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 120 km/h phanh với gia tốc chậm dần không đổi 6 m/s² cho đến khi dừng. Phanh mất bao lâu? Tìm t.
v₀ = 120 km/ha = −6 m/s²v = 0
t = s
2.Động họcKhó
Một quả bóng được ném thẳng đứng lên với 19 m/s từ mép một mái nhà cao 25 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 = 19 m/sh₀ = 25 mg = 9,81 m/s²
hmax = m
3.Các định luật NewtonTrung bình
Một thùng 10 kg được đẩy lên một dốc nghiêng 35° so với phương ngang với tốc độ không đổi, bởi một lực song song với dốc. Hệ số ma sát trượt là 0,2. Dùng g = 9,81 m/s². Tìm lực đẩy F.
m = 10 kgθ = 35°μ = 0,2g = 9,81 m/s²
F = N
4.Các định luật NewtonKhó
Hai khối trên sàn nằm ngang được nối bằng một sợi dây nhẹ nằm ngang. Một lực nằm ngang 150 N kéo khối 1 kg phía trước; khối 8 kg bị kéo theo phía sau. Hệ số ma sát trượt là 0,3 cho cả hai khối. Dùng g = 9,81 m/s². Tìm lực căng T trong sợi dây nối.
m1 = 8 kgm2 = 1 kgF = 150 Nμ = 0,3g = 9,81 m/s²
T = N
5.Chuyển động némTrung bình
Một quả bóng được phóng từ mặt đất bằng phẳng hợp góc 30° so với phương ngang và rơi cách 80 m. Bỏ qua sức cản không khí và dùng g = 9,81 m/s². Tìm tốc độ phóng v0.
θ = 30°R = 80 mg = 9,81 m/s²
v0 = m/s
6.Chuyển động némKhó
Một quả bóng được ném với góc 55° so với phương ngang từ đỉnh một vách đá cao 10 m. Bỏ qua lực cản không khí. Tìm quãng đường ngang x mà quả bóng đi được trước khi chạm đất.
v0 = 19 m/sθ = 55°h = 10 mg = 9,81 m/s²
x = m
7.Chuyển động trònTrung bình
Một quả cầu nhỏ trên sợi dây dài 1,1 m chuyển động trong một vòng tròn nằm ngang sao cho dây hợp với phương thẳng đứng một góc không đổi 15° (con lắc nón). Dùng g = 9,81 m/s². Tìm tốc độ v của quả cầu.
L = 1,1 mθ = 15°g = 9,81 m/s²
v = m/s
8.Chuyển động trònKhó
Một xe đẩy 2,5 kg được thả từ trạng thái nghỉ ở độ cao 35,7 m trên đường ray không ma sát và chạy qua một vòng tròn thẳng đứng bán kính 8,5 m. Dùng g = 9,81 m/s². Tìm phản lực pháp tuyến Ntop của đường ray lên xe đẩy tại đỉnh vòng.
m = 2,5 kgh = 35,7 mR = 8,5 mg = 9,81 m/s²
Ntop = N
9.Công và năng lượngTrung bình
Một vật trượt từ trạng thái nghỉ xuống một mặt dốc nghiêng 40° so với phương ngang. Hệ số ma sát trượt là 0,2. Tìm tốc độ v của nó sau khi trượt 18 m dọc theo mặt dốc.
θ = 40°μ = 0,2d = 18 mg = 9,81 m/s²
v = m/s
10.Công và năng lượngKhó
Một lò xo có độ cứng 1000 N/m ở chân một dốc nghiêng 35° bị nén 5 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 1 kg chạy với 12 m/s va chạm trực diện hoàn toàn đàn hồi với một xe trượt 5 kg đang đứng yên trên đường ray không ma sát. Tìm vận tốc v′2 của xe trượt thứ hai sau va chạm.
m1 = 1 kgm2 = 5 kgv1 = 12 m/sv2 = 0
v′2 = m/s
12.Động lượng và va chạmKhó
Một ô tô 1000 kg đâm vào một xe 1600 kg đang đỗ. Hai xe dính vào nhau và trượt 10 m trước khi dừng. Hệ số ma sát trượt giữa lốp và mặt đường là 0,8. Dùng g = 9,81 m/s². Tìm tốc độ v1 của xe thứ nhất ngay trước va chạm.
Một phi hành gia trên hành tinh khác thấy rằng một con lắc đơn dài 1,2 m có chu kỳ 1,38 s với các dao động nhỏ. Tìm gia tốc trọng trường g trên hành tinh đó.
L = 1,2 mT = 1,38 s
g = m/s²
14.Lò xo và con lắcKhó
Một vật 2,2 kg được gắn vào đầu dưới của một lò xo thẳng đứng chưa giãn có k = 220 N/m và được thả từ trạng thái nghỉ. Dùng g = 9,81 m/s². Tìm độ giãn lớn nhất xmax của lò xo theo cm.
m = 2,2 kgk = 220 N/mg = 9,81 m/s²
xmax = cm
15.Sóng, âm thanh & quang họcTrung bình
Một nguồn 1000 Hz chuyển động với vận tốc 25 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 = 1000 Hzv = 343 m/svs = 25 m/s
f′ = Hz
16.Sóng, âm thanh & quang họcKhó
Hai thấu kính mỏng có chung một trục, cách nhau 60 cm: thấu kính 1 có f₁ = 20 cm và thấu kính 2 có f₂ = −20 cm. Một vật đặt cách thấu kính 1 một khoảng 50 cm. Hãy tìm vị trí di2 của ảnh cuối cùng, đo từ thấu kính 2 (dương ở phía sau thấu kính 2, quy ước ảnh thật là dương).
f1 = 20 cmf2 = −20 cms = 60 cmdo = 50 cm
di2 = cm
3Dung dịch
1.Động học
Đáp số: t = 5,556 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 = 120/3,6 = 33,33 m/s
Thời gian phanh
0 = v₀ − a·t → t = v₀/a = 33,33/6 = 5,556 s
Đáp số
t = 5,556 s
2.Động học
Đáp số: hmax = 43,4 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 = 19²/(2·9,81) = 18,4 m
Độ cao so với mặt đất
hmax = 25 + 18,4 = 43,4 m
Đáp số
hmax = 43,4 m
3.Các định luật Newton
Đáp số: F = 72,34 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 = 56,27 + 16,07 = 72,34 N
Đáp số
F = 72,34 N
4.Các định luật Newton
Đáp số: T = 133,3 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.
Với cùng μ cho cả hai khối, ma sát triệt tiêu: T = F·m₁/(m₁ + m₂).
5.Chuyển động ném
Đáp số: v0 = 30,1 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) = √(9,81·80/sin 60°) = 30,1 m/s
Đáp số
v0 = 30,1 m/s
6.Chuyển động ném
Đáp số: x = 40,55 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 = 19·cos 55° = 10,9 m/s
vy = v0·sin θ = 19·sin 55° = 15,56 m/s
Thời gian trong không khí
Giải y(t) = h + vy·t − ½gt² = 0 và lấy nghiệm dương.
0 = 10 + 15,56·t − 4,905·t²
t = (vy + √(vy² + 2gh))/g = (15,56 + √(242,2 + 196,2))/9,81 = 3,721 s
Khoảng cách theo phương ngang
x = vx·t = 10,9·3,721 = 40,55 m
Đáp số
x = 40,55 m
7.Chuyển động tròn
Đáp số: v = 0,8651 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.
Bán kính của vòng tròn
r = L·sin θ = 1,1·sin 15° = 0,2847 m
Tốc độ
Lực căng và trọng lực cùng cho lực hướng vào trong: tan θ = v²/(r·g).
v = √(r·g·tan θ) = √(0,2847·9,81·tan 15°) = 0,8651 m/s
Đáp số
v = 0,8651 m/s
8.Chuyển động tròn
Đáp số: Ntop = 83,39 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.
Tốc độ từ bảo toàn năng lượng
v² = 2·9,81·(35,7 − 2·8,5) = 366,9 m²/s²
Các lực
Chiều về phía tâm là dương.
N = m·v²/R − m·g = 2,5·366,9/8,5 − 24,53 = 83,39 N
Đáp số
Ntop = 83,39 N
9.Công và năng lượng
Đáp số: v = 13,15 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 = √(2·9,81·18·(0,6428 − 0,2·0,766)) = 13,15 m/s
Đáp số
v = 13,15 m/s
10.Công và năng lượng
Đáp số: d = 0,3274 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 = 5 cm = 0,05 m
½kx² = ½·1000·0,05² = 1,25 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 = 1,25/(4,905·(0,5736 + 0,25·0,8192)) = 0,3274 m
Đáp số
d = 0,3274 m
11.Động lượng và va chạm
Đáp số: v′2 = 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 = (1 − 5)/(1 + 5)·12 = −8 m/s
v′2 = 2·1/(1 + 5)·12 = 4 m/s
Đáp số
v′2 = 4 m/s
12.Động lượng và va chạm
Đáp số: v1 = 32,57 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.
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 = 4π²·1,2/1,38² = 24,88 m/s²
Đáp số
g = 24,88 m/s²
14.Lò xo và con lắc
Đáp số: xmax = 19,62 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.
Vị trí cân bằng và biên độ
x₀ = m·g/k = 2,2·9,81/220 = 0,0981 m = A
Điểm thấp nhất
xmax = 2A = 0,1962 m = 19,62 cm
Đáp số
xmax = 19,62 cm
15.Sóng, âm thanh & quang học
Đáp số: f′ = 932,1 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|.
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.