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
Liệt kê những gì bạn biết: v₀, v, a, t và s, kèm đơn vị.
Chọn phương trình chứa ba đại lượng đã biết và ẩn số.
Chọn một chiều dương và gán dấu trừ cho các đại lượng ngược chiều.
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
Vẽ sơ đồ vật thể tự do với mọi lực tác dụng lên vật.
Chọn một chiều dương dọc theo chuyển động.
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).
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
Phân tích vận tốc ban đầu thành các thành phần: vx = v₀·cos θ và vy = v₀·sin θ.
Chuyển động ngang có tốc độ không đổi; chuyển động thẳng đứng có gia tốc −g.
Tìm thời gian bay từ chuyển động thẳng đứng.
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
Chọn một chiều dương và gán dấu cho từng vận tốc.
Viết tổng động lượng trước va chạm: Σm·v.
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.
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
Hãy nhận ra loại bài toán: tốc độ sóng, mức âm, sóng dừng, Doppler, khúc xạ, thấu kính hay gương, hoặc giao thoa.
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.
Hãy đổi đơn vị: nm, mm và cm sang m, và kiểm tra xem các góc có được đo từ pháp tuyến không.
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
Một chiếc ô tô chạy với vận tốc 60 km/h phanh với gia tốc chậm dần không đổi 7 m/s² cho đến khi dừng. Phanh mất bao lâu? Tìm t.
v₀ = 60 km/ha = −7 m/s²v = 0
t = s
2.Động họcKhó
Một quả bóng được ném thẳng đứng lên với 16 m/s từ mép một mái nhà cao 20 m so với mặt đất. Bỏ qua lực cản không khí và dùng g = 9,81 m/s². Sau khi ném bao lâu thì nó chạm đất? Tìm t.
v₀ = 16 m/sh₀ = 20 mg = 9,81 m/s²
t = s
3.Các định luật NewtonTrung bình
Một vật 3 kg trượt xuống một mặt dốc nghiêng 20° so với phương ngang. Hệ số ma sát trượt là 0,1. Dùng g = 9,81 m/s². Tìm gia tốc a của vật dọc theo mặt dốc.
m = 3 kgθ = 20°μ = 0,1g = 9,81 m/s²
a = m/s²
4.Các định luật NewtonKhó
Một khối được đẩy để nó bắt đầu trượt lên một dốc nghiêng 20° với tốc độ 4 m/s. Hệ số ma sát trượt là 0,25. Dùng g = 9,81 m/s². Nó trượt được bao xa d dọc theo dốc trước khi dừng?
v₀ = 4 m/sθ = 20°μ = 0,25g = 9,81 m/s²
d = m
5.Chuyển động némTrung bình
Một quả bóng được phóng từ mặt đất bằng phẳng hợp góc 45° so với phương ngang và rơi cách 65 m. Bỏ qua sức cản không khí và dùng g = 9,81 m/s². Tìm tốc độ phóng v0.
θ = 45°R = 65 mg = 9,81 m/s²
v0 = m/s
6.Chuyển động némKhó
Một quả bóng được phóng với tốc độ 24 m/s và hợp góc 30° so với phương ngang từ đỉnh một vách đá cao 30 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 = 24 m/sθ = 30°h = 30 mg = 9,81 m/s²
α = °
7.Chuyển động trònTrung bình
Trong một trò chơi rô-to ở hội chợ, người chơi đứng tựa vào thành của một hình trụ thẳng đứng bán kính 2,1 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 quay nhỏ nhất n theo vòng mỗi phút.
r = 2,1 mμs = 0,6g = 9,81 m/s²
n = rpm
8.Chuyển động trònKhó
Một quả cầu 0,7 kg trên sợi dây nhẹ dài 0,9 m được quay trong một vòng tròn thẳng đứng. Tại điểm thấp nhất tốc độ của nó là 9 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 = 0,7 kgr = 0,9 mvbottom = 9 m/sg = 9,81 m/s²
Ttop = N
9.Công và năng lượngTrung bình
Một bộ phóng đồ chơi có lò xo thẳng đứng độ cứng 200 N/m. Một quả cầu 0,15 kg được đặt lên nó và lò xo bị nén 10 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 = 0,15 kgk = 200 N/mx = 10 cmg = 9,81 m/s²
h = m
10.Công và năng lượngKhó
Một lò xo có độ cứng 500 N/m ở chân một dốc nghiêng 15° bị nén 8 cm áp vào một khối 0,5 kg rồi được thả ra. Hệ số ma sát trượt giữa khối và dốc là 0,25. Khối đi được bao xa d lên dốc từ điểm thả trước khi dừng? (Bỏ qua đoạn đường ngắn mà lò xo đẩy, tức là tính ma sát và trọng lực trên toàn bộ quãng đường d.)
Một xe trượt 4 kg chạy với 3 m/s va chạm trực diện hoàn toàn đàn hồi với một xe trượt 2 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 kgm2 = 2 kgv1 = 3 m/sv2 = 0
v′1 = m/s
12.Động lượng và va chạmKhó
Một ô tô 1100 kg đâm vào một xe 1700 kg đang đỗ. Hai xe dính vào nhau và trượt 4,5 m trước khi dừng. Hệ số ma sát trượt giữa lốp và mặt đường là 0,75. Dùng g = 9,81 m/s². Tìm tốc độ v1 của xe thứ nhất ngay trước va chạm.
Một con lắc đơn có chiều dài 0,7 m. Dùng g = 9,81 m/s². Tìm chu kỳ T của nó với dao động nhỏ.
L = 0,7 mg = 9,81 m/s²
T = s
14.Lò xo và con lắcKhó
Một vật trên lò xo có k = 90 N/m dao động trên bề mặt không ma sát với biên độ 19 cm. Tìm động năng K của nó khi cách vị trí cân bằng 14 cm.
k = 90 N/mA = 19 cmx = 14 cm
K = J
15.Sóng, âm thanh & quang họcTrung bình
Một ống kín một đầu dài 0,8 m. Tốc độ âm thanh là 343 m/s. Hãy tìm tần số f7 của họa âm bậc 7 của nó.
v = 343 m/sn = 7L = 0,8 m
f7 = Hz
16.Sóng, âm thanh & quang họcKhó
Một sợi quang có lõi với n₁ = 1,55 và lớp vỏ với n₂ = 1,5. Hãy tìm khẩu độ số NA của nó.
n1 = 1,55n2 = 1,5
NA =
3Dung dịch
1.Động học
Đáp số: t = 2,381 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 = 60/3,6 = 16,67 m/s
Thời gian phanh
0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 16,67/7 = 2,381 s
Đáp số
t = 2,381 s
2.Động học
Đáp số: t = 4,227 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.
Phương trình chuyển động
Chiều lên là dương và mặt đất thấp hơn điểm xuất phát h₀.
−20 = 16·t − ½·9,81·t²
4,905·t² − 16·t − 20 = 0
Giải phương trình bậc hai
Chỉ nghiệm dương có ý nghĩa vật lý.
t = (16 + √(16² + 2·9,81·20))/9,81 = 4,227 s
Đáp số
t = 4,227 s
3.Các định luật Newton
Đáp số: a = 2,433 m/s²
Định luật hai Newton: hợp lực tác dụng lên một vật bằng khối lượng nhân với gia tốc, ΣF = m·a. Vẽ sơ đồ vật thể tự do, chọn một chiều dương dọc theo chuyển động, và cộng mọi lực theo chiều đó: lực tác dụng, ma sát μ·N ngược chiều chuyển động, và các thành phần của trọng lực.
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 hãm
Cả hai lực đều hướng xuống dốc; khối lượng triệt tiêu.
a = 9,81·(sin 20° + 0,25·cos 20°) = 5,66 m/s²
Quãng đường
d = v₀²/(2a) = 4²/(2·5,66) = 1,413 m
Đáp số
d = 1,413 m
5.Chuyển động ném
Đáp số: v0 = 25,25 m/s
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.
Giải công thức tầm xa tìm v₀
v₀ = √(g·R/sin 2θ) = √(9,81·65/sin 90°) = 25,25 m/s
Đáp số
v0 = 25,25 m/s
6.Chuyển động ném
Đáp số: α = 52,48 °
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 = 24·cos 30° = 20,78 m/s
vy0 = 24·sin 30° = 12 m/s
Tốc độ thẳng đứng khi chạm đất
Năng lượng hoặc v² = v₀² + 2as theo phương thẳng đứng.
vy = √(12² + 2·9,81·30) = 27,07 m/s
Góc chạm đất
tan α = vy/vx = 27,07/20,78 → α = 52,48°
Đáp số
α = 52,48°
7.Chuyển động tròn
Đáp số: n = 26,65 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/(0,6·2,1)) = 2,79 rad/s
Tốc độ quay
n = ω·60/(2π) = 26,65 rpm
Đáp số
n = 26,65 rpm
8.Chuyển động tròn
Đáp số: Ttop = 28,66 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 = 9² − 4·9,81·0,9 = 45,68 m²/s²
Các lực tại đỉnh
Lực căng và trọng lực đều hướng xuống, về phía tâm.
T + m·g = m·vtop²/r
T = 0,7·45,68/0,9 − 0,7·9,81 = 28,66 N
Đáp số
Ttop = 28,66 N
9.Công và năng lượng
Đáp số: h = 0,6796 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 = 10 cm = 0,1 m
½kx² = ½·200·0,1² = 1 J
Độ cao
m·g = 0,15·9,81 = 1,472 N
h = ½kx²/(mg) = 1/1,472 = 0,6796 m
Đáp số
h = 0,6796 m
10.Công và năng lượng
Đáp số: d = 0,652 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 = 8 cm = 0,08 m
½kx² = ½·500·0,08² = 1,6 J
Cân bằng năng lượng dọc mặt dốc
m·g = 0,5·9,81 = 4,905 N
½kx² = mg·d·(sin θ + μ·cos θ)
d = 1,6/(4,905·(0,2588 + 0,25·0,9659)) = 0,652 m
Đáp số
d = 0,652 m
11.Động lượng và va chạm
Đáp số: v′1 = 1 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 − 2)/(4 + 2)·3 = 1 m/s
v′2 = 2·4/(4 + 2)·3 = 4 m/s
Đáp số
v′1 = 1 m/s
12.Động lượng và va chạm
Đáp số: v1 = 20,71 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.
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·√(0,7/9,81) = 1,678 s
Đáp số
T = 1,678 s
14.Lò xo và con lắc
Đáp số: K = 0,7425 J
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.
Tổng năng lượng
E = ½·k·A² = ½·90·0,19² = 1,625 J
Thế năng lò xo tại x
U = ½·k·x² = ½·90·0,14² = 0,882 J
Động năng
K = 1,625 − 0,882 = 0,7425 J
Đáp số
K = 0,7425 J
15.Sóng, âm thanh & quang học
Đáp số: f7 = 750,3 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 = 4L/n = 4·0,8/7 = 0,4571 m
Tần số
f = v/λ = 343/0,4571 = 750,3 Hz
Đáp số
f7 = 750,3 Hz
16.Sóng, âm thanh & quang học
Đáp số: NA = 0,3905
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.