Giáo trình Vật lý lý sinh: Phần 1 - Nguyễn Minh Tân

Chia sẻ: Minh Vũ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:90

Thêm vào BST

Báo xấu

118
lượt xem 24
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Phần 1 cuốn giáo trình "Vật lý lý sinh" giới thiệu tới người đọc các kiến thức y vật lý cơ bản bao gồm: Cơ học; nhiệt động học; điện và từ; quang học; nguyên tử, phân tử và phóng xạ hạt nhân. Mời các bạn cùng tham khảo nội dung chi tiết.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Vật lý lý sinh: Phần 1 - Nguyễn Minh Tân

lộ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO rl>ẠI H Ọ C T H Á I NGUYÊN N G U Y Ê N M I N H TÂN
B ộ GIÁO DỤC VÀ Đ Ả O TẠO ĐẠI H Ọ C THÁI NGUYÊN NGUYỄN M I N H TÂN G I Á O T R Ì N H V Ậ T L Ý L Ý S I N H N H À XUẤT BẢN Đ Ạ I H Ọ C Q U Ố C G I A HÀ N Ộ I
S Á C H Đ Ư Ợ C X U Ấ T B Ả N B Ở I s ự TÀI T R Ợ C Ủ A D ự ÁN GIÁO D Ụ C Đ Ạ I H Ọ C 2
M Ụ C L Ụ C Trang Lời nói đấu 7 P H Ầ N ì. N H Ữ N G K I Ê N T H Ú C Y V Ậ T L Í c ơ B Ả N 9 C h u ô n g 1. C o h ọ c - 11 Ì. C á c k h á i n i ệ m v à đ ạ i l ư ợ n g v ậ t lý c ơ b ả n 11 2. C ơ h ọ c c h ấ t l ư u 21 3. D a o đ ộ n g v à s ó n g 27 C h u ô n g 2. N h i ệ t đ ộ n g h ọ c 33 Ì. T h u y ế t đ ộ n g h ọ c p h à n t ử , c á c đ ị n h luật t h ự c n g h i ệ m v ề c h ấ t k h í 33 2. C á c t h ô n g s ố v à c á c n g u y ê n lý n h i ệ t đ ộ n g c ơ b ả n 36 3. C á c h i ệ n t ư ợ n g n h i ệ t đ ộ n g c ơ b ả n 46 C h u ô n g 3. Đ i ệ n v à T ừ 51 Ì. Đ i ệ n t r ư ờ n g , đ i ệ n t h ế , h i ệ u đ i ệ n t h ế , n g u ồ n đ i ệ n v à d ò n g đ i ệ n 51 2. T á c d ụ n g t ừ của d ò n g đ i ệ n 56 3. T r ư ờ n g đ i ệ n t ừ , s ó n g đ i ệ n t ừ 60 C h u ô n g 4. Q u a n g h ọ c 65 Ì. B á n chất á n h s á n g 65 2. P h á n x ạ , k h ú c x ạ , n h i ễ u x ạ v à g i a o t h o a của á n h s á n g 68 3.Hiệu ứng quang điện 75 C h ư ơ n g 5. N g u y ê n t ử , p h â n t ử v à P h ó n g x ạ h ạ t n h â n 79 Ì. H ạ t c ơ b ả n , N g u y ê n tử, P h â n tử, H ạ t n h â n 79 2. P h ó n g x ạ h ạ t n h â n 84 3. Đ ị n h l u ậ t p h â n r ã p h ó n g x ạ , t í n h c h ấ t của c á c tia p h ó n g x ạ 89 P H À N l i .CO SỞ LÝ SINH Y H Ọ C 93 C h u ô n g 1. N ă n g l ư ợ n g v à s ự s ố n g 95 Ì. P h ư ơ n g t r ì n h c ơ b ả n v ề c â n b ằ n g nhiệt v à c á c q u á trình b i ế n đ ổ i năng lượng trong cơ thể người 95 3
2. T r ạ n g thái d ừ n g v à sự dịch c h u y ể n E n t r o p i trong c á c h ệ t h ố n g s ố n g 99 3. N ă n g l ư ợ n g trong c á c p h ả n ứ n g h ó a sinh loi C h ư ơ n g 2. V ậ n c h u y ể n c ủ a v ậ t c h ấ t t r o n g c ơ t h ể s i n h v ậ t 106 Ì. C á c p h â n t ử , i o n v à d u n g d ị c h t r o n g c ơ t h ể 106 2. C á c h i ệ n t ư ợ n g v ậ n c h u y ể n v ậ t chất c ơ b ả n t r o n g c ơ t h ể sinh v ậ t no 3. C á c c ơ c h ế v ậ n c h u y ể n c ủ a v ậ t c h ấ t qua m à n g t ế b à o 115 C h ư ơ n g 3. L ý s i n h t u ầ n h o à n 126 Ì. H o ạ t đ ộ n g c ủ a h ệ t u ầ n h o à n 126 2. M ạ c h m á u , c ơ c h ế v ậ n c h u y ể n m á u t r o n g h ệ t h ố n g m ạ c h m á u 129 3. N h ữ n g y ế u t ố á n h h ư ở n g đ ế n t u ầ n h o à n m á u 135 C h u ô n g 4. L ý s i n h h ô h ấ p 140 Ì. H o ạ t đ ộ n g h ô h ấ p trong c ơ t h ể . 140 2. C ơ c h ế v ậ n c h u y ể n k h í t r o n g h o ạ t đ ộ n g h ô h ấ p 143 3. N h ữ n g y ế u t ố ả n h h ư ở n g t ớ i h o ạ t đ ộ n g h ô h ấ p 148 C h ư ơ n g 5. C á c h i ệ n t ư ợ n g đ i ệ n S i n h v ậ t 151 1.Các loại đ i ệ n t h ế sinh v ậ t c ơ b ả n 151 2. C ơ c h ê p h á t s i n h v à l a n t r u y ề n c ủ a c á c l o ạ i đ i ệ n t h ế s i n h v ậ t 155 3. C ơ c h ế d ẫ n t r u y ề n h ư n g p h ấ n t ừ t h ầ n k i n h đ ế n c ơ 157 PHẦN H I . M Ộ T VÀI P H Ư Ơ N G PHÁP LÝ SINH ỨNG DỤNG TRONG Y HỌC 167 C h u ô n g 1. P h ư ơ n g p h á p đ o g h i đ i ệ n t i m 169 Ì. S ự h ì n h t h à n h đ ồ t h ị đ i ệ n t i m , đ i ệ n t â m đ ồ v à ý n g h ĩ a c á c s ó n g 169 2. P h ư ơ n g p h á p đ o g h i đ i ệ n t i m 172 C h u ô n g 2. T á c d ụ n g c ủ a d ò n g đ i ệ n l ê n c ơ t h ể v à ứ n g d ụ n g t r o n g y h ọ c 177 Ì. T á c d ụ n g của d ò n g đ i ệ n lên c ơ t h ể 177 2. Ú n g d ụ n g t r o n g k ỹ thuật đ i ệ n c h â m 180 C h u ô n g 3. P h ư o n g p h á p Â m v à S i ê u â m , ứ n g d ụ n g t r o n g y học 183 Ì. Đ ạ i c ư ơ n g v ề s ó n g â m v à s i ê u â m 183 2. ứ n g d ụ n g c ủ a â m v à s i ê u â m t r o n g c h ẩ n đ o á n v à đ i ề u trị 189 4
C h u ô n g 4. T á c d ụ n g c ủ a á n h s á n g l ê n c ơ t h ể , ứ n g d ụ n g t r o n g y s i n h h ọ c 198 l . T á c d ụ n g của á n h s á n g lên c ơ t h ể 198 2. K ỹ t h u ậ t Laser, ứ n g d ụ n g t r o n g Y h ọ c 203 C h u ô n g 5. B ứ c x ạ l o n h ó a v à ú n g d ụ n g t r o n g c h u ẩ n đ o á n h ì n h ả n h 213 Ì. T á c d ụ n a c ủ a b ứ c x ạ l o n h ó a l ê n c ơ t h ể 213 2. P h ư ơ n g p h á p X - q u a n g t r o n g c h u ẩ n đ o á n h ì n h ả n h 216 C h u ô n g 6. P h ư ơ n g p h á p c ộ n g h ư ỏ ì i g t ừ h ạ t n h â n 222 Ì . C ơ sớ v ậ t lý c ủ a p h ư ơ n g p h á p c ộ n g h ư ớ n g t ừ h ạ t n h â n 222 2. P h ư ơ n g p h á p c h ụ p c ắ t l ớ p c ộ n g h ư ở n g t ừ h ạ t n h â n 227 C h u ô n g 7. P h ư ơ n g p h á p p h ó n g x ạ ứ n g d ụ n g t r o n g x ạ t r ị 231 Ì. P h ư ơ n g p h á p p h ó n g x ạ đ á n h d ấ u 231 2. Ư n g d ụ n e p h ư ơ n g p h á p c h i ế u x ạ t r o n g y h ọ c v à n ô n g s i n h h ọ c 235 C h u ô n g 8. P h ư o ' n g p h á p q u a n g p h ổ h ấ p t h ụ p h â n t ử 239 Ì. Sự hấp t h ụ á n h s á n g c ù a m ô i t r ư ờ n g vật c h á t 239 2. Ư n g d ụ n g c ủ a q u a n g p h ổ h ấ p t h ụ p h â n t ử 242 TÀI L I Ệ U T H A M KHẢO 247 5
L Ờ I N Ó I Đ À U Vật lý - Lý sinh là một ngành khoa học, sử dụng các công cụ Vật lý đê phát hiện và làm sáng tỏ bản chất, cơ chế, động lực của các hiện tượng, các quả trình sông; nghiên cứu tác động của các tác nhân vật lý lên cấu trúc và chức năng sinh lý của cơ thê; tìm kiêu nguyên lý chung của các phương pháp, kỳ thuật y - sinh học hiện đại đã và đang được ứng dụng rộng rãi trong Y - Dược học. Với tiêu chí lấy người học làm trung tâm theo quan điểm cùa các phương pháp dạy - học tiên tiến, nhằm triển khai việc chuyển đổi sang đào tạo theo tín chỉ, kịp thời phục nhu câu học tập của sinh viên ngành Y, Dược và Điều dưỡng, đồng thời có thê làm tài liệu tham kháo cho các ngành học có liên quan, chúng tôi biên soạn cuốn Giáo trình Vật lý - Lý sinh này, dựa trên những bài giảng thường niên của Bộ môn, đông thời tham khảo các giáo trình Vật lý và Lý sinh của các trường Đại học Y khoa Hà Nội, Đại học Quốc gia Hà Nội, Học viện Quân y, Học viện Y khoa Huế, Cao đẳng Y tế Hà Nội và nhiều tài liệu chuyên ngành có liên quan... Dựa trên chương trình khung do Bộ Giáo dục & Đào tạo quy định và căn cứ đặc diêm đôi tượng sử dụng, trong quá trình biên soạn chúng tôi luôn cô gắng tuân thủ nguyên tắc: ỉ. Cơ ban nhưng hệ thong. 2. Phong phú nhưng tinh giản. 3. Hiện đại nhưng thiết thực. Chúng tôi trân trọng cảm ơn và tiếp thu những ý kiến đóng góp quý báu và xác đáng của các PGS. TS: Nguyễn Thành Trung, Nguyễn Văn Tư, Nguyễn Văn Sơn, Phạm Hồng Thủi; Các nhà chuyên môn: ThS. Nguyên Trường Giang, ThS. Nguyễn Văn Thiện giang viên Trường Đại học Y Dược - Đại học Thái Nguyên trong quá trình biền soạn cuốn giáo trình này. Mặc dù đã hết sức cố gắng, song do những hạn chế khách quan và chù quan, nên chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót. Chúng tôi mong muốn và trân trọng biết ơn các thầy cô giáo, đồng nghiệp và các bạn sinh viên vê những ý kiên nhận xét, góp ý để cuốn sách được hoàn thiện. Thái Nguyên, ngày 10 tháng 3 năm 2009 Nguyễn M i n h T â n 7
P H Ẩ N ì NHỮNG KIẾN THỨC Y - VẬT LÝ cơ BẢN • 9
Chương Ì C ơ H Ọ C MỤC TIÊU - B ô s u n g v à h ệ t h ố n g h ó a n h ữ n g k i ế n t h ứ c cơ học cơ bản: các khái niệm, đại lượng, định luật, h i ệ n tượng, các q u á trình đ ộ n g học và đ ộ n g lực học. - R è n l u y ệ n k ĩ n ă n g k h á i q u á t h ó a v à tái h i ệ n k i ế n thức đ ã học, v ậ n d ụ n g v à o việc học tập và n g h i ê n c ứ u m ô n học. - H ì n h t h à n h ý t h ứ c l i ê n h ệ k i ế n t h ứ c v ậ t lý v ớ i c á c h i ệ n t ư ợ n g t h ư ờ n g g ặ p trong thực tế. Bài 1: CÁC KHÁI NIỆM VÀ CÁC ĐẠI LƯỢNG VẬT LÝ cơ BẢN • • • • 1. Chuyến động tịnh tiến, chuyển động quay Chuyến động tịnh tiến là những chuyển động không có sự thay đổi về h ư ớ n g , c ò n c h u y ế n đ ộ n g q u a y là n h ữ n g c h u y ể n đ ộ n g c ó s ự t h a y đ ổ i h ư ớ n g c ủ a vật thể. C h u y ể n đ ộ n g tịnh tiến Chuyển đ ộ n g quay Đại l ư ợ n g Ký h i ệ u Đ ơ n vị Đại lượng Kỷ hiệu Đ ơ n vị Quãng đường s m Góc oe rad V ậ n tốc V m/s V ậ n tốc g ó c co rad/s Gia tốc a m/s 2 Gia tốc g ó c p rad/s 2 Khối l ư ợ n g m Kg M ô m e n q u á n tính J kgm 2 Lực F N M ô m e n lực M kgm /s 2 2 Xung l ư ợ n g p kgm/s M ô m e n xung l ư ợ n g L kgm /s 2 Động năng Wd Jun N ă n g l ư ợ n g quay Wq Jun C h u y ể n đ ộ n g q u a y là c h u y ể n đ ộ n g m à q u ỹ đ ạ o c ủ a m ọ i đ i ể m c ủ a v ậ t t h ể đ ề u là q u ỳ đ ạ o t r ò n , c ó t â m n ằ m t r ê n c ù n g m ộ t đ ư ờ n g t h ẳ n g ( t r ụ c q u a y ) . Chuyển li
đ ộ n g quay c ũ n g đ ư ợ c m ô tả b ở i c á c đ ạ i l ư ợ n g đ ộ n g học n h ư g ó c quay. v ậ n tốc g ó c , gia t ó c g ó c v à c á c đ ạ i l ư ợ n g đ ộ n g l ự c h ọ c n h ư m ô m e n q u á n t í n h . m ô m e n lực, m ô m e n x u n g lượng v.v... Giữa chuyến động tịnh tiến và chuyển động quay các đại lượng đặc trưng c ó sự t ư ơ n g ứ n g n h ư b ả n g trên. 2. Khối luông Cơ học cố điển coi khối lượng của vật thể là lượng vật chất của vật thể ấy. N ó b ă n g t ô n g c á c k h ô i l ư ợ n g của t ấ t c ả n g u y ê n t ử , p h â n t ử t ạ o n ê n v ậ t . K h ố i l ư ợ n g là m ộ t h à n g số đ ặ c t r ư n g cho v ậ t t h ể . N g ư ờ i ta đ o k h ố i l ư ợ n g của v ậ t t h ê b ấ t k ỳ b ằ n g c á c h so s á n h n ó v ớ i k h ố i l ư ợ n g đ ã b i ế t ( đ ơ n v ị k h ố i l ư ợ n g ) qua p h é p c â n . Đ ơ n v ị k h ố i l ư ợ n g đ ư ợ c c h ọ n là k i l ô g a m ( k g ) . M ộ t lít n ư ớ c n g u y ê n chất ở 4 ° c c ó k h ố i lượng Ì kilogam. N ế u quan t â m t ớ i chất tạo n ê n v ậ t t h ể thì c ó t h ể đặc t r ư n g chất n à y b à n g m ộ t đ ạ i l ư ợ n g g ọ i là k h ố i l ư ợ n g r i ê n g . Đ ó là t ỷ sổ g i ữ a k h ố i l ư ợ n g m v à t h ể t í c h V c ủ a v ậ t t h ế ấ y . K ý h i ệ u p: p=ệ(kg/m )3 Vì thể tích V phụ thuộc điều kiện bên ngoài như áp suất, nhiệt độ v.v... nên khối lượng riêng cũng phụ thuộc những đại lượng này. M ộ t k h ố i l ư ợ n g c ó 2 t í n h c h ấ t đ ó là t í n h hấp dẫn v à tính ỳ ( q u á n t í n h ) . T í n h hấp dẫn thể h i ệ n ở chỗ: n ế u c ó 2 k h ố i lượng m i và m 2 đặt c á c h nhau m ộ t khoảng r t h ì ở g i ữ a c h ú n g sẽ x u ấ t h i ệ n m ộ t l ự c h ấ p d ẫ n F t í n h t h e o b i ê u t h ứ c : mim 2 F = G r 2 m 3 t r o n g đ ó : G = 6 , 6 7 3 2 . 10"" g ọ i là h ằ n g s ố h ấ p d ẫ n . Đ ơ n v ị c ủ a l ự c F là kgs Nevvton ( N ) n ế u m tính b à n g k g v à r tính b à n g m é t . Lực hấp dần tác dụng từ m, lên m đồng thời từ m lên m,. Nếu một trong 2 2 2 k h ố i l ư ợ n g n à y là k h ố i l ư ợ n g t r á i đ ấ t M v à b á n k í n h t r á i đ á t là R t h ỉ đ ộ l ớ n của l ự c F t r o n g t r ư ờ n g h ợ p n à y là t r ọ n g l ư ợ n g p c ủ a v ậ t k i a . ^ M.m F = P = G —7-=g.m R trong đó: g là gia tốc trọng trường: g = 9,81 m/s . 2 12
3. V ậ n t ố c V ậ n t ố c là đ ạ i l ư ợ n g v ậ t lý đ ặ c t r ư n g c h o s ự b i ế n đ ổ i c ủ a q u ã n g đ ư ờ n g d ị c h c h u y ể n t h e o t h ờ i g i a n . K í h i ệ u : V. Đ ơ n v ị : m/s ( t r o n g h ệ S I ) . Vận tốc trung bình L à tỉ số g i ữ a đ o ạ n đ ư ờ n g d ị c h c h u y ể n AS m à c h ấ t đ i ể m đ i đ ư ợ c sau k h o ả n g t h ờ i RÌan Át v ớ i k h o á n g t h ờ i g i a n Át đ ó : - AS V Át T r o n g m ộ t k h o ả n g t h ờ i g i a n c h u y ể n đ ộ n g Át, c h ấ t đ i ể m c ó t h ể c ó v ậ n t ó c k h ô n g đ ề u , k h i nhanh, k h i chậm. D o đ ó v ậ n tốc trung bình V không đặc trưng cho c ư ờ n g đ ộ c h u y ể n đ ộ n g của chất đ i ể m ở t ừ n g thời đ i ể m , t ừ n g v ị trí m ộ t trên q u ỹ đ ạ o . D o đ ó n g ư ờ i ta d ù n g k h á i n i ệ m v ậ n t ố c t ứ c t h ờ i . Vận tốc tức thòi Là v ậ n tốc của chất đ i ể m ở m ộ t thời đ i ể m x á c định: ,. r ,. AS dS v t t = lim V= lim — = — At->0 At->0 Át dt V ậ n tốc tức thời c ó đ ộ l ớ n bằng đ ạ o h à m bậc nhất của q u ã n g đ ư ờ n g theo thời gian. Ở m ô i t h ờ i đ i ể m x á c đ ị n h , c h ấ t đ i ể m c ó m ộ t g i á trị v ậ n t ố c t ứ c t h ờ i x á c đ ị n h . V ậ y v ậ n t ố c t ứ c t h ờ i c ũ n g là m ộ t n á m sổ c ủ a t h ờ i g i a n c h u y ể n đ ộ n g : Vị = v ( t ) . t 4. Gia tốc Gia tốc là một đại lượng vật lý đặc trưng cho sự biến đổi của vectơ vận tốc theo t h ờ i g i a n . K í h i ệ u g i a t ố c l à ã . Đ ơ n v ị t r o n g h ệ S I : m / s . 2 Gia tốc trung bình: G i a tốc trung b ì n h của c h u y ể n đ ộ n g trong k h o ả n g t h ờ i g i a n Át là tỉ sổ g i ữ a đ ộ b i ể n t h i ê n v ậ n t ố c A v v ớ i k h o ả n g t h ờ i g i a n Át x ả y ra đ ộ biến thiên vận tốc đó: - Av a = — Át Gia tấc tức thời: L à đ ạ i l ư ợ n g đặc t r ư n g cho sự b i ế n đ ổ i của v e c t ơ v ậ n tốc ở t ạ i m ộ t t h ờ i đ i ế m x á c đ ị n h ( g ọ i là g i a t ó c ) . K h o á n g t h ờ i g i a n Át c à n g n h ỏ t h ì g i a t ố c t r u n g b ì n h c à n g đ ặ c t r ư n g chính xác cho sự biên thiên của v ậ n t ó c . Av dv a = lim a = lim = — Ãi->0 At->0 Át dt 13
V ậ y : G i a t ố c là đ ạ i l ư ợ n g v e c t ơ b à n g đ ạ o h à m b ậ c n h ấ t c ủ a v e c t ơ v ậ n t ố c theo t h ờ i gian. 5. Lục, công, năng lượng, công suất Lực là nguyên nhân gây ra sự biến đổi trạng thái chuyển động của vật (là n g u y ê n n h â n g â y ra g i a t ố c ) . L ự c c ò n là n g u y ê n n h â n g â y ra b i ế n d ạ n g c ủ a các vật thể. - Nếu dưới tác dụng của lực F, vật dịch chuyển được quãng đường s thì công t h ự c h i ệ n t r ê n q u ã n g đ ư ờ n g n à y là: A = (F.S) = FS cosoc trong đó: oe là góc hợp bởi phương của 2 vectơ F và s. - Nêu dọc theo quãng đường, giá trị của lực thay đổi thì phải tính vi phân c ô n g d A t r ê n v i p h â n q u ã n g đ ư ờ n g dS: dA = (F.dS) v à c ô n g t o à n p h ầ n sẽ l à : S2 A= í (F.dS) •64 Đ ơ n vị đ o c ủ a c ô n g là Jun (J). Khi một vật thể có khả năng sinh công ta nói vật thể đó có năng lượng. T r o n g c ơ h ọ c c ó hai d ạ n g n ă n g l ư ợ n g : t h ế n ă n g W t là n ă n g l ư ợ n g v ị trí v à đ ộ n g n ă n g W d là n ă n g l ư ợ n g c h u y ể n đ ộ n g . Một vật được đưa lên cao, một lò xo bị nén hoặc giãn đều tiềm trữ một thế n ă n g . T h ế n ă n g c ủ a v ậ t k h ố i l ư ợ n g m ở đ ộ cao h : Wt = mgh Thế năng của lò xo bị kéo giãn Ì đoạn x: Wt = — loe 2 2 Một khối lượng m, chuyển động với vận tốc V, có động năng- Wd = Ậmv 2 2 T ố n g đ ộ n g n ă n g v à t h ế n ă n g đ ư ợ c g ọ i là c ơ n ă n g . C ơ n ă n g c ũ n g t u â n t h e o đ ị n h l u ậ t b ả o t o à n n ă n g l ư ợ n g n ó i c h u n g , n g h ĩ a là t r o n g q u á t r ì n h c ơ h ọ c n ế u chỉ Xia át h i ệ n t h ê n ă n g v à đ ộ n g n ă n g t h ì c h ú n g ta c ó : Wd + Wt =-.m.v +m.g.h = Const 2 14
C ơ n ă n g của c h ấ t đ i ể m đ ư ợ c b ả o t o à n t r o n g q u á t r ì n h c h u y ể n đ ộ n g n ê n n ê u t h ế n ă n g g i ả m thì đ ộ n g n ă n g t ă n g v à n g ư ợ c lại. Tức thế năng và động năng c h u y ể n hoa c h o n h a u , đ ộ n g n ă n g g i ả m m ộ t l ư ợ n g bao n h i ê u t h ì t h ê n ă n g t ă n g m ộ t l ư ợ n g đ ú n g b à n g n h ư v ậ y hay n g ư ợ c l ạ i . T u y n h i ê n t r o n g thực tế c ò n c ó lực ma sát vì v ậ y c ơ n ă n g c ò n b i ê n đ ô i t h à n h c á c d ạ n g n ă n g l ư ợ n g k h á c n h ư n h i ệ t n ă n g ( q u á t r ì n h n à y là k h ô n g t h u ậ n n g h ị c h ) . Đ ể đ ặ c t r ư n g c h o t ố c đ ộ s i n h c ô n g n g ư ờ i ta d ù n g k h á i n i ệ m c ô n g s u â t là AA c ô n g s i n h ra t r o n g Ì đ ơ n vị t h ờ i g i a n : p = — — . Đ ơ n v ị của c ô n g suất là O á i ( W ) . Át Lưu ý: C ơ học cổ đ i ể n coi k h ố i lượng m v à n ă n g l ư ợ n g w là n h ữ n g đ ạ i l ư ợ n g đ ộ c l ậ p , g i ữ a c h ú n g k h ô n g c ó sự c h u y ể n h ó a , k h i v ậ t đ ứ n g y ê n ( v = 0 ) t h ì đ ộ n g n ă n g c ù a v ậ t b ằ n g k h ô n g . N h ư n g c ơ h ọ c t ư ơ n g đ ố i đ ã c h ỉ ra m ố i q u a n h ệ g i ữ a k h ố i l ư ợ n g v à n ă n g l ư ợ n g b ở i h ệ t h ứ c : w = m C , G ọ i là h ệ t h ứ c A n h x t a n h . 2 Có thể viết: w = N h ư v ậ y k h i v ậ t đ ứ n g y ê n ( v = 0 ) v â n c ó m ộ t n ă n g l ư ợ n g là w 0 = m C0 gọi là n ă n g l ư ợ n g n g h ỉ ứ n g v ớ i h ì n h t h ứ c v ậ n đ ộ n g n ộ i t ạ i của v ậ t c h ấ t . S ự t ă n g h a y h ụ t k h ố i l ư ợ n g sẽ k è m theo sự t ỏ a hay t h u n ă n g l ư ợ n g . 6. Sức căng, áp suất Như đã biết Lực, ngoài nguyên nhân gây ra g i a t ố c , c ò n là nguyên n h â n g â y ra b i ế n d ạ n g của c á c v ậ t t h ể . Sự b i ế n dạng này đ ố i v ớ i các vật thể đ à n h ồ i d ẫ n t ớ i sức căng c ơ học. Người ta p h â n biệt 2 loại: sức căng tiếp tuyến và sức căng pháp tuyên. X é t một vật, chịu tác dụng của Ì lực Fn v u ô n g g ó c v ớ i thiết d i ệ n s (Hình 1.5). „ Fn . . ., Đại lượng s = — 1 đ ư ợ c g ọ i là V & s ứ n g suất l ự c . D ư ớ i t á c d ụ n g của sức 15
c ă n g p h á p t u y ế n , Ì v ậ t c h i ề u d à i Ì b ị k é o g i ã n Ì đ o ạ n A / t h ì t ỳ số £ = — được 1 g ọ i là đ ộ b i ế n d ạ n g t ỷ đ ố i . T r o n g s ự b i ế n d ạ n g đ à n h ồ i , 8 t ỷ l ệ v ớ i ơ theo b i ể u t h ứ c c ủ a đ ị n h l u ậ t H ứ c : £ = kơ, k được gọi là hệ số đàn hồi và — = E gói là mô đun đàn hồi của vật. k N ế u lực tác d ụ n g k h ô n g v u ô n g g ó c v ớ i thiết d i ệ n m à song song v ớ i thiết d i ệ n ta c ó b i ế n d ạ n g t r ư ợ t . L ự c t á c d ụ n g g â y ra b i ế n d ạ n g t r ư ợ t đ ư ợ c g ọ i là sức c ă n g t i ế p t u y ế n F t ( H ì n h Ì .6). T ư ơ n g t ự n h ư t r ê n ta c ũ n g c ó ứ n g s u ấ t t i ế p t u y ế n ĩ đ ư ợ c đ ị n h n g h ĩ a : Ft _ T = —- s t r o n g đ ó : s là d i ệ n t í c h m ặ t c h ị u t á c d ụ n g c ủ a Ft. Á p suất đ ư ợ c đ ị n h n g h ĩ a là t ỷ s ố g i ữ a l ự c é p v u ô n g g ó c ( á p l ự c ) v ớ i d i ệ n tích bị é p : P = F f > r s Vm 2 ) T r o n g chất l ỏ n g v à k h í á p suất lan t r u y ề n đ ề u nhau theo m ọ i p h ư ơ n g . Đ ô i v ớ i c h ấ t l ỏ n g ít c h ị u n é n , do t r ọ n g l ư ợ n g của c ộ t c h ấ t l ỏ n g , x u ấ t h i ệ n m ộ t á p suất t ỷ l ệ v ớ i c h i ề u cao của c ộ t c h ấ t l ỏ n g ( á p suất t h ủ y t ĩ n h ) t h e o c ô n g t h ứ c : p = pgh. C ô n g t h ứ c n à y c h o p h é p đ o á p s u ấ t qua đ ộ cao c ủ a c ộ t c h ấ t l ỏ n g . Đ ố i v ớ i c h ấ t k h í ( k h ô n g k h í ) c ũ n g t ồ n t ạ i m ộ t á p suất t ư ơ n g t ự n h ư c h ấ t l ỏ n g n h ư n g do m ậ t đ ộ k h í t h a y đ ố i t h e o c h i ề u cao n ê n á p s u ấ t n à y p h ụ t h u ộ c v à o đ ộ cao h theo b i ể u t h ứ c : Po p = p . e 0 Po-gh trong đó: p là áp suấtở dô cao h; p 0 là á p suất t r ê n m ặ t n ư ớ c b i ế n ; Po là k h ố i l ư ợ n g r i ê n g của k h í t r ê n m ặ t n ư ớ c b i ể n ; g là gia t ố c t r ọ n g t r ư ờ n g . Công thức đúng với giả thiết nhiệt độ không đổi. ló
7. M a s á t Ma sát íruọl và ma sát nghỉ K h i hai v ậ t t i ế p x ú c c h u y ể n đ ộ n g v ớ i n h a u , g i ữ a c h ú n g x u ấ t h i ệ n n h ữ n g l ự c n g ư ợ c c h i ề u v ớ i l ự c p h á t đ ộ n g do đ ó c ũ n g n g ư ợ c c h i ề u v ớ i v ậ n t ó c , đ ó là l ự c m a s á t . Đ ố i v ớ i c á c v ậ t r ắ n n g ư ờ i ta p h â n b i ệ t 2 l o ạ i m a s á t : m a s á t t r ư ợ t v à ma sát nghỉ. M ộ t vật ớ trạng thái nghỉ m u ố n c h u y ể n đ ộ n g cần p h ả i tác d ụ n g Ì lực F. L ự c n à y k h ô n g l à m cho v ậ t c h u y ể n đ ộ n g n g a y đ ư ợ c m à p h ả i đ ạ t t ớ i m ộ t g i á trị n à o đ ó b à n g lực ma sát nghỉ, k h i đ ó v ậ t m ớ i c h u y ể n động. L ự c ma sát nghỉ F m s n đ ư ợ c t í n h theo b i ế u t h ứ c : ịi là hệ số ma sát nghỉ, N là áp lực. n K h i v ậ t b ắ t đ ầ u c h u y ể n đ ộ n g sẽ x u ấ t h i ệ n m a s á t t r ư ợ t , đ ể g i ữ v ậ t c h u y ê n đ ộ n g v ớ i v ậ n tốc k h ô n g đ ố i cần tác d ụ n g m ộ t lực F b ằ n g v ớ i lực ma sát trượt. L ự c ma sát t r ư ợ t t í n h theo b i ê u thức: Fmstr = Htr-N t r o n g đ ó : | j . là h ệ s ố m a s á t t r ư ợ t . t r T h í n g h i ệ m c h ứ n g t ỏ lực ma sát t r ư ợ t n h ỏ h ơ n ma sát nghỉ: Pmstr ^ Fmsn C á c h ệ số m a s á t p h ụ t h u ộ c v à o b ả n c h ấ t v à t í n h c h ấ t c ủ a m ặ t t i ế p x ú c , k h ô n g phụ thuộc v à o diện tích mặt tiếp xúc. D o c ó m a s á t n ê n t r o n g q u á t r ì n h v ậ t t h ể c h u y ể n đ ộ n g sẽ x u ấ t h i ệ n c ô n g m a sát, c ô n g n à y phần l ớ n b i ế n t h à n h nhiệt n ă n g . Ma sát nội Đ ố i v ớ i c h ấ t l ỏ n g c h ả y v ớ i v ậ n t ố c đ ủ n h ỏ , c h ú n g sẽ c ó d ạ n g c h ả y t h à n h l ớ p . D o đ ó g i ữ a c á c l ớ p c ó v ậ n t ố c k h á c n h a u x u ấ t h i ệ n l ự c m a s á t n ộ i c ó g i á trị F = nS — trong đó s là diên tích lóp chất lỏng, — là biến thiên vân tốc theo dz \ dz h ư ớ n g z ( g r a d i e n v ậ n t ố c ) v à TỊ là h ệ số" n h ớ t p h ụ t h u ộ c b ả n c h ấ t c ủ a c h ấ t l ỏ n g . C h ấ t l ỏ n g t u â n t h e o h ệ t h ứ c n à y g ọ i là c h ấ t l ỏ n g N e v v t o n . N ế u c ó m ộ t vật rắn chuyển đ ộ n g trong chất l ỏ n g c ó v ậ n tốc đ ủ b é thì lực ma s á t t ỷ l ệ v ớ i v ậ n t ố c , đ ó là đ ị n h l u ậ t Stoc: F m s = k.v trong đó: k là hệ số tỷ lệ. 17
N ế u v ậ t c ó d ạ n g h ì n h c ầ u b á n k í n h r v à c h ấ t l ỏ n g c ó h ệ số n h ớ t TỊ t h ì : k = 6 TI TỊ r v à l ự c m a sát t r o n g t r ư ờ n g h ợ p n à y là: F m s = Ó7ir|rv V ì l ự c m a s á t t ă n g theo v ậ n t ố c n ê n t ớ i m ộ t g i á trị n à o đ ó sẽ c â n b à n g v ớ i l ự c t á c d ụ n g v à v ậ t sẽ c h u y ể n đ ộ n g đ ề u . 8. Các định luật cơ bản về lực và tác dụng ĩ • • * ~ Định Ị uột ì Neyvton - Nguyên lý quản tính M ọ i v ậ t sẽ g i ữ n g u y ê n t r ạ n g t h á i n g h ỉ hay c h u y ể n đ ộ n g t h ẳ n g đ ê u n ê u t ô n g các lực tác dụng v à o c h ú n g b ằ n g k h ô n g . N ó i c á c h k h á c v ậ t c ó tính bảo toàn trạng t h á i c h u y ể n đ ộ n g của m ì n h v à g ọ i là q u á n t í n h h a y t í n h ỳ của v ậ t . Định luật l i Newton - Nguyên lý tác dụng Lực là n g u y ê n n h â n g â y ra sự b i ế n đ ổ i t r ạ n g t h á i c h u y ể n đ ộ n g của v ậ t (là n g u y ê n n h â n g â y ra gia t ó c ) . V ớ i m ộ t k h ố i l ư ợ n g k h ô n g đ ổ i , gia t ố c t ỷ l ệ t h u ậ n v ớ i l ự c v à t ỷ l ệ n g h ị c h v ớ i k h ố i lượng: a = — hay F = m.a m a > 0: c h u y ể n đ ộ n g n h a n h d ầ n ; a < 0: c h u y ể n đ ộ n g c h ậ m d ầ n . Định luật HI Nevvton - Nguyên lý phản tác dụng V ớ i m ỗ i lực t á c d ụ n g đ ề u c ó m ộ t l ự c p h ả n t á c d ụ n g , c ù n g p h ư ơ n g c ù n g đ ộ lớn n h ư n g ngược chiều. L ự c t á c d ụ n g đ ư ợ c suy t ừ đ ị n h l u ậ t l i N e w t o n : F = ma dv Gia tóc a là đ ạ o h à m của v ậ n t ó c theo t h ờ i g i a n : a = —- dt ds Vận tóc là đ ạ o h à m của q u ã n g đ ư ờ n g theo t h ờ i g i a n : V= — dt 2 dv d s nghĩa là: 2 dt dt v ậ n t ố c , gia t ố c đ ề u là n h ữ n g v e c t ơ . 18
Các đại lượng: lực F, quãng đường s, vận tốc V, gia tốc a là những đại lượng vectơ, còn khối lượng m, thời gian ỉ là những đại lượng vô hướng. N h ữ n g đ ạ i l ư ợ n g v e c t ơ t u â n theo c á c p h é p b i ể u d i ễ n v à c á c p h é p t í n h v e c t ơ . 9. Một số dạng chuyển động đặc biệt Chuyển động thẳng biến đổi đểu C h u y ể n đ ộ n g t h ẳ n g c ó V k h ô n g đ ổ i p h ư ơ n g , do đ ó a n = 0. C h u y ể n động b i ê n đ ô i n ê n a ị 0. ( í a =0 C h u y ê n đ ộ n g t h ă n g b i ế n đ ố i đ ề u c ó
V ậ n tóc góc trung bình: M(t + At) co = A e / A t . V ậ n tóc g ó c tức thời: - A0 de Củ — l i m — dt Hình 1.1: Vận tốc góc Al->0 Ạt V ậ y : vận tóc góc tức thời (gọi tát là vận tóc góc) cỏ độ lớn băng đạo hàm bậc nhát của góc quay đôi với thời gian. Q u y ư ớ c : v ậ n t ố c g ó c (ù: de + C ó g ó c tai t â m O ; c ó đ ô l ớ n b ă n g — ; c ó p h ư ơ n g v u ô n g g ó c v ớ i q u ỹ đ a o t r ò n . dt + Có chiều được xác định theo quy tắc vặn nút chai: nếu quay cán vặn nút chai theo chiều chuyển động của chất điểm thì chiều tiến hay lùi của thân vặn nút chai là chiều của vectơ vận tốc góc. + Đơn vị đo: rad/s Hình 1.2: Vận tốc góc Gia tốc góc L à đ ạ i l ư ợ n g v ậ t lý đ ặ c t r ư n g c h o s ự b i ế n đ ổ i của vectơ vận tốc góc thểo thời gian. - Gia tốc góc trung bình: (3 = Aco/At - Gia tốc góc tức thời: A co d co [3= l i m p = l i m A.->0 At->0 Ạ t dt Gia tốc g ó c p là m ộ t v e c t ơ b ằ n g đ ạ o h à m bậc nhất của vectơ vận tốc góc đối với thời gian. Hình 1.3: Gia tốc góc + C ó p h ư ơ n g : là p h ư ơ n g c ủ a co, n g h ĩ a l à p h ư ơ n g v u ô n g g ó c v ớ i m ặ t p h a n g quỹ đạo tròn. 20
+ C h i ề u : C ó c h i ề u c ù n g c h i ề u v ớ i v ậ n t ố c g ó c co, n ế u c h u y ể n đ ộ n g là n h a n h d â n v à n g ư ợ c c h i ề u co n ế u c h u y ế n đ ộ n g là c h ậ m d â n ( « 2 < dco de 2 p = = + Đ ộ lớn: d P d t 7 + Đ o n v i do: r a d / s . 2 Sự liên hệ giữa vận tốc dài V, gia tốc tiếp tuyến a, với vận tóc góc tó và gia tốc góc (3 : Sau t h ờ i g i a n dt, c h ấ t đ i ể m đi đ ư ợ c đ o ạ n đ ư ờ n g dS, v e c t ơ b á n k í n h R q u é t được m ộ t góc d o , Vì ds = R.dG, nên: dS „ de V = — = R.— dt d V = R.O) X é t c ả v ề m ặ t p h ư ơ n g c h i ề u của 3 v e c t ơ V , R , Cừ ta t h â y : V = [co A R ] R : vectơ bán kính quỹ đạo. - Đ ộ l ớ n của gia t ó c p h á p t u y ê n : a = — = ^——- = co .R n R R - G i a t ố c t i ế p t u y ế n v à gia t ố c g ó c : ch^d(coR) = R da) dt dt dt X é t c ả v ề p h ư ơ n g c h i ề u của 3 v e c t ơ (3, à, v à R , ta c ó : a, = [ p A r ] . Hình 1.4: Sự liên hệ giữa V, a t Cù và p B à i 2. C ơ H Ọ C C H Á T L Ư U 1. Đặc điểm chất lưu C h ấ t l ư u bao g ồ m c á c c h ấ t l ỏ n g v à c á c c h ấ t k h í . v ề m ặ t c ơ h ọ c , m ộ t c h ấ t l ư u c ó t h ể q u a n n i ệ m là m ộ t m ô i t r ư ờ n g l i ê n tục t ạ o t h à n h b ở i c á c c h á t d i ê m l i ê n k ế t v ớ i n h a u b à n e n h ữ n g n ộ i l ự c t ư ơ n g t á c ( n ó i c h u n g đ ó là l ự c h ú t ) . Cúc chất lưu có những tính chất tổng quát sau: Ì. K h ô n g c ó h ì n h d ạ n g nhất định. 21
2. C á c c h ấ t l ư u bao g ồ m c á c c h ấ t l ư u d ễ n é n ( c h ấ t k h í ) v à c á c c h ấ t l ư u k h ó nén (chất lỏng). 3. C h á t l ư u lý t ư ở n g là c h á t h o à n t o à n k h ô n g n é n đ ư ợ c v à k h ô n g c ó l ự c m a sát n ộ i (lực n h ớ t ) . K h i c h á t l ư u c h u y ể n đ ộ n g c á c lớp chất của n ó c h u y ể n n ó chuyển đ ộ n g v ớ i n h ữ n g v ậ n tốc k h á c nhau, n ê n giữa c á c lớp chất n à y x u ấ t hiện lực n ộ i ma sát. M ộ t c h ấ t l ư u k h ô n g lý t ư ở n g g ọ i là c h ấ t l ư u t h ự c . T h e o đ ị n h n g h ĩ a t r ê n , m ọ i c h ấ t l ư u đ ề u là c h ấ t l ư u t h ự c . T u y n h i ê n m ộ t chất l ư u r ấ t l i n h đ ộ n g ( k h ô n g n h ớ t ) c ó t h ế t ạ m g ọ i l à c h ấ t l ư u lý t ư ở n g . N g o à i ra, t h e o t r ê n l ự c n ộ i m a s á t c h ỉ x u ấ t h i ệ n t r o n g c h ấ t l ư u c h u y ê n đ ộ n g . V ậ y m ộ t chất lưu ở t r ạ n g thái n ằ m y ê n c ó g ắ n đ ầ y đ ủ t í n h chất của m ộ t chất lưu lý t ư ở n g . T r o n g c h ư ơ n g n à y c h ủ y ế u c h ú n g ta n g h i ê n c ứ u c á c đ ị n h l u ậ t c h u y ể n đ ộ n g của chất l ỏ n g . 2. Tĩnh học chất lỏng r r r Áp suôi trong lòng chát lỏng X é t t r o n g l ò n g c h ấ t l ỏ n g m ộ t k h ố i c h ấ t l ỏ n g n ằ m t r o n g m ặ t k í n s, g ọ i d s là m ộ t d i ệ n t í c h v i p h â n bao q u a n h m ộ t đ i ể m M b ấ t k ỳ c ủ a s. Thực nghiệm chứng tỏ rằng phần chất lỏng ở s ^ \ n g o à i m ặ t k í n s t á c d ụ n g l ê n d s m ộ t l ự c d F g ọ i là á p Ị \S lực (lực n é n ) . Trong trường hợp chát lỏng nằm yên, áp lực dF v u ô n g g ó c v ớ i dS. T a c ó t h ể đ ị n h n g h ĩ a á p suất t ạ i đ i ể m M t r o n g c h ấ t l ỏ n g là: Hình 2.1: Áp suất p = d£ trong lòng chất lỏng dS T h ự c n g h i ệ m c ũ n g c h ữ n g t ỏ r ằ n g v ớ i m ộ t c h ấ t l ỏ n g lý t ư ở n g á p s u ấ t p t ạ i đ i ế m M là m ộ t đ ạ i l ư ợ n g x á c đ ị n h ( c h ỉ p h ụ t h u ộ c v à o v ị t r í đ i ể m M k h ô n g phụ t h u ộ c v à o h ư ớ n g của d F ) . B i ể u h i ệ n c ụ t h ể c ủ a á p suất là k h i n h ú n g m ộ t t ấ m m ỏ n g v à o trong m ộ t c h á t l ỏ n g thì trên b ề m ặ t của v ậ t ấ y x u ấ t h i ệ n c á c l ự c n é n ( á p l ự c ) do c h á t l ỏ n g t á c d ụ n g , c ó đ ộ l ớ n n h ư n h a u v à v u ô n g g ó c v ớ i b ề m ặ t t ấ m m ỏ n g , bất k ế t ấ m m ỏ n g định h ư ớ n g n h ư t h ế n à o . Đ ơ n v ị đ o : N / m ( g ọ i là Pascan) 2 lpa = lN/m ; Ì atm = 1,013.lo pa; 2 5 Ì atm = 760 m m H g ; Ì át = 9 , 8 1 . l o 4 pa. 22