Bài tập môn Vật lý đại cương - Chương 3: Công và năng lượng

Nội dung text: Bài tập môn Vật lý đại cương - Chương 3: Công và năng lượng

1. Bài tập chương 4. Công và năng lượng A. Phần tóm tắt lý thuyết 1. Công Công nguyên tố (vi phân công) của lực F trên một đoạn đường vi phân ds dAFdscosFd sFdr Trường hợp đặc biệt: Nếu lực F không đổi và luôn tạo với đường đi 1 góc , ta có công thức: A F sc o s Trong hệ SI, đơn vị đo công là joule (jun), ký hiệu là (J), thứ nguyên là: [A] = ML2T-2 2. Công suất AFs - Công suất trung bình: PFv tbtb tt dAFds - Công suất tức thời: PFv dtdt Đơn vị đo: Watt (oát), ký hiệu W = J/s Một số đơn vị đo khác: 1 kW = 103 W, 1 MW = 106 W, 1 HP = 736 W - Công và công suất trong chuyển động quay: dAFdsFrdd tt M P M 3. Động năng của chất điểm 1 Wmv 2 d 2 Định lý động năng: Độ biến thiên động năng của chất điểm trong một chuyển dời có giá trị bằng công của ngoại lực tác dụng lên chất điểm trong chuyển dời đó. AWW d2d1 I2 - Động năng của vật rắn quay: W d 2 II22 I2 Suy ra: A 21 , trong đó W gọi là động năng quay của vật rắn. 22 d 2 Trong trường hợp tổng quát, vật rắn lăn không trượt động năng toàn phần sẽ bằng tổng động năng tịnh tiến cộng động năng quay: 11 WmvI  22 d 22 4.Bài toán va chạm - Va chạm đàn hồi xuyên tâm: động lượng và động năng được bảo toàn m1 vm 12 21vm 12 vm 2 v m v 2 m v 2 m v 2 m v 2 1 1 2 2 1 1 2 2 2 2 2 2 Giải ra: 2m2 v(mm 2121 )v v1 mm12 2m1 v 1 (m 2 m 1 )v 2 v'2 mm12 - Va chạm mềm: chỉ có động lượng được bảo toàn 1
2. m1122 vmv mmvm121122 vmvv mm12 - Độ giảm động năng của hệ: 1111 222 mm12 2 Wmd11221212 vm vmmvvv 2222 mm 12 5. Thế năng - Thế năng trọng trường: Wt(h) = mgh + C; trong đó h là độ cao từ m tới mặt đất, C = 0 khi gốc thế năng ở mặt đất. - Thế năng đàn hồi: 1 W k x C 2 , trong đó x là độ biến dạng của lò xo, C = 0 khi gốc thế năng ở vị trí lò xo không biến dạng t 2 - Định lý về độ giảm thế năng: Công của trường lực (tức là công của trọng trường hoặc công của lực đàn hồi) tác dụng lên chất điểm bằng độ giảm thế năng. AWMWNMNtt 6. Cơ năng & định luật bảo toàn cơ năng: Tổng động năng và thế năng của chất điểm được gọi là cơ năng của chất điểm. Khi chất điểm chuyển động trong một rường lực thế (mà không chịu tác dụng của 1 lực nào khác) thì cơ năng của chất điểm là một đại lượng bảo toàn. WWWconst dt mv2 Wmghconst 2 - Từ định lý động năng và định lý thế năng dễ dàng thấy: AWW d2d1 và AWWtt1t2 , suy ra: WA#t Bài tập cần làm: 4.2, 4.4, 4.8, 4.12, 4.13, 4.14, 4.16, 4.18, 4.20, 4.22, 4.26, 4.27, 4.30, 4.32. Phải nộp: 4.2, 4.4, 4.14, 4.16, 4.20, 4.27, 4.32 Bài 4.2. Tính công cần thiết để kéo một lò xo giãn ra 20 cm, biết rằng lực kéo tỷ lệ với độ giãn của lò xo và muốn lò xo giãn 1 cm phải cần một lực 30 N. Bài giải: 30 N Độ cứng của lò xo: k 3000 0,01 m Công cần thiết để kéo lò xo giãn ra 20 cm = 0,2 m là: xx k x3000.0,222 AFdxkxdx60 J 00 22 Bài 4.4. Một ôtô khối lượng 2 tấn, leo lên dốc có độ nghiêng 4%. Hệ số ma sát là 0,08. Tìm: a) công thực hiện bởi động cơ ôtô trên quãng đường dài 3km; b) Công suất của động cơ ôtô, biết rằng thời gian đi hết quãng đường trên mất 4 phút. Tóm tắt: m2000 kg ; sin4%;0,08  a)s3000 m ;A? b)t240 s ;P? Bài giải: 2
3. Ô tô chuyển động đều lên dốc, các lực tác dụng vào ô tô thỏa mãn điều kiện: FPFN0kms , dễ dàng suy ra: FPsinF0 kms Fmgsinkmgk cos 6 A Fk s mg sin k cos s 2000.10. 0,04 0,08.1 .3000 7,2.10 J A7,2.10 6 Công suất của động cơ: P30000W t240 Bài 4.13. Một vật khối lượng m trượt không ma sát từ đỉnh một mặt cầu xuống dưới (hình vẽ). Hỏi từ khoảng cách h nào (tính từ đỉnh mặt cầu) vật bắt đầu rơi khỏi mặt cầu. Cho bán kính mặt cầu R = 90 cm. Chú ý: Điều kiện của bài toán này là tìm khoảng cách để vật rơi khỏi mặt cầu. Vật chỉ chịu tác dụng của trọng lực và áp lực, khi nào áp lực bằng 0 thì vật sẽ rời khỏi mặt cầu thôi  Xét tại thời điểm t vật ở vị trí như hình vẽ, khi đó theo định luật II Newton ta có: P N m a Chiếu lên phương hướng tâm ta được phương trình: mvmv22Rh PsinNmaNmgsin trong đó sin ht RRR Mặt khác, áp dụng định luật bảo toàn cơ năng (cho vị trí cao nhất và vị trí thời điểm t): mvmv22mv2mgh2 mgRmg Rhmg h , thay giá trị này vào biểu thức trên ta được: 22RR mvRh2mg2 h3 h R Nmgsinmgmg 1 , điều kiện N = 0, ta có: h30cm RRRR 3 Bài 4.20. Để đo vận tốc của viên đạn người ta dùng con lắc thử đạn. Đó là một bì cát treo ở đầu một sợi dây (hình vẽ). Khi viên đạn xuyên vào bì cát, nó bị mắc tại đó và bì cát được nâng lên một độ cao h nào đó. Tìm vận tốc của đạn lúc nó sắp xuyên vào bì cát. Biết khối lượng của viên đạn là m, khối lượng của bì cát là M. Bài giải: Định luật bảo toàn động lượng: mvMmV , trong đó V là vận tốc của hệ bì cát và viên đạn sau va chạm mv V Mm Áp dụng định luật bảo toàn cơ năng: mM V 2 mM gh V 2gh 2 mv m M So sánh ta được: 2gh v 2gh M m m Bài 4.22. Một hòn bi khối lượng m chuyển động không ma sát trên một đường rãnh có dạng như hình vẽ. Hòn bi được thả không có vận tốc ban đầu từ độ cao h = 2R, kích thước của bi nhỏ không đáng kể. Hỏi: a) Ở độ cao nào bi rời khỏi đường rãnh? b) Độ cao lớn nhất mà hòn bi sẽ đạt được sau khi rời khỏi rãnh? 3
4. Cơ năng ban đầu tại A (chỉ gồm thế năng) WA 2m g R Tại điểm B (là điểm mà tại đó vật rời khỏi rãnh) mv2 WmgH B12 mvmv22H Áp dụng định luật bảo toàn cơ năng: mgH2mgR4mg2mg 1 (1) 1 2RR Tại B, phương trình định luật 2 Newton: P N m a , chiếu lên phương bán kính: mvmv22 PsinNNmgsin RR 2 HRHHHHH1 1mv 1 1 1 1 sin 1 N mg 1 4mg 2mg mg 1 5mg 3mg RRRRRRR 5 Tại đây vật rời khỏi rãnh nên áp lực N = 0, suy ra: N0HR 1 3 Thay vào 1 trong các phương trình trên để tìm vận tốc tại B: mv5mvmv12222 mgH2mgRmgR2mgRmgRvgR 1B232233 Tại điểm B ta có một chuyển động ném xiên với góc  Vận tốc theo phương ngang H1 258 vBBB cosv sinv1gR1gR R3327 Cơ năng tại điểm cao nhất sau khi rời khỏi rãnh (khi đó chỉ còn vận tốc theo phương ngang): 1184 WmgHmvmgHmgRmgHmgR 2 C222 222727 So sánh với cơ năng tại A: 4450 2mgRmgHmgRH2RR 22 272727 Bài 4.27. Tính công cần thiết để làm cho một vô lăng hình vành tròn đường mình 1 m, khối lượng 500 kg, đang đứng yên quay tới vận tốc 120 vòng/phút. Bài giải: 120.2 Phải đổi đơn vị:  1204 vßng rad / / phót s 60 Áp dụng định lý về độ biến thiên động năng ta có: 1111222 11 22 22 2 A Wd I  0 ImRmd.500.1    . 4 10000 J 2222 48 Bài 4.32. Một người ngồi trên ghế Giucôpxki và cầm trong tay hai quả tạ, mỗi quả có khối lượng 10 kg. Khoảng cách từ mỗi quả tới trục quay là 0,75m. Ghế quay với vận tốc ω1 = 1 vòng/s. Hỏi công do người thực hiện và vận tốc của ghế nếu người đó co tay lại để khoảng cách từ mỗi quả tạ đến trục quay chỉ còn là 0,20 m, 2 cho biết mômen quán tính của người và ghế đối với trục quay là I0 = 2,5kg.m . 4
5. Bài giải: Đổi đơn vị:  1 12rad vßng / s / s Mômen quán tính của hệ trước: 222 II2md2,52.10.0,7513,75kg.m101 Của hệ sau: 222 II2md2,52.10.0,203,30kg.m202 Áp dụng định luật bảo toàn mômen động lượng ta được: 2 2 I11 I01 2md 2,5 2.10.0,75 I1 1 I 2  2  2 22  1 .2 I2 I 0 2md 2 2,5 2.10.0,20 2 6 ,2 r a d / s 11 2 Động năng trước và sau: WI.13,75.2271,4J  2 d111 22 11 WI.3,3.26,21132,6J  22 d222 22 Công của người đó phải thực hiện là: AWW1132,6271,4861,2J d1d2 5