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 = ?27,78

Một chiếc ô tô chạy với vận tốc 100 km/h phanh với gia tốc chậm dần không đổi 7 m/s² cho đến khi dừng. Phanh mất bao lâu? Tìm t.

v₀ = 100 km/ha = −7 m/s²v = 0
t = s
2.Động họcKhó
d = ?

Một hòn đá được thả từ trạng thái nghỉ vào một cái giếng. Tiếng bõm nghe được 3,5 s sau khi thả hòn đá. Tốc độ âm thanh là 343 m/s; bỏ qua sức cản không khí và dùng g = 9,81 m/s². Tìm độ sâu d của giếng.

ttotal = 3,5 svsound = 343 m/sg = 9,81 m/s²
d = m
3.Các định luật NewtonTrung bình
25 kg35°F = 200 Nμ = 0,25

Một xe trượt 25 kg được kéo trên tuyết bằng phẳng bằng một sợi dây hợp góc 35° phía trên phương ngang với lực 200 N. Hệ số ma sát trượt là 0,25. Dùng g = 9,81 m/s². Tìm gia tốc a của xe trượt.

m = 25 kgF = 200 Nθ = 35°μ = 0,25g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Các định luật NewtonKhó
12 kg5 kgTF = 105 Nμ = 0,25

Hai khối trên sàn nằm ngang được nối bằng một sợi dây nhẹ nằm ngang. Một lực nằm ngang 105 N kéo khối 5 kg phía trước; khối 12 kg bị kéo theo phía sau. Hệ số ma sát trượt là 0,25 cho cả hai khối. Dùng g = 9,81 m/s². Tìm lực căng T trong sợi dây nối.

m1 = 12 kgm2 = 5 kgF = 105 Nμ = 0,25g = 9,81 m/s²
T = N
5.Chuyển động némTrung bình
v0​ = 28 m/s55°x = ?

Một quả bóng được ném với góc 55° 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 = 28 m/sθ = 55°g = 9,81 m/s²
x = m
6.Chuyển động némKhó
h = 30 mv0​ = 21 m/s15°x = ?

Một quả bóng được ném với góc 15° so với phương ngang từ đỉnh một vách đá cao 30 m. Bỏ qua lực cản không khí. Tìm quãng đường ngang x mà quả bóng đi được trước khi chạm đất.

v0 = 21 m/sθ = 15°h = 30 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Chuyển động trònTrung bình
L = 2 m40°

Một quả cầu nhỏ trên sợi dây dài 2 m chuyển động trong một vòng tròn nằm ngang sao cho dây hợp với phương thẳng đứng một góc không đổi 40° (con lắc nón). Dùng g = 9,81 m/s². Tìm thời gian T cho một vòng quay.

L = 2 mθ = 40°g = 9,81 m/s²
T = s
8.Chuyển động trònKhó
r = 1,4 mv = 7 m/s

Một quả bóng 0,2 kg buộc vào sợi dây dài 1,4 m được quay trong mặt phẳng thẳng đứng. Ở điểm thấp nhất nó chuyển động với 7 m/s. Dùng g = 9,81 m/s². Tìm lực căng T của dây ở điểm thấp nhất.

m = 0,2 kgr = 1,4 mv = 7 m/sg = 9,81 m/s²
T = N
9.Công và năng lượngTrung bình
30°d = 5 mμ = 0,1

Một vật trượt từ trạng thái nghỉ xuống một mặt dốc nghiêng 30° so với phương ngang. Hệ số ma sát trượt là 0,1. Tìm tốc độ v của nó sau khi trượt 5 m dọc theo mặt dốc.

θ = 30°μ = 0,1d = 5 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
10.Công và năng lượngKhó
h = 2,8 mR = 1 mN = ?

Một xe đẩy 2 kg được thả từ trạng thái nghỉ ở độ cao 2,8 m trên một đường ray nhẵn dẫn vào một vòng tròn thẳng đứng bán kính 1 m. Tìm phản lực pháp tuyến N mà đường ray tác dụng lên xe đẩy tại đỉnh vòng.

m = 2 kgh = 2,8 mR = 1 mg = 9,81 m/s²
N = N
11.Động lượng và va chạmTrung bình
2 kg12 m/s1 kg

Một xe trượt 2 kg chạy với 12 m/s va chạm trực diện hoàn toàn đàn hồi với một xe trượt 1 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 = 2 kgm2 = 1 kgv1 = 12 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.Động lượng và va chạmKhó
1900 kg22 m/s1800 kg14 m/sθ = ?

Tại một ngã tư, một ô tô 1900 kg đi về phía đông với tốc độ 22 m/s va chạm với một ô tô 1800 kg đi về phía bắc với tốc độ 14 m/s. Hai xe dính vào nhau. Tìm hướng θ của đống đổ nát ngay sau va chạm, đo từ hướng đông về phía bắc.

m1 = 1900 kgv1 = 22 m/s (E)m2 = 1800 kgv2 = 14 m/s (N)
θ = °
13.Lò xo và con lắcTrung bình
L = 2,7 m

Một con lắc đơn có chiều dài 2,7 m. Dùng g = 9,81 m/s². Tìm chu kỳ T của nó với dao động nhỏ.

L = 2,7 mg = 9,81 m/s²
T = s
14.Lò xo và con lắcKhó
0,6 kgk = 20 N/mA = 14 cm

Một vật 0,6 kg trên lò xo có k = 20 N/m được kéo lệch 14 cm khỏi vị trí cân bằng rồi thả ra. Tìm tổng năng lượng E của dao động.

m = 0,6 kgk = 20 N/mA = 14 cm
E = J
15.Sóng, âm thanh & quang họcTrung bình
65 dB?2 m10 m

Một nguồn nhỏ phát âm đều theo mọi hướng. Mức âm là 65 dB ở khoảng cách 2 m. Hãy tìm mức âm β2 ở khoảng cách 10 m, bỏ qua sự hấp thụ và phản xạ.

β1 = 65 dBr1 = 2 mr2 = 10 m
β2 = dB
16.Sóng, âm thanh & quang họcKhó
θn1​ = 1,46n2​ = 1,43n0​ = 1,00

Một sợi quang có lõi với n₁ = 1,46 và lớp vỏ với n₂ = 1,43. Hãy tìm khẩu độ số NA của nó.

n1 = 1,46n2 = 1,43
NA =

3Dung dịch

1.Động học

Đáp số: t = 3,968 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 = 100/3,6 = 27,78 m/s

Thời gian phanh

0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 27,78/7 = 3,968 s

Đáp số

t = 3,968 s
2.Động học

Đáp số: d = 54,73 m

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.

Hai phần của thời gian

½·9,81·t₁² = 343·(3,5 − t₁)
4,905·t₁² + 343·t₁ − 1201 = 0

Thời gian rơi

Chỉ nghiệm dương có ý nghĩa vật lý.

t₁ = (−343 + √(343² + 4·4,905·1201))/(2·4,905) = 3,34 s

Độ sâu

d = ½·9,81·3,34² = 54,73 m

Đáp số

d = 54,73 m
3.Các định luật Newton

Đáp số: a = 5,248 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.

Phản lực pháp tuyến

N = m·g − F·sin θ = 245,3 − 200·sin 35° = 130,5 N

Các lực nằm ngang

m·a = F·cos θ − μ·N = 163,8 − 32,63
a = 131,2/25 = 5,248 m/s²

Đáp số

a = 5,248 m/s²
4.Các định luật Newton

Đáp số: T = 74,12 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.

Toàn hệ

a = (F − μ·(m1 + m2)·g)/(m1 + m2) = (105 − 41,69)/17 = 3,724 m/s²

Riêng khối phía sau

T = m1·(a + μ·g) = 12·(3,724 + 2,453) = 74,12 N

Đáp số

T = 74,12 N

Với cùng μ cho cả hai khối, ma sát triệt tiêu: T = F·m₁/(m₁ + m₂).

5.Chuyển động ném

Đáp số: x = 75,1 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 = 28·cos 55° = 16,06 m/s
vy = v0·sin θ = 28·sin 55° = 22,94 m/s

Thời gian trong không khí

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

t = 2·22,94/9,81 = 4,676 s

Khoảng cách theo phương ngang

x = vx·t = 16,06·4,676 = 75,1 m

Đáp số

x = 75,1 m
6.Chuyển động ném

Đáp số: x = 62,65 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 = 21·cos 15° = 20,28 m/s
vy = v0·sin θ = 21·sin 15° = 5,435 m/s

Thời gian trong không khí

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

0 = 30 + 5,435·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (5,435 + √(29,54 + 588,6))/9,81 = 3,088 s

Khoảng cách theo phương ngang

x = vx·t = 20,28·3,088 = 62,65 m

Đáp số

x = 62,65 m
7.Chuyển động tròn

Đáp số: T = 2,483 s

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.

Bán kính của vòng tròn

r = L·sin θ = 2·sin 40° = 1,286 m

Tốc độ

Lực căng và trọng lực cùng cho lực hướng vào trong: tan θ = v²/(r·g).

v = √(r·g·tan θ) = √(1,286·9,81·tan 40°) = 3,253 m/s

Chu kỳ

T = 2π·r/v = 2π·1,286/3,253 = 2,483 s

Đáp số

T = 2,483 s
8.Chuyển động tròn

Đáp số: T = 8,962 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 = 0,2·9,81 + 0,2·7²/1,4 = 1,962 + 7 = 8,962 N

Đáp số

T = 8,962 N
9.Công và năng lượng

Đáp số: v = 6,368 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).

Cân bằng năng lượng dọc mặt dốc

Vật hạ xuống độ cao d·sin θ trong khi ma sát lấy đi μmg·cos θ·d. Khối lượng triệt tiêu.

½v² = g·d·(sin θ − μ·cos θ)
v = √(2·9,81·5·(0,5 − 0,1·0,866)) = 6,368 m/s

Đáp số

v = 6,368 m/s
10.Công và năng lượng

Đáp số: N = 11,77 N

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). Trên quỹ đạo tròn, hợp lực hướng về tâm phải bằng mv²/r.

Vận tốc tại đỉnh

v² = 2g(h − 2R) = 2·9,81·(2,8 − 2) = 15,7 m²/s²

Các lực tại đỉnh

m·g = 2·9,81 = 19,62 N
N = mv²/R − mg = 2·15,7/1 − 19,62 = 11,77 N

Đáp số

N = 11,77 N

Xe đẩy vừa đủ đi hết vòng khi h = 2,5R; khi đó N = 0 tại đỉnh.

11.Động lượng và va chạm

Đáp số: v′1 = 4 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 = (2 − 1)/(2 + 1)·12 = 4 m/s
v′2 = 2·2/(2 + 1)·12 = 16 m/s

Đáp số

v′1 = 4 m/s
12.Động lượng và va chạm

Đáp số: θ = 31,08 °

Conservation of momentum: when no external force acts during a collision, the total momentum Σm·v before equals the total after. Velocities have a direction, so pick a positive direction and give velocities the other way a minus sign. In an elastic collision kinetic energy is conserved too; in a perfectly inelastic one the bodies stick together.

Các thành phần động lượng

px = 1900·22 = 41800 kg·m/s
py = 1800·14 = 25200 kg·m/s

Hướng

tan θ = py/px = 0,6029 → θ = 31,08°

Đáp số

θ = 31,08°
13.Lò xo và con lắc

Đáp số: T = 3,296 s

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.

Chu kỳ của con lắc

T = 2π·√(2,7/9,81) = 3,296 s

Đáp số

T = 3,296 s
14.Lò xo và con lắc

Đáp số: E = 0,196 J

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.

Tần số góc

ω = √(20/0,6) = 5,774 rad/s

Năng lượng

E = ½·k·A² = ½·20·0,14² = 0,196 J

Đáp số

E = 0,196 J
15.Sóng, âm thanh & quang học

Đáp số: β2 = 51,02 dB

Sóng: một sóng tuần hoàn di chuyển một bước sóng trong một chu kỳ, nên v = fλ với T = 1/f. Trên một sợi dây căng v = √(T/μ), với T là lực căng và μ = m/L là khối lượng trên mét. Âm thanh trong không khí truyền với tốc độ khoảng 343 m/s ở 20 °C, ánh sáng trong chân không với c = 3,00 × 10⁸ m/s. Độ to được đo trên thang logarit: β = 10·log₁₀(I/I₀) dB với I₀ = 10⁻¹² W/m², nên cường độ tăng 10 lần thì thêm 10 dB. Một nguồn điểm phân bố công suất P của nó trên một mặt cầu: I = P/(4πr²).

Tỉ số cường độ

I₂/I₁ = (2/10)² = 0,04

Mức âm mới

β₂ = 65 + 10·log₁₀(0,04) = 51,02 dB

Đáp số

β2 = 51,02 dB

Mỗi lần khoảng cách tăng gấp đôi làm mức âm giảm khoảng 6 dB.

16.Sóng, âm thanh & quang học

Đáp số: NA = 0,2944

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.

Góc tới hạn tại lớp vỏ

sin θc = 1,43/1,46 = 0,9795 → θc = 78,36°

Khẩu độ số

NA = √(1,46² − 1,43²) = 0,2944

Đáp số

NA = 0,2944

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