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)2,5 s10

Một chiếc ô tô chạy với vận tốc 36 km/h phanh với gia tốc chậm dần không đổi 4 m/s² cho đến khi dừng. Tìm quãng đường phanh s.

v₀ = 36 km/ha = −4 m/s²v = 0
s = m
2.Động họcKhó
v₀ = 20 m/s10 m

Một quả bóng được ném thẳng đứng lên với 20 m/s từ mép một mái nhà cao 10 m so với mặt đất. Bỏ qua lực cản không khí và dùng g = 9,81 m/s². Tìm độ cao lớn nhất hmax so với mặt đất.

v₀ = 20 m/sh₀ = 10 mg = 9,81 m/s²
hmax = m
3.Các định luật NewtonTrung bình
10 kg20°F = 30 Nμ = 0,2

Một xe trượt 10 kg được kéo trên tuyết bằng phẳng bằng một sợi dây hợp góc 20° phía trên phương ngang với lực 30 N. Hệ số ma sát trượt là 0,2. Dùng g = 9,81 m/s². Tìm gia tốc a của xe trượt.

m = 10 kgF = 30 Nθ = 20°μ = 0,2g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Các định luật NewtonKhó
m1​ = 2,5 kg5,5 kgθ = 40°

Một khối 2,5 kg trên dốc nghiêng 40° được nối bằng một sợi dây nhẹ qua một ròng rọc không ma sát ở đỉnh dốc với một vật treo 5,5 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 = 2,5 kgm2 = 5,5 kgθ = 40°μ = 0,1g = 9,81 m/s²
a = m/s²
5.Chuyển động némTrung bình
v0​ = 40 m/sθ = ?R = 60 m

Một quả bóng được phóng từ mặt đất bằng phẳng với tốc độ 40 m/s và phải rơi cách 60 m. Bỏ qua sức cản không khí và dùng g = 9,81 m/s². Tìm góc nhỏ hơn trong hai góc phóng có thể θ.

v₀ = 40 m/sR = 60 mg = 9,81 m/s²
θ = °
6.Chuyển động némKhó
h = 25 mv0​ = 12 m/s20°x = ?

Một quả bóng được ném với góc 20° so với phương ngang từ đỉnh một vách đá cao 25 m. Bỏ qua lực cản không khí. Tìm quãng đường ngang x mà quả bóng đi được trước khi chạm đất.

v0 = 12 m/sθ = 20°h = 25 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Chuyển động trònTrung bình
r = 3 mω = ?

Trong một trò chơi rô-to ở hội chợ, người chơi đứng tựa vào thành của một hình trụ thẳng đứng bán kính 3 m. Khi nó quay đủ nhanh, sàn hạ xuống và ma sát giữ họ lại. Hệ số ma sát nghỉ là 0,6. Dùng g = 9,81 m/s². Tìm tốc độ góc nhỏ nhất ω theo rad/s.

r = 3 mμs = 0,6g = 9,81 m/s²
ω = rad/s
8.Chuyển động trònKhó
θ = 8°hướng vào tâmvmax​ = ?

Một đường cong bán kính 60 m được nghiêng 8°, và hệ số ma sát nghỉ giữa lốp và mặt đường là 0,1. Dùng g = 9,81 m/s². Tìm tốc độ lớn nhất vmax mà ô tô có thể đi qua đường cong mà không bị trượt lên và văng ra ngoài.

r = 60 mθ = 8°μs = 0,1g = 9,81 m/s²
vmax = m/s
9.Công và năng lượngTrung bình
25°d = 19 mμ = 0,1

Một vật trượt từ trạng thái nghỉ xuống một mặt dốc nghiêng 25° so với phương ngang. Hệ số ma sát trượt là 0,1. Tìm tốc độ v của nó sau khi trượt 19 m dọc theo mặt dốc.

θ = 25°μ = 0,1d = 19 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
10.Công và năng lượngKhó
4 kg5 kgμ = 0,3d = 0,5 m

Một khối 4 kg nằm trên mặt bàn nằm ngang nhám (μ = 0,3). Một sợi dây nhẹ đi từ nó qua một ròng rọc nhẵn ở mép bàn tới một khối 5 kg treo. Hệ được thả từ trạng thái nghỉ. Tìm vận tốc v của các khối sau khi khối treo hạ xuống 0,5 m.

m1 = 4 kgm2 = 5 kgμ = 0,3d = 0,5 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
11.Động lượng và va chạmTrung bình
5 kg2 m/s1 kg

Một xe trượt 5 kg chạy với 2 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′2 của xe trượt thứ hai sau va chạm.

m1 = 5 kgm2 = 1 kgv1 = 2 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.Động lượng và va chạmKhó
3 kgv = ?10 g25°L = 1,8 m

Một viên đạn 10 g được bắn theo phương ngang vào một khối 3 kg treo trên các sợi dây nhẹ dài 1,8 m, và nằm lại trong đó. Các sợi dây đung đưa ra góc lớn nhất 25° so với phương thẳng đứng. Dùng g = 9,81 m/s². Tìm tốc độ v của viên đạn trước khi va chạm.

m = 10 gM = 3 kgL = 1,8 mθ = 25°g = 9,81 m/s²
v = m/s
13.Lò xo và con lắcTrung bình
L = 0,8 mT = 1,68 s

Một phi hành gia trên hành tinh khác thấy rằng một con lắc đơn dài 0,8 m có chu kỳ 1,68 s với các dao động nhỏ. Tìm gia tốc trọng trường g trên hành tinh đó.

L = 0,8 mT = 1,68 s
g = m/s²
14.Lò xo và con lắcKhó
2,1 kgk = 90 N/mA = 19 cm

Một vật 2,1 kg trên lò xo có k = 90 N/m được kéo lệch 19 cm khỏi vị trí cân bằng rồi thả ra. Tìm tổng năng lượng E của dao động.

m = 2,1 kgk = 90 N/mA = 19 cm
E = J
15.Sóng, âm thanh & quang họcTrung bình
L = 0,6 mn = 5

Một sợi dây cố định ở hai đầu dài 0,6 m; sóng truyền trên nó với tốc độ 120 m/s. Hãy tìm tần số f5 của họa âm bậc 5 của nó.

v = 120 m/sn = 5L = 0,6 m
f5 = Hz
16.Sóng, âm thanh & quang họcKhó
Fdo​ = 30 cmR = 30 cm

Một vật cách một gương lõm có bán kính cong 30 cm một khoảng 30 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 = 30 cmR = 30 cm
di = cm

3Dung dịch

1.Động học

Đáp số: s = 12,5 m

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

Quãng đường phanh

0 = v₀² − 2·a·s → s = v₀²/(2a) = 10²/(2·4) = 12,5 m

Đáp số

s = 12,5 m
2.Động học

Đáp số: hmax = 30,39 m

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.

Độ cao đạt thêm so với mái nhà

0 = v₀² − 2·g·Δh → Δh = 20²/(2·9,81) = 20,39 m

Độ cao so với mặt đất

hmax = 10 + 20,39 = 30,39 m

Đáp số

hmax = 30,39 m
3.Các định luật Newton

Đáp số: a = 1,062 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 = 98,1 − 30·sin 20° = 87,84 N

Các lực nằm ngang

m·a = F·cos θ − μ·N = 28,19 − 17,57
a = 10,62/10 = 1,062 m/s²

Đáp số

a = 1,062 m/s²
4.Các định luật Newton

Đáp số: a = 4,539 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 = 53,96 N
m₁·g·sin θ = 15,76 N
μ·m₁·g·cos θ = 1,879 N

Gia tốc của hệ

a = (53,96 − 15,76 − 1,879)/8 = 4,539 m/s²

Đáp số

a = 4,539 m/s²
5.Chuyển động ném

Đáp số: θ = 10,79 °

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.

Công thức tầm xa

R = v₀²·sin 2θ/g → sin 2θ = 9,81·60/40² = 0,3679

Góc

2θ = 21,58° → θ = 10,79°

Đáp số

θ = 10,79°

Nghiệm còn lại là 90° − θ = 79,21°.

6.Chuyển động ném

Đáp số: x = 30,61 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 = 12·cos 20° = 11,28 m/s
vy = v0·sin θ = 12·sin 20° = 4,104 m/s

Thời gian trong không khí

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

0 = 25 + 4,104·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (4,104 + √(16,84 + 490,5))/9,81 = 2,714 s

Khoảng cách theo phương ngang

x = vx·t = 11,28·2,714 = 30,61 m

Đáp số

x = 30,61 m
7.Chuyển động tròn

Đáp số: ω = 2,335 rad/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.

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/(0,6·3)) = 2,335 rad/s

Đáp số

ω = 2,335 rad/s
8.Chuyển động tròn

Đáp số: vmax = 11,98 m/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.

Các cân bằng lực

Ma sát hướng xuống dốc.

N·(sin θ + μ·cos θ) = m·v²/r
N·(cos θ − μ·sin θ) = m·g

Tốc độ

v = √(60·9,81·0,2382/0,9764) = 11,98 m/s

Đáp số

vmax = 11,98 m/s
(43,14 km/h)
9.Công và năng lượng

Đáp số: v = 11,12 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 = √(2·9,81·19·(0,4226 − 0,1·0,9063)) = 11,12 m/s

Đáp số

v = 11,12 m/s
10.Công và năng lượng

Đáp số: v = 2,035 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 giải phóng và mất đi

m₂g·d = 49,05·0,5 = 24,53 J
μ·m₁g·d = 0,3·39,24·0,5 = 5,886 J

Động năng của cả hai khối

½(m₁ + m₂)v² = 18,64 → v = √(2·18,64/9) = 2,035 m/s

Đáp số

v = 2,035 m/s
11.Động lượng và va chạm

Đáp số: v′2 = 3,333 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 = (5 − 1)/(5 + 1)·2 = 1,333 m/s
v′2 = 2·5/(5 + 1)·2 = 3,333 m/s

Đáp số

v′2 = 3,333 m/s
12.Động lượng và va chạm

Đáp số: v = 547,5 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.

Độ nâng lên của khối

h = L·(1 − cos θ) = 1,8·(1 − cos 25°) = 0,1686 m

Tốc độ sau va chạm

V = √(2·9,81·0,1686) = 1,819 m/s

Va chạm

v = (m + M)·V/m = 3,01·1,819/0,01 = 547,5 m/s

Đáp số

v = 547,5 m/s
13.Lò xo và con lắc

Đáp số: g = 11,19 m/s²

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.

Giải tìm g

g = 4π²·L/T² = 4π²·0,8/1,68² = 11,19 m/s²

Đáp số

g = 11,19 m/s²
14.Lò xo và con lắc

Đáp số: E = 1,625 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 = √(90/2,1) = 6,547 rad/s

Năng lượng

E = ½·k·A² = ½·90·0,19² = 1,625 J

Đáp số

E = 1,625 J
15.Sóng, âm thanh & quang học

Đáp số: f5 = 500 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|.

Bước sóng của dạng dao động này

λ = 2L/n = 2·0,6/5 = 0,24 m

Tần số

f = v/λ = 120/0,24 = 500 Hz

Đáp số

f5 = 500 Hz
16.Sóng, âm thanh & quang học

Đáp số: di = 30 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 = 15 cm

Phương trình gương

1/di = 1/f − 1/do = 1/15 − 1/30
di = 30 cm
F30 cmf = 15 cm

Sơ đồ tia

ảnh thật phía trước gương

Đáp số

di = 30 cm

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