Bài giảng Vật lý đại cương - Chương 2: Động lực học chất điểm

VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNGCƠ HỌC - NHIỆT HỌCBÀI GIẢNG CHO SINH VIÊN CHÍNH QUYGiảng viênNGUYỄN THANH NGACHƯƠNG 2. ĐỘNG LỰC HỌC CHẤT ĐIỂM1-Định luật I: phát biểu, quán tính, định luật quán tính“Một vật cô lập (không chịu tác dụng bên ngoài) nếu đang đứng yên thì sẽ đứng yên mãi mãi, nếu đang chuyển động thì đó là chuyển động thẳng và đều”. - Quán tính của một vật là tính chất giữ nguyên trạng thái (bảo toàn trạng thái) chuyển động của vật.-khi vật đứng yên: v=0, khi vật chuyển động thẳng đều: v=hằng số vận tốc của vật không thay đổi. Ta nói: trạng thái chuyển động của vật được bảo toàn, mà tính chất bảo toàn trạng thái chuyển động của vật gọi là quán tính. Vậy định luật I Newton được gọi là định luật quán tính.$1. ĐỊNH LUẬT I NEWTON$1. ĐỊNH LUẬT I NEWTON* HQC quán tính, ví dụHệ quy chiếu trong đó định luật I Newton được nghiệm đúng- Thí dụ: Một vật đặt trên mặt đất thì hệ quy chiếu gắn vào mặt đất là hqc quán tínhMọi hqc chuyển động thẳng đều với hqcqt cũng là hqcqt* Hệ quy chiếu phi quán tính, ví dụ -là hqc trong đó định luật 1 Newton không được nghiệm đúng. ( hqcpqt là hqc chuyển động có gia tốc so với hqcqt)-Thí dụ: Hqc gắn vào ô tô khi ôtô đang chuyển động có gia tốc là hqc phi quán tính2-Hệ quy chiếu quán tính và phi quán tính $2. ĐỊNH LUẬT II NEWTON* Khái niệm Lực là đại lượng vật lý đặc trưng cho tác dụng của vật này lên vật khác lực là đại lượng véctơ, kí hiệu là , đơn vị là Niutơn (N).* Tính chất- Lực là nguyên nhân gây ra sự biến đổi trạng thái chuyển động của vật - Lực là nguyên nhân gây biến dạng của vật - Trong khoảng không gian tại mỗi vị trí đều có lực tác dụng lên chất điểm đặt ở đó. Ta nói: trong không gian đó có một trường lực.1-Lực 	khái niệm, tính chất$2. ĐỊNH LUẬT II NEWTON- Nếu có nhiều lực cùng tác dụng lên một chất điểm thì ta có nguyên lý chồng chất lực như sau: “Tác dụng đồng thời của nhiều lực lên một chất điểm tương đương với tác dụng của một lực duy nhất = tổng hợp các véctơ lực nói trên”.1-Lực 	khái niệm, tính chất (tt)$2. ĐỊNH LUẬT II NEWTON* Khái niệm- Thực nghiệm chứng tỏ rằng: với cùng một lực tác dụng lên những chất điểm khác nhau sẽ gây ra những gia tốc tương ứng khác nhau.Như vậy sự thay đổi trạng thái của một vật còn phụ thuộc vào một tính chất riêng của vật. Tính chất riêng này được đặc trưng bởi một đại lượng vật lý gọi là khối lượng của vật, ký hiệu là m.“Khối lượng là đại lượng vật lý đặc trưng cho tính chất bảo toàn trạng thái chuyển động của vật, tức là đặc trưng cho mức quán tính của vật”. 2-Khối lượng khái niệm, tính chất$2. ĐỊNH LUẬT II NEWTON* Tính chất- Thực nghiệm chứng tỏ: Nếu m tăng thì giảm, nghĩa là sự thay đổi trạng thái chuyển động của vật càng ít quán tính của vật càng lớn.- Theo quan điểm của cơ học cổ điển: + khối lượng của vật có tính tuyệt đối+ không phụ thuộc hệ quy chiếu+ có tính cộng được.- Có 2 loại khối lượng: khối lượng quán tính và khối lượng hấp dẫn2-Khối lượng khái niệm, tính chất$2. ĐỊNH LUẬT II NEWTONPhát biểu: “Trong một hệ quy chiếu quán tính, véctơ gia tốc của chất điểm chuyển động tỉ lệ thuận với lực tác dụng và tỉ lệ nghịch với khối lượng của chất điểm”.Trong hệ SI: k=1-Pt trên là pt cơ bản của động lực học chất điểm vì:+Nếu biết được lực tác dụng lên chất điểm, ta xác định được gia tốc của nó. +Từ đó, nếu biết thêm các điều kiện ban đầu thì hoàn toàn xác định được các đặc trưng chuyển động của chất điểm ở bất kì thời điểm nào.3-Định luật II Newton	 p/biểu, b/thức, pt cơ bản$2. ĐỊNH LUẬT II NEWTONTheo định luật II Newton, ta có: gọi là lực tiếp tuyến, gây ra gia tốc tiếp tuyến, nghĩa là có tác dụng làm thay đổi trị số của vectơ vận tốc gọi là lực pháp tuyến, gây ra gia tốc pháp tuyến, nghĩa là có tác dụng làm thay đổi phương, chiều của vectơ vận tốc Trong trường hợp chất điểm chuyển động tròn, lực pháp tuyến hướng vào tâm quỹ đạo nên còn gọi là lực hướng tâm: 4-Lực trong chuyển động cong $3. ĐỊNH LUẬT III NEWTON-Phát biểu: “Khi vật 1 tác dụng lên vật 2 một lực thì đồng thời vật 2 cũng tác dụng lên vật 1 một lực cùng phương, ngược chiều và cùng độ lớn với lực ”. -Định luật III là định luật về lực và phản lựcNếu coi là lực thì là phản lực và ngược lại. Tuy tổng 2 lực =0 nhưng tác dụng của chúng không khử nhau do điểm đặt lực khác nhau (khác với trường hợp 2 lực cùng tác dụng lên một chất điểm)-Nếu chỉ xét riêng chất điểm 1 thì là ngoại lực, chỉ xét riêng vật 2 thì cũng là ngoại lực. Nếu gộp 2 vật thành một hệ thì , đều là nội lực.Khi đó: “tổng nội lực bằng 0”.1-Định luật III Newton	 p/biểu, lực và phản lực, nội lực$3. ĐỊNH LUẬT III NEWTONa/ Phản lực và lực ma sát vuông góc với bề mặt gọi là phản lực pháp tuyến cùng phương, ngược chiều với vận tốc gọi là lực ma sátCó 3 loại lực ma sát: ms nghỉ, ms lăn, ma sát trượt b/ Lực căng dâyKhi chất điểm được treo trên một sợi dây và chịu tác dụng của lực thì dây bị căng và tại các điểm trên dây đều xuất hiện những lực gọi là lực căng. 2-Các lực liên kết lực ms, lực căng dây, lực đ/hồi$3. ĐỊNH LUẬT III NEWTONb/ Lực căng dây (tt)Để xác định lực căng tại A, ta tưởng tượng cắt dây tại A: để cho các nhánh của dây vẫn giữ nguyên trạng thái như khi chưa bị cắt thì trên các nhánh OA và AM lần lượt phải chịu tác dụng những lực cùng phương, ngược chiều, cùng độ lớn:Đó chính là các lực căng tại A cần xác định.- Thông thường, ta xét trường hợp dây không dãn, khối lượng không đáng kể, cường độ lực căng không thay đổi dọc theo sợi dây.2-Các lực liên kết lực ms, lực căng dây, lực đ/hồi$3. ĐỊNH LUẬT III NEWTONc/ Lực đàn hồi-Lực đàn hồi có cường độ tỉ lệ thuận và ngược chiều với độ dời x:	, trong đó k là hệ số đàn hồi.-Lực đàn hồi trên lò xo xuất hiện có xu hướng kéo chất điểm về vị trí cân bằng O.2-Các lực liên kết lực ms, lực căng dây, lực đ/hồi$4. CÁC ĐỊNH LÝ VỀ ĐỘNG LƯỢNG VÀ XUNG LƯỢNGa/Định lý 1( định lý về động lượng)“Đạo hàm theo thời gian của vectơ động lượng của chất điểm tại một thời điểm nào đó = lực tác dụng lên chất điểm tại thời điểm ấy”.b/ Định lý 2( định lý về xung lượng)“Độ biến thiên của véc tơ động lượng của chất điểm trong một khoảng thời gian nào đó = xung lượng của lực tác dụng lên chất điểm trong khoảng thời gian đó”. 1-Các định lý đ/lý 1, đ/lý 2$4. CÁC ĐỊNH LÝ VỀ ĐỘNG LƯỢNG VÀ XUNG LƯỢNGb/ Định lý 2 (định lý về xung lượng): (tt)- Đặc biệt:Vậy: độ biến thiên động lượng của chất điểm trong một đơn vị thời gian=lực tác dụng lên chất điểm. 1-Các định lý đ/lý 1, đ/lý 2$4. CÁC ĐỊNH LÝ VỀ ĐỘNG LƯỢNG VÀ XUNG LƯỢNGa/Động lượng - Động lượng đặc trưng cho chuyển động về mặt động lực học. - Trong trường hợp va chạm, động lượng đặc trưng cho khả năng truyền tương tác.b/Xung lượng- Đặc trưng cho kết quả tác dụng của lực trong một khoảng thời gian nào đóbởi vì, kết quả tác dụng của lực không những phụ thuộc vào cường độ của lực mà còn phụ thuộc vào thời gian tác dụng lực.2-Ý nghĩa của động lượng và xung lượng$5. ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN ĐỘNG LƯỢNG* Xét hệ cô lập gồm 2 chất điểm Các ngoại lực và các nội lực-Áp dụng định lý động lượng cho từng chất điểm, ta có:-Hệ cô lập: Hệ 2 c/điểm, hệ N c/điểm, b/toàn theo 1 phương$5. ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN ĐỘNG LƯỢNG* Hệ cô lập gồm N chất điểm-Phát biểu: “Tổng các véc tơ động lượng của một hệ cô lập được bảo toàn trong suốt thời gian chuyển động của hệ”.* Sự bảo toàn động lượng theo một phương:Nếu hệ không cô lập nhưng tổng các ngoại lực tác dụng lên hệ theo một phương nào đó bằng 0 thì động lượng của hệ cũng được bảo toàn theo phương đó Hệ 2 c/điểm, hệ N c/điểm, b/toàn theo 1 phương$6. PHÉP BIẾN ĐỔI GALILÊ-NGUYÊN LÝ TƯƠNG ĐỐI GALILÊXét 2 hệ quy chiếu quán tính O và O’. Hệ O’ chuyển động so với hệ O với vận tốc V không đổi, sao cho: Ox//O’x’, Oy//O’y’, Oz//O’z’. Tìm mối liên hệ của toạ độ điểm M trong 2 hệ này gọi là phép biến đổi Galilê.4 phương trình này gọi là phép biến đổi Galilê, pt (1) & (4) chỉ đúng với những chuyển động1-Phép biến đổi Galilê $6. PHÉP BIẾN ĐỔI GALILÊ-NGUYÊN LÝ TƯƠNG ĐỐI GALILÊ* Từ phép biến đổi Galilê ta có những nhận xét sau:- t=t’ : nghĩa là thời gian có tính tuyệt đối, không phụ thuộc vào hệ quy chiếu.- x x’ : nghĩa là vị trí không gian có tính tương đối, phụ thuộc vào hệ quy chiếu. Do đó, chuyển động có tính tương đối.- khoảng không gian có tính tuyệt đối, không phụ thuộc vào hệ quy chiếu: Xét một thanh MN có chiều dài l đặt dọc theo trục Ox: l = xM – xNTrong hệ O’ thì chiều dài của thanh là: l’=x’M – x’N=( xM-Vt’)- ( xN-Vt’)= xM – xN=l.1-Phép biến đổi Galilê$6. PHÉP BIẾN ĐỔI GALILÊ-NGUYÊN LÝ TƯƠNG ĐỐI GALILÊĐạo hàm theo thời gian 4 phương trình trên, ta được:vx=v’x+V, vy=v’y, vz=v’z Đạo hàm (5) theo t, ta được: nghĩa là các phương trình của động lực học chất điểm đều nghiệm đúng khi chuyển từ hệ quy chiếu quán tính này sang hệ quy chiếu quán tính khác.Phát biểu nguyên lý: “các hiện tượng cơ học trong các hệ quy chiếu quán tính đều xảy ra giống nhau”. 2-Nguyên lý tương đối Galilê$7. LỰC QUÁN TÍNH* HQC phi quán tính:1-Lực quán tính$7. LỰC QUÁN TÍNH* Vậy phương trình động lực học trong hệ quy chiếu quán tính và phi quán tính là:- HQC quán tính:- HQC phi quán tính: 1-Lực quán tính$7. LỰC QUÁN TÍNHXét trường hợp hệ quy chiếu O’ chuyển động quay.“Gọi là gia tốc hướng tâm trong chuyển động quay của hệ O’ thì trong hệ O’ xuất hiện lực quán tính: . Lực này có xu hướng làm chất điểm văng ra khỏi tâm nên gọi là lực quán tính ly tâm”.-Nhờ khái niệm lực quán tính ly tâm mà ta giải thích được hiện tượng không trọng lượng trong các con tàu vũ trụ, vệ tinh bay vòng quanh trái đất.2-Lực quán tính ly tâmNHIỆM VỤ CỦA SINH VIÊN1. Trình bày bài học theo trật tự, chặt chẽ2. Bổ sung những phép toán biến đổi các công thức3. Hiểu và học thuộcKẾT THÚC LÝ THUYẾT CHƯƠNG 2