Báo cáo bài tập lớn Vật lý 1 - Đề tài 9: Lực thế và thế năng

Nội dung text: Báo cáo bài tập lớn Vật lý 1 - Đề tài 9: Lực thế và thế năng

1. BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA TP.HCM KHOA KỸ THUẬT HÓA HỌC BÁO CÁO BÀI TẬP LỚN VẬT LÝ 1 ĐỀ TÀI 9: Lực thế và thế năng Giảng viên hướng dẫn : Nguyễn Thị Minh Hương Lớp : L22 Nhóm thực hiện: 7 1
2. MỤC LỤC DANH SÁCH NHÓM MỤC LỤC DANH MỤC CÁC BẢNG VÀ HÌNH TÓM TẮT PHẦN MỞ ĐẦU PHẦN NỘI DUNG Chương 1: LỰC THẾ 1.1. Lực 1.2. Lực thế Chương 2: THẾ NĂNG VÀ ĐỘNG NĂNG 2.1. Thế năng 2.1.1. Định nghĩa 2.1.2. Định lý về thế năng 2.1.3. Một số loại thế năng 2.2. Động năng 2.2.1. Định nghĩa 2.2.2. Định lý động năng Chương 3: CƠ NĂNG 3.1. Định nghĩa 3.2. Định lí bảo toàn cơ năng Chương 4: BÀI TOÁN 4.1. Tìm hiểu bài toán 4.2. Định hướng cách giải 4.3. Sử dụng công cụ hỗ trợ Matlab 4.3.1. Phương hướng giải PHẦN KẾT LUẬN DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO DANH MỤC CÁC BẢNG VÀ HÌNH Bảng 4.1 Hình 4.1 Hình 4.2 3
3. PHẦN NỘI DUNG Chương 1: LỰC THẾ 1.1. Lực Trong vật lý học, lực là bất kỳ ảnh hưởng nào làm một vật thể chịu sự thay đổi, hoặc là ảnh hưởng đến chuyển động, hướng của nó hay cấu trúc hình học của nó. Nói cách khác, lực là nguyên nhân làm cho một vật có khối lượng thay đổi vận tốc của nó (bao gồm chuyển động từ trạng thái nghỉ), tới chuyển động có gia tốc, hay làm biến dạng vật thể, hoặc cả hai. Lực cũng có thể được miêu tả bằng những khái niệm trực giác như sự đẩy hoặc kéo.Lực là đại lượng vectơ có độ lớn và hướng. VD: Lực ma sát giữa bánh xe với mặt đường khi xe di chuyển trên đường, lực hútgiữa các điện tích điểm trái dấu, lực hấp dẫn giữa trái đất vàmặt trăng, lực đàn hồi của lò xo giảm xóc trong xe máy. 1.2. Lực thế Lực bảo toàn hay còn gọi là lực thế là các loại lực khi tác động lên một vật sinh ra một công cơ học có độ lớn không phụ thuộc vào dạng của đường đi mà chỉ phụ thuộc vào vị trí của điềm đầu và điểm cuối. lực thế dược sinh ra trong trường thế với công thức F=- dW/dr . Các ví dụ của lực bảo toàn là lực tĩnh điện và lực hấp dẫn. VD: Trọng lực, lực đàn hồi của lò xo, lực tương tác tĩnh điệncủa các điện tích điểm Chương 2: THẾ NĂNG VÀ ĐỘNG NĂNG 2.1. Thế năng 2.1.1. Định nghĩa Xét một trường thế. Trong trường thế ta chọn một điểm O có tọa độ (xo, yo, zo) làm gốc để tính thế năng (tức là quiước thế năng tại O bằng không). Ta tính công A(MO) khi làmdịch chuyển chất điểm từ vị trí M có tọa độ (x, y, z) đến vịtrí O. Ta biết rằng công A(MO) chỉ là hàm của tọa độ (x o, yo,zo) và (x, y, z): A(MO) = U(x, y, z, xo, yo, zo) Trong đó ta ký hiệu U là một hàm nào đó của biến trên.Vì rằng điểm O là một điểm chọn trước và cố định (điểm Okhông phải là biến) nên các tọa độ xo, yo, zo là những hằng số nên U chỉ còn là hàm của các tọa độ x, y, z U(x, y, z) = A(MO) Vậy ta có thể định nghĩa thế năng : Thế năng tại điểm M(x, y, z) trong trường thế là công làmdịch chuyển chất điểm từ vị trí M đến điểm gốc của thếnăng. Lưu ý: Việc chọn điểm gốc để tính thế năng là hoàn toàn tùyý. 2.1.2. Định lý về thế năng Ta tính công làm dịch chuyển chất điểm từ M đến N là hai điểmkhác nhau trong trường 5
4. • Do đó: ∆(K+U) = ∆E = 0 Hay: Cơ năng được bảo toàn • Nếu có cả các lực không bảo toàn thì: Wc + Wnc = -∆U + Wnc = ∆K • Suy ra: ∆(K+U) = ∆E = Wnc • Cơ năng không còn được bảo toàn nữa, độ biến thiên cơ năng bằng tổngcông của các lực không bảo toàn. • Nếu lực không bảo toàn là lực ma sát: Wnc < 0, do đó cơ năng E giảm. 7
5. Sau đây ta áp dụng cách giải trên vào một bài toán với những thông số cụ thể: Ví dụ: Cho một chất điểm chuyển động trong trường thếvới lực thế F được định nghĩa: Tính động năng và thế năng của chất điểm tại t=0 và các thời điểm tiếp theo với bước nhảy là 1s. Lập bảng kết quả sau 3 lần. Biết , vị trí ban đầu (m), vậntốc đầu (m/s), khối lượng chất điểm (kg). Kết quả: Thời gian Thế năng Động năng t=0 0,5J 1J t=1 -0,2109J 2,25J t=2 -242,4067J 6,8906 Bảng 4.1: Kết quả khảo sát thế năng và động năng 9
6. disp('Ghi chu: Cac so 1,2, tren do thi danh dautrang thai cua vat trong cac buoc nhay thoi gian'); end 11
7. Kết quả khi khởi chạy đọan mã trên Matlab đểgiải quyết bài toán trên: Hình 4.1: Hình chụp màn hình từ cửa sổ CommandWindow của Matlab 13
8. KẾT LUẬN Như vậy, ta đã đi từ những vấn đề chung đến bài toán riêngkhá phức tạp đòi hỏi nhiều công việc tính toán với người giảiquyết bài toán. Tuy nhiên, với sự hỗ trợ của công cụ Matlab,việc giải quyết, khảo sát bài toán trở nên dễ dàng, sinh độngvà trực quan hơn. DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Giáo trình vật lí đại cương A1 – ĐHQG TPHCM [2] Phạm Thị Ngọc Yến, Lê Hữu Tình, “Cơ sở Matlab và ứng dụng”, NXB Khoa học & Kỹ thuật 15