Vật lý 1: Cơ học: gói ôn nước rút

Bảng công thức, các bước phương pháp chính cho từng chủ đề và 16 bài tập, kèm lời giải đầy đủ ở cuối.

Bài mớiQuay lại môn học

Trong cửa sổ in, hãy chọn “Lưu dưới dạng PDF” để giữ một bản trên thiết bị của bạn.

1Công thức và phương pháp

Động học

Vận tốc
v = v0 + a·t
Độ dời
s = v0·t + ½·a·t²
Không có thời gian
v² = v0² + 2·a·s
Đơn vị
1 m/s = 3,6 km/h

Phương pháp

  1. Liệt kê những gì bạn biết: v₀, v, a, t và s, kèm đơn vị.
  2. Chọn phương trình chứa ba đại lượng đã biết và ẩn số.
  3. Chọn một chiều dương và gán dấu trừ cho các đại lượng ngược chiều.
  4. Giải và kiểm tra xem đáp án có hợp lý về mặt vật lý không.

Các định luật Newton

Định luật hai
ΣF = m·a
Trọng lượng
W = m·g
Ma sát trượt
Ff = μ·N
Trên mặt dốc
dọc theo: m·g·sin θ, pháp tuyến: m·g·cos θ

Phương pháp

  1. Vẽ sơ đồ vật thể tự do với mọi lực tác dụng lên vật.
  2. Chọn một chiều dương dọc theo chuyển động.
  3. Phân tích các lực thành thành phần dọc và vuông góc với chuyển động (trên mặt dốc: m·g·sin θ dọc theo, m·g·cos θ vuông góc vào mặt dốc).
  4. Áp dụng ΣF = m·a dọc theo chuyển động; ma sát là μ·N ngược chiều chuyển động.

Chuyển động ném

Các thành phần
vx = v0cos θ, vy = v0sin θ
Vị trí
x = vxt, y = h + vyt − ½gt²
Độ cao cực đại
H = h + vy²/(2g)
Tầm xa (mặt đất bằng phẳng)
R = v0²·sin 2θ/g

Phương pháp

  1. Phân tích vận tốc ban đầu thành các thành phần: vx = v₀·cos θ và vy = v₀·sin θ.
  2. Chuyển động ngang có tốc độ không đổi; chuyển động thẳng đứng có gia tốc −g.
  3. Tìm thời gian bay từ chuyển động thẳng đứng.
  4. Dùng thời gian đó trong chuyển động ngang để tìm tầm xa.

Chuyển động tròn

Gia tốc hướng tâm
a = v²/r = ω²·r
Lực hướng tâm
F = m·v²/r
Tốc độ góc
ω = v/r = 2π/T
Đường cong phẳng, ma sát
vmax = √(μ·g·r)

Công và năng lượng

Động năng
Ek = ½mv²
Thế năng
Ep = mgh
Cân bằng năng lượng
Ek1 + Ep1 + W = Ek2 + Ep2 + losses
Công của lực ma sát
W = μ·N·d
Công suất
P = W/t

Động lượng và va chạm

Động lượng
p = m·v
Bảo toàn
Σm·v (before) = Σm·v (after)
Va chạm hoàn toàn không đàn hồi
v′ = (m1v1 + m2v2)/(m1 + m2)
Xung lượng
J = F·Δt = m·Δv

Phương pháp

  1. Chọn một chiều dương và gán dấu cho từng vận tốc.
  2. Viết tổng động lượng trước va chạm: Σm·v.
  3. Với va chạm hoàn toàn không đàn hồi, các vật chuyển động cùng nhau sau đó; với va chạm đàn hồi, động năng cũng được bảo toàn.
  4. Cho động lượng trước bằng động lượng sau và giải.

Lò xo và con lắc

Vật nặng trên lò xo
T = 2π·√(m/k)
Con lắc
T = 2π·√(L/g)
Tần số góc
ω = √(k/m) = 2π/T
Tốc độ và gia tốc cực đại
vmax = A·ω, amax = A·ω²
Năng lượng
E = ½·k·A²

Sóng, âm thanh & quang học

Tốc độ sóng
v = fλ, T = 1/f
Dây
v = √(T/μ), μ = m/L
Mức âm
β = 10·log10(I/I0), I0 = 10⁻¹² W/m²
Nguồn điểm
I = P/(4πr²)
Sóng dừng
dây hoặc ống hở fn = n·v/(2L); ống kín fn = n·v/(4L), n lẻ
Hiệu ứng Doppler
f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs)
Chiết suất
n = c/v, λ = λ0/n
Định luật Snell
n1sin θ1 = n2sin θ2
Góc tới hạn
sin θc = n2/n1
Sợi quang
NA = sin θa = √(n1² − n2²)
Thấu kính và gương
1/f = 1/do + 1/di, m = −di/do, mirror f = R/2
Hai khe
d·sin θ = mλ, ym = mλL/d
Cách tử
d = 1/N, d·sin θ = mλ, mmax ≤ d/λ
Khe đơn
a·sin θ = mλ (dark), w = 2λL/a

Phương pháp

  1. Hãy nhận ra loại bài toán: tốc độ sóng, mức âm, sóng dừng, Doppler, khúc xạ, thấu kính hay gương, hoặc giao thoa.
  2. Hãy viết hệ thức trước: v = fλ, β = 10·log(I/I₀), fₙ = n·v/(2L) hoặc n·v/(4L), f′ = f(v ± vo)/(v ∓ vs), n₁sin θ₁ = n₂sin θ₂, 1/f = 1/d₀ + 1/dᵢ, d·sin θ = mλ.
  3. Hãy đổi đơn vị: nm, mm và cm sang m, và kiểm tra xem các góc có được đo từ pháp tuyến không.
  4. Hãy kiểm tra dấu và tính hợp lý: ảnh ảo có dᵢ < 0, nguồn đang lại gần nghe cao hơn, ống kín chỉ có các họa âm bậc lẻ.

2Bài tập

1.Động họcTrung bình
t (s)v (m/s)t = ?10

Một chiếc ô tô chạy với vận tốc 36 km/h phanh với gia tốc chậm dần không đổi 5,5 m/s² cho đến khi dừng. Phanh mất bao lâu? Tìm t.

v₀ = 36 km/ha = −5,5 m/s²v = 0
t = s
2.Động họcKhó
t (s)v (m/s)9 s

Một đoàn tàu điện xuất phát từ trạng thái nghỉ và tăng tốc với 3 m/s² trong 9 s, rồi chạy với tốc độ không đổi trong 7 s, và cuối cùng phanh với 4 m/s² cho đến khi dừng. Tìm tổng thời gian chuyển động t.

a1 = 3 m/s²t1 = 9 st2 = 7 sa3 = −4 m/s²
t = s
3.Các định luật NewtonTrung bình
θ = 20°5 kgF = ?

Một thùng 5 kg được đẩy lên một dốc nghiêng 20° so với phương ngang với tốc độ không đổi, bởi một lực song song với dốc. Hệ số ma sát trượt là 0,15. Dùng g = 9,81 m/s². Tìm lực đẩy F.

m = 5 kgθ = 20°μ = 0,15g = 9,81 m/s²
F = N
4.Các định luật NewtonKhó
m1​ = 8,5 kg7 kgθ = 35°

Một khối 8,5 kg trên dốc nghiêng 35° được nối bằng một sợi dây nhẹ qua một ròng rọc không ma sát ở đỉnh dốc với một vật treo 7 kg. Vật treo đi xuống. Hệ số ma sát trượt giữa khối và dốc là 0,1. Dùng g = 9,81 m/s². Tìm gia tốc a của hệ.

m1 = 8,5 kgm2 = 7 kgθ = 35°μ = 0,1g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Chuyển động némTrung bình
v0​ = 10 m/s35°x = ?

Một quả bóng được ném với góc 35° so với phương ngang từ mặt đất bằng phẳng. Bỏ qua lực cản không khí. Tìm quãng đường ngang x mà quả bóng đi được trước khi chạm đất.

v0 = 10 m/sθ = 35°g = 9,81 m/s²
x = m
6.Chuyển động némKhó
h = 40 mv0​ = 24 m/s20°tầm xa

Một quả bóng được ném với góc 20° so với phương ngang từ đỉnh một vách đá cao 40 m. Bỏ qua lực cản không khí. Tìm thời gian bay t cho đến khi quả bóng chạm đất.

v0 = 24 m/sθ = 20°h = 40 mg = 9,81 m/s²
t = s
7.Chuyển động trònTrung bình
r = 2 mn = ?

Trong một trò chơi rô-to ở hội chợ, người chơi đứng tựa vào thành của một hình trụ thẳng đứng bán kính 2 m. Khi nó quay đủ nhanh, sàn hạ xuống và ma sát giữ họ lại. Hệ số ma sát nghỉ là 0,7. Dùng g = 9,81 m/s². Tìm tốc độ quay nhỏ nhất n theo vòng mỗi phút.

r = 2 mμs = 0,7g = 9,81 m/s²
n = rpm
8.Chuyển động trònKhó
r = 1,4 mv = 3 m/s

Một quả bóng 1 kg buộc vào sợi dây dài 1,4 m được quay trong mặt phẳng thẳng đứng. Ở điểm thấp nhất nó chuyển động với 3 m/s. Dùng g = 9,81 m/s². Tìm lực căng T của dây ở điểm thấp nhất.

m = 1 kgr = 1,4 mv = 3 m/sg = 9,81 m/s²
T = N
9.Công và năng lượngTrung bình
0,1 kgk = 800 N/mh = ?

Một bộ phóng đồ chơi có lò xo thẳng đứng độ cứng 800 N/m. Một quả cầu 0,1 kg được đặt lên nó và lò xo bị nén 4 cm, rồi được thả ra. Bỏ qua sức cản không khí và khối lượng của lò xo, tìm độ cao h mà quả cầu bay lên, đo từ vị trí của nó khi lò xo bị nén.

m = 0,1 kgk = 800 N/mx = 4 cmg = 9,81 m/s²
h = m
10.Công và năng lượngKhó
F = 115 N20°μ = 0,1520 kg

Một khối 20 kg bắt đầu từ trạng thái nghỉ ở chân một dốc nghiêng 20° và bị kéo lên dốc bởi một lực không đổi 115 N song song với dốc. Hệ số ma sát trượt là 0,15. Tìm vận tốc v của khối sau khi nó đã đi được 4 m lên dốc.

m = 20 kgF = 115 Nθ = 20°μ = 0,15d = 4 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Động lượng và va chạmTrung bình
4,5 kg4 m/s1,5 kg

Một xe trượt 4,5 kg chạy với 4 m/s va chạm trực diện hoàn toàn đàn hồi với một xe trượt 1,5 kg đang đứng yên trên đường ray không ma sát. Tìm vận tốc v′1 của xe trượt thứ nhất sau va chạm (dương theo chiều ban đầu của nó).

m1 = 4,5 kgm2 = 1,5 kgv1 = 4 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.Động lượng và va chạmKhó
10 m/s18 m/s

Một quả bóng 0,15 kg đập vào tường với 10 m/s và bật thẳng ngược lại với 18 m/s. Thời gian tiếp xúc là 40 ms. Tìm lực trung bình Favg của tường lên quả bóng.

m = 0,15 kgvin = 10 m/svout = 18 m/sΔt = 40 ms
Favg = N
13.Lò xo và con lắcTrung bình
L = ?

Một con lắc đơn phải dài bao nhiêu để có chu kỳ 2,9 s? Dùng g = 9,81 m/s². Tìm L.

T = 2,9 sg = 9,81 m/s²
L = m
14.Lò xo và con lắcKhó
2 kgk = 300 N/m300 m/s

Một viên đạn 15 g chuyển động với tốc độ 300 m/s găm vào một khối 2 kg đặt trên mặt không ma sát. Khối được gắn vào một lò xo nằm ngang có k = 300 N/m. Tìm biên độ A của dao động tạo thành, theo cm.

m = 15 gv = 300 m/sM = 2 kgk = 300 N/m
A = cm
15.Sóng, âm thanh & quang họcTrung bình
S34 m/sOf = 400 Hz

Một nguồn 400 Hz chuyển động với vận tốc 34 m/s ra xa một người quan sát đứng yên. Tốc độ âm thanh là 343 m/s. Hãy tìm tần số f′ mà người quan sát nghe được.

f = 400 Hzv = 343 m/svs = 34 m/s
f′ = Hz
16.Sóng, âm thanh & quang họcKhó
Fdo​ = 15 cmR = 10 cm

Một vật cách một gương lõm có bán kính cong 10 cm một khoảng 15 cm. Hãy tìm khoảng cách ảnh di, dương đối với ảnh ở phía trước gương (thật) và âm đối với ảnh ở phía sau gương (ảo).

do = 15 cmR = 10 cm
di = cm

3Dung dịch

1.Động học

Đáp số: t = 1,818 s

Chuyển động với gia tốc không đổi: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² và v² = v₀² + 2·a·s. Chọn phương trình chứa ba đại lượng bạn biết và đại lượng bạn muốn tìm, và giữ dấu nhất quán với một chiều dương.

Đơn vị

v₀ = 36/3,6 = 10 m/s

Thời gian phanh

0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 10/5,5 = 1,818 s

Đáp số

t = 1,818 s
2.Động học

Đáp số: t = 22,75 s

Motion with constant acceleration: v = v₀ + a·t, s = v₀·t + ½·a·t² and v² = v₀² + 2·a·s. Pick the equation that contains the three things you know and the one you want, and keep the signs consistent with one positive direction.

Tốc độ lớn nhất

v = a1·t1 = 3·9 = 27 m/s

Thời gian phanh

t3 = v/a3 = 27/4 = 6,75 s

Tổng thời gian

t = 9 + 7 + 6,75 = 22,75 s

Đáp số

t = 22,75 s
3.Các định luật Newton

Đáp số: F = 23,69 N

Newton’s second law: the net force on a body equals its mass times its acceleration, ΣF = m·a. Draw a free-body diagram, choose a positive direction along the motion, and add every force in that direction: applied forces, friction μ·N against the motion, and the components of gravity.

Các lực dọc theo mặt dốc

Tốc độ không đổi: các lực cân bằng.

F = m·g·sin θ + μ·m·g·cos θ

Lực đẩy

F = 16,78 + 6,914 = 23,69 N

Đáp số

F = 23,69 N
4.Các định luật Newton

Đáp số: a = 0,904 m/s²

Newton’s second law: the net force on a body equals its mass times its acceleration, ΣF = m·a. Draw a free-body diagram, choose a positive direction along the motion, and add every force in that direction: applied forces, friction μ·N against the motion, and the components of gravity.

Các lực dọc theo dây

m₂·g = 68,67 N
m₁·g·sin θ = 47,83 N
μ·m₁·g·cos θ = 6,83 N

Gia tốc của hệ

a = (68,67 − 47,83 − 6,83)/15,5 = 0,904 m/s²

Đáp số

a = 0,904 m/s²
5.Chuyển động ném

Đáp số: x = 9,579 m

Chuyển động ném: khi bỏ qua lực cản không khí, x = vxt và y = h + vyt − ½gt². Hai phương độc lập với nhau, chỉ chung thời gian.

Phân tích vận tốc ban đầu

Vận tốc ngang không đổi; chuyển động thẳng đứng có gia tốc không đổi g = 9,81 m/s² hướng xuống.

vx = v0·cos θ = 10·cos 35° = 8,192 m/s
vy = v0·sin θ = 10·sin 35° = 5,736 m/s

Thời gian trong không khí

Xuất phát và rơi xuống cùng độ cao: t = 2vy/g.

t = 2·5,736/9,81 = 1,169 s

Khoảng cách theo phương ngang

x = vx·t = 8,192·1,169 = 9,579 m

Đáp số

x = 9,579 m
6.Chuyển động ném

Đáp số: t = 3,812 s

Chuyển động ném: khi bỏ qua lực cản không khí, x = vxt và y = h + vyt − ½gt². Hai phương độc lập với nhau, chỉ chung thời gian.

Phân tích vận tốc ban đầu

Vận tốc ngang không đổi; chuyển động thẳng đứng có gia tốc không đổi g = 9,81 m/s² hướng xuống.

vx = v0·cos θ = 24·cos 20° = 22,55 m/s
vy = v0·sin θ = 24·sin 20° = 8,208 m/s

Thời gian trong không khí

Giải y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0 và lấy nghiệm dương.

0 = 40 + 8,208·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (8,208 + √(67,38 + 784,8))/9,81 = 3,812 s

Đáp số

t = 3,812 s
7.Chuyển động tròn

Đáp số: n = 25,28 rpm

Uniform circular motion: an object moving at speed v on a circle of radius r accelerates towards the centre with a = v²/r, so it needs a net inward force F = m·v²/r. That force is supplied by something real: friction, tension, gravity or a normal force.

Các lực tác dụng lên một người chơi

N = m·ω²·r
μ·N = m·g → μ·ω²·r = g

Tốc độ góc

ω = √(g/(μ·r)) = √(9,81/(0,7·2)) = 2,647 rad/s

Tốc độ quay

n = ω·60/(2π) = 25,28 rpm

Đáp số

n = 25,28 rpm
8.Chuyển động tròn

Đáp số: T = 16,24 N

Chuyển động tròn đều: một vật chuyển động với tốc độ v trên đường tròn bán kính r có gia tốc hướng vào tâm a = v²/r, nên cần một hợp lực hướng vào trong F = m·v²/r. Lực đó do một thứ có thật cung cấp: ma sát, lực căng, trọng lực hoặc phản lực pháp tuyến.

Các lực ở điểm thấp nhất

Hướng về tâm (lên) là dương.

T − m·g = m·v²/r
T = 1·9,81 + 1·3²/1,4 = 9,81 + 6,429 = 16,24 N

Đáp số

T = 16,24 N
9.Công và năng lượng

Đáp số: h = 0,6524 m

Nguyên lý công–năng: độ biến thiên động năng bằng công của mọi lực. Viết trọng lực và lò xo thành thế năng (mgh và ½kx²) biến nó thành một phương trình cân bằng: năng lượng ban đầu = năng lượng cuối + năng lượng mất do ma sát (μN·d).

Thế năng đàn hồi

x = 4 cm = 0,04 m
½kx² = ½·800·0,04² = 0,64 J

Độ cao

m·g = 0,1·9,81 = 0,981 N
h = ½kx²/(mg) = 0,64/0,981 = 0,6524 m

Đáp số

h = 0,6524 m
10.Công và năng lượng

Đáp số: v = 2,845 m/s

Nguyên lý công–năng: độ biến thiên động năng bằng công của mọi lực. Viết trọng lực và lò xo thành thế năng (mgh và ½kx²) biến nó thành một phương trình cân bằng: năng lượng ban đầu = năng lượng cuối + năng lượng mất do ma sát (μN·d).

Các lực dọc theo mặt dốc

m·g = 20·9,81 = 196,2 N
mg·sin θ = 67,1 N
μ·mg·cos θ = 27,66 N

Công–năng lượng

½mv² = (115 − 94,76)·4 = 80,96 J
v = √(2·80,96/20) = 2,845 m/s

Đáp số

v = 2,845 m/s
11.Động lượng và va chạm

Đáp số: v′1 = 2 m/s

Bảo toàn động lượng: khi không có ngoại lực tác dụng trong lúc va chạm, tổng động lượng Σm·v trước bằng tổng sau. Vận tốc có hướng, nên hãy chọn một chiều dương và gán dấu trừ cho các vận tốc ngược chiều. Trong va chạm đàn hồi, động năng cũng được bảo toàn; trong va chạm hoàn toàn không đàn hồi, các vật dính vào nhau.

Va chạm đàn hồi với vật bị va chạm đứng yên

Giải đồng thời bảo toàn động lượng và năng lượng cho hai kết quả này.

v′1 = (4,5 − 1,5)/(4,5 + 1,5)·4 = 2 m/s
v′2 = 2·4,5/(4,5 + 1,5)·4 = 6 m/s

Đáp số

v′1 = 2 m/s
12.Động lượng và va chạm

Đáp số: Favg = 105 N

Bảo toàn động lượng: khi không có ngoại lực tác dụng trong lúc va chạm, tổng động lượng Σm·v trước bằng tổng sau. Vận tốc có hướng, nên hãy chọn một chiều dương và gán dấu trừ cho các vận tốc ngược chiều. Trong va chạm đàn hồi, động năng cũng được bảo toàn; trong va chạm hoàn toàn không đàn hồi, các vật dính vào nhau.

Độ biến thiên động lượng

J = m·Δv = 0,15·(18 + 10) = 4,2 N·s

Lực trung bình

Favg = J/Δt = 4,2/0,04 = 105 N

Đáp số

Favg = 105 N
13.Lò xo và con lắc

Đáp số: L = 2,09 m

Dao động điều hòa: một vật khối lượng m trên lò xo độ cứng k dao động với tần số góc ω = √(k/m) và chu kỳ T = 2π/ω = 2π·√(m/k). Một con lắc đơn chiều dài L có T = 2π·√(L/g). Với biên độ A, tốc độ lớn nhất là A·ω, gia tốc lớn nhất là A·ω² và năng lượng là ½·k·A².

Giải tìm chiều dài

L = g·(T/2π)² = 9,81·(2,9/2π)² = 2,09 m

Đáp số

L = 2,09 m
14.Lò xo và con lắc

Đáp số: A = 18,3 cm

Simple harmonic motion: a mass m on a spring of stiffness k oscillates with angular frequency ω = √(k/m) and period T = 2π/ω = 2π·√(m/k). A simple pendulum of length L has T = 2π·√(L/g). With amplitude A, the largest speed is A·ω, the largest acceleration A·ω² and the energy ½·k·A².

Tốc độ sau va chạm

V = m·v/(m + M) = 0,015·300/2,015 = 2,233 m/s

Tần số góc

ω = √(k/(m + M)) = √(300/2,015) = 12,2 rad/s

Biên độ

A = V/ω = 2,233/12,2 = 0,183 m = 18,3 cm

Đáp số

A = 18,3 cm
15.Sóng, âm thanh & quang học

Đáp số: f′ = 363,9 Hz

Sóng dừng và hiệu ứng Doppler: một sợi dây cố định ở hai đầu, hoặc một ống hở hai đầu, chứa số nguyên lần nửa bước sóng: L = nλ/2, fn = n·v/(2L), n = 1, 2, 3, … Một ống kín một đầu có nút ở đầu kín và bụng ở đầu hở: L = nλ/4 chỉ với n lẻ, fn = n·v/(4L). Khi nguồn hoặc người quan sát chuyển động dọc theo đường nối giữa chúng, f′ = f·(v ± vo)/(v ∓ vs): dùng dấu trên khi chuyển động hướng về nhau. Hai sóng có tần số gần bằng nhau tạo phách với tần số |f₁ − f₂|.

Công thức Doppler

f′ = f·(v − vo)/(v + vs) = 400·(343 − 0)/(343 + 34)
f′ = 363,9 Hz

Đáp số

f′ = 363,9 Hz
16.Sóng, âm thanh & quang học

Đáp số: di = 7,5 cm

Quang hình học: tại một mặt phân cách, n₁·sin θ₁ = n₂·sin θ₂ (định luật Snell), với các góc đo từ pháp tuyến và n = c/v. Khi đi vào môi trường chậm hơn, tia bị bẻ về phía pháp tuyến. Từ môi trường đặc hơn (n₁ > n₂) vượt quá góc tới hạn θc = arcsin(n₂/n₁), toàn bộ ánh sáng bị phản xạ: phản xạ toàn phần. Thấu kính mỏng và gương cầu tuân theo 1/f = 1/do + 1/di với độ phóng đại m = −di/do. Quy ước dấu: f > 0 với thấu kính hội tụ và gương cầu lõm (f = R/2), f < 0 với thấu kính phân kỳ và gương cầu lồi; di > 0 với ảnh thật, di < 0 với ảnh ảo, và m < 0 với ảnh ngược chiều.

Tiêu cự

f = R/2 = 5 cm

Phương trình gương

1/di = 1/f − 1/do = 1/5 − 1/15
di = 7,5 cm
F15 cmf = 5 cm

Sơ đồ tia

ảnh thật phía trước gương

Đáp số

di = 7,5 cm

ExamProblems · examproblems.com/courses/physics-1-mechanics