Các công thức tính nhanh bài tập trắc nghiệm ôn thi Đại học năm 2018 môn Vật lý

60 trang thungat 1680

Download

Bạn đang xem 20 trang mẫu của tài liệu "Các công thức tính nhanh bài tập trắc nghiệm ôn thi Đại học năm 2018 môn Vật lý", để tải tài liệu gốc về máy bạn click vào nút DOWNLOAD ở trên

Tài liệu đính kèm:

cac_cong_thuc_tinh_nhanh_bai_tap_trac_nghiem_on_thi_dai_hoc.doc

Nội dung text: Các công thức tính nhanh bài tập trắc nghiệm ôn thi Đại học năm 2018 môn Vật lý

CÁC CÔNG THỨC TÍNH NHANH BÀI TẬP TRẮC NGHIỆM. ÔN THI ĐẠI HỌC 2018 CHƯƠNG I: ĐỘNG LỰC HỌC VẬT RẮN 1. Toạ độ góc Là toạ độ xác định vị trí của một vật rắn quay quanh một trục cố định bởi góc (rad) hợp giữa mặt phẳng động gắn với vật và mặt phẳng cố định chọn làm mốc (hai mặt phẳng này đều chứa trục quay) Lưu ý: Ta chỉ xét vật quay theo một chiều và chọn chiều dương là chiều quay của vật ≥ 0 2. Tốc độ góc Là đại lượng đặc trưng cho mức độ nhanh hay chậm của chuyển động quay của một vật rắn quanh một trục * Tốc độ góc trung bình:  (rad / s) tb t d * Tốc độ góc tức thời:  '(t) dt Lưu ý: Liên hệ giữa tốc độ góc và tốc độ dài v = r 3. Gia tốc góc Là đại lượng đặc trưng cho sự biến thiên của tốc độ góc  * Gia tốc góc trung bình:  (rad / s2 ) tb t d d 2 * Gia tốc góc tức thời:   '(t) ''(t) dt dt 2 Lưu ý: + Vật rắn quay đều thì  const  0 + Vật rắn quay nhanh dần đều  > 0 + Vật rắn quay chậm dần đều  < 0 4. Phương trình động học của chuyển động quay 1
* Vật rắn quay đều ( = 0) = 0 + t * Vật rắn quay biến đổi đều ( ≠ 0)  = 0 + t 1 t  t 2 0 2 2 2  0 2 ( 0 ) 5. Gia tốc của chuyển động quay  * Gia tốc pháp tuyến (gia tốc hướng tâm) a n  Đặc trưng cho sự thay đổi về hướng của vận tốc dài v (an  v ) v2 a  2r n r  * Gia tốc tiếp tuyến a t  Đặc trưng cho sự thay đổi về độ lớn của v (at và v cùng phương) dv a v '(t) r '(t) r t dt   * Gia tốc toàn phần a an at 2 2 a an at  at  Góc hợp giữa a và an : tan 2 an   Lưu ý: Vật rắn quay đều thì at = 0 a = an 6. Phương trình động lực học của vật rắn quay quanh một trục cố định M M I hay  I Trong đó: + M = Fd (Nm)là mômen lực đối với trục quay (d là tay đòn của lực) 2 2 + I  miri (kgm )là mômen quán tính của vật rắn đối với trục quay i Mômen quán tính I của một số vật rắn đồng chất khối lượng m có trục quay là trục đối xứng 1 - Vật rắn là thanh có chiều dài l, tiết diện nhỏ: I ml 2 12 - Vật rắn là vành tròn hoặc trụ rỗng bán kính R: I = mR2 1 - Vật rắn là đĩa tròn mỏng hoặc hình trụ đặc bán kính R: I mR2 2 2 - Vật rắn là khối cầu đặc bán kính R: I mR2 5 7. Mômen động lượng 2
Là đại lượng động học đặc trưng cho chuyển động quay của vật rắn quanh một trục L = I (kgm2/s) Lưu ý: Với chất điểm thì mômen động lượng L = mr2 = mvr (r là k/c từ v đến trục quay) 8. Dạng khác của phương trình động lực học của vật rắn quay quanh một trục cố định dL M dt 9. Định luật bảo toàn mômen động lượng Trường hợp M = 0 thì L = const Nếu I = const  = 0 vật rắn không quay hoặc quay đều quanh trục Nếu I thay đổi thì I11 = I22 10. Động năng của vật rắn quay quanh một trục cố định 1 W I 2 (J ) đ 2 11. Sự tương tự giữa các đại lượng góc và đại lượng dài trong chuyển động quay và chuyển động thẳng Chuyển động quay Chuyển động thẳng (trục quay cố định, chiều quay không (chiều chuyển động không đổi) đổi) Toạ độ góc (rad) Toạ độ x (m) Tốc độ góc  (rad/s) Tốc độ v (m/s) Gia tốc góc  (Rad/s2) Gia tốc a (m/s2) Mômen lực M (Nm) Lực F (N) Mômen quán tính I (Kgm2) Khối lượng m (kg) Mômen động lượng L = I (kgm2/s) Động lượng P = mv (kgm/s) 1 1 2 2 Động năng W mv Động năng quay Wđ I (J) đ (J) 2 2 Chuyển động quay đều: Chuyển động thẳng đều:  = const;  = 0; = + t 0 v = cónt; a = 0; x = x + at Chuyển động quay biến đổi đều: 0 Chuyển động thẳng biến đổi đều:  = const a = const  = 0 + t v = v0 + at 1 2 0 t  t 1 2 2 x = x0 + v0t + at 2 2 2  0 2 ( 0 ) 2 2 v v0 2a(x x0 ) Phương trình động lực học Phương trình động lực học 3
M F  a I m dL dp Dạng khác M Dạng khác F dt dt Định luật bảo toàn mômen động lượng Định luật bảo toàn động lượng I11 I22 hay  Li const  pi  mivi const Định lý về động Định lý về động năng 1 1 1 1 W I 2 I 2 A (công của ngoại W I 2 I 2 A (công của ngoại đ 2 1 2 2 đ 2 1 2 2 lực) lực) Công thức liên hệ giữa đại lượng góc và đại lượng dài 2 s = r ; v =r; at = r; an =  r Lưu ý: Cũng như v, a, F, P các đại lượng ; ; M; L cũng là các đại lượng véctơ 4
CHƯƠNG II : DAO ĐỘNG CƠ I. DAO ĐỘNG ĐIỀU HOÀ 1. Phương trình dao động: x = Acos(t + ) 2. Vận tốc tức thời: v = -Asin(t + ) v luôn cùng chiều với chiều chuyển động (vật cđộng theo chiều dương thì v>0, theo chiều âm thì v<0) 3. Gia tốc tức thời: a = -2Acos(t + ) a luôn hướng về vị trí cân bằng 4. Vật ở VTCB: x = 0; vMax = A; aMin = 0 2 Vật ở biên: x = ±A; vMin = 0; aMax =  A v 5. Hệ thức độc lập: A2 x2 ( )2  a = -2x 1 6. Cơ năng: W W W m 2 A2 đ t 2 1 1 Với W mv2 m 2 A2sin2 (t ) Wsin2 (t ) đ 2 2 1 1 W m 2 x2 m 2 A2cos2 (t ) Wcos2 (t ) t 2 2 7. Dao động điều hoà có tần số góc là , tần số f, chu kỳ T. Thì động năng và thế năng biến thiên với tần số góc 2, tần số 2f, chu kỳ T/2 8. Động năng và thế năng trung bình trong thời gian nT/2 ( M2 M1 * W 1 2 2 n N , T là chu kỳ dao động) là: m A 2 4 x2 O x1 A 9. Khoảng thời gian ngắn nhất để vật đi từ vị trí có li độ x1 đến -A x2 x1 cos 1 2 1 A M'2 t với và (0 1, 2 ) M'1   x cos 2 2 A 10. Chiều dài quỹ đạo: 2A 11. Quãng đường đi trong 1 chu kỳ luôn là 4A; trong 1/2 chu kỳ luôn là 2A Quãng đường đi trong l/4 chu kỳ là A khi vật đi từ VTCB đến vị trí biên hoặc ngược lại 12. Quãng đường vật đi được từ thời điểm t1 đến t2. 5
x1 Acos(t1 ) x2 Acos(t2 ) Xác định: và (v1 và v2 chỉ cần xác định dấu) v1 Asin(t1 ) v2 Asin(t2 ) Phân tích: t2 – t1 = nT + t (n N; 0 ≤ t T/2 2 - A - P A T A P2 O P1 x A O x Tách t n t ' 2 2 T M1 trong đó n N *;0 t ' 2 T Trong thời gian n quãng đường luôn là 2nA 2 Trong thời gian t’ thì quãng đường lớn nhất, nhỏ nhất tính như trên. + Tốc độ trung bình lớn nhất và nhỏ nhất của trong khoảng thời gian t: SMax SMin vtbMax và vtbMin với SMax; SMin tính như trên. t t 13. Các bước lập phương trình dao động dao động điều hoà: * Tính  * Tính A 6
x Acos(t0 ) * Tính dựa vào điều kiện đầu: lúc t = t0 (thường t0 = 0) v Asin(t0 ) Lưu ý: + Vật chuyển động theo chiều dương thì v > 0, ngược lại v 0 phạm vi giá trị của k ) * Liệt kê n nghiệm đầu tiên (thường n nhỏ) * Thời điểm thứ n chính là giá trị lớn thứ n Lưu ý:+ Đề ra thường cho giá trị n nhỏ, còn nếu n lớn thì tìm quy luật để suy ra nghiệm thứ n + Có thể giải bài toán bằng cách sử dụng mối liên hệ giữa dao động điều hoà và c động tròn đều 15. Các bước giải bài toán tìm số lần vật đi qua vị trí đã biết x (hoặc v, a, Wt, Wđ, F) từ thời điểm t1 đến t2. * Giải phương trình lượng giác được các nghiệm * Từ t1 < t ≤ t2 Phạm vi giá trị của (Với k Z) * Tổng số giá trị của k chính là số lần vật đi qua vị trí đó. Lưu ý: + Có thể giải bài toán bằng cách sử dụng mối liên hệ giữa dao động điều hoà và c/động tròn đều. + Trong mỗi chu kỳ (mỗi dao động) vật qua mỗi vị trí biên 1 lần còn các vị trí khác 2 lần. 16. Các bước giải bài toán tìm li độ, vận tốc dao động sau (trước) thời điểm t một khoảng thời gian t. Biết tại thời điểm t vật có li độ x = x0. * Từ phương trình dao động điều hoà: x = Acos(t + ) cho x = x0 Lấy nghiệm t + = với 0 ứng với x đang giảm (vật chuyển động theo chiều âm vì v < 0) hoặc t + = - ứng với x đang tăng (vật chuyển động theo chiều dương) * Li độ và vận tốc dao động sau (trước) thời điểm đó t giây là x Acos(  t ) x Acos(  t ) hoặc v Asin(  t ) v Asin(  t ) 17. Dao động có phương trình đặc biệt: * x = a Acos(t + ) với a = const 7
Biên độ là A, tần số góc là , pha ban đầu x là toạ độ, x0 = Acos(t + ) là li độ. Toạ độ vị trí cân bằng x = a, toạ độ vị trí biên x = a A Vận tốc v = x’ = x0’, gia tốc a = v’ = x” = x0” 2 2 2 v 2 Hệ thức độc lập: a = - x0 ; A x0 ( )  * x = a Acos2(t + ) (ta hạ bậc) Biên độ A/2; tần số góc 2, pha ban đầu 2 . II. CON LẮC LÒ XO k 2 m 1  1 k 1. Tần số góc:  ; chu kỳ: T 2 ; tần số: f m  k T 2 2 m Điều kiện dao động điều hoà: Bỏ qua ma sát, lực cản và vật dao động trong giới hạn đàn hồi 1 1 2. Cơ năng: W m 2 A2 kA2 2 2 -A 3. * Độ biến dạng của lò xo thẳng đứng khi vật nén -A ở VTCB: l l O giãn O mg l0 giãn l0 T 2 A k g A * Độ biến dạng của lò xo khi vật ở VTCB x với con lắc lò xo x Hình a (A l) nằm trên mặt phẳng nghiêng có góc nghiêng α: mg sin l l T 2 0 0 k g sin + Chiều dài lò xo tại VTCB: lCB = l0 + l0 (l0 là chiều dài tự nhiên) + Chiều dài cực tiểu (khi vật ở vị trí cao nhất): l Min = l0 + l0 – A Né Giã - 0 A + Chiều dài cực đại (khi vật ở vị trí thấp nhất): l nl n = l Max A x 0 + l0 + A lCB = (lMin + lMax)/2 + Khi A > l0 (Với Ox hướng xuống): Hình vẽ thể hiện thời gian lò - Thời gian lò xo nén 1 lần là thời gian ngắn xo nén và giãn trong 1 chu kỳ nhất để vật đi (Ox hướng xuống) từ vị trí x1 = - l0 đến x2 = -A. - Thời gian lò xo giãn 1 lần là thời gian ngắn nhất để vật đi từ vị trí x1 = - l0 đến x2 = A, 8
Lưu ý: Trong một dao động (một chu kỳ) lò xo nén 2 lần và giãn 2 lần 4. Lực kéo về hay lực hồi phục F = -kx = -m2x Đặc điểm: * Là lực gây dao động cho vật. * Luôn hướng về VTCB * Biến thiên điều hoà cùng tần số với li độ 5. Lực đàn hồi là lực đưa vật về vị trí lò xo không biến dạng. * * Có độ lớn Fđh = kx (x là độ biến dạng của lò xo) * Với con lắc lò xo nằm ngang thì lực kéo về và lực đàn hồi là một (vì tại VTCB lò xo không biến dạng) * Với con lắc lò xo thẳng đứng hoặc đặt trên mặt phẳng nghiêng + Độ lớn lực đàn hồi có biểu thức: * Fđh = k l0 + x với chiều dương hướng xuống * Fđh = k l0 - x với chiều dương hướng lên + Lực đàn hồi cực đại (lực kéo): FMax = k( l0 + A) = FKmax (lúc vật ở vị trí thấp nhất) + Lực đàn hồi cực tiểu: * Nếu A < l0 FMin = k( l0 - A) = FKMin * Nếu A ≥ l0 FMin = 0 (lúc vật đi qua vị trí lò xo không biến dạng) Lực đẩy (lực nén) đàn hồi cực đại: F Nmax = k(A - l0) (lúc vật ở vị trí cao nhất) *. Lực đàn hồi, lực hồi phục: FñhM k( l A) a. Lực đàn hồi: Fñh k( l x) Fñhm k( l A) neáu l A Fñhm 0 neáu l A 2 FhpM kA FhpM m A b. Lực hồi phục: Fhp kx hayFhp ma lực hồi phục luôn F 0 hpm Fhpm 0 hướng vào vị trí cân bằng. Chú ý: Khi hệ dao động theo phương nằm ngang thì lực đàn hồi và lực hồi phục là như nhau Fñh Fhp . 6. Một lò xo có độ cứng k, chiều dài l được cắt thành các lò xo có độ cứng k1, k2, và chiều dài tương ứng là l1, l2, thì có: kl = k1l1 = k2l2 = 7. Ghép lò xo: 9
1 1 1 2 2 * Nối tiếp cùng treo một vật khối lượng như nhau thì: T = T1 + k k1 k2 2 T2 * Song song: k = k1 + k2 + cùng treo một vật khối lượng như nhau thì: 1 1 1 2 2 2 T T1 T2 8. Gắn lò xo k vào vật khối lượng m 1 được chu kỳ T 1, vào vật khối lượng m 2 được T2, vào vật khối lượng m 1+m2 được chu kỳ T 3, vào vật khối lượng m 1 – m2 (m1 > m2) được chu kỳ T4. 2 2 2 2 2 2 Thì ta có: T3 T1 T2 và T4 T1 T2 9. Đo chu kỳ bằng phương pháp trùng phùng Để xác định chu kỳ T của một con lắc lò xo (con lắc đơn) người ta so sánh với chu kỳ T0 (đã biết) của một con lắc khác (T T0). Hai con lắc gọi là trùng phùng khi chúng đồng thời đi qua một vị trí xác định theo cùng một chiều. TT Thời gian giữa hai lần trùng phùng  0 T T0 Nếu T > T0  = (n+1)T = nT0. Nếu T < T0  = nT = (n+1)T0. với n N* III. CON LẮC ĐƠN g 2 l 1  1 g 1. Tần số góc:  ; chu kỳ: T 2 ; tần số: f l  g T 2 2 l Điều kiện dao động điều hoà: Bỏ qua ma sát, lực cản và 0 << 1 rad hay S0 << l s 2. Lực hồi phục F mg sin mg mg m 2s l Lưu ý: + Với con lắc đơn lực hồi phục tỉ lệ thuận với khối lượng. + Với con lắc lò xo lực hồi phục không phụ thuộc vào khối lượng. 3. Phương trình dao động: s = S0cos(t + ) hoặc α = α0cos(t + ) với s = αl, S0 = α0l v = s’ = -S0sin(t + ) = -lα0sin(t + ) 2 2 2 2 a = v’ = - S0cos(t + ) = - lα0cos(t + ) = - s = - αl Lưu ý: S0 đóng vai trò như A còn s đóng vai trò như x 4. Hệ thức độc lập: v v2 * a = -2s = -2αl * S 2 s2 ( )2 * 2 2 0  0 gl 1 1 mg 1 1 5. Cơ năng: W m 2S 2 S 2 mgl 2 m 2l 2 2 2 0 2 l 0 2 0 2 0 10
6. Tại cùng một nơi con lắc đơn chiều dài l 1 có chu kỳ T1, con lắc đơn chiều dài l 2 có chu kỳ T2, con lắc đơn chiều dài l 1 + l2 có chu kỳ T2,con lắc đơn chiều dài l 1 - l2 (l1>l2) có chu kỳ T4. 2 2 2 2 2 2 Thì ta có: T3 T1 T2 và T4 T1 T2 7. Khi con lắc đơn dao động với 0 bất kỳ. Cơ năng, vận tốc và lực căng của sợi dây con lắc đơn 2 W = mgl(1-cos 0); v = 2gl(cosα – cosα0) và TC = mg(3cosα – 2cosα0) Lưu ý: - Các công thức này áp dụng đúng cho cả khi 0 có giá trị lớn - Khi con lắc đơn dao động điều hoà ( 0 0 thì đồng hồ chạy chậm (đồng hồ đếm giây sử dụng con lắc đơn) * Nếu T < 0 thì đồng hồ chạy nhanh * Nếu T = 0 thì đồng hồ chạy đúng T * Thời gian chạy sai mỗi ngày (24h = 86400s):  86400(s) T 10. Khi con lắc đơn chịu thêm tác dụng của lực phụ không đổi:    Khi đó: P ' P F gọi là trọng lực hiệu dụng hay trong lực biểu kiến (có vai trò  như trọng lực P )    F g ' g gọi là gia tốc trọng trường hiệu dụng hay gia tốc trọng trường m biểu kiến. l Chu kỳ dao động của con lắc đơn khi đó: T ' 2 g ' Các trường hợp đặc biệt: 11
 * F có phương ngang: + Tại VTCB dây treo lệch với phương thẳng đứng một F góc có: tan P F Thì g ' g 2 ( )2 m  F * F có phương thẳng đứng thì g ' g m  F + Nếu F hướng xuống thì g ' g m  F + Nếu F hướng lên thì g ' g m Lực phụ không đổi thường là:   * Lực quán tính: F ma , độ lớn F = ma ( F  a ) Lưu ý: + Chuyển động nhanh dần đều a  v (v có hướng chuyển động) + Chuyển động chậm dần đều a  v     * Lực điện trường: F qE , độ lớn F = qE (Nếu q > 0 F  E ; còn nếu q <   0 F  E )  * Lực đẩy Ácsimét: F = DgV (F luông thẳng đứng hướng lên) Trong đó: D là khối lượng riêng của chất lỏng hay chất khí. g là gia tốc rơi tự do. V là thể tích của phần vật chìm trong chất lỏng hay chất khí đó. IV. CON LẮC VẬT LÝ mgd I 1 mgd 1. Tần số góc:  ; chu kỳ: T 2 ; tần số f I mgd 2 I Trong đó: m (kg) là khối lượng vật rắn d (m) là khoảng cách từ trọng tâm đến trục quay I (kgm2) là mômen quán tính của vật rắn đối với trục quay 2. Phương trình dao động α = α0cos(t + ) Điều kiện dao động điều hoà: Bỏ qua ma sát, lực cản và 0 << 1rad MỘT SỐ TRƯỜNG HỢP THƯỜNG GẶP + Chọn gốc thời gian t0 0 là lúc vật qua vt cb x0 0 theo chiều dương v0 0 : Pha ban đầu 2 + Chọn gốc thời gian t0 0 là lúc vật qua vị trí cân bằng x0 0 theo chiều âm v0 0 : Pha ban đầu 2 + Chọn gốc thời gian t0 0 là lúc vật qua biên dương x0 A : Pha ban đầu 0 12
+ Chọn gốc thời gian t0 0 là lúc vật qua biên âmx0 A : Pha ban đầu A + Chọn gốc thời gian t 0 là lúc vật qua vị trí x theo chiều dương v 0 : Pha 0 0 2 0 ban đầu 3 A + Chọn gốc thời gian t 0 là lúc vật qua vị trí x theo chiều dương v 0 : Pha 0 0 2 0 2 ban đầu 3 A + Chọn gốc thời gian t 0 là lúc vật qua vị trí x theo chiều âm v 0 : Pha ban 0 0 2 0 đầu 3 + cos sin( ) ; sin cos( ) 2 2 V. TỔNG HỢP DAO ĐỘNG 1. Tổng hợp hai dao động điều hoà cùng phương cùng tần số x1 = A1cos(t + 1) và x2 = A2cos(t + 2) được một dao động điều hoà cùng phương cùng tần số x = Acos(t + ). 2 2 2 Trong đó: A A1 A2 2A1 A2cos( 2 1) A1 sin 1 A2 sin 2 tan với 1 ≤ ≤ 2 (nếu 1 ≤ 2 ) A1cos 1 A2cos 2 * Nếu = 2kπ (x1, x2 cùng pha) AMax = A1 + A2 ` * Nếu = (2k+1)π (x1, x2 ngược pha) AMin = A1 - A2 A1 - A2 ≤ A ≤ A1 + A2 2. Khi biết một dao động thành phần x 1 = A1cos(t + 1) và dao động tổng hợp x = Acos(t + ) thì dao động thành phần còn lại là x2 = A2cos(t + 2). 2 2 2 Trong đó: A2 A A1 2AA1cos( 1) Asin A1 sin 1 tan 2 với 1 ≤ ≤ 2 ( nếu 1 ≤ 2 ) Acos A1cos 1 3. Nếu một vật tham gia đồng thời nhiều dđộng điều hoà cùng phương cùng tần số x1 = A1cos(t + 1; x2 = A2cos(t + 2) thì dao động tổng hợp cũng là dao động điều hoà cùng phương cùng tần số x = Acos(t + ). Chiếu lên trục Ox và trục Oy  Ox . 13
Ta được: Ax Acos A1cos 1 A2cos 2 Ay Asin A1 sin 1 A2 sin 2 2 2 Ay A Ax Ay và tan với [ Min; Max] Ax VI. DAO ĐỘNG TẮT DẦN – DAO ĐỘNG CƯỠNG BỨC - CỘNG HƯỞNG 1. Một con lắc lò xo dao động tắt dần với biên độ A, hệ số ma sát µ. Quãng đường vật đi được đến lúc dừng lại là: 2 2 2 kA  A x S 2mg 2g A * Độ giảm biên độ sau mỗi chu kỳ là: t 4mg 4g O A k  2 * Số dao động thực hiện được: T A Ak  2 A N A 4mg 4g * Thời gian vật dao động đến lúc dừng lại: AkT A t N.T (Nếu coi dao động tắt dần có tính tuần hoàn với chu 4mg 2g 2 kỳ T )  + Gäi S max lµ qu·ng ®êng ®i ®îc kÓ tõ lóc chuyÓn ®éng cho ®Õn khi dõng h¼n. C¬ n¨ng ban ®Çu b»ng tæng c«ng cña lùc ma s¸t trªn toµn bé qu·ng ®êng ®ã, tøc lµ: 2 2 2 2 kA  A 1 2 kA S kA Fms .Smax Smax ; 2 2Fms 2mg 2g 2. Dao ®éng t¾t dÇn cña con l¾c ®¬n 4F + Suy ra, ®é gi¶m biªn ®é dµi sau mét chu k×: S ms m 2 S + Sè dao ®éng thùc hiÖn ®îc: N 0 S + Thêi gian kÓ tõ lóc chuyÓn ®éng cho ®Õn khi dõng h¼n: l  N.T N.2 g + Gäi S max lµ qu·ng ®êng ®i ®îc kÓ tõ lóc chuyÓn ®éng cho ®Õn khi dõng h¼n. C¬ n¨ng ban ®Çu b»ng tæng c«ng cña lùc ma s¸t trªn toµn bé qu·ng ®êng ®ã, tøc lµ: 1 m 2 S 2 F .S S ? 2 0 ms max max 3. Hiện tượng cộng hưởng xảy ra khi: f = f0 hay  = 0 hay T = T0 14
Với f, , T và f0, 0, T0 là tần số, tần số góc, chu kỳ của lực cưỡng bức và của hệ dao động. 2. Dao động cưỡng bức: fcöôõng böùc fngoaïi löïc . Có biên độ phụ thuộc vào biên độ của ngoại lực cưỡng bức, lực cản của hệ, và sự chênh lệch tần số giữa dao động cưỡng bức và dao động riêng. 3. Dao động duy trì: Có tần số bằng tần số dao động riêng, có biên độ không đổi. CHƯƠNG : SÓNG CƠ I. SÓNG CƠ HỌC 1. Bước sóng:  = vT = v/f Trong đó: : Bước sóng; T (s): Chu kỳ của sóng; f (Hz): x Tần số của sóng x v: Tốc độ truyền sóng (có đơn vị tương ứng O M với đơn vị của ) 2. Phương trình sóng Tại điểm O: uO = Acos(t + ) Tại điểm M cách O một đoạn x trên phương truyền sóng. x * Sóng truyền theo chiều dương của trục Ox thì uM = AMcos(t + -  ) = v x AMcos(t + - 2 )  x * Sóng truyền theo chiều âm của trục Ox thì u M = AMcos(t + +  ) = v x AMcos(t + + 2 )  x1 x2 x1 x2 3. Độ lệch pha giữa hai điểm cách nguồn một khoảng x1, x2 :  2 v  Nếu 2 điểm đó nằm trên một phương truyền sóng và cách nhau một khoảng x thì: x x  2 v  Lưu ý: Đơn vị của x, x1, x2,  và v phải tương ứng với nhau 15
4. Trong hiện tượng truyền sóng trên sợi dây, dây được kích thích dao động bởi nam châm điện với tần số dòng điện là f thì tần số dao động của dây là 2f. II. SÓNG DỪNG 1. Một số chú ý * Đầu cố định hoặc đầu dao động nhỏ là nút sóng. * Đầu tự do là bụng sóng * Hai điểm đối xứng với nhau qua nút sóng luôn dao động ngược pha. * Hai điểm đối xứng với nhau qua bụng sóng luôn dao động cùng pha. * Các điểm trên dây đều dao động với biên độ không đổi năng lượng không truyền đi * Khoảng thời gian giữa hai lần sợi dây căng ngang (các phần tử đi qua VTCB) là nửa chu kỳ. 2. Điều kiện để có sóng dừng trên sợi dây dài l:  * Hai đầu là nút sóng: l k (k N * ) 2 Số bụng sóng = số bó sóng = k Số nút sóng = k + 1  * Một đầu là nút sóng còn một đầu là bụng sóng: l (2k 1) (k N) 4 Số bó sóng nguyên = k Số bụng sóng = số nút sóng = k + 1 3. Phương trình sóng dừng trên sợi dây CB (với đầu C cố định hoặc dao động nhỏ là nút sóng) * Đầu B cố định (nút sóng): Phương trình sóng tới và sóng phản xạ tại B: uB Acos2 ft và u 'B Acos2 ft Acos(2 ft ) Phương trình sóng tới và sóng phản xạ tại M cách B một khoảng d là: d d u Acos(2 ft 2 ) và u ' Acos(2 ft 2 ) M  M  Phương trình sóng dừng tại M: uM uM u 'M d d u 2Acos(2 )cos(2 ft ) 2Asin(2 )cos(2 ft ) M  2 2  2 d d Biên độ dao động của phần tử tại M: A 2A cos(2 ) 2A sin(2 ) M  2  * Đầu B tự do (bụng sóng): Phương trình sóng tới và sóng phản xạ tại B: uB u 'B Acos2 ft Phương trình sóng tới và sóng phản xạ tại M cách B một khoảng d là: d d u Acos(2 ft 2 ) và u ' Acos(2 ft 2 ) M  M  d Phương trình sóng dừng tại M: u u u ' ; u 2Acos(2 )cos(2 ft) M M M M  16
d Biên độ dao động của phần tử tại M: A 2A cos(2 ) M  x Lưu ý: * Với x là khoảng cách từ M đến đầu nút sóng thì biên độ: A 2A sin(2 ) M  d * Với x là khoảng cách từ M đến đầu bụng sóng thì biên độ: A 2A cos(2 ) M  III. GIAO THOA SÓNG Giao thoa của hai sóng phát ra từ hai nguồn sóng kết hợp S1, S2 cách nhau một khoảng l: Xét điểm M cách hai nguồn lần lượt d1, d2 Phương trình sóng tại 2 nguồn u1 Acos(2 ft 1) và u2 Acos(2 ft 2 ) Phương trình sóng tại M do hai sóng từ hai nguồn truyền tới: d d u Acos(2 ft 2 1 ) và u Acos(2 ft 2 2 ) 1M  1 2M  2 Phương trình giao thoa sóng tại M: uM = u1M + u2M d1 d2 d1 d2 1 2 uM 2Acos cos 2 ft  2  2 d1 d2 Biên độ dao động tại M: AM 2A cos với 1 2  2 l l Chú ý: * Số cực đại: k (k Z)  2  2 l 1 l 1 * Số cực tiểu: k (k Z)  2 2  2 2 1. Hai nguồn dao động cùng pha ( 1 2 0 ) * Điểm dao động cực đại: d1 – d2 = k (k Z) l l Số đường hoặc số điểm (không tính hai nguồn): k    * Điểm dao động cực tiểu (không dao động): d1 – d2 = (2k+1) (k Z) 2 l 1 l 1 Số đường hoặc số điểm (không tính hai nguồn): k  2  2 2. Hai nguồn dao động ngược pha:( 1 2 )  * Điểm dao động cực đại: d1 – d2 = (2k+1) (k Z) 2 l 1 l 1 Số đường hoặc số điểm (không tính hai nguồn): k  2  2 * Điểm dao động cực tiểu (không dao động): d1 – d2 = k (k Z) l l Số đường hoặc số điểm (không tính hai nguồn): k   Chú ý: Với bài toán tìm số đường dao động cực đại và không dao động giữa hai điểm M, N cách hai nguồn lần lượt là d1M, d2M, d1N, d2N. Đặt dM = d1M - d2M ; dN = d1N - d2N và giả sử dM < dN. + Hai nguồn dao động cùng pha: 17
Cực đại: dM < k < dN Cực tiểu: dM < (k+0,5) < dN + Hai nguồn dao động ngược pha: Cực đại: dM < (k+0,5) < dN * Cực tiểu: d M < k < dN . Số giá trị nguyên của k thoả mãn các biểu thức trên là số đường cần tìm. IV. SÓNG ÂM W P 1. Cường độ âm: I= = tS S Với W (J), P (W) là năng lượng, công suất phát âm của nguồn; S (m2) là diện tích mặt vuông góc với phương truyền âm (với sóng cầu thì S là diện tích mặt cầu S=4πR2) 2. Mức cường độ âm I I L(B) lg Hoặc L(dB) 10.lg I0 I0 -12 2 Với I0 = 10 W/m ở f = 1000Hz: cường độ âm chuẩn. 3. * Tần số do đàn phát ra (hai đầu dây cố định hai đầu là nút sóng) v f k ( k N*) 2l v Ứng với k = 1 âm phát ra âm cơ bản có tần số f 1 2l k = 2,3,4 có các hoạ âm bậc 2 (tần số 2f1), bậc 3 (tần số 3f1) * Tần số do ống sáo phát ra (một đầu bịt kín, một đầu để hở một đầu là nút sóng, một đầu là bụng sóng) v f (2k 1) ( k N) ; Ứng với k = 0 âm phát ra âm cơ bản có tần số 4l v f 1 4l k = 1,2,3 có các hoạ âm bậc 3 (tần số 3f1), bậc 5 (tần số 5f1) IV. ĐẶC ĐIỂM CỦA SÓNG ÂM 1. Sóng âm, dao động âm: a. Dao động âm: Dao động âm là những dao động cơ học có tần số từ 16Hz đến 20KHz mà tai người có thể cảm nhận được. Sóng âm có tần số nhỏ hơn 16Hz gọi là sóng hạ âm; sóng âm có tần số lớn hơn 20KHz gọi là sóng siêu âm. 18
b. Sóng âm là các sóng cơ học dọc lan truyền trong các môi trường vật chất đàn hồi: rắn, lỏng, khí. Không truyền được trong chân không. Chú ý: Dao động âm là dao động cưỡng bức có tần số bằng tần số của nguồn phát. 2. Vận tốc truyền âm: Vận tốc truyền âm trong môi trường rắn lớn hơn môi trường lỏng, môi trường lỏng lớn hơn môi trường khí. Vận tốc truyền âm phụ thuộc vào tính đàn hồi và mật độ của môi trường. Trong một môi trường, vận tốc truyền âm phụ thuộc vào nhiệt độ và khối lượng riêng của môi trường đó. 3. Đặc trưng sinh lí của âm: Đặc trưng sinh lí Đặc trưng vật lí a. Nhạc âm: Nhạc âm là những âm có tần số Độ cao f Âm sắc A, f hoàn toàn xác định; nghe êm tai như tiếng đàn, Độ to L, f tiếng hát, b. Tạp âm: Tạp âm là những âm không có tần số nhất định; nghe khó chịu như tiếng máy nổ, tiếng chân đi, c. Độ cao của âm: Độ cao của âm là đặc trưng sinh lí của âm phụ thuộc vào đặc trưng vật lí của âm là tần số. Âm cao có tần số lớn, âm trầm có tần số nhỏ. d. Âm sắc: Âm sắc là đặc trưng sinh lí phân biệt hai âm có cùng độ cao, nó phụ thuộc vào biên độ và tần số của âm hoặc phụ thuộc vào đồ thị dao động âm. e. Độ to: Độ to là đặc trưng sinh lí của âm phụ thuộc vào đặc trưng vật lí là mức cường độ âm và tần số. Ngưỡng nghe: Âm có cường độ bé nhất mà tai người nghe được, thay đổi theo tần số của âm. Ngưỡng đau: Âm có cường độ lớn đến mức tai người có cảm giác đau ( I 10W/m2 ứng với L 130dB với mọi tần số). Miền nghe được là giới hạn từ ngưỡng nghe đến ngưỡng đau. 19
Chú ý: Quá trình truyền sóng là quá trình truyền pha dao động, các phần tử vật chất dao động tại chỗ. V. HIỆU ỨNG ĐỐP-PLE 1. Nguồn âm đứng yên, máy thu chuyển động với vận tốc vM. v v * Máy thu chuyển động lại gần nguồn âm thì thu được âm có tần số: f ' M f v v v * Máy thu chuyển động ra xa nguồn âm thì thu được âm có tần số: f " M f v 2. Nguồn âm chuyển động với vận tốc vS, máy thu đứng yên. * Máy thu chuyển động lại gần nguồn âm với vận tốc v M thì thu được âm có tần số: v f ' f v vS v * Máy thu chuyển động ra xa nguồn âm thì thu được âm có tần số: f " f v vS Với v là vận tốc truyền âm, f là tần số của âm. v v Chú ý: Có thể dùng công thức tổng quát: f ' M f v  vS Máy thu chuyển động lại gần nguồn thì lấy dấu “+” trước vM, ra xa thì lấy dấu “-“. Nguồn phát chuyển động lại gần nguồn thì lấy dấu “-” trước vS, ra xa thì lấy dấu “+“. CHƯƠNG : DAO ĐỘNG VÀ SÓNG ĐIỆN TỪ I. CÁC ĐẠI LƯỢNG TRONG MẠCH DAO ĐỘNG LC 1. Dao động điện từ * Điện tích tức thời q = q0cos(t + ) q q * Hiệu điện thế (điện áp) tức thời u 0 cos(t ) U cos(t ) C C 0 * Dòng điện tức thời i = q’ = -q0sin(t + ) = I0cos(t + + ) 2 * Cảm ứng từ: B B cos(t ) 0 2 1 1 Trong đó:  là tần số góc riêng ; T 2 LC là chu kỳ riêng; f là tần LC 2 LC số riêng q q I L I q 0 ; U 0 0 LI I 0 0 LC 0 C C 0 0 C 20
1 1 q2 q2 * Năng lượng điện trường: W Cu2 qu hoặc W 0 cos2 (t ) đ 2 2 2C đ 2C 1 q2 * Năng lượng từ trường: W Li2 0 sin2 (t ) t 2 2C * Năng lượng điện từ: W=Wđ Wt 1 1 q2 1 W CU 2 q U 0 LI 2 2 0 2 0 0 2C 2 0 Chú ý: + Mạch dao động có tần số góc , tần số f và chu kỳ T thì W đ và Wt biến thiên với tần số góc 2, tần số 2f và chu kỳ T/2 + Mạch dao động có điện trở thuần R 0 thì dao động sẽ tắt dần. Để duy trì dao động cần cung  2C 2U 2 U 2 RC cấp cho mạch một năng lượng có công suất: P I 2 R 0 R 0 2 2L + Khi tụ phóng điện thì q và u giảm và ngược lại + Quy ước: q > 0 ứng với bản tụ ta xét tích điện dương thì i > 0 ứng với dòng điện chạy đến bản tụ mà ta xét. 2. Phương trình độc lập với thời gian: i2 u2 i2 i2 q2 Q2; Q2; u2C2 Q2  2 0 L2 4  2 0  2 0 Mạch dao động LC lí tưởng thực hiện dao động điện từ. Khoảng thời gian, giữa hai lần liên tiếp, 3 năng lượng điện trường trên tụ điện bằng năng 4 4 lượng từ trường trong cuộn dây. Khi năng lượng điện trường trên tụ bằng năng O q -Q0 2 2 Q0 lượng từ trường trong cuộn cảm, ta có: Q Q0 0 2 2 1 Wđ Wt W hay 3 2 2 4 4 1 q 2 1 1 Q 2 0 q Q 0 2 C 2 2 C 2 2 Với hai vị trí li độ q Q trên trục Oq, tương ứng với 4 vị trí trên đường tròn, 0 2 các vị trí này cách đều nhau bởi các cung . 2 Có nghĩa là, sau hai lần liên tiếp Wñ = W t , pha dao động đã biến thiên được một 2 T lượng là  : Pha dao động biến thiên được 2 sau thời gian một chu kì T. 2 4 4 Tóm lại, cứ sau thời gian Tnăng lượng điện lại bằng năng lượng từ. 4 II. ĐIỆN TỪ TRƯỜNG, SÓNG ĐIỆN TỪ c c 1. Bước sóng:  cT; v ; n : Chieát suaát cuûa moâi tröôøng f n 21
2. Điện từ trường: Điện trường và từ trường có thể chuyển hóa cho nhau, liên hệ mật thiết với nhau. Chúng là hai mặt của một trường thống nhất gọi là điện từ trường. 3. Giả thuyết Maxwell: a. Giả thuyết 1: Từ trường biến thiên theo thời gian làm xuất hiện một điện trường xoáy. b. Giả thuyết 2: Điện trường biến thiên theo thời gian làm xuất hiện một từ trường xoáy. c. Dòng điện dịch: Điện trường biến thiên theo thời gian làm xuất hiện một từ trường xoáy. Điện trường này tương đương như một dòng điện gọi là dòng điện dịch. 4. Sóng điện từ: Sóng điện từ là quá trình truyền đi trong không gian của điện từ trường biến thiên tuần hoàn theo thời gian. a. Tính chất: + Sóng điện từ truyền đi với vận tốc rất lớn (v c ). + Sóng điện từ mang năng lượng (E : f 4 ). + Sóng điện từ truyền được trong môi trường vật chất và trong chân không. + Sóng điện từ tuân theo định luật phản xạ, định luật khúc xạ, giao thoa, nhiễu xạ, + Sóng điện từ là sóng ngang. + Sóng điện từ truyền trong các môi trường vật chất khác nhau có vận tốc khác nhau. b. Phân loại và đặc tính của sóng điện từ: Loại sóng Tần số Bước Đặc tính sóng Sóng dài 3 - 300 KHz 105 - 103 m Năng lượng nhỏ, ít bị nước hấp thụ Sóng 0,3 - 3 MHz 103 - 102 m Ban ngày tầng điện li hấp thụ trung mạnh, ban đêm tầng điện li phản xạ Sóng ngắn 3 - 30 MHz 102 - 10 m Năng lượng lớn, bị tầng điện li và mặt đất phản xạ nhiều lần Sóng cực 30 - 30000 MHz 10 - 10-2 m Có năng lượng rất lớn, không bị ngắn tầng điện li hấp thụ, truyền theo đường thẳng 5. Mạch chọn sóng: a. Bước sóng điện từ mà mạch cần chọn:  2 c LC; c 3.108 (m/s) b. Một số đặc tính riêng của mạch dao động: 22
1 1 1 1 1 C C f 1 || 2 : 2 2 2 2 LC 2 L(C C ) f f f 2 1 2 1 1 1 1 1 1 2 2 2 C1ntC2 : f ( ) f f1 f2 2 LC 2 L C1 C2 6. Sóng điện từ Vận tốc lan truyền trong không gian v = c = 3.108m/s Máy phát hoặc máy thu sóng điện từ sử dụng mạch dao động LC thì tần số sóng điện từ phát hoặc thu được bằng tần số riêng của mạch. v Bước sóng của sóng điện từ  2 v LC f Lưu ý: Mạch dao động có L biến đổi từ L Min LMax và C biến đổi từ C Min CMax thì bước sóng  của sóng điện từ phát (hoặc thu) Min tương ứng với LMin và CMin Max tương ứng với LMax và CMax 7. Sự tương tự giữa dao động điện và dao động cơ Đại lượng Đại lượng Dao động cơ Dao động điện cơ điện x q x” +  2x = 0 q” +  2q = 0 k 1 v i   m LC m L x = Acos(t + ) q = q0cos(t + ) 1 v = x’ = -Asin(t + i = q’ = -q sin(t k 0 C ) + ) v i A2 x2 ( )2 q2 q2 ( )2 F u  0  q 2 u L 2q µ R F = -kx = -m x C 1 2 1 2 Wđ = mv Wt = Li Wđ Wt (WC) 2 2 2 1 2 q W W (W ) Wt = kx Wđ = t đ L 2 2C CHƯƠNG : ĐIỆN XOAY CHIỀU 23
I. CÁC MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU. M2 M1 1. Biểu thức điện áp tức thời và dòng điện tức thời: Tắt u = U0cos(t + u) và i = I0cos(t + i) Sáng -U Sáng U U Với = – là độ lệch pha của u so với i, có -U 1 1 0 u i 0 u O 2 2 Tắt 2. Dòng điện xoay chiều i = I0cos(2 ft + i) M'1 * Mỗi giây đổi chiều 2f lần M'2 * Nếu pha ban đầu i = hoặc i = thì chỉ giây đầu tiên 2 2 đổi chiều 2f-1 lần. 3. Công thức tính thời gian đèn huỳnh quang sáng trong một chu kỳ Khi đặt điện áp u = U 0cos(t + u) vào hai đầu bóng đèn, biết đèn chỉ sáng lên khi u ≥ U1. 4 U t Với cos 1 , (0 < < /2)  U0 4. Dòng điện xoay chiều trong đoạn mạch R,L,C * Đoạn mạch chỉ có điện trở thuần R: u R cùng pha với i, ( = u – i = 0) và U U I và I 0 R 0 R U Lưu ý: Điện trở R cho dòng điện không đổi đi qua và có I R * Đoạn mạch chỉ có cuộn thuần cảm L: u L nhanh pha hơn i là /2, ( = u – i = /2) U U0 I và I0 với ZL = L là cảm kháng ZL ZL Lưu ý: Cuộn thuần cảm L cho dòng điện không đổi đi qua hoàn toàn (không cản trở). * Đoạn mạch chỉ có tụ điện C: uC chậm pha hơn i là /2, ( = u – i = - /2) U U0 1 I và I0 với ZC là dung kháng ZC ZC C Lưu ý: Tụ điện C không cho dòng điện không đổi đi qua (cản trở hoàn toàn). 5. Đặc điểm đoạn mạch thuần RLC nối tiếp: 2 2 a. Tổng trở: Z R (ZL ZC ) ZL ZC : u sôùm pha hôn i ZL ZC UL UC b. Độ lệch pha (u so với i): tan ZL ZC : u cuøng pha vôùi i R UR ZL ZC : u treã pha hôn i U U c. Định luật Ohm: I 0 ; I 0 Z Z R U d. Công suất tiêu thụ trên đoạn mạch: P UI cos ; Heä soá coâng suaát:cos R Z U 24
Chú ý: Với mạch hoặc chỉ chứa L, hoặc chỉ chứa C, hoặc chứa LC không tiêu thụ công suất (P 0 ) Neáu i I0cost thì u U0cos(t+ ) ; u i u i i u Neáu u U0cost thì i I0cos(t- ) u uR uL uC e. Giản đồ véc tơ: Ta có:     U U U U  0 0 R 0L 0C  U0L U0L  U0L   U0LC  I0 U0 AB U 0 R i   O U 0 R i U 0 R i O   O   I0 U0 AB I U0LC  0   U0 AB U0C U0C  U0C 6. Liên hệ giữa các hiệu điện thế hiệu dụng trong đoạn mạch thuần RLC nối tiếp: Z R2 (Z Z )2 U U 2 (U U )2 Từ L C suy ra R L C R L C 2 2 2 2 • • Tương tự ZRL R ZL suy ra URL UR UL 2 2 2 2 Tương tự ZRC R ZC suy ra URC UR UC ZLC ZL ZC suy ra ULC UL UC 7. Công suất toả nhiệt trên đoạn mạch RLC: * Công suất tức thời: P = UIcos + UIcos(2t + * Công suất trung bình: P = UIcos = I2R. 6. Điện áp u = U1 + U0cos(t + ) được coi gồm một điện áp không đổi U1 và một điện áp xoay chiều u=U0cos(t + ) đồng thời đặt vào đoạn mạch. 7. Tần số dòng điện do máy phát điện xoay chiều một pha có P cặp cực, rôto quay với vận tốc n vòng/giây phát ra: f = pn Hz. + Từ thông gửi qua khung dây của máy phát điện  :  NBS cos(t ) 0 cos(t ) (Wb) d + Suất điện động tức thời: e ' ; e NBS sin(t ) (V) E sin(t ) dt 0 e E sin(t ) E cos(t ) = NSBcos(t + - ) ; sin cos( ) 0 0 2 2 2 25
+ Hiệu điện thế tức thời: u U0 cos(t u ) . Nếu máy phát có điện trở rất nhỏ thì : U0 = E0. Với  0 = NBS là từ thông cực đại, N là số vòng dây, B là cảm ứng từ của từ trường, S là diện tích của vòng dây,  = 2 f , E0 = NSB là suất điện động cực đại. 8. Dòng điện xoay chiều ba pha là hệ thống ba dòng điện xoay chiều, gây bởi ba suất điện động xoay chiều cùng tần số, cùng biên độ nhưng độ lệch pha từng đôi một là 2 3 e1 E0cos(t) i1 I0cos(t) 2 2 e E cos(t ) trong trường hợp tải đối xứng thì i I cos(t ) 2 0 3 2 0 3 2 2 e E cos(t ) i I cos(t ) 3 0 3 3 0 3 Máy phát mắc hình sao: Ud = 3 Up Máy phát mắc hình tam giác: Ud = Up Tải tiêu thụ mắc hình sao: Id = Ip Tải tiêu thụ mắc hình tam giác: Id = 3 Ip Lưu ý: Ở máy phát và tải tiêu thụ thường chọn cách mắc tương ứng với nhau. U E I N 9. Công thức máy biến áp: 1 1 2 1 U2 E2 I1 N2 P 2 10. Công suất hao phí trong quá trình truyền tải điện năng: P R U 2cos2 Trong đó: P là công suất truyền đi ở nơi cung cấp U là điện áp ở nơi cung cấp cos là hệ số công suất của dây tải điện l R là điện trở tổng cộng của dây tải điện (lưu ý: dẫn điện bằng 2 S dây) Độ giảm điện áp trên đường dây tải điện: U = IR P P P P U Hiệu suất tải điện: H .100% = .H r t r P Pv Pc Uv II. BÀI TOÁN CỰC TRỊ 1. Hiện tượng cộng hưởng: Z Z L C 2 1 U U Điều kiện cộng hưởng  thì Z R I . LC min Max Z R min u 0 i 26
U 2 P I 2 R UI   Max M M R U0R  U0 Suy ra . Chú ý   R cos 1 U0  I0 Zmin 2. Khi điện trở R thay đổi còn các đại lượng khác giữ không đổi. * Công suất P đạt cực đại khi : U 2 U 2 2 U R ZL ZC suy ra PM ; cos khi ñoù UR = 2R 2 ZL ZC 2 2 * Khi P < Pmax luôn tồn tại 2 giá trị R1, R2 để công suất tiêu thụ trên mạch bằng 1 2 2 2 R1R2 ZL ZC U 2 P P 1 2 R1 R2 nhau, đồng thời thoả mãn đk * Các giá trị I, UL, UC đạt cực đại khi : R = 0. * Giá trị UR cực đại khi : R = . * Khi R = R1 hoặc R = R2 mà công suất trên mạch có giá trị như nhau thì Pmax khi : R = R1R2 . Nếu cuộn dây có điện trở r thì : R + r = R1 r R2 r 3. Khi giá trị điện dung C của tụ thay đổi, còn các đại lượng khác không đổi: U U * Hiệu điện thế U IZ đạt cực đại C C 2 2 2 2 R (ZL ZC ) R ZL 2ZL 2 2 1 ZC ZC ZC 2 2 R ZL ZC 2 ZL max max 2 Khi : và UC U LUC U 0 2 2 U R ZL U C max R * Khi C = C1 hoặc C = C2 mà công suất P trên mạch bằng nhau thì Pmax khi : 1 1 1 1 C 2 C1 C2 * Khi C = C1 hoặc C = C2 mà UC bằng nhau thì UC đạt giá trị cực đại khi : 1 C = C C . 2 1 2 Z Z C1 C2 * Khi C = C1 hoặc C = C2 mà các giá trị : I, P, UR, UL như nhau thì : ZL 2 27
* Các giá trị P, I, UR, UL, đạt cực đại khi mạch xảy ra cộng hưởng : ZC = ZL 4. Khi giá trị độ tự cảm L của cuộn dây thay đổi, còn các đại lượng khác không đổi: U U * Hiệu điện thế U IZ đạt cực đại khi : L L 2 2 2 2 R (ZL ZC ) R ZC 2ZC 2 2 1 ZL ZL ZL 2 2 R ZC ZL 2 ZC max max 2 . Khi : và khi đó ta có : U L UCU L U 0 2 2 U R ZC U Lmax R * Khi L = L1 hoặc L = L2 mà công suất P trên mạch bằng nhau thì Pmax khi : 1 L L L . 2 1 2 * Khi L = L1 hoặc L = L2 mà UL có giá trị như nhau thì ULmax khi : 1 1 1 1 . L 2 L1 L2 Z Z L1 L2 * Khi L = L1 hoặc L = L2 mà I, P, UC, UR như nhau thì : ZC 2 * Các giá trị P, I, UR, Uc, đạt cực đại khi mạch xảy ra cộng hưởng : ZL = ZC. 5. Khi tần số góc ω của mạch thay đổi, còn các giá trị khác không đổi. 2  2 2LC R2C 2 max 2UL * Điều kiện của ω để UL max là : U L R 4LC R2C 2 * Điều kiện của ω để UC max là : 2 2 1 R  2 LC 2L max 2UL UC R 4LC R2C 2 * Khi ω = ω1 hoặc ω = ω2 mà P, I, Z, cosφ, UR có giá trị như nhau thì P, I, Z, 1 cosφ, UR sẽ đạt giá trị cực đại khi : ω = 12 LC 6. Liên quan độ lệch pha: 28
a. Trường hợp 1: tan .tan 1 1 2 2 1 2 b. Trường hợp 2: tan .tan 1 1 2 2 1 2 c. Trường hợp 3: tan .tan 1 . 1 2 2 1 2 7. Hai đoạn mạch AM gồm R 1L1C1 nối tiếp và đoạn mạch MB gồm R 2L2C2 nối tiếp mắc nối tiếp với nhau có U AB = UAM + UMB u AB; uAM và uMB cùng pha tanuAB = tanuAM = tanuMB 8. Hai đoạn mạch R1L1C1 và R2L2C2 cùng u hoặc cùng i có pha lệch nhau Z Z Z Z L1 C1 L2 C2 Với tan 1 và tan 2 (giả sử 1 > 2) R1 R2 tan 1 tan 2 Có 1 – 2 = tan 1 tan 1 tan 2 Trường hợp đặc biệt = /2 (vuông pha nhau) thì tan 1tan 2 = -1. A R L M C B VD: * Mạch điện ở hình 1 có uAB và uAM lệch pha nhau Ở đây 2 đoạn mạch AB và AM có cùng i và uAB Hình 1 chậm pha hơn uAM tan AM tan AB AM – AB = tan 1 tan AM tan AB ZL ZL ZC Nếu uAB vuông pha với uAM thì tan AM tan AB =-1 1 R R * Mạch điện ở hình 2: Khi C = C1 và C = C2 (giả sử C1 > C2) thì i1 và i2 lệch pha nhau Ở đây hai đoạn mạch RLC1 và RLC2 có cùng uAB A R L M C B Gọi 1 và 2 là độ lệch pha của uAB so với i1 và i2 thì có 1 > 2 1 - 2 = Hình 2 Nếu I1 = I2 thì 1 = - 2 = /2 tan 1 tan 2 Nếu I1 I2 thì tính tan 1 tan 1 tan 2 III. BÀI TOÁN HỘP KÍN (BÀI TOÁN HỘP ĐEN) C 1. Mạch điện đơn giản: A R L N B X • • X • a. Nếu UNB cùng pha với i suy ra chỉ chứa R0 b. Nếu U sớm pha với i góc suyX ra chỉ chứa L NB 2 0 c. Nếu U trễ pha với i góc suyX ra chỉ chứa C NB 2 0 29
2. Mạch điện phức tạp: a. Mạch 1 X U i L C Nếu AB cùng pha với suy ra chỉ chứa 0 A R N B • • X • Nếu U và U tạo với nhau góc Xsuy ra chỉ chứa R AN NB 2 0 X Vậy chứa (R0 , L0 ) b. Mạch 2 Nếu U cùng pha với i suyX ra chỉ chứa C AB 0 A R L N B • • X • Nếu U và U tạo với nhau góc Xsuy ra chỉ chứa R AN NB 2 0 Vậy X chứa (R0 , C0 ) 30
CHƯƠNG : SÓNG ÁNH SÁNG 1. Hiện tượng tán sắc ánh sáng. * Đ/n: Là hiện tượng ánh sáng bị tách thành nhiều màu khác nhau khi đi qua mặt phân cách của hai môi trường trong suốt. * Ánh sáng đơn sắc là ánh sáng không bị tán sắc Ánh sáng đơn sắc có tần số xác định, chỉ có một màu. v c Bước sóng của ánh sáng đơn sắc l = , truyền trong chân không l = f 0 f l c l Þ 0 = Þ l = 0 l v n * Chiết suất của môi trường trong suốt phụ thuộc vào màu sắc ánh sáng. Đối với ánh sáng màu đỏ là nhỏ nhất, màu tím là lớn nhất. n= a + b/ 2 voi a = const, b có đơn vị m2 * Ánh sáng trắng là tập hợp của vô số ánh sáng đơn sắc có màu biến thiên liên tục từ đỏ đến tím. Bước sóng của ánh sáng trắng: 0,38 m  0,76 m. 2. Hiện tượng giao thoa ánh sáng (chỉ xét giao thoa ánh sáng trong thí nghiệm Iâng). * Đ/n: Là sự tổng hợp của hai hay nhiều sóng ánh sáng kết hợp trong không gian trong đó xuất hiện những vạch sáng M d1 và những vạch tối xen kẽ nhau. S1 x d2 Các vạch sáng (vân sáng) và các vạch tối (vân tối) gọi là a I O vân giao thoa. S2 * Hiệu đường đi của ánh sáng (hiệu quang trình) ax D Dd = d - d = 2 1 D Trong đó: a = S1S2 là khoảng cách giữa hai khe sáng D = OI là khoảng cách từ hai khe sáng S1, S2 đến màn quan sát S1M = d1; S2M = d2 x = OM là (toạ độ) khoảng cách từ vân trung tâm đến điểm M ta xét l D * Vị trí (toạ độ) vân sáng: d = k x = k ; k Î Z a k = 0: Vân sáng trung tâm k = 1: Vân sáng bậc (thứ) 1 k = 2: Vân sáng bậc (thứ) 2 l D * Vị trí (toạ độ) vân tối: d = (k + 0,5) x = (k + 0,5) ; k Î Z a k = 0, k = -1: Vân tối thứ (bậc) nhất k = 1, k = -2: Vân tối thứ (bậc) hai 31
k = 2, k = -3: Vân tối thứ (bậc) ba * Khoảng cách giữa n vân sáng liên tiếp nhau là l : l (n 1)i * Khoảng cách giữa m khoảng vân liên tiếp nhau là l : l mi x k : Vaân saùng thöù k i * Tại vị trí M mà x 1 k : Vaân toái thöù (k 1) i 2 l D * Khoảng vân i: Là khoảng cách giữa hai vân sáng hoặc hai vân tối liên tiếp: i = a * Nếu thí nghiệm được tiến hành trong môi trường trong suốt có chiết suất n thì bước sóng và k/vân: l l D i l = Þ i = n = n n n a n * Khi nguồn sáng S di chuyển theo phương song song với S1S2 thì hệ vân di chuyển ngược chiều và khoảng vân i vẫn không đổi. D Độ dời của hệ vân là: x0 = d D1 Trong đó: D là khoảng cách từ 2 khe tới màn D1 là khoảng cách từ nguồn sáng tới 2 khe d là độ dịch chuyển của nguồn sáng * Khi trên đường truyền của ánh sáng từ khe S1 (hoặc S2) được đặt một bản mỏng dày e, chiết suất n thì hệ vân sẽ dịch chuyển về phía S1 (hoặc S2) một đoạn: (n- 1)eD x = 0 a * Xác định số vân sáng, vân tối trong vùng giao thoa (trường giao thoa) có bề rộng L (đối xứng qua vân trung tâm) éL ù + Số vân sáng (là số lẻ): NS = 2 ê ú+ 1 ëê2iûú éL ù + Số vân tối (là số chẵn): Nt = 2 ê + 0,5ú ëê2i ûú Trong đó [x] là phần nguyên của x. Ví dụ: [6] = 6; [5,05] = 5; [7,99] = 7 * Xác định số vân sáng, vân tối giữa hai điểm M, N có toạ độ x1, x2 (giả sử x1 < x2) + Vân sáng: x1 < ki < x2 + Vân tối: x1 < (k+0,5)i < x2 Số giá trị k Z là số vân sáng (vân tối) cần tìm Lưu ý: M và N cùng phía với vân trung tâm thì x1 và x2 cùng dấu. M và N khác phía với vân trung tâm thì x1 và x2 khác dấu. * Xác định khoảng vân i trong khoảng có bề rộng L. Biết trong khoảng L có n vân sáng. 32
L + Nếu 2 đầu là hai vân sáng thì: i = n- 1 L + Nếu 2 đầu là hai vân tối thì: i = n L + Nếu một đầu là vân sáng còn một đầu là vân tối thì: i = n- 0,5 * Sự trùng nhau của các bức xạ 1, 2 (khoảng vân tương ứng là i1, i2 ) + Trùng nhau của vân sáng: xs = k1i1 = k2i2 = k11 = k22 = + Trùng nhau của vân tối: xt = (k1 + 0,5)i1 = (k2 + 0,5)i2 = (k1 + 0,5)1 = (k2 + 0,5)2 = Lưu ý: Vị trí có màu cùng màu với vân sáng trung tâm là vị trí trùng nhau của tất cả các vs của các bức xạ. + Cách xác định số vân sáng trùng nhau trong một khoảng L: - Tìm khoảng cách ngắn nhất giữa 2 vs trùng nhau : Δxmin. L - Số vân sáng trùng nhau : n = 2 1 2 xmin * Trong hiện tượng giao thoa ánh sáng trắng (0,38 m  0,76 m) D - Bề rộng quang phổ bậc k: Dx = k (l đ - l t ) với đ và t là bước sóng ánh sáng đỏ a và tím - Xác định số vân sáng, số vân tối và các bức xạ tương ứng tại một vị trí xác định (đã biết x) l D ax ax + Vân sáng: x = k Þ l = , k Î Z k . a kD D ax ax Số vân sáng : k max D min D Với 0,38 m  0,76 m có bao nhiêu giá trị của k thì có bấy nhiêu vs , k € Z l D ax + Vân tối: x = (k + 0,5) Þ l = , k Î Z a (k + 0,5)D ax ax Số vân tối : 0,5 k 0,5 max D min D Với 0,38 m  0,76 m có bao nhiêu giá trị của k thì có bấy nhiêu vân tối , k € Z - Khoảng cách dài nhất và ngắn nhất giữa vân sáng và vân tối cùng bậc k: D x [k (k 0,5) ] Min a t đ 33
D x [k (k 0,5) ] Khi vân sáng và vân tối nằm khác phía đối với vân Max a đ t trung tâm. D x [k (k 0,5) ] Khi vân sáng và vân tối nằm cùng phía đối với vân Max a đ t trung tâm. *. Vị trí vân sáng bậc k1 của bức xạ 1 trùng với vị trí vân sáng bậc k2 của bức xạ 2 : k11 k22 * . Vị trí vân sáng bậc k1 của bức xạ 1 trùng với vị trí vân tối bậc k2 của bức xạ 2 : 1 k  (k ) 1 1 2 2 2 c Chú ý: Trong không khí (chân không):  ; trong môi trường có chiết suất n: f c v n v c  f nf Chú ý: Khoảng vân trong không khí là i ; trong môi trường có chiết suất n khoảng i vân i mt n III. QUANG PHỔ 1. Máy quang phổ: a. Định nghĩa: Máy quang phổ là dụng cụ dùng để phân tích chùm sáng có nhiều thành phần thành những thành phần đơn sắc khác nhau. b. Cấu tạo: + Ống chuẩn trực là tạo ra chùm tia song song. + Lăng kính để phân tích song song thành những thành phần đơn sắc song song khác nhau. + Buồng ảnh là kính ảnh đặt tại tiêu điểm ảnh của thấu kính L2 để quan sát quang phổ. c. Nguyên tắc hoạt động: + Chùm tia qua ống chuẩn trực là chùm tia song song đến lăng kính. + Qua lăng kính chùm sáng bị phân tích thành các thành phần đơn sắc song song. + Các chùm tia đơn sắc qua buồng ảnh được hội tụ trên kính ảnh. 2. Quang phổ liên tục: a. Định nghĩa: Quang phổ liên tục là dải màu biến thiên liên tục, quang phổ liên tục của ánh sáng là dải màu biến thiên liên tục từ đỏ tới tím. b. Nguồn phát: Các chất rắn, chất lỏng, chất khí có tỉ khối lớn nóng sáng phát ra quang phổ liên tục. c. Đặc điểm, tính chất: 34
Qp liên tục không phụ thuộc thành phần hóa học của nguồn phát mà chỉ phụ thuộc vào nhiệt của nguồn phát + Ở nhiệt độ 5000 C , các vật bắt đầu phát ra ánh sáng màu đỏ; ở nhiệt độ 2500K đến 3000K các vật phát ra quang phổ liên tục có màu biến thiên từ đỏ đến tím. Nhiệt độ của bề Mặt Trời khoảng 6000K , ánh sáng của Mặt Trời là ánh sáng trắng. 3. Quang phổ vạch phát xạ: a. Định nghĩa: Qp vạch phát xạ là loại quang phổ gồm những vạch màu đơn sắc nằm trên một nền tối. b. Các chất khí hay hơi có áp suất thấp bị kích thích phát ra. c. Đặc điểm: + Các chất khí hay hơi ở áp suất thấp khác nhau cho những quang phổ vạch khác nhau cả về số lượng vạch, vị trí, màu sắc của các vạch và độ sáng tỉ đối của các vạch. + Mổi chất khí hay hơi ở áp suất thấp có một quang phổ vạch đặc trưng. 4. Quang phổ vạch hấp thụ: a. Định nghĩa: Qp vạch hấp thụ là một hệ thống các vạch tối nằm trên một nền một quang phổ liên tục. b. Cách tạo: + Chiếu vào khe của máy quang phổ một ánh sáng trắng ta nhận được một quang phổ liên tục. + Đặt một đèn hơi Natri trên đường truyền tia sáng trước khi đến khe của máy quang phổ, trên nền quang phổ xuất hiện các vạch tối ở đúng vị trí các vạch vàng trong quang phổ vạch phát xạ của Natri. c. Điều kiện: Nhiệt độ của đám khí hay hơi hấp thụ phải thấp hơn nhiệt độ của nguồn sáng phát ra qplt. d. Hiện tượng đảo sắc: Ở một nhiệt độ nhất định, một đám khí hay hơi có khả năng phát ra những ánh sáng đơn sắc nào thì nó cũng có khả năng hấp thụ những ánh sáng đơn sắc đó. Chú ý: Quang phổ của Mặt Trời mà ta thu được trên Trái Đất là quang phổ hấp thụ, Bề mặt của Mặt Trời phát ra quang phổ liên tục. IV. SÓNG ĐIỆN TỪ Loại sóng Bước sóng Chú Vùng đỏ  : 0, 640m  0, 760m Tia gamma Döôùi 10 12 m ý Vùng  : 0, 590m  0, 650m c  cam f Tia Roengent 10 12 m ñeán 10 9 m Vùng  : 0, 570m  0, 600m vàng 9 7 Tia tử ngoại 10 m ñeán 3,8.10 m Vùng lục  : 0, 500m  0, 575m 7 7 Ánh sáng nhìn 3,8.10 m ñeán 7,6.10 m Vùng  : 0, 450m  0, 510m 35
thấy lam 7 3 Tia hồng ngoại 7,6.10 m ñeán 10 m Vùng  : 0, 440m  0, 460m chàm Sóng vô tuyến 10 3 m trôû leân Vùng tím  : 0, 38m  0, 440m 1. Tia hồng ngoại: a. Định nghĩa: Tia hồng ngoại là những bức xạ không nhìn thấy, có bước sóng lớn hơn bước sóng cùa ánh sáng đỏ ( 0,76m ). b. Nguồn phát sinh: + Các vật bị nung nóng dưới 5000 C phát ra tia hồng ngoại. + Có 50% năng lượng Mặt Trời thuộc về vùng hồng ngoại. + Nguồn phát tia hồng ngoại thường là các đèn dây tóc bằng Vonfram nóng sáng có công suất từ 250W 1000W . c. Tính chất, tác dụng: + Có bản chất là sóng điện từ. + Tác dụng nổi bật nhất là tác dụng nhiệt. + Tác dụng lên một loại kính ảnh đặc biệt gọi là kính ảnh hồng ngoại. + Bị hơi nước hấp thụ. + Có khả năng gây ra 1 số phản ứng hoá học. + Có thể biến điệu được như sóng điện từ cao tần. + Có thể gây gây ra hiện tượng quang điện trong cho một số chất bán dẫn d. Ứng dụng: Sấy khô sản phẩm, sưởi ấm, chụp ảnh hồng ngoại. 2. Tia tử ngoại: a. Định nghĩa: Tia hồng ngoại là những bức xạ không nhìn thấy, có bước sóng nhỏ hơn bước sóng cùa ánh sáng tím ( 0,38m ). b. Nguồn phát sinh: + Các vật bị nung nóng trên 30000 C phát ra tia tử ngoại. + Có 9% năng lượng Mặt Trời thuộc về vùng tử ngoại. + Nguồn phát tia tử ngoại là các đèn hơi thủy ngân phát ra tia tử ngoại. c. Tính chất, tác dụng: + Có bản chất là sóng điện từ. + Tác dụng rất mạnh lên kính ảnh. + Làm phát quang một số chất. + Tác dụng làm ion hóa chất khí + Gây ra một số phản ứng quang hóa, quang hợp. + Gây hiệu ứng quang điện. + Tác dụng sinh học: hủy hoại tế bào, giết chết vi khuẩn, + Bị thủy tinh, nước hấp thụ rất mạnh. Thạch anh gần như trong suốt đối với các 36
tia tử ngoại d. Ứng dụng: Chụp ảnh; phát hiện các vết nứt, xước trên bề mặt sản phẩm; khử trùng; chữa bệnh còi xương 3. Tia Rơnghen ( Tia X) : a. Định nghĩa: Tia X là những bức xạ điện từ có bước sóng từ 10 12 m đến 10 8 m (tia X cứng, tia X mềm). b. Cách tạo ra tia Rơnghen: Khi chùm tia catốt đập vào tấm kim loại có nguyên tử lượng phát ra. c. Tính chất, tác dụng: + Khả năng đâm xuyên rất mạnh. + Tác dụng mạnh lên kính ảnh. + Làm ion hóa không khí. + Làm phát quang nhiều chất. + Gây ra hiện tượng quang điện cho hầu hết các kim loại. + Tác dụng sinh lí: hủy diệt tế bào, diệt tế bào, diệt vi khuẩn, d. Ứng dụng: Dò khuyết tật bên trong các sản phẩm, chụp điện, chiếu điện, chữa bệnh ung thư nông, đo liều lượng tia X CHƯƠNG : LƯỢNG TỬ ÁNH SÁNG I. HIỆN TƯỢNG QUANG ĐIỆN NGOÀI. 1. Định nghĩa : Hiện tượng ánh sáng làm bật các eletron ra khỏi bề mặt kim loại gọi là hiện tượng qđ ngoài. 2. Các định luật quang điện: a. Định luật 1 quang điện: Hiện tượng quang điện chỉ xảy ra khi bước sóng ánh sáng kích thích ( ) phải nhỏ hơn bằng giới hạn quang điện (0 ) của kim loại đó:  0 . Độc giả có nhu cầu về file word toàn bộ giáo trình vật lý 12 bao gồm lý thuyết và các bài tập tự luận và bài tập trắc nghiệm có giải chi tiết tham khảo vui lòng liên hệ email : tomhocgioi2006@gmail.com b. Định luật 2 quang điện: Cường độ dòng quang điện bão hòa tỉ lệ thuận với cường độ chùm sáng kích thích: Iqñ ~ Iaskt . c. Định luật 3 quang điện: Động năng ban đầu cực đại của các electron quang điện chỉ phụ thuộc vào bước sóng ánh sáng kích thích và bản chất của kim loại, W0ñM (,0 ) không phụ thuộc vào cường độ chùm sáng kích thích: . W0ñM Iaskt II. THUYẾT LƯỢNG TỬ 1. Giả thuyết lượng tử năng lượng của Plăng. 37
Lượng năng lượng mà mỗi lần nguyên tử hay phân tử hấp thụ hay phát xạ có giá trị hoàn toàn xác định, gọi là lượng tử năng lượng. Lượng tử năng lượng kí hiệu là ε , có giá trị bằng : ε = hf. Trong đó h = 6,625.10-34J.s là hằng số Plăng, f là tần số của ánh sáng được hấp thụ hay phát xạ. 2. Thuyết lượng tử ánh sáng. + Mỗi chùm sáng là 1 chùm hạt, mỗi hạt gọi là 1 phôtôn, mỗi phôtôn có năng lượng xác định ε = hf. Cường độ chùm sáng tỉ lệ với số phôtôn phát ra trong 1 giây. + Phân tử, nguyên tử, electron phát xạ hay hấp thụ á/sáng có nghĩa là chúng phát xạ hay hấp thụ phôtôn + Các phôtôn bay dọc theo tia sáng với tốc độ c = 3.108 m/s trong chân không. 3. Phương trình Einstein: hc a. Giới hạn quang điện:  ; 1eV 1,6.10 19 J 0 A(J) 1 b. Động năng: W mv2 (J) 0ñM 2 0M 2 hc 1 2 hc mv0Max c. Phương trình Einstein:  A W0ñM hay  mv0M hay e= hf = = A+ 0 2 l 2 Chú ý: Phương trình Einstein giải thích định luật 1; định luật 3; thuyết lượng tử giải thích định luật 2. 4. Điều kiện để triệt tiêu hoàn toàn dòng quang điện: Iqñ 0 W0ñM eUh; Uh 0 n q I t 5. Dòng quang điện bão hòa: I n bh : Số electron bứt ra trong thời gian bh t q Δt. Ibh = n1.e ( Trong đó n1 là số e bứt ra trong 1giây) E 6. Năng lượng chùm photon: E N N : Số photon đập vào  E hc 7. Công suất bức xạ của nguồn: P = N . (W) . Nε là số phôtôn đến K trong 1 t   giây. n 8. Hiệu suất lượng tử: H .100% N Wñ Wñ W0ñ  9. Định lí động năng: Wñ A vôùi F A Fs cos F * Xét vật cô lập về điện, có điện thế cực đại VMax và khoảng cách cực đại dMax mà electron chuyển động trong điện trường cản có cường độ E được tính theo công thức: 38
1 eV = mv2 = eEd Max 2 0Max Max * Với U là hiệu điện thế giữa anốt và catốt, vA là vận tốc cực đại của electron khi đập vào anốt, vK = v0Max là vận tốc ban đầu cực đại của electron khi rời catốt thì: 1 1 eU = mv2 - mv2 2 A 2 K hc  X hfX 10. Năng lượng tia X : X  X Wñ eUAK hc Bước sóng nhỏ nhất của tia Rơnghen: l Min = Wđ mv2 mv2 Trong đó ¦W = = eU + 0 là động năng của electron khi đập vào đối catốt (đối đ 2 AK 2 âm cực) U là hiệu điện thế giữa anốt và catốt v là vận tốc electron khi đập vào đối catốt v0 là vận tốc của electron khi rời catốt (thường v0 = 0) m = 9,1.10-31 kg là khối lượng electron. * Bán kính quỹ đạo của electron khi chuyển động với vận tốc v trong từ trường đều B mv r¶ur R = , a = (v,B) eBsin a Xét electron vừa rời khỏi catốt thì v = v0Max r ur mv Khi v ^ B Þ sin a = 1Þ R = eB Lưu ý: Hiện tượng quang điện xảy ra khi được chiếu đồng thời nhiều bức xạ thì khi tính các đại lượng: Vận tốc ban đầu cực đại v0Max, hiệu điện thế hãm Uh, điện thế cực đại VMax, đều được tính ứng với bức xạ có Min (hoặc fMax). * Bán kính quỹ đạo khi electron quang điện chuyển động trong điện trường đều có mv2 E  v .: R eE III. MẪU NGUYÊN TỬ BOHR 1. Tiên đề Bohr: a. Tiên đề 1: Nguyên tử chỉ tồn tại ở những trạng thái có năng lượng hoàn toàn xác định gọi là trạng thái dừng. Ở trạng thái dừng Em nguyên tử không bức xạ năng lượng. nhận phát phôtôn b. Tiên đề 2: Nguyên tử ở thái thái có mức năng phôtôn hfmn hfmn lượng Em cao hơn khi chuyển về trạng thái dừng En 39 Em > En
có mức năng lượng En thấp hơn sẽ giải phóng một năng lượng hc  mn hfmn Em En và ngược lại. mn c. Hệ quả: Ở những trạng thái dừng các electron trong nguyên tử chỉ chuyển động trên quỹ đạo có bán kính hoàn toàn xác định gọi là quỹ đạo dừng: 2 0 rn n r0; vôùi r0 0,53A . Chú ý: Trong nguyên tử Hiđrô, trạng thái dừng là trạng thái có mức năng lượng thấp nhất (ứng với quỹ đạo K), các trạng thái có mức năng lượng cao hơn gọi là trạng thái kích thích (thời gian tồn tại 10 8 s ). Nguyên tử (electron) chỉ hấp thụ hoặc bức xạ năng lượng đúng bằng hiệu năng lượng giữa hai mức. 13,6 2. Năng lượng ở trạng thái dừng: E (eV); E 13,6 eV n n2 0 hc 1 1 3. Bước sóng: E E 13,6.( ).1,6.10 19 (J)  m n n2 m2 1 1 1 hay: R ( ) ,vôùi R 1,09.107 m 1 : Haèng soá Ritber  H n2 m2 H 4. Quang phổ nguyên tử Hiđrô: P n=6 Các electron ở trạng thái kích thích tồn tại O n=5 khoảng 10 8 s nên giải phóng năng lượng N n=4 dưới dạng phôtôn để trở về các trạng thái có M n=3 mức năng lượng thấp hơn. Pasen a. Dãy Lynam: Các electron chuyển từ L n=2 trạng thái có mức năng lượng cao hơn về H H H H trạng thái có mức năng lượng ứng với quỹ đạo K (thuộc vùng tử ngoại). Banme b. Dãy Balmer: Các electron chuyển từ trạng thái có mức năng lượng cao hơn về K n=1 trạng thái có mức năng lượng ứng với quỹ Laiman đạo L (thuộc vùng tử ngoại và vùng nhìn thấy). c. Dãy Paschen: Các electron chuyển từ trạng thái có mức năng lượng cao hơn về trạng thái có mức năng lượng ứng với quỹ đạo M (thuộc vùng hồng ngoại). Chú ý: Bước sóng càng ngắn năng lượng càng lớn. Lưu ý: Vạch dài nhất LK khi e chuyển từ L K Vạch ngắn nhất  K khi e chuyển từ K. - Dãy Banme: Một phần nằm trong vùng tử ngoại, một phần nằm trong vùng ánh sáng nhìn thấy Ứng với e chuyển từ quỹ đạo bên ngoài về quỹ đạo L Vùng ánh sáng nhìn thấy có 4 vạch: 40
+ Vạch đỏ H ứng với e: M L + Vạch lam H ứng với e: N L + Vạch chàm H ứng với e: O L + Vạch tím H ứng với e: P L Lưu ý: Vạch dài nhất ML (Vạch đỏ H ) Vạch ngắn nhất  L khi e chuyển từ L. - Dãy Pasen: Nằm trong vùng hồng ngoại Ứng với e chuyển từ quỹ đạo bên ngoài về quỹ đạo M Lưu ý: Vạch dài nhất NM khi e chuyển từ N M. Vạch ngắn nhất  M khi e chuyển từ M. Mối liên hệ giữa các bước sóng và tần số của các vạch quang phổ của nguyên từ hiđrô: 1 1 1 và f13 = f12 +f23 (như cộng véctơ) 13 12 23 III. HẤP THỤ VÀ PHẢN XẠ ÁNH SÁNG 1. Hấp thụ ánh sáng: Hấp thụ ánh sáng là hiện tượng môi trường vật chất làm giảm cường độ của chùm sáng truyền qua nó. a. Định luật về hấp thụ ánh sáng: Cường độ của chùm sáng đơn sắc khi truyền môi trường hấp thụ, giảm theo định d luật hàm mũ của độ dài đường truyền tia sáng: I I0e . I laø cöôøng ñoä cuûa chuøm saùng tôùi moâi tröôøng 0 Trong đó: laø heä soá haáp thuï cuûa moâi tröôøng d ñoä daøi cuûa ñöôøng truyeàn tia saùng b. Hấp thụ lọc lựa: + Vật trong suốt (vật không màu) là vật không hấp thụ ánh sáng trong miền nhìn thấy của quang phổ. + Vật có màu đen là vật hấp thụ hoàn toàn ánh sáng trong miền nhìn thấy của quang phổ. + Vật trong suốt có màu là vật hấp thụ lọc lựa ánh sáng trong miền nhìn thấy của quang phổ. 2. Phản xạ (tán sắc) lọc lựa ánh sáng: Các vật có thể hấp thụ lọc lựa một số ánh sáng đơn sắc, như vậy các vật cũng có thể phản xạ (tán sắc) một số ánh sáng đơn sắc. Hiện tượng đó được gọi là phản xạ (tán sắc) lọc lựa ánh sáng. Chú ý: Yếu tố quyết định đến việc hấp thụ, phản xạ (tán sắc) ánh sáng đó là bước sóng của ánh sáng. 41
IV. LASER 1. Hiện tượng phát quang: a. Sự phát quang: Có một số chất ở thể rắn, lỏng, khí khi hấp thụ một năng lượng dưới dạng nào đó thì có khả năng phát ra một bức xạ điện từ. Nếu bức xạ đó có bước sóng nằm trong giới hạn của ánh sáng nhìn thấy thì được gọi là sự phát quang. Mỗi chất phát quang có một quang phổ đặc trưng riêng cho Đặc nó. điểm Sau khi ngừng kích thích, sự phát quang của một số chất còn được duy trì trong một khoảng thời gian nào đó. + Thời gian phát quang là khoảng thời gian kể từ lúc ngừng kích thích cho đến lúc ngừng phát quang: Thời gian phát quang có thể kéo dài từ 10 10 s đến vài ngày. + Hiện tượng phát quang là hiện tượng khi vật hấp thụ ánh sáng kích thích có bước sóng này để phát ra ánh sáng có bước sóng khác. b. Các dạng phát quang: + Huỳnh quang là sự phát quang có thời gian ngắn dưới 10 8 s , thường xảy ra với chất lỏng và khí. + Lân quang là sự phát quang có thời gian dài trên 10 8 s , thường xảy ra với chất rắn. Chú ý: Thực tế trong khoảng 10 8 s t 10 6 s không xác định được lân quang hay huỳnh quang. c. Định luật Xtốc về sự phát quang: Ánh sáng phát quang có bước sóng nhỏ hơn bước sóng ánh sáng kích thích: aspq askt  aspq  askt . 2. Laser: a. Đặc điểm: f + Tia Laser có tính đơn sắc cao. Độ sai lệch 10 15 . f + Tia Laser là chùm sáng kết hợp, các photon trong chùm sáng có cùng tần số và cùng pha. + Tia Laser là chùm sáng song song, có tính định hướng cao. + Tia Laser có cường độ lớn I ~106 W/cm2 . b. Các loại Laser: Laser hồng ngọc, Laser thủy tinh pha nêođim, Lasre khí He – He, Laser CO2 , Laser bán dẫn, c. Ứng dụng: + Trong thông tin liên lạc: cáp quang, vô tuyến định vị, + Trong y học: làm dao mổ, chữa một số bệnh ngoài da nhờ tác dụng nhiệt, + Trong đầu đọc đĩa: CD, VCD, DVD, + Trong công nghiệp: khoan, cắt, tôi, với độ chính xác cao. 42
CHƯƠNG : THUYẾT TƯƠNG ĐỐI HẸP 1. Các tiên đề Einstein: a. Tiên đề I (nguyên lí tương đối): Các hiện tượng vật lí diễn ra như nhau trong các hệ quy chiếu quán tính. b. Tiên đề II (nguyên lí bất biến của vận tốc ánh sáng): Vận tốc ánh sáng trong chân không có cùng giá trị bằng c trong mọi hệ quy chiếu quán tính, không phụ thuộc vào phương truyền và vận tốc của nguồn sáng hay máy thu. 2. Các hệ quả: + Sự co của độ dài: Độ dài của một thanh bị co lại dọc theo phương chuyển động v2 của nó: l l 1 l . 0 c2 0 + Sự dãn ra của khoảng thời gian: Đồng hồ gắn với quan sát viên chuyển động t0 chạy chậm hơn đồng hồ gắn với quan sát viên đứng yên: t t0 . v2 1 c2 m + Khối lượng tương đối: m 0 . + Động lượng tương đối: v2 1 c2  m p mv 0 v . v2 1 c2 1 m E m c2 m v2 + Năng lượng tương đối: E mc2 0 c2 . Chú ý: 0 2 0 2 v 2 2 4 2 2 1 E m0 c p c c2 3. Đối với photon: hc + Năng lượng của photon:  hf m c2    hf h m m 0 + Khối lượng tương đối tính của photon:  2 2 , suy ra c c c v2 1 c2 v2 m m 1 0  c2 Mà v c nên m0 0 . CHƯƠNG : VẬT LÝ HẠT NHÂN I. HẠT NHÂN NGUYÊN TỬ 1. Cấu tạo hạt nhân: 43
27 mp 1,67262.10 kg Z proâtoân q 1,6.10 19 C A p Z X ñöôïc taïo neân töø 27 mn 1,67493.10 kg N (A - Z) nôtroân q 0 : khoâng mang ñieän p mp 1,007276u 2. Đơn vị khối lượng nguyên tử (u ): 1u 1,66055.10 27 kg mn 1,008665u 3. Các công thức liên hệ: m NA n ; A: khoái löôïng mol(g/mol) hay soá khoái (u) m : khoái löôïng A N a. Số mol: A N N: soá haït nhaân nguyeân töû mN n ; N A N 23 A NA 6,023.10 nguyeân töû/mol A 1 4. Bán kính hạt nhân: R 1,2.10 15 A3 (m) II. NĂNG LƯỢNG HẠT NHÂN m0 Zmp (A Z)mn : khoái löôïng caùc nucloân rieâng leû 1. Độ hụt khối: ( m là khối lượng hạt m m0 m nhân) 2. Hệ thức Einstein: E mc2 ; 1uc2 931,5MeV ; 1MeV 1,6.10 13 J 3. Năng lượng liên kết, năng lượng liên kết riêng: a. Năng lượng liên kết: E mc2 E b. Năng lượng liên kết riêng:  : tính cho moät nucloân A Chú ý: + Hạt nhân có năng lượng liên kết riêng càng lớn thì càng bền vững. + Hạt nhân có số khối trong khoảng từ 50 đến 70, năng lượng liên kết riêng của chúng có giá trị lớn nhất vào khoảng 8,8 MeV/nu III. PHÓNG XẠ. 1. Định nghĩa : Hiện tượng một hạt nhân không bền , tự phát phân rã phát ra các tia phóng xạ và biến đổi thành hạt nhân khác gọi là hiện tượng phóng xạ. 2. Đặc điểm : Hiện tượng phóng xạ hoàn toàn do nguyên nhân bên trong hạt nhân gây nên, không phụ thuộc vào các yếu tố bên ngoài như : nhiệt độ , áp suất, điện từ trường . 44
N N 0 N e t t 0 2T ln 2 3. Định luật phóng xạ: ; vôùi  : haèng soá phaân raõ m T(s) m 0 m e t t 0 2T t - T - l t * Số nguyên tử chất phóng xạ còn lại sau thời gian t : N = N0.2 = N0.e * Số hạt nguyên tử bị phân rã bằng số hạt nhân con được tạo thành và bằng số hạt - + - l t ( hoặc e hoặc e ) được tạo thành: DN = N0 - N = N0 (1- e ) t - T - l t * Khối lượng chất phóng xạ còn lại sau thời gian t : m = m0.2 = m0.e Trong đó: N0, m0 là số nguyên tử, khối lượng chất phóng xạ ban đầu T là chu kỳ bán rã ln2 0,693 l = = là hằng số phóng xạ  và T không phụ thuộc vào các tác T T động bên ngoài mà chỉ phụ thuộc bản chất bên trong của chất phóng xạ. - l t * Khối lượng chất bị phóng xạ sau thời gian t : Dm = m0 - m = m0 (1- e ) Dm * Phần trăm chất phóng xạ bị phân rã: = 1- e- l t m0 t m - Phần trăm chất phóng xạ còn lại: = 2 T = e- l t m0 * Khối lượng chất mới được tạo thành sau thời gian t : DN Ac N0 - l t Ac - l t mc = Ac = (1- e ) = m0 (1- e ) N A N A Am Trong đó: Am, Ac là số khối của chất phóng xạ ban đầu (mẹ) và của chất mới được tạo thành (con) -23 -1 NA = 6,022.10 mol là số Avôgađrô. + - Lưu ý: Trường hợp phóng xạ  ,  thì Ac = Am mc = m 4. Độ phóng xạ H: Là đại lượng đặc trưng cho tính phóng xạ mạnh hay yếu của một lượng chất phóng xạ, đo bằng số phân rã trong 1 giây. t - T - l t H = H0.2 = H0.e = l N H0 = N0 là độ phóng xạ ban đầu. Đơn vị: Becơren (Bq); 1Bq = 1 phân rã/giây Curi (Ci); 1 Ci = 3,7.1010 Bq Lưu ý: Khi tính độ phóng xạ H, H0 (Bq) thì chu kỳ phóng xạ T phải đổi ra đơn vị giây(s). H ln 2 H 0 H e t ; vôùi  : haèng soá phaân raõ t 0 T(s) * Công thức độ phóng xạ: 2T 10 H0 N0; H N(Bq); 1Ci 3,7.10 Bq 45
H0 * Thể tích của dung dịch chứa chất phóng xạ: V0 t V , Trong đó: 2 T H V la ø the å tích dung dòch chöùa H Chu kì bán rã của một số chất 12 16 235 210 226 219 131 Cacbon C Oxi O Urani U Poloni Po Rañi Ra Radon Ra Ioât I 6 8 92 84 88 86 53 Chất phóng xạ 8 Chu kì T 5730 naêm T 122 s T 7,13.10 naêm T 138 ngaøy T 1620 naêm T 4 s T 8 ngaøy bán rã 5. Các tia phóng xạ: 4 4 a. Tia : 2 laø haït 2 He . * Những tính chất của tia α : + Bị lệch trong điện trường, từ trường. + Phóng ra từ hạt nhân phóng xạ với tốc độ khoảng 2.107m/s. + Có khả năng iôn hoá mạnh các nguyên tử trên đường đi, mất năng lượng nhanh, do đó nó chỉ đi được tối đa là 8cm trong không khí , khả năng đâm xuyên yếu, không xuyên qua được tấm bìa dày cỡ 1mm. 0 0 1  la ø pozitron ( 1e) : p n e + b. Tia  : coù hai loaïi , 0 0  1  la ø electron ( 1e) : n p e + * Những tính chất của tia β : + Bị lệch trong điện trường, từ trường nhiều hơn tia . + Phóng ra từ hạt nhân với tốc độ gần bằng tốc độ ánh sang. + Có khả năng iôn hoá môi trường, nhưng yếu hơn tia α , tia β có khả năng đi quãng đường dài hơn trong không khí ( cỡ vài m ) vì vậy khả năng đâm xuyên của tia β mạnh hơn tia α , nó có thể xuyên qua tấm nhôm dày vài mm. * Lưu ý : Trong phóng xạ β có sự giải phóng các hạt nơtrino và phản nơtrino. c. Tia  : * Bản chất là sóng điện từ có bước sóng cực ngắn  10 11 m , cũng là hạt photon có năng lượng cao. * Những tính chất của tia γ : + Không bị lệch trong điện trường, từ trường. + Phóng ra với tốc độ bằng tốc độ ánh sáng. + Có khả năng iôn hoá môi trường và khả năng đâm xuyên cực mạnh. IV. PHẢN ỨNG HẠT NHÂN 46
1. Phương trình phản ứng: A1 X + A2 X ® A3 X + A4 X Z1 1 Z2 2 Z3 3 Z4 4 Trong số các hạt này có thể là hạt sơ cấp như nuclôn, eletrôn, phôtôn Trường hợp đặc biệt là sự phóng xạ: X1 X2 + X3 X1 là hạt nhân mẹ, X2 là hạt nhân con, X3 là hạt hoặc  2. Các định luật bảo toàn trong phản ứng hạt nhân. + Bảo toàn số nuclôn (số khối): A1 + A2 = A3 + A4 + Bảo toàn điện tích (nguyên tử số): Z + Z = Z + Z uur uur uur uur 1 2ur 3 ur 4 ur ur + Bảo toàn động lượng: p1 + p2 = p3 + p4 hay m1v1 + m2 v2 = m4 v3 + m4 v4 + Bảo toàn năng lượng: K + K + DE = K + K X1 X 2 X3 X 4 2 Trong đó: E là năng lượng phản ứng hạt nhân; E = (m1+m2 – m3 - m4 )c = ( 2 M0 – M ) c . 1 K = m v2 là động năng chuyển động của hạt X X 2 x x Lưu ý: - Không có định luật bảo toàn khối lượng. 2 - Mối quan hệ giữa động lượng pX và động năng KX của hạt X là: pX = 2mX K X - Khi tính vận tốc v hay động năng K thường áp dụng quy tắc hình bình hành ur uur uur uur uur uur · p Ví dụ: p = p1 + p2 biết j = p1, p2 1 2 2 2 p = p1 + p2 + 2 p1 p2cosj ur hay (mv)2 = (m v )2 + (m v )2 + 2m m v v cosj 1 1 2 2 1 2 1 2 φ p hay mK = m1K1 + m2 K2 + 2 m1m2 K1K2 cosj uur ur uur ur uur · · p Tương tự khi biết φ1 = p1, p hoặc φ2 = p2 , p 2 uur uur Trường hợp đặc biệt: p ^ p p2 = p2 + p2 1 2 uur ur 1 2uur ur Tương tự khi p1 ^ p hoặc p2 ^ p K1 v1 m2 A2 v = 0 (p = 0) p1 = p2 = = » K2 v2 m1 A1 Tương tự v1 = 0 hoặc v2 = 0. 3. Phản ứng hạt nhân 2 * Năng lượng phản ứng hạt nhân : E = (M 0 - M)c Trong đó: M = m + m là tổng khối lượng các hạt nhân trước phản ứng. 0 X1 X 2 M = m + m là tổng khối lượng các hạt nhân sau phản ứng. X3 X 4 Lưu ý: - Nếu M0 > M thì pứ toả năng lượng E dưới dạng động năng của các hạt X3, X4 hoặc phôtôn . Các hạt sinh ra có độ hụt khối lớn hơn nên bền vững hơn. - Nếu M0 < M thì pứ thu năng lượng  E dưới dạng động năng của các hạt X1, X2 hoặc phôtôn . Các hạt sinh ra có độ hụt khối nhỏ hơn nên kém bền vững. 47
- Muốn phản ứng xảy ra thì phải cung cấp năng lượng dưới dạng động năng của 2 các hạt A và B. Năng lượng cung cấp cho pứ bao gồm E (m m0 )c và động năng Wd của các hạt mới sinh ra : W E Wd * Trong phản ứng hạt nhân A1 X + A2 X ® A3 X + A4 X Z1 1 Z2 2 Z3 3 Z4 4 Các hạt nhân X1, X2, X3, X4 có: Năng lượng liên kết riêng tương ứng là 1, 2, 3, 4. Năng lượng liên kết tương ứng là E1, E2, E3, E4 Độ hụt khối tương ứng là m1, m2, m3, m4 Năng lượng của phản ứng hạt nhân : E = A 33 +A44 - A11 - A22 E = E3 + E4 – E1 – E2 2 E = ( m3 + m4 - m1 - m2)c 4. Quy tắc dịch chuyển của sự phóng xạ 4 A 4 A- 4 + Phóng xạ (2 He ): Z X ® 2 He + Z- 2Y So với hạt nhân mẹ, hạt nhân con lùi 2 ô trong bảng tuần hoàn và có số khối giảm 4 đơn vị. - - 1 A 0 A + Phóng xạ  (0 e ): Z X ® - 1e + Z+1Y + So với hạt nhân mẹ, hạt nhân con tiến 1 ô trong bảng tuần hoàn và có cùng số khối. + Thực chất của phóng xạ - là một hạt nơtrôn biến thành 1 hạt prôtôn, 1 hạt electrôn và một hạt nơtrinô: n ® p + e- + v Lưu ý: - Bản chất (thực chất) của tia phóng xạ - là hạt electrôn (e-) - Hạt nơtrinô (v) không mang điện, không khối lượng (hoặc rất nhỏ) chuyển động với vận tốc của ánh sáng và hầu như không tương tác với vật chất. + + 1 A 0 A + Phóng xạ  (0 e ): Z X ® + 1e + Z- 1Y So với hạt nhân mẹ, hạt nhân con lùi 1 ô trong bảng tuần hoàn và có cùng số khối. + Thực chất của phóng xạ + là 1 hạt prôtôn biến thành 1 hạt nơtrôn, 1 hạt pôzitrôn và 1 hạt nơtrinô: p ® n + e+ + v Lưu ý: Bản chất (thực chất) của tia phóng xạ + là hạt pôzitrôn (e+) + Phóng xạ  (hạt phôtôn) Hạt nhân con sinh ra ở trạng thái kích thích có mức năng lượng E1 chuyển xuống mức năng lượng E2 đồng thời phóng ra một phôtôn có năng lượng : hc e= hf = = E - E l 1 2 * Lưu ý: Trong phóng xạ  không có sự biến đổi hạt nhân phóng xạ  thường đi kèm theo pxạ và . 5. Hai loại phản ứng tỏa năng lượng : 48
- Phản ứng nhiệt hạch : + Hai hạt nhân rất nhẹ có (số khối A 1thì dòng notron tăng lên liên tục theo thời gian, dẫn tới vụ nổ nguyên tử. Đó là phản ứng dây chuyền không điều khiển được. Để giảm thiểu số notron bị mất đi nhằm đảm bảo k 1 , thì khối lượng nhiên liệu hạt nhân cần phải có một giá trị tối thiểu, gọi là khối lượng giới hạn mth . 6. Các hằng số và đơn vị thường sử dụng 49
23 -1 * Số Avôgađrô: NA = 6,022.10 mol * Đơn vị năng lượng: 1eV = 1,6.10-19 J; 1MeV = 1,6.10-13 J * Đơn vị khối lượng nguyên tử (đơn vị Cacbon): 1u = 1,66055.10-27kg = 931 MeV/c2 * Điện tích nguyên tố: e = 1,6.10-19 C * Khối lượng prôtôn: mp = 1,0073u * Khối lượng nơtrôn: mn = 1,0087u -31 * Khối lượng electrôn: me = 9,1.10 kg = 0,0005u CHƯƠNG : TỪ VI MÔ ĐẾN VĨ MÔ. I. CÁC HẠT SƠ CẤP 1. Hạt sơ cấp: Các hạt sơ cấp (hạt cơ bản) là các hạt nhỏ hơn hạt nhân. 2. Các đặc trương của hạt sơ cấp: a. Khối lượng nghỉ m0 : Phôtôn  , nơtrinô  , gravitôn có khối lượng nghỉ bằng không. b. Điện tích: Các hạt sơ cấp có thể có điện tích bằng điện tích nguyên tố Q 1 , cũng có thể không mang điện. Q được gọi là số lượng tử điện tích. c. Spin s: Mỗi hạt sơ cấp khi đứng yên cũng có momen động lượng riêng và momen từ riêng. Các momen này được đặc trưng bằng số lượng tử spin. Prôtôn, 1 nơtrôn có s , phôtôn có s 1 , piôn có s 0 . 2 d. Thời gian sống trung bình T: Trong các hạt sơ cấp có 4 hạt không phân rã (proton, electron, photon, notrino) gọi là các hạt nhân bền. Còn các hạt khác gọi là hạt không bền và phân rã thành các hạt khác. Notron có T 932s , các hạt không bền có thời gian ngắn từ 10 24 s đến 10 6 s . 3. Phản hạt: Các hạt sơ cấp thường tạo thành một cặp; mỗi cặp gồm hai hạt có khối lượng nghỉ và spin như nhau nhưng có điện tích trái dấu nhau. Trong quá trình tương tác có thể sinh cặp hoặc hủy cặp. 4. Phân loại hạt sơ cấp: a. Photon (lượng tử ánh sáng): b. Lepton: Gồm các hạt nhẹ như electron, muyon ( , ), các hạt tau ( , ), c. Mêzôn: Gồm các hạt có khối lượng trung bình, được chia thành mêzôn và mêzôn K . Barion: Gồm các hạt nặng có khối lượng lớn, được chia thành nuclon và hipêrôn. Tập hợp các mêzôn và bariôn được gọi là hađrôn. 5. Tương tác của các hạt sơ cấp: a. Tương tác hấp dẫn: Bán kính lớn vô cùng, lực tương tác nhỏ. b. Tương tác điện từ: Bán kính lớn vô hạn, lực tương tác mạnh hơn tương tác hấp dẫn cỡ 1038 lần. 50
c. Tương tác yếu: Bán kính tác dụng rất nhỏ cỡ 10 18 m , lực tương tác yếu hơn t/ tác hấp dẫn cỡ 1011 lần. d. Tương tác mạnh: Bán kính tác dụng rất nhỏ cỡ 10 15 m , lực tương tác yếu hơn tương tác hấp dẫn cỡ 102 lần. Tương tác giữa các hađrôn. 6. Hạt quark: a. Hạt quark: Tất cả các hạt hađrôn được tạo nên từ các hạt rất nhỏ. b. Các loại quark: Có 6 loại quark là u, d, s, c, b, t và phản quark tương ứng. Điện e 2e tích các quark là ; . 3 3 c. Các baraiôn: Tổ hợp của 3 quark tạo nên các baraiôn. II. MẶT TRỜI – HỆ MẶT TRỜI 1. Hệ Mặt Trời: Gồm 8 hành tinh lớn, tiểu hành tinh, các sao chổi. Các hành tinh: Thủy tinh, Kim tinh, Trái Đất, Hỏa tinh, Mộc tinh, Thổ tinh, Thiên Vương tinh, Hải Vương tinh, + Để đo đơn vị giữa các hành tinh người ta dùng đơn vị thiên văn: 1ñvtv 150trKm . + Các hành tinh đều quay quanh mặt trời theo chiều thuận trong cùng một phẳng, Mặt Trời và các hành tinh tự quay quanh nó và đều quay theo chiều thận trừ Kim tinh. 2. Mặt Trời: a. Cấu trúc của Mặt Trời: Gồm quang cầu và khí quyển + Quang cầu: Khối khí hình cầu nóng sáng, nhìn từ Trái Đất có bán kính góc 16 phút, bán kính của khối cầu khoảng 7.105 Km , khối lượng riêng trung bình của các vật chất trong quang cầu là 1400kg/m3 , nhiệt độ hiệu dụng 6000K . + Khí quyển: Bao quanh Mặt Trời có khí quyển Mặt Trời: Chủ yếu là Hiđrô, Heli. Khí quyển được chia ra hai lớp có tính chất vật lí khác nhau: Sắc cầu và nhật hoa. - Sắc cầu là lớp khí nằm sát mặt quang cầu có độ dày trên 10000km và có nhiệt độ khoảng 4500K . - Phía trên sắc cầu là nhật hoa: Các phân tử vật chất tồn tại ở trạng thái ion hóa mạnh (trạng thái plasma), nhiệt độ khoảng 1 trieäu ñoä . Nhật hoa có hình dạng thay đổi theo thời gian. b. Năng lượng Mặt Trời: + Năng lượng Mặt Trời được duy trì là nhờ trong lòng nó đang diễn ra các phản ứng nhiệt hạch. 51
+ Hằng số Mặt Trời H 1360W/m2 là lượng năng lượng bức xạ của Mặt trời truyền vuông góc tới một đơn vị diện tích cách nó một đơn vị thiên văn trong một đơn vị thời gian. + Công suất bức xạ năng lượng Mặt Trời là P 3,9.1026 W . c. Sự hoạt động của Mặt Trời: + Quang cầu sáng không đều, có cấu tạo dạng hạt, gồm những hạt sáng biến đổi trên nền tối do sự đối lưu mà tạo thành: vết đen, bùng sáng, tai lửa: Vết đen có màu sẫm tối, nhiệt độ vào khoảng 4000K . Bùng sáng thường xuất hiện khi có vết đen, bùng sáng phóng ra tia X và dòng hạt tích điện gọi là gió Mặt Trời. Tai lửa là những lưỡi phun lửa cao trên sắc cầu. + Năm Mặt Trời có nhiều vết đen nhất xuất hiện được gọi là Năm Mặt Trời hoạt động. Năm Mặt Trời có ít vết đen nhất xuất hiện được gọi là Năm Mặt Trời tĩnh. Chu kì hoạt động của Mặt Trời có trị số trung bình là 11 năm. + Sự hoạt động của Mặt Trời có nhiều ảnh hưởng đến Trái Đất. Tia X và dòng hạt tích điện từ bùng sáng truyền đến Trái Đất gây ra nhiều tác động: Làm nhiễu hoặc mất thông tin liên lạc bằng sóng vô tuyến ngắn. Làm cho từ trường Trái Đất biến thiên, gây ra bão từ: bão từ xuất hiện sau khoảng 20 giờ kể từ khi bùng sáng xuất hiện trên sắc cầu Sự hoạt động của Mặt Trời còn có ảnh hưởng đến trạng thái thời tiết trên Trái Đất, đến quá trình phát triển của các sinh vật, 3. Trái Đất: a. Cấu tạo: + Trái Đất có dạng hình phỏng cầu, bán kính xích đạo bằng 6378km , bán kính ở hai cực bằng 6357km , khối lượng riêng trung bình 5520kg/m3 . + Lõi Trái Đất: bán kính 3000km ; chủ yếu là sắt, niken; nhiệt độ khoảng 3000 - 40000 C . + Vỏ Trái Đất: dày khoảng 35km ; chủ yếu là granit; khối lượng riêng 3300kg/m3 . b. Từ trường của Trái Đất: Trục từ của nam châm nghiêng so với trục địa cực một góc 1105 và thay đổi theo thời gian. c. Mặt Trăng – vệ tinh của Trái Đất: + Mặt Trăng cách Trái Đất 384000km ; có bán kính 1738km ; có khối lượng 7,35.1022 kg ; gia tốc trọng trường 1,63m/s2 ; quay quanh Trái Đất với chu kì 27,32 ngày; Mặt Trăng quay quanh Trái Đất với chu kì bằng chu kì quay của Trái Đất quanh trục; quay cùng chiều với chiều quay quanh trái Đất, nên Mặt Trăng luôn hướng một nửa nhất định vào Trái Đất; nhiệt độ lúc giữa trưa 1000 C , lúc nửa đêm 1500 C . + Mặt Trăng có nhiều ảnh hưởng đến Trái Đất như thủy triều, 4. Các hành tinh khác. Sao chổi: a. Các đặc trưng cơ bản của các hành tinh 52
Thiên Khoản Bán Khối Khối Chu Chu kì Số vệ thể g cách kính lượng lượng kì tự chuyển tinh đã đến (km) (so riêng quay động biết Mặt với (103k quanh Mặt Trời Trái g/m3) Trời (đvtv) Đất) Thủy 0,39 2440 0,052 5,4 59 87,0 ngày 0 tinh ngày Kim tinh 0,72 6056 0,82 5,3 243 224,7 ngày 0 ngày Trái Đất 1 6375 1 5,5 23g5 365,25 1 6ph ngày (1 năm) Hỏa tinh 1,52 3395 0,11 3,9 24g3 1,88 năm 2 7ph Mộc tinh 5,2 71,4 318 1,3 9g50 11,86 năm > 30 90 ph Thổ tinh 9,54 60,2 95 0,7 14g1 29,46 năm 19 70 4ph Thiên 19,19 25,7 15 1,2 17g1 84,00 năm 15 Vương 60 4ph tinh Hải 30,07 25,2 17 1,7 16g1 164,80 > 8 Vương 70 1ph năm tinh Diêm 39,5 1160 0,002 0,2 6,4 248,50 1 Vương ngày năm tinh b. Sao chổi: + Sao chổi chuyển động quanh Mặt Trời theo quỹ đạo elíp; có kích thước và khối lượng rất nhỏ. Được cấu tạo từ các chất dễ bốc hơi như tinh thể băng, amoniac, mêtan, Ngoài ra có những sao chổi thuộc thiên thể bền vững. III. CÁC SAO. THIÊN HÀ 1. Các sao: 53
a. Định nghĩa: Sao là một thiên thể nóng sáng giống như Mặt Trời. Các sao ở rất xa, hiện nay đã biết ngôi sao gần nhất cách chúng ta đến hàng chục tỉ kilômet; còn ngôi sao xa nhất cách xa đến 14 tỉ năm ánh sáng (1 naêm aùnh saùng 9,46.1012 Km ). b. Độ sáng các sao: Độ sáng mà ta nhìn thấy của một ngôi sao thục chất là độ rọi sáng lên con ngươi của mắt ta, nó phụ thuộc vào khoảng cách và độ sáng thực của mỗi sao. Độ sáng thực của mỗi sao lại phụ thuộc vào công suất bức xạ của nó. Độ sáng của các sao rất khác nhau. Chẳng hạn Sao Thiên Lang có công suất bức xạ lớn hơn của Mặt Trời trên 25 lần; sao kém sáng nhất có công suất bức xạ nhỏ hơn của Mặt Trời hàng vạn lần. c. Các loại sao đặc biệt: + Đa số các sao tồn tại trong trạng thái ổn định; có kích thước, nhiệt độ không đổi trong một thời gian dài. + Ngoài ra; người ta đã phát hiện thấy có một số sao đặc biệt như sao biến quang, sao mới, sao nơtron, Sao biến quang có độ sáng thay đổi, có hai loại: Sao biến quang do che khuất là một hệ sao đôi (gồm sao chính và sao vệ tinh), độ sáng tổng hợp mà ta thu được sẽ biến thiên có chu kì. Sao biến quang do nén dãn có độ sáng thay đổi thực sự theo một chu kì xác định. Sao mới có độ sáng tăng đột ngột lên hàng ngàn, hàng vạn lần rồi sau đó từ từ giảm. Lí thuyết cho rằng sao mới là một pha đột biến trong quá trình biến hóa của một hệ sao. Punxa, sao nơtron ngoài sự bức xạ năng lượng còn có phần bức xạ năng lượng thành xung sóng vô tuyến. Sao nơtron được cấu tạo bỡi các hạt nơtron với mật độ cực kì lớn 1014 g/cm3 . Punxa (pulsar) là lõi sao nơtron với bán kính 10km tự quay với tốc độ góc 640 voøng/s và phát ra sóng vô tuyến. Bức xạ thu được trên Trái Đất có dạng từng xung sáng giống như áng sáng ngọn hải đăng mà tàu biển nhận được. 2. Thiên hà: Các sao tồn tại trong Vũ trụ thành những hệ tương đối độc lập với nhau. Mỗi hệ thống như vậy gồm hàng trăm tỉ sao gọi là thiên hà. a. Các loại thiên hà: Thiên hà xoắn ốc có hình dạng dẹt như các đĩa, có những cánh tay xoắn ốc, chứa nhiều khí. Thiên hà elip có hình elip, chứa ít khí và có khối lượng trải ra trên một dải rộng. Có một loại thiên hà elip là nguồn phát sóng vô tuyến điện rất mạnh. Thiên hà không định hình trông như những đám mây (thiên hà Ma gien- lăng). 54
b. Thiên Hà của chúng ta: Thiên Hà của chúng ta là thiên hà xoắn ốc, có đường kính khoảng 90 nghìn năm ánh sáng và có khối lượng bằng khoảng 150 tỉ khối lượng Mặt Trời. Nó là hệ phẳng giống như một cái đĩa dày khoảng 330 năm ánh sáng, chứa vài trăm tỉ ngôi sao. Hệ Mặt Trời nằm trong một cánh tay xoắn ở rìa Thiên Hà, cách trung tâm khoảng 30 nghìn năm ánh sáng. Giữa các sao có bụi và khí. Phần trung tâm Thiên Hà có dạng hình cầu dẹt gọi là vùng lồi trung tâm được tạo bỡi các sao già, khí và bụi. Ngay ở trung tâm Thiên Hà có một nguồn phát xạ hồng ngoại và cũng là nguồn phát sóng vô tuyến điện (tương đương với độ sáng chừng 20 triệu ngôi sao như Mặt Trời và phóng ra1 luồng gió mạnh). Từ Trái Đất, chúng ta chỉ nhìn được hình chiếu của thiên Hà trên vòm trời gọi là dải Ngân Hà nằm theo hướng Đông Bắc – Tây Nam trên nền trời sao. c. Nhóm thiên hà. Siêu nhóm thiên hà: + Vũ trụ có hàng trăm tỉ thiên hà, các thiên hà thường cách nhau khoảng mười lần kích thước Thiên Hà của chúng ta. Các thiên hà có xu hướng hợp lại với nhau thành từng nhóm từ vài chục đến vài nghìn t / hà. + Thiên Hà của chúng ta và các thiên hà lân lận thuộc về Nhóm thiên hà địa phương, gồm khoảng 20 thành viên, chiếm một thể tích không gian có đường kính gần một triệu năm ánh sáng. Nhóm này bị chi phối chủ yếu bỡi ba thiên hà xoắn ốc lớn: Tinh vân Tiên Nữ (thiên hà Tiên Nữ M31 hay NGC224); Thiên Hà của chúng ta; Thiên hà Tam giác, các thành viên còn lại là Nhóm các thiên hà elip và các thiên hà không định hình tí hon. + Ở khoảng cách cỡ khoảng 50 triệu năm ánh sáng là Nhóm Trinh Nữ chứa hàng nghìn thiên hà trải rộng trên bầu trời trong chòm sao Trinh Nữ. + Các nhóm thiên hà tập hợp lại thành Siêu nhóm thiên hà hay Đại thiên hà. Siêu nhóm thiên hà địa phương có tâm nằm trong ở Nhóm Trinh Nữ và chứa tất cả các nhóm bao quanh nó, trong đó có nhóm thiên hà địa phương của chúng ta. IV. THUYẾT VỤ NỔ LỚN (BIG BANG) 1. Định luật Hubble (Hớp-bơn): Tốc độ lùi ra xa của thiên hà tỉ lệ với khoảng cách v Hd naêm aùnh saùng 12 Km giữa thiên hà và chúng ta: 2 ; 1 9,46.10 H 1,7.10 m/(s.naêm aùnh saùng) 2. Thuyết vụ nổ lớn (Big Bang): + Theo thuyết vụ nổ lớn, vũ trụ bắt đầu dãn nở từ một “điểm kì dị”. Để tính tuổi và bán kính vũ trụ, ta chọn “điểm kì dị” làm mốc (gọi là điểm zêrô Big Bang). 55
+ Tại thời điểm này các định luật vật lí đã biết và thuyết tương đối rộng không áp dụng được. Vật lí học hiện đại dựa vào vật lí hạt sơ cấp để dự đoán các hiện tượng 43 xảy ra bắt đầu từ thời điểm tp 10 s sau Vụ nổ lớn gọi là thời điểm Planck. + Ở thời điểm Planck, kích thước vụ trụ là 10 35 m , nhiệt độ là 1032 K và mật độ là 1091 kg/cm3 . Các trị số cực lớn cực nhỏ này gọi là trị số Planck. Từ thời điểm này Vũ trụ dãn nở rất nhanh, nhiệt độ của Vũ trụ giảm dần. Tại thời điểm Planck, Vũ trụ bị tràn ngập bỡi các hạt có năng lượng cao như electron, notrino và quark, năng lượng ít nhất bằng 1015 GeV . + Tại thời điểm t 10 6 s , chuyển động các quark và phản quark đã đủ chậm để các lực tương tác mạnh gom chúng lại và gắn kết chúng lại thành các prôtôn và nơtrôn, năng lượng trung bình của các hạt trong vũ trụ lúc này chỉ còn 1GeV . + Tại thời điểm t 3 phuùt , các hạt nhân Heli được tạo thành. Trước đó, prôtôn và 2 nơtrôn đã kết hợp với nhau để tạo thành hạt nhân đơteri 1 H . Khi đó, đã xuất hiện 2 3 4 các hạt nhân đơteri 1 H , triti 1 H , heli 2 He bền. Các hạt nhân hiđrô và hêli chiếm 98% khối lượng các sao và các thiên hà, khối lượng các hạt nhân nặng hơn chỉ chiếm 2%. Ở mọi thiên thể, có 1 khối lượng là hêli và có 3 khối lượng là hiđrô. Điều 4 4 đó chứng tỏ, mọi thiên thể, mọi thiên hà có cùng chung nguồn gốc. + Tại thời điểm t 300000 naêm , các loại hạt nhân khác đã được tạo thành, tương tác chủ yếu chi phối vũ trụ là tương tác điện từ. Các lực điện từ gắn các electron với các hạt nhân, tạo thành các nguyên tử H và He. + Tại thời điểm t 109 naêm , các nguyên tử đã được tạo thành, tương tác chủ yếu chi phối vũ trụ là tương tác hấp dẫn. Các lực hấp dẫn thu gom các nguyên tử lại, tạo thành các thiên hà và ngăn cản các thiên hà tiếp tục nở ra. Trong các thiên hà, lực hấp dẫn nén các đám nguyên tử lại tạo thành các sao. Chỉ có khoảng cách giữa các thiên hà tiếp tục tăng lên. + Tại thời điểm t 14.109 naêm , vũ trụ ở trạng thái như hiện nay với nhiệt độ trung bình T 2,7K . PHỤ BẢN MỘT SỐ KIẾN THỨC TOÁN CƠ BẢN CẦN CHO VẬT LÝ I. Tam thức bậc hai. 2 a.x + b.x + c =0 Điều kiện có nghiệm: b2 4ac 0 b Dấu bằng xảy ra phương trình có nghiệm kép x 2a II.Hàm số bậc hai. 2 y = a.x + b.x + c 56
a>0 Hàm y(x) có bề lõm quay lên. Ta có cực tiểu. a<0 Hàm y(x) có bề lõm quay xuống. Ta có cực đại. b b2 4ac y x cuctri 2a cuctri 4a 4a III.Bất đẳng thức Cauchy. *Nếu a, b là những số không âm, ta có: a b 2 a.b Dấu bằng xảy ra khi và chỉ khi a = b *Nếu a, b và c là những số không âm, ta có: a b c 3.3 a.b.c Dấu bằng xảy ra khi và chỉ khi a = b = c IV. Bất đẳng thức Bunhiacopxki: a c a.b c.d a2 c2 b2 d 2 Dấu bằng xảy ra khi và chỉ khi b d V.Các công thức lượng giác. 57
00 300 450 900 1200 1350 1500 1800 3600 sin2 cos2 1 Goùc 600 2 3 5 sin 2 2sin .cos 0 2 6 4 3 2 3 4 6 1 Hslg cos2 1 1 2 sin 0 2 3 1 3 2 0 0 1 tan 2 2 2 2 2 2 2 1 3 2 1 1 2 3 sin cos 1 0 -1 1 1 cot an2 2 2 2 2 2 2 sin 3 3sin 4sin3 3 3 tg 0 1 3 kxñ 3 -1 0 0 3 3 3 3 cotg kxñ 3 1 0 -1 3 kxñ kxñ 3 3 *Hai góc sin cos 900 phụ nhau. cos sin 900 sin sin 1800 *Hai góc bù nhau. cos cos 1800 cos cos *Hai góc đối nhau sin sin *Vòng tròn lượng giác. -Theo chiều dương lượng giác. sin cos sin 900 cos cos 1800 + sin cos 900 sin sin 1800 -cos cos -sin 58
Các đơn vị dẫn xuất với tên đặc biệt Tên Đơn vị Đại lượng đo ( cách Chuyển sang đơn vị cơ bản chuẩn SI đọc) Tần số Hz héc s-1 Lực N niutơn kg m s -2 Công J jun N m = kg m2 s-2 Công suất W oát J/s = kg m2 s-3 Áp suất Pa pascal N/m2 = kg m-1 s-2 Thông lượng chiếu lm lumen cd sáng (quang thông) Độ rọi lx lux cd m-2 Tĩnh điện C culông A s Hiệu điện thế V vôn J/C = kg m2 A-1 s-3 Điện trở Ω ohm V/A = kg m2 A-2 s-3 Điện dung F farad Ω-1 s = A2 s4 kg-1 m-2 Từ thông Wb weber kg m2 s-2 A-1 Cường độ cảm ứng T tesla Wb/m2 = kg s-2 A-1 từ Cường độ tự cảm H henry Ω s = kg m2 A-2 s-2 Độ dẫn điện S siemens Ω-1 = kg-1 m-2 A² s³ Cường độ phóng xạ (phân rã trên đơn vị Bq becơren s-1 thời gian) Lượng hấp thụ (của Gy gray J/kg = m2 s-2 bức xạ ion hóa) Lượng tương đương (của bức xạ Sv sievert J/kg = m² s-2 ion hóa) Độ hoạt hóa xúc tác kat katal mol/s = mol s-1 nhiệt độ nhiệt động học K - Nhiệt độ °C độ C 273,15 Các tiền tố của SI Các tiền tố sau đây của SI có thể được sử dụng để tạo ra các bội số hay ước số của đơn vị gốc. Các em chú ý đến các đơn vị thày in đậm thường dùng. 59
10n Tiền tố Ký hiệu Tên gọi 109 giga G Tỷ 106 mêga M Triệu 103 kilô k Nghìn (ngàn) 102 héctô h Trăm 101 đêca da Mười 10−1 đêxi d Một phần mười 10−2 xenti, (đọc là xăng ti) c Một phần trăm 10−3 mili m Một phần nghìn (ngàn) 10−6 micrô µ Một phần triệu 10−9 nanô n Một phần tỷ 10−12 picô p Một phần nghìn (ngàn) tỷ 10−15 femtô f Một phần triệu tỷ 60