Bài giảng Vật lý đại cương 1 - Chương 4: Công và năng lượng

BÀI GIẢNG VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG 1

Chương 4

CÔNG VÀ NĂNG LƯỢNG

TS. PHÙNG VIỆT HẢI

NỘI DUNG

• ***

4.1 – CÔNG

4.2 – CÔNG SUẤT

4.3 – NĂNG LƯỢNG

4.4 – ĐỘNG NĂNG

4.5 – THẾ NĂNG

4.6 – ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN CƠ NĂNG

4.7 – VA CHẠM

4.1 – CÔNG



F

4.1.1 – Định nghĩa:

Công của lực F trên đoạn đường ds:

dA  Fdscos  ^Fd ^s  ^Fd ^r



ds

Công của lực F trên đoạn đường s bất kì:

 

^{A }^{Fdscos }^{Fd s }^{Fd r }^{F dx  F dy  F dz}

x

y

z

(s)

Nếu F là một lực Thế: F_x= f(x), F_y= g(y), F_z= h(z)

x ₂

y ₂

z ₂

thì:

A _{1 2} F_xd x  F_yd y  F_zd z

  

x ₁

y₁

z₁

4.1 – CÔNG

Lưu ý:

Công là đại lượng vô hướng có thể dương, âm, hoặc = 0.

• Nếu lực luôn vuông góc với đường đi thì A = 0.

• Nếu A > 0: công phát động.

• Nếu A < 0: công cản.

• Nếu lực có độ lớn không đổi và luôn tạo với

đường đi một góc  thì:

A = F.s.cos



F

Trong hệ SI, đơn vị đo công là jun (J)



4.2 – CÔNG SUẤT

4.2.1. Định nghĩa:

A

t

Công suất

trung bình:

Công suất

tức thời:

dA

dt

p_tb

p 

Ý nghĩa:

Công suất đặc trưng cho khả

năng sinh công của lực.

Đơn vị đo: oát (W)

Lưu ý:

1kW = 10³W; 1MW = 10⁶W; 1GW = 10⁹W

1kWh = 3,6.10⁶J

1hP = 736 W

4.2 – CÔNG SUẤT

4.2.2. Quan hệ giữa công suất, lực và vận tốc:

p  ^F.^v  Fvcos

Nếu lực cùng hướng với vận tốc, thì:

p  Fv

Trong chuyển động quay:

Công

A  M.

 

Công suất

p  M_.  M_

Các công thức trên là cơ sở để chế tạo bộ hộp số.

4.3. NĂNG LƯỢNG

4.3.1. Khái niệm năng lượng

Năng lượng là thuộc tính cơ bản của vật chất,

đặc trưng cho mức độ vận động của vật chất.

Năng lượng có rất nhiều dạng, tương ứng với các

hình thức vận động khác nhau của vật chất: Cơ

năng, Nhiệt năng, Điện năng, Quang năng, Hóa

năng, …

Theo Einstein, một vật có khối lượng m sẽ tương

E = mc²

ứng với năng lượng E:

với c = 3.10⁸m/s

Đơn vị đo năng lượng là jun (J).

4.3 – NĂNG LƯỢNG

4.3.2. Định luật bảo toàn năng lượng

Năng lượng của hệ cô lập thì không đổi: E = const.

Suy rộng ra trong toàn vũ trụ: Năng lượng không

tự sinh ra và cũng không tự mất đi, mà chỉ chuyển

hóa từ dạng này sang dạng khác, hoặc truyền từ

vật này sang vật khác, còn tổng năng lượng không

thay đổi.

4.3 – NĂNG LƯỢNG

4.3.3 Quan hệ giữa năng lượng và công

Một hệ cơ học sẽ trao đổi năng lượng với bên

ngoài thông qua công:

E₂– E₁= A

Vậy công là số đo năng lượng mà hệ trao đổi với

bên ngoài.

4.4. ĐỘNG NĂNG

4.4.1. Định nghĩa

Động năng của một chất điểm:

m (kg)

v (m/s)

E_đ(J)

1

E_ñ mv²

2

1

m_iv_i²

Động năng của một hệ chất điểm:

Động năng của vật rắn:

E_he

₂

i

1

E_ñtt mv²

- Động năng tịnh tiến:

- Động năng quay:

2

1

E_ñq I²

2

- Động năng toàn phần:

1

E_tp E_tt E_q mv_G² I_G²

2

4.4 – ĐỘNG NĂNG

4.4.2 – Định lí về động năng

Độ biến thiên động năng của một vật, hệ vật thì

bằng tổng công của các ngoại lực tác dụng vào

vật, hệ vật đó.

E  E E  A



ñ

ñ2

ñ1

ngoaïilöïc

Ví dụ: để hãm một ôtô khối lượng 2 tấn đang

chuyển động với tốc độ 36 km/h thì công của lực

hãm là:

1

A_h E_d2E_d1 0 mv²  .2000.10² 100kJ

2

Định lý động năng trong chuyển động quay

4.5. THẾ NĂNG

4.5.1. Khái niệm

Trong trường lực THẾ, ta dùng hàm E_t(x,y,z) hay

U(x,y,z) để đặc trưng cho năng lượng tương tác giữa chất

điểm với trường lực THẾ, sao cho:

E_t(M) – E_t(N) = A_MN

Hàm E_t(x,y,z) được gọi là thế năng của chất điểm.

Chú ý:

- Thế năng là hàm của vị trí.

-Chỉ có lực THẾ mới có thế năng.

^-Thế năng không xác định đơn giá.

 

Tổng quát:

^{E  A }^{Fd s  }^{Fd s C}

t

M

4.5 – THẾ NĂNG

4.5.2. Quan hệ giữa thế năng và lực thế

Dạng tích phân:

 

Fd s  E_t(M)  E_t(N)  Fd s  0



MN

(C)





E_t

x

E_t

F_x 





Dạng vi phân:



F  

 F  gradE _t

y

y



E_t

z

F  



z





hướng theo chiều giảm của thế năng

F

4.5 – THẾ NĂNG

4.5.3. Các dạng thế năng

Thế năng đàn hồi:

x: độ biến dạng của lò xo

1

E_t kx² C

C = 0 khi gốc thế năng ở vị trí lò

xo không biến dạng

2

Thế năng hấp dẫn:

r: k/c từ m tới tâm của M.

1

E_t GMm  C

C = 0 khi gốc thế năng ở vô cùng

r

Thế năng của trọng lực:

r: k/c từ m tới mặt đất.

E_t mgh  C

C = 0 khi gốc thế năng ở mặt đất.

4.6 – ĐỊNH LUẬT BẢO TOÀN CƠ NĂNG

4.6.1. Cơ năng và đlbt cơ năng:

•Cơ năng: E = E_đ+ E_t

•Định luật bảo toàn cơ năng:

•Hệ kín, không có ma sát, chỉ có lực thế thì cơ

năng không đổi.

E_d E_t const

4.7 – VA CHẠM

4.7.1.Khái niệm va chạm

Raàm

+

Va chạm giữa hai vật là hiện tượng hai vật

tương tác với nhau trong khoảng t/g rất ngắn

nhưng động lượng của ít nhất một trong hai

vật biến thiến đáng kể.

4.7 – VA CHẠM

4.7.2. Phân loại va chạm

Va chạm đàn hồi: sau va chạm hình dạng và trạng

thái bên trong của các vật không đổi.

Trái lại là va chạm không đàn hồi.

Khi các vectơ vận tốc của

mp va cham

các vật va chạm nằm trên

pháp tuyến va chạm, ta gọi

đó là: va chạm chính diện,

trực diện hay xuyên tâm.

Pháp tuyến VC

4.7. VA CHẠM

4.7.3. Các định luật bảo tòan trong va chạm

• Bảo toàn động lượng:



p_sauvc p_truocvc

Bảo toàn cơ năng, động năng đối với va chạm

đàn hồi.

4.7 – VA CHẠM

4 – Ví dụ về chạm đàn hồi:

Một vật khối lượng m₁chuyển động đến

va chạm đàn hồi xuyên tâm với vật m₂=

1kg đang đứng yên. Tính khối lượng m₁,

biết trong quá trình va chạm đó, nó đã

truyền 36% động năng ban đầu của mình

cho m₂.

Giải

Bài giảng Vật lý đại cương 1 - Chương 4: Công và năng lượng - Phùng Việt Hải