Tài Liệu Ôn Thi Đại Học Môn Vật Lý
DAO ĐỘNG CƠ HỌC Chương 1 DAO ĐỘNG ĐIỀU HÒA I. Dao động cơ 1. Dao động cơ là chuyển động qua lại quanh một vị trí đặc biệt, gọi là vị trí cân bằng. 2. Dao động tuần hoàn là chuyển động mà sau những khoảng thời gian bằng nhau, gọi là chu kỳ, vật trở lại vị trí cũ theo hướng cũ. II. Phương trình của dao động điều hòa 1. Định nghĩa Dao động điều hòa là dao động trong đó li độ của vật là một hàm sin hay cosin theo thời gian. 2. Phương trình x = Acos(t + ) trong đó A; là những hằng số dương A là biên độ dao động (đơn vị thường được sử dụng là cm) là tần số góc(rad/s) (t + ) là pha của dao động tại thời điểm t (rad) là pha ban đầu tại t = 0 (rad) III. Chu kỳ, tần số và tần số góc của dao động điều hòa 1. Chu kỳ, tần số - Chu kỳ T là khoảng thời gian để vật thực hiện một dao động toàn phần – đơn vị giây (s) - Tần số f là số dao động toàn phần thực hiện được trong một giây – đơn vị là Hertz (Hz) 2 2. Tần số góc 2f T IV. Vận tốc và gia tốc của vật dao động điều hòa 1. Vận tốc v = x’ = -Asin(t + ) Ở vị trí biên x = ± A v = 0 Ở vị trí cân bằng x = 0 vmax = A 2. Gia tốc a = v’ = x”= -2Acos(t + ) Ở vị trí biên a max 2 A Ở vị trí cân bằng a = 0 3. Liên hệ giữa các đại lượng trong dao động điều hoà v2 Liên hệ v và x: A2 x 2 2 2 Liên hệ a và x: a = x a 2 v2 a2 2 Liên hệ a và v: A2 4 2 hoặc vmax v2 2 V. Đồ thị của dao động điều hòa Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của x vào t là một đường hình sin. CON LẮC LÒ XO I. Con lắc lò xo Gồm một vật nhỏ khối lượng m gắn vào đầu lò xo độ cứng k, khối lượng lò xo không đáng kể II. Khảo sát dao động con lắc lò xo về mặt động lực học 1. Lực kéo về: F = kx k 2. Định luật II Niutơn a x m l m k 2 3. Tần số góc và chu kỳ T 2 k g m m.g Trong đó l là độ biến dạng lò xo tại VTCB k 4. Lực kéo về tỉ lệ với li độ x: F = - kx
Trung Tâm LTĐH Diệu Hiền – 43D – Đường 3/2 – TP.Cần Thơ – ĐT: 0949.355.366
1
Tài Liệu Ôn Thi Đại Học Môn Vật Lý
III. Khảo sát dao động con lắc lò xo về mặt năng lượng 1 1. Động năng: Wđ mv 2 = Wsin2(ωt + φ). 2 1 2. Thế năng: Wt kx 2 = Wcos2(ωt + φ). 2
1 2 1 kA m 2 A2 hằng số 2 2 Cơ năng của con lắc tỉ lệ với bình phương biên độ dao động Cơ năng của con lắc được bảo toàn nếu bỏ qua ma sát
3. Cơ năng toàn phần: W Wđ Wt Wđ max Wt max
CON LẮC ĐƠN I. Thế nào là con lắc đơn Gồm một vật nhỏ khối lượng m, treo ở đầu một sợi dây không dãn, khối lượng không đáng kể. II. Khảo sát dao động con lắc đơn về mặt động lực học - Lực thành phần Pt là lực kéo về: Pt = - mgsin s - Nếu góc nhỏ ( < 100) thì Pt mg mg l Khi dao động nhỏ, con lắc đơn dao động điều hòa. Phương trình s = S0cos(t +) l - Chu kỳ T 2 g III. Khảo sát dao động con lắc đơn về mặt năng lượng 1 1. Động năng Wđ mv 2 = Wsin2(ωt + φ). 2 2. Thế năng Wt = mgl(1 – cos) =Wcos2(ωt + φ). 1 1 1 3. Cơ năng W mv 2 mgl (1 cos ) = m2 S 02 mgl 02 mgl(1 - cos 0 ) hằng số 2 2 2 DAO ĐỘNG TẮT DẦN – DAO ĐỘNG CƯỠNG BỨC I. Dao động tắt dần 1. Thế nào là dao động tắt dần: Biên độ dao động giảm dần theo thời gian. 2. Giải thích: Do lực cản của môi trường 3. Ứng dụng: Thiết bị đóng cửa tự động hay giảm sốc. II. Dao động duy trì: 1. Thế nào là dao động duy trì: Giữ biên độ dao động của con lắc không đổi mà không làm thay đổi chu kỳ dao động riêng bằng cách cung cấp cho hệ một phần năng lượng đúng bằng phần năng lượng tiêu hao do ma sát sau mỗi chu kỳ. 2. Giải thích: Năng lượng cung cấp bù lại cho phần năng lượng mất đi. 3. Ứng dụng: Con lắc đồng hồ. III. Dao động cưỡng bức 1. Thế nào là dao động cưỡng bức: Giữ biên độ dao động của con lắc không đổi bằng cách tác dụng vào hệ một ngoại lực cưỡng bức tuần hoàn 2. Đặc điểm: - Tần số dao động của hệ bằng tần số của lực cưỡng bức. - Biên độ của dao động cưỡng bức phụ thuộc biên độ lực cưỡng bức và độ chênh lệch giữa tần số của lực cưỡng bức và tần số riêng của hệ dao động. IV. Hiện tượng cộng hưởng 1. Định nghĩa: Hiện tượng biên độ của dao động cưỡng bức tăng đến giá trị cực đại khi tần số f của lực cưỡng bức tiến đến bằng tần số riêng f0 của hệ dao động gọi là hiện tượng cộng hưởng. 2. Tầm quan trọng của hiện tượng cộng hưởng Hiện tượng cộng hưởng không chỉ có hại mà còn có lợi Điều kiện xảy ra hiện tượng cộng hưởng là f = f0 ↔ T = T0 ↔ ω = ω0
Trung Tâm LTĐH Diệu Hiền – 43D – Đường 3/2 – TP.Cần Thơ – ĐT: 0949.355.366
2
Tài Liệu Ôn Thi Đại Học Môn Vật Lý
TỔNG HỢP HAI DAO ĐỘNG ĐIỀU HÒA - PHƯƠNG PHÁP GIẢN ĐỒ FRÊ-NEN I. Véctơ quay Một dao động điều hòa có phương trình x = Acos(t + ) được biểu diễn bằng véctơ quay có các đặc điểm sau + Có gốc tại gốc tọa độ của trục Ox + Có độ dài bằng biên độ dao động, OM = A + Hợp với trục Ox một góc bằng pha ban đầu. II. Phương pháp giản đồ Frê-nen: Dao động tổng hợp của 2 dao động điều hòa cùng phương, cùng tần số là một dao động điều hòa cùng phương, cùng tần số với 2 dao động đó. Biên độ và pha ban đầu của dao động tổng hợp được xác định A 2 A 12 A 22 2A 1 A 2 cos( 2 1 ) A sin 1 A 2 sin 2 tan 1 A 1 cos 1 A 2 cos 2 Ảnh hưởng của độ lệch pha - Nếu 2 dao động thành phần cùng pha = 2k Biên độ dao động tổng hợp cực đại A = A1 + A2 - Nếu 2 dao động thành phần ngược pha = (2k+1) Biên độ dao động tổng hợp cực tiểu A A 1 A 2 - Trường hợp bất lỳ ta luôn có |A1 - A2| A A1 + A2
Trung Tâm LTĐH Diệu Hiền – 43D – Đường 3/2 – TP.Cần Thơ – ĐT: 0949.355.366
3
Tài Liệu Ôn Thi Đại Học Môn Vật Lý
Chương 2
SÓNG CƠ SÓNG CƠ VÀ SỰ TRUYỀN SÓNG CƠ I. Sóng cơ 1. Sóng cơ Dao động lan truyền trong một môi trường 2. Sóng ngang Phương dao động vuông góc với phương truyền sóng sóng ngang truyền được trong chất rắn và bề mặt chất lỏng 3. Sóng dọc Phương dao động trùng với phương truyền sóng sóng dọc truyền trong chất khí, chất lỏng và chất rắn II. Các đặc trưng của một sóng hình sin a. Biên độ sóng Biên độ dao động của một phần tử của môi trường có sóng truyền qua. b. Chu kỳ sóng Chu kỳ dao động của một phần tử của môi trường có sóng truyền qua. c. Tốc độ truyền sóng Tốc độ lan truyền dao động trong môi trường. v d. Bước sóng Quãng đường mà sóng truyền được trong một chu kỳ vT f Hai phần tử cách nhau một bước sóng thì dao động cùng pha. e. Năng lượng sóng Năng lượng dao động của một phần tử của môi trường có sóng truyền qua. III. Phương trình sóng Phương trình sóng tại gốc tọa độ u0 = Acost t x Phương trình sóng tại M cách gốc tọa độ x u M A cos(2 2 ) T Phương trình sóng là hàm tuần hoàn của thời gian và không gian. GIAO THOA SÓNG CƠ I. Hiện tượng giao thoa của hai sóng trên mặt nước 1. Định nghĩa: Hiện tượng 2 sóng gặp nhau tạo nên các gợn sóng ổn định. 2. Giải thích - Những điểm đứng yên 2 sóng gặp nhau ngược pha, triệt tiêu. - Những điểm dao động rất mạnh 2 sóng gặp nhau cùng pha, tăng cường. II. Cực đại và cực tiểu (d 2 d 1 ) 1. Dao động của một điểm trong vùng giao thoa A M 2A cos 2. Vị trí cực đại và cực tiểu giao thoa a. Vị trí các cực đại giao thoa d2 – d1 = k Những điểm tại đó dao động có biên độ cực đại là những điểm mà hiệu đường đi của 2 sóng từ nguồn truyền tới bằng một số nguyên lần bước sóng 1 b. Vị trí các cực tiểu giao thoa d 2 d 1 (k ) 2 Những điểm tại đó dao động có biên độ triệt tiêu là những điểm mà hiệu đường đi của 2 sóng từ nguồn truyền tới bằng một số nữa nguyên lần bước sóng III. Điều kiện giao thoa. Sóng kết hợp Điều kiện để có giao thoa 2 nguồn sóng là 2 nguồn kết hợp o Dao động cùng phương, cùng chu kỳ o Có hiệu số pha không đổi theo thời gian Hiện tượng giao thoa là hiện tượng đặc trưng của sóng. SÓNG DỪNG I. Sự phản xạ của sóng - Khi phản xạ trên vật cản cố định, sóng phản xạ luôn luôn ngược pha với sóng tới ở điểm phản xạ - Khi phản xạ trên vật cản tự do, sóng phản xạ luôn luôn cùng pha với sóng tới ở điểm phản xạ II. Sóng dừng 1. Định nghĩa Sóng truyền trên sợi dây trong trường hợp xuất hiện các nút và các bụng. Khoảng cách giữa 2 nút liên tiếp hoặc 2 bụng liên tiếp bằng nữa bước sóng
Trung Tâm LTĐH Diệu Hiền – 43D – Đường 3/2 – TP.Cần Thơ – ĐT: 0949.355.366
18
Tài Liệu Ôn Thi Đại Học Môn Vật Lý
2 Điều kiện để có sóng dừng trên một sợi dây có hai đầu cố định là chiều dài của sợi dây phải bằng một số nguyên lần nữa bước sóng. 3. Sóng dừng trên sợi dây có một đầu cố định, một đầu tự do l (2k 1) 4 Điều kiện để có sóng dừng trên một sợi dây có một đầu cố định, một đầu tự do là chiều dài của sợi dây phải bằng một số lẻ lần bước sóng. 2. Sóng dừng trên sợi dây có hai đầu cố định l k
ĐẶC TRƯNG VẬT LÝ CỦA ÂM I. Âm. Nguồn âm 1. Âm là gì: Sóng cơ truyền trong các môi trường khí, lỏng, rắn 2. Nguồn âm: Một vật dao động phát ra âm là một nguồn âm. 3. Âm nghe được, hạ âm, siêu âm - Âm nghe được có tần số từ 16Hz đến 20.000Hz - Hạ âm có tần số < 16Hz - Siêu âm có tần số > 20.000Hz 4. Sự truyền âm a. Môi trường truyền âm: Âm truyền được qua các chất rắn, lỏng và khí b. Tốc độ truyền âm: Tốc độ truyền âm trong chất lỏng lớn hơn trong chất khí và nhỏ hơn trong chất rắn II. Những đặc trưng vật lý của âm 1. Tần số âm Đặc trưng vật lý quan trọng của âm 2. Cường độ âm và mức cường độ âm a. Cường độ âm I: Đại lượng đo bằng lượng năng lượng mà sóng âm tải qua một đơn vị diện tích vuông góc với phương truyền âm trong một đơn vị thời gian. Đơn vị W/m2 I b. Mức cường độ âm: L(dB) 10 lg Âm chuẩn có f = 1000Hz và I0 = 10-12W/m2 I0 3. Âm cơ bản và họa âm - Khi một nhạc cụ phát ra một âm có tần số f0 (âm cơ bản) thì đồng thời cũng phát ra các âm có tần số 2f0, 3f0, 4f0…(các họa âm) tập hợp các họa âm tạo thành phổ của nhạc âm. - Tổng hợp đồ thị dao động của tất cả các họa âm ta có đồ thị dao động của nhạc âm là đặc trưng vật lý của âm ĐẶC TRƯNG SINH LÍ CỦA ÂM I. Độ cao: Đặc trưng sinh lí của âm gắn liền với tần số. Tần số lớn Âm cao, tần số nhỏ Âm trầm II. Độ to: Đặc trưng sinh lí của âm gắn liền với mức cường độ âm.Cường độ càng lớn Nghe càng to III. Âm sắc: Đặc trưng sinh lí của âm giúp ta phân biệt âm do các nguồn âm khác nhau phát ra. Âm sắc liên quan mật thiết với đồ thị dao động âm.
Trung Tâm LTĐH Diệu Hiền – 43D – Đường 3/2 – TP.Cần Thơ – ĐT: 0949.355.366
19
Tài Liệu Ôn Thi Đại Học Môn Vật Lý
Chương 3
DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU
ĐẠI CƯƠNG VỀ DÒNG ĐIỆN XOAY CHIỀU I. Khái niệm dòng điện xoay chiều Dòng điện có cường độ biến thiên tuần hoàn theo thời gian theo quy luật hàm sin hay cosin. i I 0 cos(t ) II. Nguyên tắc tạo ra dòng điện xoay chiều Từ thông qua cuộn dây = NBScost 0 cos t Suất điện động cảm ứng e = ' =NBSsint = E0 sin t dòng điện xoay chiều i I 0 cos(t ) III. Giá trị hiệu dụng Cường độ hiệu dụng của dòng điện xoay chiều là đại lượng có giá trị của cường độ dòng điện không đổi sao cho khi đi qua cùng một điện trở R, thì công suất tiêu thụ trong R bởi dòng điện không I đổi ấy bằng công suất trung bình tiêu thụ trong R bởi dòng điện xoay chiều nói trên I 0 2 E0 U0 Tương tự E và U 2 2 CÁC MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU I. Mạch điện chỉ có R Cho u = U0cos(t+u) R i = I0cos(t+u) U Với I 0 0 HĐT tức thời 2 đầu R cùng pha với CĐDĐ R II. Mạch điện chỉ có C C Cho u = U0cos(t+u) 1 ZC C i I 0 cos(t u ) Với HĐT tức thời 2 đầu C chậm pha so với CĐDĐ U 2 2 I 0 0 ZC L III. Mạch điện chỉ có L Cho u = U0cos(t+u) Z L L i I 0 cos(t u ) Với U0 2 I 0 Z L
HĐT tức thời 2 đầu L lệch pha
MẠCH CÓ R,L,C MẮC NỐI TIẾP I. Mạch có R,L,C mắc nối tiếp - Tổng trở Z R 2 ( Z L Z C ) 2 - Định luật Ohm I 0
R
L
so với CĐDĐ 2
C
U0 Z
- Độ lệch pha với tan
Z L ZC U L U C R UR
u U 0 cos(t u ) i I 0 cos(t u ) Liên hệ giữa u và i i I 0 cos(t i ) u U 0 cos(t i ) Với là độ lệch pha giữa u và i hay = u - i Trung Tâm LTĐH Diệu Hiền – 43D – Đường 3/2 – TP.Cần Thơ – ĐT: 0949.355.366
28
Tài Liệu Ôn Thi Đại Học Môn Vật Lý
II. Cộng hưởng điện Khi ZL = ZC LC2 = 1 thì + Dòng điện cùng pha với điện áp = 0 + Cường độ dòng điện hiệu dụng có giá trị cực đại I max
U R
CÔNG SUẤT TIÊU THỤ CỦA MẠCH ĐIỆN XOAY CHIỀU. HỆ SỐ CÔNG SUẤT I. Công suất của mạch điện xoay chiều Công suất thức thời P = ui Công suất trung bình P = UIcos Điện năng tiêu thụ W = Pt II. Hệ số công suất R Hệ số công suất Cos = (0 cos 1) Z P P2 Ý nghĩa I Php rI 2 2 U cos U cos 2 Nếu Cos nhỏ thì hao phí trên đường dây sẽ lớn. Công thức khác tính công suất P = RI2 TRUYỀN TẢI ĐIỆN NĂNG ĐI XA. MÁY BIẾN ÁP I. Bài toán truyền tải điện năng đi xa Công suất máy phát Pphát = Uphát.I rPphát Công suất hao phí Phaophí = rI2 = U phát Giảm hao phí có 2 cách - Giảm r cách này rất tốn kém chi phí - Tăng U Bằng cách dùng máy biến áp, cách này có hiệu quả II. Máy biến áp 1. Định nghĩa: Thiết bị có khả năng biến đổi điện áp xoay chiều 2. Cấu tạo gồm 2 cuộn dây dẫn quấn trên một khung sắt non có pha silíc (lõi biến áp). Cuộn dây nối với nguồn điện gọi là cuộn sơ cấp. Cuộn dây nối với tải tiêu thụ gọi là cuộn thứ cấp 3. Nguyên tắc hoạt động dựa trên hiện tượng cảm ứng điện từ. Dòng điện xoay chiều trong cuộn sơ cấp gây ra từ thông biến thiên trong cuộn thứ cấp làm phát sinh dòng điện xoay chiều 4. Công thức N1, U1, I1 là số vòng dây, điện áp, cường độ dòng điện cuộn sơ cấp N2, U2, I2 là số vòng dây, điện áp, cường độ dòng điện cuộn sơ cấp
U 2 I1 N 2 U1 I 2 N1 5. Ứng dụng truyền tải điện năng, nấu chảy kim loại, hàn điện … MÁY PHÁT ĐIỆN XOAY CHIỀU I. Máy phát điện xoay chiều 1 pha - Phần cảm: Là nam châm quay quanh trục gọi là rô-to. - Phần ứng: Gồm các cuộn dây giống nhau cố định trên một vòng tròn gọi là sta-to. Tần số dòng điện xoay chiều f = pn Trong đó p số cặp cực, n là tốc độ quay của ro-to tính bằng vòng /giây II. Máy phát điện xoay chiều 3 pha 1. Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động Máy phát điện xoay chiều ba pha là máy tạo ra 3 suất điện động xoay chiều hình sin cùng tần số, cùng biên độ và lệch pha nhau 2/3 Cấu tạo - Sta-to: Gồm 3 cuộn dây giống nhau gắn cố định trên một vòng tròn lệch nhau 1200 - Ro-to: Là một nam châm có thể quay quanh trục Trung Tâm LTĐH Diệu Hiền – 43D – Đường 3/2 – TP.Cần Thơ – ĐT: 0949.355.366
29
Tài Liệu Ôn Thi Đại Học Môn Vật Lý
Nguyên tắc hoạt động: Khi nam châm quay, từ thông qua 3 cuộn dây biến thiên lệch pha 2/3 làm xuất hiện 3 suất điện động xoay chiều cùng tần số, cùng biên độ, lệch pha 2/3 2. Cách mắc mạch ba pha mắc hình sao: Công thức U dây 3U pha 3. Ưu điểm - Tiết kiệm được dây dẫn - Cung cấp điện cho các động cơ 3 pha ĐỘNG CƠ KHÔNG ĐỒNG BỘ BA PHA I. Nguyên tắc hoạt động Khung dây dẫn đặt trong từ trường quay sẽ quay theo từ trường đó nhưng với tốc độ nhỏ hơn II. Động cơ không đồng bộ ba pha Stato gồm 3 cuộn dây giống nhau đặt lệch 1200 trên 1 vòng tròn Rôto Khung dây dẫn quay dưới tác dụng của từ trường
Trung Tâm LTĐH Diệu Hiền – 43D – Đường 3/2 – TP.Cần Thơ – ĐT: 0949.355.366
30
Tài Liệu Ôn Thi Đại Học Môn Vật Lý
Chương 4
DAO ĐỘNG VÀ SÓNG ĐIỆN TỪ MẠCH DAO ĐỘNG I. Mạch dao động Cuộn cảm có độ tự cảm L mắc nối tiếp với tụ điện C thành mạch điện kín. II. Dao động điện từ tự do trong mạch dao động 1. Biến thiên điện tích và dòng điện (Chọn t = 0 sao cho = 0) q q0 cos t 1 Với i I 0 cos(t ) 2 LC Dòng điện qua L biến thiên điều hòa sớm pha hơn điện tích trên tụ điện C góc 2. Chu kỳ và tầ số riêng của mạch dao động T 2 LC và f
2
1 2 LC
III. Năng lượng điện từ Tổng năng lượng điện trường trên tụ điện và năng lượng tử trường trên cuộn cảm gọi là năng lượng điện từ 1 1 1 1 1 Q02 1 W Wđ Wt Cu 2 Li 2 LI 02 CU 02 Q0U 0 const 2 2 2 2 2 C 2 ĐIỆN TỪ TRƯỜNG I. Mối quan hệ giữa điện trường và từ trường - Nếu tại một nơi có một từ trường biến thiên theo thời gian thì tại nơi đó xuất hiện một điện trường xoáy - Nếu tại một nơi có một điện trường biến thiên theo thời gian thì tại nơi đó xuất hiện một từ trường xoáy II. Điện từ trường Điện trường biến thiên và từ trường biến thiên liên quan mật thiết với nhau và là hai thành phần của một trường thống nhất gọi là điện từ trường SÓNG ĐIỆN TỪ I. Sóng điện từ 1. Định nghĩa Sóng điện từ là điện từ trường lan truyền trong không gian 2. Đặc điểm sóng điện từ - Sóng điện từ lan truyền được trong chân không với tốc độ v = c = 3.108 m/s - Sóng điện từ là sóng ngang. - Dao động của điện trường và từ trường tại một điểm luôn đồng pha - Sóng điện từ cũng phản xạ và khúc xạ như ánh sáng - Sóng điện từ mang năng lượng - Sóng điện từ bước sóng từ vài m đến vài km dùng trong thông tin vô tuyến gọi là sóng vô tuyến. II. Sự truyền sóng vô tuyến trong khí quyển Các phân tử không khí hấp thụ mạnh sóng dài, sóng trung, sóng cực ngắn Sóng ngắn phản xạ tốt trên tầng điện li. III. Bước sóng của sóng điện từ Trong chân không (hoặc không khí) vT 3.108.2 LC NGUYÊN TẮC THÔNG TIN LIÊN LẠC BẰNG SÓNG VÔ TUYẾN I. Nguyên tắc chung 1. Phải dùng sóng điện từ cao tần để tải thông tin gọi là sóng mang 2. Phải biến điệu các sóng mang “trộn” sóng âm tần với sóng mang 3. Ở nơi thu phải tách sóng âm tần ra khỏi sóng mang 4. Khuếch đại tín hiệu thu được. Trung Tâm LTĐH Diệu Hiền – 43D – Đường 3/2 – TP.Cần Thơ – ĐT: 0949.355.366
53
Tài Liệu Ôn Thi Đại Học Môn Vật Lý
II. Cấu tạo một máy phát thanh gồm Micrô, bộ phát sóng cao tần, mạch biến điệu, mạch khuếch đại và ăng ten. III. Cấu tạo một máy thu thanh gồm Anten, mạch khuếch đại dao động điện từ cao tần, mạch tách sóng, mạch khuếch đại dao động điện từ âm tần và loa.
Trung Tâm LTĐH Diệu Hiền – 43D – Đường 3/2 – TP.Cần Thơ – ĐT: 0949.355.366
54