chất khí và lỏng) thì được gọi là ma sát nhớt. Thí dụ ma sát nhớt giữa hai dòng không khí, ma sát nhớt giữa nước chảy trong ống dẫn, ma sát nhớt giữa lớp dầu và các chi tiết máy. b) Ðặc điểm Ðặc điểm của các lực ma sát là luôn luôn có phương tiếp tuyến với mặt tiếp xúc của 2 vật chuyển động tương đối, chiều luôn ngược với chiều chuyển động tương đối. Ðộ lớn của lực ma sát khô tỷ lệ với phản lực thông qua hệ số ma sát. c) Ma sát nghỉ và ma sát trượt Tóm lại : Lực ma sát nghỉ xuất hiện khi chưa có sự chuyển động tương đối của 2 vật tiếp xúc nhưng một trong 2 vật đã chịu tác dụng kéo của ngoại lực. Ðộ lớn của lực ma sát nghỉ thay đổi theo độ lớn của lực kéo F khi lực kéo đạt đến giá trị Fo nào đó sao cho vật A bắt đầu chuyển động tương đối so với
vật B. Người ta nói rằng lúc này lực ma sát nghỉ đã chuyển sang ma sát trượt. Nhiều thí nghiệm chứng tỏ rằng: d) Lực ma sát nhớt Lực ma sát nhớt có hai dạng tuỳ thuộc vào vận tốc chuyển động tương đối v của các vật tiếp xúc. Ðôi khi người ta cũng hiểu nó là lực cản của môi trường. Người ta tìm được công thức xác định độ lớn lực ma sát nhớt khi vận tốc chuyển động tương đối nhỏ: e) Vai trò của lực ma sát - Có hại: Trong các máy đang hoạt động bao giờ cũng xuất hiện ma sát, cản trở chuyển động làm hao phí năng lượng vô ích. Lúc đó phải làm giảm ma sát. Thực nghiệm cho thấy ma sát nhớt bao giờ cũng nhỏ hơn ma sát khô nên trong kỹ thuật người ta thường dùng dầu mỡ để bôi trơn. - Có lợi: Nhờ có ma sát mà máy móc xe cộ đang hoạt động có thể dùng lại được, con người, xe cộ mới di chuyển được. V. ỨNG DỤNG CÁC ÐỊNH LUẬT CƠ HỌC NEWTON. TOP Vận dụng các định luật Newton, chúng ta có thể dể dàng giải các bài toán cơ học đa dạng theo 4 bước cơ bản sau:
Bước 1: Phân tích bản chất các lực tác dụng lên từng vật. Theo định luật III Newton các lực này chỉ xuất hiện thành từng cặp. Bước 2: Viết phương trình định luật II Newton cho từng vật cụ thể. Lưu ý: Nếu hệ có K vật thì sẽ có K phương trình định luật II. Bước 3: Chọn hệ qui chiếu quán tính và hệ trục tọa độ sao cho bài toán trở nên đơn giản, chọn chiều chuyển động giả định cho hệ , sau đó, chiếu phương trình véctơ (2. 21) lên các trục tọa độ để được các phương trình đại số. Bước 4: Giải hệ các phương trình đại số để tìm các nghiệm số theo yêu cầu của đề bài, sau đó biện luận ý nghĩa của các giá trị (nếu có giá trị âm), điều này phụ thuộc vào việc chọn chiều chuyển động giả định.
VI. CÁC LỰC QUÁN TÍNH TOP
1. Lực quán tính ly tâm TOP Lực nầy tác dụng lên vật, không phụ thuộc vào vật đứng yên trong hệ hay đang chuyển động thẳng đều với hệ. 2. Lực Coriolis (Phần tham khảo) TOP