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 = ?20

Một chiếc ô tô chạy với vận tốc 72 km/h phanh với gia tốc chậm dần không đổi 3 m/s² cho đến khi dừng. Phanh mất bao lâu? Tìm t.

v₀ = 72 km/ha = −3 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 3,8 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 = 3,8 svsound = 343 m/sg = 9,81 m/s²
d = m
3.Các định luật NewtonTrung bình
9,5 kg4 kg

Các khối lượng 9,5 kg và 4 kg treo ở hai bên một ròng rọc nhẹ, không ma sát, nối với nhau bằng một sợi dây nhẹ. Hệ được thả từ trạng thái nghỉ. Dùng g = 9,81 m/s². Tìm lực căng T của dây.

m1 = 9,5 kgm2 = 4 kgg = 9,81 m/s²
T = N
4.Các định luật NewtonKhó
5 kg11 kgTF = 115 Nμ = 0,1

Hai khối trên sàn nằm ngang được nối bằng một sợi dây nhẹ nằm ngang. Một lực nằm ngang 115 N kéo khối 11 kg phía trước; khối 5 kg bị kéo theo phía sau. Hệ số ma sát trượt là 0,1 cho cả hai khối. Dùng g = 9,81 m/s². Tìm lực căng T trong sợi dây nối.

m1 = 5 kgm2 = 11 kgF = 115 Nμ = 0,1g = 9,81 m/s²
T = N
5.Chuyển động némTrung bình
114 my = ?v0​ = 40 m/s45°

Một quả bóng được đá từ mặt đất bằng phẳng với tốc độ 40 m/s và hợp góc 45° so với phương ngang về phía một bức tường cách 114 m. Bỏ qua sức cản không khí và dùng g = 9,81 m/s². Quả bóng đi qua bức tường ở độ cao y nào?

v₀ = 40 m/sθ = 45°x = 114 mg = 9,81 m/s²
y = m
6.Chuyển động némKhó
h = 5 mv0​ = 17 m/s45°α = ?

Một quả bóng được phóng với tốc độ 17 m/s và hợp góc 45° so với phương ngang từ đỉnh một vách đá cao 5 m. Bỏ qua sức cản không khí và dùng g = 9,81 m/s². Nó chạm đất theo góc α nào so với phương ngang, nghiêng xuống dưới?

v₀ = 17 m/sθ = 45°h = 5 mg = 9,81 m/s²
α = °
7.Chuyển động trònTrung bình
r = 25 mvmax​ = ?

Một chiếc ô tô đi qua khúc cua phẳng bán kính 25 m. Hệ số ma sát nghỉ giữa lốp và mặt đường là 0,5. Dùng g = 9,81 m/s². Tìm tốc độ lớn nhất vmax mà ô tô có thể vào cua mà không bị trượt.

r = 25 mμs = 0,5g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
8.Chuyển động trònKhó
r = 0,5 m6,5 m/svtop​ = ?

Một quả cầu 1,2 kg trên sợi dây nhẹ dài 0,5 m được quay trong một vòng tròn thẳng đứng. Tại điểm thấp nhất tốc độ của nó là 6,5 m/s. Bỏ qua sức cản không khí và dùng g = 9,81 m/s². Tìm lực căng Ttop trong dây tại điểm cao nhất.

m = 1,2 kgr = 0,5 mvbottom = 6,5 m/sg = 9,81 m/s²
Ttop = N
9.Công và năng lượngTrung bình
72 km/h3°1500 kg

Một ô tô 1500 kg chạy lên dốc 3° với vận tốc không đổi 72 km/h. Sức cản không khí và sức cản lăn cộng lại là 350 N. Tìm công suất P mà các bánh xe phải cung cấp, theo kW.

m = 1500 kgθ = 3°Fr = 350 Nv = 72 km/hg = 9,81 m/s²
P = kW
10.Công và năng lượngKhó
h = 3,5 mL = 3 mμ = 0,15k = 500 N/m

Một vật 4 kg được thả từ trạng thái nghỉ ở độ cao 3,5 m trên một mặt dốc nhẵn. Ở chân dốc, nó đi qua một đoạn ngang nhám dài 3 m (μ = 0,15) rồi chạy vào một lò xo (k = 500 N/m) trên mặt nhẵn. Tìm tốc độ v của vật khi nó đến lò xo.

m = 4 kgh = 3,5 mL = 3 mμ = 0,15k = 500 N/mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Động lượng và va chạmTrung bình
2,5 kgv = ?8 gh = 10 cm

Một viên đạn 8 g được bắn theo phương ngang vào một khối gỗ 2,5 kg treo trên các sợi dây nhẹ, và nằm lại bên trong. Khối gỗ đung đưa lên cho đến khi cao hơn lúc đầu 10 cm. Dùng g = 9,81 m/s². Tìm tốc độ v của viên đạn trước khi va chạm.

m = 8 gM = 2,5 kgh = 10 cmg = 9,81 m/s²
v = m/s
12.Động lượng và va chạmKhó
1400 kg13 m/s900 kg18 m/sθ = ?

Tại một ngã tư, một ô tô 1400 kg đi về phía đông với tốc độ 13 m/s va chạm với một ô tô 900 kg đi về phía bắc với tốc độ 18 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 = 1400 kgv1 = 13 m/s (E)m2 = 900 kgv2 = 18 m/s (N)
θ = °
13.Lò xo và con lắcTrung bình
1,6 kgk = 430 N/mA = 16 cmx = 5 cm

Một vật 1,6 kg trên lò xo có k = 430 N/m dao động trên bề mặt không ma sát với biên độ 16 cm. Tìm tốc độ v của nó khi cách vị trí cân bằng 5 cm.

m = 1,6 kgk = 430 N/mA = 16 cmx = 5 cm
v = m/s
14.Lò xo và con lắcKhó
2,1 kgk = 380 N/m

Một vật 2,1 kg được gắn vào đầu dưới của một lò xo thẳng đứng chưa giãn có k = 380 N/m và được thả từ trạng thái nghỉ. Dùng g = 9,81 m/s². Tìm tốc độ lớn nhất vmax của vật.

m = 2,1 kgk = 380 N/mg = 9,81 m/s²
vmax = m/s
15.Sóng, âm thanh & quang họcTrung bình
SO5 m/sf = 600 Hz

Một người quan sát chuyển động với vận tốc 5 m/s về phía một nguồn 600 Hz đứng yên. Tốc độ âm thanh là 343 m/s. Hãy tìm tần số f′ mà người quan sát nghe được.

f = 600 Hzv = 343 m/svo = 5 m/s
f′ = Hz
16.Sóng, âm thanh & quang họcKhó
λ = ?41,3°

Một cách tử có 1200 vạch trên milimét cho thấy cực đại bậc 1 của một vạch phổ tại 41,3° so với phương truyền thẳng. Hãy tìm bước sóng λ của vạch phổ.

N = 1200 mm⁻¹θ1 = 41,3°m = 1
λ = nm

3Dung dịch

1.Động học

Đáp số: t = 6,667 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 = 72/3,6 = 20 m/s

Thời gian phanh

0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 20/3 = 6,667 s

Đáp số

t = 6,667 s
2.Động học

Đáp số: d = 64,04 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·(3,8 − t₁)
4,905·t₁² + 343·t₁ − 1303 = 0

Thời gian rơi

Chỉ nghiệm dương có ý nghĩa vật lý.

t₁ = (−343 + √(343² + 4·4,905·1303))/(2·4,905) = 3,613 s

Độ sâu

d = ½·9,81·3,613² = 64,04 m

Đáp số

d = 64,04 m
3.Các định luật Newton

Đáp số: T = 55,23 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.

Gia tốc

Lực dẫn động thực là hiệu của các trọng lượng; nó làm chuyển động tổng khối lượng.

a = (9,5 − 4)·9,81/(9,5 + 4) = 3,997 m/s²

Lực căng từ khối nhẹ hơn

T − m2·g = m2·a → T = 4·(9,81 + 3,997) = 55,23 N

Đáp số

T = 55,23 N
4.Các định luật Newton

Đáp số: T = 35,94 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) = (115 − 15,7)/16 = 6,207 m/s²

Riêng khối phía sau

T = m1·(a + μ·g) = 5·(6,207 + 0,981) = 35,94 N

Đáp số

T = 35,94 N

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

5.Chuyển động ném

Đáp số: y = 34,32 m

Projectile motion: with no air resistance, x = vxt and y = h + vyt − ½gt². The two directions are independent except that they share the same time.

Thời gian đến bức tường

vx = 40·cos 45° = 28,28 m/s
t = x/vx = 114/28,28 = 4,031 s

Độ cao tại thời điểm đó

y = 28,28·4,031 − ½·9,81·4,031² = 34,32 m

Đáp số

y = 34,32 m

Tại bức tường, quả bóng đã trên đường rơi xuống.

6.Chuyển động ném

Đáp số: α = 52,34 °

Projectile motion: with no air resistance, x = vxt and y = h + vyt − ½gt². The two directions are independent except that they share the same time.

Phân tích vận tốc ban đầu

vx = 17·cos 45° = 12,02 m/s
vy0 = 17·sin 45° = 12,02 m/s

Tốc độ thẳng đứng khi chạm đất

Năng lượng hoặc v² = v₀² + 2as theo phương thẳng đứng.

vy = √(12,02² + 2·9,81·5) = 15,58 m/s

Góc chạm đất

tan α = vy/vx = 15,58/12,02 → α = 52,34°

Đáp số

α = 52,34°
7.Chuyển động tròn

Đáp số: vmax = 11,07 m/s

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.

Ma sát cung cấp lực hướng tâm

m·v²/r = μ·m·g
v = √(μ·g·r) = √(0,5·9,81·25) = 11,07 m/s

Đáp số

vmax = 11,07 m/s (39,87 km/h)
8.Chuyển động tròn

Đáp số: Ttop = 42,54 N

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.

Vận tốc tại đỉnh

Động năng chuyển thành thế năng trên độ cao 2r.

vtop² = 6,5² − 4·9,81·0,5 = 22,63 m²/s²

Các lực tại đỉnh

Lực căng và trọng lực đều hướng xuống, về phía tâm.

T + m·g = m·vtop²/r
T = 1,2·22,63/0,5 − 1,2·9,81 = 42,54 N

Đáp số

Ttop = 42,54 N
9.Công và năng lượng

Đáp số: P = 22,4 kW

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). Công suất là lực nhân vận tốc: P = F·v.

Lực kéo

m·g = 1500·9,81 = 14715 N
mg·sin θ = 14715·sin 3° = 770,1 N
F = 770,1 + 350 = 1120 N

Công suất

v = 72/3,6 = 20 m/s
P = F·v = 1120·20 = 22402 W = 22,4 kW

Đáp số

P = 22,4 kW
10.Công và năng lượng

Đáp số: v = 7,736 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).

Năng lượng còn lại sau đoạn nhám

Mặt dốc nhẵn, nên chỉ có đoạn nhám lấy đi năng lượng.

mgh − μmgL = 39,24·(3,5 − 0,15·3) = 119,7 J

Tốc độ tại lò xo

½mv² = mg(h − μL) → v = √(2g(h − μL)) = √(2·9,81·3,05) = 7,736 m/s

Đáp số

v = 7,736 m/s
11.Động lượng và va chạm

Đáp số: v = 439,1 m/s

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.

Chuyển động đung đưa sau va chạm

V = √(2·g·h) = √(2·9,81·0,1) = 1,401 m/s

Va chạm

m·v = (m + M)·V → v = (0,008 + 2,5)·1,401/0,008 = 439,1 m/s

Đáp số

v = 439,1 m/s
12.Động lượng và va chạm

Đáp số: θ = 41,67 °

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 = 1400·13 = 18200 kg·m/s
py = 900·18 = 16200 kg·m/s

Hướng

tan θ = py/px = 0,8901 → θ = 41,67°

Đáp số

θ = 41,67°
13.Lò xo và con lắc

Đáp số: v = 2,492 m/s

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.

Tần số góc

ω = √(430/1,6) = 16,39 rad/s

Tốc độ tại x

v = ω·√(A² − x²) = 16,39·√(0,16² − 0,05²) = 2,492 m/s

Đáp số

v = 2,492 m/s
14.Lò xo và con lắc

Đáp số: vmax = 0,7293 m/s

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.

Vị trí cân bằng và biên độ

x₀ = m·g/k = 2,1·9,81/380 = 0,05421 m = A

Tốc độ lớn nhất

Tốc độ lớn nhất tại vị trí cân bằng.

ω = √(380/2,1) = 13,45 rad/s
vmax = A·ω = 0,05421·13,45 = 0,7293 m/s

Đáp số

vmax = 0,7293 m/s
15.Sóng, âm thanh & quang học

Đáp số: f′ = 608,7 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) = 600·(343 + 5)/(343 − 0)
f′ = 608,7 Hz

Đáp số

f′ = 608,7 Hz
16.Sóng, âm thanh & quang học

Đáp số: λ = 550 nm

Giao thoa và nhiễu xạ: ánh sáng từ hai khe cách nhau một khoảng d đến một điểm trên màn với hiệu đường đi d·sin θ. Vân sáng xuất hiện tại nơi d·sin θ = mλ (m = 0, ±1, ±2, …). Với màn ở khoảng cách L ≫ d, vân sáng thứ m nằm tại y = mλL/d và khoảng vân là Δy = λL/d. Một cách tử có N vạch trên milimét có d = 1/N và các cực đại sắc nét tại d·sin θ = mλ; vì sin θ ≤ 1, bậc cao nhất là số nguyên lớn nhất m ≤ d/λ. Một khe đơn có độ rộng a có các vân tối tại a·sin θ = mλ, m = ±1, ±2, …

Bước sóng

λ = d·sin θ/m = 8,333 × 10⁻⁷·sin 41,3°/1 = 550 nm

Đáp số

λ = 550 nm

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