A-Level Physics (9702) đi từ đo lường và chuyển động cho đến vật lý lượng tử. Bước nhảy lớn nhất so với IGCSE là đại số: bạn phải sắp xếp lại và kết hợp các phương trình, không chỉ nhớ chúng.
Năm AS: cơ học, sóng, điện, và phần đầu của vật lý hạt nhân. Năm A2: chuyển động tròn, trường hấp dẫn, điện trường và từ trường, dao động, nhiệt động lực học và vật lý hạt nhân.
Đọc một chủ đề, sau đó làm bài tập về nó ngay lập tức. Vật lý không bám lâu nếu chỉ đọc sách. Khi đáp án sai, hãy tự hỏi: đó là lỗi về vật lý hay về đại số? Hai loại lỗi này đòi hỏi cách khắc phục khác nhau.
understand that all physical quantities consist of a numerical magnitude and a unit
make reasonable estimates of physical quantities included within the syllabus
Tiếng Việt
hiểu rằng tất cả các đại lượng vật lý đều bao gồm một độ lớn số học và một đơn vị
đưa ra các ước lượng hợp lý cho các đại lượng vật lý nằm trong chương trình học
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
A physical quantity 物理量 has two parts: a number (its magnitude 大小) and a unit 单位. The number on its own tells you nothing. You must also say what is measured and in which unit.
Example: "the length is 1.5" is not complete. "The length is 1.5 m" is a physical quantity.
Making estimates
You should be able to estimate 估算 the size of the physical quantities in this syllabus. Paper 1 usually opens with a question like this. Learn these rough values:
mass 质量 of an adult human: $\sim 70\ \text{kg}$; of a car: $\sim 1000\ \text{kg}$; of an apple: $\sim 0.1\ \text{kg}$
weight 重力 of an adult human: $\sim 700\ \text{N}$; of an apple: $\sim 1\ \text{N}$
height of an adult human: $\sim 1.7\ \text{m}$; height of a room: $\sim 3\ \text{m}$
walking speed: $\sim 1.5\ \text{m s}^{-1}$; a car on a fast road: $\sim 30\ \text{m s}^{-1}$
speed of sound in air: $\sim 340\ \text{m s}^{-1}$; speed of light in a vacuum 真空: $3.0 \times 10^{8}\ \text{m s}^{-1}$
acceleration 加速度 of free fall 自由落体: $g \approx 9.81\ \text{m s}^{-2}$
density 密度 of water: $1000\ \text{kg m}^{-3}$; of air: $\sim 1.2\ \text{kg m}^{-3}$; of steel: $\sim 8000\ \text{kg m}^{-3}$
power of a kettle: $\sim 2\ \text{kW}$; of a person climbing stairs: $\sim 300\ \text{W}$
wavelength of visible light: $\sim 5 \times 10^{-7}\ \text{m}$; diameter of an atom: $\sim 10^{-10}\ \text{m}$; of a nucleus: $\sim 10^{-15}\ \text{m}$
A good estimate has the right order of magnitude 数量级 (the right power of ten). For a human, 70 kg is a good guess; 7 kg is not.
To estimate a quantity that is not in the list, build it from ones that are. The kinetic energy of a moving car is $\tfrac{1}{2}mv^{2} \approx \tfrac{1}{2} \times 1000 \times 30^{2} \approx 5 \times 10^{5}\ \text{J}$. The pressure under a standing person is $700\ \text{N} / 0.02\ \text{m}^{2} \approx 4 \times 10^{4}\ \text{Pa}$. Always check that the power of ten looks sensible before you move on.
recall the following SI base quantities and their units: mass (kg), length (m), time (s), current (A), temperature (K)
express derived units as products or quotients of the SI base units and use the derived units for quantities listed in this syllabus as appropriate
use SI base units to check the homogeneity of physical equations
recall and use the following prefixes and their symbols to indicate decimal submultiples or multiples of both base and derived units: pico (p), nano (n), micro (\mu), milli (m), centi (c), deci (d), kilo (k), mega (M), giga (G), tera (T)
Tiếng Việt
nhớ lại các đại lượng cơ bản SI sau đây và đơn vị của chúng: khối lượng (kg), chiều dài (m), thời gian (s), dòng điện (A), nhiệt độ (K)
biểu diễn đơn vị dẫn xuất dưới dạng tích hoặc thương của các đơn vị cơ bản SI và sử dụng các đơn vị dẫn xuất cho các đại lượng được liệt kê trong chương trình học này một cách phù hợp
sử dụng đơn vị cơ bản SI để kiểm tra tính homo geneity (đồng nhất) của các phương trình vật lý
nhớ lại và sử dụng các tiền tố và ký hiệu sau đây để chỉ ra các bội số hoặc phân số thập phân của cả đơn vị cơ bản và đơn vị dẫn xuất: pico (p), nano (n), micro (\mu), mili (m), centi (c), deci (d), kilo (k), mega (M), giga (G), tera (T)
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
Base units
The SI system has seven base quantities 基本量; five of them are used in this topic. You must know these five and their units:
mass — kilogram, $\text{kg}$
length 长度 — metre, $\text{m}$
time — second, $\text{s}$
current 电流 — ampere 安培, $\text{A}$
temperature 温度 — kelvin 开尔文, $\text{K}$
Every other unit in this syllabus is built from these five.
Derived units
A derived unit 导出单位 is made by multiplying or dividing base units. You should be able to write any quantity in this syllabus in base units.
Build a derived unit from the equation that defines it:
speed 速率 = distance / time, so its unit is $\text{m s}^{-1}$
acceleration = change in velocity 速度 / time, so its unit is $\text{m s}^{-2}$
force 力 = mass × acceleration, so its unit is $\text{kg m s}^{-2}$. The newton 牛顿 is $1\ \text{N} = 1\ \text{kg m s}^{-2}$.
work 功 and energy 能量 = force × distance, so the unit is $\text{kg m}^{2}\ \text{s}^{-2}$. The joule 焦耳 is $1\ \text{J} = 1\ \text{kg m}^{2}\ \text{s}^{-2}$.
power 功率 = energy / time, so the unit is $\text{kg m}^{2}\ \text{s}^{-3}$. The watt 瓦特 is $1\ \text{W} = 1\ \text{kg m}^{2}\ \text{s}^{-3}$.
pressure 压强 and stress 应力 = force / area, so the unit is $\text{kg m}^{-1}\ \text{s}^{-2}$. The pascal 帕斯卡 is $1\ \text{Pa} = 1\ \text{kg m}^{-1}\ \text{s}^{-2}$.
When a question asks for the SI base units of a quantity, replace each named unit with its base units, then simplify. Example: the SI base units of the watt are $\text{kg m}^{2}\ \text{s}^{-3}$.
Checking that the units match
An equation is homogeneous 量纲一致 when both sides have the same base units. In plain words: the units on both sides match.
Write each side in base units and compare. Take the equation $v^{2} = u^{2} + 2as$:
left side: $(\text{m s}^{-1})^{2} = \text{m}^{2}\ \text{s}^{-2}$
right side, first term: $(\text{m s}^{-1})^{2} = \text{m}^{2}\ \text{s}^{-2}$
right side, second term: $\text{m s}^{-2} \cdot \text{m} = \text{m}^{2}\ \text{s}^{-2}$
Both sides give $\text{m}^{2}\ \text{s}^{-2}$, so the units match.
Be careful: matching units do not prove the whole equation is correct. It could still have a wrong number, or a missing factor of 2. But if the units do not match, the equation is wrong for sure.
Worked example. The drag force on a falling ball is given by $F = kv^{2}$, where $v$ is the speed. Find the SI base units of the constant $k$.
Rearrange: $k = F / v^{2}$. In base units, $F$ is $\text{kg m s}^{-2}$ and $v^{2}$ is $\text{m}^{2}\ \text{s}^{-2}$, so
$$k:\ \frac{\text{kg m s}^{-2}}{\text{m}^{2}\ \text{s}^{-2}} = \text{kg m}^{-1}.$$
A multiple-choice question often asks "which equation could be correct?". Check the base units of each option; only a homogeneous equation can be correct. A pure number (like 2, $\pi$ or $\tfrac{1}{2}$) has no unit, so it never changes the check.
Prefixes
A prefix 词头 is a letter put in front of a unit to make it bigger or smaller by powers of ten. You must know these:
The SI prefixes climb in steps of a thousand, from pico to giga
Prefix
Symbol
Factor
tera
T
$10^{12}$
giga
G
$10^{9}$
mega
M
$10^{6}$
kilo
k
$10^{3}$
deci
d
$10^{-1}$
centi
c
$10^{-2}$
milli
m
$10^{-3}$
micro
$\mu$
$10^{-6}$
nano
n
$10^{-9}$
pico
p
$10^{-12}$
To change a prefixed unit into base units, replace the prefix with its factor, then simplify. Example: change $0.25\ \text{kN mm}^{-2}$ into $\text{N m}^{-2}$:
Take special care with squared units like $\text{mm}^{2}$: you must square the factor too.
Explore · Khám phá
Base or derived? · Đại lượng cơ bản hay dẫn xuất?
Only seven quantities are base quantities. Everything else is built from them, and its unit can be written in base units. · Chỉ có bảy đại lượng cơ bản. Mọi thứ khác đều được xây dựng từ chúng, và đơn vị của nó có thể được viết dưới dạng các đại lượng cơ bản.
understand and explain the effects of systematic errors (including zero errors) and random errors in measurements
understand the distinction between precision and accuracy
assess the uncertainty in a derived quantity by simple addition of absolute or percentage uncertainties
Tiếng Việt
hiểu và giải thích tác động của sai số hệ thống (bao gồm sai số điểm 0) và sai số ngẫu nhiên trong các phép đo
phân biệt giữa độ chính xác và độ chính xác tuyệt đối
đánh giá độ bất chắc trong một đại lượng dẫn xuất bằng cách cộng đơn giản các độ bất chắc tuyệt đối hoặc phần trăm
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
A vernier caliper measures length precisely, with a small uncertainty.
Every measurement 测量 has some uncertainty 不确定度 — we are never fully sure of the value. A good experimenter knows where the uncertainty comes from, makes a fair estimate of it, and carries it through to the final answer.
The main parts of a real micrometer screw gauge, which measures to the nearest 0.01 mmReading a micrometer: add the main scale reading to the thimble readingReading a real micrometer: read the mm and half-mm on the sleeve, then add the thimble scaleVernier calipers measure to the nearest 0.1 mm — the sliding scale gives the extra digitReading a vernier caliper: whole millimetres from the main scale, plus the tenths from the vernier line that lines up
Systematic and random errors
A systematic error 系统误差 changes every reading by the same amount, in the same direction. You cannot find it by repeating the measurement. Common causes:
a zero error 零点误差 (the scale does not read zero when the true value is zero)
a calibration 校准 error (the scale itself is wrong)
parallax 视差 (your eye is always to one side of the scale)
An ammeter with a zero error: the needle reads below zero before any current flowsParallax error: different viewing angles give different scale readings
A systematic error makes the accuracy 准确度 worse, but it does not change the precision 精密度.
A random error 随机误差 makes readings jump above and below the true value, with no pattern. Causes include how carefully you read the scale, changing conditions, and the smallest step the instrument 仪器 can show. If you repeat the measurement many times and take the mean 平均值 (the average), random errors partly cancel out.
A random error makes the precision worse. But with enough repeats, the mean can still be accurate.
On a graph the two errors look different. A systematic error moves every point by the same amount, so the line of best fit keeps its gradient but no longer passes through the origin: the intercept 截距 changes. Random errors scatter the points above and below the line; a best-fit line drawn through the middle of the scatter still gives a reliable gradient.
A systematic error shifts the whole line, so the intercept moves; random errors scatter the points about the line
Error
How to reduce it
systematic
check for a zero error and subtract it; calibrate the instrument against a known standard; read the scale from directly in front
random
repeat the reading and take the mean; use an instrument with smaller divisions; time many oscillations instead of one
Precision and accuracy
Precision is how close repeated readings are to each other. Precise readings are grouped very close together.
Accuracy is how close a reading (or the mean of several readings) is to the true value.
Precision: how narrow the distribution is around the true value T
A set of readings can be:
precise and accurate — close together and near the true value
precise but not accurate — close together, but away from the true value (a systematic error)
accurate but not precise — spread out, but the mean is near the true value
neither — spread out and away from the true value
Accuracy: whether the peak of the distribution is centred on the true value T
When a question gives a table of repeated readings, look at the spread (precision) and the mean (accuracy) separately.
Estimating the uncertainty in a reading
Before you combine uncertainties, you need a sensible uncertainty for each raw reading:
A single reading on an analogue scale: half the smallest division 分度 (a metre rule reads to $1\ \text{mm}$, so one reading is $\pm 0.5\ \text{mm}$). A length needs two readings, one at each end, so its uncertainty is $\pm 1\ \text{mm}$.
A digital meter: $\pm 1$ in the last digit shown (a stopwatch showing $2.47\ \text{s}$ is $\pm 0.01\ \text{s}$).
A hand-timed measurement: your reaction time 反应时间 matters more than the display. Allow about $\pm 0.1$ to $0.2\ \text{s}$, and time many oscillations instead of one, so the same uncertainty is shared between all of them.
Repeated readings: the uncertainty is half the range 极差的一半. Three timings of $2.42$, $2.48$ and $2.45\ \text{s}$ have a mean of $2.45\ \text{s}$ and a range of $0.06\ \text{s}$, so $t = (2.45 \pm 0.03)\ \text{s}$.
Be honest. If the edge of a shadow is hard to see, the uncertainty in its position is several millimetres, however fine the scale. Examiners do not accept "the smallest division" as the uncertainty of a difficult reading.
Uncertainty in a derived quantity
A measurement is often written as $x \pm \Delta x$. Here $\Delta x$ is the absolute uncertainty 绝对不确定度. The percentage uncertainty 百分比不确定度 is
$$\text{percentage uncertainty in } x = \frac{\Delta x}{|x|} \times 100\%.$$
A derived quantity 导出量 is one you calculate from measured values. Its uncertainty is found by simple rules:
Adding or subtracting — add the absolute uncertainties. If $y = a + b$ or $y = a - b$, then $\Delta y = \Delta a + \Delta b$.
Multiplying or dividing — add the percentage uncertainties. If $y = \dfrac{a \cdot b}{c}$, then
Powers — multiply the percentage uncertainty by the power. If $y = a^{n}$, then $\dfrac{\Delta y}{|y|} = |n| \cdot \dfrac{\Delta a}{|a|}$.
Worked example. A ball's diameter 直径 is measured as $d = (5.26 \pm 0.02)\ \text{cm}$. The volume 体积 of a sphere is $V = \tfrac{4}{3}\pi r^{3} = \tfrac{4}{3}\pi (d/2)^{3}$, so $V \propto d^{3}$ ($V$ depends on $d$ cubed).
Because $V \propto d^{3}$, the percentage uncertainty in $V$ is three times this, about $1.14\%$. The volume is $\tfrac{4}{3}\pi(2.63)^{3} \approx 76.2\ \text{cm}^{3}$. So the absolute uncertainty is $0.0114 \times 76.2 \approx 0.87\ \text{cm}^{3}$. The final answer is $V = (76.2 \pm 0.9)\ \text{cm}^{3}$.
Do two values agree? Practical questions often ask whether two calculated values of a constant support a suggested relationship. Do not just say "they are close". Work out the percentage difference 百分比差异 between them,
$$\text{percentage difference} = \frac{|k_{1} - k_{2}|}{\text{mean of } k_{1} \text{ and } k_{2}} \times 100\%,$$
and compare it with the percentage uncertainty in $k$ (or with the criterion the question gives, often 10%). If the difference is smaller, the two values agree within the uncertainty and the relationship is supported. If it is larger, they do not.
Significant figures
When you write a calculated quantity, give it the same number of significant figures 有效数字 as the least precise measurement you used — usually two or three in this syllabus. Too many significant figures makes the answer look more exact than it really is. Too few loses useful information.
Practical papers ask you to justify the number you chose. Name the raw readings: "$a$ is given to 2 significant figures because $L$ and $t$ were each measured to 2 significant figures." The phrase "because of the raw data" on its own does not earn the mark. In a table of results, judge each row from the least precise raw reading in that row; do not force every row to the same number of figures.
Uncertainties on a graph
Paper 5 asks you to carry uncertainties through a graph:
Plot each point with an error bar 误差棒 whose length shows the absolute uncertainty in that value.
Draw the line of best fit 最佳拟合直线 through the points, then the worst acceptable line 最差可接受直线: the steepest (or shallowest) straight line that still passes through every error bar.
The uncertainty in the gradient is the difference between the two gradients, $\Delta m = |m_{\text{best}} - m_{\text{worst}}|$. The uncertainty in the intercept is found the same way.
When you plot a logarithm, the absolute uncertainty in $\ln x$ is $\Delta x / x$ (and in $\lg x$ it is $0.434\,\Delta x / x$). Work it out for the largest and smallest values of $x$ separately.
The worst acceptable line still passes through every error bar; the gradient uncertainty is the difference between the two gradients
A percentage uncertainty in the gradient then flows into any quantity you calculate from it, using the rules above.
Explore · Khám phá
Systematic or random? · Hệ thống hay ngẫu nhiên?
A systematic error shifts every reading the same way and survives repetition; a random error scatters the readings and shrinks when you average. · Sai số hệ thống làm lệch mọi giá trị đọc theo cùng một hướng và tồn tại dù lặp lại; sai số ngẫu nhiên phân tán các giá trị đọc và giảm khi bạn lấy trung bình.
understand the difference between scalar and vector quantities and give examples of scalar and vector quantities included in the syllabus
add and subtract coplanar vectors
represent a vector as two perpendicular components
Tiếng Việt
hiểu sự khác biệt giữa đại lượng vô hướng và vector và đưa ra các ví dụ về đại lượng vô hướng và vector nằm trong chương trình học
cộng và trừ vector cùng mặt phẳng
biểu diễn một vector thành hai thành phần vuông góc
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
Resolving a force into components
A scalar 标量 has size only. A vector 矢量 has both size and direction.
Examples from the syllabus:
scalars: mass, time, temperature, energy, work, power, distance, speed, pressure, density, electric charge 电荷
vectors: displacement 位移, velocity, acceleration, force (including weight), momentum 动量
Quick test: if it makes sense to ask "in which direction?", the quantity is a vector. You cannot ask "in which direction is the temperature?", so temperature is a scalar. You can ask "in which direction is the velocity?", so velocity is a vector.
Adding and subtracting vectors
A vector is drawn as an arrow: the direction of the arrow gives the direction of the quantity, and the length of the arrow (drawn to scale) gives the magnitude.
Vectors represented as arrows drawn to scale
To add two coplanar 共面 vectors (vectors in the same flat plane), draw them tip to tail. The resultant 合矢量 goes from the tail of the first arrow to the tip of the second.
To find $\vec{X} - \vec{Y}$, add the reverse of $\vec{Y}$: $\vec{X} + (-\vec{Y})$. The reverse of $\vec{Y}$ has the same size as $\vec{Y}$ but points the opposite way.
Adding and subtracting parallel vectors
If the two vectors are at right angles (90°), the size of the resultant is
$$|\vec{R}| = \sqrt{X^{2} + Y^{2}},$$
and its direction comes from $\tan\theta = Y / X$.
Worked example. A swimmer heads north at $1.2\ \text{m s}^{-1}$ across a river that flows east at $0.5\ \text{m s}^{-1}$. Find the size and direction of the resultant velocity.
at an angle $\tan\theta = 0.5/1.2$, giving $\theta \approx 23°$ east of north.
Two perpendicular vectors add to a resultant of size $\sqrt{X^2+Y^2}$ at angle $\theta$
If two vectors have the same size $F$ with an angle $2\alpha$ between them, the resultant has size $2F\cos\alpha$ and lies along the line that cuts the angle in half.
Worked example. Two forces of $6.0\ \text{N}$ act on an object with $60°$ between them. Find the resultant.
Here $2\alpha = 60°$, so $\alpha = 30°$ and $R = 2 \times 6.0 \times \cos 30° = 10.4\ \text{N}$, along the line halfway between the two forces. Resolving gives the same answer: each force has a component $6.0\cos 30°$ along that line, and their components at right angles to it cancel.
For two vectors at any other angle, either make a scale drawing 按比例作图 of the vector triangle and measure the resultant, or resolve both vectors into perpendicular components, add the components, and recombine with $\sqrt{X^{2} + Y^{2}}$.
Worked example. A ball moving east at $5.0\ \text{m s}^{-1}$ is hit so that it moves north at $5.0\ \text{m s}^{-1}$. Find its change in velocity.
A change in velocity is a vector subtraction: $\Delta\vec{v} = \vec{v}_{\text{final}} - \vec{v}_{\text{initial}}$. Draw $5.0\ \text{m s}^{-1}$ north, then add the reverse of the initial velocity, $5.0\ \text{m s}^{-1}$ west. The two are perpendicular, so $|\Delta\vec{v}| = \sqrt{5.0^{2} + 5.0^{2}} = 7.1\ \text{m s}^{-1}$, pointing north-west. The speed did not change, but the velocity did. That is why a force must have acted on the ball (topic 3).
Splitting a vector into perpendicular parts
Any vector can be split into two perpendicular 垂直 (at right angles) components 分量. Usually these are horizontal 水平 and vertical 竖直, or along and across a surface. For a vector $\vec{v}$ at angle $\theta$ to the horizontal:
Resolving a vector into horizontal and vertical components
Choose the directions that make the problem easiest. On a slope (an inclined plane 斜面), split the weight into one part along the slope and one part at right angles to it:
where $\theta$ is the angle of the slope to the horizontal.
On a slope the weight splits into $W\sin\theta$ down the slope and $W\cos\theta$ into the slope; the angle between $W$ and the perpendicular is the slope angle $\theta$
You split a vector into components whenever you need to know how much of it acts in one direction. For example: the part of a force that acts along a slope, or the horizontal and vertical parts of a ball's velocity after it is thrown.
Explore · Khám phá
Adding two vectors · Cộng hai vectơ
resultant = a + b · hợp lực = a + b
Vectors add tip to tail. The resultant runs from the start of the first arrow to the tip of the second, and its length is found from a scale drawing or by Pythagoras, never by adding the two magnitudes. · Các vectơ cộng đầu nối đuôi. Vectors resultant chạy từ điểm đầu của mũi tên đầu tiên đến đầu của mũi tên thứ hai, và độ dài của nó được tìm thấy từ bản vẽ tỷ lệ hoặc bằng định lý Pythagoras, tuyệt đối không được cộng hai độ lớn lại với nhau.
A definition question is marked against fixed wording. Learn these exactly, and give one answer only.
Term
Definition
physical quantity
a numerical magnitude together with a unit
homogeneous equation
an equation in which every term has the same base units
systematic error
an error that shifts every reading in the same direction by the same amount; not reduced by repeating
random error
an error that scatters readings above and below the true value; reduced by repeating and averaging
zero error
the reading an instrument shows when the true value is zero
precision
how close repeated readings are to each other
accuracy
how close a reading, or the mean of several readings, is to the true value
absolute uncertainty
the range within which the true value is expected to lie, in the units of the quantity
percentage uncertainty
the absolute uncertainty divided by the value, multiplied by 100%
scalar
a quantity with magnitude only
vector
a quantity with magnitude and direction
1.4
Exam tips
Give every answer a unit, and check homogeneity — both sides of an equation must have the same base units.
Distinguish random error (reduce by repeating and averaging) from systematic error (a zero or calibration error that repeats do not remove).
Combine uncertainties: add absolute uncertainties when adding/subtracting, add percentage uncertainties when multiplying/dividing (and multiply the % by any power).
Distinguish precision (small spread) from accuracy (close to the true value).
Resolve a vector into perpendicular components ($F\cos\theta$, $F\sin\theta$); add vectors tip-to-tail or by components.
Common mistakes
Substituting 5 cm as 5, or 20 g as 20. Convert the prefix first: 0.05 m, 0.020 kg.
Giving the percentage uncertainty in $T^{2}$ as the same as in $T$. Squaring doubles it; a square root halves it.
Treating the percentage uncertainty and the absolute uncertainty as the same number.
Quoting "the smallest division" as the uncertainty of a reading that was hard to take.
Offering two answers to a definition. Commit to one.
define and use distance, displacement, speed, velocity and acceleration
use graphical methods to represent distance, displacement, speed, velocity and acceleration
determine displacement from the area under a velocity–time graph
determine velocity using the gradient of a displacement–time graph
determine acceleration using the gradient of a velocity–time graph
derive, from the definitions of velocity and acceleration, equations that represent uniformly accelerated motion in a straight line
solve problems using equations that represent uniformly accelerated motion in a straight line, including the motion of bodies falling in a uniform gravitational field without air resistance
describe an experiment to determine the acceleration of free fall using a falling object
describe and explain motion due to a uniform velocity in one direction and a uniform acceleration in a perpendicular direction
Tiếng Việt
định nghĩa và sử dụng quãng đường, tọa độ displacement (vị trí), tốc độ, vận tốc và gia tốc
sử dụng phương pháp đồ thị để biểu diễn quãng đường, vị trí, tốc độ, vận tốc và gia tốc
xác định vị trí từ diện tích dưới đồ thị vận tốc–thời gian
xác định vận tốc bằng cách sử dụng hệ số góc của đồ thị vị trí–thời gian
xác định gia tốc bằng cách sử dụng hệ số góc của đồ thị vận tốc–thời gian
suy ra, từ các định nghĩa về vận tốc và gia tốc, các phương trình mô tả chuyển động thẳng biến đổi đều
giải bài toán sử dụng các phương trình mô tả chuyển động thẳng biến đổi đều, bao gồm chuyển động của vật rơi tự do trong trường trọng lực đều không có lực cản không khí
mô tả một thí nghiệm để xác định gia tốc rơi tự do sử dụng vật rơi
mô tả và giải thích chuyển động do vận tốc đều theo một hướng và gia tốc đều theo phương vuông góc
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
Dropped vs thrown: falling togetherA speedometer shows speed: the distance travelled per unit time.
These five quantities come up in almost every kinematics 运动学 question. Learn the exact words — the examiner gives marks for precise wording.
distance 距离 — the total length of the path travelled. A scalar 标量.
displacement 位移 — the straight-line distance from the start to the end, with a direction. A vector 矢量.
speed 速率 — the rate of change of distance with time. A scalar.
velocity 速度 — the rate of change of displacement with time. A vector.
acceleration 加速度 — the rate of change of velocity with time. A vector.
The unit of speed and velocity is $\text{m s}^{-1}$; the unit of acceleration is $\text{m s}^{-2}$.
Two more phrases the examiner uses: uniform acceleration 匀加速 means constant acceleration (a straight line on a velocity–time graph), and the acceleration of free fall 自由落体加速度$g$ is the acceleration of an object falling freely in a uniform gravitational field 匀强重力场 when air resistance is negligible 可忽略的 (small enough to ignore).
A common mistake: deceleration 减速度 just means acceleration in the opposite direction to the velocity. It is not a separate quantity.
Speeds are sometimes given in $\text{km h}^{-1}$. Convert before you calculate: $85\ \text{km h}^{-1} = 85 \times 1000 / 3600 = 23.6\ \text{m s}^{-1}$.
A speed camera measures average speed over a known distance — displacement over time, made into a fine
Explore · Khám phá
The velocity–time graph · Đồ thị vận tốc - thời gian
v = u + at
On a speed–time graph the gradient is the acceleration and the area underneath is the distance travelled. · Trên đồ thị tốc độ - thời gian, độ dốc là gia tốc và diện tích phía dưới là quãng đường đã đi.
Many marks come from reading or drawing motion graphs, the graphical methods 图像法 the syllabus names. Two graphs matter.
Displacement–time graph
The gradient 斜率 (steepness) of a displacement–time graph at a point gives the velocity at that moment.
flat line → the object is at rest.
straight sloping line → constant velocity (gradient = velocity).
curved line → changing velocity. Draw a tangent 切线 at the point and find its gradient.
Displacement–time graph of a car on a test track
Velocity–time graph
The gradient of a velocity–time graph gives the acceleration at that moment.
The area between the line and the time axis gives the displacement in that time.
flat line → constant velocity (zero acceleration).
straight sloping line → uniform acceleration (constant acceleration).
curved line → changing acceleration.
area above the time axis is positive displacement; area below is negative (the object moved backwards).
Velocity–time graph — gradient gives acceleration, area gives displacementAcceleration–time graph derived from the same motion
To find the displacement, split the area into triangles and rectangles, or count grid squares. Area of a triangle is $\tfrac{1}{2} \times \text{base} \times \text{height}$; area of a rectangle is $\text{base} \times \text{height}$.
Worked example. The graph shows the velocity of a lift. Find the acceleration in each stage and the total distance travelled.
Velocity–time graph of a lift: gradient gives each acceleration, the shaded area gives the distance
Stage B: the line is flat, so the acceleration is zero.
Stage C: gradient $= \dfrac{0 - 3.0}{2.0} = -1.5\ \text{m s}^{-2}$ (a deceleration of $1.5\ \text{m s}^{-2}$).
Distance: triangle A $= \tfrac{1}{2} \times 4.0 \times 3.0 = 6.0\ \text{m}$, rectangle B $= 6.0 \times 3.0 = 18\ \text{m}$, triangle C $= \tfrac{1}{2} \times 2.0 \times 3.0 = 3.0\ \text{m}$; total $27\ \text{m}$.
When the graph is a curve, the area is still the displacement: count the squares under the curve (half a square or more counts as one) and multiply by the value of one square.
Explore · Khám phá
Reading a velocity–time graph · Đọc đồ thị vận tốc - thời gian
Change the start velocity u and the acceleration a. The gradient of the line is the acceleration; the area under it is the displacement. · Thay đổi vận tốc ban đầu u và gia tốc a. Độ dốc của đường thẳng chính là gia tốc; diện tích phía dưới nó chính là độ dịch chuyển.
For motion in a straight line with uniform acceleration, we use five symbols: starting velocity $u$, final velocity $v$, acceleration $a$, displacement $s$, and time $t$. Four equations link them:
$$v = u + at$$
$$s = ut + \tfrac{1}{2} a t^{2}$$
$$s = \tfrac{1}{2}(u + v)t$$
$$v^{2} = u^{2} + 2as$$
Each equation uses four of the five symbols. To pick the right one: write down what you know and what you want, then choose the equation with exactly those four.
Worked example. A car accelerates uniformly from $8\ \text{m s}^{-1}$ to $20\ \text{m s}^{-1}$ over a distance of $56\ \text{m}$. Find its acceleration.
We know $u$, $v$ and $s$ and want $a$, so use $v^{2} = u^{2} + 2as$:
You should be able to get these from the definitions of velocity and acceleration. Think of the velocity–time graph of the motion: a straight line from $u$ at $t = 0$ to $v$ at time $t$.
$v = u + at$: acceleration is the gradient, $a = (v - u)/t$, so $v = u + at$.
$s = \tfrac{1}{2}(u + v) t$: displacement is the area under the line, a trapezium 梯形 with parallel sides $u$ and $v$ and width $t$, so $s = \tfrac{1}{2}(u + v)t$.
$s = ut + \tfrac{1}{2}at^{2}$: put $v = u + at$ into the area: $s = \tfrac{1}{2}(u + u + at)t = ut + \tfrac{1}{2}at^{2}$.
$v^{2} = u^{2} + 2as$: from the first equation $t = (v - u)/a$; put this into $s = \tfrac{1}{2}(u + v)t$ to get $2as = (v + u)(v - u) = v^{2} - u^{2}$.
A "derive" question wants exactly these steps, each starting from a definition or an equation already established, with no numbers.
Displacement–time graph for uniform acceleration — the slope at any point equals the instantaneous velocity
If a question asks "which equation can be found using only the gradient of a velocity–time graph?", the answer is $v = u + at$ (the gradient is the acceleration).
"Show that" questions. When the question gives the answer ("show that the height is 3.2 km"), the marks are for the method. State the equation, substitute every value with its unit, and give the result to one more significant figure than the value quoted ($3.24\ \text{km}$, which rounds to $3.2\ \text{km}$). Reaching the quoted value proves nothing on its own.
Choosing a positive direction
Pick a positive direction at the start and keep it. Anything pointing the other way gets a minus sign. For a ball thrown straight up, if "up" is positive: $u$ is positive, $a = -g$ (gravity 重力 pulls down), and at the highest point the displacement is positive but the velocity is zero.
When air resistance 空气阻力 can be ignored, an object in free fall 自由落体 has a constant acceleration $g \approx 9.81\ \text{m s}^{-2}$ downwards. This is the same for every mass.
For a ball dropped from rest and falling a distance $h$:
The equations above assume the only force is the weight. With air resistance, the resultant force on a falling object is smaller than its weight, so the acceleration is less than $g$; and because air resistance grows with speed, the acceleration keeps decreasing as the object speeds up. On a velocity–time graph the line curves, its gradient falling towards zero as the object approaches terminal velocity 收尾速度 (topic 3). For a projectile, air resistance shortens the range and lowers the maximum height, and the path is no longer a symmetrical parabola 抛物线: the object comes down more steeply than it went up. A "state and explain" question wants the force first, then its effect on the acceleration, then the effect on the motion.
Experiment to find $g$
A common method: drop an object from rest, then measure the distance $h$ it falls and the time $t$ it takes. Then
$$g = \frac{2h}{t^{2}}.$$
Repeat for several heights and plot $h$ against $t^{2}$. The gradient of the best straight line is $g/2$, so $g$ is twice the gradient. Repeating reduces random error 随机误差. An electronic timer — using light gates 光电门, or a switch the ball hits — removes reaction-time 反应时间 error.
Experimental set-up for measuring the acceleration due to free fall
Water jets from a sprinkler trace parabola paths — a real example of projectile motion
When an object moves at constant velocity in one direction (say horizontal 水平) and speeds up in a direction at right angles to it (say vertical 竖直, under gravity), the two motions do not affect each other. Treat each direction on its own, with its own SUVAT equation.
Horizontal throw
An object thrown horizontally with speed $u_{\text{H}}$ from height $h$, with air resistance ignored:
horizontal: constant velocity $u_{\text{H}}$. After time $t$, the horizontal distance is $x = u_{\text{H}} t$.
vertical: starts from rest and speeds up downwards at $g$. After time $t$, it has fallen $y = \tfrac{1}{2} g t^{2}$ and has vertical velocity $v_{\text{V}} = g t$.
The time to reach the ground depends only on the height $h$, not on $u_{\text{H}}$. Solve $h = \tfrac{1}{2} g t^{2}$ for $t$; then the horizontal range 射程 is $u_{\text{H}} t$.
Worked example. A ball is thrown horizontally at $15\ \text{m s}^{-1}$ from the top of a cliff $20\ \text{m}$ high. Find the time it takes to land and how far from the base it lands (take $g = 9.81\ \text{m s}^{-2}$).
Vertical motion gives the time: from $h = \tfrac{1}{2}g t^{2}$,
Horizontal motion then gives the range: $x = u_{\text{H}} t = 15 \times 2.0 \approx 30\ \text{m}.$
The horizontal-velocity graph is a flat line at $u_{\text{H}}$. The vertical-velocity graph is a straight line from the origin with gradient $g$.
Comparing two objects. If object A is dropped and object B is thrown horizontally from the same height at the same moment, both reach the ground at the same time: their vertical motions are identical. If instead B is thrown with an upward component, it takes longer, because it must first rise and come back to the start height before it falls the same distance. Its speed on landing is still found from energy: the kinetic energy gained equals the potential energy lost, whatever the direction of the throw, so a ball launched at any angle with the same speed from the same height lands at the same speed (topic 5).
Projectile at an angle
A projectile 抛体 thrown at speed $u$ at angle $\theta$ above the horizontal:
Projectile launched at angle $\theta$ — horizontal and vertical motions are independent
horizontal component 分量 of the starting velocity: $u_{\text{H}} = u \cos\theta$ (stays constant during the flight).
vertical component of the starting velocity: $u_{\text{V}} = u \sin\theta$ (gets smaller, becomes zero at the top, then grows downwards).
At the highest point, $v_{\text{V}} = 0$, but $v_{\text{H}}$ is still $u\cos\theta$. The time to the top is $t_{\text{up}} = u\sin\theta / g$; the total flight time (back to the start height) is $2t_{\text{up}}$.
Sketching the velocity graphs. Examiners often ask you to sketch $v_{\text{H}}$ and $v_{\text{V}}$ against time on the same axes, taking upwards as positive. The horizontal component is a flat line at $u\cos\theta$ for the whole flight. The vertical component is a straight line of gradient $-g$: it starts at $+u\sin\theta$, crosses zero at the top of the flight, and reaches $-u\sin\theta$ on landing at the start height. Label each line, mark the times where the lines start and stop, and make the crossing sit exactly at $t_{\text{up}}$.
Velocity–time sketches for a projectile: the horizontal component stays constant; the vertical component falls in a straight line through zero at the top
Worked example. A ball leaves the ground at $18\ \text{m s}^{-1}$ at $60°$ to the horizontal. Show that it reaches its maximum height at $t = 1.6\ \text{s}$.
$u_{\text{V}} = 18 \sin 60° = 15.6\ \text{m s}^{-1}$. At the top $v_{\text{V}} = 0$, so from $v = u + at$ with $a = -9.81\ \text{m s}^{-2}$: $t = 15.6 / 9.81 = 1.59\ \text{s} \approx 1.6\ \text{s}$.
Range $R$ of a projectile launched from and landing on level ground
Bouncing ball
When a ball bounces, its velocity–time graph is a set of straight sloping lines (constant $g$) with a sudden jump at each bounce (the velocity flips direction, and gets smaller if some energy 能量 is lost). Add up the times and the distances across the bounces.
A bouncing ball: every sloping line has gradient $g$; the velocity flips sign and shrinks at each bounce
Read such a graph carefully: the gradient of every sloping line is the same $g$; the ball is at its highest point wherever the line crosses the time axis; and the height of each bounce comes from the area of the triangle above (or below) the axis for that flight.
Explore · Khám phá
Launch a projectile · Phóng vật
Fire the ball, then change the angle and speed. The horizontal motion is steady while gravity pulls it down — together they trace a parabola. Find the angle for the longest range, and try the Moon. · Bắn bóng, sau đó thay đổi góc và tốc độ. Chuyển động ngang diễn ra đều trong khi trọng lực kéo xuống — kết hợp chúng tạo thành đường cong parabol. Tìm góc để tầm bay xa nhất, và thử trên Mặt Trăng.
When two objects move along the same line in different ways, write a displacement equation for each. Use the same start time and the same positive direction. Then set the two displacements equal (or set their difference to a given gap).
For a goods train at constant velocity $u_{\text{G}}$ and an express train starting from rest with acceleration $a$, both passing the same point at $t = 0$:
$$s_{\text{G}} = u_{\text{G}} t, \qquad s_{\text{E}} = \tfrac{1}{2} a t^{2}.$$
They are level again when $s_{\text{G}} = s_{\text{E}}$, giving $t = 2 u_{\text{G}} / a$.
Meet where the displacement–time graphs cross (same s at same t)
2.1
Tips for solving problems
Draw a diagram and mark the positive direction.
List the SUVAT symbols with their known and unknown values, including signs.
Choose the SUVAT equation with exactly the four symbols you have, plus the one you want.
For projectile motion, split into horizontal and vertical SUVAT problems, linked only by the time $t$.
Always check the units of your answer, and that its size is sensible.
2.1
Definitions the examiner accepts
A definition question is marked against fixed wording. Learn these exactly, and give one answer only.
Term
Definition
distance
the total length of the path travelled (a scalar)
displacement
the distance moved in a stated direction, from start to finish (a vector)
speed
the rate of change of distance with time
velocity
the rate of change of displacement with time
acceleration
the rate of change of velocity with time
uniform acceleration
acceleration that is constant in magnitude and direction
acceleration of free fall
the acceleration of an object falling freely under gravity alone, with air resistance negligible
2.1
Exam tips
Use the SUVAT equations only for constant acceleration; list $s, u, v, a, t$ and pick the equation missing your unknown.
Choose one direction as positive and keep signs consistent (usually $g = -9.81\ \text{m s}^{-2}$).
On a velocity-time graph, gradient $=$ acceleration and area $=$ displacement.
For projectiles, treat horizontal (constant velocity) and vertical ($a = g$) motion separately, linked by the same time.
Common mistakes
Saying the heavier ball hits the ground first, or faster, when air resistance is ignored. Both fall with the same acceleration and land at the same speed.
Taking the gradient of a $v$–$t$ graph when the question wants the area, or the area when it wants the gradient. Gradient is acceleration; area is displacement.
Drawing a curve on a $v$–$t$ graph for a body under constant acceleration. Constant acceleration is a straight line; only the sign of $v$ changes at a bounce.
Using $g = +9.81$ for a ball thrown upwards with "up" as positive. Once up is positive, $a = -9.81\ \text{m s}^{-2}$ for the whole flight, on the way down too.
Using a SUVAT equation when the acceleration is changing (air resistance, a curved graph). Then only the graph methods work.
Mass, momentum and force · Khối lượng, động lượng và lực
Syllabus · Chương trình
English
understand that mass is the property of an object that resists change in motion
recall $F = ma$ and solve problems using it, understanding that acceleration and resultant force are always in the same direction
define and use linear momentum as the product of mass and velocity
define and use force as rate of change of momentum
state and apply each of Newton’s laws of motion
describe and use the concept of weight as the effect of a gravitational field on a mass and recall that the weight of an object is equal to the product of its mass and the acceleration of free fall
Tiếng Việt
hiểu rằng khối lượng là thuộc tính của vật thể có xu hướng chống lại sự thay đổi trạng thái chuyển động
ghi nhớ $F = ma$ và giải bài tập bằng công thức này, nhận thức rằng gia tốc và lực hợp thành luôn cùng hướng
định nghĩa và sử dụng động lượng tuyến tính như tích của khối lượng và vận tốc
định nghĩa và sử dụng lực như tốc độ biến thiên động lượng
nêu và áp dụng từng định定律 trong ba định定律 Newton về chuyển động
mô tả và sử dụng khái niệm trọng lượng là tác dụng của trường trọng lực lên một khối lượng, và ghi nhớ rằng trọng lượng của vật bằng tích của khối lượng và gia tốc tự do rơi
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
English
Mass
Mass 质量 tells you how hard it is to change an object's motion. The larger the mass, the larger the force 力 needed to give it a certain acceleration 加速度. Mass is measured in kilograms ($\text{kg}$) and is a scalar 标量.
Momentum
Linear momentum 动量 is the product of mass and velocity:
$$p = mv.$$
Momentum is a vector 矢量 — it points the same way as the velocity 速度. Its unit is $\text{kg m s}^{-1}$, which is the same as $\text{N s}$.
Force as the rate of change of momentum
Newton's second law, in its general form: the resultant force 合力 on an object equals the rate of change of its momentum.
$$F = \frac{\Delta p}{\Delta t}.$$
When the mass is constant this becomes $F = ma$, because $\Delta p = m\,\Delta v$ and $\Delta v / \Delta t = a$. Cambridge questions often want you to use $F = \Delta p / \Delta t$ directly for a collision 碰撞 or an impulse 冲量: the average force equals the change in momentum divided by the contact time.
A ball hits a wall with momentum $p_{1}$ and bounces back with momentum $p_{2}$ in the opposite direction. The change in momentum is $\Delta p = p_{2} - p_{1}$ (give each direction the correct sign). The average force is $\Delta p / \Delta t$, where $\Delta t$ is the contact time.
Worked example. A $0.20\ \text{kg}$ ball hits a wall at $8.0\ \text{m s}^{-1}$ and bounces straight back at $6.0\ \text{m s}^{-1}$. The contact lasts $0.050\ \text{s}$. Find the average force on the ball.
Take the rebound direction as positive, so $u = -8.0\ \text{m s}^{-1}$ and $v = +6.0\ \text{m s}^{-1}$:
$$\Delta p = m(v - u) = 0.20 \times \big(6.0 - (-8.0)\big) = 2.8\ \text{kg m s}^{-1},$$
This comes from $E_{\text{k}} = \tfrac{1}{2} m v^{2} = p^{2} / (2m)$.
Momentum–time graphs
Because $F = \Delta p / \Delta t$, the gradient of a momentum–time graph is the resultant force, just as the gradient of a velocity–time graph is the acceleration. A straight line means a constant resultant force; a horizontal line means zero resultant force; a line sloping down means a force acting against the motion.
Worked example. The graph shows the momentum of a motorcycle. Find the resultant force on it during the first $10\ \text{s}$.
Gradient $= \Delta p / \Delta t = 5000 / 10 = 500\ \text{N}$. Between $10\ \text{s}$ and $16\ \text{s}$ the momentum is constant, so the resultant force is zero: the driving force just balances the resistive forces. From $16\ \text{s}$ to $20\ \text{s}$ the momentum falls by $2000\ \text{kg m s}^{-1}$, so the resultant force is $-500\ \text{N}$, acting backwards.
If a question tells you the speed is changing while the resultant force stays constant, that force cannot be air resistance: drag depends on speed, so it would change as the speed changes, and drag always acts against the motion.
Tiếng Việt
Khối lượng
Khối lượng cho bạn biết việc thay đổi chuyển động của vật khó hay dễ thế nào. Khối lượng càng lớn, lực cần thiết để tạo ra một gia tốc nhất định càng lớn. Khối lượng đo bằng kilogram ($\text{kg}$) và là một đại lượng vô hướng.
Động lượng
Động lượng tuyến tính là tích của khối lượng và vận tốc:
$$p = mv.$$
Động lượng là một đại lượng hữu hướng — nó chỉ theo cùng hướng với vận tốc. Đơn vị của nó là $\text{kg m s}^{-1}$, cũng chính là $\text{N s}$.
Lực là tốc độ biến thiên của động lượng
Định luật thứ hai Newton, ở dạng tổng quát: lực hợp tác dụng lên vật bằng tốc độ biến thiên của động lượng của vật đó.
Xung là diện tích bên dưới biểu đồ lực-thời gian, bằng sự biến thiên của động lượng
$$F = \frac{\Delta p}{\Delta t}.$$
Khi khối lượng không đổi, điều này trở thành $F = ma$, vì $\Delta p = m\,\Delta v$ và $\Delta v / \Delta t = a$. Các câu hỏi Cambridge thường muốn bạn sử dụng $F = \Delta p / \Delta t$ trực tiếp cho một va chạm hoặc xung: lực trung bình bằng sự biến thiên động lượng chia cho thời gian tiếp xúc.
Một quả bóng va vào tường với động lượng $p_{1}$ và nảy ngược lại với động lượng $p_{2}$ theo hướng ngược lại. Sự biến thiên động lượng là $\Delta p = p_{2} - p_{1}$ (gán dấu đúng cho từng hướng). Lực trung bình là $\Delta p / \Delta t$, trong đó $\Delta t$ là thời gian tiếp xúc.
Ví dụ có lời giải. Một quả bóng $0.20\ \text{kg}$ va chạm vào tường với vận tốc $8.0\ \text{m s}^{-1}$ và nảy ngược lại với vận tốc $6.0\ \text{m s}^{-1}$. Thời gian tiếp xúc kéo dài $0.050\ \text{s}$. Tính lực trung bình tác dụng lên quả bóng.
Lấy hướng nảy về phía sau làm dương, do đó $u = -8.0\ \text{m s}^{-1}$ và $v = +6.0\ \text{m s}^{-1}$:
$$\Delta p = m(v - u) = 0.20 \times \big(6.0 - (-8.0)\big) = 2.8\ \text{kg m s}^{-1},$$
Điều này suy ra từ $E_{\text{k}} = \tfrac{1}{2} m v^{2} = p^{2} / (2m)$.
Biểu đồ động lượng-thời gian
Vì $F = \Delta p / \Delta t$, độ dốc của biểu đồ động lượng-thời gian là lực合, giống như độ dốc của biểu đồ vận tốc-thời gian là gia tốc. Đường thẳng thể hiện lực hợp không đổi; đường ngang thể hiện lực hợp bằng không; đường dốc xuống thể hiện lực tác dụng ngược chiều chuyển động.
Độ dốc của đồ thị động lượng – thời gian là lực hợp: 500 N khi tăng tốc, bằng không khi động lượng không đổi, và âm khi phanh
Ví dụ có lời giải. Đồ thị thể hiện động lượng của một chiếc xe máy. Tìm lực hợp tác dụng lên xe trong khoảng thời gian $10\ \text{s}$ đầu tiên.
Độ dốc $= \Delta p / \Delta t = 5000 / 10 = 500\ \text{N}$. Giữa $10\ \text{s}$ và $16\ \text{s}$, động lượng không đổi, nên lực hợp bằng không: lực đẩy chỉ cân bằng với các lực cản. Từ $16\ \text{s}$ đến $20\ \text{s}$, động lượng giảm đi $2000\ \text{kg m s}^{-1}$, nên lực hợp là $-500\ \text{N}$, hướng ngược lại chuyển động.
Nếu đề bài cho biết vận tốc thay đổi nhưng lực hợp vẫn không đổi, thì lực đó không phải là lực cản không khí: lực cản phụ thuộc vào vận tốc, do đó nó sẽ thay đổi khi vận tốc thay đổi, và lực cản luôn tác dụng ngược chiều chuyển động.
Newton's three laws of motion · Ba định luật Newton về chuyển động
English
First law
An object stays at rest, or keeps moving at constant velocity in a straight line, unless a resultant external force 外力 acts on it. In short: zero resultant force means zero acceleration.
Second law
The resultant force on an object equals its rate of change of momentum, and acts in the same direction as that change. In SI units,
$$F = \frac{\Delta p}{\Delta t} = ma \quad\text{(for constant mass)}.$$
Acceleration and resultant force always point the same way.
Third law
When body A pushes on body B, body B pushes back on body A with an equal and opposite force. The two forces:
act on different objects,
are of the same type (both gravitational, both contact, both electrostatic 静电, and so on),
have the same size and opposite direction.
A common trap: the weight 重力 of a block on a table and the normal contact force 支持力 from the table are not a third-law pair (they act on the same object and are different types). The third-law partner of the block's weight is the pull the block makes on the Earth. The third-law partner of the table's contact force is the push the block makes on the table.
To name a third-law partner, swap the two bodies in the sentence. "The back wheel of a bicycle pushes backwards on the road" pairs with "the road pushes forwards on the back wheel", and that forward push is what drives the bicycle. "The Earth pulls the Moon" pairs with "the Moon pulls the Earth", with the same size of force.
For a rocket: the thrust 推力 on the rocket and the force on the gases are a third-law pair (the engine pushes the gas down, the gas pushes the engine up). Weight and air resistance are not part of this pair.
Tiếng Việt
Một tên lửa đẩy khí xuống dưới; theo định luật thứ ba của Newton, khí đẩy tên lửa lên trên.
Định luật thứ nhất
Một vật sẽ ở trạng thái nghỉ, hoặc tiếp tục chuyển động thẳng đều nếu không có lực ngoài nào tác dụng lên nó. Nói ngắn gọn: lực hợp bằng không thì gia tốc bằng không.
Định luật thứ hai
Lực合 tác dụng lên một vật bằng tốc độ biến thiên động lượng của vật đó, và có cùng hướng với sự biến thiên đó. Trong đơn vị SI,
$$F = \frac{\Delta p}{\Delta t} = ma \quad\text{(với khối lượng không đổi)}.$$
Gia tốc và lực合 luôn chỉ về cùng một hướng.
Sơ đồ lực riêng biệt hiển thị tất cả các lực tác dụng lên một khối đang bị kéo theo gócTrọng lực và lực phản lực của mặt bàn tác dụng lên một cuốn sách đặt yên trên bàn
Định luật thứ ba
Khi vật A đẩy vật B, vật B cũng đẩy lại vật A với một lực bằng nhau và ngược chiều. Hai lực này:
tác dụng lên hai vật khác nhau,
là lực cùng loại (cả hai là lực hấp dẫn, cả hai là lực tiếp xúc, cả hai là lực tĩnh điện, v.v.),
có cùng độ lớn và ngược chiều.
Một bẫy phổ biến: trọng lượng của một khối trên bàn và lực pháp tuyến tiếp xúc từ bàn không phải là một cặp lực định luật thứ ba (vì chúng tác dụng lên cùng một vật và là hai loại lực khác nhau). Đối tác định luật thứ ba của trọng lượng khối là lực kéo khối tác dụng lên Trái Đất. Đối tác định luật thứ ba của lực tiếp xúc của bàn là lực đẩy khối tác dụng lên bàn.
Để gọi tên đối tác định luật thứ ba, hãy hoán đổi hai vật trong câu. "Bánh sau của xe đạp đẩy ngược chiều lên mặt đường" tương ứng với "mặt đường đẩy về phía trước lên bánh sau", và lực đẩy về phía trước này chính là điều làm xe đạp di chuyển. "Trái Đất kéo Mặt Trăng" tương ứng với "Mặt Trăng kéo Trái Đất", với cùng độ lớn lực.
Đối với tên lửa: lực đẩy tác dụng lên tên lửa và lực tác dụng lên các khí là một cặp lực định luật thứ ba (động cơ đẩy khí xuống dưới, khí đẩy động cơ lên trên). Trọng lượng và lực cản không khí không nằm trong cặp này.
Cặp lực định luật thứ ba của Newton: R lên cuốn sách (hướng lên) và R′ lên bàn (hướng xuống)
Weight is the force on an object from a gravitational field 重力场. Near the Earth's surface,
$$W = mg,$$
where $g \approx 9.81\ \text{m s}^{-2}$ is the acceleration of free fall. Weight is a vector that points towards the centre of the Earth. Do not mix it up with mass: mass is the same everywhere, but weight changes with place.
On the Moon $g$ is about $1.6\ \text{m s}^{-2}$, so an astronaut's mass is unchanged but their weight is about one sixth of its value on Earth. When a multiple-choice question asks which statement describes weight, the answer is the one that says "the force on the object due to a gravitational field", not "mass times acceleration" and not "the resultant force".
Tiếng Việt
Trọng lượng là lực tác dụng lên một vật từ trường hấp dẫn. Gần bề mặt Trái Đất,
$$W = mg,$$
trong đó $g \approx 9.81\ \text{m s}^{-2}$ là gia tốc rơi tự do. Trọng lượng là đại lượng vector chỉ về tâm Trái Đất. Đừng nhầm lẫn nó với khối lượng: khối lượng là như nhau ở mọi nơi, nhưng trọng lượng thay đổi tùy theo vị trí.
Trên Mặt Trăng $g$ khoảng $1.6\ \text{m s}^{-2}$, nên khối lượng của một phi hành gia không thay đổi nhưng trọng lượng của họ chỉ bằng khoảng một phần sáu so với giá trị trên Trái Đất. Khi một câu hỏi trắc nghiệm yêu cầu xác định phát biểu nào mô tả đúng trọng lượng, đáp án là phát biểu nói "lực tác dụng lên vật do trường hấp dẫn", chứ không phải "khối lượng nhân với gia tốc" hay "lực合".
Non-uniform motion: friction, drag and terminal velocity · Chuyển động không đều: ma sát, lực cản và vận tốc cuối cùng
Syllabus · Chương trình
English
show a qualitative understanding of frictional forces and viscous/drag forces including air resistance (no treatment of the coefficients of friction and viscosity is required, and a simple model of drag force increasing as speed increases is sufficient)
describe and explain qualitatively the motion of objects in a uniform gravitational field with air resistance
understand that objects moving against a resistive force may reach a terminal (constant) velocity
Tiếng Việt
thể hiện sự hiểu biết định tính về lực ma sát và lực nhớt/lực cản bao gồm cả lực cản không khí (không cần xử lý hệ số ma sát và độ nhớt, mô hình đơn giản lực cản tăng theo tốc độ là đủ)
mô tả và giải thích định tính chuyển động của vật thể trong trường trọng lực đều có lực cản không khí
hiểu rằng các vật thể chuyển động ngược chiều với lực cản có thể đạt được vận tốc cuối (vận tốc ổn định)
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
English
Friction and drag forces
A friction 摩擦力 force between two solid surfaces acts along the surface and opposes the sliding. A viscous 黏性 or drag 阻力 force is the resistive force from a fluid 流体 (a liquid or gas) on an object moving through it; air resistance is the case for air. You do not need to use any coefficient 系数 of friction or viscosity.
A simple model: the drag gets bigger as the speed gets bigger. At zero speed, the drag is zero. Drag also grows with the cross-sectional area 横截面积 of the object and with the density of the fluid; a parachute works by making the area, and so the drag, much larger. These frictional forces and drag forces are all resistive forces: they act against the direction of motion and transfer kinetic energy to thermal energy.
An object falling through air
For an object dropped from rest and falling through air:
At first, only weight acts, so the object speeds up downwards at $g$.
As the speed grows, the upward drag grows. The resultant force gets smaller, so the acceleration gets smaller.
In the end, the drag equals the weight. The resultant force is zero, the acceleration is zero, and the speed stays constant — the terminal velocity 收尾速度.
On a velocity–time graph, the line starts straight with gradient $g$, then bends and flattens at the terminal velocity. This shape (fast start, then slowing acceleration, then constant speed) is how "falling with air resistance" differs from "free fall in a vacuum" in a uniform gravitational field 匀强重力场. On an acceleration–time graph the acceleration starts at $g$ and decreases, curving down to zero.
Two spheres of the same size but different density have different terminal velocities: the denser sphere has the larger weight, so it needs a larger drag to balance it, and drag only reaches that value at a higher speed. That is also why a parachute changes everything: when it opens, the drag suddenly exceeds the weight, the resultant force is upwards, and the skydiver decelerates (the acceleration is upwards while the velocity is still downwards) until the drag has fallen back to equal the weight at a new, much lower terminal velocity.
Falling through a liquid: three forces
A ball falling through a liquid has three forces on it: its weight downwards, the upthrust 浮力 upwards, and the viscous drag upwards. The upthrust comes from hydrostatic pressure 流体静压强: the pressure in a liquid increases with depth, so the liquid pushes harder on the bottom of the ball than on the top, and the resultant of these pushes is upwards. Its size is the weight of the liquid the ball displaces, $U = \rho_{\text{liquid}} V g$ (topic 4). The drag grows with speed. When weight $=$ upthrust $+$ drag, the resultant force is zero and the ball falls at its terminal speed. A "draw labelled arrows" question wants exactly these three, with the upthrust and drag both up and the weight down.
Worked example. A steel ball of radius $2.0\ \text{mm}$ and weight $2.56 \times 10^{-3}\ \text{N}$ falls through oil of density $850\ \text{kg m}^{-3}$. The viscous drag on it is $F = 6\pi \eta r v$, where $\eta$ is the viscosity 黏度 of the oil and $v$ the speed. (a) Find the SI base units of $\eta$. (b) Show that the upthrust on the ball is $2.8 \times 10^{-4}\ \text{N}$. (c) Taking $\eta = 0.20$ in SI units, find the terminal speed.
(a) $\eta = F / (6\pi r v)$, so its units are $\text{N} / (\text{m} \cdot \text{m s}^{-1}) = \text{kg m s}^{-2} / (\text{m}^{2}\ \text{s}^{-1}) = \text{kg m}^{-1}\ \text{s}^{-1}$.
(c) At the terminal speed, drag $= W - U = 2.56 \times 10^{-3} - 2.8 \times 10^{-4} = 2.28 \times 10^{-3}\ \text{N}$. So $v = F / (6\pi \eta r) = 2.28 \times 10^{-3} / (6\pi \times 0.20 \times 2.0 \times 10^{-3}) = 0.30\ \text{m s}^{-1}$.
Energy during a terminal-velocity fall
At terminal velocity, a parachutist 跳伞者 has constant kinetic energy. But the gravitational potential energy 重力势能 keeps falling as they go down. Where does it go? Almost all of it turns into thermal energy 热能 of the air around them. It does not become kinetic energy of the parachutist — that stays constant.
Cyclist or car at constant speed
A vehicle at constant speed on a flat road has zero resultant force. The forward driving force 驱动力 is equal and opposite to the total resistive force (friction, air resistance, and rolling resistance). At higher speed the drag is larger, so the driving force must be larger too — and so the power 功率 must be larger.
On a slope the weight has a component along the road. Going up at constant speed, the driving force must balance the resistive force and the part of the weight that pulls down the slope, $W\sin\theta$; going down, that same component helps the motion.
Worked example. A car of mass $1500\ \text{kg}$ climbs a road inclined at $12°$ to the horizontal at a constant $30\ \text{m s}^{-1}$. The total resistive force is $1600\ \text{N}$. Find the driving force and the useful output power of the engine.
Constant speed means zero resultant force along the slope: $D = 1600 + 1500 \times 9.81 \times \sin 12° = 1600 + 3060 = 4660\ \text{N} \approx 4700\ \text{N}$. Power is force times velocity (topic 5): $P = Dv = 4660 \times 30 = 1.4 \times 10^{5}\ \text{W}$.
Tiếng Việt
Lực ma sát và lực cản
Lực ma sát giữa hai bề mặt rắn tác dụng dọc theo bề mặt và chống lại sự trượt. Lực nhớt hoặc lực cản là lực cản từ chất lưu (chất lỏng hoặc khí) tác dụng lên một vật đang di chuyển qua nó; lực cản không khí là trường hợp đặc biệt của chất khí. Bạn không cần sử dụng hệ số ma sát hay độ nhớt.
Một mô hình đơn giản: lực cản tăng lên khi tốc độ tăng lên. Tại tốc độ bằng không, lực cản bằng không. Lực cản cũng tăng theo diện tích tiết diện ngang của vật và theo mật độ của chất lưu; dù dù hoạt động bằng cách làm cho diện tích, và do đó lực cản, lớn hơn nhiều. Các lực ma sát và lực cản này đều là lực cản: chúng tác dụng ngược chiều chuyển động và chuyển hóa động năng thành nhiệt năng.
Sơ đồ lực tự do của một cuốn sách đang bị kéo trên bàn
Một vật rơi qua không khí
Đối với một vật rơi từ trạng thái nghỉ và rơi qua không khí:
Ban đầu, chỉ có trọng lực tác dụng, nên vật tăng tốc xuống dưới với $g$.
Khi tốc độ tăng, lực cản hướng lên cũng tăng. Lực合 trở nên nhỏ hơn, nên gia tốc giảm dần.
Cuối cùng, lực cản bằng trọng lực. Lực合 bằng không, gia tốc bằng không, và tốc độ giữ nguyên — đây là vận tốc cuối cùng.
Trên đồ thị vận tốc – thời gian, đường thẳng bắt đầu với độ dốc $g$, sau đó cong và bằng phẳng tại vận tốc cuối cùng. Hình dạng này (bắt đầu nhanh, sau đó gia tốc giảm dần, rồi tốc độ không đổi) là sự khác biệt giữa "rơi có sức cản không khí" và "rơi tự do trong chân không" trong một trường trọng lực đều. Trên đồ thị gia tốc – thời gian, gia tốc bắt đầu ở $g$ và giảm dần, cong xuống về không.
Hai quả cầu có cùng kích thước nhưng mật độ khác nhau sẽ có vận tốc cuối cùng khác nhau: quả cầu có mật độ lớn hơn có trọng lượng lớn hơn, nên nó cần lực cản lớn hơn để cân bằng, và lực cản chỉ đạt giá trị đó ở tốc độ cao hơn. Đó cũng là lý do tại sao dù dù thay đổi mọi thứ: khi mở dù, lực cản đột ngột vượt quá trọng lượng, lực hợp hướng lên trên, và người nhảy dù giảm tốc (gia tốc hướng lên trong khi vận tốc vẫn còn hướng xuống) cho đến khi lực cản giảm trở lại bằng trọng lượng tại một vận tốc cuối cùng mới, thấp hơn nhiều.
Đồ thị vận tốc – thời gian của người nhảy dù: gia tốc giảm từ $g$ về 0 tại vận tốc cuối cùng đầu tiên; việc mở dù khiến lực cản vượt quá trọng lượng, nên vận tốc giảm xuống vận tốc cuối cùng mới, thấp hơnĐồ thị vận tốc – thời gian cho vật rơi qua không khíLực tác dụng lên vật rơi trong chất lưu
Rơi qua chất lỏng: ba lực
Một quả bóng rơi qua chất lỏng chịu ba lực tác dụng: trọng lượng hướng xuống, lực đẩy nổi hướng lên, và lực cản nhớt hướng lên. Lực đẩy nổi đến từ áp suất thủy tĩnh: áp suất trong chất lỏng tăng theo độ sâu, nên chất lỏng đẩy mạnh hơn vào mặt dưới của quả bóng so với mặt trên, và lực hợp của các lực đẩy này hướng lên. Độ lớn của nó bằng trọng lượng phần chất lỏng mà quả bóng chiếm chỗ, $U = \rho_{\text{liquid}} V g$ (chủ đề 4). Lực cản tăng theo tốc độ. Khi trọng lượng $=$ lực đẩy nổi $+$ lực cản, lực hợp bằng không và quả bóng rơi với vận tốc cuối cùng. Một câu hỏi yêu cầu "vẽ các mũi tên được ghi nhãn" muốn đúng ba lực này, với lực đẩy nổi và lực cản đều hướng lên và trọng lượng hướng xuống.
Ví dụ đã giải. Một quả cầu thép bán kính $2.0\ \text{mm}$ và trọng lượng $2.56 \times 10^{-3}\ \text{N}$ rơi qua dầu có mật độ $850\ \text{kg m}^{-3}$. Lực cản nhớt tác dụng lên nó là $F = 6\pi \eta r v$, trong đó $\eta$ là độ nhớt của dầu và $v$ là tốc độ. (a) Tìm đơn vị cơ bản SI của $\eta$. (b) Chứng minh rằng lực đẩy nổi tác dụng lên quả cầu là $2.8 \times 10^{-4}\ \text{N}$. (c) Lấy $\eta = 0.20$ trong đơn vị SI, tìm vận tốc cuối cùng.
(a) $\eta = F / (6\pi r v)$, nên đơn vị của nó là $\text{N} / (\text{m} \cdot \text{m s}^{-1}) = \text{kg m s}^{-2} / (\text{m}^{2}\ \text{s}^{-1}) = \text{kg m}^{-1}\ \text{s}^{-1}$.
(c) Tại vận tốc cuối cùng, lực cản $= W - U = 2.56 \times 10^{-3} - 2.8 \times 10^{-4} = 2.28 \times 10^{-3}\ \text{N}$. Vậy $v = F / (6\pi \eta r) = 2.28 \times 10^{-3} / (6\pi \times 0.20 \times 2.0 \times 10^{-3}) = 0.30\ \text{m s}^{-1}$.
Tại sao tư thế duỗi rộng? Duỗi ra tạo diện tích lớn nhất, nên lực cản lớn nhất. Lực cản càng lớn thì lực cản cân bằng trọng lượng càng sớm — và vận tốc cuối cùng ổn định mà họ rơi xuống càng thấp
Năng lượng trong quá trình rơi vận tốc cuối cùng
Tại vận tốc cuối cùng, một người dù lượn có động năng không đổi. Nhưng thế năng trọng trường liên tục giảm khi họ đi xuống. Nó đi đâu đi? Hầu hết chuyển thành năng lượng nhiệt của không khí xung quanh. Nó không trở thành động năng của người dù lượn — cái đó giữ nguyên không đổi.
Xe đạp hoặc ô tô ở tốc độ không đổi
Một phương tiện di chuyển với tốc độ không đổi trên đường bằng có lực hợp bằng không. Lực dẫn động hướng tới bằng và ngược chiều với tổng lực cản (ma sát, sức cản không khí, và lực cản lăn). Ở tốc độ cao hơn, lực cản lớn hơn, nên lực dẫn động phải lớn hơn — và do đó công suất cũng phải lớn hơn.
Trên đường dốc, trọng lượng có một thành phần dọc theo đường. Đi lên với tốc độ không đổi, lực dẫn động phải cân bằng lực cản và phần trọng lượng kéo xuống dốc, $W\sin\theta$; khi đi xuống, thành phần đó giúp chuyển động.
Một chiếc xe leo dốc với tốc độ không đổi: dọc theo dốc, lực dẫn động cân bằng lực cản cộng thành phần trọng lượng $W\sin\theta$
Ví dụ đã giải. Một chiếc xe có khối lượng $1500\ \text{kg}$ leo con đường nghiêng góc $12°$ so với phương ngang với tốc độ không đổi $30\ \text{m s}^{-1}$. Tổng lực cản là $1600\ \text{N}$. Tìm lực dẫn động và công suất đầu ra hữu ích của động cơ.
Tốc độ không đổi nghĩa là lực hợp bằng 0 dọc theo dốc: $D = 1600 + 1500 \times 9.81 \times \sin 12° = 1600 + 3060 = 4660\ \text{N} \approx 4700\ \text{N}$. Công suất là lực nhân vận tốc (chủ đề 5): $P = Dv = 4660 \times 30 = 1.4 \times 10^{5}\ \text{W}$.
Explore · Khám phá
Stopping a car · Dừng xe ô tô
Friction is what brakes a car. Set a speed and brake — the car keeps moving while the driver reacts, then friction slows it. Double the speed and watch the braking distance quadruple. · Ma sát là yếu tố làm chậm xe ô tô. Đặt tốc độ và phanh — xe vẫn tiếp tục di chuyển trong khi tài xế phản ứng, sau đó ma sát làm giảm tốc độ. Gấp đôi tốc độ và quan sát khoảng cách phanh tăng gấp bốn lần.
Explore · Khám phá
Reach terminal velocity · Đạt vận tốc giới hạn
Jump and watch the air-resistance arrow grow until it balances the weight — then the speed is constant. Open the parachute and the much bigger drag drops the diver to a slow, safe terminal velocity. · Nhảy và quan sát mũi tên lực cản không khí tăng dần cho đến khi cân bằng trọng lực — lúc đó tốc độ không đổi. Mở dù và lực cản lớn hơn nhiều sẽ kéo người nhảy xuống vận tốc giới hạn chậm, an toàn.
Conservation of linear momentum · Bảo toàn động lượng tuyến tính
Syllabus · Chương trình
English
state the principle of conservation of momentum
apply the principle of conservation of momentum to solve simple problems, including elastic and inelastic interactions between objects in both one and two dimensions (knowledge of the concept of coefficient of restitution is not required)
recall that, for an elastic collision, total kinetic energy is conserved and the relative speed of approach is equal to the relative speed of separation
understand that, while momentum of a system is always conserved in interactions between objects, some change in kinetic energy may take place
Tiếng Việt
nêu nguyên tắc bảo toàn động lượng
áp dụng nguyên tắc bảo toàn động lượng để giải các bài toán đơn giản, bao gồm cả tương tác đàn hồi và không đàn hồi giữa các vật thể trong cả một chiều và hai chiều (không yêu cầu kiến thức về hệ số phục hồi)
ghi nhớ rằng, đối với va chạm đàn hồi, tổng động năng được bảo toàn và vận tốc tiếp cận tương đối bằng vận tốc tách rời tương đối
hiểu rằng, mặc dù động lượng của hệ luôn được bảo toàn trong tương tác giữa các vật thể, nhưng vẫn có thể xảy ra sự thay đổi nhất định về động năng
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
English
Conservation of momentum in a collision
The principle
For a system with no resultant external force, the total momentum stays constant. This is conservation of momentum 动量守恒. Stated for the two marks the examiner gives: the total momentum of a system of objects remains constant provided no resultant external force acts on the system. Both halves are needed: "total momentum is constant" alone scores one.
It always holds when there is no outside resultant force — in collisions, explosions 爆炸, and recoil 反冲. In two dimensions, momentum is conserved along each direction on its own.
Worked example. A $2.0\ \text{kg}$ trolley and a $3.0\ \text{kg}$ trolley are held together against a compressed spring, then released from rest. The $2.0\ \text{kg}$ trolley flies off at $6.0\ \text{m s}^{-1}$. Find the speed of the other trolley.
The total momentum stays zero (it started at rest), so
In every collision, momentum is conserved (if there is no outside resultant force).
An elastic collision 弹性碰撞 is one where the total kinetic energy is also conserved. A quick test: in an elastic collision, the relative speed 相对速率 of approach equals the relative speed of separation.
In an inelastic collision 非弹性碰撞, momentum is conserved but kinetic energy goes down — some becomes thermal, sound, or deformation 形变 energy. If the two objects stick together, the collision is perfectly inelastic.
Solving collision problems (one dimension)
For two objects with masses $m_{1}, m_{2}$ and starting velocities $u_{1}, u_{2}$ that hit head-on 正面, write
Use signed velocities (positive in one chosen direction). If the collision is elastic, add the relative-speed equation
$$u_{1} - u_{2} = -(v_{1} - v_{2}),$$
or, the same thing, $\tfrac{1}{2} m_{1} u_{1}^{2} + \tfrac{1}{2} m_{2} u_{2}^{2} = \tfrac{1}{2} m_{1} v_{1}^{2} + \tfrac{1}{2} m_{2} v_{2}^{2}$. That gives two equations for two unknowns.
Worked example. A $1500\ \text{kg}$ car moving at $12\ \text{m s}^{-1}$ runs into a stationary $1000\ \text{kg}$ car and they lock together. Find their common velocity just after the collision.
Momentum is conserved (the cars stick, so $v_{1} = v_{2} = v$):
Questions often go on to ask what fraction of the kinetic energy is transferred to other forms. Before: $E_{\text{k}} = \tfrac{1}{2} \times 1500 \times 12^{2} = 1.08 \times 10^{5}\ \text{J}$. After: $\tfrac{1}{2} \times 2500 \times 7.2^{2} = 6.48 \times 10^{4}\ \text{J}$. So $4.3 \times 10^{4}\ \text{J}$, which is $40\%$ of the original kinetic energy, becomes thermal energy, sound and deformation of the cars. Momentum is conserved; kinetic energy is not.
Worked example. A stationary nucleus of mass $222\,u$ decays by emitting an alpha particle α粒子 of mass $4\,u$ at $1.6 \times 10^{7}\ \text{m s}^{-1}$. Find the speed of the remaining nucleus.
Before the decay the total momentum is zero, so afterwards the two momenta are equal and opposite: $218\,u \times v = 4\,u \times 1.6 \times 10^{7}$, giving $v = 2.9 \times 10^{5}\ \text{m s}^{-1}$ in the opposite direction to the alpha particle. The unit $u$ cancels, so its value is never needed. In a decay the momentum, the charge (proton number), the nucleon number and the total mass–energy are all conserved (topic 11).
A useful result for a head-on elastic collision of mass $m$ with a stationary 静止 mass $M$:
If the objects move in two dimensions, split the velocities into perpendicular 垂直components 分量 and apply conservation of momentum along each direction on its own. For a collision where the objects hit at an angle, choose one axis along the first object's motion and one across it. The total momentum is conserved along each axis.
Worked example. On a frictionless surface, ball A has momentum $4.0\ \text{N s}$ due east and ball B has momentum $3.0\ \text{N s}$ due north. They collide and stick together. Find the momentum of the combined object.
Momentum is conserved along each axis: $4.0\ \text{N s}$ east and $3.0\ \text{N s}$ north after the collision, exactly as before. The total momentum is the vector sum, $\sqrt{4.0^{2} + 3.0^{2}} = 5.0\ \text{N s}$ at $\tan^{-1}(3.0 / 4.0) = 37°$ north of east; the combined object moves that way at $5.0\ \text{N s}$ divided by the total mass. A multiple-choice diagram of two momentum arrows is asking exactly this: add the arrows tip to tail.
Rocket / pushing out mass
A rocket pushes out gas at velocity $u$ (relative to itself) at a mass-flow rate 质量流率$\dot m$ (kg per second). It feels a thrust
$$F = \dot m \cdot u,$$
which comes from $F = \Delta p / \Delta t$. The momentum given to the gas each second equals the thrust on the rocket (Newton's third law: the rocket pushes the gas one way, the gas pushes the rocket the other way). An engine ejecting $90\ \text{kg}$ of gas per second at $190\ \text{m s}^{-1}$ produces a thrust of $90 \times 190 = 1.7 \times 10^{4}\ \text{N}$.
Worked example. A rocket of weight $W$ leaves the ground with an initial acceleration $a$. What thrust does its engine produce?
Take upwards as positive. The resultant force is thrust minus weight, so $T - W = ma$. With $m = W / g$, $T = W + Wa / g = W(1 + a / g)$. A rocket of weight $2.0 \times 10^{6}\ \text{N}$ accelerating at $4.0\ \text{m s}^{-2}$ needs a thrust of $2.0 \times 10^{6} \times (1 + 4.0 / 9.81) = 2.8 \times 10^{6}\ \text{N}$. The thrust must exceed the weight before the rocket moves at all.
Tiếng Việt
Bảo toàn động lượng trong va chạmTrong vụ va chạm, một lực lớn tác dụng trong khoảng thời gian rất ngắn để thay đổi động lượng.
Nguyên lý
Đối với một hệ không có lực ngoài tổng hợp tác dụng, động lượng toàn phần được bảo toàn. Đây là động lượng bảo toàn. Khi phát biểu để lấy đủ hai điểm của giám khảo: tổng động lượng của một hệ vật thể được bảo toàn nếu không có lực ngoài tổng hợp nào tác dụng lên hệ. Cả hai vế đều cần thiết: chỉ nói "động lượng toàn phần không đổi" thì chỉ được một điểm.
Luôn đúng khi không có lực ngoài tổng hợp — trong va chạm, nổ và lực phản hồi. Trong hai chiều, động lượng được bảo toàn dọc theo từng hướng riêng biệt.
Ví dụ minh họa. Một $2.0\ \text{kg}$ xe đẩy và một $3.0\ \text{kg}$ xe đẩy được giữ sát nhau vào lò xo nén, sau đó thả từ trạng thái nghỉ. Xe $2.0\ \text{kg}$ bay đi với vận tốc $6.0\ \text{m s}^{-1}$. Tìm vận tốc của xe kia.
Tổng động lượng vẫn bằng không (bắt đầu từ trạng thái nghỉ), nên
Định luật thứ ba Newton trong hệ hai hạt cô lập: lực bằng nhau và ngược chiều
Va chạm đàn hồi và không đàn hồi
Trong mọi va chạm, động lượng được bảo toàn (nếu không có lực ngoài tổng hợp).
Một va chạm đàn hồi là va chạm mà tổng năng lượng động cũng được bảo toàn. Một phép thử nhanh: trong va chạm đàn hồi, vận tốc tương đối tiếp cận bằng vận tốc tương đối tách rời.
Trong va chạm không đàn hồi, động lượng được bảo toàn nhưng năng lượng động giảm — một phần chuyển thành nhiệt, âm thanh hoặc năng lượng biến dạng. Nếu hai vật dính vào nhau, va chạm hoàn toàn không đàn hồi.
Giải bài toán va chạm (một chiều)
Va chạm trực diện: vận tốc trước và sau
Đối với hai vật có khối lượng $m_{1}, m_{2}$ và vận tốc ban đầu $u_{1}, u_{2}$ va chạm trực diện, viết phương trình
Sử dụng dấu của vận tốc (dương theo một hướng đã chọn). Nếu va chạm đàn hồi, thêm phương trình vận tốc tương đối
$$u_{1} - u_{2} = -(v_{1} - v_{2}),$$
hoặc, chính xác như vậy, $\tfrac{1}{2} m_{1} u_{1}^{2} + \tfrac{1}{2} m_{2} u_{2}^{2} = \tfrac{1}{2} m_{1} v_{1}^{2} + \tfrac{1}{2} m_{2} v_{2}^{2}$. Điều này cho ta hai phương trình cho hai ẩn số.
Ví dụ minh họa. Một $1500\ \text{kg}$ ô tô đang di chuyển với $12\ \text{m s}^{-1}$ va chạm vào một $1000\ \text{kg}$ ô tô đứng yên và chúng khóa chặt vào nhau. Tìm vận tốc chung ngay sau va chạm.
Động lượng được bảo toàn (các xe dính vào nhau, nên $v_{1} = v_{2} = v$):
Câu hỏi thường tiếp tục yêu cầu tìm phân số động năng được chuyển sang các dạng khác. Trước: $E_{\text{k}} = \tfrac{1}{2} \times 1500 \times 12^{2} = 1.08 \times 10^{5}\ \text{J}$. Sau: $\tfrac{1}{2} \times 2500 \times 7.2^{2} = 6.48 \times 10^{4}\ \text{J}$. Vậy $4.3 \times 10^{4}\ \text{J}$, tương đương $40\%$ động năng ban đầu, đã trở thành nhiệt năng, âm thanh và biến dạng của xe cộ. Động lượng được bảo toàn; động năng không được bảo toàn.
Ví dụ minh họa. Một hạt nhân có khối lượng $222\,u$ đứng yên phân rã bằng cách phát ra một hạt alpha α có khối lượng $4\,u$ với vận tốc $1.6 \times 10^{7}\ \text{m s}^{-1}$. Tìm vận tốc của hạt nhân còn lại.
Trước khi phân rã, tổng động lượng bằng không, nên sau đó hai động lượng có độ lớn bằng nhau và chiều ngược nhau: $218\,u \times v = 4\,u \times 1.6 \times 10^{7}$, dẫn đến $v = 2.9 \times 10^{5}\ \text{m s}^{-1}$ theo hướng ngược lại với hạt alpha. Đơn vị $u$ triệt tiêu, nên giá trị cụ thể không cần thiết. Trong quá trình phân rã, động lượng, điện tích (số proton), số nucleon và tổng khối lượng–năng lượng đều được bảo toàn (chủ đề 11).
Một kết quả hữu ích cho va chạm đàn hồi trực diện giữa vật có khối lượng $m$ và vật đứng yên có khối lượng $M$:
Nếu các vật di chuyển trong hai chiều, chia các vận tốc thành các thành phầnvuông góc và áp dụng định luật bảo toàn động lượng dọc theo từng hướng riêng biệt. Đối với va chạm mà các vật va chạm ở một góc, hãy chọn một trục dọc theo chuyển động của vật thứ nhất và một trục vuông góc với nó. Tổng động lượng được bảo toàn dọc theo mỗi trục.
Ví dụ minh họa. Trên bề mặt không ma sát, bóng A có động lượng $4.0\ \text{N s}$ hướng về phía đông và bóng B có động lượng $3.0\ \text{N s}$ hướng về phía bắc. Chúng va chạm và dính vào nhau. Tìm động lượng của vật tổng hợp.
Động lượng được bảo toàn dọc theo mỗi trục: $4.0\ \text{N s}$ về phía đông và $3.0\ \text{N s}$ về phía bắc sau va chạm, giống hệt như trước. Tổng động lượng là tổng vector, $\sqrt{4.0^{2} + 3.0^{2}} = 5.0\ \text{N s}$ ở góc $\tan^{-1}(3.0 / 4.0) = 37°$ so với phía đông; vật tổng hợp di chuyển theo hướng đó với vận tốc $5.0\ \text{N s}$ chia cho tổng khối lượng. Một sơ đồ trắc nghiệm với hai mũi tên động lượng đang hỏi chính xác điều này: cộng các mũi tên đuôi nối đầu.
Va chạm掠 được giải quyết dọc theo hai trục vuông góc
Tên lửa / đẩy ra khối lượng
Một tên lửa đẩy khí ra với vận tốc $u$ (tương đối với bản thân) với tốc độ dòng khối lượng$\dot m$ (kg mỗi giây). Nó chịu một lực đẩy
$$F = \dot m \cdot u,$$
điều này xuất phát từ $F = \Delta p / \Delta t$. Động lượng truyền cho khí mỗi giây bằng lực đẩy tác dụng lên tên lửa (định luật III Newton: tên lửa đẩy khí theo một hướng, khí đẩy tên lửa theo hướng ngược lại). Một động cơ phuy khí $90\ \text{kg}$ mỗi giây với vận tốc $190\ \text{m s}^{-1}$ tạo ra lực đẩy là $90 \times 190 = 1.7 \times 10^{4}\ \text{N}$.
Ví dụ minh họa. Một tên lửa có trọng lượng $W$ cất cánh khỏi mặt đất với gia tốc ban đầu $a$. Động cơ của nó tạo ra lực đẩy bao nhiêu?
Lấy hướng lên là dương. Lực tổng hợp là lực đẩy trừ trọng lượng, nên $T - W = ma$. Với $m = W / g$, ta có $T = W + Wa / g = W(1 + a / g)$. Một tên lửa có trọng lượng $2.0 \times 10^{6}\ \text{N}$ gia tốc với $4.0\ \text{m s}^{-2}$ cần một lực đẩy là $2.0 \times 10^{6} \times (1 + 4.0 / 9.81) = 2.8 \times 10^{6}\ \text{N}$. Lực đẩy phải lớn hơn trọng lượng trước khi tên lửa di chuyển.
Explore · Khám phá
A collision · Sự va chạm
Set the masses and speeds, then collide them. Total momentum is conserved — the total before equals the total after. · Thiết lập khối lượng và tốc độ, sau đó va chạm chúng. Tổng động lượng được bảo toàn — tổng trước bằng tổng sau.
Definitions the examiner accepts · Các định nghĩa mà giám khảo chấp nhận
English
A definition question is marked against fixed wording. Learn these exactly, and give one answer only.
Term
Definition
mass
the property of an object that resists a change in its motion
linear momentum
the product of an object's mass and its velocity
force
the rate of change of momentum
Newton's first law
an object remains at rest or moves at constant velocity unless acted on by a resultant force
Newton's second law
the resultant force on an object is proportional to the rate of change of its momentum, and acts in the direction of the change
Newton's third law
when two bodies interact, the force on one is equal in magnitude and opposite in direction to the force on the other
weight
the force on an object due to a gravitational field; equal to the product of its mass and the acceleration of free fall
principle of conservation of momentum
the total momentum of a system of objects remains constant provided no resultant external force acts on the system
elastic collision
a collision in which total kinetic energy is conserved (and the relative speed of approach equals the relative speed of separation)
inelastic collision
a collision in which momentum is conserved but some kinetic energy is transferred to other forms
terminal velocity
the constant velocity reached when the resistive force on a moving object equals the force driving it, so the resultant force is zero
Tiếng Việt
Câu hỏi định nghĩa được chấm dựa trên văn phong cố định. Hãy học thuộc những định nghĩa này và chỉ đưa ra một đáp án duy nhất.
Thuật ngữ
Định nghĩa
khối lượng
thuộc tính của vật thể chống lại sự thay đổi chuyển động
động lượng tuyến tính
tích của khối lượng vật thể và vận tốc của nó
lực
tốc độ thay đổi của động lượng
Định luật Newton thứ nhất
Một vật sẽ đứng yên hoặc chuyển động với vận tốc không đổi nếu không có lực hợp tác dụng lên nó
Định luật Newton thứ hai
Lực hợp tác dụng lên một vật tỷ lệ thuận với tốc độ biến thiên động lượng của vật đó và có cùng hướng với sự biến thiên đó
Định luật Newton thứ ba
Khi hai vật tương tác, lực tác dụng lên vật này có độ lớn bằng và ngược chiều với lực tác dụng lên vật kia
Trọng lực
Là lực tác dụng lên một vật do trường trọng lực; có độ lớn bằng tích của khối lượng và gia tốc tự do rơi
Nguyên lý bảo toàn động lượng
Tổng động lượng của một hệ vật thể sẽ không đổi nếu không có lực hợp bên ngoài tác dụng lên hệ đó
Va chạm đàn hồi
Là va chạm trong đó tổng động năng được bảo toàn (và vận tốc tiếp cận bằng vận tốc tách rời)
Va chạm không đàn hồi
Là va chạm trong đó động lượng được bảo toàn nhưng một phần động năng bị chuyển hóa sang dạng khác
Vận tốc cực hạn
Là vận tốc không đổi đạt được khi lực cản tác dụng lên vật đang chuyển động bằng lực đẩy vật, khiến lực hợp bằng không
3.3
Exam tips · Mẹo làm bài thi
English
Newton's second law is $F = \Delta p / \Delta t$ (rate of change of momentum); $F = ma$ is the special case for constant mass.
Identify third-law pairs correctly: the same type of force, acting on two different bodies — not the balanced forces on one body.
Momentum is conserved in every collision; kinetic energy is conserved only in an elastic collision.
For terminal velocity, explain that drag rises with speed until drag $=$ weight, so the acceleration becomes zero.
Common mistakes
Writing "the forces are balanced" or "the forces cancel out". Say "the resultant force on the object is zero".
Adding both speeds in a head-on collision because momentum is "total". Choose a positive direction, give the opposing velocity a minus sign, then add.
Calculating kinetic energy from a component of the velocity. Kinetic energy uses the full speed of each body.
Calling the weight and the normal contact force on one object a third-law pair. A pair acts on two different objects and is one type of force.
Stating conservation of momentum without the condition. It holds only when no resultant external force acts on the system.
Tiếng Việt
Định luật thứ hai của Newton là $F = \Delta p / \Delta t$ (tốc độ thay đổi động lượng); $F = ma$ là trường hợp đặc biệt cho khối lượng không đổi.
Xác định đúng cặp lực định luật thứ ba: cùng loại lực, tác dụng lên hai vật khác nhau — không phải các lực cân bằng trên cùng một vật.
Động lượng được bảo toàn trong mọi va chạm; động năng chỉ được bảo toàn trong va chạm đàn hồi.
Đối với vận tốc cực hạn, giải thích rằng lực cản tăng theo tốc độ cho đến khi lực cản $=$ trọng lực, nên gia tốc trở thành không.
Lỗi thường gặp
Viết "các lực cân bằng" hoặc "các lực triệt tiêu lẫn nhau". Nên nói "lực hợp tác dụng lên vật bằng không".
Cộng cả hai tốc độ trong va chạm đối đầu vì động lượng là "tổng". Chọn một chiều dương, gán dấu trừ cho vận tốc ngược chiều, sau đó cộng lại.
Tính động năng từ một thành phần vận tốc. Động năng sử dụng toàn bộ tốc độ của mỗi vật.
Gọi trọng lực và lực phản lực tiếp xúc trên cùng một vật là cặp lực định luật thứ ba. Một cặp lực phải tác dụng lên hai vật khác nhau và là cùng một loại lực.
Nêu nguyên lý bảo toàn động lượng mà thiếu điều kiện. Nguyên lý chỉ đúng khi không có lực hợp bên ngoài tác dụng lên hệ.
4
Forces, density and pressure · Lực, mật độ và áp suất
Turning effects of forces · Tác dụng quay của lực
Syllabus · Chương trình
English
understand that the weight of an object may be taken as acting at a single point known as its centre of gravity
define and apply the moment of a force
understand that a couple is a pair of forces that acts to produce rotation only
define and apply the torque of a couple
Tiếng Việt
hiểu rằng trọng lượng của vật thể có thể coi như tác dụng tại một điểm duy nhất gọi là tâm trọng lực của nó
định nghĩa và áp dụng mô-men lực
hiểu rằng một cặp lực là cặp lực có tác dụng tạo ra chỉ chuyển động quay
định nghĩa và áp dụng mô-men của cặp lực
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
English
The principle of moments
Centre of gravity
The weight 重力 of a large object can be treated as acting at one single point, called the centre of gravity 重心 (the same as the centre of mass 质心 in a uniform gravitational field). For a uniform, regular shape — a rectangle, a sphere, a uniform rod — the centre of gravity is at the middle.
When you draw a free-body diagram 受力图, always put the weight arrow at the centre of gravity.
For an irregular shape, find the centre of gravity by experiment. Hang the object freely from a pin: in equilibrium it settles with its centre of gravity vertically below the pin, because only then does the weight have no moment about the pin. A plumb line 铅垂线 hung from the same pin marks that vertical. Hang the object from a second point and draw the second line; the centre of gravity is where the two lines cross. The same fact answers the exam's "explain why the sheet hangs like this": its centre of gravity is directly below the support, so the weight's line of action passes through the pivot and there is no resultant torque.
For a non-uniform 非均匀 bar, the centre of gravity is not at the middle. Find it by balancing the bar on a pivot, or by taking moments: if the bar's weight $W$ balances a known weight, the distance of its centre of gravity from the pivot is the one moment that makes the two sides equal.
Moment of a force
The moment 力矩 of a force about a point is
$$M = F \cdot d,$$
where $F$ is the size of the force 力 and $d$ is the perpendicular distance 垂直距离 from the point to the line of action 作用线 of the force. Unit: $\text{N m}$.
If the force acts at angle $\theta$ to a lever arm 力臂 of length $r$ from the pivot 支点, then $d = r\sin\theta$, so $M = F r\sin\theta$. Only the part of the force perpendicular 垂直 to the lever arm makes it turn.
Worked example. A force of $50\ \text{N}$ is applied to the end of a spanner $0.40\ \text{m}$ long, at $30°$ to the spanner. Find the moment of the force about the nut.
A moment is either clockwise 顺时针 or anticlockwise 逆时针 about the chosen point.
Couple and torque
A couple 力偶 is a pair of forces that are:
equal in size,
opposite in direction,
with their lines of action a perpendicular distance apart.
A couple makes the body turn only — its resultant force is zero, so it gives no straight-line acceleration.
The torque 力偶矩 of a couple is the turning effect it makes:
$$\tau = F \cdot d,$$
where $F$ is the size of one force and $d$ is the perpendicular distance between the two lines of action. Unit: $\text{N m}$. The torque is the same about any point — a special property of couples.
A common multiple-choice trap: two equal forces in the same direction are not a couple (they have a resultant force and cause translation 平动). A couple needs equal size and opposite direction.
Watch the distance in the formula. For a couple of two forces $F$ each acting a distance $d$ from a central pivot, on opposite sides, the perpendicular distance between the two lines of action is $2d$, so the torque is $F \times 2d = 2Fd$. Taking moments about the pivot gives the same answer, $Fd + Fd$. The two-mark definition wants both parts: the product of one of the forces and the perpendicular distance between the lines of action of the forces.
Tiếng Việt
Nguyên lý mô-men
Centre of gravity
Trọng lực của một vật lớn có thể xem như tác dụng tại một điểm duy nhất gọi là trung tâm trọng lực (cũng chính là tâm khối lượng trong trường trọng lực đều). Đối với hình dạng đều, đối xứng — hình chữ nhật, hình cầu, thanh đều — trung tâm trọng lực nằm ở chính giữa.
Khi vẽ sơ đồ lực riêng, luôn đặt mũi tên trọng lực tại trung tâm trọng lực.
Đối với hình dạng không đều, tìm trung tâm trọng lực bằng thí nghiệm. Treo vật tự do từ một đinh ghim: khi cân bằng, vật sẽ nằm yên sao cho trung tâm trọng lực nằm thẳng đứng phía dưới đinh ghim, vì chỉ có thế thì trọng lực mới không tạo mô-men đối với đinh ghim. Một dây dọi treo từ cùng đinh ghim đánh dấu đường thẳng đứng đó. Treo vật từ một điểm thứ hai và kẻ đường thẳng thứ hai; trung tâm trọng lực là nơi hai đường thẳng giao nhau. Chính thực tế này trả lời câu hỏi thi "giải thích tại sao tấm vật treo như vậy": trung tâm trọng lực nằm ngay phía dưới điểm đỡ, nên đường tác dụng của trọng lực đi qua bản lề và không có mô-men hợp.
Tìm trung tâm trọng lực: treo tự do, vật sẽ nằm yên sao cho trung tâm trọng lực nằm thẳng đứng phía dưới đinh ghim, nên hai dây dọi từ hai đinh ghim sẽ giao nhau tại đó
Đối với thanh không đều, trung tâm trọng lực không nằm ở chính giữa. Tìm nó bằng cách cân bằng thanh trên bản lề, hoặc bằng cách lấy mô-men: nếu trọng lực của thanh $W$ cân bằng một trọng lượng đã biết, khoảng cách từ trung tâm trọng lực của thanh đến bản lề chính là giá trị mô-men làm cho hai bên bằng nhau.
Mô-men của lực
Mô-men của một lực đối với một điểm là
$$M = F \cdot d,$$
trong đó $F$ là độ lớn của lực và $d$ là khoảng cách vuông góc từ điểm đó đến đường tác dụng của lực. Đơn vị: $\text{N m}$.
Nếu lực tác dụng với góc $\theta$ so với cánh tay đòn dài $r$ từ bản lề, thì $d = r\sin\theta$, suy ra $M = F r\sin\theta$. Chỉ có thành phần của lực vuông góc với cánh tay đòn mới làm vật quay.
Ví dụ tính toán. Một lực có độ lớn $50\ \text{N}$ tác dụng vào đầu cờ lê dài $0.40\ \text{m}$, với góc $30°$ so với thân cờ lê. Tìm mô-men của lực đối với đai ốc.
Momen phụ thuộc vào khoảng vuông góc $d$ từ điểm quay đến đường tác dụng của lực
Mô-men có thể là chiều kim đồng hồ hoặc ngược chiều kim đồng hồ đối với điểm đã chọn.
Cặp lực và mô-men xoắn
Một cặp lực là cặp lực có:
cùng độ lớn,
ngược chiều,
với các đường tác dụng cách nhau một khoảng vuông góc.
Cặp lực chỉ làm vật quay — lực hợp của nó bằng không, nên không gây gia tốc tịnh tiến.
Mô-men xoắn của một cặp lực là hiệu ứng quay mà nó tạo ra:
$$\tau = F \cdot d,$$
trong đó $F$ là độ lớn của một lực và $d$ là khoảng cách vuông góc giữa hai đường tác dụng. Đơn vị: $\text{N m}$. Mô-men xoắn có giá trị như nhau đối với mọi điểm — đây là tính chất đặc biệt của cặp lực.
A couple: two equal and opposite forces, a distance apart, producing a torque
Một bẫy phổ biến trong câu hỏi trắc nghiệm: hai lực bằng nhau cùng chiều không tạo thành cặp lực (chúng có lực hợp và gây ra chuyển dịch). Một cặp lực cần có độ lớn bằng nhau và ngược chiều.
Hãy chú ý đến khoảng cách trong công thức. Đối với một cặp lực gồm hai lực $F$ mỗi lực tác dụng ở khoảng cách $d$ từ điểm tựa trung tâm, ở hai phía đối diện, khoảng cách vuông góc giữa hai đường tác dụng của lực là $2d$, do đó mô-men là $F \times 2d = 2Fd$. Lấy mô-men quanh điểm tựa cũng cho kết quả tương tự, $Fd + Fd$. Định nghĩa 2 điểm muốn bao gồm cả hai phần: tích của một trong các lực và khoảng cách vuông góc giữa hai đường tác dụng của lực.
Explore · Khám phá
Balance the see-saw · Cân bằng chiếc bục bẩy
Put a weight on each side and slide it in or out. A small weight far from the pivot can balance a big weight close in — the beam is level when force × distance matches on both sides. · Đặt một trọng lượng lên mỗi bên và trượt nó vào hoặc ra xa. Một trọng lượng nhỏ đặt xa bản lề có thể cân bằng một trọng lượng lớn đặt gần — thanh ngang khi lực × khoảng cách khớp nhau ở cả hai bên.
understand that, when there is no resultant force and no resultant torque, a system is in equilibrium
use a vector triangle to represent coplanar forces in equilibrium
Tiếng Việt
nêu và áp dụng nguyên tắc mô-men
hiểu rằng, khi không có lực hợp thành và không có mô-men hợp thành, hệ sẽ ở trạng thái cân bằng
sử dụng tam giác vectơ để biểu diễn các lực đồng phẳng ở trạng thái cân bằng
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
English
Conditions for equilibrium
A body is in equilibrium 平衡 when:
the resultant force 合力 is zero (no straight-line acceleration), AND
the resultant moment about any point is zero (no angular acceleration 角加速度).
Both must hold. A body with no resultant force can still be turning; a body with no resultant moment can still be moving in a straight line.
The classic multiple-choice case: four forces, two equal pairs pointing in opposite directions but not along the same lines. The resultant force is zero, so the centre of mass does not accelerate, but the pairs form couples with a resultant torque, so the object spins faster and faster while its centre of mass moves at constant velocity. Only when both conditions hold is the body in equilibrium.
Principle of moments
For a body that is not turning, the total clockwise moment about any point equals the total anticlockwise moment about the same point. This is the principle of moments 力矩原理.
To solve a balance problem:
Choose a pivot — usually where an unknown force acts, so that force drops out (its distance is zero).
List every force and its perpendicular distance from the pivot.
Set $\sum M_{\text{clockwise}} = \sum M_{\text{anticlockwise}}$.
Use $\sum F = 0$ if you need a second equation.
A ruler balanced on a pivot with masses on each side is solved this way. For a heavy uniform rod, remember to include its weight acting at its centre of gravity. Stated for the marks: for a body in equilibrium, the sum of the clockwise moments about any point equals the sum of the anticlockwise moments about that same point.
Worked example. A uniform beam of length $4.0\ \text{m}$ is pivoted at its centre. A $40\ \text{N}$ weight hangs $1.5\ \text{m}$ from the pivot on one side. How far from the pivot, on the other side, must a $30\ \text{N}$ weight hang to balance the beam?
The beam's own weight acts at the centre (the pivot), so it has no moment. Setting clockwise $=$ anticlockwise moments:
$$40 \times 1.5 = 30 \times d \quad\Rightarrow\quad d = \frac{60}{30} = 2.0\ \text{m}.$$
Worked example. A uniform rod of length $L$ and weight $W = 28\ \text{N}$ is hinged to a wall at one end and held horizontal by a wire from its other end. The wire makes $40°$ with the rod. Find the tension $T$ in the wire.
Take moments about the hinge, so the unknown hinge force drops out. The weight acts at the centre, a distance $L/2$ from the hinge: its moment is $W \times L/2$, clockwise. The tension acts at the end, but not at right angles to the rod, so its moment is $T\sin 40° \times L$, anticlockwise (only the component of $T$ perpendicular to the rod turns it). Equate them:
$$T \sin 40° \times L = W \times \frac{L}{2} \quad\Rightarrow\quad T = \frac{28}{2 \sin 40°} = 22\ \text{N}.$$
The length $L$ cancels, which is why the question need not give it. If a load hangs from the rod as well, add its moment on the clockwise side. This is the shape of almost every moments question: choose the pivot where the unknown force acts, use the perpendicular component of any angled force, and let unknown lengths cancel.
Worked example. A uniform beam of weight $200\ \text{N}$ and length $9.0\ \text{m}$ rests on two supports, X at $1.0\ \text{m}$ from the left end and Y at $6.5\ \text{m}$. A person of weight $700\ \text{N}$ stands $1.7\ \text{m}$ from Y, beyond it. Find the force from each support.
Two unknown forces, $R_{\text{X}}$ and $R_{\text{Y}}$, so take moments about X to remove $R_{\text{X}}$. The beam's weight acts at its centre, $3.5\ \text{m}$ from X; Y is $5.5\ \text{m}$ from X; the person is $7.2\ \text{m}$ from X:
Then the resultant force is zero: $R_{\text{X}} + R_{\text{Y}} = 200 + 700$, so $R_{\text{X}} = 900 - 1040 = -140\ \text{N}$. A negative answer means the beam would lift off X: with the person that far past Y, X must hold the beam down, not up. Questions often ask where a person can stand before the beam tips; that is the position at which $R_{\text{X}}$ becomes zero.
Vector triangle
Three forces in the same plane that are in equilibrium can be drawn as a closed vector triangle 矢量三角形 — drawn tip-to-tail, the three arrows come back to the start. This is a drawing method instead of splitting into components 分量.
Use the sine rule 正弦定理 or the cosine rule 余弦定理 on the triangle to find unknown sizes or directions, or draw the triangle to scale on graph paper.
You can also split each force into horizontal 水平 and vertical 竖直 components and set $\sum F_{x} = 0$ and $\sum F_{y} = 0$.
To draw the triangle for the marks: draw the weight first (vertical, to scale), then add the other two forces tip to tail in their real directions, so the third arrow closes the triangle; label every side with its force and mark the angles. For a block resting on a slope the three forces are the weight (vertical), the normal contact force (perpendicular to the slope) and friction (along the slope), so the triangle is right-angled with the weight as the hypotenuse. For a picture hanging from a string over a pin, the two equal tensions make an isosceles triangle with the weight. The test of any answer is that the triangle closes; if it does not, the object is not in equilibrium.
Worked example. A pulley of negligible weight is held by a spring. A single cable passes under the pulley, and each side of the cable makes $30°$ with the vertical. The tension in the cable is $T = 60\ \text{N}$. Find the force from the spring and the extension of the spring, given its spring constant is $2000\ \text{N m}^{-1}$.
Because it is one continuous cable, the tension is the same on both sides. The two tensions pull down and outwards; their horizontal components cancel and their vertical components add, so the spring must pull up with $F = 2T\cos 30° = 2 \times 60 \times 0.866 = 104\ \text{N}$. From Hooke's law (topic 6), $x = F / k = 104 / 2000 = 0.052\ \text{m}$. If the angle to the vertical grows, $\cos\theta$ falls, so the spring force and extension fall: the cable is pulling more sideways and less upwards.
Tiếng Việt
Điều kiện cân bằng
Một vật处于cân bằng khi:
Lực hợp bằng không (không có gia tốc chuyển động thẳng), VÀ
Mô-men hợp quanh bất kỳ điểm nào bằng không (không có gia tốc góc).
Cả hai điều kiện phải đồng thời thỏa mãn. Một vật không có lực合 vẫn có thể đang quay; một vật không có mô-men hợp vẫn có thể đang chuyển động theo đường thẳng.
Trường hợp trắc nghiệm kinh điển: bốn lực, gồm hai cặp lực bằng nhau nhưng ngược chiều và không cùng nằm trên một đường thẳng. Lực hợp bằng không, nên trọng tâm không gia tốc, nhưng các cặp lực này tạo thành cặp lực có mô-men hợp, khiến vật quay ngày càng nhanh hơn trong khi trọng tâm di chuyển với vận tốc không đổi. Chỉ khi cả hai điều kiện đều thỏa mãn thì vật mới处于 cân bằng.
Nguyên lý mô-men
Đối với một vật không quay, tổng mô-men theo chiều kim đồng hồ quanh bất kỳ điểm nào bằng tổng mô-men ngược chiều kim đồng hồ quanh điểm đó. Đây là nguyên lý mô-men.
Để giải bài toán cân bằng:
Chọn điểm tựa — thường là nơi tác dụng một lực chưa biết, để lực đó biến mất (khoảng cách của nó bằng 0).
Liệt kê mọi lực và khoảng cách vuông góc của chúng từ điểm tựa.
Thiết lập $\sum M_{\text{clockwise}} = \sum M_{\text{anticlockwise}}$.
Sử dụng $\sum F = 0$ nếu bạn cần phương trình thứ hai.
Một thanh kẻ được cân bằng trên điểm tựa với các khối lượng ở hai bên được giải như vậy. Đối với một thanh đều nặng, nhớ bao gồm trọng lực của nó tác dụng tại trọng tâm. Phát biểu để lấy điểm: đối với một vật处于 cân bằng, tổng các mô-men theo chiều kim đồng hồ quanh bất kỳ điểm nào bằng tổng các mô-men ngược chiều kim đồng hồ quanh điểm đó.
Ví dụ minh họa. Một dầm đều dài $4.0\ \text{m}$ được gắn bản lề tại trung tâm. Một trọng lượng $40\ \text{N}$ treo cách bản lề $1.5\ \text{m}$ về một phía. Để cân bằng dầm, một trọng lượng $30\ \text{N}$ phải treo cách bản lề bao nhiêu về phía kia?
Trọng lực của chính dầm tác dụng tại trung tâm (bản lề), nên không có mô-men. Thiết lập mô-men theo chiều kim đồng hồ $=$ mô-men ngược chiều kim đồng hồ:
$$40 \times 1.5 = 30 \times d \quad\Rightarrow\quad d = \frac{60}{30} = 2.0\ \text{m}.$$
Trọng lượng đặt trên thước được cân bằng tại điểm quay — dùng để kiểm tra nguyên lý momenCần cẩu tower là một bài toán về mô-men: mô-men của đối trọng quanh cột trụ cân bằng với mô-men của tải trọng
Ví dụ minh họa. Một thanh đều dài $L$ và nặng $W = 28\ \text{N}$ được gắn bản lề vào tường ở một đầu và giữ nằm ngang bởi một dây cáp từ đầu kia. Dây cáp tạo góc $40°$ với thanh. Tìm lực căng $T$ trong dây cáp.
Thanh gắn bản lề được giữ bởi dây cáp: lấy mô-men quanh bản lề sẽ loại bỏ lực bản lề chưa biết
Lấy mô-men quanh bản lề, lực bản lề chưa biết sẽ biến mất. Trọng lực tác dụng tại trung tâm, cách bản lề $L/2$: mô-men của nó là $W \times L/2$, theo chiều kim đồng hồ. Lực căng tác dụng tại đầu thanh, nhưng không vuông góc với thanh, nên mô-men của nó là $T\sin 40° \times L$, ngược chiều kim đồng hồ (chỉ thành phần của $T$ vuông góc với thanh mới tạo ra sự quay). Cho chúng bằng nhau:
$$T \sin 40° \times L = W \times \frac{L}{2} \quad\Rightarrow\quad T = \frac{28}{2 \sin 40°} = 22\ \text{N}.$$
Chiều dài $L$ bị triệt tiêu, đó là lý do tại sao đề bài không cần cung cấp nó. Nếu có một tải trọng treo trên thanh, hãy cộng thêm mô-men của nó vào vế theo chiều kim đồng hồ. Đây là dạng của hầu hết các bài toán về mô-men: chọn điểm tựa tại nơi lực chưa biết tác dụng, sử dụng thành phần vuông góc của bất kỳ lực nghiêng nào, và để các độ dài chưa biết triệt tiêu.
Ví dụ minh họa. Một thanh đồng chất có trọng lượng $200\ \text{N}$ và chiều dài $9.0\ \text{m}$ đặt trên hai điểm tựa X cách đầu trái $1.0\ \text{m}$ và Y ở $6.5\ \text{m}$. Một người có trọng lượng $700\ \text{N}$ đứng cách Y một khoảng $1.7\ \text{m}$, nằm về phía xa hơn. Tìm lực tác dụng từ mỗi điểm tựa.
Dầm trên hai điểm đỡ: mô-men quanh một điểm đỡ sẽ cho lực của điểm đỡ còn lại; tổng lực sau đó sẽ cho điểm đỡ đầu tiên
Hai lực chưa biết, $R_{\text{X}}$ và $R_{\text{Y}}$, nên lấy mô-men quanh X để loại bỏ $R_{\text{X}}$. Trọng lực của dầm tác dụng tại tâm, $3.5\ \text{m}$ từ X; Y cách X $5.5\ \text{m}$; người đó cách X $7.2\ \text{m}$:
Sau đó lực hợp bằng không: $R_{\text{X}} + R_{\text{Y}} = 200 + 700$, suy ra $R_{\text{X}} = 900 - 1040 = -140\ \text{N}$. Kết quả âm có nghĩa là dầm sẽ bật khỏi X: với người đứng xa đến thế bên ngoài Y, X phải giữ dầm xuống, chứ không đẩy lên. Các câu hỏi thường yêu cầu tìm vị trí người có thể đứng trước khi dầm bị lật; đó là vị trí mà $R_{\text{X}}$ trở thành bằng không.
Tam giác vectơ
Ba lực cùng nằm trong một mặt phẳng và处于 cân bằng có thể được biểu diễn dưới dạng tam giác vectơ khép kín — vẽ nối đầu đuôi, ba mũi tên sẽ quay trở về điểm xuất phát. Đây là phương pháp vẽ thay vì phân tích thành thành phần.
Ba lực cân bằng tạo thành một tam giác vectơ khép kín
Sử dụng định lý sin hoặc định lý cosin trên tam giác để tìm các kích thước hoặc hướng chưa biết, hoặc vẽ tam giác theo tỷ lệ trên giấy kẻ ô vuông.
Bạn cũng có thể phân tích mỗi lực thành thành phần ngang và thành phần dọc và thiết lập $\sum F_{x} = 0$ và $\sum F_{y} = 0$.
Để vẽ tam giác cho bài tập: hãy vẽ trọng lượng trước (theo chiều thẳng đứng, đúng tỷ lệ), sau đó thêm hai lực còn lại nối đầu đuôi theo đúng hướng thực tế của chúng, sao cho mũi tên thứ ba khép kín tam giác; ghi nhãn mọi cạnh với lực tương ứng và đánh dấu các góc. Đối với khối vật đặt trên mặt nghiêng, ba lực bao gồm trọng lượng (thẳng đứng), lực tiếp xúc pháp tuyến (vuông góc với mặt nghiêng) và ma sát (dọc theo mặt nghiêng), do đó tam giác vuông với trọng lượng là cạnh huyền. Đối với bức tranh treo trên dây qua một cái đinh, hai lực căng bằng nhau tạo thành tam giác cân với trọng lượng. Tiêu chuẩn kiểm tra bất kỳ câu trả lời nào là tam giác phải khép kín; nếu không, vật không ở trạng thái cân bằng.
Ví dụ minh họa. Một ròng rọc có trọng lượng không đáng kể được giữ bởi một lò xo. Một sợi dây cáp chạy qua dưới ròng rọc, và mỗi bên của dây cáp tạo với phương thẳng đứng một góc $30°$. Lực căng trong dây cáp là $T = 60\ \text{N}$. Tìm lực tác dụng từ lò xo và độ dãn của lò xo, biết hệ số đàn hồi của nó là $2000\ \text{N m}^{-1}$.
Một ròng rọc được giữ bởi lò xo: hai lực căng trong cùng một dây cáp là bằng nhau, và lực của lò xo cân bằng với tổng các thành phần dọc của chúng
Vì đây là một dây cáp liên tục, lực căng như nhau ở cả hai phía. Hai lực căng kéo xuống và ra ngoài; các thành phần ngang của chúng triệt tiêu lẫn nhau và các thành phần dọc cộng lại, do đó lò xo phải kéo lên với $F = 2T\cos 30° = 2 \times 60 \times 0.866 = 104\ \text{N}$. Từ định luật Hooke (chủ đề 6), $x = F / k = 104 / 2000 = 0.052\ \text{m}$. Nếu góc so với phương thẳng đứng tăng lên, $\cos\theta$ giảm đi, nên lực của lò xo và độ dãn giảm: dây cáp đang kéo nhiều hơn theo chiều ngang và ít hơn theo chiều dọc.
Explore · Khám phá
Forces in equilibrium · Các lực cân bằng
When forces are balanced the resultant is zero — the vectors form a closed loop. Drag the arrows to keep them cancelling. · Khi các lực cân bằng, tổng lực bằng không — các vector tạo thành một vòng khép kín. Kéo các mũi tên để chúng triệt tiêu lẫn nhau.
derive, from the definitions of pressure and density, the equation for hydrostatic pressure$\Delta p = \rho g \Delta h$
use the equation $\Delta p = \rho g \Delta h$
understand that the upthrust acting on an object in a fluid is due to a difference in hydrostatic pressure
calculate the upthrust acting on an object in a fluid using the equation $F = \rho g V$ (Archimedes' principle)
Tiếng Việt
định nghĩa và sử dụng mật độ
định nghĩa và sử dụng áp suất
suy ra từ định nghĩa của áp suất và mật độ, phương trình cho áp suất thủy tĩnh$\Delta p = \rho g \Delta h$
sử dụng phương trình $\Delta p = \rho g \Delta h$
hiểu rằng lực nâng tác dụng lên vật thể trong chất lỏng là do sự chênh lệch áp suất thủy tĩnh
tính lực nâng tác dụng lên vật thể trong chất lỏng bằng phương trình $F = \rho g V$ (nguyên定律 Archimedes)
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
English
Density 密度 is the mass per unit volume:
$$\rho = \frac{m}{V}.$$
Unit: $\text{kg m}^{-3}$ (or $\text{g cm}^{-3}$; $1\ \text{g cm}^{-3} = 1000\ \text{kg m}^{-3}$). Density is a scalar 标量.
Some useful densities to know:
water: $1000\ \text{kg m}^{-3}$
air at room conditions: $\sim 1.2\ \text{kg m}^{-3}$
iron / steel: $\sim 7800\ \text{kg m}^{-3}$
Measuring density is a practical question in disguise. For a cuboid, measure the mass on a balance and the three side lengths with a rule or calipers, then $\rho = m / (xyz)$. Because density is a product and quotient, the percentage uncertainty in $\rho$ is the sum of the percentage uncertainties in $m$, $x$, $y$ and $z$ (topic 1). A zero error on the balance, or a rule whose end is worn, is a systematic error; repeating the readings does not remove it, but subtracting the zero reading does.
Worked example. A block has mass $(120 \pm 1)\ \text{g}$ and sides $(4.0 \pm 0.1)\ \text{cm}$, $(3.0 \pm 0.1)\ \text{cm}$ and $(2.0 \pm 0.1)\ \text{cm}$. Find its density and the percentage uncertainty.
$\rho = 120 / (4.0 \times 3.0 \times 2.0) = 5.0\ \text{g cm}^{-3} = 5000\ \text{kg m}^{-3}$. The percentage uncertainties are $0.8\%$, $2.5\%$, $3.3\%$ and $5.0\%$, so the density is uncertain by $12\%$, about $\pm 600\ \text{kg m}^{-3}$. The shortest side contributes most, which is why a question asks which measurement to improve first.
Tiếng Việt
Một tảng băng nổi với phần lớn thể tích bị ẩn đi: băng nhẹ hơn nước một chút.
Mật độ là khối lượng trên đơn vị thể tích:
$$\rho = \frac{m}{V}.$$
Đơn vị: $\text{kg m}^{-3}$ (hoặc $\text{g cm}^{-3}$; $1\ \text{g cm}^{-3} = 1000\ \text{kg m}^{-3}$). Mật độ là đại lượng vô hướng.
Một số giá trị mật độ hữu ích cần nhớ:
nước: $1000\ \text{kg m}^{-3}$
khí ở điều kiện phòng: $\sim 1.2\ \text{kg m}^{-3}$
sắt / thép: $\sim 7800\ \text{kg m}^{-3}$
Việc đo mật độ thực chất là một câu hỏi thực hành được ẩn đi. Đối với vật thể hình hộp chữ nhật, hãy đo khối lượng bằng cân và ba cạnh bằng thước kẻ hoặc ê-ke, sau đó $\rho = m / (xyz)$. Vì mật độ là tích và thương, sai số phần trăm trong $\rho$ chính là tổng các sai số phần trăm trong $m$, $x$, $y$ và $z$ (chủ đề 1). Lỗi số 0 trên cân, hoặc thước kẻ bị mòn đầu, là lỗi hệ thống; việc lặp lại các lần đọc không loại bỏ được nó, nhưng trừ số 0 đi thì có.
Ví dụ minh họa. Một khối vật có khối lượng $(120 \pm 1)\ \text{g}$ và các cạnh $(4.0 \pm 0.1)\ \text{cm}$, $(3.0 \pm 0.1)\ \text{cm}$ và $(2.0 \pm 0.1)\ \text{cm}$. Tìm mật độ và sai số phần trăm của nó.
$\rho = 120 / (4.0 \times 3.0 \times 2.0) = 5.0\ \text{g cm}^{-3} = 5000\ \text{kg m}^{-3}$. Các sai số phần trăm là $0.8\%$, $2.5\%$, $3.3\%$ và $5.0\%$, nên mật độ không chắc chắn là $12\%$, khoảng $\pm 600\ \text{kg m}^{-3}$. Cạnh ngắn nhất đóng góp nhiều nhất, đó là lý do tại sao câu hỏi yêu cầu cải thiện phép đo nào trước tiên.
Pressure 压强 is the force per unit area, where the force acts at right angles to the surface:
$$p = \frac{F}{A}.$$
Unit: $\text{Pa} = \text{N m}^{-2}$. Pressure is a scalar.
The force is the one pressing at right angles to the surface, and the area is the area of contact. A tree trunk of weight $9.0\ \text{kN}$ standing on a post of diameter $0.28\ \text{m}$ presses with $p = F / A = 9000 / (\pi \times 0.14^{2}) = 1.5 \times 10^{5}\ \text{Pa}$; the same weight on a wider post gives a smaller pressure. Convert diameters to radii, and centimetres to metres, before squaring.
Hydrostatic pressure
Take a column of fluid 流体 with density $\rho$, cross-sectional area 横截面积$A$ and height $\Delta h$. Its weight is
$$W = m g = (\rho \cdot A \cdot \Delta h) \cdot g.$$
This weight presses down on the area $A$ at the bottom, so the extra pressure at the bottom compared with the top is
$$\Delta p = \frac{W}{A} = \rho g \Delta h.$$
This is the hydrostatic pressure 流体静压强 equation. It depends only on the density of the fluid and the depth 深度 — the shape of the container does not matter.
Worked example. Find the extra pressure due to the water at the bottom of a swimming pool $2.5\ \text{m}$ deep. (Water density $1000\ \text{kg m}^{-3}$, $g = 9.81\ \text{m s}^{-2}$.)
$$\Delta p = \rho g \Delta h = 1000 \times 9.81 \times 2.5 \approx 2.5 \times 10^{4}\ \text{Pa}.$$
For a submarine at depth $h$ below the surface, the pressure from the water is $\rho_{\text{seawater}}\, g\, h$. For the total pressure, add the atmospheric pressure 大气压强 at the surface (about $1.0 \times 10^{5}\ \text{Pa}$).
Upthrust and Archimedes' principle
When an object is submerged 浸没 in a fluid, the pressure at the bottom of the object is greater than the pressure at the top (by $\rho g \Delta h$, where $\Delta h$ is the object's height). This difference gives a net upward force called the upthrust 浮力.
For an object of volume $V$ (the volume of fluid displaced 排开), the upthrust is
This is Archimedes' principle 阿基米德原理: the upthrust on a body in a fluid equals the weight of the fluid it pushes aside.
Worked example. A metal block of volume $2.0 \times 10^{-3}\ \text{m}^{3}$ is fully submerged in water. Find the upthrust on it. (Water density $1000\ \text{kg m}^{-3}$, $g = 9.81\ \text{m s}^{-2}$.)
For a fully submerged object, $V$ is its full volume. For a floating 漂浮 object, $V$ is only the volume below the surface — the object floats when the upthrust on the part below the surface equals its weight.
Whether an object floats at all depends on densities: for a fully submerged object the ratio of upthrust to weight is $\rho_{\text{fluid}} V g / \rho_{\text{object}} V g = \rho_{\text{fluid}} / \rho_{\text{object}}$, so it floats if it is less dense than the fluid and sinks if it is denser. Halving the object's density doubles that ratio; changing its volume or the depth changes nothing.
Worked example. A cylinder of mass $11\ \text{kg}$ and diameter $0.78\ \text{m}$ floats upright in water of density $990\ \text{kg m}^{-3}$. Find the depth $y$ of its base below the surface.
Floating means upthrust $=$ weight. The submerged volume is the base area times the depth, $A y$, with $A = \pi \times 0.39^{2} = 0.478\ \text{m}^{2}$:
$$\rho g A y = m g \quad\Rightarrow\quad y = \frac{m}{\rho A} = \frac{11}{990 \times 0.478} = 0.023\ \text{m}.$$
Each extra newton of load on the cylinder needs an extra $1 / (\rho g A)$ of depth, so the depth rises in a straight line with the added weight, wherever on the cylinder it is placed.
Force balance with upthrust
A block held under water by a string tied to the bottom of the container is in equilibrium under three vertical forces: weight (down), tension 张力 (down), upthrust (up). Set $F_{\text{upthrust}} = W + T$ to find the tension.
A submerged block hanging from a newton meter 弹簧测力计 reads less than its weight in air, because of the upthrust: reading $= W - F_{\text{upthrust}}$.
Worked example. A cylinder of weight $25.0\ \text{N}$ hangs from a newton meter fully submerged in water, and the meter reads $10.0\ \text{N}$. Find the volume of the cylinder.
The upthrust is the missing $15.0\ \text{N}$, and upthrust $= \rho g V$, so $V = 15.0 / (1000 \times 9.81) = 1.53 \times 10^{-3}\ \text{m}^{3}$. The same method finds the density of the cylinder: $25.0 / (9.81 \times 1.53 \times 10^{-3}) = 1670\ \text{kg m}^{-3}$.
The upthrust depends on the fluid density and the displaced volume, not on the object's material or depth (for an incompressible 不可压缩 fluid). On a planet with smaller $g$, the upthrust is smaller in the same ratio as the weight, so a floating object still floats with the same fraction below the surface.
Tiếng Việt
Áp suất là lực trên đơn vị diện tích, nơi lực tác dụng vuông góc với bề mặt:
$$p = \frac{F}{A}.$$
Đơn vị: $\text{Pa} = \text{N m}^{-2}$. Áp suất là đại lượng vô hướng.
Lực là lực ép vuông góc với bề mặt, và diện tích là diện tích tiếp xúc. Một thân cây có trọng lượng $9.0\ \text{kN}$ đứng trên một cột trụ có đường kính $0.28\ \text{m}$ gây áp suất là $p = F / A = 9000 / (\pi \times 0.14^{2}) = 1.5 \times 10^{5}\ \text{Pa}$; cùng trọng lượng đó trên một cột trụ rộng hơn sẽ tạo áp suất nhỏ hơn. Chuyển đổi đường kính sang bán kính, và centimet sang mét, trước khi bình phương.
Một barometer aneroid chính xác đo áp suất khí quyển
Áp suất thủy tĩnh
Xét một cột chất lưu có mật độ $\rho$, diện tích tiết diện ngang$A$ và chiều cao $\Delta h$. Trọng lượng của nó là
$$W = m g = (\rho \cdot A \cdot \Delta h) \cdot g.$$
Trọng lượng này ép xuống diện tích $A$ ở phía dưới, nên áp suất tăng thêm ở phía dưới so với phía trên là
$$\Delta p = \frac{W}{A} = \rho g \Delta h.$$
Đây là phương trình áp suất thủy tĩnh. Nó chỉ phụ thuộc vào mật độ của chất lưu và độ sâu — hình dạng của bình chứa không quan trọng.
Ví dụ minh họa. Tìm áp suất tăng thêm do nước gây ra ở đáy hồ bơi sâu $2.5\ \text{m}$. (Mật độ nước $1000\ \text{kg m}^{-3}$, $g = 9.81\ \text{m s}^{-2}$.)
$$\Delta p = \rho g \Delta h = 1000 \times 9.81 \times 2.5 \approx 2.5 \times 10^{4}\ \text{Pa}.$$
Một cột chất lỏng có tiết diện $A$: trọng lượng của nó tạo ra áp suất phụ ở độ sâu bên dưới
Đối với tàu ngầm ở độ sâu $h$ dưới mặt nước, áp suất từ nước là $\rho_{\text{seawater}}\, g\, h$. Để có áp suất tổng cộng, cộng thêm áp suất khí quyển tại mặt nước (khoảng $1.0 \times 10^{5}\ \text{Pa}$).
Lực đẩy và Nguyên lý Archimedes
Khi một vật ngâm trong chất lưu, áp suất tại đáy vật lớn hơn áp suất tại đỉnh (bằng $\rho g \Delta h$, nơi $\Delta h$ là chiều cao của vật). Sự chênh lệch này tạo ra một lực hướng lên tổng cộng gọi là lực đẩy.
Lực đẩy phát sinh do áp suất tác dụng lên đáy vật lớn hơn so với áp suất tác dụng lên đỉnh
Đối với một vật có thể tích $V$ (thể tích chất lưu bị đẩy), lực đẩy là
Đây là nguyên lý Archimedes: lực đẩy tác dụng lên một vật trong chất lưu bằng trọng lượng của chất lưu mà vật đã đẩy đi.
Ví dụ minh họa. Một khối kim loại có thể tích $2.0 \times 10^{-3}\ \text{m}^{3}$ được ngâm hoàn toàn trong nước. Tìm lực đẩy tác dụng lên nó. (Mật độ nước $1000\ \text{kg m}^{-3}$, $g = 9.81\ \text{m s}^{-2}$.)
Đối với vật ngập hoàn toàn, $V$ là thể tích đầy đủ của nó. Đối với vật nổi, $V$ chỉ là phần thể tích nằm dưới mặt nước — vật nổi khi lực đẩy tác dụng lên phần ngập bằng trọng lượng của vật.
Việc vật có nổi hay không phụ thuộc vào mật độ: đối với vật ngập hoàn toàn, tỷ số giữa lực đẩy và trọng lượng là $\rho_{\text{fluid}} V g / \rho_{\text{object}} V g = \rho_{\text{fluid}} / \rho_{\text{object}}$, vì vậy vật sẽ nổi nếu ít đậm đặc hơn chất lưu và chìm nếu đậm đặc hơn. Khi giảm một nửa mật độ của vật thì tỷ số đó tăng gấp đôi; thay đổi thể tích hoặc độ sâu sẽ không làm thay đổi điều gì.
Ví dụ minh họa. Một hình trụ có khối lượng $11\ \text{kg}$ và đường kính $0.78\ \text{m}$ nổi thẳng đứng trong nước có mật độ $990\ \text{kg m}^{-3}$. Tìm độ sâu $y$ từ mặt nước xuống đáy hình trụ.
Nổi nghĩa là lực đẩy $=$ trọng lượng. Thể tích ngập là diện tích đáy nhân với độ sâu, $A y$, với $A = \pi \times 0.39^{2} = 0.478\ \text{m}^{2}$:
$$\rho g A y = m g \quad\Rightarrow\quad y = \frac{m}{\rho A} = \frac{11}{990 \times 0.478} = 0.023\ \text{m}.$$
Mỗi newton tải trọng thêm vào hình trụ cần thêm $1 / (\rho g A)$ độ sâu, do đó độ sâu tăng theo đường thẳng với trọng lượng được thêm vào, bất kể vị trí đặt tải trọng nào trên hình trụ.
Một vật nổi sẽ chìm xuống cho đến khi lực đẩy tác dụng lên phần ngập bằng trọng lượng của vật
Cân bằng lực với lực đẩy
Một khối được giữ dưới nước bởi dây buộc vào đáy bình đang ở trạng thái cân bằng dưới ba lực dọc: trọng lượng (hướng xuống), lực căng (hướng xuống), lực đẩy (hướng lên). Đặt $F_{\text{upthrust}} = W + T$ để tìm lực căng.
Một khối chìm treo từ cân lò xo chỉ giá trị nhỏ hơn trọng lượng trong không khí, do có lực đẩy: chỉ số $= W - F_{\text{upthrust}}$.
Ví dụ minh họa. Một hình trụ có trọng lượng $25.0\ \text{N}$ treo từ cân lò xo và ngập hoàn toàn trong nước, và cân chỉ số $10.0\ \text{N}$. Tìm thể tích của hình trụ.
Lực đẩy chính là phần thiếu $15.0\ \text{N}$, và lực đẩy $= \rho g V$, nên $V = 15.0 / (1000 \times 9.81) = 1.53 \times 10^{-3}\ \text{m}^{3}$. Phương pháp tương tự cũng tìm được mật độ của hình trụ: $25.0 / (9.81 \times 1.53 \times 10^{-3}) = 1670\ \text{kg m}^{-3}$.
Lực đẩy phụ thuộc vào mật độ chất lưu và thể tích bị đẩy, không phụ thuộc vào vật liệu của vật hay độ sâu (đối với chất lưu không nén được). Trên một hành tinh có $g$ nhỏ hơn, lực đẩy cũng nhỏ hơn theo cùng tỷ lệ với trọng lượng, nên một vật nổi vẫn nổi với cùng một phần thể tích nằm dưới mặt nước.
Explore · Khám phá
Pressure with depth · Áp suất theo độ sâu
p = ρg·h
Pressure is proportional to depth — the gradient is ρg. · Áp suất tỷ lệ thuận với độ sâu — hệ số góc là ρg.
Definitions the examiner accepts · Các định nghĩa mà giám khảo chấp nhận
English
A definition question is marked against fixed wording. Learn these exactly, and give one answer only.
Term
Definition
centre of gravity
the point at which the whole weight of an object may be considered to act
moment of a force
the product of the force and the perpendicular distance from the point to the line of action of the force
couple
a pair of equal and opposite forces whose lines of action do not coincide, which produces rotation only
torque of a couple
the product of one of the forces and the perpendicular distance between the lines of action of the forces
principle of moments
for a body in equilibrium, the sum of the clockwise moments about any point equals the sum of the anticlockwise moments about that point
equilibrium
the state of a body on which the resultant force and the resultant torque are both zero
density
mass per unit volume
pressure
force per unit area, where the force acts at right angles to the surface
upthrust
the upward force on a body in a fluid caused by the pressure being greater on its lower surface than on its upper surface
Archimedes' principle
the upthrust on a body in a fluid is equal to the weight of the fluid displaced by the body
Tiếng Việt
Câu hỏi định nghĩa được chấm dựa trên văn phong cố định. Hãy học thuộc những định nghĩa này và chỉ đưa ra một đáp án duy nhất.
Thuật ngữ
Định nghĩa
tâm trọng lực
điểm mà toàn bộ trọng lượng của vật có thể coi như tác dụng
mô-men của lực
tích của lực và khoảng cách vuông góc từ điểm đến đường tác dụng của lực
cặp lực
hai lực bằng nhau và ngược chiều mà đường tác dụng không trùng nhau, chỉ gây ra sự quay
mô-men của cặp lực
tích của một trong hai lực và khoảng cách vuông góc giữa các đường tác dụng của chúng
nguyên lý mô-men
đối với vật cân bằng, tổng các mô-men đồng hồ về bất kỳ điểm nào bằng tổng các mô-men ngược chiều kim đồng hồ về điểm đó
cân bằng
trạng thái của vật mà hợp lực và hợp mô-men đều bằng không
mật độ
khối lượng trên đơn vị thể tích
áp suất
lực trên đơn vị diện tích, trong đó lực tác dụng vuông góc với bề mặt
lực đẩy
lực hướng lên tác dụng lên vật trong chất lưu do áp suất lớn hơn ở mặt dưới so với mặt trên
nguyên lý Archimedes
lực đẩy tác dụng lên vật trong chất lưu bằng trọng lượng của chất lưu bị vật đẩy đi
4.3
Exam tips · Mẹo làm bài thi
English
Take moments about a chosen pivot; for equilibrium, total clockwise $=$ total anticlockwise moments and the resultant force is zero.
A body in equilibrium under three forces gives a closed triangle of forces.
Fluid pressure $= \rho g h$; upthrust $=$ weight of fluid displaced (Archimedes).
Distinguish mass, weight and density, and give the base unit each time.
Common mistakes
Resolving with $\cos\theta$ where the geometry needs $\sin\theta$. Draw the triangle and check which side the angle is next to before choosing.
Substituting the weight of the object where the question is about the upthrust on it. Upthrust is the weight of the fluid displaced, $\rho_{\text{fluid}} V g$.
Leaving out the weight of a uniform beam. It acts at the centre, and it has a moment about any pivot that is not at the centre.
Using the distance along the rod for an angled force. The moment needs the perpendicular distance, or the perpendicular component of the force.
Taking the torque of a couple as $Fd$ with $d$ measured from the pivot. The distance is between the two lines of action, so a symmetric couple gives $2Fd$.
Tiếng Việt
Lấy mô-men quanh một điểm tựa đã chọn; để cân bằng, tổng mô-men đồng hồ $=$ tổng mô-men ngược chiều kim đồng hồ và hợp lực phải bằng không.
Một vật cân bằng dưới ba lực tạo thành một tam giác lực khép kín.
Áp suất chất lưu $= \rho g h$; lực đẩy $=$ trọng lượng chất lưu bị đẩy (Archimedes).
Phân biệt khối lượng, trọng lượng và mật độ, và cung cấp đơn vị cơ bản cho mỗi đại lượng.
Lỗi thường gặp
Phân giải với $\cos\theta$ khi hình học yêu cầu $\sin\theta$. Vẽ tam giác và kiểm tra xem góc nằm cạnh nào trước khi lựa chọn.
Thay thế trọng lượng của vật vào chỗ câu hỏi nói về lực đẩy tác dụng lên nó. Lực đẩy là trọng lượng của chất lưu bị đẩy, $\rho_{\text{fluid}} V g$.
Bỏ qua trọng lượng của thanh đồng nhất. Nó tác dụng tại trung tâm, và nó có mô-men quanh mọi điểm tựa không nằm ở trung tâm.
Sử dụng khoảng cách dọc theo thanh cho lực xiên. Mô-men cần khoảng cách vuông góc, hoặc thành phần vuông góc của lực.
Lấy mô-men của cặp lực là $Fd$ với $d$ đo từ điểm tựa. Khoảng cách là giữa hai đường tác dụng, nên một cặp lực đối xứng cho $2Fd$.
5
Work, energy and power · Công, năng lượng và công suất
Work, energy and power · Công, năng lượng và công suất
Syllabus · Chương trình
English
understand the concept of work, and recall and use $\text{work done} = \text{force} \times \text{displacement in the direction of the force}$
recall and apply the principle of conservation of energy
recall and understand that the efficiency of a system is the ratio of useful energy output from the system to the total energy input
use the concept of efficiency to solve problems
define power as work done per unit time
solve problems using $P = W/t$
derive $P = Fv$ and use it to solve problems
Tiếng Việt
hiểu khái niệm công, và ghi nhớ, áp dụng $\text{work done} = \text{force} \times \text{displacement in the direction of the force}$
ghi nhớ và áp dụng nguyên tắc bảo toàn năng lượng
ghi nhớ và hiểu rằng hiệu suất của hệ thống là tỷ lệ giữa năng lượng hữu ích đầu ra từ hệ thống so với tổng năng lượng đầu vào
sử dụng khái niệm hiệu suất để giải bài tập
định nghĩa công suất là công thực hiện trên mỗi đơn vị thời gian
giải bài tập sử dụng $P = W/t$
suy ra $P = Fv$ và sử dụng nó để giải bài tập
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
English
Work done by a force
Work 功 is done when a force moves its point of contact along the line of the force. For the one-mark definition write: work done is the product of the force and the distance moved in the direction of the force. The work done by a constant force $F$ that causes a displacement 位移$s$ is
$$W = F \cdot s \cdot \cos\theta,$$
where $\theta$ is the angle between the force and the displacement. Only the component 分量 of the force along the displacement does work.
Worked example. A child pulls a sledge $5.0\ \text{m}$ across the snow with a rope, using a force of $20\ \text{N}$ at $60°$ to the ground. Find the work done by the rope.
Unit: $\text{J} = \text{N m}$. Work is a scalar 标量.
Special cases:
force in the same direction as the motion ($\theta = 0$): $W = Fs$, positive work, energy 能量 given to the object.
force at right angles to the motion ($\theta = 90°$): $W = 0$. The normal contact force 支持力 on a car on a flat road does no work.
force opposite to the motion ($\theta = 180°$): $W = -Fs$, negative work, energy taken from the object (for example friction 摩擦力).
For an object moving up a slope at angle $\alpha$ to the horizontal 水平, the work done against gravity in rising a height $h$ is $mgh$, while the work done by a horizontal push over the slope length $L$ uses $\cos\alpha$.
Two multiple-choice tests of the definition: no work is done on an object that slides at constant velocity along a frictionless surface (no force along the motion), or on one that is simply held still (no distance moved); work is done when a force lifts it. And when a box is pushed at constant velocity across a rough floor, the work done by the push is $F \times d$ for the whole distance, however the path is split into stages.
Worked example. A block of mass $4.9\ \text{kg}$ is pushed at constant velocity up a rough slope of length $8.0\ \text{m}$ that rises $1.5\ \text{m}$, by a force of $12\ \text{N}$ acting along the slope. Find the work done against friction.
Constant velocity means no change in kinetic energy, so the work done by the push is shared between the gain in gravitational potential energy and the work done against friction. Work by the push: $12 \times 8.0 = 96\ \text{J}$. Gain in GPE, using the vertical rise: $4.9 \times 9.81 \times 1.5 = 72\ \text{J}$. So the work done against friction is $96 - 72 = 24\ \text{J}$, and the friction force is $24 / 8.0 = 3.0\ \text{N}$. Using the slope length in $mgh$ is the commonest error on this question.
Conservation of energy
Energy is never made or destroyed — it only changes from one form to another, or moves from one object to another. In a closed system 封闭系统, the total energy stays constant. This is conservation of energy 能量守恒, stated for the marks as: energy cannot be created or destroyed; it can only be transferred from one form to another (so the total energy of a closed system is constant).
When you write an energy equation, list every form the energy starts as and ends as. Common forms in this syllabus: kinetic, gravitational potential, elastic potential energy 弹性势能, electrical 电能, thermal, sound, chemical energy 化学能.
A ball rolling down a frictionless 无摩擦ramp 斜坡 turns gravitational potential energy 重力势能 into kinetic energy 动能: $mgh = \tfrac{1}{2} m v^{2}$, so $v = \sqrt{2gh}$. With friction, some of this energy becomes thermal energy 热能 of the ramp and the air.
Worked example. A ball is released from rest at the top of a smooth ramp $1.2\ \text{m}$ high. Find its speed at the bottom (take $g = 9.81\ \text{m s}^{-2}$).
All the gravitational potential energy becomes kinetic energy, so $v = \sqrt{2gh}$ (the mass cancels):
The same idea reads a graph. For a ball falling from height $H$ with air resistance negligible, the GPE falls in a straight line with height ($mgh$), the KE rises in a straight line ($mg(H - h)$), and the two add to the constant $mgH$ at every height.
The energy chain can pass through a spring. A block that hits a spring with kinetic energy $110\ \text{J}$ while sliding a little downhill, so that its GPE falls by a further $20\ \text{J}$ before the spring stops it, stores $110 + 20 = 130\ \text{J}$ of elastic potential energy at the greatest compression, if nothing is lost to friction. The spring's force–compression graph then gives the compression: the energy stored is the area under the line, $\tfrac{1}{2} F_{0} x_{0}$ for a spring that obeys Hooke's law (topic 6), so a maximum force of $2600\ \text{N}$ means $x_{0} = 2 \times 130 / 2600 = 0.10\ \text{m}$. At that instant the resultant force on the block is the spring force minus the component of the weight down the slope, and its acceleration follows from $F = ma$ (topic 3).
Efficiency
The efficiency 效率 of a system is
$$\text{efficiency} = \frac{\text{useful energy output}}{\text{total energy input}} \times 100\%.$$
The same idea with power:
$$\text{efficiency} = \frac{\text{useful power output}}{\text{total power input}} \times 100\%.$$
Efficiency is always less than 100% in a real system, because some input energy becomes "useless" forms — usually thermal energy. If a total energy $E$ is supplied and an amount $Q$ is wasted, the useful output is $E - Q$ and the efficiency is $(E - Q) / E$; a motor rated at $1.7\ \text{kW}$ input with efficiency $53\%$ delivers $0.53 \times 1.7 = 0.90\ \text{kW}$ of useful output.
For an electric motor lifting a load with efficiency $\eta$ at voltage 电压$V$ and current 电流$I$, the useful output power is $\eta V I$. From this you can find a force, a lifting speed, or a tension 张力.
Worked example. An electric motor lifts a $50\ \text{kg}$ load at a steady $0.40\ \text{m s}^{-1}$ while drawing $250\ \text{W}$ of electrical power. Find its efficiency (take $g = 9.81\ \text{m s}^{-2}$).
The useful output power is $P = mgv = 50 \times 9.81 \times 0.40 = 196\ \text{W}$, so
Worked example. A motor raises a block with a force of $240\ \text{N}$ through a vertical distance of $12\ \text{m}$ in $60\ \text{s}$. The input power to the motor is $900\ \text{W}$. Find the useful output power and the efficiency.
Work done on the block: $W = Fd = 240 \times 12 = 2880\ \text{J}$. Useful output power: $P = W / t = 2880 / 60 = 48\ \text{W}$. Efficiency: $48 / 900 \times 100\% = 5.3\%$. Most of the input goes into thermal energy in the motor and its cable. Turned round, a lift motor of useful output $20\ \text{kW}$ raising $1500\ \text{kg}$ through $20\ \text{m}$ takes $t = mgh / P = 1500 \times 9.81 \times 20 / 20\,000 = 15\ \text{s}$.
Tiếng Việt
Turbine gió chuyển hóa động năng của gió thành điện năng.
Công thực hiện bởi một lực
Công được thực hiện khi một lực di chuyển điểm đặt của nó dọc theo phương của lực. Để viết định nghĩa cho 1 điểm, hãy ghi: công thực hiện là tích của lực và quãng đường dịch chuyển theo phương của lực. Công do một lực không đổi $F$ gây ra độ dịch chuyển$s$ là
$$W = F \cdot s \cdot \cos\theta,$$
trong đó $\theta$ là góc giữa lực và độ dịch chuyển. Chỉ có thành phần của lực dọc theo độ dịch chuyển mới tạo công.
Chỉ có thành phần của lực theo phương dịch chuyển ($F\cos\theta$) mới sinh công
Ví dụ minh họa. Một em bé kéo xe trượt $5.0\ \text{m}$ trên tuyết bằng dây thừng, sử dụng lực $20\ \text{N}$ ở góc $60°$ so với mặt đất. Tính công do dây thừng thực hiện.
Đơn vị: $\text{J} = \text{N m}$. Công là đại lượng vô hướng.
Các trường hợp đặc biệt:
lực cùng chiều với chuyển động ($\theta = 0$): $W = Fs$, công dương, năng lượng truyền vào vật.
lực vuông góc với chuyển động ($\theta = 90°$): $W = 0$. Lực tiếp xúc pháp tuyến tác dụng lên ô tô trên đường bằng không sinh công.
lực ngược chiều với chuyển động ($\theta = 180°$): $W = -Fs$, công âm, năng lượng bị lấy ra khỏi vật (ví dụ lực ma sát).
Công dương ($W = +Fs$): lực cùng chiều chuyển động (phía trên). Công âm ($W = -Fs$): lực ngược chiều chuyển động, ví dụ ma sát (phía dưới)
Đối với vật di chuyển lên dốc nghiêng góc $\alpha$ so với phương ngang, công chống lại trọng lực để nâng cao độ cao $h$ là $mgh$, trong khi công do đẩy ngang qua chiều dài dốc $L$ dùng $\cos\alpha$.
Hai bài kiểm tra trắc nghiệm về định nghĩa: không có công nào thực hiện lên vật trượt với vận tốc không đổi trên bề mặt nhẵn (không có lực theo phương chuyển động), hoặc vật chỉ được giữ yên (không có quãng đường di chuyển); công được thực hiện khi có lực nâng vật lên. Và khi một chiếc hộp được đẩy với vận tốc không đổi trên sàn nhám, công do lực đẩy thực hiện là $F \times d$ trên toàn bộ quãng đường, bất kể đường đi được chia thành các giai đoạn như thế nào.
Ví dụ minh họa. Một khối vật có khối lượng $4.9\ \text{kg}$ được đẩy lên mặt dốc nhám dài $8.0\ \text{m}$, cao $1.5\ \text{m}$, với vận tốc không đổi, bởi một lực $12\ \text{N}$ tác dụng dọc theo mặt dốc. Tìm công thực hiện chống lại ma sát.
Hộp được đẩy lên dốc nhám với vận tốc không đổi: công do lực đẩy chi trả cho sự tăng thế năng hấp dẫn, chỉ cần độ cao tăng thêm $h$, và cho công chống ma sát trên toàn bộ chiều dài $L$
Vận tốc không đổi có nghĩa là không có sự thay đổi động năng, nên công của lực đẩy được chia sẻ giữa sự tăng thế năng trọng trường và công thực hiện chống lại ma sát. Công của lực đẩy: $12 \times 8.0 = 96\ \text{J}$. Sự tăng thế năng trọng trường, sử dụng độ cao thẳng đứng: $4.9 \times 9.81 \times 1.5 = 72\ \text{J}$. Vậy công thực hiện chống lại ma sát là $96 - 72 = 24\ \text{J}$, và lực ma sát là $24 / 8.0 = 3.0\ \text{N}$. Sử dụng độ dài dốc trong $mgh$ là lỗi phổ biến nhất trong câu hỏi này.
Định luật bảo toàn năng lượng
Năng lượng không bao giờ được tạo ra hay tiêu diệt — nó chỉ chuyển từ dạng này sang dạng khác, hoặc di chuyển từ vật này sang vật khác. Trong một hệ kín, tổng năng lượng luôn không đổi. Đây là định luật bảo toàn năng lượng, được phát biểu cho các điểm số là: năng lượng không thể được tạo ra hay tiêu diệt; nó chỉ có thể được chuyển từ dạng này sang dạng khác (do đó tổng năng lượng của hệ kín là không đổi).
Khi viết phương trình năng lượng, hãy liệt kê mọi dạng mà năng lượng bắt đầu và kết thúc. Các dạng phổ biến trong chương trình này: động năng, thế năng hấp dẫn, thế năng đàn hồi, điện năng, nhiệt năng, âm thanh, năng lượng hóa học.
Một quả bóng lăn xuống mặt dốc không ma sát chuyển thế năng hấp dẫn thành động năng: $mgh = \tfrac{1}{2} m v^{2}$, nên $v = \sqrt{2gh}$. Có ma sát, một phần năng lượng này trở thành năng lượng nhiệt của mặt dốc và không khí.
Trên mặt dốc không ma sát, thế năng hấp dẫn chuyển thành động năng trong khi tổng năng lượng không đổi
Ví dụ minh họa. Một quả bóng được thả từ nghỉ tại đỉnh mặt dốc nhẵn cao $1.2\ \text{m}$. Tính vận tốc của nó ở đáy (lấy $g = 9.81\ \text{m s}^{-2}$).
Toàn bộ thế năng hấp dẫn trở thành động năng, nên $v = \sqrt{2gh}$ (khối lượng triệt tiêu):
Ý tưởng tương tự cũng áp dụng cho đồ thị. Đối với quả bóng rơi từ độ cao $H$ với sức cản không khí bỏ qua, thế năng hấp dẫn giảm theo đường thẳng theo độ cao ($mgh$), động năng tăng theo đường thẳng ($mg(H - h)$), và hai đại lượng này cộng lại bằng hằng số $mgH$ tại mọi độ cao.
Quả bóng rơi: cả thế năng hấp dẫn và động năng đều thay đổi theo đường thẳng theo độ cao, và tổng của chúng không đổi
Chuỗi năng lượng có thể truyền qua một lò xo. Một khối va chạm vào lò xo với động năng $110\ \text{J}$ khi trượt xuống dốc nhẹ, khiến thế năng hấp dẫn giảm thêm $20\ \text{J}$ trước khi lò xo dừng lại, sẽ tích trữ $110 + 20 = 130\ \text{J}$ năng lượng đàn hồi ở độ nén cực đại, nếu không có hao hụt do ma sát. Đồ thị lực–độ nén của lò xo sau đó cho biết độ nén: năng lượng tích trữ chính là diện tích dưới đường thẳng, $\tfrac{1}{2} F_{0} x_{0}$ đối với lò xo tuân theo định luật Hooke (chủ đề 6), vì vậy lực cực đại $2600\ \text{N}$ tương ứng với $x_{0} = 2 \times 130 / 2600 = 0.10\ \text{m}$. Tại thời điểm đó, hợp lực tác dụng lên khối bằng lực của lò xo trừ thành phần trọng lực dọc theo mặt dốc, và gia tốc được suy ra từ $F = ma$ (chủ đề 3).
Năng lượng tích trữ trong một lò xo chính là diện tích dưới đồ thị lực–độ nén của nó: $\tfrac{1}{2} F_{0} x_{0}$, điều này bằng $\tfrac{1}{2} k x_{0}^{2}$
Hiệu suất
Hiệu suất của một hệ thống là
$$\text{efficiency} = \frac{\text{useful energy output}}{\text{total energy input}} \times 100\%.$$
Ý tưởng tương tự áp dụng cho công suất:
$$\text{efficiency} = \frac{\text{useful power output}}{\text{total power input}} \times 100\%.$$
Hiệu suất luôn nhỏ hơn 100% trong các hệ thống thực tế, vì một phần năng lượng đầu vào chuyển thành các dạng "vô ích" — thường là nhiệt năng. Nếu tổng năng lượng $E$ được cung cấp và lượng $Q$ bị lãng phí, thì công suất hữu ích đầu ra là $E - Q$ và hiệu suất là $(E - Q) / E$; một động cơ định mức $1.7\ \text{kW}$ đầu vào với hiệu suất $53\%$ sẽ cung cấp $0.53 \times 1.7 = 0.90\ \text{kW}$ công suất hữu ích đầu ra.
Hiệu suất: chỉ một phần năng lượng đầu vào chuyển thành công suất hữu ích đầu ra; phần còn lại bị lãng phí, thường dưới dạng nhiệt
Đối với một động cơ điện nâng tải với hiệu suất $\eta$ ở điện áp$V$ và cường độ dòng điện$I$, công suất hữu ích đầu ra là $\eta V I$. Từ đó bạn có thể tính được lực, tốc độ nâng hoặc lực căng.
Ví dụ minh họa. Một động cơ điện nâng tải $50\ \text{kg}$ với tốc độ ổn định $0.40\ \text{m s}^{-1}$ trong khi tiêu thụ $250\ \text{W}$ công suất điện. Hãy tính hiệu suất của nó (lấy $g = 9.81\ \text{m s}^{-2}$).
Công suất hữu ích đầu ra là $P = mgv = 50 \times 9.81 \times 0.40 = 196\ \text{W}$, nên
Ví dụ minh họa. Một động cơ nâng khối với lực $240\ \text{N}$ qua quãng đường đứng $12\ \text{m}$ trong thời gian $60\ \text{s}$. Công suất đầu vào vào động cơ là $900\ \text{W}$. Hãy tìm công suất hữu ích đầu ra và hiệu suất.
Công thực hiện lên khối: $W = Fd = 240 \times 12 = 2880\ \text{J}$. Công suất hữu ích đầu ra: $P = W / t = 2880 / 60 = 48\ \text{W}$. Hiệu suất: $48 / 900 \times 100\% = 5.3\%$. Phần lớn năng lượng đầu vào chuyển thành nhiệt năng trong động cơ và cáp dẫn. Đảo ngược lại, một động cơ thang máy có công suất hữu ích đầu ra $20\ \text{kW}$ nâng $1500\ \text{kg}$ qua $20\ \text{m}$ sẽ tiêu thụ $t = mgh / P = 1500 \times 9.81 \times 20 / 20\,000 = 15\ \text{s}$.
Explore · Khám phá
Energy flow & efficiency · Dòng chảy năng lượng & hiệu suất
The input energy divides into useful work and wasted energy; efficiency = useful ÷ input, and useful + wasted always equals the input. · Năng lượng đầu vào chia thành công có ích và năng lượng hao phí; hiệu suất = có ích ÷ đầu vào, và tổng có ích + hao phí luôn bằng đầu vào.
Explore · Khám phá
Work, energy & power · Công, năng lượng & công suất
PE + KE = constant · PE + KE = hằng số
Work transfers energy; as it falls, PE becomes KE with the total fixed. · Công thực hiện để chuyển giao năng lượng; khi rơi, thế năng (PE) chuyển hóa thành động năng (KE) với tổng năng lượng không đổi.
Power 功率 is the rate of doing work, or the rate of transferring energy:
$$P = \frac{W}{t} = \frac{\Delta E}{\Delta t}.$$
Unit: $\text{W} = \text{J s}^{-1}$. Power is a scalar.
Power, force and velocity
For an object moving at velocity 速度$v$ with a force $F$ along the direction of motion, in a short time $\Delta t$ the displacement is $v\,\Delta t$ and the work done is $F v\,\Delta t$. Dividing by $\Delta t$:
$$P = F v.$$
This is one of the most useful results in mechanics. A "derive $P = Fv$" answer needs exactly those three lines: $P = W / t$, $W = Fs$ for a force along the motion, and $s / t = v$; then use it to solve problems in which a vehicle or a load moves at constant speed.
Worked example. A car travels at a steady $25\ \text{m s}^{-1}$ against a total resistive force of $600\ \text{N}$. Find the output power of its engine.
At constant speed the driving force equals the resistive force, so
For a car at constant velocity $v$ on a flat road, the engine power must balance the total resistive force: $P = F_{\text{resist}} \cdot v$. If the drag 阻力 grows with $v^{2}$, doubling the speed roughly quadruples the power needed.
For lifting a weight 重力$mg$ straight up at constant speed $v$, the useful output power is $P = mg \cdot v$.
For an aircraft hovering at a fixed height, the lift force equals the weight, and a large power is needed because air must be pushed downwards all the time.
A crane raising $600\ \text{kg}$ at a steady $12\ \text{m}$ per minute lifts at $v = 0.20\ \text{m s}^{-1}$, so its useful output power is $mgv = 600 \times 9.81 \times 0.20 = 1.2\ \text{kW}$. Convert the speed to $\text{m s}^{-1}$ first.
A sailboat pushed by a constant wind force at constant velocity must also feel an equal resistive force from the water: constant velocity means zero resultant force, so the wind's power $Fv$ is all going into work against the water.
Tiếng Việt
Công suất là tốc độ thực hiện công, hay tốc độ truyền năng lượng:
Cùng một công sinh ra trong thời gian ngắn hơn có nghĩa là công suất lớn hơn
$$P = \frac{W}{t} = \frac{\Delta E}{\Delta t}.$$
Đơn vị: $\text{W} = \text{J s}^{-1}$. Công suất là đại lượng vô hướng.
Công suất, lực và vận tốc
Đối với vật chuyển động với vận tốc$v$ dưới tác dụng của lực $F$ dọc theo hướng chuyển động, trong khoảng thời gian ngắn $\Delta t$, độ dịch chuyển là $v\,\Delta t$ và công thực hiện là $F v\,\Delta t$. Chia cả hai vế cho $\Delta t$:
$$P = F v.$$
Đây là một trong những kết quả hữu ích nhất trong cơ học. Câu trả lời yêu cầu "suy ra $P = Fv$" cần đúng ba dòng này: $P = W / t$, $W = Fs$ cho lực dọc theo chuyển động, và $s / t = v$; sau đó sử dụng để giải các bài toán mà phương tiện hoặc tải trọng di chuyển với tốc độ không đổi.
Ví dụ minh họa. Một ô tô chạy với tốc độ ổn định $25\ \text{m s}^{-1}$ chống lại tổng lực cản là $600\ \text{N}$. Hãy tìm công suất đầu ra của động cơ.
Đối với ô tô chuyển động với vận tốc không đổi $v$ trên đường bằng, công suất động cơ phải cân bằng tổng lực cản: $P = F_{\text{resist}} \cdot v$. Nếu lực cản không khí tăng theo $v^{2}$, việc gấp đôi tốc độ sẽ làm tứ phân công suất cần thiết.
Đối với việc nâng trọng lượng$mg$ thẳng đứng với tốc độ không đổi $v$, công suất hữu ích đầu ra là $P = mg \cdot v$.
Đối với máy bay trực thăng đang bay lơ lửng ở độ cao cố định, lực nâng bằng trọng lượng, và cần một công suất lớn vì không khí phải bị đẩy xuống dưới liên tục.
Một cần cẩu nâng $600\ \text{kg}$ với tốc độ ổn định $12\ \text{m}$ mỗi phút, nâng lên với tốc độ $v = 0.20\ \text{m s}^{-1}$, nên công suất hữu ích đầu ra của nó là $mgv = 600 \times 9.81 \times 0.20 = 1.2\ \text{kW}$. Chuyển đổi tốc độ sang $\text{m s}^{-1}$ trước.
Một thuyền buồm chịu tác dụng của lực gió không đổi với vận tốc không đổi cũng phải chịu một lực cản bằng nhau từ nước: vận tốc không đổi nghĩa là hợp lực bằng không, nên công suất của gió $Fv$ hoàn toàn dùng để thắng lực cản của nước.
Nhà máy thủy điện được định mức bằng megawatt: năng lượng của nước được lưu trữ, chia cho thời gian để giải phóng nó
5.2
Gravitational potential energy · Thế năng hấp dẫn
Syllabus · Chương trình
English
derive, using $W = Fs$, the formula $\Delta E_{\text{P}} = mg\Delta h$ for gravitational potential energy changes in a uniform gravitational field
recall and use the formula $\Delta E_{\text{P}} = mg\Delta h$ for gravitational potential energy changes in a uniform gravitational field
derive, using the equations of motion, the formula for kinetic energy$E_{\text{K}} = \frac{1}{2}mv^2$
recall and use $E_{\text{K}} = \frac{1}{2}mv^2$
Tiếng Việt
suy ra, sử dụng $W = Fs$, công thức $\Delta E_{\text{P}} = mg\Delta h$ cho sự biến thiên năng lượng thế trọng trường trong trường trọng lực đều
ghi nhớ và sử dụng công thức $\Delta E_{\text{P}} = mg\Delta h$ cho sự biến thiên năng lượng thế trọng trường trong trường trọng lực đều
suy ra, sử dụng các phương trình chuyển động, công thức cho động năng$E_{\text{K}} = \frac{1}{2}mv^2$
nhớ và sử dụng $E_{\text{K}} = \frac{1}{2}mv^2$
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
English
Energy exchange in a pendulum
In a uniform gravitational field (close to a planet's surface), the change in gravitational potential energy of mass 质量$m$ rising or falling through a height $\Delta h$ is
$$\Delta E_{\text{P}} = m g \Delta h.$$
Where it comes from
The work done against gravity to raise a mass $m$ slowly (no change in kinetic energy) through height $\Delta h$ equals the gravitational potential energy gained:
the gravitational force on the mass is $mg$ downwards,
the force needed to lift it slowly is $mg$ upwards,
the work done by this force is $W = F \cdot s = mg \cdot \Delta h$,
this work becomes $\Delta E_{\text{P}}$.
So $\Delta E_{\text{P}} = mg \Delta h$. To use it you need $m$ and $\Delta h$ (and $g$). You do not need speed or time. The two-mark derivation wants the same four lines, with the condition stated: the block is raised at constant speed, so the lifting force equals the weight $mg$, and the work done by that force over the vertical distance $\Delta h$ is $mg\Delta h$, which is the gain in gravitational potential energy. A $100\ \text{g}$ object falling $10\ \text{m}$ loses $0.100 \times 9.81 \times 10 = 9.8\ \text{J}$, about $10\ \text{J}$; the mass must be in kilograms.
Tiếng Việt
Sự trao đổi năng lượng trong con lắc đơn
Trong trường hấp dẫn đều (gần bề mặt hành tinh), sự biến thiên thế năng hấp dẫn của khối lượng$m$ nâng lên hoặc hạ xuống độ cao $\Delta h$ là
$$\Delta E_{\text{P}} = m g \Delta h.$$
Nguồn gốc của nó
Công thực hiện chống lại trọng lực để nâng mass $m$ chậm (không thay đổi động năng) qua độ cao $\Delta h$ bằng với thế năng hấp dẫn thu được:
Lực hấp dẫn tác dụng lên khối là $mg$ hướng xuống,
Lực cần thiết để nâng nó chậm là $mg$ hướng lên,
Công thực hiện bởi lực này là $W = F \cdot s = mg \cdot \Delta h$,
công này trở thành $\Delta E_{\text{P}}$.
Công $\Delta E_{\text{P}} = mg \Delta h$. Để sử dụng nó, bạn cần $m$ và $\Delta h$ (và $g$). Bạn không cần vận tốc hay thời gian. Bài giải 2 điểm yêu cầu đúng bốn dòng đó, với điều kiện được nêu rõ: khối vật được nâng với vận tốc không đổi, nên lực nâng bằng trọng lượng $mg$, và công thực hiện bởi lực này trên quãng đường thẳng đứng $\Delta h$ là $mg\Delta h$, chính là độ tăng thế năng hấp dẫn. Một vật có khối lượng $100\ \text{g}$ rơi từ độ cao $10\ \text{m}$ sẽ mất đi $0.100 \times 9.81 \times 10 = 9.8\ \text{J}$, khoảng $10\ \text{J}$; khối lượng phải tính bằng kilogram.
Thế năng hấp dẫn chỉ phụ thuộc vào độ cao đạt được, không phụ thuộc vào đường điTàu lượn cuốn được kéo lên dốc: công thực hiện chống lại trọng lực được lưu trữ dưới dạng thế năng hấp dẫn
The kinetic energy of an object of mass $m$ moving at speed $v$ is
$$E_{\text{K}} = \tfrac{1}{2} m v^{2}.$$
Where it comes from
Apply a resultant force $F$ to a mass $m$ that starts at rest. It speeds up evenly from $0$ to $v$ over a displacement $s$. From $v^{2} = u^{2} + 2as$ with $u = 0$,
$$s = \frac{v^{2}}{2a}.$$
The work done on the mass is
$$W = F \cdot s = m a \cdot \frac{v^{2}}{2a} = \tfrac{1}{2} m v^{2}.$$
All this work becomes kinetic energy, so $E_{\text{K}} = \tfrac{1}{2} m v^{2}$. In the exam, state the assumptions as you go: the object starts from rest, the force is constant, so the acceleration is uniform, and $F = ma$ is Newton's second law.
Because $E_{\text{K}} \propto v^{2}$, quadrupling the speed multiplies the kinetic energy by sixteen: an object with $1500\ \text{J}$ at $10\ \text{m s}^{-1}$ has $24\,000\ \text{J}$ at $40\ \text{m s}^{-1}$. The same square is why a stopping force is found from energy: a ball of mass $1.2\ \text{kg}$ moving at $3.0\ \text{m s}^{-1}$ that is stopped by a cushion over $0.020\ \text{m}$ loses $\tfrac{1}{2} \times 1.2 \times 3.0^{2} = 5.4\ \text{J}$, so the average force on it is $5.4 / 0.020 = 270\ \text{N}$: the work done by the cushion equals the kinetic energy lost.
Kinetic energy and momentum
Combining $p = mv$ and $E_{\text{K}} = \tfrac{1}{2} m v^{2}$:
$$E_{\text{K}} = \frac{p^{2}}{2m}.$$
This is handy when the momentum 动量 is given but not the velocity. For a momentum change from $p_{1}$ to $p_{2}$ at constant mass, the change in kinetic energy is $(p_{2}^{2} - p_{1}^{2}) / (2m)$.
Tiếng Việt
Động năng của một vật có khối lượng $m$ chuyển động với vận tốc $v$ là
$$E_{\text{K}} = \tfrac{1}{2} m v^{2}.$$
Nguồn gốc của nó
Đặt một lực hợp $F$ lên một vật có khối lượng $m$ bắt đầu từ trạng thái nghỉ. Vật tăng tốc đều từ $0$ đến $v$ trên quãng đường dịch chuyển $s$. Từ $v^{2} = u^{2} + 2as$ với $u = 0$,
$$s = \frac{v^{2}}{2a}.$$
Công thực hiện lên vật là
$$W = F \cdot s = m a \cdot \frac{v^{2}}{2a} = \tfrac{1}{2} m v^{2}.$$
Toàn bộ công này trở thành động năng, do đó $E_{\text{K}} = \tfrac{1}{2} m v^{2}$. Trong bài thi, hãy nêu các giả thiết khi làm: vật bắt đầu từ trạng thái nghỉ, lực là không đổi, nên gia tốc là đều, và $F = ma$ là định luật thứ hai của Newton.
Vì $E_{\text{K}} \propto v^{2}$, việc gấp bốn lần vận tốc sẽ làm động năng tăng gấp mười sáu lần: một vật có $1500\ \text{J}$ ở $10\ \text{m s}^{-1}$ sẽ có $24\,000\ \text{J}$ ở $40\ \text{m s}^{-1}$. Chính bình phương này cũng là lý do để tìm lực phanh từ năng lượng: một quả bóng có khối lượng $1.2\ \text{kg}$ di chuyển với vận tốc $3.0\ \text{m s}^{-1}$ bị dừng lại bởi đệm bảo vệ trên quãng đường $0.020\ \text{m}$ sẽ mất đi $\tfrac{1}{2} \times 1.2 \times 3.0^{2} = 5.4\ \text{J}$, do đó lực trung bình tác dụng lên nó là $5.4 / 0.020 = 270\ \text{N}$: công của đệm bảo vệ bằng động năng đã mất.
Động năng và động lượng
Kết hợp $p = mv$ và $E_{\text{K}} = \tfrac{1}{2} m v^{2}$:
$$E_{\text{K}} = \frac{p^{2}}{2m}.$$
Điều này rất hữu ích khi động lượng đã cho nhưng chưa biết vận tốc. Đối với sự thay đổi động lượng từ $p_{1}$ đến $p_{2}$ với khối lượng không đổi, độ thay đổi động năng là $(p_{2}^{2} - p_{1}^{2}) / (2m)$.
*Vận động viên nhảy sào: động năng từ phần chạy助跑 được lưu trữ trong cây sào bị uốn cong, sau đó được trả lại dưới dạng độ cao
Explore · Khám phá
Kinetic & potential energy · **Thế năng** chuyển thành **động năng** — tổng năng lượng không đổi.
PE + KE = constant · PE + KE = hằng số
Potential energy turns into kinetic energy — the total never changes. · Thế năng chuyển hóa thành động năng — tổng năng lượng không đổi.
5.2
Using energy methods · Áp dụng phương pháp năng lượng
English
A useful plan for problems that mix forces and energy:
Find the start and end states. Write the kinetic and potential energies in each.
List any work done by outside forces (friction, a push). Friction usually takes energy out; a push can add it.
Conservation of energy: $E_{\text{start}} + W_{\text{in}} = E_{\text{end}} + W_{\text{lost as heat etc.}}$.
Examples:
A box pushed at constant velocity up a ramp of length $L$ rising by $h$: $E_{\text{K}}$ does not change, so the work done by the push goes into $\Delta E_{\text{P}}$ plus the work done against friction.
A block sliding into a spring 弹簧 with kinetic energy $E_{\text{K}}$ on a frictionless surface: at greatest compression 压缩$x$, all the kinetic energy has become elastic potential energy $\tfrac{1}{2} k x^{2}$ (where $k$ is the spring constant 劲度系数).
A ball dropped from height $h_{1}$ that bounces to height $h_{2}$: the ratio $h_{2}/h_{1}$ is the fraction of mechanical energy kept, $h_{2}/h_{1} = (v_{\text{up}}/v_{\text{down}})^{2}$.
A projectile 抛体 thrown to the same height at different angles: the final speed is the same (only the height matters); use components to get its direction.
A bungee jumper 蹦极者: from the platform to the point where the cord goes taut, GPE becomes KE; from there the cord stretches and takes energy as elastic potential energy, so the KE reaches its maximum where the cord's pull first equals the weight, then falls to zero at the lowest point, where GPE lost $=$ elastic PE stored (plus any thermal energy).
Tiếng Việt
Một kế hoạch hữu ích cho các bài toán kết hợp giữa lực và năng lượng:
Xác định trạng thái đầu và cuối. Viết động năng và thế năng trong mỗi trạng thái.
Liệt kê mọi công thực hiện bởi lực ngoài (lực ma sát, lực đẩy). Lực ma sát thường lấy đi năng lượng; lực đẩy có thể thêm vào.
Bảo toàn năng lượng: $E_{\text{start}} + W_{\text{in}} = E_{\text{end}} + W_{\text{lost as heat etc.}}$.
Ví dụ:
Một hộp bị đẩy với vận tốc không đổi lên một mặt phẳng nghiêng dài $L$ và cao lên $h$: $E_{\text{K}}$ không đổi, do đó công của lực đẩy đi vào $\Delta E_{\text{P}}$ cộng với công thực hiện chống lại lực ma sát.
Một khối trượt vào lò xo với động năng $E_{\text{K}}$ trên bề mặt không ma sát: tại độ nén tối đa$x$, toàn bộ động năng đã biến thành thế năng đàn hồi $\tfrac{1}{2} k x^{2}$ (trong đó $k$ là hệ số lò xo).
Một quả bóng rơi từ độ cao $h_{1}$ và nảy lên đến độ cao $h_{2}$: tỷ số $h_{2}/h_{1}$ là phân số cơ học được giữ lại, $h_{2}/h_{1} = (v_{\text{up}}/v_{\text{down}})^{2}$.
Một vật phóng được ném đến cùng độ cao ở các góc khác nhau: vận tốc cuối cùng là như nhau (chỉ có độ cao mới quan trọng); dùng các thành phần để tìm hướng.
Người nhảy dù dây: từ bục xuống đến điểm dây căng, thế năng trọng trường chuyển thành động năng; từ đó dây co giãn và lưu trữ năng lượng dưới dạng thế năng đàn hồi, vì vậy động năng đạt cực đại nơi lực kéo của dây lần đầu tiên bằng trọng lực, sau đó giảm về 0 tại điểm thấp nhất, nơi thế năng trọng trường mất đi $=$ bằng thế năng đàn hồi lưu trữ (cộng thêm bất kỳ nhiệt năng nào).
Động năng của khối vật trở thành thế năng đàn hồi khi nó nén lò xo
Explore · Khám phá
Conservation of energy · Bảo toàn năng lượng
Drop the mass and watch GPE turn into KE. With no friction the total energy stays the same — that's the energy method. · Rơi tự do khối lượng và quan sát thế năng hấp dẫn GPE chuyển hóa thành động năng KE. Không có ma sát thì tổng năng lượng giữ nguyên — đó chính là phương pháp năng lượng.
5.2
Definitions the examiner accepts · Các định nghĩa mà giám khảo chấp nhận
English
A definition question is marked against fixed wording. Learn these exactly, and give one answer only.
Term
Definition
work done by a force
the product of the force and the distance moved in the direction of the force
principle of conservation of energy
energy cannot be created or destroyed, only transferred from one form to another, so the total energy of a closed system is constant
efficiency
the ratio of useful energy (or power) output from a system to the total energy (or power) input, usually as a percentage
power
the work done per unit time, or the rate at which energy is transferred
gravitational potential energy
the energy an object has because of its position in a gravitational field
kinetic energy
the energy an object has because of its motion
elastic potential energy
the energy stored in an object that has been stretched or compressed
Tiếng Việt
Câu hỏi định nghĩa được chấm dựa trên văn phong cố định. Hãy học thuộc những định nghĩa này và chỉ đưa ra một đáp án duy nhất.
Thuật ngữ
Định nghĩa
công của lực
tích của lực và quãng đường vật di chuyển theo phương của lực
nguyên lý bảo toàn năng lượng
năng lượng không thể tự sinh ra hay tiêu diệt, chỉ có thể chuyển từ dạng này sang dạng khác, do đó tổng năng lượng của hệ kín là không đổi
hiệu suất
tỷ số giữa năng lượng (hoặc công suất) có ích đầu ra từ hệ thống so với tổng năng lượng (hoặc công suất) đầu vào, thường biểu diễn dưới dạng phần trăm
công suất
công thực hiện trên đơn vị thời gian, hoặc tốc độ truyền năng lượng
thế năng hấp dẫn
năng lượng mà vật sở hữu do vị trí của nó trong trường hấp dẫn
động năng
năng lượng mà vật sở hữu do chuyển động của nó
thế năng đàn hồi
năng lượng được lưu trữ trong vật khi bị kéo dãn hoặc nén lại
5.2
Exam tips · Mẹo làm bài thi
English
Work $=$ force $\times$ distance moved in the direction of the force — use $Fs\cos\theta$ when they are at an angle.
Use conservation of energy: loss in GPE $=$ gain in KE ($+$ work done against resistance).
Power $=$ work $/$ time $= Fv$; efficiency $=$ useful output $\div$ total input.
GPE uses the vertical height gained, not the distance along a slope.
Common mistakes
Giving the change in height as the answer to a change-in-energy question. Finish the calculation: $\Delta E_{\text{P}} = mg\Delta h$.
Using the distance along a slope as the height in $mg\Delta h$, or using mass where weight is needed. Use the vertical height gained, and check whether the quantity wanted is $m$ in kg or $W$ in N.
Putting the resistive force into $P = Fv$ for a car that is accelerating. $F$ is the driving force; only at constant speed does it equal the resistive force.
Efficiency above 100%, or efficiency as output divided by wasted. It is useful output divided by total input, and the total input is always the larger number.
Reading a force–extension graph's gradient when the question wants the energy. Energy stored is the area under the line, not its slope.
Tiếng Việt
Công $=$ lực $\times$ quãng đường di chuyển theo phương của lực — dùng $Fs\cos\theta$ khi chúng tạo với nhau một góc.
Dùng bảo toàn năng lượng: độ giảm GPE $=$ độ tăng KE ($+$ công thực hiện chống lại lực cản).
Công suất $=$ công $/$ thời gian $= Fv$; hiệu suất $=$ đầu ra hữu ích $\div$ tổng đầu vào.
GPE sử dụng chiều dọc độ cao đạt được, không phải quãng đường dọc theo mặt nghiêng.
Lỗi thường gặp
Cho độ thay đổi chiều cao là câu trả lời cho câu hỏi về thay đổi năng lượng. Hoàn thành phép tính: $\Delta E_{\text{P}} = mg\Delta h$.
Sử dụng khoảng cách dọc theo mặt nghiêng làm độ cao trong $mg\Delta h$, hoặc sử dụng khối lượng khi cần trọng lượng. Hãy dùng độ cao thẳng đứng đạt được, và kiểm tra xem đại lượng yêu cầu là $m$ tính bằng kg hay $W$ tính bằng N.
Đưa lực cản vào $P = Fv$ cho một chiếc xe đang tăng tốc. $F$ là lực kéo; chỉ ở tốc độ không đổi nó mới bằng lực cản.
Hiệu suất trên 100%, hoặc hiệu suất lấy đầu ra chia cho phần hao phí. Nó là công ích lợi chia cho tổng năng lượng cung cấp, và tổng năng lượng cung cấp luôn là con số lớn hơn.
Đọc hệ số góc của đồ thị lực–độ giãn khi câu hỏi muốn tìm năng lượng. Năng lượng dự trữ là diện tích dưới đường cong, không phải độ dốc của nó.
Forces that cause deformation · Các lực gây biến dạng
Syllabus · Chương trình
English
understand that deformation is caused by tensile or compressive forces (forces and deformations will be assumed to be in one dimension only)
understand and use the terms load, extension, compression and limit of proportionality
recall and use Hooke's law
recall and use the formula for the spring constant$k = F/x$
define and use the terms stress, strain and the Young modulus
describe an experiment to determine the Young modulus of a metal in the form of a wire
Tiếng Việt
hiểu rằng biến dạng gây ra bởi lực kéo hoặc lực nén (các lực và biến dạng sẽ được giả định chỉ nằm trong một chiều)
hiểu và sử dụng các thuật ngữ tải trọng, độ dãn, nén và giới hạn tỉ lệ
ghi nhớ và áp dụng định定律 Hooke
ghi nhớ và sử dụng công thức cho hệ số cứng của lò xo$k = F/x$
định nghĩa và sử dụng các thuật ngữ ứng suất, biến dạng và mô-đun Young
mô tả thí nghiệm để xác định mô-đun Young của kim loại dưới dạng dây
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
English
Hooke's law & the elastic limit
When a force acts on a solid along its length, the object changes shape (deformation 形变). Two cases (treated as one-dimensional here):
a tensile 拉伸 force stretches the object — it makes an extension 伸长量$x$,
a compressive force squeezes the object — it makes a compression 压缩, treated as a negative extension.
The applied force is the load 负载. The change from the natural length is the extension (or compression).
Both are measured from the natural, unstretched length, never from the loaded length: on a diagram of a spring under a box, the distance the spring has shortened is its compression. A spring's own mass is usually said to be negligible 可忽略的, so the only forces on it are the load and the tension it provides.
Tiếng Việt
Law Hooke & giới hạn đàn hồi
Khi một lực tác dụng lên vật rắn dọc theo chiều dài, vật thể sẽ thay đổi hình dạng (biến dạng). Hai trường hợp (xử lý như một chiều ở đây):
một lực kéo làm dãn dài vật — tạo ra một độ giãn$x$,
một lực nén làm ép vật — tạo ra một sự nén, được coi là độ giãn âm.
Lực tác dụng chính là tải trọng. Sự thay đổi so với chiều dài tự nhiên là độ giãn (hoặc sự nén).
Cả hai đều đo từ chiều dài tự nhiên, chưa bị kéo dãn, chứ không phải từ chiều dài khi có tải: trên sơ đồ lò xo chịu lực một hộp, khoảng cách lò xo bị thu ngắn chính là sự nén của nó. Khối lượng riêng của lò xo thường được coi là không đáng kể, nên các lực tác dụng lên nó chỉ là tải trọng và lực căng mà nó tạo ra.
Explore · Khám phá
Hooke's law spring · Lò xo tuân theo định luật Hooke
Hang a load on the real spring: up to the elastic limit the extension is proportional to the force; beyond it the spring is stretched for good. · Treo một tải trọng lên lò xo thực: cho đến giới hạn đàn hồi thì độ dãn tỷ lệ thuận với lực; vượt qua nó thì lò xo bị kéo giãn vĩnh viễn.
Hooke's law and the spring constant · Law Hooke và hằng số lò xo
English
For many materials at small extensions, the extension is proportional to the load — this is Hooke's law 胡克定律. The constant that links them is the spring constant 劲度系数$k$:
$$F = kx \qquad\Longleftrightarrow\qquad k = \frac{F}{x}.$$
Unit of $k$: $\text{N m}^{-1}$.
Worked example. A spring stretches by $4.0\ \text{cm}$ when a $2.0\ \text{N}$ load is hung from it. Find its spring constant.
Converting the extension to metres ($4.0\ \text{cm} = 0.040\ \text{m}$):
For the one-mark "state Hooke's law", write it in words: the extension is directly proportional to the applied force (load), provided the limit of proportionality is not exceeded. The spring constant is the force per unit extension; the multiple-choice distractors are "extension per unit force" (that is $1/k$) and $\tfrac{1}{2}Fx$ (the energy stored).
Reading a graph:
A force–extension ($F$ against $x$) graph has gradient $k$ in the Hooke's-law region.
An extension–force ($x$ against $F$) graph has gradient $1/k$ in the Hooke's-law region.
A common trap: if a graph plots length$L$ against force, you can still find the spring constant from the gradient (since $L = L_{0} + F/k$, the gradient is $1/k$ — read it off carefully).
Worked example. A spring has length $90\ \text{mm}$ under a force of $0.80\ \text{N}$ and $115\ \text{mm}$ under $1.30\ \text{N}$. Find the spring constant and the unstretched length.
The extra force $0.50\ \text{N}$ produces the extra extension $25\ \text{mm} = 0.025\ \text{m}$, so $k = 0.50 / 0.025 = 20\ \text{N m}^{-1}$. At $0.80\ \text{N}$ the extension is $x = F/k = 0.80 / 20 = 0.040\ \text{m}$, so the unstretched length is $90 - 40 = 50\ \text{mm}$. On a graph of length against force the intercept on the length axis is $L_{0}$, the gradient is $1/k$, and the work done in stretching the spring is the triangle between the line and the level $L = L_{0}$, not the whole area down to the force axis: the rectangle below $L_{0}$ is the unstretched length multiplied by the force, which means nothing.
Limit of proportionality
Hooke's law only holds up to the limit of proportionality 比例极限. Past this point the $F$ against $x$ line curves and is no longer straight. The material may still be elastic 弹性 (it returns to its first length when you remove the load) a little further, then it becomes plastic 塑性.
Springs in series and parallel
You may need to combine spring constants:
Series 串联 (one spring hangs from another): the same load passes through both, the total extension is the sum, so $\dfrac{1}{k_{\text{total}}} = \dfrac{1}{k_{1}} + \dfrac{1}{k_{2}}$.
Parallel 并联 (two springs side by side holding the same load): each takes half the load (if they are identical), the extensions are equal, so $k_{\text{total}} = k_{1} + k_{2}$.
Worked example. Springs of spring constant $6.0\ \text{N cm}^{-1}$ and $4.0\ \text{N cm}^{-1}$ are joined end to end and a load of $80\ \text{N}$ hangs from them. Find the total extension.
Each spring carries the full $80\ \text{N}$, so the extensions are $80/6.0 = 13.3\ \text{cm}$ and $80/4.0 = 20\ \text{cm}$: a total of $33\ \text{cm}$ (the same as $k = 2.4\ \text{N cm}^{-1}$ from $1/k = 1/6.0 + 1/4.0$). Three identical springs give the largest combined constant when all three are in parallel ($3k$) and the smallest when all are in series ($k/3$). When a load is shared by two identical springs in parallel, each carries half the force and so stores a quarter of the energy of one spring holding the whole load; the pair together stores half as much as the single spring did. A spring constant in $\text{N cm}^{-1}$ is $100$ times smaller than the same constant in $\text{N m}^{-1}$; give the unit the question asks for.
Tiếng Việt
Lò xo tuân theo law Hooke: độ giãn tỷ lệ thuận với lực tác dụng.
Đối với nhiều vật liệu ở độ giãn nhỏ, độ giãn tỷ lệ thuận với tải trọng — đây là law Hooke. Hằng số liên kết chúng là hằng số lò xo$k$:
$$F = kx \qquad\Longleftrightarrow\qquad k = \frac{F}{x}.$$
Đơn vị của $k$: $\text{N m}^{-1}$.
Ví dụ có lời giải. Một lò xo dãn dài $4.0\ \text{cm}$ khi treo một tải trọng $2.0\ \text{N}$. Tìm hằng số lò xo của nó.
Chuyển đổi độ giãn sang mét ($4.0\ \text{cm} = 0.040\ \text{m}$):
Với câu hỏi "nêu law Hooke" worth 1 điểm, hãy viết bằng lời: độ giãn tỷ lệ thuận trực tiếp với lực tác dụng (tải trọng), miễn là không vượt quá giới hạn tỷ lệ thuận. Hằng số lò xo là lực trên mỗi đơn vị độ giãn; các đáp án sai trong câu hỏi trắc nghiệm là "độ giãn trên mỗi đơn vị lực" (tức là $1/k$) và $\tfrac{1}{2}Fx$ (năng lượng dự trữ).
Đồ thị tải trọng–độ giãn: đi thẳng lên đến giới hạn tỷ lệ thuận $P$, sau đó bị cong
Đọc đồ thị:
Đồ thị lực–độ giãn ($F$ đối với $x$) có hệ số góc $k$ trong vùng tuân theo law Hooke.
Đồ thị độ giãn–lực ($x$ đối với $F$) có hệ số góc $1/k$ trong vùng tuân theo law Hooke.
Bẫy phổ biến: nếu đồ thị biểu diễn chiều dài$L$ đối với lực, bạn vẫn có thể tìm hằng số lò xo từ hệ số góc (vì $L = L_{0} + F/k$, hệ số góc là $1/k$ — hãy đọc cẩn thận).
Ví dụ có lời giải. Một lò xo có chiều dài $90\ \text{mm}$ dưới tác dụng của lực $0.80\ \text{N}$ và $115\ \text{mm}$ dưới $1.30\ \text{N}$. Tìm hằng số lò xo và chiều dài chưa bị dãn.
Lực dư $0.50\ \text{N}$ tạo ra độ giãn dư $25\ \text{mm} = 0.025\ \text{m}$, do đó $k = 0.50 / 0.025 = 20\ \text{N m}^{-1}$. Tại $0.80\ \text{N}$, độ giãn là $x = F/k = 0.80 / 20 = 0.040\ \text{m}$, vì vậy chiều dài chưa bị dãn là $90 - 40 = 50\ \text{mm}$. Trên đồ thị chiều dài đối với lực, giao điểm trên trục chiều dài là $L_{0}$, hệ số góc là $1/k$, và công thực hiện để kéo dãn lò xo là tam giác giữa đường cong và mức $L = L_{0}$, không phải toàn bộ diện tích xuống đến trục lực: hình chữ nhật bên dưới $L_{0}$ là chiều dài chưa bị dãn nhân với lực, điều này không có ý nghĩa vật lý.
Chiều dài đối với lực: giao điểm là $L_{0}$, hệ số góc là $1/k$, và chỉ tam giác phía trên $L_{0}$ là công thực hiện
Giới hạn tỷ lệ thuận
Law Hooke chỉ đúng đến giới hạn tỷ lệ thuận. Vượt qua điểm này, đường $F$ đối với $x$ sẽ bị cong và không còn là đường thẳng nữa. Vật liệu vẫn có thể đàn hồi (trở về chiều dài ban đầu khi bỏ tải) thêm một chút, sau đó trở nên dẻo.
Lò xo mắc nối tiếp và song song
Bạn có thể cần kết hợp các hằng số lò xo:
Nối tiếp (một lò xo treo dưới另一个): cùng một tải trọng đi qua cả hai, độ giãn tổng cộng là tổng, do đó $\dfrac{1}{k_{\text{total}}} = \dfrac{1}{k_{1}} + \dfrac{1}{k_{2}}$.
Song song (hai lò xo đặt cạnh nhau chịu cùng tải trọng): mỗi cái chịu một nửa tải (nếu chúng giống nhau), độ giãn bằng nhau, do đó $k_{\text{total}} = k_{1} + k_{2}$.
Kết hợp hằng số lò xo: mắc nối tiếp tạo lò xo mềm hơn, mắc song song tạo lò xo cứng hơn
Ví dụ có lời giải. Các lò xo có hằng số lò xo $6.0\ \text{N cm}^{-1}$ và $4.0\ \text{N cm}^{-1}$ được nối đuôi nhau và một tải trọng $80\ \text{N}$ được treo lên. Tìm độ giãn tổng cộng.
Mỗi lò xo mang đầy đủ $80\ \text{N}$, nên độ dãn là $80/6.0 = 13.3\ \text{cm}$ và $80/4.0 = 20\ \text{cm}$: tổng cộng là $33\ \text{cm}$ (giống như $k = 2.4\ \text{N cm}^{-1}$ từ $1/k = 1/6.0 + 1/4.0$). Ba lò xo giống nhau sẽ có hằng số kết hợp lớn nhất khi cả ba mắc song song ($3k$) và nhỏ nhất khi mắc nối tiếp ($k/3$). Khi một tải trọng được chia sẻ bởi hai lò xo giống nhau mắc song song, mỗi lò xo chịu một nửa lực và do đó lưu trữ một phần tư năng lượng của một lò xo giữ toàn bộ tải trọng; cặp lò xo cùng nhau lưu trữ một nửa lượng năng lượng so với lò xo đơn lẻ. Hằng số lò xo trong $\text{N cm}^{-1}$ nhỏ hơn $100$ lần so với hằng số tương tự trong $\text{N m}^{-1}$; hãy đưa ra đơn vị mà câu hỏi yêu cầu.
Explore · Khám phá
Hooke's law · định luật Hooke
F = k·x
Force is proportional to extension — the gradient is the spring constant k. · Lực tỷ lệ thuận với độ dãn — hệ số góc là hằng số lò xo k.
Explore · Khám phá
Hooke's law · định luật Hooke
F = kx
Up to the limit, extension is proportional to force — the gradient is the spring constant k. · Trong giới hạn, độ dãn tỷ lệ thuận với lực — độ dốc chính là hằng số lò xo k.
Explore · Khám phá
Hooke's law: F = kx · Định luật Hooke: F = kx
F = ax
Drag the spring constant. Force is proportional to extension — a straight line through the origin whose gradient is the spring constant. · Kéo thanh trượt hằng số lò xo. Lực tỷ lệ thuận với độ dãn — một đường thẳng đi qua gốc tọa độ mà độ dốc là hằng số lò xo.
limit of proportionality/ˈlɪmɪt ɒv prəˌpɔːʃəˈnælɪti/
điểm gãy
6.1
Stress, strain and the Young modulus · Ứng suất, biến dạng và mô đun Young
English
For a wire of uniform cross-section under a tensile load:
Stress 应力$\sigma = \dfrac{F}{A}$, where $F$ is the load and $A$ is the cross-sectional area 横截面积. Unit: $\text{Pa}$.
Strain 应变$\varepsilon = \dfrac{x}{L_{0}}$, where $x$ is the extension and $L_{0}$ is the original length. Strain has no unit (it is a ratio of lengths).
For the one-mark definitions: stress is the force per unit cross-sectional area (the force acting normally to the area); strain is the extension per unit original length. The unit of stress, $\text{Pa} = \text{N m}^{-2}$, is $\text{kg m}^{-1}\ \text{s}^{-2}$ in base units. The area of a round wire comes from its diameter $d$: $A = \pi d^{2}/4 = \pi r^{2}$, and using $d$ in place of $r$ makes the area four times too big. Convert $\text{mm}^{2}$ to $\text{m}^{2}$ with $10^{-6}$.
Worked example. A tensile force of $18\ \text{N}$ acts on a wire of cross-sectional area $3.2\ \text{mm}^{2}$. Find the stress.
$\sigma = F/A = 18 / (3.2 \times 10^{-6}) = 5.6 \times 10^{6}\ \text{Pa}$. The same force acts along the whole wire, so a bolt whose diameter is $2d$ at one end and $d$ at the other has four times the stress at the narrow end ($\sigma \propto 1/d^{2}$), and a wire of three times the radius carries one ninth of the stress.
The Young modulus 杨氏模量 is the ratio of stress to strain in the Hooke's-law region:
Unit: $\text{Pa}$ (about $10^{11}$ for metals; e.g. steel $\approx 2.0 \times 10^{11}$ Pa).
Worked example. A steel wire of length $2.0\ \text{m}$ and cross-sectional area $1.5 \times 10^{-7}\ \text{m}^{2}$ stretches by $1.0\ \text{mm}$ under a load of $15\ \text{N}$. Find the Young modulus.
The Young modulus is a property of the material — it does not depend on the wire's shape or size. The spring constant $k$ depends on both the material and the size: $k = EA/L_{0}$.
For the one-mark definition: the Young modulus is the ratio of stress to strain (for a material deformed within its limit of proportionality). Because it belongs to the material, a thicker wire of the same metal has the same Young modulus: it stretches less under the same load because its area is larger, not because the metal is stiffer. A "show that $k = EA/L_{0}$" question wants two lines: $k = F/x$ and $E = FL_{0}/(Ax)$, so $E = kL_{0}/A$. Two things follow: a wire's spring constant stays constant while Hooke's law holds, whatever the force, and a wire of the same metal with twice the diameter has four times the spring constant.
Worked example. A copper wire of length $1.7\ \text{m}$ and diameter $0.64\ \text{mm}$ has Young modulus $1.2 \times 10^{11}\ \text{Pa}$. Find its spring constant.
On a stress–strain graph the gradient of the straight part is $E$, so of two materials drawn on the same axes the steeper line is the stiffer material, and a wire with double the Young modulus is drawn as a line through the origin with twice the gradient. On a force–extension graph the gradient is $EA/L_{0}$ and the Young modulus is the gradient multiplied by $L_{0}/A$; only a stress–strain graph has a gradient equal to $E$ itself.
Experiment to find the Young modulus of a metal wire
A standard setup:
Clamp one end of a long, thin wire to a fixed support. Pass the wire over a pulley 滑轮 at the edge of the bench so it hangs straight down.
Measure the original length $L_{0}$ between the clamp and a marker near the pulley, using a metre rule.
Measure the diameter 直径$d$ of the wire at several places with a micrometer 螺旋测微器 and take the average. Work out $A = \pi d^{2}/4$.
Hang weights one at a time. Record the load $F$ and the extension $x$ (how far the marker moves against a fixed scale).
Plot $F$ against $x$. In the straight region the gradient is $EA/L_{0}$, so $E = \text{gradient} \times L_{0}/A$.
Why a long, thin wire? To make the extension big enough to measure well. Why repeat readings and measure $d$ at several places? To reduce random error 随机误差 and check the wire is uniform.
A "describe an experiment" answer earns its marks for the quantities measured and how ($L_{0}$ with a metre rule; $d$ with a micrometer at several points; the load from the masses or a newton meter; the extension from a marker read against a fixed scale, or a vernier scale), the graph ($F$ against $x$, gradient $EA/L_{0}$, or stress against strain, gradient $E$) and the precautions: safety goggles in case the wire snaps, a small load first to straighten kinks, and readings taken on unloading as well as loading to check the wire stayed elastic.
Tiếng Việt
Đối với dây dẫn có tiết diện đều dưới tác dụng của tải trọng kéo:
Ứng suất$\sigma = \dfrac{F}{A}$, trong đó $F$ là tải trọng và $A$ là diện tích tiết diện. Đơn vị: $\text{Pa}$.
Biến dạng$\varepsilon = \dfrac{x}{L_{0}}$, trong đó $x$ là độ dãn và $L_{0}$ là chiều dài ban đầu. Biến dạng không có đơn vị (nó là tỷ lệ giữa các chiều dài).
Đối với các định nghĩa 1 điểm: ứng suất là lực trên một đơn vị diện tích tiết diện (lực tác dụng vuông góc với diện tích); biến dạng là độ dãn trên một đơn vị chiều dài ban đầu. Đơn vị của ứng suất, $\text{Pa} = \text{N m}^{-2}$, là $\text{kg m}^{-1}\ \text{s}^{-2}$ trong các đơn vị cơ bản. Diện tích của dây tròn lấy từ đường kính $d$: $A = \pi d^{2}/4 = \pi r^{2}$, và việc thay thế $d$ vào chỗ $r$ sẽ làm diện tích lớn gấp bốn lần. Chuyển đổi $\text{mm}^{2}$ sang $\text{m}^{2}$ với $10^{-6}$.
Ví dụ minh họa. Một lực kéo $18\ \text{N}$ tác dụng lên dây có diện tích tiết diện $3.2\ \text{mm}^{2}$. Tính ứng suất.
$\sigma = F/A = 18 / (3.2 \times 10^{-6}) = 5.6 \times 10^{6}\ \text{Pa}$. Lực tác dụng dọc theo toàn bộ dây, vì vậy một bu-lông có đường kính $2d$ ở một đầu và $d$ ở đầu kia có ứng suất gấp bốn lần ở đầu hẹp ($\sigma \propto 1/d^{2}$), và một dây có bán kính gấp ba lần sẽ mang lại ứng suất bằng một phần chín.
Ứng suất là tải trọng trên diện tích tiết diện; biến dạng là độ dãn trên chiều dài ban đầu
Mô đun Young là tỷ số giữa ứng suất và biến dạng trong vùng tuân theo định luật Hooke:
Đơn vị: $\text{Pa}$ (khoảng $10^{11}$ đối với kim loại; ví dụ: thép $\approx 2.0 \times 10^{11}$ Pa).
Ví dụ minh họa. Dây thép dài $2.0\ \text{m}$ và có diện tích tiết diện $1.5 \times 10^{-7}\ \text{m}^{2}$ bị dãn thêm $1.0\ \text{mm}$ dưới tác dụng của tải trọng $15\ \text{N}$. Tính mô đun Young.
Đồ thị ứng suất – biến dạng, là đường thẳng đến giới hạn tỷ lệ $P$
Mô đun Young là tính chất của vật liệu — nó không phụ thuộc vào hình dạng hay kích thước của dây. Hằng số lò xo $k$ phụ thuộc vào cả vật liệu lẫn kích thước: $k = EA/L_{0}$.
Đối với định nghĩa 1 điểm: mô đun Young là tỷ số giữa ứng suất và biến dạng (đối với vật liệu bị biến dạng trong giới hạn tỷ lệ). Vì nó thuộc về vật liệu, một dây dày hơn làm từ cùng một loại kim loại sẽ có cùng mô đun Young: nó dãn ít hơn dưới cùng một tải trọng vì diện tích lớn hơn, chứ không phải vì kim loại cứng hơn. Câu hỏi "chứng minh rằng $k = EA/L_{0}$" đòi hỏi hai dòng: $k = F/x$ và $E = FL_{0}/(Ax)$, nên $E = kL_{0}/A$. Hai hệ quả xuất hiện: hằng số lò xo của dây luôn không đổi khi định luật Hooke còn hiệu lực, bất kể lực là bao nhiêu, và một dây cùng loại kim loại nhưng có đường kính gấp đôi sẽ có hằng số lò xo gấp bốn lần.
Ví dụ minh họa. Dây đồng dài $1.7\ \text{m}$ và có đường kính $0.64\ \text{mm}$ có mô đun Young là $1.2 \times 10^{11}\ \text{Pa}$. Tính hằng số lò xo của nó.
Trên đồ thị ứng suất – biến dạng, hệ số góc của phần thẳng là $E$, vì vậy đối với hai vật liệu được vẽ trên cùng trục, đường dốc hơn đại diện cho vật liệu cứng hơn, và một dây có mô đun Young gấp đôi sẽ được vẽ dưới dạng đường thẳng qua gốc tọa độ với hệ số góc gấp đôi. Trên đồ thị lực – độ dãn, hệ số góc là $EA/L_{0}$ và mô đun Young bằng hệ số góc nhân với $L_{0}/A$; chỉ có đồ thị ứng suất – biến dạng mới có hệ số góc bằng chính $E$.
Hai kim loại trên một đồ thị ứng suất – biến dạng: đường dốc hơn có mô đun Young lớn hơn
Thí nghiệm tìm mô đun Young của dây kim loại
Một thiết lập tiêu chuẩn:
Kẹp cố định một đầu của dây dài, mỏng vào giá đỡ. Luồn dây qua ròng rọc ở mép bàn để nó treo thẳng xuống.
Đo chiều dài ban đầu $L_{0}$ giữa đầu kẹp và dấu mark gần ròng rọc, sử dụng thước mét.
Đo đường kính$d$ của dây tại nhiều vị trí bằng micromet và lấy trung bình. Tính $A = \pi d^{2}/4$.
Treo các quả cân từng cái một. Ghi lại tải trọng $F$ và độ dãn $x$ (quãng đường di chuyển của dấu mark so với thang đo cố định).
Vẽ đồ thị $F$ theo $x$. Trong vùng tuyến tính, độ dốc là $EA/L_{0}$, do đó $E = \text{gradient} \times L_{0}/A$.
Tại sao phải dùng dây dài, mỏng? Để tạo ra độ dãn đủ lớn để đo lường chính xác. Tại sao phải lặp lại số liệu và đo $d$ ở nhiều vị trí? Để giảm sai số ngẫu nhiên và kiểm tra xem dây có đồng đều hay không.
Câu trả lời cho dạng bài "mô tả một thí nghiệm" được chấm điểm dựa trên các đại lượng đo và cách thực hiện ($L_{0}$ bằng thước mét; $d$ bằng micromet tại nhiều vị trí; tải trọng từ các quả cân hoặc đồng hồ đo lực; độ dãn từ vạch đánh dấu đọc trên thang cố định, hoặc thang vernier), biểu đồ ($F$ theo $x$, hệ số góc $EA/L_{0}$, hoặc ứng suất theo biến dạng, hệ số góc $E$) và các thận trọng: kính bảo hộ trong trường hợp dây bị đứt, đặt tải nhỏ trước để làm thẳng các khúc khuỷu, và lấy số readings cả khi tăng tải lẫn khi giảm tải để kiểm tra xem dây vẫn còn đàn hồi hay không.
Elastic and plastic behaviour · Hành vi đàn hồi và dẻo
Syllabus · Chương trình
English
understand and use the terms elastic deformation, plastic deformation and elastic limit
understand that the area under the force–extension graph represents the work done
determine the elastic potential energy of a material deformed within its limit of proportionality from the area under the force–extension graph
recall and use $E_p = \frac{1}{2}Fx = \frac{1}{2}kx^2$ for a material deformed within its limit of proportionality
Tiếng Việt
hiểu và sử dụng các thuật ngữ biến dạng đàn hồi, biến dạng dẻo và giới hạn đàn hồi
hiểu rằng diện tích bên dưới đồ thị lực – độ dãn đại diện cho công thực hiện
xác định năng lượng thế đàn hồi của vật liệu bị biến dạng trong giới hạn tỉ lệ từ diện tích bên dưới đồ thị lực – độ dãn
ghi nhớ và sử dụng $E_p = \frac{1}{2}Fx = \frac{1}{2}kx^2$ cho vật liệu bị biến dạng trong giới hạn tỉ lệ của nó
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
English
As the load grows:
Elastic and straight (Hooke obeyed) — up to the limit of proportionality. Removing the load returns the object to its first length.
Elastic but curved — between the limit of proportionality and the elastic limit 弹性极限. The extension is no longer straight in the load, but on unloading the object still returns to its first length.
Plastic — past the elastic limit. On unloading, the object does not return to its first length; a permanent extension stays.
Hooke's law only holds in the straight, elastic region.
In words: elastic deformation means the object returns to its original length (or shape) when the load is removed; plastic deformation means it does not, and a permanent extension remains; the elastic limit is the maximum load (or extension) for which the deformation is still elastic; the limit of proportionality is the point beyond which the extension is no longer proportional to the load. On a graph the limit of proportionality is where the line stops being straight. The elastic limit lies a little beyond it and cannot be read from a loading line alone. So in a "which statement must be correct" item, the end of the straight part is the limit of proportionality, but whether a later point is the elastic limit or the breaking point cannot be told from the shape of the loading line.
On a force–extension graph for a material taken into the plastic region and then unloaded, the loading line and the unloading line are different. The unloading line is parallel to the first Hooke line but shifted to the right (the permanent extension left when the load reaches zero). The area between the loading and unloading lines is the energy turned into thermal energy 热能 in the material.
A rubber band 橡皮筋 also has different loading and unloading curves, but it returns to its original length: its deformation is elastic. The area between the two curves is again energy dissipated as thermal energy (elastic hysteresis 弹性滞后), and the energy recovered on unloading is the area under the lower curve. The two-mark "explain why the work done in stretching the wire is not equal to the energy recovered when the force is removed" answer says that the wire was taken past its elastic limit, so part of the deformation is plastic and a permanent extension remains, and that part of the work done became thermal energy in the wire.
Tiếng Việt
Khi tải trọng tăng lên:
Đàn hồi và thẳng (tuân theo định luật Hooke) — đến giới hạn tỷ lệ. Bỏ tải trọng sẽ trả lại vật về chiều dài ban đầu.
Đàn hồi nhưng cong — giữa giới hạn tỷ lệ và giới hạn đàn hồi. Độ dãn không còn thẳng theo tải trọng nữa, nhưng khi giảm tải, vật vẫn trở về chiều dài ban đầu.
Dẻo — vượt quá giới hạn đàn hồi. Khi giảm tải, vật không trở về chiều dài ban đầu; một độ dãn vĩnh viễn còn lại.
Định luật Hooke chỉ đúng trong vùng thẳng và đàn hồi.
Nói bằng lời: biến dạng đàn hồi có nghĩa là vật trở về chiều dài (hoặc hình dạng) ban đầu khi tải trọng bị bỏ đi; biến dạng dẻo có nghĩa là nó không trở về, và một độ dãn vĩnh viễn còn lại; giới hạn đàn hồi là tải trọng tối đa (hoặc độ dãn tối đa) mà tại đó biến dạng vẫn còn tính đàn hồi; giới hạn tỷ lệ là điểm mà sau đó độ dãn không còn tỷ lệ thuận với tải trọng nữa. Trên biểu đồ, giới hạn tỷ lệ là nơi đường thẳng ngừng thẳng. Giới hạn đàn hồi nằm hơi xa hơn và không thể đọc trực tiếp từ đường tăng tải duy nhất. Vì vậy, trong câu hỏi "mệnh đề nào chắc chắn đúng", phần kết thúc của đoạn thẳng là giới hạn tỷ lệ, nhưng liệu một điểm sau đó là giới hạn đàn hồi hay điểm gãy thì không thể phân biệt chỉ từ hình dạng đường tăng tải.
Lực–độ dãn vượt quá giới hạn đàn hồi: $P$ và $E$ được đánh dấu, với độ dãn vĩnh viễn $B$ còn lại sau khi giảm tảiMáy thử nghiệm đa năng (kéo) hiện đại kéo giãn mẫu và ghi lại lực cũng như độ dãn
Trên biểu đồ lực–độ dãn của một vật liệu được kéo vào vùng dẻo rồi giảm tải, đường tăng tải và đường giảm tải khác nhau. Đường giảm tải song song với đường Hooke ban đầu nhưng bị dịch chuyển sang phải (độ dãn vĩnh viễn còn lại khi tải trọng đạt về 0). Diện tích nằm giữa đường tăng tải và đường giảm tải chính là năng lượng chuyển hóa thành nhiệt năng trong vật liệu.
Một dây cao su cũng có đường tăng tải và giảm tải khác nhau, nhưng nó trở về chiều dài ban đầu: biến dạng của nó là đàn hồi. Diện tích giữa hai đường này lại là năng lượng tiêu tán dưới dạng nhiệt năng (hysteresis đàn hồi), và năng lượng thu hồi được khi giảm tải là diện tích dưới đường thấp hơn. Câu trả lời hai điểm "giải thích tại sao công thực hiện để kéo dây không bằng năng lượng thu hồi được khi lực bị bỏ đi" nói rằng dây đã bị kéo vượt quá giới hạn đàn hồi, nên một phần biến dạng là dẻo và độ dãn vĩnh viễn còn lại, và một phần công thực hiện đã trở thành nhiệt năng trong dây.
Dây cao su trở về chiều dài ban đầu, nhưng diện tích giữa đường tăng tải và giảm tải là năng lượng mất đi dưới dạng nhiệt năng
Energy stored in a stretched material · Năng lượng dự trữ trong vật liệu bị kéo giãn
English
The work done in stretching a material from $0$ to extension $x$, as the load grows from $0$ to $F$, is the area under the force–extension graph.
Why the area: work done is force multiplied by the distance moved, but here the force grows as the material stretches, so the work is the sum of $F\,\Delta x$ over many small extensions, which is the area under the line. Within the limit of proportionality the force rises uniformly from $0$ to $F$, so the average force is $\tfrac{1}{2}F$ and the work is $\tfrac{1}{2}Fx$. On a force–extension graph the gradient is the spring constant.
Hooke's-law material
When Hooke's law holds, the $F$ against $x$ graph is a straight line through the origin. The area under it from $0$ to $x$ is a triangle:
$$E_{\text{P}} = \tfrac{1}{2} F x = \tfrac{1}{2} k x^{2}.$$
This is the elastic potential energy 弹性势能 stored in a spring or wire stretched within its limit of proportionality. An equal form:
$$E_{\text{P}} = \frac{F^{2}}{2k}.$$
Worked example. A spring of spring constant $50\ \text{N m}^{-1}$ is stretched by $0.20\ \text{m}$, within its limit of proportionality. Find the elastic potential energy stored.
Worked example. A wire of spring constant $2.0 \times 10^{4}\ \text{N m}^{-1}$ is already extended by $2.0\ \text{mm}$. Find the work done to increase its extension to $3.0\ \text{mm}$.
The stored energy rises from $\tfrac{1}{2} k x_{1}^{2}$ to $\tfrac{1}{2} k x_{2}^{2}$: $W = \tfrac{1}{2} \times 2.0 \times 10^{4} \times \left[(3.0 \times 10^{-3})^{2} - (2.0 \times 10^{-3})^{2}\right] = 0.050\ \text{J}$. This is the trapezium under the line between the two extensions, not $\tfrac{1}{2} k (x_{2} - x_{1})^{2}$. Because $E_{\text{P}} \propto x^{2}$ at fixed $k$, doubling the extension of a wire stores four times the energy ($0.65\ \text{J}$ becomes $2.6\ \text{J}$), and a stored energy gives the extension as $x = \sqrt{2E_{\text{P}}/k}$: a spring of $k = 400\ \text{N m}^{-1}$ storing $0.32\ \text{J}$ is compressed by $\sqrt{2 \times 0.32 / 400} = 0.040\ \text{m}$. For two wires joined end to end the tension is the same in both, so the total energy stored is $\tfrac{1}{2}F x_{1} + \tfrac{1}{2}F x_{2}$ with each wire's own extension.
Non-Hooke material
For a graph that is not a straight line (a stretched rubber band, or a spring past its limit of proportionality), find the area by counting grid squares or by using trapezia 梯形. The same idea holds: the area under the force–extension graph is the work done on the material. To estimate the work done up to the breaking point, count the squares under the whole curve (part squares as halves) and multiply by the energy one square represents, the force step multiplied by the extension step; saying that the area was found by counting squares is the "explain your reasoning" mark.
Comparing stored energy
A common multiple-choice case: two materials are stretched by the same force, or by the same extension. Using $E_{\text{P}} = \tfrac{1}{2} F x$:
same $F$, smaller $k$ (less stiff) → larger $x$ → more energy stored.
same $x$, larger $k$ (stiffer) → larger $F$ → more energy stored.
A sketch of $E_{\text{P}}$ against extension or compression is a curve through the origin that gets steeper ($E_{\text{P}} \propto x^{2}$), not a straight line. Of two wires of the same length and area under the same load, the one with the smaller Young modulus extends more and so stores more energy.
When a stretched spring is released onto a mass, the elastic potential energy becomes kinetic energy 动能 (and gravitational potential energy if the mass rises). Set $\tfrac{1}{2} k x^{2}$ equal to $\tfrac{1}{2} m v^{2}$ (plus any $mgh$) to find the speed or height.
Tiếng Việt
Công thực hiện để kéo giãn một vật liệu từ $0$ đến độ dãn $x$, khi tải trọng tăng từ $0$ đến $F$, chính là diện tích dưới biểu đồ lực–độ dãn.
Công thực hiện để kéo giãn vật liệu là diện tích dưới biểu đồ lực–độ dãn
Tại sao là diện tích: công thực hiện là lực nhân với quãng đường di chuyển, nhưng ở đây lực tăng dần khi vật liệu bị kéo giãn, nên công là tổng của $F\,\Delta x$ trên nhiều khoảng độ dãn nhỏ, tương đương với diện tích dưới đường. Trong giới hạn tỷ lệ, lực tăng đều từ $0$ đến $F$, nên lực trung bình là $\tfrac{1}{2}F$ và công là $\tfrac{1}{2}Fx$. Trên biểu đồ lực–độ dãn, hệ số góc chính là hằng số lò xo.
Vật liệu tuân theo định luật Hooke
Khi định luật Hooke đúng, biểu đồ $F$ theo $x$ là một đường thẳng đi qua gốc tọa độ. Diện tích dưới nó từ $0$ đến $x$ là một tam giác:
$$E_{\text{P}} = \tfrac{1}{2} F x = \tfrac{1}{2} k x^{2}.$$
Đây là năng lượng thế đàn hồi dự trữ trong lò xo hoặc dây bị kéo giãn trong giới hạn tỷ lệ của nó. Một dạng tương đương:
$$E_{\text{P}} = \frac{F^{2}}{2k}.$$
Ví dụ giải. Một lò xo có hằng số lò xo $50\ \text{N m}^{-1}$ bị kéo dãn bởi $0.20\ \text{m}$, nằm trong giới hạn tỷ lệ của nó. Tính năng lượng thế đàn hồi dự trữ.
Ví dụ minh họa. Một dây có độ cứng $2.0 \times 10^{4}\ \text{N m}^{-1}$ đã bị kéo dãn thêm $2.0\ \text{mm}$. Tìm công thực hiện để tăng độ dãn của dây lên $3.0\ \text{mm}$.
Năng lượng dự trữ tăng từ $\tfrac{1}{2} k x_{1}^{2}$ đến $\tfrac{1}{2} k x_{2}^{2}$: $W = \tfrac{1}{2} \times 2.0 \times 10^{4} \times \left[(3.0 \times 10^{-3})^{2} - (2.0 \times 10^{-3})^{2}\right] = 0.050\ \text{J}$. Đây là diện tích hình thang dưới đường thẳng giữa hai độ dãn, không phải $\tfrac{1}{2} k (x_{2} - x_{1})^{2}$. Vì $E_{\text{P}} \propto x^{2}$ ở một độ cứng $k$ cố định, khi kéo dãn gấp đôi một dây sẽ lưu trữ năng lượng gấp bốn lần ($0.65\ \text{J}$ trở thành $2.6\ \text{J}$), và từ năng lượng dự trữ ta suy ra độ dãn là $x = \sqrt{2E_{\text{P}}/k}$: một lò xo có độ cứng $k = 400\ \text{N m}^{-1}$ lưu trữ năng lượng $0.32\ \text{J}$ sẽ bị nén đi $\sqrt{2 \times 0.32 / 400} = 0.040\ \text{m}$. Đối với hai dây nối đầu cuối lại với nhau, lực căng trong cả hai dây là như nhau, do đó tổng năng lượng dự trữ là $\tfrac{1}{2}F x_{1} + \tfrac{1}{2}F x_{2}$ tương ứng với độ dãn riêng của mỗi dây.
Vật liệu không tuân theo định luật Hooke
Đối với đồ thị không phải là đường thẳng (dây cao su kéo dãn, hoặc lò xo vượt quá giới hạn tỷ lệ), hãy tìm diện tích bằng cách đếm ô lưới hoặc sử dụng hình thang. Nguyên tắc vẫn giữ nguyên: diện tích dưới đồ thị lực – độ dãn chính là công thực hiện lên vật liệu. Để ước tính công thực hiện đến điểm gãy, hãy đếm các ô dưới toàn bộ đường cong (các ô nhỏ được tính là nửa) và nhân với năng lượng mà một ô đại diện, tức là bước lực nhân với bước độ dãn; việc nêu rằng diện tích được tìm thấy bằng cách đếm ô sẽ nhận được điểm "giải thích lập luận".
So sánh năng lượng dự trữ
Một dạng câu hỏi trắc nghiệm phổ biến: hai vật liệu bị kéo dãn bởi cùng một lực, hoặc bởi cùng một độ dãn. Sử dụng $E_{\text{P}} = \tfrac{1}{2} F x$:
cùng $F$, độ dãn $k$ nhỏ hơn (ít cứng hơn) → lớn hơn $x$ → nhiều năng lượng dự trữ hơn.
cùng $x$, độ dãn $k$ lớn hơn (cứng hơn) → lớn hơn $F$ → nhiều năng lượng dự trữ hơn.
Phác thảo $E_{\text{P}}$ theo độ dãn hoặc nén là một đường cong đi qua gốc tọa độ và ngày càng dốc hơn ($E_{\text{P}} \propto x^{2}$), chứ không phải là đường thẳng. Đối với hai dây có cùng chiều dài và tiết diện chịu cùng một tải trọng, dây nào có mô đun Young nhỏ hơn thì sẽ dãn nhiều hơn và do đó lưu trữ nhiều năng lượng hơn.
Khi một lò xo đang bị kéo dãn được thả ra một khối vật, thế năng đàn hồi chuyển thành động năng (và thế năng trọng trường nếu khối vật nâng lên). Đặt $\tfrac{1}{2} k x^{2}$ bằng $\tfrac{1}{2} m v^{2}$ (cộng thêm bất kỳ $mgh$ nào) để tìm vận tốc hoặc độ cao.
6.2
Definitions the examiner accepts · Các định nghĩa mà giám khảo chấp nhận
English
A definition question is marked against fixed wording. Learn these exactly, and give one answer only.
Term
Definition
Hooke's law
the extension is directly proportional to the applied force, provided the limit of proportionality is not exceeded
spring constant
the force per unit extension
limit of proportionality
the point beyond which the extension is no longer proportional to the applied force
elastic limit
the maximum force (or extension) for which the material returns to its original length when the force is removed
elastic deformation
the material returns to its original length (shape) when the force is removed
plastic deformation
the material does not return to its original length when the force is removed; a permanent extension remains
stress
the force per unit cross-sectional area
strain
the extension per unit original length
Young modulus
the ratio of stress to strain (within the limit of proportionality)
elastic potential energy
the energy stored in an object because it has been stretched or compressed
Tiếng Việt
Câu hỏi định nghĩa được chấm dựa trên văn phong cố định. Hãy học thuộc những định nghĩa này và chỉ đưa ra một đáp án duy nhất.
Thuật ngữ
Định nghĩa
Định luật Hooke
độ dãn tỷ lệ thuận trực tiếp với lực tác dụng, miễn là không vượt quá giới hạn tỷ lệ
Độ cứng
lực trên một đơn vị độ dãn
Giới hạn tỷ lệ
điểm mà sau đó độ dãn không còn tỷ lệ thuận với lực tác dụng nữa
Giới hạn đàn hồi
lực tối đa (hoặc độ dãn) mà tại đó vật liệu trở về chiều dài ban đầu khi lực bị loại bỏ
Biến dạng đàn hồi
vật liệu trở về chiều dài (hình dạng) ban đầu khi lực bị loại bỏ
Biến dạng dẻo
vật liệu không trở về chiều dài ban đầu khi lực bị loại bỏ; một độ dãn vĩnh viễn còn lại
Ứng suất
lực trên một đơn vị diện tích tiết ngang
Biến dạng
độ dãn trên một đơn vị chiều dài ban đầu
Mô đun Young
tỷ số giữa ứng suất và biến dạng (trong giới hạn tỷ lệ)
Thế năng đàn hồi
năng lượng được lưu trữ trong vật thể do nó bị kéo dãn hoặc nén
6.2
Exam tips · Mẹo làm bài thi
English
Hooke's law ($F = kx$) holds only up to the limit of proportionality.
Stress $= F/A$, strain $= x/L$, Young modulus $=$ stress$/$strain (gradient of the straight part of the stress-strain graph) — watch the units (Pa).
Energy stored $=$area under the force-extension graph$= \frac{1}{2}Fx$ in the elastic region.
Distinguish elastic (returns to shape) from plastic (permanent) deformation.
Common mistakes
Using the diameter as the radius in $A = \pi r^{2}$, or leaving an area in $\text{mm}^{2}$. Halve the diameter first; $1\ \text{mm}^{2} = 10^{-6}\ \text{m}^{2}$.
Reading the work done off a length–force graph as the whole area down to the axis. Only the triangle above $L_{0}$ is work.
Treating stored energy as proportional to extension. It goes as $x^{2}$: double the extension, four times the energy; and the work done between two extensions is the difference of two $\tfrac{1}{2}kx^{2}$ values.
Stating Hooke's law without its condition. "Provided the limit of proportionality is not exceeded" is part of the law.
Swapping the limit of proportionality (the end of the straight line) and the elastic limit (the end of elastic behaviour, a little beyond it).
Saying a thicker wire has a larger Young modulus. The modulus is the material's; the thicker wire has a larger spring constant.
Tiếng Việt
Định luật Hooke ($F = kx$) chỉ đúng cho đến giới hạn tỷ lệ.
Ứng suất $= F/A$, biến dạng $= x/L$, mô đun Young $=$ = ứng suất$/$/biến dạng (độ dốc của phần thẳng trên đồ thị ứng suất - biến dạng) — chú ý đơn vị (Pa).
Năng lượng dự trữ $=$ = diện tích dưới đồ thị lực - độ dãn$= \frac{1}{2}Fx$ trong vùng đàn hồi.
Phân biệt biến dạng đàn hồi (trở về hình dạng) và biến dạng dẻo (vĩnh viễn).
Lỗi thường gặp
Sử dụng đường kính làm bán kính trong $A = \pi r^{2}$, hoặc để lại diện tích trong $\text{mm}^{2}$. Hãy chia đôi đường kính trước; $1\ \text{mm}^{2} = 10^{-6}\ \text{m}^{2}$.
Đọc công thực hiện từ đồ thị chiều dài – lực như là toàn bộ diện tích xuống trục hoành. Chỉ có tam giác nằm trên $L_{0}$ mới là công.
Coi năng lượng dự trữ tỷ lệ thuận với độ dãn. Nó thay đổi theo $x^{2}$: kéo dãn gấp đôi, năng lượng gấp bốn lần; và công thực hiện giữa hai độ dãn là hiệu của hai giá trị $\tfrac{1}{2}kx^{2}$.
Nêu định luật Hooke mà không kèm điều kiện. "Miễn là không vượt quá giới hạn tỷ lệ" là một phần của định luật.
Hoán đổi giới hạn tỷ lệ (cuối của đường thẳng) và giới hạn đàn hồi (cuối của hành vi đàn hồi, nằm hơi xa hơn về phía sau).
Nói rằng dây dày hơn có mô đun Young lớn hơn. Mô đun là thuộc tính của vật liệu; dây dày hơn chỉ có độ cứng lớn hơn.
describe what is meant by wave motion as illustrated by vibration in ropes, springs and ripple tanks
understand and use the terms displacement, amplitude, phase difference, period, frequency, wavelength and speed
understand the use of the time-base and $y$-gain of a cathode-ray oscilloscope (CRO) to determine frequency and amplitude
derive, using the definitions of speed, frequency and wavelength, the wave equation$v = f\lambda$
recall and use $v = f\lambda$
understand that energy is transferred by a progressive wave
recall and use $\text{intensity} = \text{power}/\text{area}$ and $\text{intensity} \propto (\text{amplitude})^2$ for a progressive wave
Tiếng Việt
mô tả ý nghĩa của sóng cơ học qua hiện tượng dao động trong dây thừng, lò xo và bể gợn sóng
hiểu và sử dụng các thuật ngữ liên độ, biên độ, sai pha, chu kỳ, tần số, bước sóng và vận tốc
hiểu cách sử dụng cơ sở thời gian và $y$-độ khuếch đại của máy hiển thị tia cathode (CRO) để xác định tần số và biên độ
suy ra, dựa trên các định nghĩa về vận tốc, tần số và bước sóng, phương trình sóng$v = f\lambda$
ghi nhớ và sử dụng $v = f\lambda$
hiểu rằng năng lượng được truyền tải bởi một sóng tiến triển
ghi nhớ và sử dụng $\text{intensity} = \text{power}/\text{area}$ và $\text{intensity} \propto (\text{amplitude})^2$ cho sóng tiến triển
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
Ripples spreading on water are progressive waves that carry energy outward.Two waves of the same frequency, shifted by a phase difference
A wave 波 carries energy 能量 from one place to another without moving matter overall. The particles of the medium 介质oscillate 振动 about fixed rest positions; only the disturbance (and its energy) propagates 传播. Examples: a transverse wave 横波 on a rope, a longitudinal wave 纵波 on a slinky spring, ripples on water, and sound in air. A wave that travels and carries energy is a progressive wave 行波.
Wave motion 波动 is a series of oscillations of the particles of a medium, each passing the disturbance on to the next: shake one end of a rope, push one end of a spring, or touch the surface of the water in a ripple tank 水波槽, and the oscillation travels away from where it started. For the one-mark definition, a progressive wave transfers energy from one place to another without transferring matter; the particles only oscillate about their rest positions.
Key terms
displacement 位移$y$ — how far a particle has moved from its rest position at a moment. A vector 矢量.
amplitude 振幅$A$ — the largest displacement from the rest position.
wavelength 波长$\lambda$ — the shortest distance along the wave between two points that move in phase 同相 (for example, two next-door crests 波峰).
period 周期$T$ — the time for one full oscillation of a particle.
frequency 频率$f$ — the number of full oscillations per second; $f = 1/T$. Unit: hertz 赫兹, $\text{Hz}$.
speed 速率$v$ — how fast a crest travels along the medium.
phase difference 相位差 — the fraction of a cycle by which one oscillation leads or lags another. Given in radians 弧度 (a full cycle is $2\pi$) or degrees (a full cycle is $360°$).
Two points one wavelength apart are in phase (phase difference 0 or $2\pi$). Two points half a wavelength apart are exactly out of phase (phase difference $\pi$).
To find the phase difference between two points from a displacement–distance graph, divide their separation by the wavelength and multiply by $360°$ (or $2\pi$): two points $0.50\ \text{m}$ apart on a wave of wavelength $2.0\ \text{m}$ ($v = 600\ \text{m s}^{-1}$, $f = 300\ \text{Hz}$) differ in phase by $0.25 \times 360° = 90°$. Only the fraction of a cycle matters, so $450°$ is the same as $90°$. From two displacement–time graphs, read the time shift between the peaks as a fraction of the period. Which way is a point moving at the instant a graph shows? The whole profile moves along, so each point takes up the displacement that its neighbour on the side the wave comes from has now; a point at a crest or a trough is momentarily at rest.
Which way each point moves: towards the displacement its neighbour on the incoming side has now; a crest or trough is momentarily at rest
Worked example. Points R and T on a string are $0.62\ \text{cm}$ apart and a quarter of a cycle out of phase. The wave speed is $0.27\ \text{m s}^{-1}$. Find the frequency.
A quarter of a cycle is a quarter of a wavelength, so $\lambda = 4 \times 0.62 = 2.5\ \text{cm}$ and $f = v / \lambda = 0.27 / 0.025 = 11\ \text{Hz}$.
The wave equation
In one period $T$, the wave moves forward by one wavelength $\lambda$. So speed $= \text{distance} / \text{time} = \lambda / T = \lambda f$:
$$v = f \lambda.$$
This comes straight from the definitions of speed, frequency and wavelength, and works for every progressive wave. For the two-mark derivation write both steps: in one period $T$ the wave travels one wavelength $\lambda$, so $v = \lambda / T$; and $f = 1/T$, so $v = f\lambda$. Because $v$ is fixed by the medium, a higher frequency means a shorter wavelength. A period question is the same equation the other way round: light of wavelength $460\ \text{nm}$ has $f = c / \lambda = 6.5 \times 10^{14}\ \text{Hz}$ and $T = 1/f = 1.5 \times 10^{-15}\ \text{s}$.
Reading a CRO trace
A cathode-ray oscilloscope 示波器 (CRO) draws a voltage signal — for sound, the output of a microphone — against time. Two controls matter:
time-base 时基 (seconds per division across): turns horizontal distance on the screen into time. Read the period $T$ as the distance between two next-door peaks, then $f = 1/T$.
y-gain 垂直增益 (volts per division up): turns vertical distance into voltage. The amplitude in volts is the peak height from the centre line.
If the time-base is $5\ \text{ms}/\text{div}$ and one full cycle takes $4$ divisions, then $T = 4 \times 5\ \text{ms} = 20\ \text{ms}$ and $f = 50\ \text{Hz}$.
The time-base is the time represented by one division (or one centimetre) across the screen, in $\text{s}\ \text{div}^{-1}$. To set it for a given signal, work backwards: a $2000\ \text{Hz}$ sound has $T = 0.50\ \text{ms}$, so for one cycle to span $2.5\ \text{cm}$ the time-base must be $0.50 / 2.5 = 0.20\ \text{ms cm}^{-1}$. For the amplitude, multiply the peak height in divisions by the y-gain: $2.0$ divisions at $3.5\ \text{mV cm}^{-1}$ is $7.0\ \text{mV}$. When the intensity of the sound is reduced to a quarter at the same frequency, the trace keeps its period and its peaks halve in height, because $I \propto A^{2}$.
Reading the period T from a CRO trace using the grid and time-baseA real oscilloscope: the grid lets you read off the period and the amplitude
Intensity of a wave
A wave carries energy. The intensity 强度 at a point is the power 功率 passing through unit area at right angles to the direction of travel:
$$I = \frac{P}{A}.$$
Unit: $\text{W m}^{-2}$.
Intensity is proportional to the square of the amplitude:
$$I \propto A^{2}.$$
For a point source 点源 sending out energy equally in all directions, the wavefronts 波前 are spheres; the surface area at distance $r$ is $4\pi r^{2}$, so
$$I = \frac{P}{4\pi r^{2}}, \qquad I \propto \frac{1}{r^{2}}.$$
Doubling the distance cuts the intensity to a quarter, which means the amplitude is halved (since $I \propto A^{2}$).
Worked example. A lamp emits $60\ \text{W}$ of light equally in all directions. Find the intensity of the light $2.0\ \text{m}$ away.
Worked example. Light of power $750\ \text{W}$ falls at right angles on a square solar panel of side $1.2\ \text{m}$. Find the intensity.
$I = P/A = 750 / 1.2^{2} = 520\ \text{W m}^{-2}$. A smaller panel in the same light receives the same intensity but less power, in proportion to its area. The other way round, a magnifying glass of radius $r$ collects a power $I \times \pi r^{2}$ and concentrates it on a small spot.
Two rules the multiple-choice questions turn on. Because $I \propto A^{2}$, the ratio of two intensities is the square of the ratio of the amplitudes: waves of amplitude $3.0\ \text{cm}$ and $2.0\ \text{cm}$ have intensities in the ratio $2.25$, and when an amplitude falls to a half the intensity falls to a quarter. For a point source, $I \propto 1/r^{2}$ means $A \propto 1/r$, so a sketch of $A/A_{0}$ against $d/x_{0}$ is a curve falling as $1/d$, not a straight line. The one-line statement the scheme wants: intensity is proportional to the amplitude squared.
Explore · Khám phá
Progressive waves · Sóng lan truyền
y = a sin(bx + c)
A wave: a is amplitude, b sets the wavelength, c the phase. · Trong một sóng: a là biên độ, b xác định bước sóng, c là pha.
analyse and interpret graphical representations of transverse and longitudinal waves
Tiếng Việt
so sánh sóng ngang và sóng dọc
phân tích và diễn giải biểu đồ đồ thị của sóng ngang và sóng dọc
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
Transverse vs longitudinal waves
Transverse waves
The particles oscillate perpendicular 垂直 to the direction the energy travels. A wave on a rope, all electromagnetic waves, and S-waves in the Earth are transverse.
Transverse wave on a rope
Longitudinal waves
The particles oscillate parallel to the direction the energy travels. Sound in any medium, P-waves in the Earth, and the squashes on a slinky are longitudinal. The wave is made of compressions 压缩 (higher pressure, particles close together) and rarefactions 稀疏 (lower pressure, particles spread out).
Longitudinal wave on a slinky spring
Graphs of waves
A graph of particle displacement against position at one moment looks like a sine curve 正弦曲线 for both kinds of wave. The difference: for a transverse wave the displacement axis is the real sideways displacement; for a longitudinal wave it is the small back-and-forth displacement along the direction of travel (positive one way, negative the other).
For a longitudinal wave take displacement to the right as positive. Where the graph crosses zero going from positive to negative, the particles on either side have moved towards that point, so it is a compression; where it crosses from negative to positive they have moved apart, a rarefaction. Two neighbouring compressions are one wavelength apart, and a compression and the next rarefaction are half a wavelength apart. The direction of motion of a particle follows the same rule as for a transverse wave: it moves towards the displacement of its neighbour on the side the wave comes from.
The same longitudinal wave as particles and as a graph: a compression where the displacement changes from positive to negative, a rarefaction where it changes from negative to positiveA displacement–distance graph shows the wave's amplitude and wavelength
A graph of particle displacement against time at one point in space is also a sine curve for both kinds. Read the period $T$ from this graph.
A displacement–time graph shows the wave's amplitude and period
The two-mark comparison, with reference to the direction of energy transfer: in a transverse wave the oscillations are perpendicular to the direction of energy transfer; in a longitudinal wave they are parallel to it. Both kinds transfer energy without transferring matter, both can be reflected, refracted and diffracted, and both can form stationary waves (topic 8). Only transverse waves can be polarised, and only electromagnetic waves, which are all transverse, can travel through a vacuum; sound needs a medium. Reading the two graphs together: the displacement–distance graph gives $\lambda$, the displacement–time graph gives $T$, and $v = \lambda / T$.
Explore · Khám phá
Transverse waves · Sóng ngang
y = a sin(bx + c)
Change the amplitude and wavelength of the wave. · Thay đổi biên độ và bước sóng của sóng.
understand that when a source of sound waves moves relative to a stationary observer, the observed frequency is different from the source frequency (understanding of the Doppler effect for a stationary source and a moving observer is not required)
use the expression $f_{\text{o}} = f_{\text{s}} v / (v \pm v_{\text{s}})$ for the observed frequency when a source of sound waves moves relative to a stationary observer
Tiếng Việt
hiểu rằng khi một nguồn sóng âm chuyển động tương đối với một quan sát viên đứng yên, tần số quan sát được khác với tần số nguồn (không yêu cầu hiểu hiệu ứng Doppler cho nguồn đứng yên và quan sát viên chuyển động)
sử dụng biểu thức $f_{\text{o}} = f_{\text{s}} v / (v \pm v_{\text{s}})$ cho tần số quan sát được khi một nguồn sóng âm chuyển động tương đối với một quan sát viên đứng yên
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
When the source 波源 of a sound moves relative to a stationary 静止observer 观察者, the heard frequency is different from the source frequency. This is the Doppler effect 多普勒效应.
source moving towards the observer: the wavefronts in front are squashed, so the wavelength is shorter and the heard frequency is higher.
source moving away from the observer: the wavefronts behind are spread out, so the wavelength is longer and the heard frequency is lower.
A moving source squashes the wavefronts ahead of it, raising the observed frequency
The formula (source moving at speed $v_{\text{s}}$ along the line to the observer; wave speed $v$, source frequency $f_{\text{s}}$, heard frequency $f_{\text{o}}$):
minus sign on the bottom when the source moves towards the observer ($f_{\text{o}} > f_{\text{s}}$),
plus sign when the source moves away ($f_{\text{o}} < f_{\text{s}}$).
You only need the case of a stationary observer.
Worked example. A car horn at $f_{\text{s}} = 800\ \text{Hz}$ moves at $30\ \text{m s}^{-1}$ towards a still listener. Speed of sound $v = 340\ \text{m s}^{-1}$:
Moving away at the same speed, the listener hears $340 \times 800 / (340 + 30) = 735\ \text{Hz}$: the frequency is constant while the car approaches, drops as it passes, and is constant again, lower, as it recedes. A sketch of observed frequency against time for a source passing at constant speed is two level lines joined by a fall. Working backwards, a source of $1200\ \text{Hz}$ heard as $960\ \text{Hz}$ is moving away ($f_{\text{o}} < f_{\text{s}}$): $960 = 1200 \times 340 / (340 + v_{\text{s}})$ gives $v_{\text{s}} = 85\ \text{m s}^{-1}$. A buzzer swung in a horizontal circle at $25\ \text{m s}^{-1}$ while emitting $846\ \text{Hz}$ is heard between $846 \times 330 / 355 = 786\ \text{Hz}$ (moving directly away) and $846 \times 330 / 305 = 915\ \text{Hz}$ (moving directly towards), once each per revolution. If the period of a CRO trace of the sound rises continuously, the observed frequency is falling: the source is moving away with increasing speed. The Doppler effect happens for all waves, light included (topic 25); only the sound formula is examined here.
Explore · Khám phá
Doppler effect · Hiệu ứng Doppler
Send the source moving and watch the wavefronts bunch up ahead (higher pitch) and stretch out behind — the siren effect, controlled by the source's speed. · Di chuyển nguồn và quan sát các mặt sóng bó chặt lại phía trước (độ cao âm thanh cao hơn) và giãn nở phía sau — hiệu ứng còi, được kiểm soát bởi vận tốc của nguồn.
state that all electromagnetic waves are transverse waves that travel with the same speed $c$ in free space
recall the approximate range of wavelengths in free space of the principal regions of the electromagnetic spectrum from radio waves to $\gamma$-rays
recall that wavelengths in the range 400–700 nm in free space are visible to the human eye
Tiếng Việt
nêu tất cả sóng điện từ là sóng ngang di chuyển với cùng một vận tốc $c$ trong chân không
ghi nhớ khoảng giá trị xấp xỉ của bước sóng trong chân không của các vùng chính trong phổ điện từ từ sóng vô tuyến đến tia $\gamma$
ghi nhớ rằng các bước sóng trong khoảng 400–700 nm trong chân không là nhìn thấy được bởi mắt người
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
All electromagnetic waves 电磁波 (EM waves) are transverse and travel in a vacuum 真空 at the same speed:
$$c = 3.00 \times 10^{8}\ \text{m s}^{-1}.$$
The electromagnetic spectrum 电磁波谱 includes radio waves, microwaves 微波, infrared 红外线, visible light, ultraviolet 紫外线, X-rays X射线 and $\gamma$-rays γ射线.
The electromagnetic spectrum
Approximate wavelength ranges in free space (learn the orders of magnitude):
radio waves: $> 10^{-1}\ \text{m}$ (up to many km).
microwaves: $10^{-3}\ \text{m}$ to $10^{-1}\ \text{m}$.
infrared: $\sim 7 \times 10^{-7}\ \text{m}$ to $10^{-3}\ \text{m}$.
visible light: $400\ \text{nm}$ (violet) to $700\ \text{nm}$ (red), i.e. $4 \times 10^{-7}\ \text{m}$ to $7 \times 10^{-7}\ \text{m}$.
ultraviolet: $\sim 10^{-8}\ \text{m}$ to $4 \times 10^{-7}\ \text{m}$.
X-rays: $\sim 10^{-11}\ \text{m}$ to $10^{-8}\ \text{m}$.
$\gamma$-rays: $< 10^{-11}\ \text{m}$.
The boundaries between regions are not sharp. Use $c = f\lambda$ to change between wavelength and frequency. Only light with wavelengths $400$–$700\ \text{nm}$ can be seen.
To identify a region, convert to a wavelength with $\lambda = c / f$ and compare with the ranges: $2.1\ \text{cm}$ is a microwave; $138\ \text{pm} = 1.4 \times 10^{-10}\ \text{m}$ is an X-ray; $30\ \text{THz}$ gives $\lambda = 1.0 \times 10^{-5}\ \text{m}$, infrared; $3.0 \times 10^{16}\ \text{Hz}$ gives $1.0 \times 10^{-8}\ \text{m}$, ultraviolet. Visible light spans frequencies of about $4.3 \times 10^{14}$ to $7.5 \times 10^{14}\ \text{Hz}$, so a wave of $5.0 \times 10^{14}\ \text{Hz}$ can be seen and one of wavelength $5.0 \times 10^{-6}\ \text{m}$ (infrared) cannot. Red light has a longer wavelength and a lower frequency than green. A list "in order of increasing wavelength" runs $\gamma$-rays, X-rays, ultraviolet, visible, infrared, microwaves, radio waves. A pulse of light reflected from a wall $150\ \text{m}$ away returns after $2 \times 150 / (3.00 \times 10^{8}) = 1.0\ \mu\text{s}$.
Explore · Khám phá
Slide across the spectrum · Trượt dọc theo phổ
Radio waves, visible light and gamma rays are all the same wave — only the wavelength changes, and with it the frequency, photon energy and everyday use. · Sóng vô tuyến, ánh sáng nhìn thấy và tia gamma đều là cùng một loại sóng — chỉ có bước sóng thay đổi, và随之频率、光子能量和日常用途也随之改变。
understand that polarisation is a phenomenon associated with transverse waves
recall and use Malus’s law ($I = I_0 \cos^2\theta$) to calculate the intensity of a plane-polarised electromagnetic wave after transmission through a polarising filter or a series of polarising filters (calculation of the effect of a polarising filter on the intensity of an unpolarised wave is not required)
Tiếng Việt
hiểu rằng phân cực là hiện tượng đi kèm với sóng ngang
ghi nhớ và sử dụng Định luật Malus ($I = I_0 \cos^2\theta$) để tính cường độ của sóng điện từ phân cực phẳng sau khi truyền qua lọc phân cực hoặc chuỗi lọc phân cực (không yêu cầu tính toán tác động của lọc phân cực lên cường độ sóng chưa phân cực)
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
Polarisation 偏振 means making a transverse wave oscillate in one plane only.
Only transverse waves can be polarised — the oscillation is perpendicular to the direction of travel, so different perpendicular planes are real choices.
Longitudinal waves (sound) cannot be polarised — the oscillation is along the direction of travel, so there is no other plane.
So polarisation is a test: if a wave can be polarised, it must be transverse.
Unpolarised waves vibrate in many planes; a polarised wave vibrates in one planeA see-through plastic protractor placed between two crossed polarising filters. Light only reaches your eye because the stressed plastic rotates its plane of polarisation — the colours map where the plastic is squeezed most. With ordinary light it would just look clear
Malus's law
Plane-polarised 平面偏振 light of intensity $I_{0}$ passes through a polarising filter 偏振片 whose transmission axis 透光轴 is at angle $\theta$ to the plane of polarisation. The transmitted intensity is given by Malus's law 马吕斯定律:
$$I = I_{0} \cos^{2}\theta.$$
$\theta = 0°$: filter lined up with the polarisation, $I = I_{0}$, all passes through.
$\theta = 90°$: filter at right angles, $I = 0$, all blocked.
Worked example. Plane-polarised light of intensity $12\ \text{W m}^{-2}$ meets a polarising filter whose axis is at $30°$ to the plane of polarisation. Find the transmitted intensity.
Crossed filters (a) block the light; parallel filters (b) let it pass
For two filters in a row, use Malus's law twice with the angle between each pair. Be careful with the angle each time — after the first filter the polarisation is along that filter's axis, and the second filter's angle is measured from there.
(You do not need to work out the effect of a polarising filter on an unpolarised wave.)
When a filter is rotated through $360°$ in front of plane-polarised light, the transmitted intensity varies as $\cos^{2}\theta$: it is a maximum when the transmission axis is parallel to the plane of polarisation ($0°$ and $180°$), zero when perpendicular ($90°$ and $270°$), and never negative. Because $I \propto A^{2}$, the transmitted amplitude is $A_{0}\cos\theta$: at $45°$ the intensity halves and the amplitude falls to $0.71$ of its value. For two filters, the first sets the plane of polarisation along its own axis, so the second filter's angle is measured from that: vertically polarised light through filters at $50°$ and then $80°$ to the vertical keeps $\cos^{2} 50° \times \cos^{2} 30° = 0.31$ of its intensity. The one-mark definitions: polarisation is the oscillation of a transverse wave in a single plane, which contains the direction of travel; sound cannot be polarised because its oscillations are along the direction of travel, so there is no plane to select.
Explore · Khám phá
Polarisation intensity lab · Phòng thí nghiệm cường độ phân cực
intensity changes with polariser angle · cường độ thay đổi theo góc của bộ lọc phân cực
Rotate a polariser and see why only transverse waves can be polarised. · Xoay bộ lọc phân cực và xem tại sao chỉ có sóng ngang mới có thể bị phân cực.
A definition question is marked against fixed wording. Learn these exactly, and give one answer only.
Term
Definition
progressive wave
a wave that transfers energy from one place to another without transferring matter
transverse wave
a wave whose oscillations are perpendicular to the direction of energy transfer
longitudinal wave
a wave whose oscillations are parallel to the direction of energy transfer
displacement
the distance of a particle from its equilibrium (rest) position, in a stated direction
amplitude
the maximum displacement of a particle from its equilibrium position
wavelength
the minimum distance between two points on the wave that are in phase (for example, adjacent crests)
period
the time for one complete oscillation of a particle (or for the wave to travel one wavelength)
frequency
the number of oscillations per unit time (or the number of wavefronts passing a point per unit time)
phase difference
the fraction of a cycle, as an angle, by which one oscillation leads or lags another
intensity
the power per unit area, at right angles to the direction of travel
Doppler effect
the change in the observed frequency of a wave when the source moves relative to the observer
polarisation
the oscillations of a transverse wave are in one plane only, containing the direction of travel
time-base
the time represented by one division across the screen of a CRO
7.5
Exam tips
Define terms precisely (displacement, amplitude, wavelength, period, frequency) and use $v = f\lambda$.
Distinguish transverse (vibration perpendicular to travel) from longitudinal (parallel); only transverse waves can be polarised.
For the Doppler effect, the observed frequency rises as the source approaches and falls as it recedes.
Learn the electromagnetic spectrum order; all its waves travel at $c$ in a vacuum.
Common mistakes
A phase difference bigger than one cycle, or degrees where radians were asked. Only the fraction of a cycle matters: $450°$ is $90°$, and $90°$ is $\pi/2$.
Reading the wavelength from a displacement–time graph. That graph gives the period; the wavelength comes from the displacement–distance graph.
Doubling the amplitude and "doubling" the intensity. Intensity goes as the amplitude squared: four times.
Choosing the Doppler sign by feel. Towards means minus on the bottom (frequency up); away means plus (frequency down). Check that the answer lies on the right side of $f_{\text{s}}$.
Using the first filter's angle for the second. After a filter the light is polarised along that filter's axis, and the next angle is measured from there.
Saying that sound can be polarised. Only transverse waves can.
show an understanding of experiments that demonstrate stationary waves using microwaves, stretched strings and air columns (it will be assumed that end corrections are negligible; knowledge of the concept of end corrections is not required)
explain the formation of a stationary wave using a graphical method, and identify nodes and antinodes
understand how wavelength may be determined from the positions of nodes or antinodes of a stationary wave
Tiếng Việt
giải thích và sử dụng nguyên lý chồng chất
thể hiện sự hiểu biết về các thí nghiệm minh họa sóng dừng sử dụng vi sóng, dây căng và cột không khí (giả sử phần bù đầu là không đáng kể; không yêu cầu kiến thức về khái niệm phần bù đầu)
giải thích sự hình thành của sóng dừng bằng phương pháp đồ thị, và xác định nút và bụng sóng
hiểu cách bước sóng có thể được xác định từ vị trí của nút hoặc bụng sóng của sóng dừng
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
Two waves make a standing wave
When two or more waves 波 overlap at a point, the displacement 位移 there is the vector sum 矢量和 of the displacements each wave would make on its own. This is the principle of superposition 叠加.
The waves pass through each other and come out unchanged. Superposition is the base of everything in this topic.
For the two-mark statement: when two or more waves meet at a point, the resultant displacement is the sum of the displacements of the individual waves. It is the displacements that add, not the amplitudes or the intensities, and the principle applies whenever waves of the same type overlap; the waves do not have to be coherent or of equal amplitude.
If two waves of amplitude 振幅$A_{1}$ and $A_{2}$ meet:
in phase 同相 (crest 波峰 meets crest): the amplitude is $A_{1} + A_{2}$ (constructive interference 相长干涉).
exactly out of phase (crest meets trough 波谷, phase difference 相位差$\pi$): the amplitude is $|A_{1} - A_{2}|$ (destructive interference 相消干涉).
any other phase difference $\phi$: the amplitude is somewhere between these two.
Two waves arriving in phase add to give double the amplitude (constructive)Two waves arriving exactly out of phase cancel to zero (destructive)
For intensity 强度, $I \propto A^{2}$. Two equal waves meeting in phase give intensity $(2A)^{2} = 4A^{2}$ — four times the intensity of one wave alone.
Because $I \propto A^{2}$, work in amplitudes first. Two waves of intensities $I$ and $4I$ have amplitudes $A$ and $2A$: superposing in phase gives amplitude $3A$ and intensity $9I$, in antiphase amplitude $A$ and intensity $I$. So two coherent waves of different intensities never cancel completely: the minima have intensity $(A_{2} - A_{1})^{2}$, not zero. A wave of amplitude $2A$ meeting one of amplitude $A/2$ travelling the opposite way gives a resultant that varies between $2.5A$ and $1.5A$, a stationary pattern with no true nodes. Doubling the amplitude of one of two equal waves that meet in phase takes the resultant from $2A$ to $3A$, so the intensity rises from $4A^{2}$ to $9A^{2}$: $2.25$ times.
Explore · Khám phá
Adding two waves · Cộng hai sóng
Two waves overlap and add. Line them up for constructive interference, or oppose them for destructive — change the phase to see both. · Hai sóng chồng lên nhau và cộng gộp. Sắp xếp để giao thoa tăng cường, hoặc ngược pha để giao thoa triệt tiêu — thay đổi pha để xem cả hai trường hợp.
When two identical progressive waves 行波 travel in opposite directions and overlap, they make a stationary wave 驻波. Examples: a wave on a string reflected 反射 from a fixed end overlapping the incoming wave; sound in an air column reflected from a closed end; microwaves between an emitter and a metal sheet.
Explain how the stationary wave is formed (three or four marks, asked for a string, an air column and microwaves alike): the wave from the source travels to the far end (the wall, the closed end, the metal plate) and is reflected; the incident and reflected waves have the same frequency, wavelength and speed and travel in opposite directions; they superpose where they overlap; at the points where they always meet in phase the displacements add to give the maximum amplitude, an antinode, and at the points where they always meet in antiphase they cancel, a node. For "state the conditions": two waves of the same type, with the same frequency (and wavelength) and speed, travelling in opposite directions along the same line; equal amplitudes are needed only for the nodes to have zero amplitude. The metal plate in the microwave experiment is there to reflect the waves back along their own path.
A stationary wave forms where two opposite waves overlap (N marks a node, A an antinode)
Nodes and antinodes
In a stationary wave:
node 波节 — a point that is always at zero displacement (the two waves always cancel). The distance between next-door nodes is $\lambda/2$.
antinode 波腹 — a point of largest amplitude (the two waves always add). The distance between next-door antinodes is $\lambda/2$.
a node and the next antinode are $\lambda/4$ apart.
Particles between two nodes oscillate in phase with each other, but with different amplitudes (largest at the antinode, zero at the nodes). Particles on opposite sides of a node oscillate in antiphase 反相 (phase difference $\pi$).
So the phase difference between two points on the same loop (between adjacent nodes) is $0°$; between points on neighbouring loops it is $180°$; and between points on loops separated by one whole loop it is $0°$ again. Every point reaches its maximum displacement at the same instant and passes through zero at the same instant. A sketch of the string a quarter of a cycle after the instant of maximum displacement is a straight line along the rest position; half a cycle later it is the mirror image of the first sketch. In one period a particle at an antinode travels four amplitudes, so a particle that moves $72\ \text{mm}$ in one and a half periods has an amplitude of $12\ \text{mm}$.
Fundamental mode on a stretched string — one loop, with L equal to half a wavelength
Worked example. A string of length $0.80\ \text{m}$ is fixed at both ends and vibrates in its fundamental mode, where the wave speed is $240\ \text{m s}^{-1}$. Find the fundamental frequency.
One loop fits the string, so $\lambda = 2L = 1.60\ \text{m}$. Then
How a stationary wave differs from a progressive wave: it does not carry energy 能量 along its length, the pattern does not move along, and the nodes stay fixed; a progressive wave has the same amplitude everywhere and carries energy. The three differences the scheme lists: a progressive wave transfers energy and a stationary wave does not; in a progressive wave every point has the same amplitude, in a stationary wave the amplitude varies from zero at a node to a maximum at an antinode; in a progressive wave neighbouring points differ in phase, in a stationary wave all the points between two nodes are in phase.
Measuring wavelength from node spacing
Drive a string with a vibrator at frequency $f$ until a stationary pattern appears. Measure the distance between two well-separated nodes and divide by the number of half-wavelengths 波长 between them. Then $\lambda$ is known, and $v = f\lambda$ gives the wave speed.
For a tube closed at one end and open at the other (a resonance tube 共鸣管), the closed end is a displacement node and the open end is a displacement antinode. The fundamental 基频 has $L = \lambda/4$; the next resonance is at $L = 3\lambda/4$; and so on. For a tube open at both ends, both ends are antinodes; the fundamental is at $L = \lambda/2$.
The general rule: a closed end is a node and an open end an antinode, and a string fixed at both ends has a node at each end. So a closed pipe fits an odd number of quarter-wavelengths ($L = \lambda/4, 3\lambda/4, 5\lambda/4, \ldots$), while an open pipe and a fixed string fit whole half-wavelengths ($L = \lambda/2, \lambda, 3\lambda/2, \ldots$); a pipe open at both ends with $n$ nodes has $n + 1$ antinodes. Frequencies follow from $f = v/\lambda$: a closed pipe whose lowest note is $820\ \text{Hz}$ has $\lambda = 4L$, and a corridor $13.2\ \text{m}$ long with a reflecting door at each end resonates lowest at $f = v/2L = 330/26.4 = 12.5\ \text{Hz}$.
Modes of an air column: a closed end is a node, an open end an antinode
Worked example. A loudspeaker at the open end of a tube $0.51\ \text{m}$ long, closed at the other end, sets up a stationary wave with two nodes and two antinodes. Find the wavelength and, with $v = 340\ \text{m s}^{-1}$, the frequency.
Two nodes and two antinodes is the second mode of a closed pipe, $L = 3\lambda/4$, so $\lambda = 4 \times 0.51 / 3 = 0.68\ \text{m}$ and $f = 340 / 0.68 = 500\ \text{Hz}$. The longest wavelength that can resonate in this tube is $4L = 2.0\ \text{m}$.
The experiments the syllabus names all measure $\lambda$ from node or antinode spacing. In the resonance tube, a tube is raised out of water while a loudspeaker or tuning fork sounds at its open end; the sound is suddenly loud at the first resonance, when the air column is $\lambda/4$ long, and again at $3\lambda/4$, so the tube moves $\lambda/2$ between the two (a student needs no equipment to detect the resonance: the note becomes loud). In a dust tube, fine powder settles into heaps at the displacement nodes, $\lambda/2$ apart. With microwaves, a receiver moved along the line between the transmitter and a metal reflecting plate reads a minimum every $\lambda/2$: a receiver that starts at a minimum and passes six more minima in $1.05\ \text{m}$ has crossed $3\lambda$, so $\lambda = 0.35\ \text{m}$ and, with $v = 340\ \text{m s}^{-1}$ for the equivalent sound experiment, $f = 970\ \text{Hz}$. A stationary wave in a microwave oven melts chocolate at the antinodes, $\lambda/2$ apart, so the spot spacing and the oven's frequency ($2.45\ \text{GHz}$) give the speed of light from $c = f\lambda$.
Fundamental mode in a closed pipe — a node at the closed end, an antinode at the open end
A string fixed at both ends only resonates at its harmonics. Drag n to see the nodes, antinodes and how the wavelength changes. · Một dây buộc cố định ở hai đầu chỉ cộng hưởng tại các tần số harmonics. Kéo n để xem các nút, bụng sóng và cách bước sóng thay đổi.
Explore · Khám phá
Stationary waves · Sóng dừng
y = y₁ + y₂
Two waves superpose: where they reinforce you get antinodes, where they cancel, nodes. · Hai sóng chồng chất: nơi chúng gia tăng bạn sẽ thấy bụng sóng, nơi chúng triệt tiêu, bạn sẽ thấy nút sóng.
show an understanding of experiments that demonstrate diffraction including the qualitative effect of the gap width relative to the wavelength of the wave; for example diffraction of water waves in a ripple tank
Tiếng Việt
giải thích ý nghĩa của thuật ngữ nhiễu xạ
thể hiện sự hiểu biết về các thí nghiệm minh họa nhiễu xạ bao gồm ảnh hưởng định tính của chiều rộng khe so với bước sóng của sóng; ví dụ như nhiễu xạ của sóng nước trong bể gợn sóng
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
Diffraction 衍射 is the spreading of a wave after it passes through a gap or around an obstacle 障碍物. All waves diffract — water, sound, light, microwaves.
For the two-mark "state what is meant by diffraction": the spreading of a wave as it passes through a gap (an aperture) or around the edge of an obstacle, into the region behind it. Diffraction changes the direction the wave travels in, but not its speed, frequency or wavelength.
The amount of spreading depends on the ratio of wavelength to gap width:
gap much wider than $\lambda$: very little spreading; the wave goes nearly straight through.
gap about the size of$\lambda$: a lot of spreading; the wave fans out.
gap smaller than$\lambda$: very strong spreading; the gap acts almost like a point source.
Show this with water waves in a ripple tank 水波槽: straight waves meet a barrier with a gap, and the waves curve more as the gap is made narrower. The same idea is why you can hear someone around a corner (speech has $\lambda$ near 1 m, close to the gap size) but cannot see them (visible light has $\lambda \sim 500\ \text{nm}$, far smaller than the gap).
For the strongest spreading the gap should be about one wavelength wide. So to increase the diffraction of a given wave, make the gap narrower; for a given gap, use a longer wavelength, which means a lower frequency. Radio waves of wavelength $1.5\ \text{km}$ diffract around a mountain and reach an aerial behind it; microwaves of $1.5\ \text{cm}$ do not. Sound of $0.44\ \text{kHz}$ in air has $\lambda = 330 / 440 = 0.75\ \text{m}$, so features of about $0.75\ \text{m}$ diffract it most, and of the sounds passing through a doorway $0.80\ \text{m}$ wide the low frequencies spread out most. Making the gap many wavelengths wide, or raising the frequency, reduces the spreading.
Diffraction in a ripple tank — a wide gap (a) spreads the waves little, a narrow gap (b) much more
Explore · Khám phá
Waves adding and cancelling · Sự cộng và triệt tiêu của sóng
Two overlapping waves add where they are in phase and cancel where out of phase — change the phase to see the result. This is what makes diffraction patterns. · Hai sóng giao thoa cộng lại ở những nơi cùng pha và triệt tiêu ở những nơi khác pha — hãy thay đổi pha để xem kết quả. Đây chính là nguyên nhân tạo ra các mẫu nhiễu xạ.
show an understanding of experiments that demonstrate two-source interference using water waves in a ripple tank, sound, light and microwaves
understand the conditions required if two-source interference fringes are to be observed
recall and use $\lambda = ax / D$ for double-slit interference using light
Tiếng Việt
hiểu các thuật ngữ giao thoa và tính đồng bộ
thể hiện sự hiểu biết về các thí nghiệm minh họa giao thoa hai nguồn sử dụng sóng nước trong bể gợn sóng, âm thanh, ánh sáng và vi sóng
hiểu các điều kiện cần thiết nếu muốn quan sát được vân giao thoa hai nguồn
ghi nhớ và sử dụng $\lambda = ax / D$ cho giao thoa hai khe Young sử dụng ánh sáng
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
Two-slit interferenceThe shifting colours on a soap bubble come from the interference of light.
Interference 干涉 is the superposition of two coherent 相干 waves to give a steady pattern of high-amplitude regions (constructive) and low-amplitude regions (destructive).
Two coherent sources give lines of maximum displacement where crests meet crestsThe same effect in a real ripple tank — two coherent sources give a steady interference pattern
Coherence
Two sources are coherent when they emit waves with a constant phase difference (which also needs the same frequency). Two separate lamps are not coherent — their phase changes randomly, so any pattern flickers too fast to see and you get only an average.
The one-mark definition: coherent waves have a constant phase difference, which requires the same frequency. They need not be in phase with each other: two coherent sources emitting $180°$ apart give a pattern whose central line is a minimum. Two separate lasers, or a lamp and a laser, are not coherent even when their frequencies happen to match, so no steady pattern forms.
To make coherent light from one source, pass it through two slits 狭缝 in a double-slit 双缝 setup. Both slits are lit by the same wavefront, so the two beams keep a fixed phase relationship.
Conditions for a clear pattern
To see two-source fringes you need:
two coherent sources (constant phase difference).
roughly equal amplitudes (or the dark regions are not very dark).
the waves overlap where you look.
for light (a transverse wave), the same plane of polarisation 偏振.
In practice, for light: a single slit (or a laser) makes the two slits coherent; the slits are narrow, so each diffracts the light into the region where the two beams overlap; and the slits are close together with the screen far away, so that the fringes are wide enough to see.
Path difference
For two coherent sources, what happens at a point depends on the path difference 路程差$\Delta x$ between the two waves arriving there:
destructive: $\Delta x = (n + \tfrac{1}{2})\lambda$.
The path difference fixes the phase difference: one wavelength of path is $360°$. Waves that have travelled $100\ \text{cm}$ and $80\ \text{cm}$ from two in-phase sources of wavelength $8.0\ \text{cm}$ arrive with a path difference of $2.5\lambda$, a phase difference of $180°$, and cancel; microwaves of wavelength $4\ \text{cm}$ whose paths differ by $6\ \text{cm}$ ($1.5\lambda$) give a minimum, of zero intensity only if the two amplitudes are equal. Lowering both source frequencies equally lengthens the wavelength, so the same path difference is a smaller number of wavelengths and the point is no longer a minimum.
What happens at Z depends on the path difference XZ − YZ, measured in wavelengths
Double-slit (Young's) experiment
For two slits a distance $a$ apart, with a screen a distance $D$ away (assume $D \gg a$), light of wavelength $\lambda$ makes fringes on the screen.
Young's double-slit experiment — the single slit makes the two slits coherent sources
The fringe spacing 条纹间距$x$ (one fringe 条纹 to the next) is
$$\lambda = \frac{a x}{D}, \qquad x = \frac{\lambda D}{a}.$$
Bright fringes (maximum 极大) are where the path difference is a whole number of $\lambda$; dark fringes (minimum 极小) where it is $(n + \tfrac{1}{2})\lambda$. The fringes are equally spaced.
To make the fringe spacing smaller: increase $a$ (slits further apart), reduce $D$ (screen closer), or use a shorter $\lambda$ (bluer light).
Explain how the pattern of bright and dark fringes is formed (three marks): the light diffracts at each slit; the two diffracted beams overlap and superpose; where the path difference from the two slits is a whole number of wavelengths the waves arrive in phase and interfere constructively, giving a bright fringe, and where it is an odd number of half-wavelengths they arrive in antiphase and interfere destructively, giving a dark fringe. A brighter source makes the bright fringes brighter but does not change their spacing; changing to blue light makes the spacing smaller, so to keep the same spacing the slits must be moved closer together; making each slit narrower increases the diffraction, so fringes appear across a wider region, with the spacing unchanged.
Worked example. In a double-slit experiment the slits are $0.50\ \text{mm}$ apart and lit by light of wavelength $600\ \text{nm}$. The screen is $2.0\ \text{m}$ away. Find the fringe spacing.
Worked example. Red light of wavelength $680\ \text{nm}$ falls on slits $0.16\ \text{mm}$ apart. The distance between the centres of the first and ninth dark fringes is $3.2\ \text{cm}$. Find the distance $D$ to the screen.
Eight fringe spacings make $3.2\ \text{cm}$, so $x = 4.0\ \text{mm}$ and $D = ax / \lambda = (0.16 \times 10^{-3})(4.0 \times 10^{-3}) / (680 \times 10^{-9}) = 0.94\ \text{m}$. On a screen $5.0\ \text{cm}$ wide centred on the pattern, with $x = 2.4\ \text{mm}$, ten bright fringes fit on each side of the central one: $21$ in all. A graph of $x$ against $a$ is a curve falling as $1/a$; a graph of $x$ against $\lambda$ (or against $D$) is a straight line through the origin with gradient $D/a$ (or $\lambda/a$), from which $a$ can be found.
describe the use of a diffraction grating to determine the wavelength of light (the structure and use of the spectrometer are not included)
Tiếng Việt
ghi nhớ và sử dụng $d \sin \theta = n\lambda$
mô tả việc sử dụng lưới nhiễu xạ để xác định bước sóng của ánh sáng (không bao gồm cấu trúc và cách dùng máy quang phổ)
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
A diffraction grating 衍射光栅 has many equally spaced slits — often hundreds or thousands per millimetre. Each slit is a coherent source. A maximum is seen at angle $\theta$ from the normal 法线 to the grating when
$$d \sin\theta = n \lambda,$$
where $d$ is the slit spacing 缝间距 (centre to centre), $n = 0, \pm 1, \pm 2, \ldots$ is the order 级次, and $\lambda$ is the wavelength.
Worked example. A diffraction grating has $500$ lines per mm. Light of wavelength $600\ \text{nm}$ is shone normally on it. Find the angle of the first-order ($n = 1$) maximum.
The slit spacing is $d = \dfrac{1}{500}\ \text{mm} = 2.0 \times 10^{-6}\ \text{m}$, so
Compared with the double slit, a grating gives much sharper maxima, because more slits add together — every other direction is cancelled by many slits.
To describe the diffraction at the grating: the light spreads out (diffracts) at every slit, and the waves from all the slits superpose; in the directions where the path difference between neighbouring slits is a whole number of wavelengths they are all in phase, so sharp maxima form there and almost nothing in between. A graph of intensity against angle is a set of narrow peaks at $\theta = 0$ and at $\pm\theta_{1}, \pm\theta_{2}, \ldots$, where $\sin\theta_{n} = n\lambda/d$: equally spaced in $\sin\theta$, so slightly further apart in $\theta$ at the higher orders.
Intensity against angle for a grating: sharp maxima where $d\sin\theta = n\lambda$
Worked example. Light of wavelength $680\ \text{nm}$ is incident normally on a grating with $450$ lines per mm. Find the angle between the two second-order maxima.
$d = 1/450\ \text{mm} = 2.22 \times 10^{-6}\ \text{m}$, so $\sin\theta_{2} = 2 \times 680 \times 10^{-9} / (2.22 \times 10^{-6}) = 0.612$ and $\theta_{2} = 37.7°$; the two second-order beams are $2\theta_{2} = 75°$ apart.
A diffraction grating splits monochromatic light into sharp maxima on a screen
Slit spacing from "lines per mm"
If a grating has $N$ lines per millimetre, then $d = 1/N$ millimetres $= 10^{-3}/N$ metres. For $450$ lines per mm, $d = 1/450\ \text{mm} \approx 2.22\ \mu\text{m}$.
Highest order
For a given grating and wavelength, $\sin\theta = n\lambda/d$ cannot be more than $1$, so the highest order seen is
If $d/\lambda = 3.27$, orders up to $n = 3$ exist; $n = 4$ would need $\sin\theta > 1$ and is not seen.
So the total number of maxima on a wide screen is $2n_{\text{max}} + 1$: for $700\ \text{nm}$ light and $400$ lines per mm, $d/\lambda = 3.57$, so $n_{\text{max}} = 3$ and seven beams are seen. A shorter wavelength gives more orders at smaller angles. With white light every order except the zero order is a spectrum, violet nearest the centre and red furthest out, because $\theta$ grows with $\lambda$; the zero order stays white. Two wavelengths give a maximum at the same angle when $n_{1}\lambda_{1} = n_{2}\lambda_{2}$: the third order of $400\ \text{nm}$ coincides with the second order of $600\ \text{nm}$.
Finding $\lambda$ with a grating
Shine parallel light of unknown wavelength straight at the grating. Measure the angle $\theta_{1}$ of the first-order maximum from the centre. Then $\lambda = d \sin\theta_{1}$. Repeating for higher orders and averaging reduces error.
Measure the angle between the first-order maxima on the two sides and halve it, which cancels any error in setting the zero; higher orders give larger angles and so a smaller percentage uncertainty; and plotting $\sin\theta$ against $n$ for several orders gives a straight line through the origin of gradient $\lambda/d$, so $\lambda = Gd$ (or, for a known wavelength, $d = \lambda/G$). Two things must be right: $\theta$ is measured from the normal to the grating, not from its surface, and $d$ is the distance between adjacent lines, so $400$ lines per mm means $d = 2.5\ \mu\text{m}$, never $400$.
Explore · Khám phá
Why the grating gives sharp maxima · Tại sao cách tử tạo ra các cực đại sắc nét
Two waves add when in phase and cancel when out of phase — change the phase and watch the resultant. A grating's many slits make the bright fringes razor-sharp. · Hai sóng cộng lại khi cùng pha và triệt tiêu khi ngược pha — hãy thay đổi độ lệch pha và quan sát sóng tổng hợp. Nhiều khe của cách tử làm cho các vân sáng trở nên sắc bén như lưỡi dao.
A definition question is marked against fixed wording. Learn these exactly, and give one answer only.
Term
Definition
principle of superposition
when two or more waves meet at a point, the resultant displacement is the sum of the displacements of the individual waves
stationary wave
the pattern formed when two progressive waves of the same frequency and speed travel in opposite directions and superpose, with nodes and antinodes that do not move
node
a point on a stationary wave where the displacement is always zero
antinode
a point on a stationary wave where the amplitude is a maximum
diffraction
the spreading of a wave as it passes through a gap or around the edge of an obstacle
interference
the superposition of waves from coherent sources, giving a steady pattern of maxima and minima
coherence
waves that have a constant phase difference (and so the same frequency)
path difference
the difference between the distances travelled by two waves from their sources to a point
fringe spacing
the distance between the centres of two adjacent bright (or dark) fringes
order of a maximum
the whole number $n$ in $d\sin\theta = n\lambda$, the number of wavelengths of path difference between adjacent slits
8.4
Exam tips
Two-source interference: constructive when path difference $= n\lambda$, destructive when $= (n + \tfrac{1}{2})\lambda$; the sources must be coherent.
On a stationary wave mark nodes and antinodes; adjacent nodes are $\lambda/2$ apart; it stores energy but does not transfer it.
A stationary wave needs two waves of the same frequency travelling in opposite directions.
Common mistakes
Adding amplitudes or intensities in the principle of superposition. Displacements add; the intensity then follows from the resultant amplitude squared.
"Adjacent nodes are one wavelength apart." Half a wavelength; a node to the next antinode is a quarter.
Using $d =$ lines per millimetre in $d\sin\theta = n\lambda$. Invert: $d = 10^{-3}/N$ metres.
Measuring $\theta$ from the grating surface, or forgetting that the angle between the two first-order beams is $2\theta_{1}$.
Writing "in phase" for coherent. Coherent means a constant phase difference; the sources may be permanently out of step.
Saying the fringe spacing changes when the source is made brighter, or that narrower slits change the spacing. Brightness and slit width change the contrast and the number of visible fringes, not $x = \lambda D/a$.
understand that an electric current is a flow of charge carriers
understand that the charge on charge carriers is quantised
recall and use $Q = It$
use, for a current-carrying conductor, the expression $I = Anvq$, where $n$ is the number density of charge carriers
Tiếng Việt
hiểu rằng dòng điện là dòng chảy của **hạt mang điện
hiểu rằng điện tích trên hạt mang điện là lượng tử hóa
nhớ lại và sử dụng $Q = It$
sử dụng, đối với dây dẫn mang điện, biểu thức $I = Anvq$, trong đó $n$ là mật độ số của hạt mang điện
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
An electric current 电流 is a flow of charge carriers 载流子. In a metal the carriers are negative conduction electrons 电子; in an electrolyte 电解质 they are positive and negative ions 离子; in a semiconductor 半导体 they may be electrons or "holes" 空穴. The conventional current 常规电流 direction is the way positive charge would flow — opposite to the real flow of electrons in a wire.
Charge
Charge is quantised 量子化: the smallest free unit of charge is the elementary charge 基本电荷
$$e = 1.60 \times 10^{-19}\ \text{C}.$$
Every free charge in this syllabus is a whole-number multiple of $e$. The unit of charge is the coulomb 库仑, $\text{C}$.
So a particle can carry $4.8 \times 10^{-19}\ \text{C}$ (three electrons' worth) or $-2.4 \times 10^{-18}\ \text{C}$ (fifteen), but never $1.1 \times 10^{-19}\ \text{C}$ or $6.4 \times 10^{-20}\ \text{C}$; a set of measurements that gives a charge carrier $2.5 \times 10^{-19}\ \text{C}$ cannot be right, because that is not a multiple of $e$. For the one-mark definitions: an electric current is a flow of charge carriers; the coulomb is the charge that passes a point in one second when the current is one ampere (an ampere multiplied by a second); a charge carrier can be an electron, a proton, an ion or an $\alpha$-particle, but never a neutron.
Current as the rate of flow of charge
If charge $Q$ passes a point in time $t$, the current is
$$I = \frac{Q}{t}, \qquad Q = It.$$
Unit of current: ampere, $\text{A}$ ($= \text{C s}^{-1}$). For a changing current, the charge that has flowed in a time is the area under an $I$–$t$ graph.
Worked example. A current of $0.50\ \text{A}$ flows for $2.0$ minutes. Find the charge that passes, and how many electrons this represents. ($e = 1.60 \times 10^{-19}\ \text{C}$.)
The same two lines answer "how many electrons pass in $10$ hours at $4.0\ \text{mA}$" (convert the time to seconds: $N = It/e = 4.0 \times 10^{-3} \times 36\,000 / (1.60 \times 10^{-19}) = 9.0 \times 10^{20}$) and, the other way round, "the average current when $6.0 \times 10^{23}$ electrons pass in $24$ hours" ($I = Ne/t = 1.1\ \text{A}$). A beam of $\alpha$-particles carries a current too: each carries $2e$, so a beam current of $6.9 \times 10^{-9}\ \text{A}$ is $6.9 \times 10^{-9} / (2 \times 1.60 \times 10^{-19}) = 2.2 \times 10^{10}$ particles per second. A lightning strike that transfers $1 \times 10^{20}$ electrons in $30\ \mu\text{s}$ is a current of $Ne/t = 5.3 \times 10^{5}\ \text{A}$.
Drift velocity equation
For a uniform conductor of cross-section area $A$, with $n$ charge carriers per unit volume (the number density 数密度), each carrying charge $q$, moving with average drift velocity 漂移速度$v$:
$$I = A n v q.$$
Charge carriers drifting inside a conductor: positive carriers drift with $I$, electrons against it
Worked example. A copper wire of cross-sectional area $1.0 \times 10^{-6}\ \text{m}^{2}$ carries a current of $5.0\ \text{A}$. Copper has $n = 8.5 \times 10^{28}$ free electrons per $\text{m}^{3}$. Find the drift velocity. ($e = 1.60 \times 10^{-19}\ \text{C}$.)
The electrons drift very slowly — less than a millimetre per second.
Two "show that" steps that often precede this calculation. The number density of a metal with one free electron per atom is $n = \dfrac{\text{density} \times N_{\text{A}}}{\text{molar mass}}$: for copper, $8.9 \times 10^{3} \times 6.02 \times 10^{23} / 0.0635 = 8.5 \times 10^{28}\ \text{m}^{-3}$. And the time for an electron to drift the length of a wire is $t = L / v$: at $3.7 \times 10^{-4}\ \text{m s}^{-1}$ a $2.0\ \text{m}$ wire takes $5\,400\ \text{s}$, an hour and a half, even though the current is established almost instantly. Between them, the equation $I = Anvq$ is used as a ratio far more often than as a calculation:
two wires in series carry the same current; if wire Y has twice the diameter of X (four times the area) and the same metal, its electrons drift at a quarter of the speed. Two wires of the same length and diameter but different metals have drift speeds in the inverse ratio of their number densities.
a wire that narrows (a wedge, a tapered rod, a cable of thick and thin strands) carries the same current at every cross-section, so the drift speed rises where the area falls: $v \propto 1/A \propto 1/r^{2}$. A sketch of $v$ against distance along a tapering wire is a curve that rises more and more steeply towards the narrow end, not a straight line.
the p.d. across a uniform wire is proportional to its length at fixed current, because $V = IR = I\rho L / A$ with $I$, $\rho$ and $A$ constant.
The same current everywhere, so the electrons drift faster where the wire is thinner
Use this to compare currents:
a thinner wire (smaller $A$) at the same $I$ needs a faster drift $v$.
a semiconductor has far fewer free carriers than a metal (smaller $n$), so for the same $I$ the drift velocity is much larger.
in series 串联 components, $I$ is the same everywhere, so if $A$ stays the same but the material changes, $nv$ changes the other way.
Explore · Khám phá
Current, voltage and resistance · Dòng điện, hiệu điện thế và điện trở
Current is the rate of flow of charge. Raise the voltage and current rises; raise the resistance and it falls — I = V / R. · Dòng điện là tốc độ dòng chảy của điện tích. Tăng hiệu điện thế thì dòng điện tăng; tăng điện trở thì nó giảm — I = V / R.
define the potential difference across a component as the energy transferred per unit charge
recall and use $V = W/Q$
recall and use $P = VI$, $P = I^2R$ and $P = V^2/R$
Tiếng Việt
định nghĩa hiệu điện thế giữa hai đầu một linh kiện là năng lượng truyền qua mỗi đơn vị điện tích
nhớ lại và sử dụng $V = W/Q$
ghi nhớ và sử dụng $P = VI$, $P = I^2R$ và $P = V^2/R$
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
The potential difference 电势差 (p.d.) across a component is the energy 能量 transferred per unit charge as that charge passes through it:
$$V = \frac{W}{Q}.$$
Unit: volt 伏特, $\text{V}$ ($= \text{J C}^{-1}$).
If $1\ \text{J}$ of electrical energy changes into other forms (thermal, light, kinetic, …) when $1\ \text{C}$ of charge passes through a component, the p.d. across it is $1\ \text{V}$.
The electromotive force 电动势 (e.m.f.) of a source is the energy given per unit charge by the source. The formula is the same as for p.d.; the difference is direction: e.m.f. is energy given to the charge by the change; p.d. is energy given up by the charge to the component.
The definitions the examiner accepts: the potential difference across a component is the energy transferred (from electrical to other forms) per unit charge passing through it; the e.m.f. of a source is the energy transferred from other forms (chemical, in a cell) to electrical energy per unit charge in driving the charge round a complete circuit; one volt is one joule per coulomb. A battery "marked $9.0\ \text{V}$" therefore gives each coulomb $9.0\ \text{J}$ of electrical energy for the whole circuit, and the product of charge and p.d. is the energy transferred.
High-voltage power lines carry electrical energy across the country.
Combining $V = W/Q$ and $I = Q/t$:
$$P = \frac{W}{t} = V I.$$
Using Ohm's law $V = IR$:
$$P = V I = I^{2} R = \frac{V^{2}}{R}.$$
Pick the form with the quantities you know. Examples:
two heaters of equal resistance — the one with the larger current gives more power 功率 ($P = I^{2}R$).
two resistors in parallel 并联 across the same voltage 电压 — the one with smaller $R$ gives more power ($P = V^{2}/R$).
a kettle marked "$2.4\ \text{kW}, 240\ \text{V}$" draws $I = P/V = 10\ \text{A}$ and has resistance $R = V^{2}/P = 24\ \Omega$.
Energy transferred in time $t$ is $E = P t$.
Worked example. Two lamps, P rated $250\ \text{V}$, $50\ \text{W}$ and Q rated $250\ \text{V}$, $200\ \text{W}$, are connected in series to a $250\ \text{V}$ supply. Which is brighter?
Their resistances at the rated p.d. are $R = V^{2}/P$: $1250\ \Omega$ for P and $313\ \Omega$ for Q. In series they carry the same current, so $P = I^{2}R$ makes the larger resistance, lamp P, dissipate more power: the "weaker" lamp is the brighter one. In parallel the p.d. is the same across both and $P = V^{2}/R$ favours the smaller resistance: Q. "State and explain which resistor dissipates more power" is answered by naming the quantity the two share (current in series, p.d. in parallel) and the form of the power equation that uses it.
Worked example. A supply delivers $2.4\ \text{kW}$ at $240\ \text{V}$ to a kettle through two cables of resistance $0.10\ \Omega$ each. Find the power lost in the cables.
The current is $I = P/V = 10\ \text{A}$, so the cables dissipate $I^{2}R = 10^{2} \times 0.20 = 20\ \text{W}$, and the kettle receives $2380\ \text{W}$. The efficiency of a circuit that exists to power one component is that component's power divided by the total power from the supply: with $6.0\ \text{V}$ across a $0.86\ \Omega$ series resistor and $4.5\ \text{V}$ across the component at the same current, the efficiency is $4.5 / (6.0 + 4.5) = 43\%$. A thermistor across a fixed p.d. dissipates $P = V^{2}/R$, so as its temperature rises and $R$ falls, the power rises. A kettle draws about $10\ \text{A}$ from a $250\ \text{V}$ supply; a mobile phone charger a fraction of an ampere.
Explore · Khám phá
Electrical power · Công suất điện
P = VI
At a fixed voltage, power is proportional to the current it drives. · Ở hiệu điện thế không đổi, công suất tỷ lệ thuận với dòng điện nó tạo ra.
sketch the $I\text{--}V$ characteristics of a metallic conductor at constant temperature, a semiconductor diode and a filament lamp
explain that the resistance of a filament lamp increases as current increases because its temperature increases
state Ohm's law
recall and use $R = \rho L/A$
understand that the resistance of a light-dependent resistor (LDR) decreases as the light intensity increases
understand that the resistance of a thermistor decreases as the temperature increases (it will be assumed that thermistors have a negative temperature coefficient)
Tiếng Việt
định nghĩa điện trở
nhớ lại và sử dụng $V = IR$
Vẽ sơ đồ $I\text{--}V$ đặc tính của dây dẫn kim loại ở nhiệt độ không đổi, diode bán dẫn và bóng đèn sợi đốt
giải thích rằng điện trở của bóng đèn sợi đốt tăng khi dòng điện tăng vì nhiệt độ của nó tăng
nêu Định luật Ohm
ghi nhớ và sử dụng $R = \rho L/A$
hiểu rằng điện trở của điện trở cảm quang (LDR) giảm khi độ chiếu sáng tăng
hiểu rằng điện trở của nhiệt điện trở giảm khi nhiệt độ tăng (giả sử nhiệt điện trở có hệ số nhiệt âm)
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
The resistance 电阻$R$ of a component is
$$R = \frac{V}{I}.$$
Unit: ohm 欧姆, $\Omega$ ($= \text{V A}^{-1}$). Resistance depends on the conditions (such as temperature) when it is measured.
Real fixed resistors — the coloured bands code the resistance in ohms
Ohm's law
A conductor obeys Ohm's law 欧姆定律 when the current through it is proportional to the p.d. across it, as long as the conditions (especially temperature) stay constant. For such a conductor $R$ is constant and the $I$–$V$ graph is a straight line through the origin.
Ohm's law is an experimental result, not a definition. The definition $R = V/I$ works for any component; only ohmic ones have constant $R$.
For the marks: resistance is the ratio of the potential difference across a component to the current in it; the ohm is the resistance of a component in which a p.d. of one volt produces a current of one ampere (a volt per ampere); Ohm's law states that the current in a metallic conductor is directly proportional to the potential difference across it, provided that its temperature (and other physical conditions) remains constant. Of several $I$–$V$ graphs, only a straight line through the origin obeys Ohm's law; a straight line that misses the origin, or any curve, does not.
$I$–$V$ characteristics
You should be able to sketch these:
metal wire at constant temperature — a straight line through the origin (constant $R$). Reversing the p.d. drives the current the other way, giving a straight line in both directions.
filament lamp 灯丝灯泡 — through the origin, steep at first, then flatter as $V$ (and $I$) grow. Reason: more current heats the filament, so its resistance rises and the gradient $1/R$ falls.
semiconductor diode 二极管 — almost no current for negative $V$ or small positive $V$. Above a "switch-on" voltage (about $0.7\ \text{V}$ for silicon), the current rises sharply.
Explain the shape of the filament lamp's line (three marks): as the current increases the filament's temperature rises; the lattice ions vibrate with larger amplitude, so the free electrons collide with them more often; each collision takes energy from the electrons, so the resistance increases; on the graph the ratio $V/I$ grows and the gradient falls. Run backwards for "the current decreases": the temperature falls, so the resistance falls. Two things to read off any characteristic. The resistance at a point is $V/I$ for that point, never the gradient of a curve, so a diode's resistance is very large (infinite, in practice) up to the switch-on p.d. and then falls steeply as $V$ rises further, and of four components at the same p.d. the one with the smallest current has the greatest resistance. And when a lamp (or a diode) is in series with a resistor, the two carry the same current and their p.d.s add: read the current from the component's curve at its own p.d., then use $V = IR$ for the resistor, and the supply p.d. is the sum.
$I$–$V$ characteristic of an ohmic conductor (metal wire at constant temperature)$I$–$V$ characteristic of a filament lamp$I$–$V$ characteristic of a semiconductor diode
Resistivity
For a uniform conductor of length $L$ and cross-section area $A$,
$$R = \frac{\rho L}{A}.$$
$\rho$ is the resistivity 电阻率, a property of the material, with unit $\Omega\ \text{m}$. Doubling the length doubles $R$; doubling the area halves it; halving the diameter quarters the area and so makes $R$ four times bigger.
Worked example. A copper wire of length $2.0\ \text{m}$ and cross-sectional area $1.7 \times 10^{-7}\ \text{m}^{2}$ has resistivity $1.7 \times 10^{-8}\ \Omega\ \text{m}$. Find its resistance.
Typical values: copper at room temperature $\rho \sim 1.7 \times 10^{-8}\ \Omega\ \text{m}$; an insulator 绝缘体$\rho \sim 10^{15}\ \Omega\ \text{m}$ or more.
A longer conductor has more resistance — doubling $L$ doubles $R$A wider conductor has less resistance — doubling $A$ halves $R$
The resistivity of a metal rises with temperature (more lattice vibration 晶格振动scatters 散射 the electrons), which is why the filament lamp's $I$–$V$ line curves.
Most resistivity questions are ratios. Stretching a wire keeps its volume ($A \times L$) constant, so if the length becomes $k$ times longer the area becomes $k$ times smaller and $R = \rho L / A$ becomes $k^{2}$ times larger: a wire three times as long (same mass, same metal) has nine times the resistance, and a wire whose diameter falls to $0.940$ of its value has its area multiplied by $0.884$, its length divided by $0.884$, and its resistance multiplied by $1/0.884^{2} = 1.28$.
Stretched at constant volume: twice the length, half the area, four times the resistance
Worked example. A copper lightning rod of resistance $9.6\ \Omega$ and length $20\ \text{m}$ has resistivity $1.7 \times 10^{-8}\ \Omega\ \text{m}$. Find its radius.
$A = \rho L / R = 1.7 \times 10^{-8} \times 20 / 9.6 = 3.5 \times 10^{-8}\ \text{m}^{2}$, and $r = \sqrt{A / \pi} = 1.1 \times 10^{-4}\ \text{m}$. Doubling the radius (same length) quarters the resistance. The other standard ratios: strands in parallel — seven identical strands share the current, so the cable's resistance is one seventh of one strand's; two wires of the same resistance where one metal has twice the resistivity need the second wire to have twice the area (a diameter $\sqrt{2}$ times larger) for the same length; a wire's resistance per unit length, $0.92\ \Omega\ \text{m}^{-1}$, multiplied by its area, $5.3 \times 10^{-7}\ \text{m}^{2}$, is its resistivity, $4.9 \times 10^{-7}\ \Omega\ \text{m}$; and a cylinder of conducting putty $60\ \text{mm}$ long and $20\ \text{mm}$ across, or a cube of side $a$ ($R = \rho a / a^{2} = \rho / a$), uses the same $R = \rho L / A$ with the shape's own length and end area. When the wire is held under tension, $R_{0} = \rho L / A$ still gives its resistance, and a stretch that lengthens it and thins it raises $R$ for both reasons. Because $\rho = RA/L = R\pi d^{2}/(4L)$, the percentage uncertainty in a measured resistivity is the sum of the percentage uncertainties in $R$ and $L$ plus twice that in $d$.
Explore · Khám phá
What resistance depends on: R = ρL/A · Điện trở phụ thuộc vào yếu tố nào: R = ρL/A
A longer wire has more resistance; a thicker one (bigger area) has less. Change the length, area and metal. · Dây dài hơn có điện trở lớn hơn; dây dày hơn (tiết diện lớn) có điện trở nhỏ hơn. Thay đổi chiều dài, tiết diện và kim loại.
Explore · Khám phá
Resistance (Ohm's law) · Điện trở (Định luật Ohm)
V = R·I
Ohm's law: voltage is proportional to current — the gradient is the resistance R. · Định luật Ohm: hiệu điện thế tỷ lệ thuận với dòng điện — hệ số góc chính là điện trở R.
Explore · Khám phá
Ohm's law: V = IR · Định luật Ohm: V = IR
V = aI
Drag the resistance. For an ohmic conductor voltage is proportional to current — a straight line whose gradient is the resistance. · Kéo thanh trượt điện trở. Đối với vật dẫn Ohm, điện áp tỷ lệ thuận với dòng điện — một đường thẳng mà độ dốc là điện trở.
A light-dependent resistor 光敏电阻 (LDR) is a semiconductor whose resistance falls as the light intensity rises. In bright light $R$ may be a few hundred $\Omega$; in the dark it can be in the megaohms. LDRs are used in light-sensing circuits (street lamps, camera light meters). Here the light intensity 光强 controls the resistance.
Resistance of an LDR decreases as light intensity increases
In this syllabus a thermistor 热敏电阻 has a negative temperature coefficient 负温度系数: its resistance falls as its temperature rises. This is useful for sensing temperature — put it in a potential divider 分压器 and the output voltage changes with temperature.
Resistance of a thermistor falls as temperature rises
This is the opposite of a metal: in a semiconductor, more thermal energy frees more charge carriers, and this matters more than the extra scattering.
A sketch of a thermistor's resistance against temperature starts at $R_{0}$ at $0\ °\text{C}$ and falls along a curve that flattens: the fall is not linear, which is the disadvantage of a thermistor as a thermometer (its scale is not uniform, so it needs calibrating). When the light on an LDR is increased, or a thermistor is warmed, its resistance falls, the current in its circuit rises, and the p.d. across it (in series with a fixed resistor) falls while the p.d. across the resistor rises; a fixed resistor and a metal wire at constant temperature keep their resistance, and a filament lamp's rises with current.
negative temperature coefficient/ˈneɡətɪv ˈtemprɪtʃə ˌkəʊɪˈfɪʃənt/
hệ số nhiệt độ âm
potential divider/pəˈtenʃl dɪˈvaɪdə/
bộ chia điện áp
9.3
Definitions the examiner accepts
A definition question is marked against fixed wording. Learn these exactly, and give one answer only.
Term
Definition
electric current
a flow of charge carriers
coulomb
the charge passing a point in one second when the current is one ampere
potential difference
the energy transferred from electrical to other forms per unit charge passing through a component
electromotive force (e.m.f.)
the energy transferred from other forms to electrical energy per unit charge, by a source driving charge round a complete circuit
volt
one joule per coulomb
resistance
the ratio of the potential difference across a component to the current in it
ohm
the resistance of a component in which a potential difference of one volt produces a current of one ampere
Ohm's law
the current in a metallic conductor is directly proportional to the potential difference across it, provided its temperature remains constant
resistivity
the constant $\rho$ in $R = \rho L / A$, a property of the material with unit $\Omega\ \text{m}$
number density
the number of charge carriers per unit volume of the conductor
9.3
Exam tips
Use $I = Q/t$, $V = W/Q$ (energy per unit charge) and $P = VI = I^2 R = V^2/R$.
Ohm's law ($V = IR$) applies only to an ohmic conductor at constant temperature — a filament lamp is non-ohmic.
Sketch and interpret the $I$-$V$ characteristics of a resistor, filament lamp and diode.
An LDR's resistance falls with light; a thermistor's falls as temperature rises.
Common mistakes
Taking the resistance from the gradient of a curved $I$–$V$ graph. Resistance is $V/I$ at the point; only for a straight line through the origin is it the reciprocal of the gradient.
Leaving a time in minutes or hours in $Q = It$. Convert to seconds first.
Saying the filament lamp's resistance rises "because of the voltage". The chain is current, temperature, ion vibration, more collisions, more resistance.
Forgetting that a stretched wire changes in two ways. At constant volume the area falls as the length rises, so $R \propto L^{2}$.
Using the diameter as the radius in $A = \pi r^{2}$, or leaving $\text{mm}^{2}$ unconverted.
Comparing powers with the wrong form. Series components share the current, so use $I^{2}R$; parallel components share the p.d., so use $V^{2}/R$.
recall and use the circuit symbols shown in section 6 of this syllabus
draw and interpret circuit diagrams containing the circuit symbols shown in section 6 of this syllabus
define and use the electromotive force (e.m.f.) of a source as energy transferred per unit charge in driving charge around a complete circuit
distinguish between e.m.f. and potential difference (p.d.) in terms of energy considerations
understand the effects of the internal resistance of a source of e.m.f. on the terminal potential difference
Tiếng Việt
nhớ lại và sử dụng các ký hiệu mạch điện được hiển thị trong mục 6 của chương trình học này
vẽ và diễn giải sơ đồ mạch điện chứa các ký hiệu mạch điện được hiển thị trong mục 6 của chương trình học này
định nghĩa và sử dụng điện động lực (e.m.f.) của nguồn năng lượng như năng lượng truyền tải mỗi đơn vị điện tích để đẩy điện tích quay quanh một mạch khép kín
phân biệt giữa e.m.f. và điện thế差 (p.d.) dựa trên xét về năng lượng
hiểu tác động của điện trở trong của nguồn e.m.f. lên điện thế差 đầu cực
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
e.m.f. and p.d.
The electromotive force 电动势 (e.m.f.) $\varepsilon$ of a source is the energy 能量 given to each unit of charge by the source as it drives the charge around a full circuit. Unit: volt.
The potential difference 电势差 (p.d.) across a component is the energy changed from electrical to other forms by each unit of charge as it passes through that component.
Both are in volts; they differ in energy direction:
e.m.f. — energy put into the circuit by the source (chemical → electrical in a battery, mechanical → electrical in a generator).
p.d. — energy taken out of the electrical form (electrical → thermal in a resistor, → light in a lamp, → kinetic in a motor).
The examiner's wording is fixed. e.m.f. is "the energy transferred per unit charge by the source in driving charge round a complete circuit"; p.d. is "the energy transferred per unit charge from electrical to other forms". Both are energy per charge, so the volt is a joule per coulomb ($1\ \text{V} = 1\ \text{J C}^{-1}$). Statements that are always true of a source: the e.m.f. is the terminal p.d. when no current flows; the total energy it gives to a charge $Q$ is $\varepsilon Q$. The name is a trap: an electromotive "force" is not a force and is not measured in newtons.
Worked example. A cell of e.m.f. $\varepsilon$ and internal resistance $r$ drives a charge $Q$ round a circuit whose terminal p.d. is $V$. Compare the energy transferred by the cell with the energy dissipated outside it.
The cell transfers $\varepsilon Q$ in total; the external circuit receives $VQ$. Since $V = \varepsilon - Ir < \varepsilon$ whenever a current flows, $VQ < \varepsilon Q$ — the difference $(\varepsilon - V)Q = IrQ$ is the energy turned to heat inside the cell.
In the lab you often build a circuit on a breadboard 面包板 (a board with rows of holes that connect components without soldering) and measure currents and p.d.s with a multimeter 万用表.
The bare board: the two long rails carry power, and each short row of holes is joined underneathA real circuit on a breadboard, being measured with a multimeter
Internal resistance
A real source has some internal resistance 内阻$r$ — usually the resistance of the electrolyte 电解质 in a cell 电池, or the wire windings in a generator. When current $I$ flows, an internal p.d. of $Ir$ is "lost" inside the source, so the terminal p.d. 端电压 across the outside circuit is
$$V_{\text{terminal}} = \varepsilon - I r.$$
So:
no current (open circuit 开路, $I = 0$): the terminal p.d. equals the e.m.f.
larger current: the terminal p.d. falls.
short circuit 短路 ($R_{\text{external}} \to 0$): $I = \varepsilon / r$, a large current, with all the energy turned to heat inside the source.
To measure $r$, change the outside resistance and plot $V_{\text{terminal}}$ against $I$: the line has $y$-intercept $\varepsilon$ and gradient $-r$.
Worked example. A cell of e.m.f. $1.5\ \text{V}$ and internal resistance $0.50\ \Omega$ is connected to a $2.5\ \Omega$ resistor. Find the current and the terminal p.d.
The e.m.f. drives the current through both resistances: $I = \dfrac{\varepsilon}{R + r} = \dfrac{1.5}{2.5 + 0.50} = 0.50\ \text{A}$. Then
Circuit for measuring the e.m.f. and internal resistance of a cellTerminal p.d. against current — the intercept is the e.m.f. and the gradient is minus the internal resistance
The power 功率 given to the outside load is $P_{\text{ext}} = (\varepsilon - Ir) I$; the power lost inside is $P_{\text{int}} = I^{2} r$; the total power from the source is $\varepsilon I$.
The efficiency 效率 of the source is $\dfrac{P_{\text{ext}}}{\varepsilon I} = \dfrac{VI}{\varepsilon I} = \dfrac{V}{\varepsilon} = \dfrac{R}{R + r}$: a large load resistance wastes little energy inside the source.
Worked example. A cell of e.m.f. $2.0\ \text{V}$ and internal resistance $0.40\ \Omega$ drives a current of $1.5\ \text{A}$ through a wire. Show that the terminal p.d. is $1.4\ \text{V}$ and find the percentage efficiency with which the cell supplies power to the wire.
$V = \varepsilon - Ir = 2.0 - 1.5 \times 0.40 = 2.0 - 0.60 = 1.40\ \text{V}$. Power to the wire $= VI = 1.4 \times 1.5 = 2.1\ \text{W}$; total power from the cell $= \varepsilon I = 2.0 \times 1.5 = 3.0\ \text{W}$. Efficiency $= 2.1 / 3.0 = 0.70$, i.e. $70\%$. In a "show that" question, write every step and the unrounded value ($1.40\ \text{V}$) before the value you were given.
When the outside circuit changes, argue through the current. Closing a switch that adds a second resistor in parallel lowers the total external resistance, so the current in the cell rises, the internal "lost volts" $Ir$ rise, and the terminal p.d. $\varepsilon - Ir$ falls; the p.d. across the original resistor (which is the terminal p.d.) therefore falls, and so does its current, even though the cell's current rose. This chain — resistance → current in the cell → $Ir$ → terminal p.d. — is the model answer for almost every "state and explain the effect" question in this topic.
Closing S adds a parallel branch: the current in the cell rises, so Ir rises and the terminal p.d. read by the voltmeter falls
Cells joined together. In series, e.m.f.s add and internal resistances add: three cells of e.m.f. $\varepsilon$ and internal resistance $r$ give $3\varepsilon$ and $3r$. A cell connected the wrong way round subtracts its e.m.f. (ten $1.5\ \text{V}$ cells with one reversed give $8 \times 1.5 = 12\ \text{V}$). Identical cells in parallel give the same e.m.f. $\varepsilon$ with a smaller internal resistance $r/N$, so they can supply a larger current.
Circuit symbols
You must recognise and draw the standard symbols in the syllabus: cell, battery, switch, resistor, variable resistor, ammeter 电流表, voltmeter 电压表, lamp, diode (and LED 发光二极管), capacitor 电容器, inductor, thermistor, light-dependent resistor, fuse 保险丝, earth, junction. An ideal ammeter has zero resistance 电阻 and goes in series 串联. An ideal voltmeter has infinite resistance and goes in parallel 并联.
The standard circuit symbols you need to recognise and draw
Drawing a circuit diagram. Marks are lost for symbols, not physics. Use ruler-straight lines and the standard symbols; an ammeter goes in series with the component whose current it measures and a voltmeter in parallel with (across) the component whose p.d. it measures; a cell with internal resistance is drawn as an ideal cell in series with a resistor $r$; and a variable resistor may be used in two ways, shown below. A "complete the circuit diagram" question usually wants exactly this measuring arrangement: source, ammeter and variable resistor in one series loop, voltmeter across the component under test.
A digital multimeter across a resistor bank: the voltmeter goes in parallel, the ammeter in seriesA variable resistor as a rheostat (two connections, sets the current) and as a potential divider (three connections, sets a p.d. from 0 to E)
Explore · Khám phá
Internal resistance · Điện trở trong
V = ε − I·r
Terminal p.d. falls with current: it starts at the e.m.f. ε and drops by I·r. · Hiệu điện thế đầu cực giảm theo dòng điện: bắt đầu từ suất điện động ε và giảm đi I·r.
recall Kirchhoff's first law and understand that it is a consequence of conservation of charge
recall Kirchhoff's second law and understand that it is a consequence of conservation of energy
derive, using Kirchhoff's laws, a formula for the combined resistance of two or more resistors in series
use the formula for the combined resistance of two or more resistors in series
derive, using Kirchhoff's laws, a formula for the combined resistance of two or more resistors in parallel
use the formula for the combined resistance of two or more resistors in parallel
use Kirchhoff's laws to solve simple circuit problems
Tiếng Việt
nhớ lại định luật Kirchhoff thứ nhất và hiểu rằng nó là hệ quả của bảo toàn điện tích
nhớ lại định luật Kirchhoff thứ hai và hiểu rằng nó là hệ quả của bảo toàn năng lượng
suy ra, sử dụng các định luật Kirchhoff, công thức cho điện trở tương đương của hai hoặc nhiều điện trở mắc nối tiếp
sử dụng công thức cho điện trở tương đương của hai hoặc nhiều điện trở mắc nối tiếp
suy ra, sử dụng các định luật Kirchhoff, công thức cho điện trở tương đương của hai hoặc nhiều điện trở mắc nối song
sử dụng công thức cho điện trở tương đương của hai hoặc nhiều điện trở mắc nối song
sử dụng các định luật Kirchhoff để giải các bài toán mạch điện đơn giản
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
First law (junction rule)
At any junction 节点, the total current flowing in equals the total current flowing out. This follows from conservation of charge 电荷守恒 — charge cannot build up at a point in a steady circuit, so charge in per second equals charge out per second.
For a junction with three wires: $I_{1} = I_{2} + I_{3}$ if currents 2 and 3 flow out and current 1 flows in.
Current divides at a junction in a parallel circuit (3 A in equals 2 A plus 1 A)
Two ways the examiner asks it: "state the law" (one mark: the sum of the currents into a junction equals the sum of the currents out of it) and "state the conservation law behind it" (charge). Do not answer "energy" for the first law or "charge" for the second — the pairing is tested in almost every Paper 1.
Second law (loop rule)
Around any closed loop 回路, the total e.m.f. equals the total p.d. across the components in that loop. This follows from conservation of energy 能量守恒: as a unit of charge goes once round a loop, the energy it gains from sources equals the energy it gives up to components.
Pick a direction round the loop. Take an e.m.f. as positive when the loop direction goes from − to + of the source, and a p.d. as positive when the loop direction is the conventional current direction through the resistor.
In symbols, round any closed loop $\sum \varepsilon = \sum IR$. A source you pass from $+$ to $-$ counts as a negative e.m.f. (it is being charged, or opposes the other source), and a resistor you pass against its current counts as a negative p.d.
Worked example. Two batteries are in one loop with their e.m.f.s opposed: $12.0\ \text{V}$ with internal resistance $1.0\ \Omega$, and $8.0\ \text{V}$ with internal resistance $0.50\ \Omega$. Find the current.
Going round the loop, the net e.m.f. is $12.0 - 8.0 = 4.0\ \text{V}$ and the total resistance is $1.0 + 0.50 = 1.5\ \Omega$ (the internal resistances are in series), so $I = 4.0 / 1.5 = 2.7\ \text{A}$. The current flows in the direction driven by the larger e.m.f.
Combining resistors
Resistors in series.Derivation using Kirchhoff's laws: there is no junction between the resistors, so by the first law the same current $I$ passes through each. By the second law the e.m.f. round the loop equals the sum of the p.d.s:
$$\varepsilon = I R_{1} + I R_{2} + \ldots = I (R_{1} + R_{2} + \ldots),$$
so $R_{\text{series}} = R_{1} + R_{2} + \ldots$.
Two resistors in series and their single equivalent resistor
Resistors in parallel.Derivation: by the second law, each resistor forms its own loop with the source, so each has the same p.d. $V$ across it. By the first law the current entering the junction equals the sum of the branch currents:
so $\dfrac{1}{R_{\text{parallel}}} = \dfrac{1}{R_{1}} + \dfrac{1}{R_{2}} + \ldots$.
Two resistors in parallel and their single equivalent resistor
Two equal resistors $R$ in parallel give $R/2$; $N$ equal ones give $R/N$. A parallel combination is always smaller than any of its resistors; a series combination is always larger.
Worked example. A $4.0\ \Omega$ resistor and a $12\ \Omega$ resistor are connected in parallel. Find their combined resistance.
Reduce a mixed network one step at a time: replace each series chain by its sum and each parallel pair by $\dfrac{R_{1}R_{2}}{R_{1} + R_{2}}$ (the "product over sum" form, valid for two resistors only), redraw, and repeat until one resistor is left. Two rules decide which resistor dissipates the most power without any arithmetic: components carrying the same current dissipate more in the larger resistance ($P = I^{2}R$); components with the same p.d. dissipate more in the smaller resistance ($P = V^{2}/R$). In a series–parallel mix the single resistor that carries the whole current usually dissipates the most, because a parallel branch carries only a share of it.
Worked example. Three resistors, each of resistance $R$, are connected with two in series and that pair in parallel with the third. The total resistance between the ends is $8.0\ \Omega$. Find $R$.
The series pair is $2R$; in parallel with $R$: $R_{\text{T}} = \dfrac{2R \times R}{2R + R} = \dfrac{2R}{3}$. So $\dfrac{2R}{3} = 8.0$, giving $R = 12\ \Omega$. Check: the single resistor $R$ carries twice the current of the pair (same p.d., half the resistance), so it dissipates the most power.
Solving a circuit
Label every current with a symbol and a chosen direction.
Use Kirchhoff's first law 基尔霍夫第一定律 at each junction to link the currents.
Use Kirchhoff's second law 基尔霍夫第二定律 around each loop to get equations in the p.d.s.
Use $V = IR$ for each resistor.
Solve the equations together.
For symmetric resistor networks, use the symmetry to spot branches with equal currents — the branch with the most current gives the most power ($P = I^{2}R$).
The standard two-loop circuit: one junction equation and two loop equations fix all three currents
Worked example. In the circuit above $\varepsilon = 12\ \text{V}$ (negligible internal resistance), $R_{1} = 2.0\ \Omega$, $R_{2} = 6.0\ \Omega$ and $R_{3} = 3.0\ \Omega$. Find the three currents.
Reduction check.$6.0\ \Omega$ and $3.0\ \Omega$ in parallel give $2.0\ \Omega$; with $R_{1}$ the total is $4.0\ \Omega$, so $I_{1} = 12 / 4.0 = 3.0\ \text{A}$ and the p.d. across the parallel pair is $3.0 \times 2.0 = 6.0\ \text{V}$, giving $I_{2} = 6.0/6.0 = 1.0\ \text{A}$ and $I_{3} = 6.0/3.0 = 2.0\ \text{A}$. Both methods must agree; a negative answer for a current simply means you guessed its direction the wrong way.
Explore · Khám phá
Series & parallel circuits · Mạch nối tiếp & mạch song song
Switch between series and parallel and add bulbs. In series they share the voltage and one break kills them all; in parallel each gets the full voltage and a break only loses its branch. · Chuyển đổi giữa nối tiếp và song song rồi thêm bóng đèn. Trong mạch nối tiếp, chúng chia sẻ điện áp và một chỗ hở sẽ làm tắt tất cả; trong mạch song song, mỗi bóng nhận đủ điện áp và một chỗ hở chỉ làm mất nhánh đó.
understand the principle of a potential divider circuit
recall and use the principle of the potentiometer as a means of comparing potential differences
understand the use of a galvanometer in null methods
explain the use of thermistors and light-dependent resistors in potential dividers to provide a potential difference that is dependent on temperature and light intensity
Tiếng Việt
hiểu nguyên lý của mạch phân áp
nhớ lại và sử dụng nguyên lý của đo điện thế như một phương pháp để so sánh hiệu điện thế
hiểu cách sử dụng gôn-ô-mét trong các phương pháp không
giải thích việc sử dụng diện trở nhiệt và điện trở phụ thuộc ánh sáng trong mạch phân áp để tạo ra hiệu điện thế phụ thuộc vào nhiệt độ và cường độ chiếu sáng
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
A potential divider 分压器 is two (or more) resistors in series across a source. The p.d. across each resistor is in direct proportion to its resistance:
The output (tapped between $R_{1}$ and $R_{2}$) can be set to any voltage 电压 between $0$ and $V_{\text{in}}$ by choosing the resistances. A potentiometer 电位差计 used with all three of its connections (a slider on a uniform-resistance track) gives a smoothly variable divider; the same component with only two connections is a rheostat 变阻器, which just changes the current.
Worked example. A $6.0\ \text{V}$ supply is connected across a $2.0\ \text{k}\Omega$ resistor in series with a $4.0\ \text{k}\Omega$ resistor. Find the output voltage tapped across the $4.0\ \text{k}\Omega$ resistor.
The same answer comes from the current-first route the mark scheme often lays out: $I = V_{\text{in}} / (R_{1} + R_{2}) = 6.0 / 6000 = 1.0\ \text{mA}$, then $V_{2} = I R_{2} = 1.0 \times 10^{-3} \times 4000 = 4.0\ \text{V}$. Two consequences worth remembering: the larger resistance takes the larger share of the p.d.; and the ratio formula holds only while no current is drawn from the output — a load (or a low-resistance voltmeter) in parallel with $R_{2}$ lowers the effective resistance of $R_{2}$ and so lowers $V_{2}$.
A potential divider — the p.d. splits between R1 and R2 in proportion to their resistances
Sensor circuits
Replace one fixed resistor with a sensor 传感器 whose resistance changes with a physical quantity:
thermistor 热敏电阻 (NTC): $R$ falls as temperature rises. In a divider, the output voltage changes with temperature in a fixed direction.
light-dependent resistor 光敏电阻 (LDR): $R$ falls as light intensity 光强 rises, giving a brightness-dependent output.
Connect the output to a transistor 晶体管 base or a comparator 比较器 to switch a load on or off when the temperature or light passes a threshold 阈值.
A thermistor in a potential divider gives an output voltage that changes with temperature
Which way does the output go? The output can be taken across the sensor or across the fixed resistor, and the two choices respond in opposite directions. Argue through the current, in this order, and you have the full three-mark answer:
the light gets brighter (or the temperature rises), so the resistance of the LDR (or thermistor) falls;
the total resistance of the series circuit falls, so the current rises ($I = \varepsilon / R_{\text{total}}$);
the p.d. across the fixed resistor$= IR$rises, so the p.d. across the sensor$= \varepsilon - IR$falls.
So an output across the fixed resistor rises with light or temperature; an output across the sensor falls. If the source has internal resistance, add one more link: the larger current also increases $Ir$, so the terminal p.d. falls slightly.
Where you take the output decides the direction of the change: across the fixed resistor it rises with light, across the LDR it falls
Worked example. A battery of e.m.f. $9.0\ \text{V}$ and negligible internal resistance is connected in series with an LDR and a $1200\ \Omega$ resistor. In the light the LDR has a resistance of $1800\ \Omega$. Calculate the p.d. across the LDR, and state and explain what happens to it when the light intensity decreases.
$V_{\text{LDR}} = 9.0 \times \dfrac{1800}{1800 + 1200} = 5.4\ \text{V}$. Less light → the resistance of the LDR increases → the total resistance increases and the current decreases → the p.d. across the $1200\ \Omega$ resistor ($IR$) decreases → the p.d. across the LDR ($9.0 - IR$) increases.
Worked example. A thermistor in series with a $5800\ \Omega$ resistor across a $6.0\ \text{V}$ supply gives a p.d. of $2.9\ \text{V}$ across the resistor. Find the resistance of the thermistor.
Current $= 2.9 / 5800 = 5.0 \times 10^{-4}\ \text{A}$. The thermistor takes the remaining $6.0 - 2.9 = 3.1\ \text{V}$, so $R = 3.1 / (5.0 \times 10^{-4}) = 6200\ \Omega$ (or, by ratio, $R = 5800 \times 3.1/2.9$).
Potentiometer and the null method
A potentiometer is a uniform resistance wire of length $L_{0}$ with a sliding contact (jockey 滑动触头). The resistance per unit length is uniform, so the p.d. from one end to the jockey is proportional to the length:
To compare two e.m.f.s (an unknown cell against a standard cell), connect each in turn with the jockey through a galvanometer 检流计. Slide the jockey until the galvanometer reads zero (a null — no current flows through the cell being measured, because the potentiometer's voltage there exactly opposes the cell's e.m.f.). The balance length 平衡长度 — the wire length from the end to the jockey at balance — is proportional to the e.m.f. being measured, so the two lengths are in the ratio of the e.m.f.s:
This is a null method 零点法: you find the balance (zero current) instead of measuring a current's value. Its advantage is that at balance the unknown cell gives no current, so its internal resistance does not affect the result.
A potentiometer comparing two cell e.m.f.s by the null method
Why the null method is better than a voltmeter. At balance no current is drawn from the cell being measured, so there is no $Ir$ drop inside it: the balance point measures the e.m.f., not the terminal p.d. A voltmeter always draws some current, so it reads slightly less than the e.m.f.
Reading the balance point. The p.d. per unit length of the wire is fixed by the driver cell 驱动电池 and the resistance of the wire. Anything that makes the p.d. being balanced larger moves the balance point further along the wire; anything that makes the p.d. per unit length larger (a driver cell of larger e.m.f., or a wire that takes a larger share of the driver's p.d.) makes the balance length shorter. Replacing the wire by one of the same length but greater diameter lowers its resistance ($R = \rho L / A$): if the driver cell has negligible internal resistance and nothing else is in series, the p.d. across the wire is still the full e.m.f. and the balance length does not move; if the driver has internal resistance or a series resistor, the wire's share of the e.m.f. falls, the p.d. per metre falls, and the balance length grows. Say which case you are in.
Worked example. A potentiometer wire XY of length $2.0\ \text{m}$ carries a p.d. of $1.50\ \text{V}$. A cell of e.m.f. $E$ is balanced when the jockey is $1.6\ \text{m}$ from X. Find $E$, and state what happens to the balance length if the driver cell is replaced by one of larger e.m.f.
$E = 1.50 \times \dfrac{1.6}{2.0} = 1.2\ \text{V}$. A larger driver e.m.f. gives a larger p.d. per metre, so the same $1.2\ \text{V}$ is reached at a shorter length: the jockey must move towards X.
Explore · Khám phá
Sharing voltage in series · Chia sẻ điện áp trong mạch nối tiếp
In a series loop the same current flows everywhere and the cell's voltage splits across the components — that split is how a potential divider works. · Trong vòng lặp nối tiếp, cùng một dòng điện chảy khắp nơi và điện áp của pin bị phân bổ trên các linh kiện — sự phân bổ này chính là nguyên lý hoạt động của bộ phân áp.
A definition question is marked against fixed wording. Learn these exactly, and give one answer only.
Term
Definition
electromotive force (e.m.f.)
the energy transferred per unit charge by a source in driving charge round a complete circuit
potential difference (p.d.)
the energy transferred per unit charge from electrical energy to other forms of energy
internal resistance
the resistance to current inside a source of e.m.f., which causes a p.d. $Ir$ across the source when a current flows
terminal p.d.
the p.d. across the terminals of a source, equal to e.m.f. $- Ir$
Kirchhoff's first law
the sum of the currents into a junction is equal to the sum of the currents out of the junction (conservation of charge)
Kirchhoff's second law
the sum of the e.m.f.s round a closed loop is equal to the sum of the p.d.s round the loop (conservation of energy)
potential divider
two or more resistors in series across a supply, giving a p.d. across one of them that is a fraction of the supply p.d.
potentiometer
a uniform resistance wire with a sliding contact, used to compare p.d.s by finding the length at which a galvanometer reads zero
null method
a measurement made by adjusting a circuit until a meter reads zero, so no current is drawn from the component being measured
balance length
the length of potentiometer wire between one end and the sliding contact when the galvanometer reads zero
10.3
Exam tips
Apply Kirchhoff's laws: current into a junction $=$ current out (charge conserved); $\sum \text{e.m.f.} = \sum \text{p.d.}$ round a loop (energy conserved). Name the law you are using when a question says "use Kirchhoff's laws".
Combine resistors: series $R = R_1 + R_2$; parallel $1/R = 1/R_1 + 1/R_2$. A parallel combination is always smaller than its smallest resistor.
A potential divider splits voltage in the ratio of the resistances; the larger resistance takes the larger p.d.
Include internal resistance: $\text{e.m.f.} = I(R + r)$ — the "lost volts" are $Ir$. When a circuit changes, argue resistance → current in the cell → $Ir$ → terminal p.d.
"Negligible internal resistance" means the terminal p.d. is the e.m.f., whatever the current. Look for the phrase before you start.
Read a $V$–$I$ graph of a source as $V = \varepsilon - Ir$: intercept $\varepsilon$, gradient $-r$, and the current at $V = 0$ is the maximum (short-circuit) current $\varepsilon / r$.
In Paper 5, rearrange the circuit relation into $y = mx + c$ before plotting: a cell of e.m.f. $\varepsilon$ and internal resistance $r$ feeding $n$ equal resistors $R$ in parallel obeys $\varepsilon = I\left(\dfrac{R}{n} + r\right)$, so $\dfrac{1}{I} = \dfrac{R}{\varepsilon} \cdot \dfrac{1}{n} + \dfrac{r}{\varepsilon}$ — a graph of $1/I$ against $1/n$ has gradient $R/\varepsilon$ and intercept $r/\varepsilon$.
Common mistakes
Writing $V = IR$ with the e.m.f. and the external resistance only, forgetting $r$. Use $\varepsilon = I(R + r)$.
Saying e.m.f. is "the force that pushes the charge". It is energy per unit charge; the volt is a joule per coulomb.
Pairing the laws with the wrong conservation law. First law — charge; second law — energy.
Using "product over sum" for three parallel resistors. It works for two only; otherwise add the reciprocals.
Explaining a sensor circuit by "the resistance changes so the voltage changes". The marks are for the chain: resistance → total resistance → current → $IR$ across the fixed resistor → the rest across the sensor.
Claiming a potentiometer at balance "draws no current from the driver cell". It draws none from the cell being measured; the driver cell always supplies the wire current.
Rounding a "show that" value before the last line — write $1.40\ \text{V}$, then say it is $1.4\ \text{V}$.
infer from the results of the $\alpha$-particle scattering experiment the existence and small size of the nucleus
describe a simple model for the nuclear atom to include protons, neutrons and orbital electrons
distinguish between nucleon number and proton number
understand that isotopes are forms of the same element with different numbers of neutrons in their nuclei
understand and use the notation $_Z^A\text{X}$ for the representation of nuclides
understand that nucleon number and charge are conserved in nuclear processes
describe the composition, mass and charge of $\alpha$-, $\beta$- and $\gamma$-radiations (both $\beta^-$ (electrons) and $\beta^+$ (positrons) are included)
understand that an antiparticle has the same mass but opposite charge to the corresponding particle, and that a positron is the antiparticle of an electron
state that (electron) antineutrinos are produced during $\beta^-$ decay and (electron) neutrinos are produced during $\beta^+$ decay
understand that $\alpha$-particles have discrete energies but that $\beta$-particles have a continuous range of energies because (anti)neutrinos are emitted in $\beta$-decay
represent $\alpha$- and $\beta$-decay by a radioactive decay equation of the form $^{238}_{92}\text{U} \rightarrow ^{234}_{90}\text{Th} + ^4_2\alpha$
use the unified atomic mass unit (u) as a unit of mass
Tiếng Việt
suy luận từ kết quả của thí nghiệm tán xạ $\alpha$-hạt để khẳng định sự tồn tại và kích thước nhỏ bé của hạt nhân
mô tả một mô hình đơn giản cho nguyên tử hạt nhân bao gồm proton, neutron và electron quỹ đạo
phân biệt giữa số nucleon và số proton
hiểu rằng đồng vị là các dạng của cùng một nguyên tố có số lượng neutron khác nhau trong hạt nhân
hiểu và sử dụng ký hiệu $_Z^A\text{X}$ để biểu diễn hạt nhân
hiểu rằng số nucleon và điện tích được bảo toàn trong các quá trình hạt nhân
mô tả thành phần, khối lượng và điện tích của các loại bức xạ $\alpha$-, $\beta$- và $\gamma$- (bao gồm cả $\beta^-$ (electron) và $\beta^+$ (positron))
hiểu rằng một hạt phản vật chất có cùng khối lượng nhưng mang điện tích ngược lại với hạt tương ứng, và positron là hạt phản vật chất của electron
nêu rõ rằng (electron) antineutrino được sinh ra trong quá trình phân rã $\beta^-$ và (electron) neutrino được sinh ra trong quá trình phân rã $\beta^+$
hiểu rằng các hạt $\alpha$- có năng lượng rời rạc nhưng các hạt $\beta$- có dải năng lượng liên tục vì (anti)neutrino được phát ra trong quá trình phân rã $\beta$
biểu diễn sự phân rã $\alpha$- và $\beta$- bằng phương trình phân rã phóng xạ có dạng $^{238}_{92}\text{U} \rightarrow ^{234}_{90}\text{Th} + ^4_2\alpha$
sử dụng đơn vị khối lượng nguyên tử thống nhất (u) làm đơn vị đo khối lượng
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
Geiger–Marsden α-particle scattering
Alpha particles α粒子 fired at a thin gold foil were seen to:
mostly pass straight through, with very little deflection 偏转,
sometimes deflect through small angles,
rarely (about $1$ in $8000$) deflect through angles greater than $90°$.
From this Rutherford worked out:
the atom is mostly empty space (most α-particles pass straight through),
there is a tiny, dense, positively charged nucleus 原子核 at the centre (the rare large deflections need a concentrated charge to push the α away),
almost all of the atom's mass is in this nucleus.
Order of magnitude: atom diameter $\sim 10^{-10}\ \text{m}$, nucleus diameter $\sim 10^{-15}\ \text{m}$ — the nucleus is about $10^{5}$ times smaller than the atom.
The three results and what each proves — the mark scheme pairs them exactly like this:
Observation
Conclusion
the vast majority pass straight through with little or no deflection
most of the atom is empty space
a small number are deflected through small angles
there is a concentrated positive charge (the nucleus) that repels the positive α-particles
a very small minority (about 1 in 8000) are deflected through more than 90°, some straight back
the nucleus is very small compared with the atom, and contains almost all of the atom's mass
Three details of the experiment are also asked: the foil is thin so that each α-particle meets at most one nucleus (and is not absorbed); the chamber is a vacuum so the α-particles are not stopped or scattered by air; gold is used because it can be beaten into a very thin sheet and has a heavy, highly charged nucleus.
Worked example. Explain why a very small minority of the α-particles are scattered through angles greater than 90°.
Only an α-particle that approaches a nucleus almost head-on is turned back. The nucleus and the α-particle are both positive, so the electrostatic 静电 repulsion is very large at small separation, and the nucleus is much more massive than the α-particle, so it is the α-particle that is turned round. Because the nucleus is tiny, very few α-particles get that close — hence the small minority. As the α-particle approaches, its kinetic energy is converted to electric potential energy; at the point of closest approach it is momentarily at rest and all of its kinetic energy has become potential energy.
The deflection depends on how close the path passes to the nucleus: the smaller the distance, the larger the angle, and the paths are symmetrical about the line through the nucleus.
The $\alpha$-scattering experiment — $\alpha$-particles strike a thin gold foil in a vacuumMost $\alpha$-particles pass nearly straight through; a few are deflected sharply by the tiny nucleus
Simple nuclear model
An atom has:
a central nucleus of protons 质子 (positive, charge $+e$) and neutrons 中子 (no charge),
electrons 电子 (charge $-e$) around the nucleus.
The proton and neutron have almost the same mass ($\approx 1\ \text{u}$); the electron is about $\tfrac{1}{1836}$ of the proton's mass.
Simple models of a helium atom and a lithium atom (not to scale)
Worked example. Describe the structure of an atom of uranium-238, $^{238}_{92}\text{U}$.
A nucleus containing 92 protons and $238 - 92 = 146$ neutrons, with 92 electrons in orbit around it. "Orbital electrons" is the syllabus phrase — the electrons are outside the nucleus, and the neutral atom has as many electrons as protons.
Notation and key numbers
For a nuclide 核素 written $^{A}_{Z}\text{X}$:
Nuclide notation: nucleon number on top, proton number below
proton number 质子数$Z$ (also the atomic number): the number of protons. It fixes the element.
nucleon number 核子数$A$ (also the mass number): the total number of nucleons 核子 (protons + neutrons).
number of neutrons $N = A - Z$.
A neutral atom has the same number of electrons as protons.
Isotopes
Isotopes 同位素 are atoms of the same element (same $Z$) with different numbers of neutrons (different $A$). They behave the same chemically but differently in the nucleus. Example: $^{12}_{6}\text{C}$ and $^{14}_{6}\text{C}$ are isotopes of carbon.
The examiner's wording: isotopes are nuclei (or atoms) with the same number of protons but different numbers of neutrons — equivalently the same proton number $Z$ and different nucleon numbers $A$. Hydrogen has three:
The three isotopes of hydrogen: the same one proton, different numbers of neutrons
Worked example. Tritium, $^{3}_{1}\text{H}$, is an isotope of hydrogen. State the numbers of protons, neutrons and electrons in a neutral tritium atom, and give the quark composition of its nucleus.
$Z = 1$ proton; $A - Z = 3 - 1 = 2$ neutrons; 1 electron (neutral, so electrons $=$ protons). The nucleus is one proton (uud) and two neutrons (udd, udd): 4 up quarks and 5 down quarks. Charge check: $4 \times \tfrac{2}{3} - 5 \times \tfrac{1}{3} = +1$, the proton number. A "labelled diagram" of the atom is the nucleus (1 p, 2 n) with one electron orbiting outside it.
Conservation laws in nuclear processes
In any nuclear process:
nucleon number $A$ is conserved (total $A$ before $=$ total $A$ after),
charge is conserved (this is conservation of charge 电荷守恒).
These two rules let you balance decay and reaction equations.
Unified atomic mass unit
The unified atomic mass unit 统一原子质量单位, symbol $\text{u}$, is set so that an atom of $^{12}_{6}\text{C}$ has mass exactly $12\ \text{u}$. Numerically,
A proton has mass $\approx 1.007\ \text{u}$; a neutron $\approx 1.009\ \text{u}$; an electron $\approx 5.5 \times 10^{-4}\ \text{u}$.
Worked example. A nucleus X has 14 nucleons and $p$ protons. Its charge-to-mass ratio is $4.1 \times 10^{7}\ \text{C kg}^{-1}$. Find $p$ and identify X.
Charge $= pe$; mass $\approx 14\ \text{u}$. So $\dfrac{pe}{14\text{u}} = 4.1 \times 10^{7}$, giving $p = \dfrac{4.1 \times 10^{7} \times 14 \times 1.66 \times 10^{-27}}{1.60 \times 10^{-19}} = 5.96 \approx 6$. Six protons and 14 nucleons: X is carbon-14, $^{14}_{6}\text{C}$. Keep every figure until the end, then round to the nearest whole number of protons.
Explore · Khám phá
Nuclear atom evidence lab · Phòng thí nghiệm chứng minh nguyên tử hạt nhân
Connect observations to the nuclear model of the atom. · Nối quan sát với mô hình nguyên tử hạt nhân.
Explore · Khám phá
Radioactive decay · Phân rã phóng xạ
A = A₀·bᵗ
Activity decays exponentially — set the base b below 1. · Hoạt độ giảm theo hàm mũ — hãy đặt cơ số b nhỏ hơn 1.
unified atomic mass unit/ˈjuːnɪfaɪd əˈtɒmɪk mæs ˈjuːnɪt/
đơn vị khối lượng nguyên tử thống nhất
11.1
Radioactive emissions
An unstable nucleus rearranges itself and gives out one of three kinds of radiation 辐射. This is radioactive 放射性 decay. Each kind has its own properties.
α-radiation
Made of: a helium-4 nucleus, $^{4}_{2}\alpha$ (two protons + two neutrons).
Mass: $\approx 4\ \text{u}$.
Charge: $+2e$.
Range in air: a few cm. Stopped by a sheet of paper.
Ionising power: strong — it is good at ionising 电离.
Energy spectrum: discrete 分立 (one decay gives α-particles at one or a few sharp energies).
A cloud chamber 云室 makes the tracks visible: each α-particle leaves a short, straight, thick trail of tiny droplets as it ionises the air. The short equal lengths show the α-particles all carry about the same energy.
Alpha-particle tracks in a cloud chamber, fanning out from an americium-241 source
β-radiation
Two types of beta particle β粒子:
$\beta^{-}$: a fast electron, given out when a neutron turns into a proton.
$\beta^{+}$: a positron 正电子 (the electron's antiparticle), given out when a proton in a proton-rich nucleus turns into a neutron.
Properties (both types):
Mass: $\approx 1/1836\ \text{u}$ (much less than α).
Charge: $-e$ for $\beta^{-}$, $+e$ for $\beta^{+}$.
Range in air: about $1\ \text{m}$. Stopped by a few mm of aluminium.
Energy spectrum: continuous 连续 up to a maximum (see below).
γ-radiation
Made of: a high-energy photon 光子 — part of the electromagnetic spectrum 电磁波谱.
Mass: zero (rest mass).
Charge: zero.
Range in air: large (follows the inverse-square law). Strongly attenuated 衰减 by several cm of lead or about a metre of concrete.
Ionising power: weakest.
Energy spectrum: discrete (a gamma ray γ射线 is given out as the nucleus drops between two nuclear energy levels).
A nucleus often gives out a γ-photon as a "tidy-up" step after an α or β decay leaves the daughter nucleus 子核 in an excited state 激发态.
Penetrating power: $\alpha$ is stopped by paper, $\beta$ by aluminium, $\gamma$ only attenuated by lead
Mass and charge, side by side — a table question asks for exactly these, in units of $\text{u}$ and $e$:
Worked example. Compare an α-particle with a $\beta^{+}$ particle in terms of their masses and charges (3 marks).
Both are positively charged, but the α-particle's charge ($+2e$) is twice that of the $\beta^{+}$ ($+e$). The α-particle's mass ($4\ \text{u}$) is about $7300$ times the mass of the $\beta^{+}$ ($5.5 \times 10^{-4}\ \text{u}$). Give a ratio, not just "heavier": twice the charge and about 7000 times the mass are the marking points.
Because they carry charge, α- and β-particles are deflected by electric and magnetic fields — in opposite directions for opposite signs, the light β far more than the heavy α — while γ-rays, being uncharged, pass straight through.
Antiparticles, neutrinos and antineutrinos
Every particle has an antiparticle 反粒子 with the same mass but opposite charge. The positron is the antiparticle of the electron.
In β-decay, a third particle is always given out as well:
$\beta^{-}$ decay: an antineutrino 反中微子$\bar{\nu}_{\text{e}}$.
$\beta^{+}$ decay: a neutrino 中微子$\nu_{\text{e}}$.
Neutrinos and antineutrinos have zero charge, very small mass, and barely interact — they are very hard to detect, but they must be there to balance energy, momentum 动量 and other conserved quantities in β-decay.
Why β has a continuous spectrum (and α does not)
In α-decay the energy 能量 released is shared between just two particles (the daughter nucleus and the α). Conservation of momentum and energy then fixes the α's energy to one value (discrete).
In β-decay the energy is shared between three particles (the daughter nucleus, the β, and the (anti)neutrino). The β can take any share from zero up to a maximum, so its energy spectrum is continuous.
α-particles from one decay have fixed (discrete) energies; β-particles share the energy with an (anti)neutrino, so their spectrum is continuous up to a maximum
Worked example. The energy spectrum of the $\beta^{-}$ particles from a source is continuous, from zero up to a maximum. Explain why (3 marks).
Each decay releases a fixed amount of energy. That energy is shared between the $\beta^{-}$ particle, the antineutrino and the recoiling daughter nucleus. The antineutrino can take any share, so the $\beta^{-}$ particle is left with any energy from zero up to the maximum — the maximum being when the antineutrino carries away almost none. (For an α-particle there are only two bodies, so momentum conservation fixes the share and the energy is discrete.)
Worked example. Uranium-238, $^{238}_{92}\text{U}$, decays by α-emission; carbon-14, $^{14}_{6}\text{C}$, decays by $\beta^{-}$-emission. Find each daughter nuclide.
α-decay lowers $A$ by 4 and $Z$ by 2; $\beta^{-}$-decay leaves $A$ unchanged and raises $Z$ by 1:
Determine quantitatively the changes. α-emission: $A$ decreases by 4, $Z$ decreases by 2. $\beta^{-}$-emission: $A$ unchanged, $Z$ increases by 1. $\beta^{+}$-emission: $A$ unchanged, $Z$ decreases by 1. γ-emission: no change in either. A decay chain that ends at a known nuclide is solved from these: the number of α-decays is $(A_{\text{start}} - A_{\text{end}})/4$, and then the number of $\beta^{-}$-decays makes $Z$ come out right.
Worked example. Thorium-230, $^{230}_{90}\text{Th}$, decays in stages, by α- and $\beta^{-}$-emission, to lead-206, $^{206}_{82}\text{Pb}$. Find the number of each kind of decay.
α-decays: $(230 - 206)/4 = 6$. Six α-decays alone would lower $Z$ by 12, to 78; the final $Z$ is 82, so there are $82 - 78 = 4$$\beta^{-}$-decays.
A nucleus at rest recoils. When a stationary nucleus emits an α-particle, momentum is conserved: the daughter nucleus and the α-particle move off in opposite directions with momenta of equal magnitude. Since $p = mv$, the lighter α-particle moves much faster, and since $E_{\text{k}} = p^{2}/2m$ it also takes most of the kinetic energy — the shares are in inverse proportion to the masses.
A nucleus at rest decays: the daughter recoils with momentum equal and opposite to the α-particle's
Worked example. A stationary nucleus P of mass $243\ \text{u}$ emits an α-particle of mass $4\ \text{u}$ at $1.5 \times 10^{7}\ \text{m s}^{-1}$. Find the speed of the daughter nucleus Q and the ratio of the kinetic energy of the α-particle to that of Q.
Q has mass $243 - 4 = 239\ \text{u}$. Momentum: $239 v_{\text{Q}} = 4 \times 1.5 \times 10^{7}$, so $v_{\text{Q}} = 2.5 \times 10^{5}\ \text{m s}^{-1}$, in the opposite direction to the α-particle. Kinetic energies: $\dfrac{E_{\alpha}}{E_{\text{Q}}} = \dfrac{p^{2}/2m_{\alpha}}{p^{2}/2m_{\text{Q}}} = \dfrac{m_{\text{Q}}}{m_{\alpha}} = \dfrac{239}{4} \approx 60$. The α-particle takes about 98% of the energy released.
understand that a quark is a fundamental particle and that there are six flavours (types) of quark: up, down, strange, charm, top and bottom
recall and use the charge of each flavour of quark and understand that its respective antiquark has the opposite charge (no knowledge of any other properties of quarks is required)
recall that protons and neutrons are not fundamental particles and describe protons and neutrons in terms of their quark composition
understand that a hadron may be either a baryon (consisting of three quarks) or a meson (consisting of one quark and one antiquark)
describe the changes to quark composition that take place during $\beta^-$ and $\beta^+$ decay
recall that electrons and neutrinos are fundamental particles called leptons
Tiếng Việt
hiểu rằng quark là một hạt cơ bản và có sáu loại (hương): lên, xuống, kỳ lạ, ngọt ngào, trên cùng và dưới cùng
nhớ lại và sử dụng điện tích của mỗi hương quark và hiểu rằng phản quark tương ứng có điện tích ngược lại (không yêu cầu kiến thức về các tính chất khác của quark)
nhớ lại rằng proton và neutron không phải là hạt cơ bản và mô tả chúng theo thành phần quark của chúng
hiểu rằng một hadron có thể là baryon (gồm ba quark) hoặc meson (gồm một quark và một phản quark)
mô tả những thay đổi đối với thành phần quark xảy ra trong quá trình phân rã $\beta^-$ và $\beta^+$
nhớ lại rằng electron và neutrino là các hạt cơ bản được gọi là lepton
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
A bubble chamber reveals the curved tracks of charged particles.Where the particles come from: a linear accelerator uses electric fields to drive charged particles fast enough to probe the nucleus
Some particles are fundamental particles 基本粒子 (point-like, with no smaller parts as far as we know); others are built from fundamental ones.
The one-mark definition: a fundamental particle is one that cannot be broken down into smaller particles (it has no internal structure). Electrons, neutrinos and quarks are fundamental; protons and neutrons are not.
Quarks
A quark 夸克 is a fundamental particle. There are six flavours 味:
up (u), charge $+\tfrac{2}{3}e$,
down (d), charge $-\tfrac{1}{3}e$,
charm (c), charge $+\tfrac{2}{3}e$,
strange (s), charge $-\tfrac{1}{3}e$,
top (t), charge $+\tfrac{2}{3}e$,
bottom (b), charge $-\tfrac{1}{3}e$.
Each quark has an antiquark 反夸克 with the same size of charge but the opposite sign: $\bar{u}$ (charge $-\tfrac{2}{3}e$), $\bar{d}$ (charge $+\tfrac{1}{3}e$). No other quark property is tested.
The six quarks: up/charm/top carry $+\tfrac23 e$, down/strange/bottom carry $-\tfrac13 e$
Written as the table a question asks you to complete:
Worked example. By reference to quark composition, show that the charge of a proton is $+1.6 \times 10^{-19}\ \text{C}$.
A proton is uud: charge $= \tfrac{2}{3}e + \tfrac{2}{3}e - \tfrac{1}{3}e = +e = +1.6 \times 10^{-19}\ \text{C}$. Write the three fractions and their sum — the mark is for the arithmetic, not the answer.
Hadrons: baryons and mesons
Particles built from quarks are hadrons 强子. Two types:
baryons 重子 — three quarks. Examples: proton (u u d), neutron (u d d). Charge check: $\tfrac{2}{3} + \tfrac{2}{3} - \tfrac{1}{3} = +1$ for the proton; $\tfrac{2}{3} - \tfrac{1}{3} - \tfrac{1}{3} = 0$ for the neutron.
mesons 介子 — one quark and one antiquark (for example $\pi^{+}$ is u$\bar{\text{d}}$).
Protons and neutrons are not fundamental — they are baryons made of quarks.
"Compare baryons and mesons in terms of their constituent particles" (2 marks): both are hadrons made of quarks; a baryon is three quarks (or three antiquarks, for an antibaryon), a meson is one quark and one antiquark. Any charge you are given must come out of the quark charges:
Worked example. (a) A meson has charge $-1e$. Give a possible quark composition. (b) A meson Q has charge 0. Give a possible composition. (c) A baryon is made of three quarks of different flavours, u, d and s. Find its charge. (d) Give the quark composition of an antineutron and its charge.
(a) d$\bar{\text{u}}$: $-\tfrac{1}{3} - \tfrac{2}{3} = -1$ (s$\bar{\text{u}}$ also works). (b) u$\bar{\text{u}}$: $+\tfrac{2}{3} - \tfrac{2}{3} = 0$ (or d$\bar{\text{d}}$). (c) uds: $\tfrac{2}{3} - \tfrac{1}{3} - \tfrac{1}{3} = 0$. (d) The antineutron is the antiparticle of udd, so it is $\bar{\text{u}}\bar{\text{d}}\bar{\text{d}}$: $-\tfrac{2}{3} + \tfrac{1}{3} + \tfrac{1}{3} = 0$ — the same mass and charge as the neutron, since both have charge zero.
Quark changes in β-decay
In $\beta^{-}$ decay a neutron turns into a proton; in quark terms, one down quark turns into an up quark:
Beta-minus decay: one down quark becomes an up quark, turning a neutron into a proton
"Describe $\beta^{+}$ decay in terms of the fundamental particles involved" (2 marks): an up quark in a proton changes into a down quark, so the proton becomes a neutron, and a positron and an electron neutrino are emitted — $\text{u} \to \text{d} + \beta^{+} + \nu_{\text{e}}$. For $\beta^{-}$ decay swap the roles: a down quark becomes an up quark, emitting an electron and an electron antineutrino. Name the (anti)neutrino: it is the "other lepton" the question asks for, and it is what makes the β energy continuous.
Leptons
Leptons 轻子 are fundamental particles that are not made of quarks. The leptons you need are the electron and the electron neutrino, with their antiparticles the positron and the electron antineutrino. (Heavier leptons — the muon and tau — exist but are not tested.) Asked for "two different leptons", give electron and neutrino.
Classifying particles
To answer "which are fundamental?": quarks and leptons (electrons, positrons, neutrinos, antineutrinos) are fundamental; protons, neutrons, baryons, mesons and hadrons are not — they are built from quarks.
Fundamental particles (quarks, leptons) versus hadrons (baryons, mesons)
Worked example. In the list — antineutrino, $\beta^{+}$ particle, neutron, positron, proton — underline the hadrons.
Neutron and proton (three quarks each). The antineutrino and the positron are leptons; the $\beta^{+}$ particle is a positron. The same list asked as "which are not fundamental?" has the same answer: neutron and proton.
Antimatter. Every particle has an antiparticle of the same mass and opposite charge; a positron and an electron are alike in mass (and in the size of their charge) and differ in the sign of their charge. An antihydrogen atom is an antiproton (charge $-e$, made of $\bar{\text{u}}\bar{\text{u}}\bar{\text{d}}$) with a positron in orbit.
Explore · Khám phá
Fundamental particle lab · Phòng thí nghiệm hạt cơ bản
Sort particles by the family or interaction that defines them. · Sắp xếp các hạt theo họ hoặc tương tác xác định chúng.
A definition question is marked against fixed wording. Learn these exactly, and give one answer only.
Term
Definition
proton number $Z$
the number of protons in a nucleus
nucleon number $A$
the total number of protons and neutrons in a nucleus
isotopes
nuclei of the same element (same number of protons) with different numbers of neutrons
nuclide
a nucleus with a particular number of protons and a particular number of neutrons
unified atomic mass unit
one twelfth of the mass of an atom of carbon-12
antiparticle
a particle with the same mass as the corresponding particle but the opposite charge
fundamental particle
a particle that cannot be broken down into smaller particles
hadron
a particle made of quarks: a baryon (three quarks) or a meson (a quark and an antiquark)
lepton
a fundamental particle that is not made of quarks, such as the electron or the neutrino
α-particle
a helium-4 nucleus: two protons and two neutrons, charge $+2e$, mass $4\ \text{u}$
$\beta^{-}$ / $\beta^{+}$ particle
an electron / a positron emitted from a nucleus when a neutron becomes a proton / a proton becomes a neutron
11.2
Exam tips
Describe the nuclear atom (a small, dense, positive nucleus) using the alpha-scattering evidence — pair each observation with its conclusion.
Compare $\alpha$, $\beta$ and $\gamma$ by charge, mass, ionising power and penetration; when asked to compare two particles, give the ratio ("twice the charge", "about 7000 times the mass").
Use quark composition (proton $uud$, neutron $udd$) and check that charge and nucleon number balance in every equation you write.
In $\beta^-$ decay a neutron becomes a proton, an electron and an antineutrino; in $\beta^{+}$ decay a proton becomes a neutron, a positron and a neutrino. Name the (anti)neutrino every time.
A nucleus at rest that decays gives its two products equal and opposite momentum, so the lighter one is faster and carries most of the kinetic energy.
For a decay chain, count the α-decays from the change in $A$ first, then fix $Z$ with $\beta$-decays.
Common mistakes
Concluding "the nucleus is positive" from the straight-through result. That result shows empty space; the large-angle deflections show the concentrated positive charge.
Defining isotopes by "different mass" only. The mark needs same number of protons, different number of neutrons.
Writing $^{0}_{-1}\beta$ for $\beta^{+}$ decay. A positron is $^{0}_{+1}\beta$, and $Z$ goes down by one.
Forgetting the (anti)neutrino in a β-decay equation, or putting a neutrino with $\beta^{-}$. $\beta^{-}$ goes with the antineutrino, $\beta^{+}$ with the neutrino.
Saying protons or neutrons are fundamental. Only quarks and leptons are.
Giving a meson as "two quarks". It is a quark and an antiquark.
Treating an antiquark's charge as the same sign as the quark's. $\bar{\text{u}}$ is $-\tfrac{2}{3}e$, $\bar{\text{d}}$ is $+\tfrac{1}{3}e$.
define the radian and express angular displacement in radians
understand and use the concept of angular speed
recall and use $\omega = 2\pi / T$ and $v = r\omega$
Tiếng Việt
định nghĩa radian và biểu diễn độ dịch chuyển góc bằng radian
hiểu và sử dụng khái niệm vận tốc góc
nhớ lại và sử dụng $\omega = 2\pi / T$ và $v = r\omega$
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
English
Uniform circular motion: velocity & acceleration
The radian 弧度 is the angle made at the centre of a circle by an arc 弧 whose length equals the radius. For an arc of length $s$ on a circle of radius $r$, the angle in radians is
$$\theta = \frac{s}{r}.$$
Radians have no unit (a ratio of lengths). A full circle has $s = 2\pi r$, so $\theta = 2\pi\ \text{rad}$. A half-circle is $\pi\ \text{rad}$; a quarter is $\pi/2\ \text{rad}$.
To convert: $1\ \text{rad} = 180°/\pi \approx 57.3°$. Set your calculator to radians for this topic; "degree" mode will give wrong answers.
The one-mark definition.The radian is the angle subtended at the centre of a circle by an arc equal in length to the radius of the circle. Give it in words — $\theta = s/r$ on its own is not a definition — and keep $s = r\theta$ ready for turning a distance along the arc into an angle, or back.
Tiếng Việt
Chuyển động tròn đều: vận tốc & gia tốc
Radian là góc tạo tại tâm của một đường tròn bởi một cung có độ dài bằng bán kính. Đối với cung có độ dài $s$ trên đường tròn có bán kính $r$, góc tính bằng radian là
$$\theta = \frac{s}{r}.$$
Radian không có đơn vị (là tỷ lệ giữa hai độ dài). Một vòng tròn đầy đủ có $s = 2\pi r$, tức là $\theta = 2\pi\ \text{rad}$. Nửa vòng tròn tương ứng $\pi\ \text{rad}$; một phần tư vòng tròn tương ứng $\pi/2\ \text{rad}$.
Một radian là góc có chiều dài cung bằng bán kính
Để chuyển đổi: $1\ \text{rad} = 180°/\pi \approx 57.3°$. Hãy cài đặt máy tính của bạn ở chế độ radian cho chủ đề này; chế độ "degree" (độ) sẽ đưa ra đáp án sai.
Định nghĩa 1 điểm.Radian là góc tạo tại tâm của một đường tròn bởi một cung có độ dài bằng bán kính của đường tròn đó. Hãy diễn giải bằng lời — chỉ riêng $\theta = s/r$ không phải là một định nghĩa — và giữ $s = r\theta$ sẵn sàng để chuyển đổi từ khoảng cách dọc theo cung sang góc, hoặc ngược lại.
Uniform circular motion: angular speed · Chuyển động tròn đều: tốc độ góc
English
An object moves in a circle of radius $r$ at constant speed $v$. Define:
angular displacement 角位移$\theta$ — the angle (in radians) turned through by the radius from a chosen start line.
angular speed 角速度$\omega$ — the rate of change of angular displacement.
For uniform motion $\omega$ is constant and
$$\omega = \frac{\theta}{t}.$$
Unit: $\text{rad s}^{-1}$.
What stays constant and what varies. In uniform circular motion the speed, the angular speed, the period and the magnitude of the acceleration are constant; the velocity, the displacement from the centre and the acceleration all change continuously, because their direction changes. Asked to "state two quantities that vary", give two of velocity, acceleration, displacement and momentum — and say it is the direction that varies.
Period and frequency
If the object goes once round ($2\pi\ \text{rad}$, one revolution 圈) in time $T$ (the period 周期), then
$$\omega = \frac{2\pi}{T} = 2\pi f,$$
where $f = 1/T$ is the frequency 频率 of turning (Hz).
Linear and angular speed
In one period $T$ the object travels a distance $2\pi r$ (the circumference 周长) at constant speed, so
$$v = \frac{2\pi r}{T} = r \omega.$$
This links the linear (tangential 切向) speed $v$ with the angular speed $\omega$. At a larger radius (for the same angular speed) the linear speed is larger — a child on the edge of a merry-go-round moves faster than one near the centre, even though both go round once in the same time.
Worked example. A fairground ride of radius $4.0\ \text{m}$ completes one turn every $8.0\ \text{s}$. Find its angular speed and the linear speed of a rider on the edge.
Worked example. The minute hand of a clock turns once every hour. A piece of modelling clay on the hand moves a total distance of $0.44\ \text{m}$ in $1400\ \text{s}$. Find the angular speed of the hand, the angle the clay turns through in that time, and its distance from the centre of the clock.
$\omega = 2\pi/T = 2\pi/3600 = 1.75 \times 10^{-3}\ \text{rad s}^{-1}$. Angular displacement $\theta = \omega t = 1.75 \times 10^{-3} \times 1400 = 2.44\ \text{rad}$. Distance along the arc $s = r\theta$, so $r = s/\theta = 0.44/2.44 = 0.18\ \text{m}$. Check: $v = s/t = 3.1 \times 10^{-4}\ \text{m s}^{-1}$ and $r\omega = 0.18 \times 1.75 \times 10^{-3} = 3.1 \times 10^{-4}\ \text{m s}^{-1}$ — the same. A common trap in these questions is a radius measured from the rim: a lump $1.2\ \text{cm}$ in from the edge of a $9.3\ \text{cm}$ disc moves in a circle of radius $8.1\ \text{cm}$.
Worked example. A bicycle chain passes round a pedal cog of radius $0.095\ \text{m}$ and a rear-wheel cog of radius $0.038\ \text{m}$. The pedals turn at $1.2$ revolutions per second. Find the speed of the chain and the angular speed of the rear cog. The chain is then moved to a smaller rear cog while the bicycle's speed stays the same; explain, without calculation, what happens to the angular speed of the pedals.
Pedal angular speed $\omega_{1} = 2\pi \times 1.2 = 7.5\ \text{rad s}^{-1}$. Every link of the chain moves at the speed of the rim of the pedal cog: $v = r_{1}\omega_{1} = 0.095 \times 7.5 = 0.72\ \text{m s}^{-1}$. The rear cog's rim moves at the same speed, so $\omega_{2} = v/r_{2} = 0.72/0.038 = 19\ \text{rad s}^{-1}$. With the bicycle's speed unchanged, the rear wheel keeps the same angular speed; the smaller cog's rim therefore moves more slowly ($v = r\omega$ with a smaller $r$), so the chain moves more slowly, and the pedal cog, driven by the same chain, turns at a lower angular speed.
Tiếng Việt
Trò chơi vui chơi quay: mọi hành khách đều quay qua cùng một góc mỗi giây.
Một vật thể chuyển động trên đường tròn có bán kính $r$ với tốc độ không đổi $v$. Định nghĩa:
dịch chuyển góc$\theta$ — góc (tính bằng radian) mà bán kính đã quét qua từ một đường bắt đầu được chọn.
tốc độ góc$\omega$ — tốc độ biến thiên của dịch chuyển góc.
Đối với chuyển động đều, $\omega$ là hằng số và
$$\omega = \frac{\theta}{t}.$$
Đơn vị: $\text{rad s}^{-1}$.
Những đại lượng nào không đổi và những đại lượng nào thay đổi. Trong chuyển động tròn đều, tốc độ, tốc độ góc, chu kỳ và độ lớn của gia tốc là không đổi; vận tốc, dịch chuyển từ tâm và gia tốc đều thay đổi liên tục, vì hướng của chúng thay đổi. Khi được yêu cầu "nêu hai đại lượng thay đổi", hãy nêu hai trong số vận tốc, gia tốc, dịch chuyển và động lượng — và nói rõ hướng là thứ thay đổi.
Chu kỳ và tần số
Nếu vật thể đi hết một vòng ($2\pi\ \text{rad}$, một vòng quay) trong thời gian $T$ (gọi là chu kỳ), thì
$$\omega = \frac{2\pi}{T} = 2\pi f,$$
trong đó $f = 1/T$ là tần số quay (Hz).
Tốc độ tuyến tính và tốc độ góc
Trong một chu kỳ $T$, vật thể di chuyển được một quãng đường $2\pi r$ (gọi là chu vi) với tốc độ không đổi, nên
$$v = \frac{2\pi r}{T} = r \omega.$$
Công thức này liên hệ tốc độ tuyến tính (tiếp tuyến) $v$ với tốc độ góc $\omega$. Ở bán kính lớn hơn (với cùng tốc độ góc), tốc độ tuyến tính sẽ lớn hơn — một đứa trẻ ở mép đu quay quay sẽ di chuyển nhanh hơn một đứa trẻ gần trung tâm, dù cả hai đều hoàn thành một vòng quay trong cùng một khoảng thời gian.
Cùng tốc độ góc, nhưng hành khách ở bán kính lớn hơn có tốc độ tuyến tính lớn hơn ($v = r\omega$)
Ví dụ minh họa. Một trò chơi vui chơi có bán kính $4.0\ \text{m}$ hoàn thành một vòng quay mỗi $8.0\ \text{s}$. Tìm tốc độ góc của nó và tốc độ tuyến tính của một hành khách ở mép.
Ví dụ minh họa. Kim phút của một chiếc đồng hồ quay một vòng mỗi giờ. Một mẩu đất nặn gắn trên kim di chuyển tổng cộng một quãng đường $0.44\ \text{m}$ trong khoảng thời gian $1400\ \text{s}$. Tìm tốc độ góc của kim, góc mà mẩu đất nặn đã quét qua trong khoảng thời gian đó, và khoảng cách từ tâm của đồng hồ đến mẩu đất nặn.
$\omega = 2\pi/T = 2\pi/3600 = 1.75 \times 10^{-3}\ \text{rad s}^{-1}$. Dịch chuyển góc $\theta = \omega t = 1.75 \times 10^{-3} \times 1400 = 2.44\ \text{rad}$. Quãng đường dọc theo cung $s = r\theta$, nên $r = s/\theta = 0.44/2.44 = 0.18\ \text{m}$. Kiểm tra: $v = s/t = 3.1 \times 10^{-4}\ \text{m s}^{-1}$ và $r\omega = 0.18 \times 1.75 \times 10^{-3} = 3.1 \times 10^{-4}\ \text{m s}^{-1}$ — giống nhau. Một bẫy phổ biến trong các câu hỏi này là bán kính được đo từ mép: một khối $1.2\ \text{cm}$ vào trong từ mép của một đĩa $9.3\ \text{cm}$ sẽ chuyển động trên đường tròn có bán kính $8.1\ \text{cm}$.
Hai bánh răng nối với nhau bằng xích chia sẻ tốc độ của xích, chứ không phải tốc độ góc: $v = r_{1}\omega_{1} = r_{2}\omega_{2}$
Ví dụ có lời giải. Dây xích xe đạp đi quanh bánh răng bàn đạp bán kính $0.095\ \text{m}$ và bánh răng sau bán kính $0.038\ \text{m}$. Bàn đạp quay với tốc độ $1.2$ vòng mỗi giây. Tìm tốc độ của dây xích và tốc độ góc của bánh răng sau. Sau đó, dây xích được chuyển sang một bánh răng sau nhỏ hơn trong khi tốc độ của xe đạp không đổi; hãy giải thích, mà không cần tính toán, điều gì sẽ xảy ra với tốc độ góc của bàn đạp.
Tốc độ góc bàn đạp $\omega_{1} = 2\pi \times 1.2 = 7.5\ \text{rad s}^{-1}$. Mỗi mắt xích di chuyển với tốc độ bằng vận tốc tại vành bánh răng bàn đạp: $v = r_{1}\omega_{1} = 0.095 \times 7.5 = 0.72\ \text{m s}^{-1}$. Vành bánh răng sau cũng di chuyển với cùng tốc độ đó, nên $\omega_{2} = v/r_{2} = 0.72/0.038 = 19\ \text{rad s}^{-1}$. Với tốc độ xe đạp không thay đổi, bánh xe sau vẫn giữ nguyên tốc độ góc; do đó, vành bánh răng nhỏ hơn sẽ di chuyển chậm hơn ($v = r\omega$ với $r$ nhỏ hơn), khiến dây xích di chuyển chậm hơn, và bánh răng bàn đạp, được dẫn động bởi cùng một dây xích, sẽ quay với tốc độ góc thấp hơn.
Khi bán kính quay qua $\Delta\theta$, vật di chuyển một cung $\Delta s$ với tốc độ $v$
Explore · Khám phá
Angular speed · Vận tốc góc
s = rθ
Angular speed turns angle per time; arc length s = rθ. · Vận tốc góc chuyển đổi góc theo thời gian; độ cung s = rθ.
understand that a force of constant magnitude that is always perpendicular to the direction of motion causes centripetal acceleration
understand that centripetal acceleration causes circular motion with a constant angular speed
recall and use $a = r\omega^2$ and $a = v^2 / r$
recall and use $F = mr\omega^2$ and $F = mv^2 / r$
Tiếng Việt
hiểu rằng một lực có độ lớn không đổi và luôn vuông góc với hướng chuyển động gây ra gia tốc hướng tâm
hiểu rằng gia tốc hướng tâm gây ra chuyển động tròn với vận tốc góc không đổi
nhớ lại và sử dụng $a = r\omega^2$ và $a = v^2 / r$
nhớ lại và sử dụng $F = mr\omega^2$ và $F = mv^2 / r$
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
English
An object moving in a circle at constant speed still has a changing velocity 速度 — its direction keeps changing, even though its size stays the same. A changing velocity needs an acceleration 加速度. This acceleration points towards the centre and is the centripetal acceleration 向心加速度.
The two-mark description.In uniform circular motion the speed is constant but the velocity is continuously changing, because its direction changes; the acceleration is constant in magnitude and is always directed towards the centre of the circle, perpendicular to the velocity. "State what is meant by centripetal acceleration": the acceleration of an object moving along a circular path, directed towards the centre of the circle.
Size
$$a = \frac{v^{2}}{r} = r\omega^{2}.$$
The two forms are equal because $v = r\omega$. Pick the one with the quantities you have.
The centripetal acceleration is perpendicular 垂直 to the velocity at every instant — never along the direction of motion. (If part of it were along the motion, the speed would change.) Unit: $\text{m s}^{-2}$.
Why the speed does not change. The centripetal force is perpendicular to the displacement at every instant, so it does no work on the object; its kinetic energy, and so its speed, stays constant. Only the direction of the velocity changes — which is exactly what an acceleration perpendicular to the velocity does.
Worked example. The Earth is a sphere of radius $6.37 \times 10^{6}\ \text{m}$ rotating once in $24$ hours. Cambridge is at latitude 纬度$52.2°$ north. Find the radius of the circle in which Cambridge moves, its speed, and its centripetal acceleration. A student of mass $58.6\ \text{kg}$ stands on bathroom scales there; state and explain the effect of the rotation on the reading.
The circle is about the axis, so $r = R\cos\lambda = 6.37 \times 10^{6} \times \cos 52.2° = 3.90 \times 10^{6}\ \text{m}$. $\omega = 2\pi/(24 \times 3600) = 7.27 \times 10^{-5}\ \text{rad s}^{-1}$, so $v = r\omega = 284\ \text{m s}^{-1}$ and $a = r\omega^{2} = 3.90 \times 10^{6} \times (7.27 \times 10^{-5})^{2} = 2.1 \times 10^{-2}\ \text{m s}^{-2}$. The student needs a resultant force $ma = 1.2\ \text{N}$ towards the axis, which can only come from the weight exceeding the upward contact force; so the scales read less than the weight $mg = 575\ \text{N}$ — by about one newton (the acceleration has a component $a\cos\lambda = 0.013\ \text{m s}^{-2}$ along the vertical, i.e. $0.7\ \text{N}$ of the $1.2\ \text{N}$). Small, but the sign and the reason are the marks.
Tiếng Việt
Một vật di chuyển trên đường tròn với tốc độ không đổi vẫn có vận tốc thay đổi — phương của nó luôn thay đổi, mặc dù độ lớn không đổi. Sự thay đổi vận tốc đòi hỏi một gia tốc. Gia tốc này hướng về phía tâm và gọi là gia tốc hướng tâm.
Mô tả hai điểm.Trong chuyển động tròn đều, tốc độ không đổi nhưng vận tốc liên tục thay đổi vì phương của nó thay đổi; gia tốc không đổi về độ lớn và luôn hướng về phía tâm của đường tròn, vuông góc với vận tốc. "Nêu ý nghĩa của gia tốc hướng tâm": gia tốc của một vật di chuyển dọc theo quỹ đạo tròn, hướng về phía tâm của đường tròn.
Kích thước
$$a = \frac{v^{2}}{r} = r\omega^{2}.$$
Hai dạng thức trên bằng nhau vì $v = r\omega$. Hãy chọn dạng thức chứa các đại lượng bạn đã biết.
Gia tốc hướng tâm vuông góc với vận tốc tại mọi thời điểm — không bao giờ dọc theo phương chuyển động. (Nếu có thành phần nào đó dọc theo phương chuyển động, tốc độ sẽ thay đổi.) Đơn vị: $\text{m s}^{-2}$.
Vận tốc theo phương tiếp tuyến; lực và gia tốc hướng vào tâm
Tại sao tốc độ không thay đổi. Lực hướng tâm vuông góc với độ dịch chuyển tại mọi thời điểm, nên nó không thực hiện công lên vật; động năng của vật, và do đó tốc độ của nó, không đổi. Chỉ có phương của vận tốc thay đổi — đúng là những gì một gia tốc vuông góc với vận tốc làm được.
Một điểm trên Trái Đất đang quay di chuyển trong một đường tròn quanh trục, có bán kính $R\cos\lambda$, chứ không phải quanh tâm Trái Đất
Ví dụ có lời giải. Trái Đất là một khối cầu bán kính $6.37 \times 10^{6}\ \text{m}$ quay một vòng trong $24$ giờ. Cambridge nằm ở vĩ độ$52.2°$ phía bắc. Tính bán kính của đường tròn mà Cambridge di chuyển, tốc độ của nó và gia tốc hướng tâm của nó. Một học sinh có khối lượng $58.6\ \text{kg}$ đứng trên cân nhà vệ sinh tại đó; hãy nêu và giải thích ảnh hưởng của sự quay lên số chỉ của cân.
Đường tròn này quanh trục, nên $r = R\cos\lambda = 6.37 \times 10^{6} \times \cos 52.2° = 3.90 \times 10^{6}\ \text{m}$. $\omega = 2\pi/(24 \times 3600) = 7.27 \times 10^{-5}\ \text{rad s}^{-1}$, do đó $v = r\omega = 284\ \text{m s}^{-1}$ và $a = r\omega^{2} = 3.90 \times 10^{6} \times (7.27 \times 10^{-5})^{2} = 2.1 \times 10^{-2}\ \text{m s}^{-2}$. Học sinh cần một hợp lực $ma = 1.2\ \text{N}$ hướng về phía trục, điều này chỉ có thể đến từ trọng lực lớn hơn lực tiếp xúc hướng lên; vì vậy, cân chỉ số nhỏ hơn trọng lực $mg = 575\ \text{N}$ — khoảng một newton (gia tốc có một thành phần $a\cos\lambda = 0.013\ \text{m s}^{-2}$ dọc theo phương thẳng đứng, tức là $0.7\ \text{N}$ của $1.2\ \text{N}$). Nhỏ, nhưng dấu và lý do chính là các điểm chấm.
By Newton's second law, the resultant force 力 on a body in circular motion at constant speed is
$$F = m a = \frac{m v^{2}}{r} = m r \omega^{2}.$$
This is the centripetal force 向心力. It always points towards the centre — perpendicular to the velocity.
The centripetal force is not a new kind of force — it is the net result of the real forces acting (tension, gravity, friction, electric attraction, normal contact force, …). In a problem, work out which real force(s) provide it.
Worked example. A $0.20\ \text{kg}$ ball on a string is whirled in a horizontal circle of radius $0.50\ \text{m}$ at $3.0\ \text{m s}^{-1}$. Find the centripetal force (the tension in the string).
Ball on a string in a horizontal circle: the tension 张力 in the string.
Car turning a flat corner: the friction 摩擦力 between tyres and road ($F = m v^{2}/r$). If the car goes too fast, friction is not enough and it skids outwards.
Banked corner 倾斜 (no friction): the horizontal part of the normal contact force 支持力; $\tan\theta = v^{2}/(rg)$ for the angle that needs no friction.
A planet or satellite 卫星 in orbit 轨道: the gravitational attraction 引力, $G M m / r^{2} = m v^{2}/r$.
Electron 电子 in a circular orbit (Bohr-style model): the electrostatic 静电 attraction between the electron and the positive nucleus 原子核:
where $k = 1/(4\pi\varepsilon_{0})$ and $Z$ is the nuclear charge. Solve for $v$ to get the orbital speed; then $T = 2\pi r/v$.
The tilted force: conical pendulum, cone and swing-ride
A ball on a string swung in a horizontal circle (a conical pendulum 圆锥摆), a ball rolling round the inside of a smooth cone, a chair on a fairground swing-ride and a car on a banked track are all the same problem: one force (the tension or the normal contact force) is tilted at an angle $\theta$ to the vertical. Resolve it. Its vertical component balances the weight; its horizontal component is the whole centripetal force:
Never add a separate "centripetal force" to the diagram: the two real forces are the weight and the tilted force, and their resultant is horizontal, towards the centre.
Worked example. A steel ball moves in a horizontal circle of radius $0.12\ \text{m}$ on the smooth inside surface of a cone whose surface makes $52°$ with the horizontal. Name the two forces on the ball, state the direction of their resultant, and find the speed of the ball and the period of its motion.
The forces are the weight (vertically down) and the normal contact force from the cone's surface (perpendicular to the surface, so at $52°$ to the vertical); their resultant is horizontal, towards the centre of the circle. Vertically $N\cos 52° = mg$; horizontally $N\sin 52° = mv^{2}/r$. Dividing: $v^{2} = rg\tan 52° = 0.12 \times 9.81 \times 1.28 = 1.51$, so $v = 1.2\ \text{m s}^{-1}$, and $T = 2\pi r/v = 2\pi \times 0.12/1.23 = 0.61\ \text{s}$. The mass cancels — the speed does not depend on it.
Worked example. A sphere of mass $0.29\ \text{kg}$ hangs from a spring of spring constant $40\ \text{N m}^{-1}$ and unstretched length $6.0\ \text{cm}$. It is set moving in a horizontal circle so that the spring makes $30°$ with the vertical. Find the tension, the radius of the circle and the speed.
Vertically $T\cos 30° = mg$, so $T = 0.29 \times 9.81/0.866 = 3.3\ \text{N}$. The extension is $x = T/k = 3.28/40 = 0.082\ \text{m}$, so the spring's length is $0.060 + 0.082 = 0.142\ \text{m}$ and $r = 0.142\sin 30° = 0.071\ \text{m}$. Horizontally $T\sin 30° = mv^{2}/r$: $v^{2} = 3.28 \times 0.5 \times 0.071/0.29 = 0.40$, $v = 0.63\ \text{m s}^{-1}$. Hooke's law supplies the length; the circle supplies the rest.
Vertical circles
When the circle is upright, the speed is not constant (gravity does work) — but at each instant the net force towards the centre still equals $m v^{2}/r$:
at the bottom of a loop: tension up, weight 重力 down, so $T - mg = m v^{2}/r$ — the tension is largest here.
at the top of a loop: tension and weight both point down (towards the centre), so $T + mg = m v^{2}/r$ — the tension is smallest. For the slowest speed at the top with the string just tight, set $T = 0$: $mg = m v_{\text{min}}^{2}/r$, giving $v_{\text{min}} = \sqrt{gr}$.
Worked example. A car goes round a vertical loop of radius $2.0\ \text{m}$. Find the minimum speed at the top for the car to keep contact with the track (take $g = 9.81\ \text{m s}^{-2}$).
At the slowest speed the track force is zero, so gravity alone provides the centripetal force: $mg = m v_{\text{min}}^{2}/r$, giving $v_{\text{min}} = \sqrt{gr}$:
The constant-speed result ($v = r\omega$, $\omega$ constant) holds for horizontal circles, or where the force only bends the path (orbits in gravity, charges in a magnetic field 磁场).
Circles in fields
Worked example. A helium atom is modelled as a nucleus of charge $+2e$ with two electrons in the same circular orbit of radius $170\ \text{pm}$, always on opposite sides of the nucleus. Find the resultant electric force on one electron and its speed.
Each electron is attracted by the nucleus, distance $r$ away, and repelled by the other electron, distance $2r$ away, along the same line: $F = \dfrac{1}{4\pi\varepsilon_{0}}\left(\dfrac{2e^{2}}{r^{2}} - \dfrac{e^{2}}{(2r)^{2}}\right) = \dfrac{e^{2}}{4\pi\varepsilon_{0}r^{2}} \times 1.75 = \dfrac{2.31 \times 10^{-28}}{(1.7 \times 10^{-10})^{2}} \times 1.75 = 1.4 \times 10^{-8}\ \text{N}$. This is the centripetal force: $v = \sqrt{Fr/m} = \sqrt{1.40 \times 10^{-8} \times 1.7 \times 10^{-10}/(9.11 \times 10^{-31})} = 1.6 \times 10^{6}\ \text{m s}^{-1}$.
Worked example. A proton (mass $1.67 \times 10^{-27}\ \text{kg}$) moving at $2.0 \times 10^{6}\ \text{m s}^{-1}$ enters a uniform magnetic field of flux density $0.50\ \text{T}$ at right angles to the field. Find the radius of its path and the time for one revolution.
The magnetic force $Bqv$ is always perpendicular to the velocity, so it is a centripetal force and the speed is constant: $Bqv = mv^{2}/r$ gives $r = \dfrac{mv}{Bq} = \dfrac{1.67 \times 10^{-27} \times 2.0 \times 10^{6}}{0.50 \times 1.60 \times 10^{-19}} = 4.2 \times 10^{-2}\ \text{m}$, and $T = \dfrac{2\pi r}{v} = \dfrac{2\pi m}{Bq} = 1.3 \times 10^{-7}\ \text{s}$ — independent of the speed, which is why a faster proton makes a larger circle in the same time. For a satellite the gravitational force plays the same part: $\dfrac{GMm}{r^{2}} = mr\omega^{2}$, and the orbital speed and period follow from $r$ alone.
Tiếng Việt
Xe lượn vòng: một lực hướng tâm về phía tâm giữ cho mỗi toa xe di chuyển theo đường tròn.
Theo định luật II Newton, hợp lực tác dụng lên một vật trong chuyển động tròn với tốc độ không đổi là
$$F = m a = \frac{m v^{2}}{r} = m r \omega^{2}.$$
Đây là lực hướng tâm. Nó luôn hướng về phía tâm — vuông góc với vận tốc.
Lực hướng tâm không phải là một loại lực mới — nó là hợp lực của các lực thật tác dụng (lực căng, trọng lực, ma sát, lực hút điện, lực tiếp xúc phản lực, …). Trong bài tập, hãy xác định xem lực thật nào (hoặc những lực nào) tạo ra lực hướng tâm đó.
Ví dụ có lời giải. Một quả bóng $0.20\ \text{kg}$ buộc vào dây được quay tròn trong một đường tròn ngang bán kính $0.50\ \text{m}$ với tốc độ $3.0\ \text{m s}^{-1}$. Tìm lực hướng tâm (lực căng của dây).
Quả bóng buộc dây quay trong đường tròn ngang: lực căng của dây.
Xe quay cua trên mặt phẳng ngang: lực ma sát giữa lốp xe và mặt đường ($F = m v^{2}/r$). Nếu xe chạy quá nhanh, lực ma sát không đủ và xe trượt ra ngoài.
Cura nghiêng (không có ma sát): thành phần ngang của lực tiếp xúc phản lực; $\tan\theta = v^{2}/(rg)$ cho góc yêu cầu không cần ma sát.
Hành tinh hoặc tàu vũ trụ trong quỹ đạo: lực hấp dẫn, $G M m / r^{2} = m v^{2}/r$.
Electron trong quỹ đạo tròn (mô hình kiểu Bohr): lực hút tĩnh điện giữa electron và hạt nhân mang điện tích dương:
trong đó $k = 1/(4\pi\varepsilon_{0})$ và $Z$ là điện tích hạt nhân. Giải tìm $v$ để có vận tốc quỹ đạo; sau đó $T = 2\pi r/v$.
Trên đường đua nghiêng, thành phần ngang của lực tác dụng bởi mặt đường tạo ra lực hướng tâm
Lực nghiêng: con lắc hình nón, hình nón và tàu quay
Một quả bóng trên dây quay trong mặt phẳng ngang (lò xo hình nón), một quả bóng lăn quanh thành bên trong của một hình nón nhẵn, một chiếc ghế trên vòng quay công viên giải trí và một chiếc xe trên đường đua nghiêng đều là cùng một bài toán: một lực (lực căng dây hoặc lực tiếp xúc pháp tuyến) bị nghiêng một góc $\theta$ so với phương đứng. Phân tích nó. Thành phần đứng của nó cân bằng trọng lượng; thành phần ngang chính là toàn bộ lực hướng tâm:
Không bao giờ thêm một "lực hướng tâm" riêng biệt vào sơ đồ: hai lực thực là trọng lượng và lực bị nghiêng, và hợp lực của chúng nằm ngang, hướng về phía tâm.
Phân tích lực bị nghiêng: thành phần $= mg$, thành phần $= mv^{2}/r$
Ví dụ có lời giải. Một quả bóng thép chuyển động trong đường tròn ngang bán kính $0.12\ \text{m}$ trên bề mặt nhẵn bên trong của một hình nón mà bề mặt tạo với phương ngang góc $52°$. Hãy nêu tên hai lực tác dụng lên quả bóng, phát biểu phương của hợp lực và tìm vận tốc của quả bóng cũng như chu kỳ chuyển động của nó.
Hai lực là trọng lượng (thẳng đứng xuống dưới) và lực tiếp xúc pháp tuyến từ bề mặt hình nón (vuông góc với bề mặt, do đó tạo với phương đứng góc $52°$); hợp lực của chúng nằm ngang, hướng về tâm đường tròn. Theo phương thẳng đứng $N\cos 52° = mg$; theo phương ngang $N\sin 52° = mv^{2}/r$. Chia vế: $v^{2} = rg\tan 52° = 0.12 \times 9.81 \times 1.28 = 1.51$, suy ra $v = 1.2\ \text{m s}^{-1}$, và $T = 2\pi r/v = 2\pi \times 0.12/1.23 = 0.61\ \text{s}$. Khối lượng triệt tiêu — vận tốc không phụ thuộc vào khối lượng.
Ví dụ có lời giải. Một quả cầu khối lượng $0.29\ \text{kg}$ treo vào lò xo có độ cứng $40\ \text{N m}^{-1}$ và chiều dài tự nhiên $6.0\ \text{cm}$. Cho nó chuyển động trong đường tròn ngang sao cho lò xo tạo với phương đứng góc $30°$. Tìm lực căng, bán kính đường tròn và vận tốc.
Theo phương thẳng đứng $T\cos 30° = mg$, nên $T = 0.29 \times 9.81/0.866 = 3.3\ \text{N}$. Độ dãn của lò xo là $x = T/k = 3.28/40 = 0.082\ \text{m}$, nên chiều dài của lò xo là $0.060 + 0.082 = 0.142\ \text{m}$ và $r = 0.142\sin 30° = 0.071\ \text{m}$. Theo phương ngang $T\sin 30° = mv^{2}/r$: $v^{2} = 3.28 \times 0.5 \times 0.071/0.29 = 0.40$, $v = 0.63\ \text{m s}^{-1}$. Định luật Hooke cung cấp chiều dài; đường tròn cung cấp các đại lượng còn lại.
Chuyển động tròn trong mặt phẳng đứng
Khi đường tròn nằm đứng, vận tốc không đổi (trọng lực sinh công) — nhưng tại mỗi thời điểm lực tổng hợp hướng về tâm vẫn bằng $m v^{2}/r$:
ở đáy vòng quay: lực căng hướng lên, trọng lượng hướng xuống, nên $T - mg = m v^{2}/r$ — lực căng lớn nhất ở đây.
ở đỉnh vòng quay: cả lực căng và trọng lượng đều hướng xuống (hướng về tâm), nên $T + mg = m v^{2}/r$ — lực căng nhỏ nhất. Đối với vận tốc chậm nhất ở đỉnh để dây vừa căng, đặt $T = 0$: $mg = m v_{\text{min}}^{2}/r$, thu được $v_{\text{min}} = \sqrt{gr}$.
*Các lực tác dụng lên người ở vị trí đỉnh và đáy của đường tròn đứng
Ví dụ có lời giải. Một chiếc xe chạy qua một vòng quay đứng có bán kính $2.0\ \text{m}$. Tìm vận tốc tối thiểu ở vị trí đỉnh để xe giữ tiếp xúc với đường đua (lấy $g = 9.81\ \text{m s}^{-2}$).
Ở vận tốc chậm nhất, lực của đường đua bằng không, nên chỉ có trọng lực cung cấp lực hướng tâm: $mg = m v_{\text{min}}^{2}/r$, suy ra $v_{\text{min}} = \sqrt{gr}$:
Kết quả vận tốc không đổi ($v = r\omega$, $\omega$ không đổi) áp dụng cho các đường tròn nằm ngang, hoặc nơi lực chỉ làm cong quỹ đạo (quỹ đạo trong trường hấp dẫn, điện tích trong từ trường).
Các đường tròn trong các trường
Ví dụ có lời giải. Một nguyên tử heli được mô hình hóa gồm hạt nhân mang điện $+2e$ với hai electron trên cùng một quỹ đạo tròn bán kính $170\ \text{pm}$, luôn nằm ở hai phía đối diện của hạt nhân. Tìm hợp lực điện tác dụng lên một electron và vận tốc của nó.
Mỗi electron bị hạt nhân hút, cách $r$, và bị electron kia đẩy, cách $2r$, dọc theo cùng một đường thẳng: $F = \dfrac{1}{4\pi\varepsilon_{0}}\left(\dfrac{2e^{2}}{r^{2}} - \dfrac{e^{2}}{(2r)^{2}}\right) = \dfrac{e^{2}}{4\pi\varepsilon_{0}r^{2}} \times 1.75 = \dfrac{2.31 \times 10^{-28}}{(1.7 \times 10^{-10})^{2}} \times 1.75 = 1.4 \times 10^{-8}\ \text{N}$. Đây là lực hướng tâm: $v = \sqrt{Fr/m} = \sqrt{1.40 \times 10^{-8} \times 1.7 \times 10^{-10}/(9.11 \times 10^{-31})} = 1.6 \times 10^{6}\ \text{m s}^{-1}$.
Ví dụ có lời giải. Một proton (khối lượng $1.67 \times 10^{-27}\ \text{kg}$) di chuyển với vận tốc $2.0 \times 10^{6}\ \text{m s}^{-1}$ đi vào từ trường đều có cảm ứng từ $0.50\ \text{T}$ vuông góc với từ trường. Tìm bán kính quỹ đạo và thời gian cho một vòng quay.
Lực từ $Bqv$ luôn vuông góc với vận tốc, nên nó là lực hướng tâm và tốc độ không đổi: $Bqv = mv^{2}/r$ dẫn đến $r = \dfrac{mv}{Bq} = \dfrac{1.67 \times 10^{-27} \times 2.0 \times 10^{6}}{0.50 \times 1.60 \times 10^{-19}} = 4.2 \times 10^{-2}\ \text{m}$, và $T = \dfrac{2\pi r}{v} = \dfrac{2\pi m}{Bq} = 1.3 \times 10^{-7}\ \text{s}$ — độc lập với tốc độ, đó là lý do vì sao một proton nhanh hơn sẽ tạo ra vòng tròn lớn hơn trong cùng một khoảng thời gian. Đối với vệ tinh, lực hấp dẫn đóng vai trò tương tự: $\dfrac{GMm}{r^{2}} = mr\omega^{2}$, và vận tốc quỹ đạo cùng chu kỳ suy ra chỉ từ $r$.
Explore · Khám phá
Centripetal force and speed · Lực hướng tâm và tốc độ
F = mv²/r
For circular motion the force needed grows with the square of the speed — double v, four times the force. · Đối với chuyển động tròn, lực cần thiết tăng theo bình phương của tốc độ — gấp đôi v, lực sẽ gấp bốn lần.
How to structure a circular-motion answer · Cách trình bày câu trả lời về chuyển động tròn
English
Find the radius$r$ and choose $v$ or $\omega$. Use $v = r\omega$ to switch between them.
Find the centripetal acceleration with $a = v^{2}/r$ or $r\omega^{2}$.
List the real forces and write Newton's second law in the radial 径向 direction (towards the centre is positive). Set the net inward force equal to $m v^{2}/r$.
For period or frequency: use $\omega = 2\pi/T$, or $T = 2\pi r / v$.
Check the directions: centripetal force and acceleration point to the centre; the velocity is along the tangent.
Tiếng Việt
Tìm bán kính$r$ và chọn $v$ hoặc $\omega$. Sử dụng $v = r\omega$ để chuyển đổi giữa chúng.
Tìm gia tốc hướng tâm bằng $a = v^{2}/r$ hoặc $r\omega^{2}$.
Liệt kê các lực thực và viết định luật II Newton theo phương tâm (hướng về tâm là dương). Đặt lực tổng hợp hướng vào bằng $m v^{2}/r$.
Đối với chu kỳ hay tần số: sử dụng $\omega = 2\pi/T$, hoặc $T = 2\pi r / v$.
Kiểm tra các phương: lực hướng tâm và gia tốc hướng về tâm; vận tốc dọc theo tiếp tuyến.
12.2
Definitions the examiner accepts · Các định nghĩa mà giám khảo chấp nhận
English
A definition question is marked against fixed wording. Learn these exactly, and give one answer only.
Term
Definition
radian
the angle subtended at the centre of a circle by an arc equal in length to the radius
angular displacement
the angle, in radians, through which the radius has turned from its starting position
angular speed
the angle swept out by the radius per unit time (the rate of change of angular displacement)
period
the time taken for one complete revolution
uniform circular motion
motion in a circle at constant speed, with a velocity that changes continuously in direction and an acceleration of constant magnitude directed towards the centre
centripetal acceleration
the acceleration of an object moving in a circular path, directed towards the centre of the circle and perpendicular to the velocity
centripetal force
the resultant force on an object in circular motion, directed towards the centre, of magnitude $mv^{2}/r$
Tiếng Việt
Câu hỏi định nghĩa được chấm dựa trên văn phong cố định. Hãy học thuộc những định nghĩa này và chỉ đưa ra một đáp án duy nhất.
Thuật ngữ
Định nghĩa
radian
góc chắn tại tâm của đường tròn bởi một cung có độ dài bằng bán kính
độ lệch góc
góc, tính bằng radian, mà bán kính đã quay từ vị trí ban đầu
vận tốc góc
góc quét bởi bán kính trên một đơn vị thời gian (tốc độ thay đổi của độ lệch góc)
chu kỳ
thời gian cần thiết cho một vòng quay hoàn chỉnh
chuyển động tròn đều
chuyển động trong đường tròn với vận tốc không đổi, có vận tốc liên tục thay đổi hướng và gia tốc có độ lớn không đổi hướng về phía tâm
gia tốc hướng tâm
gia tốc của một vật chuyển động theo quỹ đạo tròn, có hướng về tâm đường tròn và vuông góc với vận tốc
lực hướng tâm
hợp lực tác dụng lên vật chuyển động tròn, hướng về phía tâm, có độ lớn $mv^{2}/r$
12.2
Exam tips · Mẹo làm bài thi
English
Work in radians; angular speed $\omega = 2\pi/T = v/r$, and arc length $s = r\theta$ turns a distance along the circle into an angle.
Centripetal acceleration $a = v^2/r = \omega^2 r$; the net force acts towards the centre — it is provided by tension/gravity/friction/a contact force, not an extra force.
Always state what provides the centripetal force in the situation given, and for a tilted force resolve it: vertical component $= mg$, horizontal component $= mv^{2}/r$.
Read the radius carefully: a point measured from the rim moves in a smaller circle; a point on the rotating Earth moves in a circle about the axis, radius $R\cos\lambda$.
Two cogs on one chain share the chain's speed; two points on one rigid wheel share its angular speed.
Common mistakes
Defining the radian as "$180/\pi$ degrees" or as $\theta = s/r$. The mark needs the arc equal in length to the radius.
Saying the velocity is constant in uniform circular motion. The speed is constant; the velocity changes direction, which is why there is an acceleration.
Drawing a "centripetal force" arrow as an extra force alongside the tension or contact force. It is their resultant, not a third force.
Using degrees in $\omega t$ or $v = r\omega$. Every formula in this topic assumes radians.
Forgetting that the force does no work: a force perpendicular to the motion changes direction, not speed, so kinetic energy is constant.
Taking $r$ as the Earth's radius for a point at latitude $\lambda$. The circle is about the axis, so $r = R\cos\lambda$.
Tiếng Việt
Tính công bằng radian; tốc độ góc $\omega = 2\pi/T = v/r$, và độ dài cung $s = r\theta$ biến đổi một khoảng cách dọc theo đường tròn thành một góc.
Gia tốc hướng tâm $a = v^2/r = \omega^2 r$; tổng hợp lực tác dụng về phía tâm — nó được cung cấp bởi lực căng/thanh trọng/lực ma sát/lực tiếp xúc, không phải là một lực riêng biệt.
Luôn nêu rõ lực nào tạo ra lực hướng tâm trong tình huống đã cho, và đối với lực nghiêng, phân tích thành phần: thành phần dọc $= mg$, thành phần ngang $= mv^{2}/r$.
Đọc bán kính cẩn thận: một điểm đo từ mép sẽ chuyển động trên một vòng tròn nhỏ hơn; một điểm trên Trái Đất đang quay chuyển động trên một vòng tròn quanh trục, bán kính $R\cos\lambda$.
Hai bánh răng trên cùng một dây xích chia sẻ tốc độ của dây xích; hai điểm trên cùng một bánh xe cứng chia sẻ tốc độ góc của nó.
Lỗi thường gặp
Định nghĩa radian là "$180/\pi$ độ" hoặc là $\theta = s/r$. Điểm cần nhớ là cung có độ dài bằng bán kính.
Nói rằng vận tốc không đổi trong chuyển động tròn đều. Tốc độ không đổi; vận tốc thay đổi hướng, đó là lý do tại sao có gia tốc.
Vẽ mũi tên "lực hướng tâm" như một lực riêng biệt bên cạnh lực căng hoặc lực tiếp xúc. Đó là tổng hợp của chúng, không phải là một lực thứ ba.
Sử dụng độ trong $\omega t$ hoặc $v = r\omega$. Mọi công thức trong chủ đề này đều giả định đơn vị radian.
Unintentionally quên rằng lực không thực hiện công: một lực vuông góc với chuyển động chỉ làm thay đổi hướng, không làm thay đổi tốc độ, nên động năng không đổi.
Lấy $r$ là bán kính Trái Đất cho một điểm ở vĩ độ $\lambda$. Vòng tròn quay quanh trục, vì vậy $r = R\cos\lambda$.
understand that a gravitational field is an example of a field of force and define gravitational field as force per unit mass
represent a gravitational field by means of field lines
Tiếng Việt
hiểu rằng trường hấp dẫn là một ví dụ về trường lực và định nghĩa trường hấp dẫn là lực trên đơn vị khối lượng
biểu diễn trường hấp dẫn bằng các đường sức
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
Definition
A gravitational field 重力场 is a region where a mass 质量 feels a force 力 from other masses. The gravitational field strength 重力场强度$g$ at a point is the gravitational force per unit mass on a small test mass 检验质量 placed there:
$$g = \frac{F}{m}.$$
Unit: $\text{N kg}^{-1}$ (the same as $\text{m s}^{-2}$ — the acceleration of free fall in the field). $g$ is a vector 矢量, pointing the way the force acts — towards the source mass.
The examiner's wording. A gravitational field is a region of space in which a mass experiences a force. Gravitational field strength at a point is the gravitational force per unit mass acting on a small test mass placed at the point. The direction of a field line at a point is the direction of the force on a (small test) mass placed there. All three are one-mark definitions; "force per unit mass" is the phrase that scores, "the force on 1 kg" is not.
Field lines
A gravitational field is drawn with field lines 场线 that point the way the force acts on a test mass:
around a point mass 质点 or a uniform sphere (treated as a point mass from outside), the field lines are radial 径向, pointing inwards.
near the Earth's surface over a small area, the field lines are nearly parallel and equally spaced, pointing straight down — a uniform field 匀强场.
Closer lines mean a stronger field.
Field-line spacing shows the field strength — closer lines mean a stronger field
Why $g$ is constant near the surface, in terms of field lines (a two-mark explanation): over a region whose size is small compared with the Earth's radius, the radial field lines are almost parallel and their spacing hardly changes with height, so the field strength — which the spacing represents — is almost the same at the top of the region as at the bottom. Over the whole planet the lines spread out with distance and the field falls.
Worked example. A point P represents a point mass. Draw lines to represent the gravitational field around P, and state what the direction of a line shows.
Straight radial lines, evenly spaced around P, with arrows pointing inwards towards P. The direction of a line is the direction of the force on a small test mass placed there — always towards the mass that produces the field, because gravity only attracts.
Explore · Khám phá
A radial field · Trường lực hướng tâm
Change the mass. The field lines point inward and get denser close in, where the field is stronger — a radial field around a point mass. · Thay đổi khối lượng. Các đường sức hướng vào trong và trở nên dày đặc hơn ở gần, nơi trường mạnh hơn — đây là trường lực hướng tâm quanh một khối điểm.
gravitational field strength/ˌɡrævɪˈteɪʃənl fiːld streŋθ/
cường độ trường hấp dẫn
test mass/test mæs/
khối lượng thử
vector/ˈvektə/
vector
field line/fiːld laɪn/
đường sức điện
point mass/pɔɪnt mæs/
chất điểm
radial/ˈreɪdɪəl/
phân cực
uniform field/ˈjuːnɪfɔːm fiːld/
trường đều
13.2 13.3
Newton's law of gravitation
Syllabus · Chương trình
English
understand that, for a point outside a uniform sphere, the mass of the sphere may be considered to be a point mass at its centre
recall and use Newton's law of gravitation$F = Gm_1m_2 / r^2$ for the force between two point masses
analyse circular orbits in gravitational fields by relating the gravitational force to the centripetal acceleration it causes
understand that a satellite in a geostationary orbit remains at the same point above the Earth's surface, with an orbital period of 24 hours, orbiting from west to east, directly above the Equator
Tiếng Việt
hiểu rằng, đối với một điểm nằm ngoài hình cầu đồng nhất, khối lượng của hình cầu có thể được coi là điểm mass đặt tại tâm
nhớ lại và sử dụng định luật vạn vật hấp dẫn của Newton$F = Gm_1m_2 / r^2$ cho lực tác dụng giữa hai điểm mass
phân tích quỹ đạo tròn trong trường hấp dẫn bằng cách liên hệ lực hấp dẫn với gia tốc hướng tâm mà nó gây ra
hiểu rằng một tàu vũ trụ trong quỹ đạo địa tĩnh vẫn giữ nguyên vị trí cố định trên bề mặt Trái Đất, có chu kỳ quỹ đạo là 24 giờ, quay từ tây sang đông, ngay phía trên Xích đạo
English
derive, from Newton's law of gravitation and the definition of gravitational field, the equation $g = GM/r^2$ for the gravitational field strength due to a point mass
recall and use $g = GM/r^2$
understand why $g$ is approximately constant for small changes in height near the Earth's surface
Tiếng Việt
suy ra, từ định luật vạn vật hấp dẫn của Newton và định nghĩa trường hấp dẫn, phương trình $g = GM/r^2$ cho cường độ trường hấp dẫn do một điểm mass gây ra
nhớ lại và sử dụng $g = GM/r^2$
hiểu tại sao $g$ xấp xỉ không đổi khi có những thay đổi nhỏ về độ cao gần bề mặt Trái Đất
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
For two point masses $m_{1}, m_{2}$ a distance $r$ apart, the force on each is
Two masses attract along the line joining them
$$F = \frac{G m_{1} m_{2}}{r^{2}},$$
pulling them together along the line joining them. This is Newton's law of gravitation 万有引力定律. The constant $G = 6.67 \times 10^{-11}\ \text{N m}^{2}\ \text{kg}^{-2}$ is the universal gravitational constant 万有引力常量.
In words, as the mark scheme wants it:the gravitational force between two point masses is proportional to the product of their masses and inversely proportional to the square of their separation — both proportionalities, and "point masses". Asked to "state the equation and the meaning of any other symbols", give $F = Gm_{1}m_{2}/r^{2}$ with $G$ the gravitational constant and $r$ the distance between the centres.
Worked example. Two isolated uniform spheres, each of mass $1.0 \times 10^{3}\ \text{kg}$, have their centres $2.0\ \text{m}$ apart. Find the gravitational force between them and comment on its size.
$F = \dfrac{6.67 \times 10^{-11} \times 1.0 \times 10^{3} \times 1.0 \times 10^{3}}{2.0^{2}} = 1.7 \times 10^{-5}\ \text{N}$. This is about $10^{-9}$ of each sphere's weight ($9.8 \times 10^{3}\ \text{N}$): gravity between everyday objects is negligible, and only a planet-sized mass produces a noticeable field. "Isolated" in a question means that no other masses need be considered.
Spheres treated as point masses
For a uniform sphere (such as a planet or star), the field at any point outside is the same as that of a point mass equal to the total mass at the centre. So from above the surface, you can treat the Earth as a point mass at its centre. (Points inside a sphere are different, and are not in the syllabus.)
Outside a uniform sphere the field is radial, exactly like a point mass at the centre
Between two masses the fields subtract and the potentials add. Field strength is a vector: on the line joining two spheres the two fields point in opposite directions, so there is a point where they cancel and the resultant field is zero. Potential is a scalar: the two potentials simply add, and both are negative, so the potential is least negative (a maximum) at the point where the field is zero.
Along the line between two equal masses the field strength passes through zero at the midpoint, where the potential has its maximum
Worked example. Two identical isolated uniform spheres X and Y, each of mass $M$ and radius $R$, have their centres a distance $L$ apart. Point P lies on the line joining the centres. State where on the line the resultant field strength is zero, and find the gravitational potential there.
By symmetry the fields of X and Y are equal and opposite at the midpoint, $L/2$ from each centre, so the resultant field is zero there. The potential at P is the sum $\phi = -\dfrac{GM}{L/2} - \dfrac{GM}{L/2} = -\dfrac{4GM}{L}$. A mass released at P would stay there; a mass released anywhere else on the line falls towards the nearer sphere.
Field strength from a point mass
Put the gravitational force on a test mass $m$ at distance $r$ from a point mass $M$ into $g = F/m$:
$$F = \frac{G M m}{r^{2}}, \qquad g = \frac{G M}{r^{2}}.$$
So $g$ falls off as $1/r^{2}$ as you move away from the source.
The two-mark derivation. The force on a test mass $m$ at distance $r$ from a point mass $M$ is $F = GMm/r^{2}$ (Newton's law). Field strength is force per unit mass, $g = F/m$, so $g = GM/r^{2}$. Write both lines: the law and the definition are the two marks. Because $g \propto 1/r^{2}$, halving the distance makes the field four times stronger: at distance $x/2$ the field is $4g$, in the same direction, towards $M$.
Field strength falls off as $1/r^2$ with distance from a point mass
Worked example. Find the gravitational field strength at the Earth's surface. (Earth's mass $M = 6.0 \times 10^{24}\ \text{kg}$, radius $R = 6.4 \times 10^{6}\ \text{m}$, $G = 6.67 \times 10^{-11}\ \text{N m}^{2}\ \text{kg}^{-2}$.)
Why $g$ is nearly constant near the Earth's surface
The Earth's radius is $R \approx 6.4 \times 10^{6}\ \text{m}$. Rising to height $h$ changes the distance from the centre from $R$ to $R + h$. For $h \ll R$ (any building or mountain), $(R + h)/R \approx 1$, so $g$ barely changes — going from $5\ \text{m}$ to $10\ \text{m}$ high changes $r$ by about one part in a million. In the laboratory, $g$ is effectively constant.
Explore · Khám phá
Newton's law of gravitation · Định luật vạn vật hấp dẫn của Newton
F ∝ Mm / r²
Gravity pulls inward and weakens with the square of the distance. · Lực hấp dẫn kéo vào trong và giảm theo bình phương khoảng cách.
The International Space Station orbits Earth, held in its path by gravity.Gravity provides the centripetal force that keeps a planet in a circular orbitSaturn, its rings (countless small orbiting pieces) and its moons are all held in orbit by gravity
For a satellite 卫星 of mass $m$ in a circular orbit 轨道 of radius $r$ around a body of mass $M$, gravity provides the centripetal force 向心力:
$$\frac{G M m}{r^{2}} = \frac{m v^{2}}{r}.$$
Cancel $m$ (the orbital speed does not depend on the satellite's mass):
$$v = \sqrt{\frac{G M}{r}}.$$
Worked example. A satellite orbits the Earth in a circular orbit of radius $r = 7.0 \times 10^{6}\ \text{m}$. Find its orbital speed. (For the Earth, $GM = 4.0 \times 10^{14}\ \text{m}^{3}\ \text{s}^{-2}$.)
This is Kepler's third law 开普勒第三定律 for circular orbits: $T^{2} \propto r^{3}$. A plot of $T^{2}$ against $r^{3}$ is a straight line through the origin with gradient $4\pi^{2}/(GM)$, so orbital data gives the central mass.
Kepler's third law: $T^2 \propto r^3$, a straight line through the origin
The two-mark derivation, as the exam sets it. For a satellite of mass $m$ in a circular orbit of radius $R$ and period $T$ around a planet of mass $M$: the gravitational force provides the centripetal force, $\dfrac{GMm}{R^{2}} = mR\omega^{2}$, and $\omega = 2\pi/T$; so $\dfrac{GM}{R^{2}} = \dfrac{4\pi^{2}R}{T^{2}}$, giving $T^{2} = \dfrac{4\pi^{2}R^{3}}{GM}$. For an orbit at height $h$ above a planet of radius $R_{\text{p}}$ the orbital radius is $R_{\text{p}} + h$, so $T^{2} = 4\pi^{2}(R_{\text{p}} + h)^{3}/GM$: a graph of $T^{2}$ against $(R_{\text{p}} + h)^{3}$ is a straight line through the origin whose gradient gives $M$.
Worked example. Satellite X, of mass $M_{\text{s}}$, orbits a planet at a distance $4R$ from its centre; satellite Y, of mass $2M_{\text{s}}$, orbits at $3R$. Compare their speeds, periods and kinetic energies.
From $v = \sqrt{GM/r}$, $\dfrac{v_{\text{Y}}}{v_{\text{X}}} = \sqrt{\dfrac{4R}{3R}} = 1.15$: Y moves faster, and the satellite masses do not enter. From $T \propto r^{3/2}$, $\dfrac{T_{\text{Y}}}{T_{\text{X}}} = \left(\dfrac{3}{4}\right)^{3/2} = 0.65$. Kinetic energy $= \tfrac{1}{2}mv^{2} = \dfrac{GMm}{2r}$, so $\dfrac{E_{\text{Y}}}{E_{\text{X}}} = \dfrac{2M_{\text{s}}/3R}{M_{\text{s}}/4R} = \dfrac{8}{3}$. In ratio questions cancel $G$, $M$ and the satellite mass first; only the radii and masses that differ survive.
Binary stars. Two stars of masses $M_{\text{A}}$ and $M_{\text{B}}$ a distance $d$ apart orbit their common centre of mass 质心, always on opposite sides of it, with the same period. The centre of mass divides $d$ in the inverse ratio of the masses, $M_{\text{A}}r_{\text{A}} = M_{\text{B}}r_{\text{B}}$ with $r_{\text{A}} + r_{\text{B}} = d$, and the same gravitational force $GM_{\text{A}}M_{\text{B}}/d^{2}$ is the centripetal force on each star.
A binary star: both stars circle the centre of mass with the same period, the heavier one on the smaller circle
Worked example. A binary star consists of star A, mass $4.0 \times 10^{30}\ \text{kg}$, and star B, mass $2.0 \times 10^{30}\ \text{kg}$, with centres $3.3 \times 10^{11}\ \text{m}$ apart. Find the distance of A from the centre of mass and the period of the orbit.
$M_{\text{A}}r_{\text{A}} = M_{\text{B}}r_{\text{B}}$ with $r_{\text{A}} + r_{\text{B}} = 3.3 \times 10^{11}$ gives $r_{\text{A}} = \dfrac{2.0}{6.0} \times 3.3 \times 10^{11} = 1.1 \times 10^{11}\ \text{m}$ (and $r_{\text{B}} = 2.2 \times 10^{11}\ \text{m}$). For star A: $\dfrac{GM_{\text{A}}M_{\text{B}}}{d^{2}} = M_{\text{A}}r_{\text{A}}\omega^{2}$, so $\omega^{2} = \dfrac{GM_{\text{B}}}{d^{2}r_{\text{A}}} = \dfrac{6.67 \times 10^{-11} \times 2.0 \times 10^{30}}{(3.3 \times 10^{11})^{2} \times 1.1 \times 10^{11}} = 1.1 \times 10^{-14}\ \text{s}^{-2}$, $\omega = 1.06 \times 10^{-7}\ \text{rad s}^{-1}$ and $T = 2\pi/\omega = 6.0 \times 10^{7}\ \text{s}$, about $1.9$ years. Using $d$ in the force but $r_{\text{A}}$ in the centripetal term is the whole point of the question.
Geostationary orbit
A geostationary 地球同步 satellite:
stays directly above the same point on the Earth (so a fixed dish always points at it),
has a period of 24 hours (the same as the Earth's rotation),
orbits west to east (the same way the Earth turns),
must be directly above the equator 赤道.
It must have the same angular speed 角速度 as the Earth, in the same direction, in the equatorial plane (or it would drift north–south during the day). From $T = 24\ \text{h}$ and $T^{2} = 4\pi^{2} r^{3}/(GM)$, the radius is $r \approx 4.2 \times 10^{7}\ \text{m}$ (about $3.6 \times 10^{7}\ \text{m}$ above the surface).
Worked example. Calculate the radius of a geostationary orbit around the Earth ($M = 5.98 \times 10^{24}\ \text{kg}$), and explain why a satellite with the same orbital radius and period may still not be geostationary.
$T = 24 \times 3600 = 8.64 \times 10^{4}\ \text{s}$; $r^{3} = \dfrac{GMT^{2}}{4\pi^{2}} = \dfrac{6.67 \times 10^{-11} \times 5.98 \times 10^{24} \times (8.64 \times 10^{4})^{2}}{4\pi^{2}} = 7.5 \times 10^{22}\ \text{m}^{3}$, so $r = 4.2 \times 10^{7}\ \text{m}$ — a height of about $3.6 \times 10^{7}\ \text{m}$ above the surface. A satellite with this period is geostationary only if its orbit is in the plane of the equator and it travels from west to east; with the same period in a tilted orbit (over the poles, say) it returns to the same point each day but is not always above it. Mars turns once in about $25$ hours, so a satellite that stays above one point on Mars has a $25$-hour period and the same two other features.
define gravitational potential at a point as the work done per unit mass in bringing a small test mass from infinity to the point
use $\phi = -GM/r$ for the gravitational potential in the field due to a point mass
understand how the concept of gravitational potential leads to the gravitational potential energy of two point masses and use $E_P = -GMm/r$
Tiếng Việt
định nghĩa thế năng hấp dẫn tại một điểm là công thực hiện trên đơn vị khối lượng để di chuyển một khối lượng thử nhỏ từ vô cực đến điểm đó
sử dụng $\phi = -GM/r$ cho thế năng hấp dẫn trong trường do một điểm mass gây ra
hiểu cách khái niệm thế năng hấp dẫn dẫn đến thế năng hấp dẫn của hai điểm mass và sử dụng $E_P = -GMm/r$
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
Gravitational potential 引力势$\phi$ at a point is the work done per unit mass in bringing a small test mass from infinity 无穷远 to that point:
$$\phi = \frac{W}{m}.$$
Unit: $\text{J kg}^{-1}$.
The potential is taken as zero at infinity. As the test mass falls in towards the source, gravity does the work for you, so $\phi$ is negative everywhere except at infinity. For a point mass $M$ at distance $r$:
$$\phi = -\frac{G M}{r}.$$
$\phi$ is a scalar 标量. For several masses, add the potentials.
The gravitational potential well: $\phi = -GM/r$ is negative, rising to zero at infinity
The two-mark definition, and why it is negative.Gravitational potential at a point is the work done per unit mass in bringing a small test mass from infinity to the point. Potential is defined as zero at infinity; gravity is attractive, so as the test mass comes in from infinity the field does work on it and the mass gives out energy — the work that an external agent must do is negative. Hence the potential at every finite distance is below zero. (Electric potential near a positive charge is positive for the opposite reason: that field repels, so work must be done to bring a positive test charge in.)
Similarities and differences with electric potential. Both are defined as work done per unit mass or per unit positive charge from infinity, both are scalars, both vary as $1/r$ from a point source and both are zero at infinity. The difference: gravitational potential is always negative, because gravity only attracts, whereas electric potential can be positive or negative depending on the sign of the charge.
Reading a potential graph. Two graphs appear in questions. On $\phi$ against $r$ the curve is $-GM/r$: the surface value $\phi_{\text{s}} = -GM/R$ gives the mass of the planet, and the gradient at any point gives the field strength there, since $g = -\dfrac{\Delta\phi}{\Delta r}$ — field strength is the negative of the potential gradient (this is the "relationship between potential and field strength" a question may ask for). On $\phi$ against $1/r$ the graph is a straight line through the origin with gradient $-GM$, which is the neater way to extract $M$.
Worked example. The Moon is an isolated uniform sphere of mass $7.3 \times 10^{22}\ \text{kg}$ and radius $1.7 \times 10^{6}\ \text{m}$. Calculate the gravitational potential at its surface, and the minimum speed with which a particle must leave the surface to escape.
$\phi = -\dfrac{GM}{R} = -\dfrac{6.67 \times 10^{-11} \times 7.3 \times 10^{22}}{1.7 \times 10^{6}} = -2.9 \times 10^{6}\ \text{J kg}^{-1}$. To escape, the particle's kinetic energy per unit mass must equal the depth of the potential well: $\tfrac{1}{2}v^{2} = 2.9 \times 10^{6}$, so $v = \sqrt{2 \times 2.9 \times 10^{6}} = 2.4 \times 10^{3}\ \text{m s}^{-1}$. The minus sign carries the meaning: energy of $2.9\ \text{MJ}$ per kilogram must be supplied to lift the particle out.
Gravitational potential energy of two point masses
If a test mass $m$ sits where the potential is $\phi$, the gravitational potential energy 重力势能 of the pair is
$$E_{\text{P}} = m \phi = -\frac{G M m}{r}.$$
Like the potential, $E_{\text{P}}$ is negative and reaches zero only at infinite separation. Closer masses have more negative potential energy (more tightly bound).
Link with $\Delta E_{\text{P}} = mg\Delta h$
For small height changes near the surface, $r$ barely changes, so $\Delta E_{\text{P}} \approx mg\Delta h$. For large changes (a satellite moving to a higher orbit) use $-GMm/r$ at each radius and take the difference:
which is positive (energy must be supplied to raise the satellite).
Worked example. A satellite of mass $1200\ \text{kg}$ is moved from a circular orbit of radius $7.0 \times 10^{6}\ \text{m}$ to one of radius $8.0 \times 10^{6}\ \text{m}$ around the Earth ($GM = 4.0 \times 10^{14}\ \text{m}^{3}\ \text{s}^{-2}$). Find the changes in its gravitational potential energy, its kinetic energy and its total energy.
$\Delta E_{\text{P}} = GMm\left(\dfrac{1}{r_{1}} - \dfrac{1}{r_{2}}\right) = 4.0 \times 10^{14} \times 1200 \times \left(\dfrac{1}{7.0 \times 10^{6}} - \dfrac{1}{8.0 \times 10^{6}}\right) = +8.6 \times 10^{9}\ \text{J}$. In a circular orbit $E_{\text{K}} = \tfrac{1}{2}mv^{2} = \dfrac{GMm}{2r}$, so $\Delta E_{\text{K}} = \dfrac{GMm}{2}\left(\dfrac{1}{r_{2}} - \dfrac{1}{r_{1}}\right) = -4.3 \times 10^{9}\ \text{J}$: the higher satellite moves more slowly. The total energy $E_{\text{K}} + E_{\text{P}} = -\dfrac{GMm}{2r}$ rises by $+4.3 \times 10^{9}\ \text{J}$, which is the energy the rocket motor must supply. A satellite's total energy is negative — it is bound — and it becomes less negative as the orbit widens.
Escape velocity (from conservation of energy)
To escape from radius $r$ to infinity, an object's kinetic energy 动能 must equal the size of its gravitational potential energy:
$$\tfrac{1}{2} m v_{\text{esc}}^{2} = \frac{G M m}{r}, \qquad v_{\text{esc}} = \sqrt{\frac{2 G M}{r}}.$$
At the Earth's surface, the escape velocity 逃逸速度 is $\approx 11\ \text{km s}^{-1}$. It does not depend on the object's mass.
Worked example. Find the escape velocity from the Earth's surface. (For the Earth, $GM = 4.0 \times 10^{14}\ \text{m}^{3}\ \text{s}^{-2}$, $R = 6.4 \times 10^{6}\ \text{m}$.)
Worked example. A particle is projected vertically upwards from the surface of an isolated planet of radius $R$, where the gravitational potential is $\phi_{\text{s}}$. Show that it just reaches a distance $r$ from the centre if its launch speed $v$ satisfies $\tfrac{1}{2}v^{2} = -\phi_{\text{s}}\left(1 - \dfrac{R}{r}\right)$, and deduce the escape speed.
Potential varies as $1/r$, so at distance $r$ it is $\phi_{\text{s}}R/r$. When the particle stops, its kinetic energy per unit mass has all become potential energy per unit mass: $\tfrac{1}{2}v^{2} = \phi(r) - \phi_{\text{s}} = \phi_{\text{s}}\dfrac{R}{r} - \phi_{\text{s}} = -\phi_{\text{s}}\left(1 - \dfrac{R}{r}\right)$, which is positive because $\phi_{\text{s}}$ is negative. Letting $r \to \infty$ gives $\tfrac{1}{2}v_{\text{esc}}^{2} = -\phi_{\text{s}} = GM/R$ — the escape-speed result again, now read straight off the potential.
Explore · Khám phá
Gravitational potential · Thế năng hấp dẫn
V = −GM / r
Potential ∝ −1/r — deep near the mass, flattening with distance. · Thế năng ∝ −1/r — sâu gần khối lượng, dẹt ra theo khoảng cách.
A definition question is marked against fixed wording. Learn these exactly, and give one answer only.
Term
Definition
gravitational field
a region of space in which a mass experiences a force
gravitational field strength
the gravitational force per unit mass acting on a small test mass placed at the point
field line (direction)
the direction of the force on a small test mass placed at that point
Newton's law of gravitation
the gravitational force between two point masses is proportional to the product of their masses and inversely proportional to the square of their separation
gravitational potential
the work done per unit mass in bringing a small test mass from infinity to the point
gravitational potential energy (two point masses)
the work done in bringing the two masses from infinity to their separation, $E_{\text{P}} = -GMm/r$
geostationary orbit
an orbit with a period of 24 hours, from west to east, directly above the equator, so the satellite stays above the same point on the surface
escape speed
the minimum speed at which an object must leave the surface to reach infinity with zero kinetic energy
centre of mass (binary star)
the point about which both stars orbit, dividing their separation in the inverse ratio of their masses
13.4
Exam tips
Newton's law of gravitation $F = GMm/r^2$ (inverse-square); field strength $g = GM/r^2$ — and quote the derivation as two lines, the law and the definition of $g$.
Distinguish gravitational potential ($\phi = -GM/r$, always negative, zero at infinity) from field strength; $g$ is the negative gradient of the $\phi$–$r$ graph.
For an orbit set gravity $=$ centripetal force to get $T^2 \propto r^3$; a geostationary orbit has $T = 24\ \text{h}$ plus two more features: above the equator, west to east.
Use the orbital radius (centre to centre, $R_{\text{p}} + h$), never the height, and for a binary star the separation $d$ in the force but the orbit radius $r_{\text{A}}$ in the centripetal term.
Energy changes come from $-GMm/r$ at each radius; for a circular orbit $E_{\text{K}} = GMm/2r$ and the total energy is $-GMm/2r$.
Common mistakes
Defining potential as "force per unit mass" or field strength as "work done per unit mass". Swap them and both marks go.
Saying the potential is negative "because gravity attracts" and stopping there. The mark needs the work argument: zero at infinity, and the field does the work as the mass comes in.
Using the height above the surface as $r$ in $GM/r^{2}$ or $T^{2} \propto r^{3}$. Add the planet's radius first.
Writing Kepler's law as $T \propto r$ or $T^{2} \propto r^{2}$. It is $T^{2} \propto r^{3}$: a straight line only on $T^{2}$ against $r^{3}$.
Making "geostationary" mean only "24-hour period". Without the equatorial plane and the west-to-east direction it is not geostationary.
Forgetting that a satellite's kinetic energy falls when it is raised to a higher orbit, even though energy had to be supplied.
understand that (thermal) energy is transferred from a region of higher temperature to a region of lower temperature
understand that regions of equal temperature are in thermal equilibrium
Tiếng Việt
hiểu rằng (nhiệt) năng lượng được truyền từ vùng có nhiệt độ cao hơn đến vùng có nhiệt độ thấp hơn
hiểu rằng các vùng có nhiệt độ bằng nhau đang ở trạng thái cân bằng nhiệt
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
Heat 热量 (thermal energy) flows from a higher temperature to a lower temperature. When two bodies touch, energy moves until their temperatures are equal — they reach thermal equilibrium 热平衡. At equilibrium there is no net flow of energy.
Two regions at the same temperature 温度 are in thermal equilibrium with each other — no net energy flows, even though particles still exchange energy.
Temperature decides the direction of heat flow. It is not a measure of how much thermal energy 热能 a body holds. A small cup of boiling water (100 °C) holds far less energy than a swimming pool at 25 °C, but a piece of metal put in the cup gains energy while one put in the pool loses it.
Heat flows from hot to cold until both reach the same temperature — thermal equilibrium
The examiner's wording.Two objects are in thermal equilibrium when there is no net transfer of thermal energy between them; that happens when they are at the same temperature. Asked for "the reason why two objects at the same temperature are in thermal equilibrium", the one mark is: there is no net flow of thermal energy between them — energy still passes both ways, but equally. Thermal energy is the energy transferred because of a temperature difference; temperature is what decides the direction.
Worked example. Two metal cuboids P and Q are in thermal contact and in thermal equilibrium. State what this means, and describe what happens when a hotter cuboid is placed against them.
No net thermal energy passes between P and Q, because they are at the same temperature. A hotter cuboid transfers thermal energy to them (from higher to lower temperature) until all three reach one common temperature; then, and only then, is the whole group in thermal equilibrium.
Explore · Khám phá
Thermal equilibrium route · Quá trình cân bằng nhiệt
Watch energy transfer until two objects reach the same temperature. · Quan sát sự truyền năng lượng cho đến khi hai vật đạt cùng nhiệt độ.
understand that a physical property that varies with temperature may be used for the measurement of temperature and state examples of such properties, including the density of a liquid, volume of a gas at constant pressure, resistance of a metal, e.m.f. of a thermocouple
understand that the scale of thermodynamic temperature does not depend on the property of any particular substance
convert temperatures between kelvin and degrees Celsius and recall that $T/\text{K} = \theta/\text{ }^{\circ}\text{C} + 273.15$
understand that the lowest possible temperature is zero kelvin on the thermodynamic temperature scale and that this is known as absolute zero
Tiếng Việt
hiểu rằng một thuộc tính vật lý thay đổi theo nhiệt độ có thể được dùng để đo nhiệt độ và nêu ví dụ về các thuộc tính này, bao gồm mật độ của chất lỏng, thể tích của khí ở áp suất không đổi, điện trở của kim loại, e.m.f. của cặp nhiệt điện
hiểu rằng thang đo nhiệt độ nhiệt động học không phụ thuộc vào thuộc tính của bất kỳ chất cụ thể nào
chuyển đổi nhiệt độ giữa kelvin và độ Celsius và nhớ rằng $T/\text{K} = \theta/\text{ }^{\circ}\text{C} + 273.15$
hiểu rằng nhiệt độ thấp nhất có thể là 0 kelvin trên thang đo nhiệt độ nhiệt động lực học và đây được gọi là nhiệt độ tuyệt đối
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
A thermometer measures temperature on a defined scale.
Any physical property that changes in a repeatable way with temperature can make a thermometer 温度计. Examples:
volume of a liquid — a liquid-in-glass thermometer (mercury or alcohol). As the temperature rises, the liquid expands and rises up a narrow capillary 毛细管.
volume of a gas at constant pressure — a gas thermometer. The gas volume rises in step with the absolute temperature.
resistance of a metal — a resistance thermometer. A metal's resistance 电阻 rises nearly in step with temperature over a wide range.
e.m.f. of a thermocouple — a thermocouple 热电偶 is two different metals joined at two points; the electromotive force 电动势 it makes depends on the temperature difference between the joins.
Different thermometers can read slightly differently if the property does not change in a straight line; they agree only at the calibration 校准 points.
Fixed points and calibration. A thermometer is calibrated at two fixed points 固定点 that are easy to reproduce — the ice point ($0\ ^{\circ}\text{C}$, pure melting ice) and the steam point ($100\ ^{\circ}\text{C}$, steam above boiling water at standard pressure). The value of the property is measured at each, and the scale between them is drawn assuming the property changes linearly with temperature. That assumption is the weakness: mercury's expansion, a metal's resistance and a thermocouple's e.m.f. all vary slightly differently between the fixed points, so two thermometers that agree at $0$ and $100\ ^{\circ}\text{C}$ can disagree at $50\ ^{\circ}\text{C}$.
Calibrated at two fixed points and assumed linear in between, a thermometer reads a temperature that depends on how its own property really varies
Why a liquid-in-glass thermometer does not measure thermodynamic temperature (the one-mark reason): its reading depends on the property of a particular substance — the expansion of mercury or alcohol — and on the assumption that this expansion is linear between the fixed points. The thermodynamic scale depends on no substance at all.
Why water is a poor thermometric liquid. Its density does not change steadily with temperature: it is greatest at $4\ ^{\circ}\text{C}$, so between $0$ and $8\ ^{\circ}\text{C}$ two different temperatures give the same density and the reading is ambiguous, and the change per degree is small, so the thermometer is insensitive. Mercury's density falls steadily and almost linearly over the whole range, which is why it was chosen.
Worked example. A platinum resistance thermometer is a coil of platinum wire in a glass tube, connected to a circuit that measures its resistance. Explain how it measures temperature, and give one disadvantage compared with a thermocouple.
The resistance of the platinum increases with temperature in a known, almost linear way; the resistance is measured at the ice point and the steam point, and any other temperature is read from where the measured resistance falls on the linear scale between them (or from a calibration graph). Disadvantage: the coil, tube and the fluid around them have a large thermal capacity, so the thermometer responds slowly and cannot follow a rapidly changing temperature; it is also bulky and needs a circuit to read it. (Its advantages: accurate, stable and usable over a very wide range.)
A constant-volume gas thermometer — the gas pressure is found from the height difference h
Worked example. In a constant-volume gas thermometer the pressure of the gas is $1.05 \times 10^{5}\ \text{Pa}$ when the bulb is in melting ice and $1.19 \times 10^{5}\ \text{Pa}$ when it is in a warm room. Find the thermodynamic temperature of the room, and explain why this thermometer, unlike a liquid-in-glass one, gives thermodynamic temperature directly.
For a fixed mass of gas at constant volume the pressure is proportional to the thermodynamic temperature, so $\dfrac{T}{273.15} = \dfrac{1.19 \times 10^{5}}{1.05 \times 10^{5}}$, giving $T = 310\ \text{K}$ ($36\ ^{\circ}\text{C}$). The pressure of a (nearly) ideal gas depends only on its temperature, not on which gas it is, so the reading does not rely on the property of a particular substance — the defining feature of the thermodynamic scale.
A thermal (infrared) camera maps temperature to colour: the hot fries glow bright orange, the cold drink stays dark
The thermodynamic temperature 热力学温度 (or absolute temperature 绝对温度) scale does not depend on any one substance — only on the laws of thermodynamics. Its unit is the kelvin 开尔文 (K).
Absolute zero
The lowest possible temperature is zero kelvin ($0\ \text{K}$), called absolute zero 绝对零度. There a system has its least possible internal energy 内能 — particles have no random motion to speak of. Nothing can be cooled below this.
As the exam asks it. "State the magnitude and unit of absolute zero on the thermodynamic scale": $0\ \text{K}$ (the unit is the kelvin). "State the temperature of absolute zero on the Celsius scale": $-273.15\ ^{\circ}\text{C}$ (accept $-273\ ^{\circ}\text{C}$). "What is absolute zero?": the temperature at which a system has its minimum internal energy — the particles have the least kinetic and potential energy they can have — and below which it is impossible to go. The thermodynamic scale is fixed by absolute zero and by the triple point 三相点 of water, defined as $273.16\ \text{K}$; it does not depend on the property of any particular substance.
Extrapolating the pressure–temperature line back to zero pressure gives absolute zero, about −273 °C
Celsius scale
The Celsius 摄氏度 scale $\theta$ is shifted from the thermodynamic scale by a fixed amount:
So $0\ ^{\circ}\text{C} = 273.15\ \text{K}$ and $100\ ^{\circ}\text{C} = 373.15\ \text{K}$. A kelvin and a degree Celsius are the same size, so a temperature difference of $1\ \text{K}$ equals $1\ ^{\circ}\text{C}$ — but the absolute values differ by $273.15$.
In gas-law calculations you must always use absolute temperatures in kelvin. Using °C gives wrong answers.
define and use specific latent heat and distinguish between specific latent heat of fusion and specific latent heat of vaporisation
Tiếng Việt
định nghĩa và sử dụng nhiệt dung riêng
định nghĩa và sử dụng nhiệt ẩn riêng và phân biệt giữa nhiệt nóng chảy riêng và nhiệt hóa hơi riêng
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
The specific heat capacity 比热容$c$ of a substance is the energy 能量 needed to raise the temperature of unit mass by one kelvin:
$$c = \frac{Q}{m \Delta T} \qquad\Longleftrightarrow\qquad Q = m c \Delta T.$$
Unit: $\text{J kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$.
The two-mark definition:specific heat capacity is the energy required per unit mass of the substance to raise its temperature by one kelvin (or by one degree). Both "per unit mass" and "per unit temperature rise" are needed; "the energy to heat 1 kg by 1 K" scores, "the energy to heat the substance" does not.
Examples:
water: $c \approx 4200\ \text{J kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$ (high — why water is a good coolant and why oceans steady the climate).
Water's specific heat capacity is far higher than common solids — why it is such a good coolant
To find an unknown $c$ by experiment: supply known energy $Q$ electrically ($Q = VIt$, from the power 功率), then measure the temperature rise $\Delta T$ of a known mass 质量$m$. Then $c = Q/(m\Delta T)$. Reduce heat loss with insulation 隔热 and use a rise of about 10 K (big enough to measure well, small enough to limit losses).
Worked example. How much energy is needed to heat $0.50\ \text{kg}$ of water from $20\ ^{\circ}\text{C}$ to $100\ ^{\circ}\text{C}$? (Specific heat capacity of water $c = 4200\ \text{J kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$.)
A temperature difference is the same in K and °C, so $\Delta T = 80$:
When two bodies reach thermal equilibrium with no heat lost to the surroundings, the energy gained by the colder one equals the energy lost by the hotter one:
Worked example.$0.20\ \text{kg}$ of water at $80\ ^{\circ}\text{C}$ is mixed with $0.30\ \text{kg}$ of water at $20\ ^{\circ}\text{C}$, with no heat lost. Find the final temperature.
The heat lost by the hot water equals the heat gained by the cold water (the $c$ of water cancels):
Worked example. A beaker of mass $42\ \text{g}$ and specific heat capacity $840\ \text{J kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$ contains $120\ \text{g}$ of a liquid. A heater supplies energy at $810\ \text{W}$ and the temperature of the beaker and liquid rises from $19\ ^{\circ}\text{C}$ to $47\ ^{\circ}\text{C}$ in $15\ \text{s}$. Find the specific heat capacity of the liquid. The experiment is then repeated with water in place of the liquid; state and explain how the temperature rise differs.
Energy supplied $Q = Pt = 810 \times 15 = 1.22 \times 10^{4}\ \text{J}$, $\Delta T = 28\ \text{K}$. It heats both the beaker and the liquid: $Q = m_{\text{b}}c_{\text{b}}\Delta T + m_{\text{l}}c_{\text{l}}\Delta T$, so $1.215 \times 10^{4} = 0.042 \times 840 \times 28 + 0.120 \times c_{\text{l}} \times 28$, i.e. $1.215 \times 10^{4} = 988 + 3.36c_{\text{l}}$, giving $c_{\text{l}} = 3.3 \times 10^{3}\ \text{J kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$. Forgetting the beaker is the usual lost mark. With water ($c = 4200$, higher) the same energy in the same time produces a smaller temperature rise, since $\Delta T = Q/(mc)$ and $mc$ is larger. If energy is lost to the surroundings the true $Q$ absorbed is less than $Pt$, so a value of $c$ found this way is an overestimate.
Worked example. Two metal blocks X and Y are placed in contact and insulated from the surroundings. X (mass $0.50\ \text{kg}$, initially $80\ ^{\circ}\text{C}$, $c = 390\ \text{J kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$) and Y (mass $0.50\ \text{kg}$, initially $20\ ^{\circ}\text{C}$, $c = 900\ \text{J kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$) reach a common final temperature. Explain, in terms of energy, why the final temperature is nearer to Y's starting temperature, and find it.
Thermal energy flows from X (hotter) to Y until they are in thermal equilibrium; the energy lost by X equals the energy gained by Y. Because Y has the larger specific heat capacity, a given amount of energy changes its temperature less than it changes X's, so Y warms by fewer degrees than X cools and the final temperature lies nearer to $20\ ^{\circ}\text{C}$. Numerically: $0.50 \times 390 \times (80 - T) = 0.50 \times 900 \times (T - 20)$, so $390(80 - T) = 900(T - 20)$, $31200 + 18000 = 1290T$, $T = 38\ ^{\circ}\text{C}$.
Worked example. An aluminium block has volume $3.612 \times 10^{-3}\ \text{m}^{3}$ and density $2.70 \times 10^{3}\ \text{kg m}^{-3}$. Find the energy needed to raise its temperature by $40\ \text{K}$ ($c = 900\ \text{J kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$).
Mass $= \rho V = 2.70 \times 10^{3} \times 3.612 \times 10^{-3} = 9.75\ \text{kg}$, so $Q = mc\Delta T = 9.75 \times 900 \times 40 = 3.5 \times 10^{5}\ \text{J}$. A mass hidden behind a density and a volume is a common first step.
Explore · Khám phá
Energy to heat it: E = mcΔT · Năng lượng để làm nóng: E = mcΔT
Pick a material, set the mass and the temperature rise, and read the energy. Water needs far more energy than the metals. · Chọn một vật liệu, đặt khối lượng và mức tăng nhiệt độ, sau đó đọc năng lượng. Nước cần nhiều năng lượng hơn hẳn so với các kim loại.
Explore · Khám phá
Specific heat capacity · Nhiệt dung riêng
Q = mcΔT
The heat needed is proportional to the temperature rise — the gradient depends on mass and the material's specific heat capacity. · Năng lượng nhiệt cần thiết tỷ lệ thuận với mức tăng nhiệt độ — độ dốc phụ thuộc vào khối lượng và nhiệt dung riêng của vật liệu.
When a substance changes state (solid ↔ liquid, or liquid ↔ gas) at constant temperature, energy must be supplied (or removed) with no temperature change. This energy is the latent heat 潜热.
The specific latent heat 比潜热$L$ is the energy to change the state of unit mass at constant temperature:
$$L = \frac{Q}{m} \qquad\Longleftrightarrow\qquad Q = m L.$$
Unit: $\text{J kg}^{-1}$.
The two-mark definition:specific latent heat is the energy required per unit mass to change the state of a substance without a change of temperature. "Without a change in temperature" (or "at constant temperature") is the second mark and the one most often missed. Add "from solid to liquid" for fusion or "from liquid to gas" for vaporisation when a particular one is asked for.
Two kinds:
specific latent heat of fusion 熔化$L_{\text{f}}$ — for melting or freezing (solid ↔ liquid).
specific latent heat of vaporisation 汽化$L_{\text{v}}$ — for boiling or condensing (liquid ↔ gas).
For water at atmospheric pressure: $L_{\text{f}} \approx 3.34 \times 10^{5}\ \text{J kg}^{-1}$ (at $0\ ^{\circ}\text{C}$); $L_{\text{v}} \approx 2.26 \times 10^{6}\ \text{J kg}^{-1}$ (at $100\ ^{\circ}\text{C}$). So $L_{\text{v}}$ is about 7 times $L_{\text{f}}$.
Heating curve: the sloped parts warm the substance ($mc\Delta T$); the flat plateaus are the phase changes ($mL$)
Worked example. A $2.0\ \text{kW}$ heater boils water already at $100\ ^{\circ}\text{C}$. How long does it take to turn $0.10\ \text{kg}$ of this water into steam? ($L_{\text{v}} = 2.26 \times 10^{6}\ \text{J kg}^{-1}$, no heat lost.)
The energy needed is $Q = mL_{\text{v}} = 0.10 \times 2.26 \times 10^{6} = 2.26 \times 10^{5}\ \text{J}$. From $Q = Pt$,
Worked example. Water in a kettle stays at $100\ ^{\circ}\text{C}$ while it boils, even though the element keeps heating it. Explain this with reference to molecular energies (3 marks).
Temperature is a measure of the mean kinetic energy of the molecules. During boiling the energy supplied is used to separate the molecules — to do work against the attractive forces between them and against the atmosphere as the vapour expands — so it increases the potential energy of the molecules, not their kinetic energy. With the mean kinetic energy unchanged, the temperature stays constant until all the water has become steam.
Why $L_{\text{v}} > L_{\text{f}}$
Two reasons, both from the particle picture of matter:
Bonds: in melting, only some of the intermolecular 分子间 bonds break; the particles stay close as a liquid. In boiling, all the bonds must break so the particles can separate. Breaking all of them needs more energy.
Work against the atmosphere: when a liquid turns to gas it expands hugely (vapour has about $10^{3}$ times the liquid's volume 体积), so it does work pushing back the surrounding atmospheric pressure 大气压强. That work comes from the energy supplied.
Write both reasons and name the energies: the marks are for bonds broken (potential energy increased) — some in melting, all in boiling, and work done against the atmosphere in the large expansion. "Boiling needs more energy" restates the question.
Worked example. A dish holds $7.2 \times 10^{-5}\ \text{m}^{3}$ of a liquid of density $710\ \text{kg m}^{-3}$ and specific latent heat of vaporisation $3.6 \times 10^{5}\ \text{J kg}^{-1}$. It evaporates completely. Find the energy absorbed, and suggest, with a reason, whether the substance's specific latent heat of fusion is likely to be smaller or larger than this.
Mass $= \rho V = 710 \times 7.2 \times 10^{-5} = 5.1 \times 10^{-2}\ \text{kg}$, so the energy absorbed is $Q = mL_{\text{v}} = 5.1 \times 10^{-2} \times 3.6 \times 10^{5} = 1.8 \times 10^{4}\ \text{J}$. Its $L_{\text{f}}$ is likely to be smaller: melting breaks only some of the intermolecular bonds and the volume barely changes, whereas vaporising breaks them all and does work against the atmosphere — for water $L_{\text{f}}$ is about a seventh of $L_{\text{v}}$.
Multi-step problems
If a problem mixes temperature change and a phase change 相变 (e.g. ice at $-5\ ^{\circ}\text{C}$ warming to water at $30\ ^{\circ}\text{C}$):
heat the solid from $-5\ ^{\circ}\text{C}$ to $0\ ^{\circ}\text{C}$: $Q_{1} = m c_{\text{ice}} \times 5$.
melt at $0\ ^{\circ}\text{C}$: $Q_{2} = m L_{\text{f}}$.
heat the water from $0\ ^{\circ}\text{C}$ to $30\ ^{\circ}\text{C}$: $Q_{3} = m c_{\text{water}} \times 30$.
Total: $Q_{1} + Q_{2} + Q_{3}$. A phase change is at constant temperature, so use $mL$ there, not $mc\Delta T$.
Split a mixed problem into stages — warm, change state, warm — then add the energies
When a question gives heater power $P$ and asks for the time, use $Q = Pt$ (assuming no heat loss). Insulating (lagging) the container and using a small mass are common ways to improve the experiment.
Worked example. An ice cube of mass $37.0\ \text{g}$ at $0.0\ ^{\circ}\text{C}$ is dropped into $208\ \text{g}$ of water at $26.4\ ^{\circ}\text{C}$ in an insulated beaker. Find the final temperature when all the ice has melted. ($c_{\text{water}} = 4.20\ \text{kJ kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$, $L_{\text{f}} = 334\ \text{kJ kg}^{-1}$.)
The ice gains energy twice — to melt, then to warm from $0$ to $T$ — and the water loses energy cooling from $26.4$ to $T$. Working in grams and kilojoules: $37.0 \times 0.334 + 37.0 \times 4.20 \times 10^{-3}\,T = 208 \times 4.20 \times 10^{-3}\,(26.4 - T)$, i.e. $12.4 + 0.155T = 23.1 - 0.874T$, so $1.03T = 10.7$ and $T = 10\ ^{\circ}\text{C}$. Three energy terms, one equation; the commonest error is to forget that the melted ice must also be warmed.
specific latent heat of fusion/spəˈsɪfɪk ˈleɪtənt hiːt ɒv ˈfjuːʒn/
nhiệtlatent hóa lỏng riêng
specific latent heat of vaporisation/spəˈsɪfɪk ˈleɪtənt hiːt ɒv ˌveɪpəraɪˈzeɪʃn/
nhiệtlatent hóa hơi riêng
atmospheric pressure/ˌætməsˈferɪk ˈpreʃə/
áp suất khí quyển
phase change/feɪz tʃeɪndʒ/
sự chuyển pha
intermolecular/ˌɪntəməˈlekjʊlə/
giữa các phân tử
14.3
Definitions the examiner accepts
A definition question is marked against fixed wording. Learn these exactly, and give one answer only.
Term
Definition
thermal equilibrium
the state of two objects between which there is no net transfer of thermal energy; they are at the same temperature
thermal energy
energy transferred from one object to another because of a temperature difference
thermodynamic temperature scale
a temperature scale that does not depend on the property of any particular substance, fixed by absolute zero and the triple point of water
absolute zero
the lowest possible temperature, $0\ \text{K}$ ($-273.15\ ^{\circ}\text{C}$), at which a system has its minimum internal energy
kelvin and Celsius
$T/\text{K} = \theta/^{\circ}\text{C} + 273.15$; a temperature difference is the same number in both
specific heat capacity
the energy required per unit mass of a substance to raise its temperature by one kelvin
specific latent heat
the energy required per unit mass to change the state of a substance without a change of temperature
specific latent heat of fusion
the specific latent heat for the change from solid to liquid
specific latent heat of vaporisation
the specific latent heat for the change from liquid to gas
14.3
Exam tips
Thermal equilibrium means no net flow of thermal energy (equal temperature); the thermodynamic scale does not depend on any particular substance and is fixed by absolute zero and the triple point.
Convert temperatures with $T/\text{K} = \theta/^\circ\text{C} + 273.15$ and use kelvin in energy and gas equations; a temperature difference is the same in K and °C.
Use $Q = mc\Delta T$ for heating and $Q = mL$ for a change of state (no temperature change) — never mix the two, and in a mixing problem write one equation: energy lost $=$ energy gained, with every term.
A container heated with the liquid takes its share of the energy: include $m_{\text{beaker}}c_{\text{beaker}}\Delta T$.
For a "why" about latent heat, name the energies: potential energy of the molecules rises (bonds broken, work against the atmosphere), kinetic energy and hence temperature do not.
Common mistakes
Defining specific heat capacity without "per unit mass" or without "per kelvin". Both are needed; the unit $\text{J kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$ is the reminder.
Leaving "at constant temperature" out of the latent-heat definition. That phrase is what distinguishes latent heat from heating.
Using $mc\Delta T$ across a change of state, or $mL$ for a temperature rise.
Forgetting the beaker, the calorimeter or the melted ice's own warming in an energy equation.
Saying the thermodynamic scale "uses kelvin" as its defining feature. The feature is that it depends on no particular substance.
Adding $273.15$ to a temperature difference. Differences are the same in both scales.
understand that amount of substance is an SI base quantity with the base unit mol
use molar quantities where one mole of any substance is the amount containing a number of particles of that substance equal to the Avogadro constant$N_{\text{A}}$
Tiếng Việt
hiểu rằng lượng chất là một đại lượng cơ bản SI với đơn vị cơ bản là mol
sử dụng các đại lượng mol khi một mol của bất kỳ chất nào là lượng chứa số hạt của chất đó bằng với hằng số Avogadro$N_{\text{A}}$
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
Amount of substance 物质的量 is an SI base quantity. Its unit is the mole 摩尔 (mol) — one of the seven SI base units, with the kilogram, metre, second, ampere and kelvin 开尔文 from Topic 1.
One mole contains the Avogadro number of particles
One mole of any substance has a number of particles equal to the Avogadro constant 阿伏伽德罗常量:
A "particle" means whatever you are counting — atoms 原子 for a monatomic 单原子 element like helium, molecules 分子 for $\text{O}_{2}$ or $\text{H}_{2}\text{O}$. Always say what you are counting.
For $n$ moles, the number of particles is $N = n N_{\text{A}}$.
The molar mass 摩尔质量$M_{\text{m}}$ is the mass of one mole ($\text{kg mol}^{-1}$ or $\text{g mol}^{-1}$). Mass of $n$ moles is $M = n M_{\text{m}}$. Mass of one particle is $m_{0} = M_{\text{m}} / N_{\text{A}}$.
The examiner's wording.The Avogadro constant is the number of atoms (or molecules) in one mole of a substance — one mark; adding "in $0.012\ \text{kg}$ of carbon-12" is accepted but not needed. Asked for "the relationship between $N_{\text{A}}$, $R$ and $k$", write $k = R/N_{\text{A}}$ (or $R = N_{\text{A}}k$).
Worked example. Oxygen has a molar mass of $32\ \text{g mol}^{-1}$. Find the mass of one oxygen molecule, and the number of molecules in $8.0\ \text{g}$ of oxygen.
$m_{0} = \dfrac{M_{\text{m}}}{N_{\text{A}}} = \dfrac{0.032}{6.02 \times 10^{23}} = 5.3 \times 10^{-26}\ \text{kg}$. $8.0\ \text{g}$ is $n = 8.0/32 = 0.25\ \text{mol}$, so $N = nN_{\text{A}} = 1.5 \times 10^{23}$ molecules. Keep molar masses in $\text{kg mol}^{-1}$ when the answer is in kilograms — the factor of $1000$ is the usual slip.
understand that a gas obeying $pV \propto T$, where $T$ is the thermodynamic temperature, is known as an ideal gas
recall and use the equation of state for an ideal gas expressed as $pV = nRT$, where $n =$ amount of substance (number of moles) and as $pV = NkT$, where $N =$ number of molecules
recall that the Boltzmann constant$k$ is given by $k = R/N_{\text{A}}$
Tiếng Việt
hiểu rằng một khí tuân theo $pV \propto T$, trong đó $T$ là nhiệt độ nhiệt động lực học, được gọi là khí lý tưởng
nhớ lại và sử dụng phương trình trạng thái của khí lý tưởng được biểu diễn dưới dạng $pV = nRT$, trong đó $n =$ là lượng chất (số mol) và $pV = NkT$, trong đó $N =$ là số phân tử
nhớ rằng hằng số Boltzmann$k$ được cho bởi $k = R/N_{\text{A}}$
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
Compressed gas cylinders store a fixed mass of gas at high pressure.
An ideal gas 理想气体 obeys $pV \propto T$ exactly, where $T$ is the thermodynamic temperature 热力学温度.
The equation of state 状态方程 can be written two equal ways:
$$p V = n R T \qquad\text{or}\qquad p V = N k T.$$
Here:
$p$ — pressure 压强 (Pa).
$V$ — volume 体积 (m³).
$T$ — thermodynamic temperature in kelvin (never °C).
Since $N = n N_{\text{A}}$, we get $k = R/N_{\text{A}}$: $k$ is the gas constant per molecule, as $R$ is per mole.
The two-mark definition.An ideal gas is one that obeys $pV = nRT$ (or $pV \propto T$, with $T$ the thermodynamic temperature) at all values of pressure, volume and temperature. Both marks need the equation (or the proportionality with $T$ named as thermodynamic) and "at all values" or "for all $p$, $V$ and $T$". Asked to "state the meaning of each symbol in $pV = NkT$": $p$ is the pressure, $V$ the volume, $N$ the number of molecules, $k$ the Boltzmann constant and $T$ the thermodynamic temperature — a real gas is nearly ideal at low pressure and high temperature, where its molecules are far apart.
Using the equation of state
List the variables you have, find the unknown, and choose the form that matches your "amount" (moles → $nRT$; molecules → $NkT$). Always use SI units: Pa, m³, K.
Worked example. A cylinder of volume $0.020\ \text{m}^{3}$ holds gas at $27\ ^{\circ}\text{C}$ and a pressure of $2.0 \times 10^{5}\ \text{Pa}$. How many moles of gas are there? ($R = 8.31\ \text{J mol}^{-1}\ \text{K}^{-1}$.)
Convert to kelvin: $T = 27 + 273 = 300\ \text{K}$. Then from $pV = nRT$,
Worked example. A fixed mass of gas at $300\ \text{K}$ occupies $0.50\ \text{m}^{3}$. It is heated to $450\ \text{K}$ at constant pressure. Find the new volume.
Worked example. A sealed vessel of volume $0.0500\ \text{m}^{3}$ contains $0.0424\ \text{kg}$ of an ideal gas at $227\ ^{\circ}\text{C}$ and $1.37 \times 10^{5}\ \text{Pa}$. Find the amount of gas, the mass of one molecule, and the mean-square speed of its molecules.
$T = 227 + 273 = 500\ \text{K}$. $n = \dfrac{pV}{RT} = \dfrac{1.37 \times 10^{5} \times 0.0500}{8.31 \times 500} = 1.65\ \text{mol}$. The molar mass is $0.0424/1.65 = 0.0257\ \text{kg mol}^{-1}$, so one molecule has mass $0.0257/(6.02 \times 10^{23}) = 4.3 \times 10^{-26}\ \text{kg}$. From $\tfrac{1}{2}m\langle c^{2}\rangle = \tfrac{3}{2}kT$, $\langle c^{2}\rangle = \dfrac{3kT}{m} = \dfrac{3 \times 1.38 \times 10^{-23} \times 500}{4.27 \times 10^{-26}} = 4.8 \times 10^{5}\ \text{m}^{2}\ \text{s}^{-2}$ (an r.m.s. speed of about $700\ \text{m s}^{-1}$).
Worked example. Cylinder X (volume $0.0260\ \text{m}^{3}$, $0.740\ \text{mol}$) and cylinder Y (volume $0.0180\ \text{m}^{3}$, $0.320\ \text{mol}$) contain ideal gas and are in thermal equilibrium with each other at $290\ \text{K}$. Find the pressure in each, and explain what happens to the number of molecules in each cylinder if a tap joining them is opened.
$p_{\text{X}} = \dfrac{nRT}{V} = \dfrac{0.740 \times 8.31 \times 290}{0.0260} = 6.86 \times 10^{4}\ \text{Pa}$ and $p_{\text{Y}} = \dfrac{0.320 \times 8.31 \times 290}{0.0180} = 4.28 \times 10^{4}\ \text{Pa}$. Gas flows from the higher pressure (X) to the lower (Y) until the pressures are equal; the temperature is unchanged, so the final pressure is $p = \dfrac{(n_{\text{X}} + n_{\text{Y}})RT}{V_{\text{X}} + V_{\text{Y}}} = 5.8 \times 10^{4}\ \text{Pa}$, and X ends with $n_{\text{X}} = pV_{\text{X}}/RT = 0.63\ \text{mol}$ — it loses about $0.11\ \text{mol}$ to Y.
A cycle on a $p$–$V$ diagram: a vertical line is constant volume, a horizontal line constant pressure, and $pV/T$ is the same at every state
Worked example. A fixed amount of ideal gas at temperature $T$ is in state X, with pressure $2p$ and volume $V$. It is cooled at constant volume to state Y, where its pressure is $p$; then heated at constant pressure to state Z, where its volume is $2V$; then returned to X. Find the temperatures at Y and Z, and describe how the internal energy changes round the cycle.
X to Y is at constant volume, so $p/T$ is constant: halving the pressure halves the temperature, $T_{\text{Y}} = T/2$. Y to Z is at constant pressure, so $V/T$ is constant: doubling the volume doubles the temperature, $T_{\text{Z}} = T$. The internal energy of an ideal gas depends only on temperature, so it falls from X to Y (by $\tfrac{3}{2}nR \cdot T/2$), rises by the same amount from Y to Z, and is unchanged from Z back to X. Read each leg off the diagram before writing an equation: vertical means constant $V$, horizontal means constant $p$.
Special cases:
constant temperature (Boyle's law 玻意耳定律): $p_{1} V_{1} = p_{2} V_{2}$.
constant pressure (Charles's law 查理定律): $V / T = \text{constant}$.
constant volume (pressure law 气体压强定律): $p / T = \text{constant}$.
A common mistake is using °C instead of K — $pV \propto T$ only holds with $T$ in kelvin.
Boyle's law: at constant temperature $pV$ is constant, so a $p$–$V$ graph is a hyperbolaAt constant pressure the volume of a gas rises linearly with temperature, reaching zero at absolute zero (Charles's law)
Explore · Khám phá
The ideal gas (Boyle) · Khí lý tưởng (Boyle)
p = k / V
At constant temperature p ∝ 1/V — squeeze the volume and pressure rises. · Ở nhiệt độ không đổi p ∝ 1/V — nén thể tích thì áp suất tăng lên.
state the basic assumptions of the kinetic theory of gases
explain how molecular movement causes the pressure exerted by a gas and derive and use the relationship $pV = \frac{1}{3}Nm\langle c^2 \rangle$, where $\langle c^2 \rangle$ is the mean-square speed (a simple model considering one-dimensional collisions and then extending to three dimensions using $\frac{1}{3}\langle c^2 \rangle = \langle c_x^2 \rangle$ is sufficient)
understand that the root-mean-square speed$c_{\text{r.m.s.}}$ is given by $\sqrt{\langle c^2 \rangle}$
compare $pV = \frac{1}{3}Nm\langle c^2 \rangle$ with $pV = NkT$ to deduce that the average translational kinetic energy of a molecule is $\frac{3}{2}kT$, and recall and use this expression
Tiếng Việt
nêu các giả thiết cơ bản của lý thuyết động học của khí
giải thích cách chuyển động phân tử gây ra áp suất do khí tác dụng và suy ra và sử dụng mối liên hệ $pV = \frac{1}{3}Nm\langle c^2 \rangle$, trong đó $\langle c^2 \rangle$ là tốc độ bình phương trung bình (một mô hình đơn giản xét va chạm một chiều và sau đó mở rộng sang ba chiều sử dụng $\frac{1}{3}\langle c^2 \rangle = \langle c_x^2 \rangle$ là đủ)
hiểu rằng tốc độ căn bậc hai trung bình$c_{\text{r.m.s.}}$ được cho bởi $\sqrt{\langle c^2 \rangle}$
so sánh $pV = \frac{1}{3}Nm\langle c^2 \rangle$ với $pV = NkT$ để suy ra rằng động năng truyền dịch trung bình của một phân tử là $\frac{3}{2}kT$, và nhớ và sử dụng biểu thức này
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
Kinetic theory: gas pressureA scuba diver breathes compressed gas; its pressure, volume and temperature are all linked.
The kinetic theory 分子动理论 explains a gas's large-scale behaviour from the random motion 无规则运动 of its molecules.
Assumptions
For an ideal gas:
a large number of identical molecules in continuous random motion.
the molecules' own volume is too small to matter compared with the container.
the time of each collision is too short to matter compared with the time between collisions.
intermolecular 分子间 forces are ignored except during collisions (molecules go in straight lines between them).
collisions (with the walls and with each other) are elastic — an elastic collision 弹性碰撞 loses no kinetic energy, so the gas does not cool down by itself.
Newton's laws apply.
The key assumptions of the kinetic theory of an ideal gas
These assumptions become poor at very high pressure (molecular volume matters) or very low temperature (intermolecular forces matter).
As the exam asks it. "State two (or three) basic assumptions of the kinetic theory": choose from the molecules are in continuous random motion; the volume of the molecules is negligible compared with the volume of the gas; there are no forces between the molecules except during collisions; the collisions are perfectly elastic; the time of a collision is negligible compared with the time between collisions. "State what is meant by an elastic collision": one in which the total kinetic energy is conserved (as well as momentum). "Use the assumptions to suggest why the gas at the surface of a star, at very high pressure, is not ideal": the molecules are so close together that their own volume is not negligible compared with the gas volume, and intermolecular forces act between them — the two assumptions that fail when a gas is compressed.
Worked example. A balloon contains $0.40\ \text{mol}$ of hydrogen ($m = 3.34 \times 10^{-27}\ \text{kg}$ per molecule) in $9.8 \times 10^{-3}\ \text{m}^{3}$. Estimate the average separation of the molecules, the gravitational force between neighbouring molecules, and comment on the kinetic-theory assumption this tests.
$N = 0.40 \times 6.02 \times 10^{23} = 2.4 \times 10^{23}$ molecules, so each occupies $V/N = 4.1 \times 10^{-26}\ \text{m}^{3}$ and the average separation is $d = (V/N)^{1/3} = 3.4 \times 10^{-9}\ \text{m}$. The gravitational force between two molecules is $F = \dfrac{Gm^{2}}{d^{2}} = \dfrac{6.67 \times 10^{-11} \times (3.34 \times 10^{-27})^{2}}{(3.4 \times 10^{-9})^{2}} = 6 \times 10^{-47}\ \text{N}$ — some $10^{20}$ times smaller than a molecule's own weight ($mg = 3.3 \times 10^{-26}\ \text{N}$). Forces between molecules really are negligible except during collisions, as the theory assumes.
Pressure of a gas — outline of the derivation
Take a cubic box of side $L$ with $N$ molecules, each of mass $m$. Look at one molecule moving along the $x$-axis with velocity $u_{1}$.
The pressure derivation considers one molecule's velocity component $u_x$ normal to a face of a cube of gas
one collision with the right wall: velocity reverses to $-u_{1}$, change in momentum 动量$\Delta p_{x} = -2 m u_{1}$. By Newton's third law the wall gets an impulse 冲量 of $+2 m u_{1}$.
time between hits on that wall: travel $2L$ there and back, so $\Delta t = 2L/u_{1}$.
average force from this molecule: $F_{1} = \Delta p / \Delta t = m u_{1}^{2} / L$.
add over all molecules: $F = (Nm/L)\langle u_{x}^{2} \rangle$, where $\langle u_{x}^{2} \rangle$ is the mean square 均方 of the $x$-velocity.
pressure: $p = F/L^{2} = N m \langle u_{x}^{2} \rangle / V$.
In 3-D, by symmetry $\langle u_{x}^{2} \rangle = \tfrac{1}{3} \langle c^{2} \rangle$, where $\langle c^{2} \rangle$ is the mean-square speed 均方速率. So
$$p V = \tfrac{1}{3} N m \langle c^{2} \rangle.$$
"Explain how molecular movement causes the pressure exerted by a gas" (3 marks). The molecules move randomly and collide with the walls of the container; at each collision a molecule's momentum changes (it rebounds), so by Newton's second law the wall exerts a force on it, and by the third law it exerts an equal force on the wall; the very many collisions each second produce a steady total force on the wall, and the pressure is that force per unit area. The syllabus phrase "a simple model considering one-dimensional collisions" means the derivation above: it is sufficient to follow one molecule bouncing between two opposite faces and then average.
The density form. Since $Nm$ is the total mass of the gas and $Nm/V$ is its density $\rho$, the same result reads $p = \tfrac{1}{3}\rho\langle c^{2}\rangle$ — the version to use when a question gives a density instead of $N$ and $m$.
Worked example. An ideal gas at a pressure of $1.6 \times 10^{5}\ \text{Pa}$ has a density of $1.9\ \text{kg m}^{-3}$. Show that the r.m.s. speed of its molecules is about $500\ \text{m s}^{-1}$.
$\langle c^{2}\rangle = \dfrac{3p}{\rho} = \dfrac{3 \times 1.6 \times 10^{5}}{1.9} = 2.53 \times 10^{5}\ \text{m}^{2}\ \text{s}^{-2}$, so $c_{\text{r.m.s.}} = \sqrt{2.53 \times 10^{5}} = 503\ \text{m s}^{-1} \approx 500\ \text{m s}^{-1}$. In a "show that", keep an extra figure ($503$) before comparing with the value given.
Root-mean-square speed
The square root of $\langle c^{2} \rangle$ is the root-mean-square 均方根 (r.m.s.) speed:
It is a useful single measure of how fast the molecules move, slightly larger than the mean speed (squaring weights fast molecules more).
Root-mean-square speed: square each speed, take the mean, then the square rootThe spread of molecular speeds: a higher temperature broadens the curve and shifts it to faster speedsThe two graphs the exam asks you to sketch: $\langle c^{2}\rangle \propto T$ is a straight line through the origin, so $c_{\text{r.m.s.}}$ rises as $\sqrt{T}$
Explore · Khám phá
Boyle's law · Định luật Boyle
p ∝ 1/V
At constant temperature, pressure is inversely proportional to volume — squash the gas and the pressure rises. · Ở nhiệt độ không đổi, áp suất tỷ lệ nghịch với thể tích — ép khí lại thì áp suất tăng lên.
$$p V = N k T \quad\text{and}\quad p V = \tfrac{1}{3} N m \langle c^{2} \rangle.$$
Set them equal, cancel $N$, and multiply by $\tfrac{3}{2}$:
$$\tfrac{3}{2} k T = \tfrac{1}{2} m \langle c^{2} \rangle.$$
The right side is the average translational kinetic energy 平动动能$\langle E_{\text{k}} \rangle$ of one molecule. So
$$\langle E_{\text{k}} \rangle = \tfrac{1}{2} m \langle c^{2} \rangle = \tfrac{3}{2} k T.$$
This is a key result: the average translational kinetic energy of an ideal-gas molecule depends only on the thermodynamic temperature, not on the type of gas or its pressure.
Average molecular KE is proportional to thermodynamic temperature: $\langle E_k \rangle = \tfrac32 kT$
Worked example. Find the root-mean-square speed of oxygen molecules at $300\ \text{K}$. (Mass of one $\text{O}_{2}$ molecule $= 5.3 \times 10^{-26}\ \text{kg}$, $k = 1.38 \times 10^{-23}\ \text{J K}^{-1}$.)
From $\tfrac{1}{2}m\langle c^{2}\rangle = \tfrac{3}{2}kT$, the mean-square speed is $\langle c^{2}\rangle = 3kT/m$:
Worked example. The surface of the Moon reaches about $400\ \text{K}$ in sunlight. Calculate the r.m.s. speed of hydrogen molecules ($m = 3.34 \times 10^{-27}\ \text{kg}$) at this temperature, and use the Moon's escape speed of $2.4\ \text{km s}^{-1}$ to suggest why the Moon has no hydrogen atmosphere.
$c_{\text{r.m.s.}} = \sqrt{\dfrac{3kT}{m}} = \sqrt{\dfrac{3 \times 1.38 \times 10^{-23} \times 400}{3.34 \times 10^{-27}}} = 2.2 \times 10^{3}\ \text{m s}^{-1}$. This r.m.s. speed is close to the escape speed, and the speeds are spread widely about it, so a large fraction of the molecules move faster than $2.4\ \text{km s}^{-1}$ at any moment and escape; over time the hydrogen is lost.
Worked example. The gas at the surface of a star is mainly hydrogen atoms ($m = 1.67 \times 10^{-27}\ \text{kg}$) with an r.m.s. speed of $9300\ \text{m s}^{-1}$. Find the temperature of the surface.
Worked example. For a fixed sample of gas, a graph of $pV$ against $kT$ is a straight line through the origin of gradient $7.2 \times 10^{22}$. When $pV = 270\ \text{J}$ the r.m.s. speed of the molecules is $1900\ \text{m s}^{-1}$. Find the number of molecules and the mass of one molecule in u.
From $pV = NkT$ the gradient is $N = 7.2 \times 10^{22}$. From $pV = \tfrac{1}{3}Nm\langle c^{2}\rangle$: $m = \dfrac{3pV}{N\langle c^{2}\rangle} = \dfrac{3 \times 270}{7.2 \times 10^{22} \times 1900^{2}} = 3.1 \times 10^{-27}\ \text{kg} = \dfrac{3.1 \times 10^{-27}}{1.66 \times 10^{-27}} = 1.9\ \text{u}$ — hydrogen molecules, within the rounding.
Comparing gases and samples. At the same temperature every gas has the same average kinetic energy per molecule, so $\langle c^{2}\rangle \propto 1/m$: hydrogen ($M_{\text{m}} = 2$) and oxygen ($M_{\text{m}} = 32$) have $\dfrac{c_{\text{H}}}{c_{\text{O}}} = \sqrt{\dfrac{32}{2}} = 4$. Two samples at the same $T$ — X with $N$ molecules of mass $m$ in volume $V$, Y with $2N$ molecules of mass $2m$ in volume $2V$ — have the same pressure ($p = NkT/V$ and both $N$ and $V$ double), the same average kinetic energy per molecule, but Y's molecules have half the mean-square speed ($3kT/2m$) and Y has twice the internal energy (twice as many molecules).
Consequences
doubling the absolute temperature doubles the average KE of each molecule, so $\langle c^{2} \rangle$ doubles and $c_{\text{r.m.s.}}$ grows by $\sqrt{2}$.
for two gases at the same temperature, the lighter gas has a larger $\langle c^{2} \rangle$. Hydrogen molecules move faster on average than oxygen molecules in the same room.
total translational KE of $N$ molecules: $\tfrac{3}{2} N k T = \tfrac{3}{2} n R T$.
Internal energy of an ideal gas
For an ideal gas the molecules are point particles with no intermolecular potential energy and (in this simple model) no rotation or vibration. So the internal energy 内能 is just the total kinetic energy 动能:
$$U = \tfrac{3}{2} N k T = \tfrac{3}{2} n R T.$$
So the internal energy of an ideal gas is proportional to the thermodynamic temperature — doubling $T$ doubles $U$.
As the exam asks it. "Use one of the basic assumptions to explain what can be deduced about the potential energy of the molecules": there are no forces between the molecules (except in collisions), so there is no potential energy associated with their separation — the random-motion energy is entirely kinetic. "Explain why the internal energy of an ideal gas is directly proportional to thermodynamic temperature" (2 marks): the internal energy is the sum of the kinetic and potential energies of the molecules; the potential energy is zero (no intermolecular forces), and the average kinetic energy of a molecule is $\tfrac{3}{2}kT$, proportional to $T$; so the total, $U = \tfrac{3}{2}NkT$, is proportional to $T$. "Derive $\tfrac{3}{2}kT$" (2 marks): equate $pV = NkT$ with $pV = \tfrac{1}{3}Nm\langle c^{2}\rangle$, cancel $N$, and rearrange to $\tfrac{1}{2}m\langle c^{2}\rangle = \tfrac{3}{2}kT$ — show the cancelling and the factor of $\tfrac{3}{2}$.
Worked example. A sample of $0.26\ \text{m}^{3}$ of an ideal gas is at $2.0 \times 10^{5}\ \text{Pa}$ and $290\ \text{K}$. Find the number of molecules, the average translational kinetic energy of a molecule, and the internal energy of the gas.
Doubling $p$ at fixed $T$ (by squeezing the gas to half its volume) does not change $\langle E_{\text{k}} \rangle$ — that depends only on $T$. There are more wall collisions per second, but each molecule has the same average kinetic energy.
A definition question is marked against fixed wording. Learn these exactly, and give one answer only.
Term
Definition
mole
the amount of substance containing a number of particles equal to the Avogadro constant
Avogadro constant
the number of atoms or molecules in one mole of a substance, $6.02 \times 10^{23}\ \text{mol}^{-1}$
ideal gas
a gas that obeys $pV = nRT$ (equivalently $pV \propto T$, $T$ thermodynamic) at all values of $p$, $V$ and $T$
Boltzmann constant
the gas constant per molecule, $k = R/N_{\text{A}}$
elastic collision
a collision in which the total kinetic energy is conserved
mean-square speed
the mean of the squares of the speeds of the molecules, $\langle c^{2}\rangle$
root-mean-square speed
the square root of the mean-square speed, $c_{\text{r.m.s.}} = \sqrt{\langle c^{2}\rangle}$
average translational kinetic energy of a molecule
$\tfrac{1}{2}m\langle c^{2}\rangle = \tfrac{3}{2}kT$, depending only on thermodynamic temperature
internal energy of an ideal gas
the total kinetic energy of its molecules, $\tfrac{3}{2}NkT$, since there is no potential energy
15.3
Exam tips
Use $pV = nRT$ ($n$ in mol) or $pV = NkT$ ($N$ molecules), with temperature in kelvin and volume in $\text{m}^{3}$ ($1\ \text{cm}^{3} = 10^{-6}\ \text{m}^{3}$).
Learn the kinetic-theory assumptions word for word (random motion, negligible molecular volume, no intermolecular forces except in collisions, elastic collisions, negligible collision time), and know which two fail at high pressure.
Mean translational KE $= \frac{3}{2}kT$ — it depends only on temperature; at the same $T$ a lighter molecule is faster, $\langle c^{2}\rangle \propto 1/m$.
For a "show that" about pressure, give the chain: collisions with the wall, change of momentum, force (Newton's second and third laws), force per unit area.
$p = \tfrac{1}{3}\rho\langle c^{2}\rangle$ when a density is given; $U = \tfrac{3}{2}NkT = \tfrac{3}{2}pV$ when the internal energy is asked.
Common mistakes
Using °C in $pV = nRT$ or in $\langle E_{\text{k}}\rangle = \tfrac{3}{2}kT$. Convert first; a temperature ratio only works in kelvin.
Defining an ideal gas by "obeys $pV = nRT$" alone. Add "at all values of $p$, $V$ and $T$".
Confusing $n$ (moles) with $N$ (molecules), or $R$ with $k$. $N = nN_{\text{A}}$ and $k = R/N_{\text{A}}$.
Giving "molecules move randomly" as the reason for pressure. The mark is for the change of momentum at the wall and the resulting force per unit area.
Sketching $c_{\text{r.m.s.}}$ against $T$ as a straight line. $\langle c^{2}\rangle$ is linear in $T$; $c_{\text{r.m.s.}}$ rises as $\sqrt{T}$.
Saying a molecule's kinetic energy changes when the pressure is doubled at constant temperature. Only the number of collisions per second changes.
understand that internal energy is determined by the state of the system and that it can be expressed as the sum of a random distribution of kinetic and potential energies associated with the molecules of a system
relate a rise in temperature of an object to an increase in its internal energy
Tiếng Việt
hiểu rằng nội năng được xác định bởi trạng thái của hệ thống và có thể được biểu diễn dưới dạng tổng của sự phân bố ngẫu nhiên của động năng và thế năng liên quan đến các phân tử của một hệ thống
liên hệ sự gia tăng nhiệt độ của vật với sự gia tăng nội năng của nó
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
The internal energy 内能$U$ of a system is the sum of:
the random kinetic energies 动能 of its molecules 分子 — they fly through space (translational 平动 motion), and unless they are single atoms they also spin (rotational 转动) and shake (vibrational 振动), and
the potential energies from the forces between the molecules.
For a real solid, liquid or gas, both parts matter. In the ideal-gas 理想气体 model the intermolecular 分子间 forces are ignored, so the molecular potential energy is zero and the internal energy is purely kinetic.
The two-mark definition.The internal energy of a system is the sum of the random distribution of the kinetic and potential energies of its molecules (or atoms). Both marks need "sum of kinetic and potential energies" and "random" (or "of the molecules") — leaving out "random" describes the energy of a moving object, not its internal energy. For an ideal gas, "with reference to kinetic and potential energy": the internal energy is the total kinetic energy of the molecules only, because there are no intermolecular forces and therefore no potential energy.
Internal energy is the molecules' random kinetic energy (the arrows) plus the potential energy of the forces between them (the springs)
Two key points:
$U$ depends only on the state of the system (its temperature 温度, pressure 压强, volume 体积, amount of substance 物质的量) — not on the path taken to get there.
$U$ is a sum over the molecules, not the kinetic energy of the whole object moving. A moving train of gas has bulk kinetic energy, but that is separate from $U$ — $U$ is the energy of the random molecular motion.
Temperature and internal energy
Raising an object's temperature raises the random kinetic energy of its molecules, and so raises its internal energy.
For an ideal gas every molecule has average translational kinetic energy $\tfrac{3}{2} k T$ (Topic 15). With zero intermolecular potential energy, the total internal energy is
$$U = \tfrac{3}{2} N k T = \tfrac{3}{2} n R T.$$
So the internal energy of an ideal gas is directly proportional to the thermodynamic temperature 热力学温度. Doubling $T$ doubles $U$. This is only exact for an ideal gas.
During a phase change 相变 (melting or boiling) of a real substance, $U$ rises because the molecular potential energy rises (bonds breaking), even though the temperature stays constant.
Describing a change in internal energy — always name both energies. A three-mark "describe and explain, with reference to molecular kinetic and potential energies" answer says what happens to each:
a gas heated at constant volume: the kinetic energy of the molecules increases, because temperature is a measure of their mean kinetic energy; the potential energy is unchanged (no work is done, the molecules' separation does not change); so the internal energy increases.
a wire stretched within its elastic limit at constant temperature: the kinetic energy of the atoms is unchanged (same temperature); the potential energy increases, because the atoms are pulled further apart against the interatomic forces; so the internal energy increases.
ice melting at $0\ ^{\circ}\text{C}$: the kinetic energy is unchanged (constant temperature); the potential energy increases as the bonds between molecules are broken and the separation grows; so the internal energy increases by the latent heat supplied.
Worked example. A fixed mass of ideal gas is heated at constant pressure. Sketch the variation of its internal energy $U$ with its volume $V$.
At constant pressure $V \propto T$ (Charles's law) and for an ideal gas $U \propto T$, so $U \propto V$: a straight line through the origin. The origin is on the line because at absolute zero both $V$ (extrapolated) and $U$ are zero.
Explore · Khám phá
The spread of molecular energies · Sự phân bố năng lượng của các phân tử
Internal energy is the total random kinetic + potential energy of the molecules. Heat the gas and the whole speed distribution shifts to higher energy. · Nội năng là tổng động năng ngẫu nhiên + thế năng của các phân tử. Làm nóng khí thì toàn bộ phân bố tốc độ dịch chuyển về phía năng lượng cao hơn.
recall and use $W = p\Delta V$ for the work done when the volume of a gas changes at constant pressure and understand the difference between the work done by the gas and the work done on the gas
recall and use the first law of thermodynamics$\Delta U = q + W$ expressed in terms of the increase in internal energy, the heating of the system (energy transferred to the system by heating) and the work done on the system
Tiếng Việt
nhớ và sử dụng $W = p\Delta V$ cho công thực hiện khi thể tích của khí thay đổi ở áp suất không đổi và hiểu sự khác biệt giữa công do khí thực hiện và công thực hiện lên khí
nhớ và sử dụng định luật nhiệt động lực học thứ nhất$\Delta U = q + W$ biểu diễn theo sự gia tăng nội năng, việc làm nóng hệ thống (năng lượng truyền vào hệ thống bằng quá trình nung nóng) và công thực hiện lên hệ thống
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
A steam turbine does work as expanding steam pushes its blades around.A gas pushing a piston of area $A$ out by $\Delta x$ does work $W = p\,\Delta V$ on the surroundings (swept volume $\Delta V = A\,\Delta x$)
When a gas changes volume against an outside pressure, mechanical work is done. At constant pressure $p$ with a small volume change $\Delta V$, the size of the work is
$$W = p \Delta V.$$
Worked example. A gas at a constant pressure of $1.0 \times 10^{5}\ \text{Pa}$ expands from $2.0 \times 10^{-3}\ \text{m}^{3}$ to $5.0 \times 10^{-3}\ \text{m}^{3}$. Find the work done by the gas.
Worked example. An ideal gas of mass $0.35\ \text{kg}$ is heated at a constant pressure of $2.0 \times 10^{5}\ \text{Pa}$; its internal energy rises by $7600\ \text{J}$ and its volume increases by $1.2 \times 10^{-2}\ \text{m}^{3}$. Find the work done by the gas and the thermal energy supplied. The gas is then heated at constant volume until its internal energy rises by the same $7600\ \text{J}$; explain why less thermal energy is needed.
Work done by the gas $= p\Delta V = 2.0 \times 10^{5} \times 1.2 \times 10^{-2} = 2400\ \text{J}$, so the work done on it is $W = -2400\ \text{J}$. First law: $q = \Delta U - W = 7600 - (-2400) = 1.0 \times 10^{4}\ \text{J}$. At constant volume no work is done ($\Delta V = 0$, $W = 0$), so the whole of the thermal energy goes into internal energy: $q = \Delta U = 7600\ \text{J}$. The extra $2400\ \text{J}$ at constant pressure was the work the gas did pushing back the surroundings as it expanded.
Worked example. An aluminium block of volume $3.612 \times 10^{-3}\ \text{m}^{3}$ is heated from $0\ ^{\circ}\text{C}$ to $40\ ^{\circ}\text{C}$; its volume increases by $1.0 \times 10^{-5}\ \text{m}^{3}$ against atmospheric pressure ($1.0 \times 10^{5}\ \text{Pa}$). Compare the work it does on the atmosphere with the thermal energy it receives ($m = 9.75\ \text{kg}$, $c = 900\ \text{J kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$).
Work done by the block $= p\Delta V = 1.0 \times 10^{5} \times 1.0 \times 10^{-5} = 1.0\ \text{J}$; thermal energy $q = mc\Delta T = 9.75 \times 900 \times 40 = 3.5 \times 10^{5}\ \text{J}$. The work is about $3 \times 10^{-6}$ of the heating, so for a solid $\Delta U \approx q$: solids and liquids barely expand, and $p\Delta V$ only matters for a gas.
On a pressure–volume graph, the work done at constant pressure is the area under the line: $W = p\,\Delta V$
Sign convention in this syllabus
This syllabus writes the first law as $\Delta U = q + W$, where $W$ is the work done on the gas and $q$ is the energy put in by heating.
Work done on the gas: positive when it is compressed, negative when it expands
when the gas is compressed, $\Delta V$ is negative and the work done on the gas is positive — the gas gains energy.
when the gas expands, $\Delta V$ is positive and the work done on the gas is negative — the gas loses energy (it does work on the surroundings).
Watch which form a question wants:
"work done on the gas" — positive when compressing.
"work done by the gas" — the opposite sign, positive when expanding.
At constant volume ($\Delta V = 0$), no work is done.
A power station is a heat engine: it converts heat into useful work.
The first law of thermodynamics 热力学第一定律 says that energy is conserved when heat and work pass between a system and its surroundings:
$$\Delta U = q + W,$$
where $\Delta U$ is the rise in internal energy, $q$ is the energy added by heating (positive in, negative out), and $W$ is the work done on the gas (positive when compressed). This is conservation of energy 能量守恒 for a gas.
As the exam asks it. "State the first law of thermodynamics, identifying any symbols" (2 marks): the increase in internal energy of a system, $\Delta U$, is equal to the sum of the thermal energy transferred to the system by heating, $q$, and the work done on the system, $W$: $\Delta U = q + W$. Every symbol must be defined with its direction — "to the system" and "on the system" are what make the signs mean something. "State two ways in which the first law says the internal energy of a system may be changed": by heating (thermal energy transferred into or out of the system) and by doing work on or by the system.
Both heating ($q$) and work done on the gas ($W$) put energy in, raising the internal energy by $\Delta U$
Worked example. A gas absorbs $500\ \text{J}$ of heat while it expands and does $200\ \text{J}$ of work on its surroundings. Find the change in its internal energy.
The gas does work, so the work done on it is $W = -200\ \text{J}$:
$$\Delta U = q + W = 500 + (-200) = 300\ \text{J}.$$
Explaining with the first law. A three-mark "use the first law to explain" answer has three steps: say what $q$ is (and its sign), say what $W$ is (and its sign), then combine them for $\Delta U$ — and, if asked, say what the change in internal energy means for the molecules.
The three classic first-law explanations: give $q$ with its sign, $W$ with its sign, then $\Delta U$
Why a bicycle pump gets hot when used quickly: the air is compressed, so work is done on it ($W > 0$); the compression is fast, so there is no time for thermal energy to leave ($q \approx 0$); therefore $\Delta U = W > 0$ — the internal energy, and so the temperature, of the air rises, and the pump warms up.
A spring stretched at constant temperature within its elastic limit: work is done on the spring by the stretching force ($W > 0$); there is no thermal energy transfer ($q = 0$); so the internal energy increases — stored as the elastic potential energy of the atoms, which are pulled further apart.
Water evaporating from a puddle on a hot day: thermal energy is transferred to the water from the surroundings ($q > 0$); the vapour formed occupies a far larger volume than the liquid, so the system does work on the atmosphere ($W < 0$); the internal energy still increases ($q$ is larger than the work done), and the increase is potential energy — the molecules are separated against the attractive forces between them.
Reading the equation
$\Delta U$ is fixed by the change of state (for an ideal gas, by the change in temperature). The same $\Delta U$ can come from different mixes of $q$ and $W$:
all heat, no work: $\Delta U = q$ (constant-volume heating).
all work, no heat: $\Delta U = W$ (insulated compression or expansion).
Standard processes
For an ideal gas, $\Delta U = \tfrac{3}{2} n R \Delta T$ — it depends only on $\Delta T$.
The four standard processes, all starting from the same state
Process
What stays constant
$\Delta U$
$W$ (on gas)
$q$
Isothermal
$T$
$0$
$W$
$-W$
Constant volume
$V$
$\tfrac{3}{2}n R \Delta T$
$0$
$\Delta U$
Constant pressure
$p$
$\tfrac{3}{2}n R \Delta T$
$-p \Delta V$
$\Delta U - W$
Adiabatic
(no heat)
varies
$W$
$0$
Read each row with the first law $\Delta U = q + W$:
Isothermal 等温 (constant $T$): $\Delta T = 0$, so $\Delta U = 0$. Then $q = -W$ — any heat that goes in comes straight back out as work.
Adiabatic 绝热 (no heat flow): $q = 0$, so $\Delta U = W$. The gas warms up only because work is done on it.
Constant volume (sealed rigid container): no work is done ($\Delta V = 0$), so all the heat goes into internal energy: $q = \Delta U$.
Constant pressure (gas pushing a piston 活塞): the gas does work as it expands, so the heat you supply does two jobs — it raises the internal energy and does the expansion work.
So for the same rise in internal energy, heating at constant pressure needs more thermal energy than heating at constant volume, by exactly the work $p\Delta V$ the gas does while expanding — the constant-volume gas keeps every joule; the constant-pressure gas hands some back to the surroundings.
Worked example: two-step process
A sample of ideal gas at temperature $T$ with internal energy $U$ goes through:
compression to temperature $3T$; work $W$ is done on the gas.
cooling at constant volume to temperature $2T$.
Internal energy tracks temperature: $U \to 3U$ on compressing to $3T$, then $3U \to 2U$ on cooling to $2T$
Check: total $\Delta U = 2U - U = U$, taking the gas from $T$ to $2T$ ($U \to 2U$) — consistent.
Worked example: a cycle on a $p$–$V$ diagram
A cycle: for each leg decide $W$ from the volume change and $\Delta U$ from the temperature change, and $q$ follows from the first law
A fixed mass of ideal gas is taken round the cycle ABCDA: A to B at constant volume $V_{1}$ (pressure $p_{1} \to p_{2}$), B to C at constant pressure $p_{2}$ (volume $V_{1} \to V_{2}$), C to D at constant volume, D to A at constant pressure $p_{1}$. Complete a table of the signs of $q$, $W$ and $\Delta U$ for each leg, and explain the internal-energy change from B to C.
Leg
Process
$W$ (on gas)
$\Delta U$
$q$
A → B
constant volume, pressure rises
$0$ (no volume change)
$+$ (temperature rises, $pV$ larger)
$+$ ($q = \Delta U$)
B → C
constant pressure, expands
$-$ (gas does work $p_{2}(V_{2} - V_{1})$)
$+$ ($T \propto V$ at constant $p$)
$+$ (and larger than $\Delta U$)
C → D
constant volume, pressure falls
$0$
$-$
$-$ (thermal energy leaves)
D → A
constant pressure, compressed
$+$ (work done on the gas $p_{1}(V_{2} - V_{1})$)
$-$
$-$ (larger in size than $\Delta U$)
From B to C the gas expands at constant pressure, so its temperature rises ($V/T$ constant) and its internal energy increases; it does work on the surroundings ($W$ negative), so the thermal energy supplied must cover both: $q = \Delta U - W$, larger than the rise in internal energy. Round the whole cycle $\Delta U = 0$ (the gas returns to its starting state), so the net thermal energy in equals the net work done by the gas — the area enclosed by the rectangle, $(p_{2} - p_{1})(V_{2} - V_{1})$.
Heat capacity at constant volume
For constant-volume heating of an ideal gas, $q = \Delta U = \tfrac{3}{2} n R \Delta T$. So the molar heat capacity 热容 at constant volume is $\tfrac{3}{2} R$ for a monatomic 单原子 ideal gas. (You are not required to use the symbol $C_V$, but the result $q = \tfrac{3}{2} n R \Delta T$ for constant-volume heating is.)
At constant volume all the heat raises $U$ ($q = \Delta U$); at constant pressure the gas also does work
Heating without a temperature change
If heat is supplied during a phase change at constant pressure (e.g. boiling water), the temperature stays constant but the internal energy still rises (the latent heat 潜热 separates the molecules), and the gas does expansion work. The first law still holds: $\Delta U = q + W$.
Explore · Khám phá
Work done on a gas · Công thực hiện lên khí
Push the piston in and you do work on the gas (W = pΔV); the first law says that work plus the heat added equals the rise in internal energy. · Đẩy xi-lanh vào và bạn thực hiện công lên khí (W = pΔV); định luật nhiệt động lực học thứ nhất nói rằng công cộng với nhiệt lượng thêm vào bằng mức tăng nội năng.
first law of thermodynamics/fɜːst lɔː ɒv ˌθɜːməʊdaɪˈnæmɪks/
định luật nhiệt động lực học thứ nhất
conservation of energy/ˌkɒnsəˈveɪʃn ɒv ˈenədʒi/
bảo toàn năng lượng
isothermal/ˌaɪsəˈθɜːml/
đẳng nhiệt
adiabatic/ˌædiəˈbætɪk/
đại nhiệt
heat capacity/hiːt kəˈpæsɪti/
nhiệt dung riêng
monatomic/ˌmɒnəˈtɒmɪk/
đơn nguyên tử
16.2
Definitions the examiner accepts
A definition question is marked against fixed wording. Learn these exactly, and give one answer only.
Term
Definition
internal energy
the sum of the random distribution of the kinetic and potential energies of the molecules of a system
internal energy of an ideal gas
the total random kinetic energy of its molecules, since with no intermolecular forces there is no potential energy
first law of thermodynamics
the increase in internal energy of a system equals the thermal energy transferred to the system by heating plus the work done on the system: $\Delta U = q + W$
work done on a gas at constant pressure
$W = p\Delta V$ in size; positive when the gas is compressed, negative when it expands (the gas then does work on its surroundings)
thermal energy transfer (heating)
energy transferred to or from a system because of a temperature difference; $q$ is positive when it enters
isothermal change
a change at constant temperature, so for an ideal gas $\Delta U = 0$ and $q = -W$
adiabatic change
a change with no thermal energy transfer, $q = 0$, so $\Delta U = W$
16.2
Exam tips
First law: $\Delta U = q + W$ — define every symbol with its direction: $q$ is energy transferred to the system by heating, $W$ is work done on the system.
For an ideal gas, internal energy depends only on temperature ($\Delta U \propto \Delta T$) and is kinetic energy only; for a solid or liquid the potential energy changes too.
Work done by a gas at constant pressure $= p\Delta V$; read the sign from expansion (by) or compression (on), and remember that at constant volume $W = 0$.
A "describe and explain" answer names both kinetic and potential energy and says what happens to each; an "explain using the first law" answer gives $q$, $W$ and then $\Delta U$, each with its sign.
Round a complete cycle $\Delta U = 0$, so net heating equals net work done by the gas — the area enclosed on the $p$–$V$ diagram.
Common mistakes
Defining internal energy as "the total energy of the molecules" or forgetting "random" or "potential". The mark scheme wants the sum of random kinetic and potential energies.
Using $W = p\Delta V$ with the wrong sign. When the gas expands the work done on it is negative.
Saying the internal energy of an ideal gas rises when it is compressed isothermally. At constant temperature $\Delta U = 0$: the work done on it leaves again as heat.
Treating a phase change as $\Delta U = 0$ because the temperature is constant. The potential energy rises; $\Delta U$ is the latent heat minus any expansion work.
Forgetting that a gas heated at constant pressure does work, so it needs more heating than at constant volume for the same $\Delta U$.
Applying $\Delta U = \tfrac{3}{2}nR\Delta T$ to a real gas, a liquid or a solid. It is the ideal-gas result only.
understand and use the terms displacement, amplitude, period, frequency, angular frequency and phase difference in the context of oscillations, and express the period in terms of both frequency and angular frequency
understand that simple harmonic motion occurs when acceleration is proportional to displacement from a fixed point and in the opposite direction
use $a = -\omega^2 x$ and recall and use, as a solution to this equation, $x = x_0 \sin \omega t$
use the equations $v = v_0 \cos \omega t$ and $v = \pm \omega \sqrt{x_0^2 - x^2}$
analyse and interpret graphical representations of the variations of displacement, velocity and acceleration for simple harmonic motion
Tiếng Việt
hiểu và sử dụng các thuật ngữ liên độ, biên độ, chu kỳ, tần số, tần số góc và chênh pha trong bối cảnh dao động, và biểu diễn chu kỳ theo cả tần số và tần số góc
hiểu rằng dao động điều hòa xảy ra khi gia tốc tỷ lệ thuận với liên độ từ một điểm cố định và ngược chiều
sử dụng $a = -\omega^2 x$ và nhớ và sử dụng, như một nghiệm của phương trình này, $x = x_0 \sin \omega t$
sử dụng các phương trình $v = v_0 \cos \omega t$ và $v = \pm \omega \sqrt{x_0^2 - x^2}$
phân tích và diễn giải các biểu diễn đồ thị về sự biến thiên của liên độ, vận tốc và gia tốc cho dao động điều hòa
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
SHM: spring, circle and graph in phaseA pendulum clock keeps time using simple harmonic motion.
A particle moves with simple harmonic motion 简谐运动 (SHM) when its acceleration 加速度 is:
proportional to its displacement from a fixed equilibrium 平衡 point, and
directed back towards that point — opposite in sign to the displacement.
The defining equation is
$$a = -\omega^{2} x,$$
where $x$ is the displacement 位移 from equilibrium and $\omega$ is a positive constant, the angular frequency 角频率. The minus sign means "directed back towards equilibrium".
The two-mark definition.Simple harmonic motion is motion in which the acceleration is proportional to the displacement from a fixed point and is always directed towards that point (in the opposite direction to the displacement). Both halves are needed. "The significance of the minus sign": the acceleration is in the opposite direction to the displacement — always towards the equilibrium position. "State what is meant by the frequency of the oscillations": the number of complete oscillations per unit time.
Many systems do this near a stable equilibrium: a mass on a spring 弹簧, a pendulum 单摆 (small swing), a floating block pushed down, the charge on a capacitor 电容器 in an LC circuit, atoms in a solid.
Acceleration always points back towards equilibrium, opposite to the displacement
Key terms
displacement$x$ — distance from equilibrium at a moment (a vector along the line of motion).
amplitude 振幅$x_{0}$ — the largest displacement from equilibrium. Always positive.
period 周期$T$ — the time for one full oscillation.
frequency 频率$f$ — the number of oscillations per second; $f = 1/T$. Unit: Hz.
phase difference 相位差 — the fraction of a cycle (in radians) by which one oscillation leads or lags another. A quarter-cycle apart is a phase difference of $\pi/2$.
So $T = 2\pi/\omega$ and $f = \omega/(2\pi)$ — given any one of $\omega$, $f$, $T$ you can find the others.
Worked example. A mass on a spring oscillates with SHM of amplitude $0.050\ \text{m}$ and frequency $2.5\ \text{Hz}$. Find its maximum acceleration.
The angular frequency is $\omega = 2\pi f = 2\pi \times 2.5 = 15.7\ \text{rad s}^{-1}$. The acceleration is largest at the extremes, where $|a| = \omega^{2}x_{0}$:
The exam's favourite four-mark derivation, and the recipe is always the same: (1) displace the object by $x$ from equilibrium; (2) find the resultant restoring force, which comes out as $F = -(\text{constant}) \times x$; (3) apply Newton's second law, $a = F/m = -(\text{constant}/m)\,x$; (4) this has the form $a = -\omega^{2}x$, so the motion is simple harmonic with $\omega^{2} = \text{constant}/m$, and $T = 2\pi/\omega$. Say in words why the force points back towards equilibrium and why it is proportional to $x$ — those are the marks, not the algebra.
Two "show that it is SHM" set-ups: find the extra force when the system is displaced by $x$, and show it is proportional to $x$ and directed back
Worked example. A mass $m$ hangs from a spring of spring constant $k$. Show that, when displaced and released, it moves with simple harmonic motion, and find the period.
At equilibrium the spring tension balances the weight. Displace the mass a distance $x$ downwards: the tension increases by $kx$ (Hooke's law), so there is a resultant force $kx$upwards, towards equilibrium. Newton's second law: $a = -\dfrac{k}{m}x$. This is $a = -\omega^{2}x$ with $\omega^{2} = k/m$, so the motion is simple harmonic and $T = 2\pi/\omega = 2\pi\sqrt{m/k}$. (A trolley held between two identical springs has both pulling it back, $F = -2kx$, so $\omega^{2} = 2k/m$.)
Worked example. A cuboidal block of cross-sectional area $A$ and mass $m$ floats in a liquid of density $\rho$ with its base a depth $h$ below the surface. It is pushed down a small distance $x$ and released. Show that it oscillates with simple harmonic motion and find the period in terms of $h$ and $g$.
When the block is pushed down by $x$ an extra volume $Ax$ is submerged, so the upthrust 浮力 increases by the weight of that extra liquid, $\rho g A x$; this extra force acts upwards, towards the equilibrium position. Hence $a = -\dfrac{\rho g A}{m}x$: proportional to $x$ and opposite in direction, so the motion is simple harmonic with $\omega^{2} = \rho g A/m$. At equilibrium the upthrust on the submerged volume $Ah$ equals the weight, $\rho g A h = mg$, so $m = \rho A h$ and $\omega^{2} = g/h$: $T = 2\pi\sqrt{h/g}$ — the same form as a pendulum of length $h$.
Worked example. A U-tube of cross-sectional area $A$ contains liquid of density $\rho$; the column in each arm has length $L$. The liquid is displaced so that one surface is $x$ above its equilibrium level and the other $x$ below. Show that the liquid oscillates with simple harmonic motion.
The two surfaces now differ in height by $2x$, so a column of liquid of height $2x$ is unbalanced: the restoring force on the liquid is the weight of that column, $2x\rho g A$, directed so as to level the surfaces. The mass being moved is the whole liquid, $2L\rho A$. So $a = -\dfrac{2x\rho g A}{2L\rho A} = -\dfrac{g}{L}x$: simple harmonic, with $\omega^{2} = g/L$ and $T = 2\pi\sqrt{L/g}$. Note that $\rho$ and $A$ cancel — the period depends on neither the liquid nor the tube.
Explore · Khám phá
Swing a pendulum · Quay con lắc
Set it swinging, then change the start angle — the time for one swing stays the same (that is what makes it a good clock). Now make the string longer, or move to the Moon, and watch the period change. · Cho nó dao động, sau đó thay đổi góc khởi phát — thời gian cho một lần dao động vẫn giữ nguyên (đó là lý do khiến nó trở thành chiếc đồng hồ tốt). Bây giờ hãy làm dây dài hơn, hoặc di chuyển đến Mặt Trăng, và quan sát sự thay đổi chu kỳ.
which is the SHM defining equation again. (If the particle instead starts at the extreme position $x = x_{0}$ at $t = 0$, use $x = x_{0} \cos(\omega t)$. Choose the one that fits the start conditions.)
Velocity in terms of displacement
A useful relation that does not use time:
$$v = \pm \omega \sqrt{x_{0}^{2} - x^{2}}.$$
at equilibrium ($x = 0$): $v = \pm \omega x_{0}$ (maximum speed). Both signs, because the particle passes through equilibrium twice each cycle.
at the extremes ($x = \pm x_{0}$): $v = 0$ (at rest for an instant).
Worked example. The same oscillation has amplitude $x_{0} = 0.050\ \text{m}$ and angular frequency $\omega = 15.7\ \text{rad s}^{-1}$. Find the speed when the displacement is $x = 0.030\ \text{m}$.
Velocity against displacement is an ellipse: $v = 0$ at the extremes and $v = \pm\omega x_{0}$ through equilibrium — read $x_{0}$ and $v_{0}$ from where it cuts the axes, then $\omega = v_{0}/x_{0}$
Reading the $v$–$x$ graph. Its width gives the amplitude ($x = \pm x_{0}$ where $v = 0$) and its height the maximum speed ($v = \pm\omega x_{0}$ at $x = 0$), so $\omega = v_{0}/x_{0}$ and the period follows. Asked to sketch $a$ against $x$ on the same axes, draw the straight line through the origin with negative gradient $-\omega^{2}$, reaching $\mp\omega^{2}x_{0}$ at $x = \pm x_{0}$.
Worked example. The velocity of an oscillating block varies with time as $v = 0.56\sin(5.1t)$, with $v$ in $\text{m s}^{-1}$ and $t$ in seconds. Find the amplitude, the period and the maximum acceleration.
Compare with $v = v_{0}\sin\omega t$: $v_{0} = 0.56\ \text{m s}^{-1}$ and $\omega = 5.1\ \text{rad s}^{-1}$. Since $v_{0} = \omega x_{0}$, the amplitude is $x_{0} = 0.56/5.1 = 0.11\ \text{m}$; $T = 2\pi/\omega = 1.2\ \text{s}$; $a_{\text{max}} = \omega^{2}x_{0} = \omega v_{0} = 5.1 \times 0.56 = 2.9\ \text{m s}^{-2}$. (Because this $v$ is a sine, the block was at an extreme at $t = 0$: its displacement is a cosine.)
SHM as the shadow of circular motion. A ball moving round a circle of radius $R$ at angular speed $\omega$, lit from the side, casts a shadow that moves back and forth with simple harmonic motion of amplitude $R$ and the same $\omega$: the shadow's displacement is $x = R\cos\omega t$ (if it starts at an extreme), its maximum speed is $R\omega$ and its maximum acceleration $R\omega^{2}$. For a circle of diameter $0.46\ \text{m}$ and $\omega = 1.9\ \text{rad s}^{-1}$ the shadow has amplitude $0.23\ \text{m}$, $v_{0} = 0.44\ \text{m s}^{-1}$ and $a_{\text{max}} = 0.83\ \text{m s}^{-2}$ — greatest in size at the two ends of its path and always directed back towards the centre.
Graphs against time
For $x = x_{0}\sin\omega t$:
$x$ vs $t$ — a sine curve, amplitude $x_{0}$, period $T = 2\pi/\omega$.
$v$ vs $t$ — a cosine curve, leading $x$ by $\pi/2$, amplitude $\omega x_{0}$.
$a$ vs $t$ — a negative sine curve, out of phase with $x$ by $\pi$ (180°), amplitude $\omega^{2} x_{0}$.
Displacement varies sinusoidally with time in simple harmonic motionVelocity leads displacement by a quarter cycle; acceleration is exactly out of phase with displacement
Graph of $a$ against $x$
A straight line through the origin with negative gradient$-\omega^{2}$. So you can read $\omega$ from the graph: gradient $= -\omega^{2}$, so $\omega = \sqrt{|\text{gradient}|}$, then $T = 2\pi / \omega$. This is a common exam pattern.
The acceleration–displacement graph is a straight line through the origin with gradient $-\omega^{2}$
Worked example. A graph of the height $h$ of an object of mass $36\ \text{kg}$ undergoing vertical simple harmonic motion shows $h$ varying between $2\ \text{m}$ and $10\ \text{m}$, with one complete oscillation every $4.0\ \text{s}$. Find the amplitude, the angular frequency, the maximum speed, the maximum acceleration and the maximum kinetic energy.
Amplitude $x_{0} = (10 - 2)/2 = 4.0\ \text{m}$ (half the peak-to-peak range; the equilibrium height is $6\ \text{m}$). $\omega = 2\pi/T = 2\pi/4.0 = 1.57\ \text{rad s}^{-1}$. $v_{\text{max}} = \omega x_{0} = 6.3\ \text{m s}^{-1}$; $a_{\text{max}} = \omega^{2}x_{0} = 9.9\ \text{m s}^{-2}$; $E_{\text{K,max}} = \tfrac{1}{2}mv_{\text{max}}^{2} = \tfrac{1}{2} \times 36 \times 6.28^{2} = 7.1 \times 10^{2}\ \text{J}$. Reading the amplitude as the full height range instead of half of it is the commonest slip here.
Worked example. A small object rests on a horizontal platform that oscillates vertically with simple harmonic motion of amplitude $6.0\ \text{mm}$. Find the highest frequency at which the object stays in contact with the platform throughout, and state where in the motion contact is first lost.
The object leaves the platform when the platform's downward acceleration exceeds $g$ — at the top of the oscillation, where the acceleration is greatest and directed downwards: the platform then falls away faster than the object can. The limit is $\omega^{2}x_{0} = g$: $\omega = \sqrt{9.81/0.0060} = 40\ \text{rad s}^{-1}$, so $f = \omega/2\pi = 6.4\ \text{Hz}$. Below this the normal contact force at the top is small but positive; above it, zero.
describe the interchange between kinetic and potential energy during simple harmonic motion
recall and use $E = \frac{1}{2}m\omega^2x_0^2$ for the total energy of a system undergoing simple harmonic motion
Tiếng Việt
mô tả sự trao đổi giữa động năng và thế năng trong quá trình dao động điều hòa
nhớ và sử dụng $E = \frac{1}{2}m\omega^2x_0^2$ cho tổng năng lượng của một hệ đang thực hiện dao động điều hòa
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
A simple harmonic oscillator keeps swapping energy between two forms:
kinetic energy 动能$E_{\text{K}} = \tfrac{1}{2} m v^{2}$.
potential energy$E_{\text{P}}$ (elastic for a spring, gravitational for a pendulum).
With no damping 阻尼, the total energy is constant (this is conservation of energy 能量守恒).
Maximum and minimum
at equilibrium ($x = 0$): $v$ is largest, so $E_{\text{K}}$ is largest and $E_{\text{P}}$ is smallest (zero, by choice).
at the extremes ($x = \pm x_{0}$): $v = 0$, so $E_{\text{K}} = 0$ and $E_{\text{P}}$ is largest.
Total energy
Using $v_{\text{max}} = \omega x_{0}$:
$$E_{\text{total}} = \tfrac{1}{2} m v_{\text{max}}^{2} = \tfrac{1}{2} m \omega^{2} x_{0}^{2}.$$
Two key facts: the total energy is proportional to the square of the amplitude (doubling $x_{0}$ gives four times the energy), and to $\omega^{2}$.
Energy against displacement
Using $v^{2} = \omega^{2}(x_{0}^{2} - x^{2})$:
$$E_{\text{K}} = \tfrac{1}{2} m \omega^{2} (x_{0}^{2} - x^{2}), \qquad E_{\text{P}} = \tfrac{1}{2} m \omega^{2} x^{2}.$$
So $E_{\text{K}}$ is a downward parabola (peak at $x = 0$, zero at $x = \pm x_{0}$) and $E_{\text{P}}$ is an upward parabola (zero at $x = 0$, largest at $x = \pm x_{0}$). Their sum is constant.
Kinetic and potential energy swap over a cycle while the total energy stays constant
Worked example. A $0.20\ \text{kg}$ mass oscillates with amplitude $x_{0} = 0.050\ \text{m}$ and angular frequency $\omega = 15.7\ \text{rad s}^{-1}$. Find the total energy of the oscillation.
The total energy equals the maximum kinetic energy, as the mass passes through $x = 0$ at $v_{\text{max}} = \omega x_{0}$:
This stays constant, swapping between kinetic and potential form twice each cycle.
Describing the interchange without calculation. At an extreme of the motion the oscillator is momentarily at rest: its kinetic energy is zero and its potential energy is a maximum. As it moves towards equilibrium the restoring force does work on it, so potential energy is converted to kinetic energy; at the equilibrium position the kinetic energy is a maximum and the potential energy a minimum. Beyond it the kinetic energy is converted back to potential energy until the other extreme. The total stays constant, and the exchange happens twice per oscillation, so the energy graphs against time have twice the frequency of the displacement graph.
Worked example. A pendulum bob of mass $0.81\ \text{kg}$ swings with small oscillations of amplitude $32\ \text{mm}$ and period $1.9\ \text{s}$. Find the total energy of the oscillation, and state what happens to it if the amplitude falls to $16\ \text{mm}$.
$\omega = 2\pi/1.9 = 3.31\ \text{rad s}^{-1}$; $E = \tfrac{1}{2}m\omega^{2}x_{0}^{2} = \tfrac{1}{2} \times 0.81 \times 3.31^{2} \times 0.032^{2} = 4.5 \times 10^{-3}\ \text{J}$. Halving the amplitude quarters the energy ($E \propto x_{0}^{2}$), to $1.1 \times 10^{-3}\ \text{J}$; the difference has been dissipated as thermal energy by air resistance.
Explore · Khám phá
Energy in SHM · Năng lượng trong CHD
Watch energy swap between kinetic and potential as the oscillator moves — fastest (max KE) at the centre, still (max PE) at the ends. · Quan sát sự trao đổi năng lượng giữa động năng và thế năng khi vật dao động — nhanh nhất (động năng cực đại) ở trung tâm, đứng yên (thế năng cực đại) ở hai đầu.
understand that a resistive force acting on an oscillating system causes damping
understand and use the terms light, critical and heavy damping and sketch displacement–time graphs illustrating these types of damping
understand that resonance involves a maximum amplitude of oscillations and that this occurs when an oscillating system is forced to oscillate at its natural frequency
Tiếng Việt
hiểu rằng một lực cản tác dụng lên hệ dao động gây ra tắt dần
hiểu và sử dụng các thuật ngữ tắt dần nhẹ, tắt dần tới hạn và tắt nặng và vẽ sơ đồ liên độ – thời gian minh họa các loại tắt dần này
hiểu rằng cộng hưởng bao gồm biên độ dao động cực đại và điều này xảy ra khi một hệ dao động bị ép dao động ở tần số tự nhiên của nó
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
A resistive force (friction 摩擦力, drag 阻力, air resistance 空气阻力) causes damping — the amplitude shrinks over time as energy is lost as heat. Three named cases:
Light damping
The amplitude shrinks slowly over many cycles (a light damping 轻阻尼 case). The system still oscillates near its natural frequency, but each cycle is smaller than the last. A car's suspension is light-to-medium damped, so bumps die away but the ride stays smooth.
In light damping the amplitude dies away slowly over many cycles
Critical damping
The least damping that brings the system back to equilibrium without overshooting and without oscillating — a critical damping 临界阻尼 case. It returns in the shortest time. A galvanometer 检流计 or analogue voltmeter 电压表 is critically damped so the needle settles quickly.
Heavy damping
So much resistance that the system returns slowly, with no oscillation, but more slowly than the critical case — a heavy damping 过阻尼 case. A door with a strong closer is heavily damped.
On a displacement–time graph: light damping is a wave whose size dies away smoothly; critical damping returns quickly with no overshoot; heavy damping returns slowly.
Critical damping returns to equilibrium fastest without overshoot; overdamping returns more slowly
As the exam asks it.Damping is the decrease in the amplitude of an oscillation caused by a resistive force that dissipates the oscillator's energy. In light damping the system oscillates with an amplitude that decreases gradually (exponentially) with time; the period is almost unchanged. In critical damping the system returns to equilibrium in the shortest possible time without oscillating. In heavy damping it returns to equilibrium slowly, without oscillating. Sketching them: the light-damping curve is a sine wave inside a shrinking envelope; the critical and heavy curves both fall to zero without crossing the axis, the heavy one more slowly.
Worked example. A bar magnet hangs from a spring with one pole inside a coil that is connected through a switch to a resistor. The magnet is set oscillating. Explain why the oscillations die away more quickly when the switch is closed.
The moving magnet changes the magnetic flux linking the coil, so an e.m.f. is induced (Faraday's law); with the switch closed a current flows through the resistor and dissipates energy as heat. By Lenz's law the induced current opposes the motion of the magnet — an extra resistive force. That energy comes from the oscillation, so the amplitude decreases faster: the circuit adds damping. With the switch open there is an e.m.f. but no current, so no extra energy loss.
A plucked guitar string vibrates at its resonant frequencies.
A forced oscillation 受迫振动 is driven by an outside periodic force at a frequency $f_{\text{d}}$ chosen by the experimenter. The system then oscillates at this driving frequency 驱动频率$f_{\text{d}}$, not at its own natural frequency. A plot of amplitude against $f_{\text{d}}$ is a resonance curve 共振曲线 with a peak.
Resonance
Resonance 共振 happens when the driving frequency equals the system's natural frequency 固有频率$f_{0}$. At resonance the amplitude is largest and the energy transfer from the driver is most efficient.
The amplitude of a forced oscillation peaks at resonance, when the driving frequency equals the natural frequencyResonance can destroy. In 1940 the wind pushed the Tacoma Narrows Bridge close to its natural frequency; with little damping the twisting grew and grew until the deck ripped apart. Engineers now design bridges and buildings so their natural frequencies avoid such driving forces
Examples:
a swing pushed at the right rate builds up a large amplitude.
a wine glass broken by a sound at its natural ringing frequency.
a building shaken by an earthquake whose frequency matches a natural frequency — engineers design buildings so their natural frequencies avoid the main earthquake range.
The peak's shape depends on damping: lighter damping → a sharper, higher peak; heavier damping → a broader, lower peak, shifted slightly to lower frequency.
The two-mark definition.Resonance is the condition in which a system is forced to oscillate at its natural frequency, and the amplitude of the oscillation is a maximum (the transfer of energy from the driver is greatest). Both parts — driving frequency equal to natural frequency, and maximum amplitude — are needed.
Worked example. A ball on a stretched string has a natural frequency of $4.0\ \text{Hz}$. The string is driven by a vibration generator whose frequency is increased slowly from $0$ to $10\ \text{Hz}$. Sketch the variation of the amplitude of the ball with the driving frequency, and state the effect of adding damping.
The curve starts at a small, non-zero amplitude at low frequency, rises to a sharp peak at $4.0\ \text{Hz}$, and falls away towards zero at high frequency; the peak is at the natural frequency, and only there is the amplitude a maximum. More damping makes the peak lower and broader and shifts it slightly to a lower frequency; the amplitude far from resonance hardly changes.
Explore · Khám phá
Resonance · Cộng hưởng
Drive the swing at different frequencies. Far from its natural frequency it barely moves; tune them to match and the amplitude explodes — resonance, the same effect that can shake a bridge apart. · Thúc đẩy xích đu ở các tần số khác nhau. Xa tần số riêng, nó hầu như không di chuyển; điều chỉnh để khớp nhau và biên độ bùng nổ — đó là cộng hưởng, cùng hiệu ứng có thể khiến cầu sụp đổ.
A definition question is marked against fixed wording. Learn these exactly, and give one answer only.
Term
Definition
simple harmonic motion
motion in which the acceleration is proportional to the displacement from a fixed point and is always directed towards that point
amplitude
the maximum displacement from the equilibrium position
period
the time for one complete oscillation
frequency
the number of complete oscillations per unit time
angular frequency
$\omega = 2\pi f = 2\pi/T$; the rate at which the phase of the oscillation changes
phase difference
the fraction of a cycle, expressed as an angle, by which one oscillation leads or lags another
damping
the reduction in amplitude of an oscillation caused by a resistive force that dissipates its energy
critical damping
the damping that returns a displaced system to equilibrium in the shortest time without oscillation
natural frequency
the frequency at which a system oscillates when displaced and left to oscillate freely
resonance
the forced oscillation of a system at its natural frequency, at which the amplitude is a maximum
17.3
Exam tips
The SHM condition is $a = -\omega^2 x$ (acceleration proportional to displacement, directed back to equilibrium); to show a motion is SHM, find the restoring force, show it is proportional to $x$ and directed back, and read off $\omega^{2}$.
Learn $x = x_0\sin\omega t$ (or cos), $v_{max} = \omega x_0$, $a_{max} = \omega^2 x_0$ and $v = \pm\omega\sqrt{x_0^2 - x^2}$; KE and PE interchange with the total energy constant, $E = \tfrac{1}{2}m\omega^{2}x_{0}^{2} \propto x_{0}^{2}$.
Velocity is zero at the extremes and maximum at the centre; acceleration is greatest at the extremes and zero at the centre.
The amplitude is half the peak-to-peak range of a displacement graph; $\omega$ comes from the period, or from the gradient of $a$–$x$, or from $v_{0}/x_{0}$.
Resonance occurs when the driving frequency equals the natural frequency; damping lowers and broadens the peak.
Common mistakes
Defining SHM as "oscillation about an equilibrium position". The mark scheme wants acceleration proportional to displacement and directed towards the fixed point.
Saying the minus sign means the acceleration is negative. It means the acceleration is opposite in direction to the displacement.
Sketching $v$ against $x$ as a straight line. It is an ellipse; $a$ against $x$ is the straight line.
Taking the amplitude as the whole range of the displacement. It is half the range.
Defining resonance as "a large amplitude". It is forced oscillation at the natural frequency, giving the maximum amplitude.
Calling critical damping "no damping", or heavy damping "the fastest return". Critical damping is the fastest return without oscillation; heavy damping is slower.
understand that an electric field is an example of a field of force and define electric field as force per unit positive charge
recall and use $F = qE$ for the force on a charge in an electric field
represent an electric field by means of field lines
Tiếng Việt
hiểu rằng điện trường là một ví dụ về trường lực và định nghĩa điện trường là lực trên một đơn vị điện tích dương
nhớ và sử dụng $F = qE$ cho lực tác dụng lên điện tích trong điện trường
biểu diễn điện trường bằng các đường sức điện
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
Lightning is a giant spark driven by a huge electric field.
An electric field 电场 is a region where a charge feels a force 力 from other charges. The electric field strength 电场强度$E$ at a point is the force per unit positive charge on a small positive test charge 检验电荷 placed there:
$$E = \frac{F}{q}.$$
Unit: $\text{N C}^{-1}$ (the same as $\text{V m}^{-1}$, as we will see). $E$ is a vector 矢量, pointing the way the force acts on a positive charge. The force on a charge $q$ is
$$F = qE,$$
opposite to the field if $q$ is negative.
The two-mark definition.Electric field strength at a point is the force per unit positive charge acting on a small (test) charge placed at that point. Three words carry the marks: force per unit charge (not "force on a charge"), positive (which fixes the direction), and small or test (so the charge does not disturb the field it is measuring). The multiple-choice version offers "force per unit charge acting on a small mass" and "force per unit mass" as distractors: a field is defined by a charge, never by a mass.
Worked example. A proton accelerates at $2.00\ \text{m s}^{-2}$ in an electric field, with no other force acting. Find the field strength. ($m_{\text{p}} = 1.67 \times 10^{-27}\ \text{kg}$, $e = 1.60 \times 10^{-19}\ \text{C}$.)
The same rearrangement the other way round gives the acceleration of an electron in a field of $1500\ \text{V m}^{-1}$: $a = eE/m_{\text{e}} = (1.60 \times 10^{-19})(1500)/(9.11 \times 10^{-31}) = 2.6 \times 10^{14}\ \text{m s}^{-2}$, enormous because the electron's mass is so small. Gravity ($9.81\ \text{m s}^{-2}$) is negligible beside it, which is why exam questions about electrons between plates ignore weight.
Field lines
field lines 场线 point the way the force acts on a positive test charge.
lines start on positive charges and end on negative charges (or go to infinity).
lines never cross; closer lines mean a stronger field.
every line carries an arrow; lines meet the surface of a conductor at right angles.
What a field line represents. Asked "state what is represented by an electric field line", give both halves: its direction shows the direction of the force on a positive charge placed there, and the spacing of the lines shows the strength of the field (closer lines, stronger field). A sketch is marked on exactly these points: arrows drawn, lines not crossing, even spacing where the field is uniform, and radial lines for a point charge or a sphere.
Examples: a positive point charge 点电荷 has radial lines pointing out; a negative one has lines pointing in; two opposite charges (a dipole 偶极子) have lines curving from + to −; two parallel charged plates give a uniform field 匀强场 of equally spaced parallel lines.
Field-line patterns for parallel plates, a dipole, a point charge, and a charged sphere above an earthed plateA charged hollow conductor: the field outside is that of a point charge at the centre; inside, the field is zero and the potential is constant
A charged conducting sphere
The charge on an isolated 孤立的conductor 导体 sits on its outer surface, spread evenly when the sphere is on its own. Outside the sphere the field lines are radial, evenly spaced and pointing outwards (for positive charge), exactly the pattern of a point charge at the centre. Inside a hollow (or solid) conductor the field is zero: the fields of all the surface charges cancel everywhere inside, so no field line enters. Two graphs follow, and both are exam favourites. The field strength $E$ is zero out to the radius $R$, jumps to its surface value $E_0$ and then falls as $1/r^{2}$; the potential $V$ is constant inside (a zero field means a zero potential gradient) and then falls as $1/r$.
Reading the graphs. Given an $E$–$x$ graph for a charged sphere, the radius is the distance at which $E$ jumps from zero, and the charge comes from any point on the curve: $Q = 4\pi\varepsilon_{0} r^{2} E$. Given "$E_0$ at the surface", the value at $2R$ is $E_0/4$ and at $3R$ is $E_0/9$: sketch the curve through those points, starting at $E_0$ on the surface line, never from the origin.
A Van de Graaff generator stores a large static charge on its metal dome, making a strong electric field around it
Explore · Khám phá
Electric fields · Điện trường
E ∝ Q / r²
A charge sets up a radial field — out for +, in for −, obeying the inverse-square law. · Một điện tích tạo ra một điện trường hướng tâm — hướng ra ngoài đối với +, hướng vào trong đối với −, tuân theo định luật bình phương nghịch đảo.
recall and use $E = \Delta V / \Delta d$ to calculate the field strength of the uniform field between charged parallel plates
describe the effect of a uniform electric field on the motion of charged particles
Tiếng Việt
nhớ và sử dụng $E = \Delta V / \Delta d$ để tính cường độ điện trường của điện trường đều giữa các tấm phẳng song song mang điện
mô tả ảnh hưởng của điện trường đều lên chuyển động của hạt mang điện
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
Between two parallel plates a distance $d$ apart with potential difference 电势差$V$ between them, the field is uniform (apart from edge effects) with size
Between parallel plates the field is uniform, E = V/d
$$E = \frac{V}{d}.$$
It points from the higher-potential plate to the lower one. The unit $\text{V m}^{-1}$ comes straight from this and equals $\text{N C}^{-1}$.
Worked example. Two parallel plates $5.0\ \text{mm}$ apart have a p.d. of $200\ \text{V}$ between them. Find the field strength, and the force on an electron in the gap. ($e = 1.6 \times 10^{-19}\ \text{C}$.)
Which changes the field? Two things only: $E = V/d$ rises if the p.d. is increased or the plates are moved closer. A resistor in series with the supply changes nothing: no current flows once the plates are charged, so there is no p.d. across the resistor and the plates sit at the full supply voltage. Between plates at $+800\ \text{V}$ and $+1300\ \text{V}$ the field points from the higher potential to the lower; two positive potentials change nothing about the direction rule.
A charged particle in a uniform field
A charge $q$ in a uniform field feels a constant force$F = qE$, so a constant acceleration$a = qE/m$ — just like a mass in a uniform gravitational field.
released at rest, it speeds up along the field (positive charge) or against it (negative charge), gaining kinetic energy 动能.
entering at right angles to the field, it follows a parabolic 抛物线 path — like a projectile 抛体 in gravity. This is how a cathode-ray tube 阴极射线管 used to steer its beam.
A charge entering a uniform field at right angles follows a parabolic path, like a projectileA charged oil drop held stationary between horizontal plates: the electric force balances the weight, so q = mgd/V
Two forces, not one. A charged oil drop "held stationary" between horizontal plates is the exam's favourite equilibrium 平衡: both an electric force and its weight act on it (the multiple-choice distractor is "electric force only"), and they are equal and opposite. For a negative drop the electric force is opposite to the field, so the top plate must be positive to hold it up.
Worked example. An oil drop of mass $2.6 \times 10^{-15}\ \text{kg}$ carries a charge of $-4.8 \times 10^{-19}\ \text{C}$ and is held stationary in a vacuum between horizontal plates $2.0\ \text{cm}$ apart. Find the p.d. between the plates, and say which plate is positive.
The drop is negative, so the force on it is against the field; for the force to be upwards the field must point down, so the top plate is positive. Notice that the charge is $3e$, three excess electrons, which is how Millikan showed that charge comes in multiples of $e$.
Worked example. Two parallel plates in a vacuum are $0.041\ \text{m}$ apart with a p.d. of $250\ \text{V}$ between them. An electron is released from rest at the negative plate. Find (a) the field strength, (b) the force on the electron and its acceleration, (c) the time it takes to reach the positive plate, (d) its kinetic energy on arrival. ($m_{\text{e}} = 9.11 \times 10^{-31}\ \text{kg}$.)
Worked example (deflection). An electron travelling horizontally at $2.0 \times 10^{7}\ \text{m s}^{-1}$ enters the field between two horizontal plates $18\ \text{mm}$ apart with a p.d. of $400\ \text{V}$. The plates are $30\ \text{mm}$ long. Find the deflection 偏转 of the electron by the time it leaves the field.
The horizontal motion is unaffected: time in the field $t = 0.030/(2.0 \times 10^{7}) = 1.5 \times 10^{-9}\ \text{s}$. Vertically, $a = eE/m_{\text{e}} = eV/(m_{\text{e}} d) = (1.60 \times 10^{-19})(400)/[(9.11 \times 10^{-31})(0.018)] = 3.9 \times 10^{15}\ \text{m s}^{-2}$, so the deflection is $y = \tfrac{1}{2} a t^{2} = \tfrac{1}{2}(3.9 \times 10^{15})(1.5 \times 10^{-9})^{2} = 4.4 \times 10^{-3}\ \text{m}$, less than the half-gap of $9\ \text{mm}$, so the electron does leave the field. Its vertical velocity on exit is $at = 5.9 \times 10^{6}\ \text{m s}^{-1}$, so it leaves at $\tan\theta = 5.9/20$, about $16°$; the path is a parabola, and after the plates (no field) it travels in a straight line in the direction it had on exit.
Explore · Khám phá
Uniform electric field lab · Thực nghiệm điện trường đều
Follow how a charge behaves between parallel plates. · Quan sát cách một điện tích hành xử giữa hai bản plates song song.
This is Coulomb's law 库仑定律. Here $\varepsilon_{0} = 8.85 \times 10^{-12}\ \text{F m}^{-1}$ is the permittivity of free space 真空电容率, and $1/(4\pi\varepsilon_{0}) \approx 9.0 \times 10^{9}\ \text{N m}^{2}\ \text{C}^{-2}$. The force is along the line joining the charges: repulsive for like charges, attractive for opposite charges.
Stating the law in words. "State Coulomb's law" wants a sentence, not a formula: the (electric) force between two point charges is directly proportional to the product of the charges and inversely proportional to the square of their separation. Both proportionalities are needed, and the charges must be point charges (or spheres treated as point charges at their centres) in a vacuum.
Like charges repel; opposite charges attract — the force is along the line joining them
Worked example. Find the electrostatic force between point charges of $+2.0\ \text{nC}$ and $+3.0\ \text{nC}$ placed $4.0\ \text{cm}$ apart. ($1/(4\pi\varepsilon_{0}) = 9.0 \times 10^{9}\ \text{N m}^{2}\ \text{C}^{-2}$.)
Worked example. In a hydrogen atom the proton and the electron may be treated as point charges $120\ \text{pm}$ apart. Find the electric force between them, and compare it with their gravitational attraction. ($m_{\text{p}} = 1.67 \times 10^{-27}\ \text{kg}$, $m_{\text{e}} = 9.11 \times 10^{-31}\ \text{kg}$, $G = 6.67 \times 10^{-11}\ \text{N m}^{2}\ \text{kg}^{-2}$.)
Gravity: $F_{\text{G}} = G m_{\text{p}} m_{\text{e}}/r^{2} = (6.67 \times 10^{-11})(1.67 \times 10^{-27})(9.11 \times 10^{-31})/(1.20 \times 10^{-10})^{2} = 7.0 \times 10^{-48}\ \text{N}$, about $10^{39}$ times smaller. Inside atoms, gravity is irrelevant.
Worked example. Two identical oil droplets in a vacuum have their centres $3.8 \times 10^{-6}\ \text{m}$ apart. Each carries the same charge, and they repel with a force of $1.0 \times 10^{-15}\ \text{N}$. Find the charge on each droplet, and the number of excess electrons it carries.
that is $1.3 \times 10^{-18}/1.60 \times 10^{-19} \approx 8$ electrons. Identical objects with the same sign of charge always repel; do not write "attract" for the direction.
Worked example. A charged sphere X is fixed on an insulating stand. A second sphere Y, of mass $2.0\ \text{g}$, hangs beside it on an insulating thread and settles in equilibrium with the thread at $12°$ to the vertical, its centre $5.0\ \text{cm}$ from the centre of X on the same horizontal level. Find the electric force on Y and, if the spheres carry equal charges, the charge on each.
A charged sphere hanging near a charged sphere: three forces balance, the tension along the thread, the weight and the horizontal electric repulsion, so tan θ = F/mg
Three forces act on Y: its weight $mg$ (down), the tension 张力$T$ (along the thread) and the electric force $F$ (horizontal, away from X because like charges repel). Resolving, $T\cos\theta = mg$ and $T\sin\theta = F$, so
Then $F = Q^{2}/(4\pi\varepsilon_{0} r^{2})$ gives $Q = \sqrt{4\pi\varepsilon_{0} F r^{2}} = \sqrt{(4.2 \times 10^{-3})(0.050)^{2}/(8.99 \times 10^{9})} = 3.4 \times 10^{-8}\ \text{C}$. A closed vector triangle of the three forces is an equally good method; the exam accepts either, but it must show all three forces.
Worked example (helium). A helium atom may be modelled as a nucleus of charge $+2e$ with two electrons in diametrically opposite circular orbits of radius $170\ \text{pm}$. Find the resultant force 合力 on one electron, and hence its orbital speed.
Two forces act on the electron: attraction to the nucleus, at distance $r$, and repulsion from the other electron, at distance $2r$ on the far side:
towards the nucleus. This resultant is the centripetal force, $F = m_{\text{e}} v^{2}/r$, so $v = \sqrt{F r/m_{\text{e}}} = \sqrt{(1.4 \times 10^{-8})(1.70 \times 10^{-10})/(9.11 \times 10^{-31})} = 1.6 \times 10^{6}\ \text{m s}^{-1}$. The trap is to forget the second electron, or to put it at distance $r$ rather than $2r$.
Spheres treated as point charges
A spherical conductor with total charge $Q$ gives, at any point outside, the same field as a point charge $Q$ at its centre (measure $r$ from the centre). Inside a hollow charged conductor the field is zero, so the conductor is an equipotential 等势面.
Explore · Khám phá
Coulomb's law · Định luật Coulomb
F ∝ Qq / r²
Like charges repel, unlike attract — and the force follows 1/r². · Các điện tích cùng dấu đẩy nhau, khác dấu hút nhau — và lực tuân theo 1/r².
permittivity of free space/ˌpɜːmɪˈtɪvəti ɒv friː speɪs/
điện dung không khí
tension/ˈtenʃn/
lực căng
resultant force/rɪˈzʌltənt fɔːs/
lực hợp
equipotential/ˌiːkwɪpəˈtenʃl/
đồng thế
18.4
Electric field due to a point charge
Syllabus · Chương trình
English
recall and use $E = Q / (4\pi\varepsilon_0 r^2)$ for the electric field strength due to a point charge in free space
Tiếng Việt
nhớ và sử dụng $E = Q / (4\pi\varepsilon_0 r^2)$ cho cường độ điện trường do một điện tích điểm tạo ra trong chân không
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
Coulomb's law gives the force between two charges. Divide it by the test charge ($E = F/q$) and you are left with the field of the source charge $Q$alone. The field at distance $r$ from a point charge $Q$ is
$$E = \frac{Q}{4\pi\varepsilon_{0} r^{2}}.$$
It points out from a positive $Q$, in towards a negative $Q$, and falls as $1/r^{2}$ — just like gravitational field 重力场 strength, except gravity is always attractive. For several charges, add the fields as a vector sum 矢量和.
Worked example. The Earth may be treated as a uniform conducting sphere of radius $6.37 \times 10^{6}\ \text{m}$ carrying a total charge of $-4.80 \times 10^{5}\ \text{C}$ spread over its surface. Find the electric field strength at the surface, and compare it with the gravitational field strength there. ($M_{\text{E}} = 5.98 \times 10^{24}\ \text{kg}$.)
directed towards the centre (the charge is negative). Gravity: $g = GM/R^{2} = 9.83\ \text{N kg}^{-1}$, so $E/g \approx 11$; in symbols $E/g = Q/(4\pi\varepsilon_{0} G M)$, which shows that the ratio depends only on the charge-to-mass ratio of the sphere. A charged sphere of mass $m$ and charge $q$ would need $qE = mg$ to float in this field: $q/m = g/E = 0.093\ \text{C kg}^{-1}$.
Worked example. Point charges of $+4.0\ \text{nC}$ and $+1.0\ \text{nC}$ are $30\ \text{cm}$ apart. Where on the line joining them is the resultant field zero?
Between the charges the two fields point in opposite directions; call the distance from the $4.0\ \text{nC}$ charge $x$. Zero resultant needs equal magnitudes:
twice as far from the larger charge. For opposite charges the fields between them point the same way and never cancel: the zero lies outside, beyond the smaller charge.
Explore · Khám phá
Field around a point charge · Trường lực quanh điện tích điểm
Change the charge. Field lines point away from positive and toward negative, and crowd together where the field is strongest. · Thay đổi điện tích. Các đường sức hướng ra xa điện tích dương và về phía điện tích âm, và tụ tập lại nơi trường mạnh nhất.
define electric potential at a point as the work done per unit positive charge in bringing a small test charge from infinity to the point
recall and use the fact that the electric field at a point is equal to the negative of potential gradient at that point
use $V = Q / (4\pi\varepsilon_0 r)$ for the electric potential in the field due to a point charge
understand how the concept of electric potential leads to the electric potential energy of two point charges and use $E_P = Qq / (4\pi\varepsilon_0 r)$
Tiếng Việt
định nghĩa điện thế tại một điểm là công thực hiện trên một đơn vị điện tích dương khi di chuyển một điện tích thử nhỏ từ vô cực đến điểm đó
nhớ và sử dụng thực tế rằng điện trường tại một điểm bằng âm của điện thế gradient tại điểm đó
sử dụng $V = Q / (4\pi\varepsilon_0 r)$ cho điện thế trong điện trường do một điện tích điểm tạo ra
hiểu cách khái niệm điện thế dẫn đến điện thế năng của hai điện tích điểm và sử dụng $E_P = Qq / (4\pi\varepsilon_0 r)$
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
Electric potential 电势$V$ at a point is the work done per unit positive charge in bringing a small positive test charge from infinity 无穷远 to that point:
$$V = \frac{W}{q}.$$
Unit: $\text{V}$. The potential is zero at infinity. For a positive source charge $V > 0$ everywhere outside; for a negative source charge $V < 0$.
The two-mark definition.Electric potential at a point is the work done per unit positive charge in bringing a small test charge from infinity to the point. The marks are for work done per unit (positive) charge and from infinity to the point. The potential of a positive charge is positive because work must be done on a positive test charge to push it in against the repulsion; near a negative charge the field does the work, so the potential is negative. "Explain why the potential near an isolated proton is positive" is answered in exactly those words.
Potential due to a point charge
$$V = \frac{Q}{4\pi\varepsilon_{0} r}.$$
Note the $1/r$ here (compared with $1/r^{2}$ for the field). $V$ is a scalar 标量; for several charges, add the potentials (with sign).
Worked example. Find the electric potential $4.0\ \text{cm}$ from a point charge of $+3.0\ \text{nC}$. ($1/(4\pi\varepsilon_{0}) = 9.0 \times 10^{9}\ \text{N m}^{2}\ \text{C}^{-2}$.)
Because potential is a scalar, the potential from several charges is simply their sum (each with its own sign) — no directions to resolve.
Potential along the line between two charged spheres: like charges give a minimum (field zero there); opposite charges give a zero crossing
Two charged spheres on a line
The exam's favourite structured question puts two charged spheres X and Y some distance apart and draws the potential $V$ along the line joining their centres (or asks you to reason from it). Everything follows from two facts: potential is a scalar that adds with sign, and the field is the negative gradient of the graph.
Sign of the charges. If $V$ is positive along the whole line, both charges are positive; if $V$ changes sign, the charges are opposite (positive near the positive sphere).
Where the field is zero. Where the curve has a minimum (gradient zero). For like charges this lies between them, closer to the smaller charge: $Q_{\text{X}}/x^{2} = Q_{\text{Y}}/(d - x)^{2}$. For opposite charges there is no such point between them: the curve crosses zero there, but its gradient is not zero, so the field is not.
Ratio of the charges. Where $V = 0$ between opposite charges, $Q_{\text{X}}/x = Q_{\text{Y}}/(d - x)$: the distances give the ratio directly. For like charges use the minimum instead (the square root of the field condition).
Force on a charge placed at P. Read the gradient at P by drawing a tangent 切线; then $E$ is minus the gradient, and $F = qE$.
Worked example. Two isolated charged metal spheres X and Y have their centres $1.2\ \text{m}$ apart in a vacuum. The potential along the line between them is positive everywhere and has a minimum at $x = 0.50\ \text{m}$ from the centre of X. State three conclusions, and then find the force on a proton held at $x = 0.60\ \text{m}$, where the gradient of the graph is $+180\ \text{V m}^{-1}$.
Conclusions: (1) both spheres are positively charged, because the potential is positive everywhere; (2) the electric field is zero at $x = 0.50\ \text{m}$, where the gradient is zero; (3) the charge on Y is larger, because the zero-field point lies closer to X; in fact $Q_{\text{Y}}/Q_{\text{X}} = (0.70/0.50)^{2} = 2.0$. At $x = 0.60\ \text{m}$: $E = -180\ \text{V m}^{-1}$ (pointing towards X, since $V$ rises towards Y), so $F = eE = (1.60 \times 10^{-19})(180) = 2.9 \times 10^{-17}\ \text{N}$ towards X. Released, the proton accelerates towards X, its acceleration increasing as the gradient steepens; it needs an external force to hold it still.
Describing the motion. "A positively charged particle is placed at P and released. Describe and explain its motion." The examiner wants: the direction (towards lower potential, down the slope of the $V$ graph); that the force, and so the acceleration, is not constant (it follows the gradient, which changes along the line); and that the particle speeds up throughout, since the force stays in the direction of motion. If P is the zero-field point the particle stays at rest, in unstable equilibrium: a nudge either way sends it off.
The potential near a point charge varies as 1/r — positive for a positive charge, negative for a negative one
Link between field and potential
The field equals the negative potential gradient 电势梯度:
$$E = -\frac{dV}{dx}.$$
Between parallel plates $V$ changes evenly with position, giving $E = V/d$ as before. The minus sign means the field points towards lower potential. For a point charge, $-\dfrac{dV}{dr} = \dfrac{Q}{4\pi\varepsilon_{0} r^{2}} = E$.
The one-line relationship. "State the relationship between electric field and electric potential": the field strength is equal to the negative of the potential gradient, $E = -\Delta V/\Delta x$. On a $V$–$x$ graph $E$ is minus the gradient of a tangent; on a $V$–$r$ graph for a point charge the gradient is steepest close to the charge, where the field is strongest, and the sign of $E$ is fixed by "the field points towards lower potential". The uniform-field version $E = V/d$ is the same statement with a constant gradient.
Equipotentials. An equipotential surface joins points of equal potential; no work is done moving a charge along it, so the field is always at right angles to it. Around a point charge the equipotentials are concentric spheres, growing further apart as $V$ falls; between parallel plates they are planes parallel to the plates. The surface of a conductor is an equipotential, which is why field lines meet it at right angles.
In a uniform field the potential falls steadily with distance, so the field strength $V/d$ is constant
Electric potential energy
A charge $q$ at a point of potential $V$ has electric potential energy 电势能$E_{\text{P}} = qV$. For two point charges $Q$ and $q$ a distance $r$ apart:
like charges: $E_{\text{P}} > 0$ — stored energy that would be released if they flew apart.
opposite charges: $E_{\text{P}} < 0$ — a bound 束缚 system; energy must be supplied to separate them.
In both cases $E_{\text{P}} \to 0$ as $r \to \infty$.
Worked example. The proton and the electron in a hydrogen atom are $5.3 \times 10^{-11}\ \text{m}$ apart. Find the electric potential energy of the pair.
The negative sign is part of the answer: the charges are opposite, so energy ($4.3 \times 10^{-18}\ \text{J}$) must be supplied to pull them apart to infinity. (The electron also has kinetic energy of half that size, so the energy needed to ionise 电离 the atom is $13.6\ \text{eV}$; the "worked-example pattern" below shows why.)
Charge through a p.d. A charge $q$ moved through a potential difference $V$ changes its potential energy by $qV$, which is why an electron accelerated from rest through $250\ \text{V}$ arrives with $250\ \text{eV}$ of kinetic energy whatever the shape of the field. For an MCQ about "moving P a distance $x$ along the field lines", the work done is $qEx$, and its potential energy falls if it moves the way the force pushes it.
Electric PE of two charges: positive for like charges, a negative well for opposite charges
Worked-example pattern
An electron 电子 orbits a nucleus 原子核 of charge $+Ze$ at distance $r$. The Coulomb attraction provides the centripetal force 向心力:
The minus sign in the gravitational potential 引力势 reflects that gravity is always attractive; the electric potential takes the sign of the source charge.
Similarity and difference (a standard two-marker). Both potentials are proportional to $1/r$, both are zero at infinity, and both are scalars; but gravitational potential is always negative (the force is always attractive) whereas electric potential takes the sign of the charge and can be positive. For the fields: both obey an inverse-square law and both are drawn as radial lines around a point source, but gravitational field lines only ever point inwards (attraction), while electric field lines point outwards from a positive charge and inwards to a negative one.
Explore · Khám phá
Electric potential · Điện thế
V = kQ / r
Potential ∝ 1/r around a charge — steep near it, flattening out. · Điện thế ∝ 1/r quanh một điện tích — dốc gần đó, rồi dẹt dần ra.
electric potential energy/ɪˈlektrɪk pəˈtenʃl ˈenədʒi/
thế năng điện
bound/baʊnd/
liên kết
ionise/ˈaɪənaɪz/
ion hóa
gravitational potential/ˌɡrævɪˈteɪʃənl pəˈtenʃl/
thế năng hấp dẫn
18.5
Definitions the examiner accepts
A definition question is marked against fixed wording. Learn these exactly, and give one answer only.
Term
Definition
electric field
a region in which a charge experiences an (electric) force
electric field strength
the force per unit positive charge acting on a small (test) charge placed at the point
electric field line
a line whose direction shows the direction of the force on a positive charge; the spacing of the lines shows the field strength
Coulomb's law
the force between two point charges is directly proportional to the product of the charges and inversely proportional to the square of their separation
electric potential
the work done per unit positive charge in bringing a small test charge from infinity to the point
field and potential
the electric field strength is equal to the negative of the potential gradient: $E = -\Delta V/\Delta x$
electric potential energy (of two charges)
the work done in bringing the charges from infinity to their separation; $Qq/(4\pi\varepsilon_{0} r)$
equipotential
a surface (or line) on which every point has the same potential; the field is at right angles to it
uniform field
a field with the same strength and direction at every point, shown by parallel, evenly spaced field lines
18.5
Exam tips
Four formulae, two with $r^{2}$ and two with $r$: $F = Q_1 Q_2 / 4\pi\varepsilon_0 r^{2}$ and $E = Q/4\pi\varepsilon_0 r^{2}$ (inverse square), $V = Q/4\pi\varepsilon_0 r$ and $E_{\text{P}} = Qq/4\pi\varepsilon_0 r$. Decide which one before you write.
Distinguish a uniform field ($E = V/d$, between plates) from a radial field ($E = Q/4\pi\varepsilon_0 r^{2}$, outside a point charge or a sphere); $r$ for a sphere is measured from the centre, not the surface.
The field points from high to low potential and $E$ is minus the potential gradient: draw a tangent on a $V$–$x$ graph to find it.
Field is a vector (add components, subtract opposing ones); potential is a scalar (add with sign). Between like charges there is a zero-field point; between opposite charges a zero-potential point.
A charged particle in a uniform field: $F = qE$, $a = qE/m$, $E_{\text{k}} = qV$; along the field it is the vertical half of projectile motion, and motion at right angles to the field is unaffected.
The data sheet gives both $\varepsilon_0 = 8.85 \times 10^{-12}\ \text{F m}^{-1}$ and $1/(4\pi\varepsilon_0) = 8.99 \times 10^{9}\ \text{m F}^{-1}$; either works, do not mix them up.
Common mistakes
Defining field strength as "the force on a charge" or "force per unit mass". It is the force per unit positive charge on a small positive charge.
Forgetting to square $r$ in Coulomb's law and in the field, or squaring it in the potential ($V \propto 1/r$).
Using the diameter, or the distance from the surface of a sphere, instead of the centre-to-centre distance.
Sketching $E$ for a sphere from the origin. It is zero inside and starts at $E_0$ on the surface; $V$ is constant inside, not zero.
Field lines without arrows, crossing, or unevenly spaced in a uniform field; lines not at right angles to a conductor.
Dropping the negative sign on the potential energy of opposite charges, or taking the direction of $E$ from the sign of $V$ instead of from its gradient.
Forgetting the second electron in the helium atom, or placing it at distance $r$ rather than $2r$.
Using $E = V/d$ for a point charge, or $E = Q/4\pi\varepsilon_0 r^{2}$ between plates.
Giving an electron weight, or using the proton's mass for an electron; in electrons-between-plates questions the weight is negligible.
Leaving out the weight in an "oil drop held stationary" question, or getting the polarity of the top plate backwards.
define capacitance, as applied to both isolated spherical conductors and to parallel plate capacitors
recall and use $C = Q/V$
derive, using $C = Q/V$, formulae for the combined capacitance of capacitors in series and in parallel
use the capacitance formulae for capacitors in series and in parallel
Tiếng Việt
định nghĩa điện dung, áp dụng cho cả vật dẫn hình cầu cô lập và tụ điện bản phẳng
nhớ lại và sử dụng $C = Q/V$
suy ra, sử dụng $C = Q/V$, các công thức về điện dung tương đương của tụ điện mắc nối tiếp và nối song song
sử dụng các công thức điện dung cho tụ điện mắc nối tiếp và nối song song
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
English
A capacitor 电容器 stores charge. The simplest one is two parallel conductor 导体 plates with an insulator 绝缘体 (a dielectric 电介质, or just vacuum 真空 / air) between them. Connected to a battery, charge $+Q$ builds up on one plate and $-Q$ on the other, with a potential difference 电势差$V$ across the gap.
How the plates become charged. Connect the plates to a battery and electrons flow, through the battery, from the plate joined to the positive terminal 接线端 to the plate joined to the negative terminal. One plate is left with charge $+Q$ and the other gains $-Q$: the charges are always equal and opposite, so the capacitor as a whole stays neutral. The flow stops when the p.d. between the plates equals the e.m.f. of the battery. Nothing crosses the gap; the insulator is what keeps the charge separated.
The capacitance 电容$C$ of any capacitor (or any isolated conductor) is
$$C = \frac{Q}{V}.$$
This applies to:
an isolated sphere holding charge $Q$ at potential $V$ (zero at infinity). For radius $r$, $V = Q/(4\pi\varepsilon_{0}r)$, so $C = 4\pi\varepsilon_{0} r$.
a parallel-plate capacitor: charges $\pm Q$ on the plates, p.d. $V$ between them.
Unit: farad 法拉 (F) $= \text{C V}^{-1}$. A farad is huge, so real capacitors run from $\text{pF}$ to $\text{mF}$.
Capacitance is constant for a given capacitor (set by its size and dielectric). Doubling the charge doubles the voltage, so $C = Q/V$ stays the same.
The two-mark definitions. For a parallel-plate capacitor: the charge on one plate per unit potential difference between the plates. For an isolated sphere (or any isolated conductor): the charge on the conductor per unit potential. The examiner looks for "charge per unit p.d." (or "per unit potential") and, for the plates, that the charge is the charge on one plate and the p.d. is that between the plates. "The charge stored" is accepted; "the total charge on both plates" is not, because that total is zero.
What sets the capacitance. For parallel plates the capacitance is proportional to the plate area and inversely proportional to the separation$x$ ($C \propto 1/x$: halve the gap and the capacitance doubles), and it rises when a dielectric replaces the air. A question that states "$C$ is inversely proportional to $x$" and then moves the plates apart at constant charge is asking for $V = Q/C \propto x$: the p.d. rises in proportion. At constant p.d. (still connected to the supply) it is the charge that falls instead.
Worked example. A $100\ \mu\text{F}$ capacitor is charged to $12\ \text{V}$. Find the charge stored.
Worked example. An isolated metal sphere of radius $15\ \text{cm}$ is charged to a potential of $9.0 \times 10^{3}\ \text{V}$. Find its capacitance and its charge. It is then discharged to earth through a $120\ \text{M}\Omega$ resistor: find the time constant of the discharge.
The time constant is $RC = (1.2 \times 10^{8})(1.67 \times 10^{-11}) = 2.0 \times 10^{-3}\ \text{s}$: even through an enormous resistance the sphere loses its charge in milliseconds, because its capacitance is so small. Notice that $4\pi\varepsilon_{0} = 1/(8.99 \times 10^{9})$, so $C = r/(8.99 \times 10^{9})$ with $r$ in metres.
Combining capacitors
Capacitors in parallel share the same p.d. $V$. The total charge is the sum:
$$Q_{\text{total}} = C_{1} V + C_{2} V + \ldots, \qquad\text{so}\qquad C_{\text{parallel}} = C_{1} + C_{2} + \ldots$$
A parallel combination has larger capacitance than any one capacitor.
Capacitors in series carry the same charge$Q$. The total p.d. is the sum:
A series combination has smaller capacitance than any one capacitor.
Note: these rules are the opposite of those for resistors (resistors sum in series; capacitors sum in parallel), because $C = Q/V$ has $V$ on the bottom while $R = V/I$ has $I$ on the bottom.
Deriving the two rules
"Derive an expression for the combined capacitance" is a show that question, and the mark scheme wants the physics stated, not just the algebra.
Series. The capacitors carry the same charge$Q$: the plate joined to the positive terminal loses electrons to the far plate of the next capacitor, so every plate in the chain holds $\pm Q$. The p.d.s add: $V = V_{1} + V_{2}$. With $V_{1} = Q/C_{1}$ and $V_{2} = Q/C_{2}$, and the combination defined by $V = Q/C$, dividing through by $Q$ gives $1/C = 1/C_{1} + 1/C_{2}$.
Parallel. The capacitors have the same p.d.$V$, because each is connected directly across the supply. The charges add: $Q = Q_{1} + Q_{2} = C_{1}V + C_{2}V$, and $Q = CV$ for the combination, so $C = C_{1} + C_{2}$.
Two capacitors in series always give less than the smaller one; two equal capacitors $C$ give $C/2$ in series and $2C$ in parallel.
Worked example. A $6.0\ \mu\text{F}$ capacitor is in series with a parallel pair of $2.0\ \mu\text{F}$ and $4.0\ \mu\text{F}$. Find the total capacitance, and the charge on each capacitor when $12\ \text{V}$ is applied across the network.
Parallel pair: $2.0 + 4.0 = 6.0\ \mu\text{F}$. In series with $6.0\ \mu\text{F}$: $1/C = 1/6.0 + 1/6.0$, so $C = 3.0\ \mu\text{F}$. Total charge $Q = CV = (3.0 \times 10^{-6})(12) = 3.6 \times 10^{-5}\ \text{C}$: this is the charge on the $6.0\ \mu\text{F}$ capacitor (series, same charge), and it is shared by the parallel pair in the ratio of their capacitances (same p.d., $6.0\ \text{V}$ across each): the $2.0\ \mu\text{F}$ holds $1.2 \times 10^{-5}\ \text{C}$ and the $4.0\ \mu\text{F}$ holds $2.4 \times 10^{-5}\ \text{C}$. Check: they add to $3.6 \times 10^{-5}\ \text{C}$.
Worked example. Capacitors X and Y, each of capacitance $C$, are connected in series across a supply of voltage $V$; capacitors P and Q, each $C$, are connected in parallel across an identical supply. Compare the charge drawn from each supply and the energy stored in each arrangement.
Series: $C_{\text{s}} = C/2$, charge $Q_{\text{s}} = CV/2$, energy $\tfrac{1}{2} C_{\text{s}} V^{2} = CV^{2}/4$. Parallel: $C_{\text{p}} = 2C$, charge $2CV$, energy $CV^{2}$. The parallel arrangement draws four times the charge and stores four times the energy, because at the same supply voltage the energy is $\tfrac{1}{2} C V^{2}$ and the capacitance is four times larger. Asked which arrangement stores more energy from a given supply, the answer is always parallel.
Tiếng Việt
Tụ điện lưu trữ điện tích trong mạch.
Một tụ điện lưu trữ điện tích. Loại đơn giản nhất là hai bản dẫn điện song song với một chất cách điện (một điện môi, hoặc đơn giản là chân không / không khí) nằm giữa chúng. Khi nối với pin, điện tích $+Q$ tích tụ trên một bản và $-Q$ trên bản kia, tạo ra hiệu điện thế$V$ giữa khoảng cách.
Tụ điện bản phẳng: hai bản mang điện tích bằng nhau và trái dấu với hiệu điện thế $V$ giữa khoảng cách
Cách các bản tích điện. Nối các bản với pin và electron di chuyển, thông qua pin, từ bản nối với cực dương đến bản nối với cực âm. Một bản bị mất $+Q$ và bản kia thu được $-Q$: các điện tích luôn bằng nhau và trái dấu, nên toàn bộ tụ điện vẫn trung hòa. Dòng điện dừng lại khi hiệu điện thế giữa hai bản bằng suất điện động của pin. Không có gì vượt qua khoảng cách; chính chất cách điện giữ cho điện tích phân tách.
Điện dung$C$ của bất kỳ tụ điện (hoặc bất kỳ vật dẫn cô lập) nào là
$$C = \frac{Q}{V}.$$
Điều này áp dụng cho:
một hình cầu cô lập mang điện tích $Q$ ở thế $V$ (không ở vô cực). Với bán kính $r$, $V = Q/(4\pi\varepsilon_{0}r)$, do đó $C = 4\pi\varepsilon_{0} r$.
Tụ điện hai bản phẳng: các bản mang điện荷$\pm Q$, hiệu điện thế $V$ giữa chúng.
Đơn vị: farad (F) $= \text{C V}^{-1}$. Một farad rất lớn, nên tụ điện thực tế có giá trị từ $\text{pF}$ đến $\text{mF}$.
Điện dung là hằng số đối với một tụ điện nhất định (do kích thước và điện môi quyết định). Gấp đôi điện tích thì gấp đôi điện áp, do đó $C = Q/V$ vẫn không đổi.
Các định nghĩa 2 điểm. Đối với tụ điện hai bản song song: điện tích trên một bản chia cho hiệu điện thế đơn vị giữa hai bản. Đối với hình cầu cô lập (hoặc bất kỳ vật dẫn cô lập nào): điện tích trên vật dẫn chia cho điện thế đơn vị. Giám khảo tìm kiếm cụm "điện tích trên mỗi đơn vị hiệu điện thế" (hoặc "mỗi đơn vị điện thế") và, đối với các bản, cần rõ ràng rằng điện tích là điện tích của một bản và hiệu điện thế là giữa hai bản. "Điện tích lưu trữ" được chấp nhận; "tổng điện tích trên cả hai bản" thì không, vì tổng này bằng không.
Yếu tố xác định điện dung. Đối với hai bản phẳng, điện dung tỷ lệ thuận với diện tích bản và tỷ lệ nghịch với khoảng cách$x$ ($C \propto 1/x$: giảm nửa khoảng cách thì điện dung tăng gấp đôi), và nó tăng khi chất điện môi thay thế không khí. Một câu hỏi nêu rằng "$C$ tỷ lệ nghịch với $x$" và sau đó di chuyển các bản ra xa nhau ở điện tích không đổi đang hỏi về $V = Q/C \propto x$: hiệu điện thế tăng tỷ lệ thuận. Ở hiệu điện thế không đổi (vẫn nối với nguồn), chính điện tích sẽ giảm đi thay vì thế.
Ví dụ giải. Một tụ điện $100\ \mu\text{F}$ được nạp điện đến $12\ \text{V}$. Tìm điện tích lưu trữ.
Ví dụ giải. Một hình cầu kim loại cô lập bán kính $15\ \text{cm}$ được nạp điện đến mức điện thế $9.0 \times 10^{3}\ \text{V}$. Tìm điện dung và điện tích của nó. Sau đó nó bị xả về đất qua điện trở $120\ \text{M}\Omega$: tìm hằng số thời gian của quá trình xả.
Hằng số thời gian là $RC = (1.2 \times 10^{8})(1.67 \times 10^{-11}) = 2.0 \times 10^{-3}\ \text{s}$: ngay cả qua điện trở khổng lồ, hình cầu mất hết điện tích trong vài miligiây, vì điện dung của nó quá nhỏ. Lưu ý rằng $4\pi\varepsilon_{0} = 1/(8.99 \times 10^{9})$, do đó $C = r/(8.99 \times 10^{9})$ với $r$ tính bằng mét.
Tụ điện thực dao động từ lon điện phân lớn (điện dung cao) xuống các loại film và gốm cực nhỏ -- từ pF đến mF
Ghép tụ điện
Tụ điện mắc song song có cùng hiệu điện thế $V$. Tổng điện tích là tổng:
$$Q_{\text{total}} = C_{1} V + C_{2} V + \ldots, \qquad\text{so}\qquad C_{\text{parallel}} = C_{1} + C_{2} + \ldots$$
Mạch ghép song song có điện dung lớn hơn bất kỳ tụ điện nào riêng lẻ.
Tụ điện mắc song song có cùng hiệu điện thế; các điện tích cộng lại
Tụ điện mắc nối tiếp mang cùng một điện tích$Q$. Tổng hiệu điện thế là tổng:
Mạch ghép nối tiếp có điện dung nhỏ hơn bất kỳ tụ điện nào riêng lẻ.
Tụ điện mắc nối tiếp mang cùng điện tích; các hiệu điện thế cộng lại
Lưu ý: các quy tắc này là ngược lại so với quy tắc đối với điện trở (điện trở cộng lại khi mắc nối tiếp; tụ điện cộng lại khi mắc song song), bởi vì $C = Q/V$ có $V$ ở mẫu số trong khi $R = V/I$ có $I$ ở mẫu số.
Suy luận hai quy tắc
"Suy ra biểu thức điện dung tổng hợp" là dạng câu hỏi chứng minh, và đáp án chấm muốn trình bày vật lý chứ không chỉ đại số.
Nối tiếp. Các tụ điện mang cùng một điện tích$Q$: bản nối với cực dương mất electron sang bản xa của tụ tiếp theo, do đó mọi bản trong chuỗi đều giữ $\pm Q$. Các hiệu điện thế cộng lại: $V = V_{1} + V_{2}$. Với $V_{1} = Q/C_{1}$ và $V_{2} = Q/C_{2}$, và mạch tổng hợp được xác định bởi $V = Q/C$, chia cả hai vế cho $Q$ sẽ thu được $1/C = 1/C_{1} + 1/C_{2}$.
Song song. Các tụ điện có cùng hiệu điện thế$V$, vì mỗi tụ đều được mắc trực tiếp qua nguồn. Các điện tích cộng lại: $Q = Q_{1} + Q_{2} = C_{1}V + C_{2}V$, và $Q = CV$ đối với mạch tổng hợp, do đó $C = C_{1} + C_{2}$.
Hai tụ điện mắc nối tiếp luôn cho kết quả nhỏ hơn tụ nhỏ nhất; hai tụ điện bằng nhau $C$ sẽ cho $C/2$ khi mắc nối tiếp và $2C$ khi mắc song song.
Mạng lưới được rút gọn từng bước: ghép cặp song song trước, sau đó ghép cặp nối tiếp
Ví dụ giải. Một tụ điện $6.0\ \mu\text{F}$ mắc nối tiếp với cặp song song gồm $2.0\ \mu\text{F}$ và $4.0\ \mu\text{F}$. Tìm điện dung tổng, và điện tích trên mỗi tụ khi $12\ \text{V}$ được đặt lên toàn bộ mạch.
Cặp song song: $2.0 + 4.0 = 6.0\ \mu\text{F}$. Nối tiếp với $6.0\ \mu\text{F}$: $1/C = 1/6.0 + 1/6.0$, nên $C = 3.0\ \mu\text{F}$. Tổng điện荷$Q = CV = (3.0 \times 10^{-6})(12) = 3.6 \times 10^{-5}\ \text{C}$: đây là điện荷 trên tụ $6.0\ \mu\text{F}$ (nối tiếp, cùng điện荷), và nó được chia sẻ bởi cặp song song theo tỷ lệ điện dung của chúng (cùng hiệu điện thế, $6.0\ \text{V}$ trên mỗi tụ): tụ $2.0\ \mu\text{F}$ giữ $1.2 \times 10^{-5}\ \text{C}$ và tụ $4.0\ \mu\text{F}$ giữ $2.4 \times 10^{-5}\ \text{C}$. Kiểm tra: chúng cộng lại thành $3.6 \times 10^{-5}\ \text{C}$.
Ví dụ giải. Tụ X và Y, mỗi tụ có điện dung $C$, được mắc nối tiếp qua nguồn điện áp $V$; tụ P và Q, mỗi tụ $C$, được mắc song song qua cùng một nguồn tương tự. So sánh điện tích lấy từ mỗi nguồn và năng lượng lưu trữ trong mỗi cấu hình.
Dãy: $C_{\text{s}} = C/2$, điện tích $Q_{\text{s}} = CV/2$, năng lượng $\tfrac{1}{2} C_{\text{s}} V^{2} = CV^{2}/4$. mắc song song: $C_{\text{p}} = 2C$, điện tích $2CV$, năng lượng $CV^{2}$. Cách mắc song song tiêu thụ bốn lần điện tích và lưu trữ bốn lần năng lượng, vì ở cùng điện áp nguồn thì năng lượng là $\tfrac{1}{2} C V^{2}$ và điện dung lớn hơn bốn lần. Khi được hỏi cách mắc nào lưu trữ nhiều năng lượng hơn từ một nguồn cho trước, câu trả lời luôn là mắc song song.
Explore · Khám phá
Capacitance · Điện dung
Q = C·V
Charge stored is proportional to voltage — the gradient is the capacitance C. · Điện tích lưu trữ tỷ lệ thuận với hiệu điện thế — độ dốc chính là điện dung C.
Energy stored in a capacitor · Năng lượng lưu trữ trong tụ điện
Syllabus · Chương trình
English
determine the electric potential energy stored in a capacitor from the area under the potential–charge graph
recall and use $W = \frac{1}{2}QV = \frac{1}{2}CV^2$
Tiếng Việt
xác định năng lượng điện thế dự trữ trong tụ điện từ diện tích dưới đồ thị hiệu điện thế–điện tích
nhớ lại và sử dụng $W = \frac{1}{2}QV = \frac{1}{2}CV^2$
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
English
Charging a capacitor from $0$ to $Q$ needs work, because each extra bit of charge is pushed against the p.d. already there. When the charge is $q$, the p.d. is $V(q) = q/C$, so adding a small charge $dq$ needs work $V\,dq$. The total work is
Worked example. The graph of charge $Q$ against p.d. $V$ for a capacitor is a straight line through the origin passing through $(10\ \text{V},\ 1.2 \times 10^{-3}\ \text{C})$. Find the capacitance and the energy stored at $10\ \text{V}$, and then the extra energy stored when the p.d. is raised to $12\ \text{V}$.
The gradient of $Q$ against $V$ is $C = 1.2 \times 10^{-3}/10 = 1.2 \times 10^{-4}\ \text{F} = 120\ \mu\text{F}$. Energy is the area under the line: $\tfrac{1}{2}QV = \tfrac{1}{2}(1.2 \times 10^{-3})(10) = 6.0 \times 10^{-3}\ \text{J}$. At $12\ \text{V}$: $\tfrac{1}{2}CV^{2} = \tfrac{1}{2}(1.2 \times 10^{-4})(12)^{2} = 8.6 \times 10^{-3}\ \text{J}$, so the extra energy is $2.6 \times 10^{-3}\ \text{J}$. Do not find the extra energy from the extra charge as $\tfrac{1}{2}(\Delta Q)V$: energy is not proportional to charge, so subtract the two areas.
Reading the $Q$–$V$ graph
A plot of $V$ against $Q$ is a straight line through the origin with gradient $1/C$. The energy stored is the area under the line up to a given charge $Q$, which is the triangle $\tfrac{1}{2} Q V$. The factor $\tfrac{1}{2}$ is there because the average p.d. during charging is $V/2$ (it grows from zero to $V$), not $V$.
Why charging is "half efficient"
Connect a capacitor $C$ to an ideal battery of e.m.f. $V$ through a wire. The capacitor stores $\tfrac{1}{2} C V^{2}$, but the battery supplies charge $Q = CV$ at e.m.f. $V$, giving out $QV = CV^{2}$. The other half is lost as heat in the wire — whatever the wire's resistance.
Sharing charge between capacitors
A fully charged capacitor X (capacitance $C$, p.d. $V$, charge $Q = CV$) is disconnected from its supply and connected across an uncharged capacitor Y of capacitance $3C$. Charge flows until the two p.d.s are equal. Two principles settle everything:
Charge is conserved. The total charge is still $Q$, now spread over a parallel pair of total capacitance $4C$, so the common p.d. is $V' = Q/(4C) = V/4$. X keeps $Q/4$ and Y takes $3Q/4$ (charge in the ratio of the capacitances, since the p.d. is the same).
Energy is not conserved. Before: $\tfrac{1}{2} C V^{2}$. After: $\tfrac{1}{2}(4C)(V/4)^{2} = \tfrac{1}{8} C V^{2}$. Three-quarters of the energy has gone: it is dissipated 耗散 as heat in the connecting wires (and as a spark or electromagnetic radiation) while the charge moves, however small the resistance.
Worked example. A $220\ \mu\text{F}$ capacitor charged to $9.0\ \text{V}$ is connected across an uncharged $440\ \mu\text{F}$ capacitor. Find the final p.d. and the energy lost.
$Q = CV = (220 \times 10^{-6})(9.0) = 1.98 \times 10^{-3}\ \text{C}$; total capacitance $660\ \mu\text{F}$, so $V' = 1.98 \times 10^{-3}/(660 \times 10^{-6}) = 3.0\ \text{V}$. Energy before: $\tfrac{1}{2}(220 \times 10^{-6})(9.0)^{2} = 8.9 \times 10^{-3}\ \text{J}$; after: $\tfrac{1}{2}(660 \times 10^{-6})(3.0)^{2} = 3.0 \times 10^{-3}\ \text{J}$; lost: $5.9 \times 10^{-3}\ \text{J}$, two-thirds of the original. A capacitor connected to another of capacitance $kC$ always loses the fraction $k/(k+1)$.
Tiếng Việt
Sạc tụ điện từ $0$ đến $Q$ cần thực hiện công, vì mỗi phần điện tích thêm vào đều bị đẩy ngược lại hiệu điện thế (p.d.) đã có sẵn. Khi điện tích là $q$, hiệu điện thế là $V(q) = q/C$, nên thêm một lượng điện tích nhỏ $dq$ cần thực hiện công $V\,dq$. Tổng công thực hiện là
Ví dụ minh họa. Đồ thị của điện tích $Q$ theo hiệu điện thế $V$ đối với một tụ điện là đường thẳng đi qua gốc tọa độ và đi qua $(10\ \text{V},\ 1.2 \times 10^{-3}\ \text{C})$. Hãy tìm điện dung và năng lượng lưu trữ tại $10\ \text{V}$, sau đó tính lượng năng lượng bổ sung khi hiệu điện thế tăng lên $12\ \text{V}$.
Độ dốc của $Q$ theo $V$ là $C = 1.2 \times 10^{-3}/10 = 1.2 \times 10^{-4}\ \text{F} = 120\ \mu\text{F}$. Năng lượng là diện tích dưới đường thẳng: $\tfrac{1}{2}QV = \tfrac{1}{2}(1.2 \times 10^{-3})(10) = 6.0 \times 10^{-3}\ \text{J}$. Tại $12\ \text{V}$: $\tfrac{1}{2}CV^{2} = \tfrac{1}{2}(1.2 \times 10^{-4})(12)^{2} = 8.6 \times 10^{-3}\ \text{J}$, do đó năng lượng bổ sung là $2.6 \times 10^{-3}\ \text{J}$. Đừng tính năng lượng bổ sung bằng cách lấy điện tích bổ sung nhân với hiệu điện thế như $\tfrac{1}{2}(\Delta Q)V$: năng lượng không tỷ lệ thuận với điện tích, nên hãy lấy hiệu giữa hai diện tích.
Đọc đồ thị $Q$–$V$
Biểu diễn của $V$ theo $Q$ là đường thẳng đi qua gốc tọa độ với độ dốc $1/C$. Năng lượng lưu trữ là diện tích dưới đường thẳng đến một giá trị điện tích cho trước $Q$, đó là tam giác $\tfrac{1}{2} Q V$. Hệ số $\tfrac{1}{2}$ xuất hiện vì hiệu điện thế trung bình trong quá trình sạc là $V/2$ (nó tăng từ không đến $V$), chứ không phải $V$.
Năng lượng lưu trữ là diện tích dưới đường hiệu điện thế–điện tích (tam giác $\tfrac{1}{2}QV$)
Tại sao quá trình sạc chỉ "hiệu suất một nửa"
Kết nối tụ điện $C$ với pin lý tưởng có suất điện động $V$ thông qua dây dẫn. Tụ điện lưu trữ $\tfrac{1}{2} C V^{2}$, nhưng pin cung cấp điện tích $Q = CV$ ở suất điện động $V$, tạo ra $QV = CV^{2}$. Nửa còn lại bị mất dưới dạng nhiệt trong dây — bất kể điện trở của dây là bao nhiêu.
Chia sẻ điện tích giữa các tụ điện
Kết nối tụ điện đã sạc với tụ điện chưa sạc: điện tích được bảo toàn, hiệu điện thế cân bằng, và năng lượng bị mất
Một tụ điện X đã được sạc đầy (điện dung $C$, hiệu điện thế $V$, điện tích $Q = CV$) được ngắt khỏi nguồn và kết nối song song với tụ điện Y chưa sạc có điện dung $3C$. Điện tích sẽ chảy cho đến khi hai hiệu điện thế bằng nhau. Hai nguyên lý quyết định mọi thứ:
Điện tích được bảo toàn. Tổng điện tích vẫn là $Q$, giờ phân bố trên cặp mắc song song có tổng điện dung $4C$, nên hiệu điện thế chung là $V' = Q/(4C) = V/4$. Tụ X giữ lại $Q/4$ và tụ Y nhận $3Q/4$ (điện tích theo tỷ lệ của điện dung, vì hiệu điện thế giống nhau).
Năng lượng không được bảo toàn. Trước: $\tfrac{1}{2} C V^{2}$. Sau: $\tfrac{1}{2}(4C)(V/4)^{2} = \tfrac{1}{8} C V^{2}$. Ba phần tư năng lượng đã biến mất: nó bị tản nhiệt thành nhiệt trong các dây dẫn kết nối (và dưới dạng tia lửa hoặc bức xạ điện từ) khi điện tích di chuyển, dù điện trở có nhỏ đến đâu.
Ví dụ minh họa. Một tụ điện $220\ \mu\text{F}$ được sạc đến $9.0\ \text{V}$ được kết nối song song với tụ điện chưa sạc $440\ \mu\text{F}$. Hãy tìm hiệu điện thế cuối cùng và năng lượng bị mất.
$Q = CV = (220 \times 10^{-6})(9.0) = 1.98 \times 10^{-3}\ \text{C}$; tổng điện dung $660\ \mu\text{F}$, nên $V' = 1.98 \times 10^{-3}/(660 \times 10^{-6}) = 3.0\ \text{V}$. Năng lượng trước: $\tfrac{1}{2}(220 \times 10^{-6})(9.0)^{2} = 8.9 \times 10^{-3}\ \text{J}$; sau: $\tfrac{1}{2}(660 \times 10^{-6})(3.0)^{2} = 3.0 \times 10^{-3}\ \text{J}$; mất: $5.9 \times 10^{-3}\ \text{J}$, tương đương hai phần ba giá trị ban đầu. Một tụ điện kết nối với tụ khác có điện dung $kC$ luôn mất đi tỷ lệ phần trăm $k/(k+1)$.
Explore · Khám phá
Energy in a capacitor · Năng lượng trong tụ điện
E = ½C·V²
Stored energy grows with the square of the voltage. · Năng lượng lưu trữ tăng theo bình phương của hiệu điện thế.
Capacitor discharging through a resistor · Tụ điện xả qua điện trở
Syllabus · Chương trình
English
analyse graphs of the variation with time of potential difference, charge and current for a capacitor discharging through a resistor
recall and use $\tau = RC$ for the time constant for a capacitor discharging through a resistor
use equations of the form $x = x_0 e^{-(t/RC)}$ where $x$ could represent current, charge or potential difference for a capacitor discharging through a resistor
Tiếng Việt
phân tích các đồ thị biểu diễn sự biến thiên theo thời gian của hiệu điện thế, điện tích và dòng điện đối với tụ điện xả điện qua điện trở
nhớ lại và sử dụng $\tau = RC$ cho hằng số thời gian của tụ điện xả điện qua điện trở
sử dụng các phương trình có dạng $x = x_0 e^{-(t/RC)}$ trong đó $x$ có thể là dòng điện, điện tích hoặc hiệu điện thế cho tụ điện xả điện qua điện trở
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
English
A capacitor $C$ charged to $V_{0}$ is connected through a switch to a resistor 电阻器 of resistance 电阻$R$. When the switch closes at $t = 0$, the capacitor discharges.
Setting up the equation
By Kirchhoff's second law 基尔霍夫第二定律 around the loop, $V_{C} = V_{R}$. Using $V_{C} = Q/C$, $V_{R} = IR$ and $I = -dQ/dt$:
$$\frac{Q}{C} = -R \frac{dQ}{dt}.$$
This is solved by an exponential decay 指数衰减 with time constant $RC$.
Discharge equations
Charge $Q$, p.d. $V$ and current $I$ all decay exponentially with the same time constant:
$$Q = Q_{0} e^{-t / (RC)}, \qquad V = V_{0} e^{-t / (RC)}, \qquad I = I_{0} e^{-t / (RC)},$$
with $I_{0} = V_{0}/R$.
Reading the three graphs. All three curves have the same shape and the same time constant, so one measurement of $\tau$ from any of them gives $RC$. The current is largest the instant the switch closes, $I_{0} = V_{0}/R$, because the full p.d. $V_{0}$ is then across the resistor; it falls as the p.d. falls. The area under the $I$–$t$ graph is the charge that has flowed, so the total area is $Q_{0} = CV_{0}$, and the charge that flows in the first time constant is $Q_{0}(1 - e^{-1}) = 0.63\,Q_{0}$. The gradient of the $Q$–$t$ graph is $-I$: steepest at the start, flattening as the current dies away. (During charging through a resistor the current has the same decaying shape, while $V$ and $Q$ rise as $V_{0}(1 - e^{-t/RC})$, the mirror image of the discharge curve.)
Time constant
$$\tau = RC$$
is the time constant 时间常数 (in seconds: $\Omega \cdot \text{F} = \text{s}$). It is the time for a decaying quantity to fall to $1/e \approx 0.37$ (about 37%) of its starting value. After $2\tau$ it is at about 13.5%; after $5\tau$, below 1%.
Worked example. A $100\ \mu\text{F}$ capacitor charged to $12\ \text{V}$ is discharged through a $47\ \text{k}\Omega$ resistor. Find the time constant and the voltage after one time constant.
After one time constant the voltage falls to $1/e$ of its start: $V = 12 \times 0.37 \approx 4.4\ \text{V}$.
Worked example. A $470\ \mu\text{F}$ capacitor is charged to $24\ \text{V}$ and then discharged through a $5.6\ \text{k}\Omega$ resistor. Find (a) the initial charge and energy, (b) the time constant and the initial current, (c) the p.d. after $4.0\ \text{s}$, (d) the time for the p.d. to fall to $6.0\ \text{V}$.
Keep the time constant unrounded ($2.632\ \text{s}$) inside the calculation and round only the answers. The rearrangement in (d) is the one most often asked and most often botched: $\ln(V/V_{0})$ is negative, so $t$ comes out positive.
Worked example. From a discharge graph, the p.d. across a $2200\ \mu\text{F}$ capacitor falls from $6.0\ \text{V}$ to $2.2\ \text{V}$ in $4.5\ \text{s}$. Find the resistance of the resistor.
$2.2/6.0 = 0.367 \approx 1/e$, so $4.5\ \text{s}$ is one time constant: $R = \tau/C = 4.5/(2200 \times 10^{-6}) = 2.0 \times 10^{3}\ \Omega$. If the fall is not to $1/e$, use $RC = -t/\ln(V/V_{0})$; the answer is the same either way.
To find $\tau$ from a curve: read the time to fall to $1/e$ of the start. Or take logs: $\ln(V/V_{0}) = -t/(RC)$, so a plot of $\ln V$ against $t$ is a straight line with gradient $-1/(RC)$.
Using the logarithmic graph. In an experiment, plot $\ln V$ (or $\ln I$) on the $y$-axis against $t$. The points should lie on a straight line: its gradient is $-1/(RC)$, so $RC = -1/\text{gradient}$, and its intercept 截距 on the $\ln V$ axis is $\ln V_{0}$. A straight line is the test that the decay really is exponential; a curve means it is not. Take the gradient from two points far apart on the best-fit line, not from two data points, and quote $RC$ in seconds.
Reading graphs during discharge
$Q$ against $V_{C}$: since $Q = C V$ always, this is a straight line through the origin with gradient $C$. Discharge moves the point from $(V_{0}, Q_{0})$ down to $(0,0)$.
$I$ against $V_{C}$: since $I = V_{C}/R$, this is a straight line through the origin with gradient $1/R$, so you can find $R$.
Common exam questions
Given a discharge curve $V(t)$ or $Q(t)$:
read the start value $V_{0}$ or $Q_{0}$ at $t = 0$.
read the time to fall to $V_{0}/e$ → time constant $\tau = RC$.
given $R$, find $C = \tau / R$ (or the other way round).
predict a later value with the exponential formula.
A capacitor as a smoothing component
A rectifier 整流器 (Topic 21) turns an alternating voltage into a series of positive humps. A capacitor connected across the load smooths them. Near each peak 峰值 the diodes conduct and the capacitor charges to the peak voltage; as the supply voltage falls away the diodes stop conducting and the capacitor discharges through the load resistor, holding the output up until the next hump rises above it and recharges the capacitor. The output therefore falls only a little between peaks; the rise and fall that remains is the ripple 纹波.
How much it falls depends on the time constant of the discharge, $RC$, compared with the time between peaks. A larger capacitance, or a larger load resistance (a smaller load current), gives a larger $RC$, a slower decay and a smaller ripple; a heavily loaded supply (small $R$) has a larger ripple. Asked to sketch the smoothed output, draw it touching each peak, decaying slightly between them, and never falling to zero.
Tiếng Việt
Tụ điện $C$ được sạc đến $V_{0}$ được kết nối thông qua công tắc với điện trở có điện trở$R$. Khi đóng công tắc tại $t = 0$, tụ điện bắt đầu xả.
Tụ điện sạc thông qua công tắc A, sau đó xả qua điện trở thông qua công tắc B
Thiết lập phương trình
Theo định luật Kirchhoff thứ hai quanh vòng lặp, $V_{C} = V_{R}$. Sử dụng $V_{C} = Q/C$, $V_{R} = IR$ và $I = -dQ/dt$:
$$\frac{Q}{C} = -R \frac{dQ}{dt}.$$
Phương trình này có nghiệm là sự giảm dần theo hàm mũ với hằng số thời gian $RC$.
Phương trình xả
Điện tích $Q$, hiệu điện thế $V$ và dòng điện $I$ đều giảm dần theo hàm mũ với cùng hằng số thời gian:
$$Q = Q_{0} e^{-t / (RC)}, \qquad V = V_{0} e^{-t / (RC)}, \qquad I = I_{0} e^{-t / (RC)},$$
với $I_{0} = V_{0}/R$.
Dòng điện xả bắt đầu ở $V_0/R$ và giảm dần với cùng hằng số thời gian; diện tích dưới đường cong là điện tích đã chảy
Đọc ba biểu đồ. Cả ba đường cong đều có cùng hình dạng và hằng số thời gian như nhau, nên một phép đo $\tau$ từ bất kỳ đường nào trong số chúng đều cho $RC$. Dòng điện đạt giá trị lớn nhất ngay khi công tắc đóng, $I_{0} = V_{0}/R$, vì lúc đó hiệu điện thế (p.d.) $V_{0}$ toàn bộ đặt lên điện trở; nó giảm dần khi hiệu điện thế giảm. Diện tích nằm dưới biểu đồ $I$–$t$ chính là điện lượng đã truyền qua, do đó tổng diện tích là $Q_{0} = CV_{0}$, và điện lượng truyền qua trong khoảng thời gian bằng một hằng số thời gian đầu tiên là $Q_{0}(1 - e^{-1}) = 0.63\,Q_{0}$. Độ dốc của biểu đồ $Q$–$t$ là $-I$: dốc nhất ở đầu, sau đó phẳng ra khi dòng điện tắt dần. (Trong quá trình sạc thông qua điện trở, dòng điện có cùng hình dạng suy giảm, trong khi $V$ và $Q$ tăng lên theo $V_{0}(1 - e^{-t/RC})$, là ảnh phản chiếu của đường cong xả năng lượng.)
Điện tích suy giảm mũ trong quá trình xả, giảm xuống $Q_0/e$ sau một hằng số thời gian $RC$
Hằng số thời gian
$$\tau = RC$$
là hằng số thời gian (đơn vị giây: $\Omega \cdot \text{F} = \text{s}$). Đây là thời gian để một đại lượng suy giảm giảm xuống còn $1/e \approx 0.37$ (khoảng 37%) so với giá trị ban đầu. Sau $2\tau$, giá trị còn khoảng 13.5%; sau $5\tau$, nhỏ hơn 1%.
Ví dụ giải. Một tụ điện $100\ \mu\text{F}$ được nạp đến $12\ \text{V}$, sau đó xả qua điện trở $47\ \text{k}\Omega$. Tìm hằng số thời gian và điện áp sau một hằng số thời gian.
Sau một hằng số thời gian, điện áp giảm xuống $1/e$ so với giá trị ban đầu: $V = 12 \times 0.37 \approx 4.4\ \text{V}$.
Ví dụ giải. Một tụ điện $470\ \mu\text{F}$ được nạp đến $24\ \text{V}$ và sau đó xả qua điện trở $5.6\ \text{k}\Omega$. Tính (a) điện tích và năng lượng ban đầu, (b) hằng số thời gian và dòng điện ban đầu, (c) hiệu điện thế sau $4.0\ \text{s}$, (d) thời gian để hiệu điện thế giảm xuống $6.0\ \text{V}$.
Giữ nguyên hằng số thời gian chưa làm tròn ($2.632\ \text{s}$) bên trong phép tính và chỉ làm tròn các đáp án cuối cùng. Việc chuyển vế ở câu (d) là dạng thường gặp nhất và cũng dễ bị sai nhất nhất: $\ln(V/V_{0})$ là số âm, nên $t$ sẽ ra kết quả dương.
Ví dụ giải. Từ biểu đồ xả, hiệu điện thế giữa hai bản tụ $2200\ \mu\text{F}$ giảm từ $6.0\ \text{V}$ xuống $2.2\ \text{V}$ trong $4.5\ \text{s}$. Tìm điện trở của điện trở.
$2.2/6.0 = 0.367 \approx 1/e$, do đó $4.5\ \text{s}$ chính là một hằng số thời gian: $R = \tau/C = 4.5/(2200 \times 10^{-6}) = 2.0 \times 10^{3}\ \Omega$. Nếu mức giảm không phải về $1/e$, hãy dùng $RC = -t/\ln(V/V_{0})$; kết quả vẫn giống nhau dù chọn cách nào.
Để tìm $\tau$ từ một đường cong: đọc thời gian để giảm xuống $1/e$ giá trị bắt đầu. Hoặc sử dụng logarit: $\ln(V/V_{0}) = -t/(RC)$, do đó biểu đồ vẽ $\ln V$ theo $t$ sẽ là một đường thẳng có độ dốc là $-1/(RC)$.
Biểu đồ $\ln V$ theo thời gian là một đường thẳng có độ dốc $-1/(RC)$
Sử dụng biểu đồ logarit. Trong thực nghiệm, vẽ $\ln V$ (hoặc $\ln I$) trên trục $y$ theo $t$. Các điểm dữ liệu nên nằm trên một đường thẳng: độ dốc của nó là $-1/(RC)$, suy ra $RC = -1/\text{gradient}$, và giao điểm của nó trên trục $\ln V$ là $\ln V_{0}$. Một đường thẳng là tiêu chuẩn để xác định sự suy giảm thực sự mang tính hàm mũ; nếu là đường cong thì không phải. Hãy lấy độ dốc từ hai điểm xa nhau trên đường phù hợp tốt nhất, không phải từ hai điểm dữ liệu trực tiếp, và ghi kết quả $RC$ theo đơn vị giây.
Đọc biểu đồ trong quá trình xả
Vẽ $Q$ theo $V_{C}$: vì $Q = C V$ luôn đúng, đây là đường thẳng đi qua gốc tọa độ với độ dốc $C$. Quá trình xả năng lượng di chuyển điểm này từ $(V_{0}, Q_{0})$ xuống $(0,0)$.
$I$ theo $V_{C}$: vì $I = V_{C}/R$, đây là đường thẳng đi qua gốc tọa độ với độ dốc là $1/R$, do đó bạn có thể tìm được $R$.
Các câu hỏi thi thường gặp
Cho trước một đường cong xả năng lượng $V(t)$ hoặc $Q(t)$:
Đọc giá trị ban đầu $V_{0}$ hoặc $Q_{0}$ tại $t = 0$.
Đọc thời gian để giảm xuống $V_{0}/e$ → hằng số thời gian $\tau = RC$.
Một tụ điện mắc song song với tải của bộ chỉnh lưu được nạp tại mỗi đỉnh và xả qua tải ở khoảng giữa, biến các gợn sóng thành tín hiệu đầu ra gần như ổn định với một phần gợn sóng nhỏ
Một bộ chỉnh lưu (Chủ đề 21) biến điện áp xoay chiều thành chuỗi các gợn sóng dương. Một tụ điện được mắc song song với tải sẽ làm mịn chúng. Gần mỗi đỉnh, diode dẫn điện và tụ được nạp đến điện áp đỉnh; khi điện áp nguồn giảm dần, diode ngừng dẫn điện và tụ xả qua điện trở tải, giữ cho tín hiệu đầu ra duy trì cho đến khi gợn sóng tiếp theo nổi lên vượt qua và nạp lại cho tụ. Do đó, tín hiệu đầu ra chỉ giảm nhẹ giữa các đỉnh; phần dao động lên xuống còn sót lại chính là gợn sóng (ripple).
Mức độ suy giảm phụ thuộc vào hằng số thời gian của quá trình xả năng lượng, $RC$, so với khoảng thời gian giữa các đỉnh. Điện dung lớn hơn, hoặc điện trở tải lớn hơn (dòng tải nhỏ hơn), sẽ tạo ra $RC$ lớn hơn, tốc độ suy giảm chậm hơn và gợn sóng nhỏ hơn; nguồn bị tải nặng ($R$ nhỏ) sẽ có gợn sóng lớn hơn. Khi được yêu cầu phác thảo tín hiệu đầu ra đã được lọc, hãy vẽ nó chạm vào mỗi đỉnh, suy giảm nhẹ nhàng giữa các đỉnh, và tuyệt đối không được chạm đến mức không.
Definitions the examiner accepts · Các định nghĩa mà giám khảo chấp nhận
English
A definition question is marked against fixed wording. Learn these exactly, and give one answer only.
Term
Definition
capacitance (parallel-plate capacitor)
the charge on one plate per unit potential difference between the plates
capacitance (isolated conductor)
the charge on the conductor per unit potential
farad
one coulomb per volt
capacitors in series
the same charge on each; the p.d.s add; $1/C = 1/C_{1} + 1/C_{2}$
capacitors in parallel
the same p.d. across each; the charges add; $C = C_{1} + C_{2}$
energy stored
the work done in charging the capacitor, equal to the area under the potential–charge graph; $W = \tfrac{1}{2}QV = \tfrac{1}{2}CV^{2}$
time constant
the product $RC$; the time for the charge (or p.d., or current) to fall to $1/e$ of its initial value
Tiếng Việt
Câu hỏi định nghĩa được chấm dựa trên văn phong cố định. Hãy học thuộc những định nghĩa này và chỉ đưa ra một đáp án duy nhất.
Thuật ngữ
Định nghĩa
điện dung (tụ bản phẳng)
điện tích trên một bản chia cho hiệu điện thế đơn vị giữa hai bản
điện dung (dẫn điện cô lập)
điện tích trên dẫn điện chia cho điện thế đơn vị
farad
một coulomb trên volt
tụ điện mắc nối tiếp
cùng một điện lượng trên mỗi tụ; các hiệu điện thế cộng lại; $1/C = 1/C_{1} + 1/C_{2}$
tụ điện mắc song song
cùng hiệu điện thế (p.d.) giữa hai bản; điện tích cộng lại; $C = C_{1} + C_{2}$
năng lượng lưu trữ
công thực hiện trong quá trình nạp điện cho tụ, bằng diện tích dưới đồ thị hiệu điện thế – điện tích; $W = \tfrac{1}{2}QV = \tfrac{1}{2}CV^{2}$
hằng số thời gian
tích $RC$; thời gian để điện lượng (hoặc hiệu điện thế, hoặc dòng điện) giảm xuống $1/e$ giá trị ban đầu
19.3
Exam tips · Mẹo làm bài thi
English
$C = Q/V$ defines capacitance; for an isolated sphere $C = 4\pi\varepsilon_{0} r$. Energy stored $W = \tfrac{1}{2}QV = \tfrac{1}{2}CV^{2} = Q^{2}/2C$: pick the form that uses what you know, and remember that energy is not proportional to charge.
Combine capacitors the opposite way to resistors (parallel add, series reciprocal), and reduce a network one step at a time.
Charge sharing: charge is conserved, energy is not. Find the common p.d. from the total charge and the total capacitance first, then the energies.
Discharge: $x = x_{0} e^{-t/RC}$ for $Q$, $V$ and $I$ alike; $t = -RC \ln(x/x_{0})$; $\tau = RC$ is in seconds ($\Omega \cdot \text{F} = \text{s}$) and is the time to fall to $37\%$, not to zero.
Graphs: the initial current is $V_{0}/R$; the area under $I$–$t$ is charge; the gradient of $Q$–$t$ is $-I$; $\ln V$ against $t$ is a straight line of gradient $-1/(RC)$ and intercept $\ln V_{0}$.
Convert $\mu\text{F}$ and $\text{k}\Omega$ before multiplying: $\text{k}\Omega \times \mu\text{F}$ gives milliseconds, not seconds.
Common mistakes
Defining capacitance as "the charge stored" or "the charge on both plates". It is the charge on one plate per unit p.d. between the plates.
Adding capacitors in series as if they were resistors, or forgetting to invert the reciprocal sum at the end.
After charge sharing, using the supply voltage in $\tfrac{1}{2}CV^{2}$ instead of the new common p.d., or claiming the energy is conserved.
Drawing the discharge current starting from zero. It starts at its largest value, $V_{0}/R$.
Treating $\tau$ as the time to discharge completely; after $5\tau$ about $1\%$ remains.
Dropping the minus sign in $t = -RC \ln(V/V_{0})$ and reporting a negative time.
Finding the extra energy on raising the p.d. from the extra charge alone: subtract two areas (or two $\tfrac{1}{2}CV^{2}$ values).
Sketching a smoothed output that falls to zero between peaks, or saying a larger load resistance gives a larger ripple.
Tiếng Việt
$C = Q/V$ định nghĩa điện dung; đối với cầu cô lập $C = 4\pi\varepsilon_{0} r$. Năng lượng lưu trữ $W = \tfrac{1}{2}QV = \tfrac{1}{2}CV^{2} = Q^{2}/2C$: chọn dạng phù hợp dựa trên những gì bạn biết, và nhớ rằng năng lượng không tỷ lệ thuận với điện tích.
Kết hợp các tụ điện theo cách ngược lại với điện trở (song song thì cộng, nối tiếp thì lấy nghịch đảo), và rút gọn mạng lưới từng bước một.
Chia sẻ điện tích: điện tích được bảo toàn, nhưng năng lượng không. Tìm hiệu điện thế chung từ tổng điện tích và tổng điện dung trước, sau đó tính năng lượng.
Xả điện: $x = x_{0} e^{-t/RC}$ cho $Q$, $V$ và $I$ như nhau; $t = -RC \ln(x/x_{0})$; $\tau = RC$ có đơn vị là giây ($\Omega \cdot \text{F} = \text{s}$) và là thời gian để giảm xuống $37\%$, chứ không phải về bằng không.
Biểu đồ: dòng điện ban đầu là $V_{0}/R$; diện tích dưới biểu đồ $I$–$t$ là điện lượng; độ dốc của biểu đồ $Q$–$t$ là $-I$; biểu đồ $\ln V$ theo $t$ là một đường thẳng có độ dốc $-1/(RC)$ và giao điểm $\ln V_{0}$.
Đổi $\mu\text{F}$ và $\text{k}\Omega$ trước khi nhân: nếu không sẽ nhận được kết quả là mili-giây thay vì giây ở $\text{k}\Omega \times \mu\text{F}$.
Lỗi thường gặp
Định nghĩa điện dung là "điện tích lưu trữ" hoặc "điện tích trên cả hai bản". Thực tế, nó là điện tích trên một bản mỗi đơn vị hiệu điện thế giữa hai bản.
Mắc nối tiếp các tụ điện giống như điện trở, hoặc quên取 nghịch đảo của tổng nghịch đảo ở cuối cùng.
Sau khi chia sẻ điện tích, dùng nguồn điện áp trong $\tfrac{1}{2}CV^{2}$ thay vì hiệu điện thế chung mới, hoặc tuyên bố rằng năng lượng được bảo toàn.
Vẽ dòng điện xả bắt đầu từ zero. Nó bắt đầu ở giá trị lớn nhất, $V_{0}/R$.
Xem $\tau$ là thời gian để xả hoàn toàn; sau $5\tau$ vẫn còn khoảng $1\%$.
Bỏ dấu trừ trong $t = -RC \ln(V/V_{0})$ và báo cáo thời gian âm.
Tính phần năng lượng tăng thêm khi nâng p.d. chỉ từ phần điện tích tăng thêm: lấy hai diện tích (hoặc hai $\tfrac{1}{2}CV^{2}$) trừ đi nhau.
Phác thảo tín hiệu đầu ra làm mượt bị rơi về zero giữa các đỉnh, hoặc nói rằng điện trở tải lớn hơn sẽ gây ra gợn sóng lớn hơn.
understand that a magnetic field is an example of a field of force produced either by moving charges or by permanent magnets
represent a magnetic field by field lines
Tiếng Việt
hiểu rằng từ trường là một ví dụ về trường lực được tạo ra bởi các điện tích chuyển động hoặc bởi nam châm vĩnh cửu
biểu diễn từ trường bằng đường sức từ
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
Iron filings trace the field lines around bar magnets.
A magnetic field 磁场 is a region where a moving charge (or a current 电流) feels a force 力. It is made by:
moving charges (usually a current in a wire), or
permanent magnets 永磁体 (where it comes from tiny atomic currents).
"State what is meant by a magnetic field."A region in which a force acts on a moving charge, a current-carrying conductor or a magnetic material. The mark scheme wants the word force and one of those three objects; "a region around a magnet" on its own scores nothing.
Field lines
field lines 场线 point from N to S outside a magnet, and S to N inside (so they form closed loops).
lines never cross; closer lines mean a stronger field.
The field of a bar magnet: lines run from N to S, strongest near the polesIron filings around a bar magnet line up along the field, showing its real shape
Patterns to know:
bar magnet 条形磁铁 — curved lines from N to S outside, strongest near the poles.
long straight wire — circles around the wire; the direction comes from the right-hand grip rule 右手定则 (thumb along the current, fingers curl the way the field points).
flat circular coil — the field through the centre is at right angles to the coil; the coil acts like a small bar magnet.
long solenoid 螺线管 — the field inside is nearly uniform along the axis, like a stretched bar magnet; outside it falls off fast.
Field around a long straight wireField of a solenoid
Drawing the wire's field. "Draw four field lines" around a straight wire is marked on three things: the lines are concentric circles centred on the wire; their spacing increases with distance (the field weakens with distance from the wire); and every line carries an arrow in the direction given by the right-hand grip rule (current into the page: clockwise; current out of the page: anticlockwise). Draw them as circles, not free-hand ovals.
A flat circular coil seen edge-on: the field loops around each side of the coil and passes through the centre at right angles to the coil's plane
For a flat circular coil the loops around the two sides of the coil reinforce through the centre, so the field there is at right angles to the plane of the coil and strongest at the centre; seen from one face the coil is a north pole (the field leaves it), from the other a south pole. A long solenoid is many such coils in a row: the field inside is uniform and parallel to the axis, and the lines emerge from one end (its N end) and return outside to the other.
An iron core 铁芯 inside a solenoid greatly increases the field, because the iron's atomic magnets line up and add to it. This is why electromagnets 电磁铁 and transformers 变压器 have iron cores.
The syllabus calls this a ferrous 含铁的 core: iron, steel or another magnetic material. Asked why a core increases the field, say that the core becomes magnetised 被磁化 by the solenoid's field and that its own field adds to the field of the current.
An MRI scanner is built around a very strong, very uniform magnetic field — a solenoid the size of a room
Explore · Khám phá
Magnetic field lab · Phòng thí nghiệm từ trường
Move between magnetic arrangements and see how field patterns change. · Di chuyển giữa các cấu hình từ trường và quan sát sự thay đổi của các đường sức từ.
Explore · Khám phá
Current field rule lab · Thí nghiệm quy tắc dòng điện
Connect current direction to the circular magnetic field around a wire. · Nối chiều dòng điện với trường từ hình tròn quanh dây dẫn.
understand that a force might act on a current-carrying conductor placed in a magnetic field
recall and use the equation $F = BIL \sin \theta$, with directions as interpreted by Fleming's left-hand rule
define magnetic flux density as the force acting per unit current per unit length on a wire placed at right-angles to the magnetic field
Tiếng Việt
hiểu rằng có thể có lực tác dụng lên dây dẫn mang dòng điện đặt trong từ trường
nhớ lại và sử dụng phương trình $F = BIL \sin \theta$, với các hướng được quy ước bởi quy tắc bàn tay trái Fleming
định nghĩa cảm ứng từ là lực tác dụng trên đơn vị dòng điện trên đơn vị chiều dài của dây đặt vuông góc với từ trường
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
A current $I$ in a wire of length $L$ in a magnetic field of flux density $B$ feels a force
$$F = B I L \sin\theta,$$
where $\theta$ is the angle between the wire and the field. The force is largest when the wire is at right angles to the field ($F = BIL$) and zero when the wire is along the field.
Worked example. A wire of length $0.20\ \text{m}$ carries a current of $3.0\ \text{A}$ at right angles to a magnetic field of flux density $0.50\ \text{T}$. Find the force on it.
Two conditions for a force. A copper wire in a magnetic field feels a force only if (1) it carries a current, and (2) the current is not parallel to the field (some part of the wire is at right angles to $B$). A wire with no current, or one lying along the field lines, feels nothing: $\sin\theta = 0$.
Worked example (the current balance). A horizontal wire of length $5.0\ \text{cm}$ lies at right angles to the field between the poles of a magnet standing on a top-pan balance. With no current the balance reads $102.30\ \text{g}$; with a current of $2.5\ \text{A}$ it reads $102.86\ \text{g}$. Find the flux density.
By Newton's third law the force on the wire is matched by an equal and opposite force on the magnet, so the balance reading changes by the magnetic force: $F = \Delta m\, g = (0.56 \times 10^{-3})(9.81) = 5.5 \times 10^{-3}\ \text{N}$. Then $B = F/(IL) = 5.5 \times 10^{-3}/(2.5 \times 0.050) = 4.4 \times 10^{-2}\ \text{T}$ ($44\ \text{mT}$). The reading rose, so the force on the magnet is downwards and the force on the wire is upwards; reversing the current would make the reading fall by the same amount.
A rectangular coil in a uniform field, seen end-on: the forces on the two sides that cross the field form a couple whose turning effect is largest when the coil's plane is parallel to the field and zero when it is perpendicular
Worked example (forces on a coil). A rectangular coil PQRS with sides PS and QR of length $8.0\ \text{cm}$ carries a current of $1.2\ \text{A}$ in a horizontal field of $0.30\ \text{T}$, with the plane of the coil parallel to the field. Describe the forces on the coil.
Sides PS and QR are at right angles to the field, so each feels $F = BIL = 0.30 \times 1.2 \times 0.080 = 2.9 \times 10^{-2}\ \text{N}$; the currents in them run in opposite directions, so by Fleming's rule the forces are equal and opposite, one up and one down. Sides PQ and SR are parallel to the field and feel no force. The two forces form a couple 力偶 that turns the coil about its axis; as the coil turns the forces stay the same size but their perpendicular separation shrinks, so the turning effect falls to zero when the plane of the coil is at right angles to the field. This is the principle of the electric motor and of the moving-coil meter.
Magnetic flux density
This equation also defines the magnetic flux density 磁通密度$B$:
$$B = \frac{F}{IL} \quad\text{(wire at right angles to the field).}$$
So $B$ is the force per unit current per unit length on a wire at right angles to the field. Unit: tesla 特斯拉, $\text{T} = \text{N A}^{-1}\ \text{m}^{-1}$.
The two-mark definitions.Magnetic flux density is the force per unit current per unit length acting on a (straight) conductor placed at right angles to the field. Both "per unit current" and "per unit length" are needed, and so is "at right angles" (or "perpendicular"): without it the definition is false, because the force also depends on the angle. The tesla is the flux density that produces a force of one newton on one metre of conductor carrying a current of one ampere at right angles to the field: $1\ \text{T} = 1\ \text{N A}^{-1}\ \text{m}^{-1}$.
Direction — Fleming's left-hand rule
Use the left hand (Fleming's left-hand rule 弗莱明左手定则): first finger = Field, second finger = Current, thumb = force (thrust). Hold the three at right angles.
Fleming's left-hand rule: thumb = force, first finger = field, second finger = current
Explore · Khám phá
Feel the force on the wire · Cảm nhận lực tác dụng lên dây dẫn
A current in a magnetic field feels a force F = BIL at right angles to both — reverse the current or flip the magnet and the force jumps the other way. · Dòng điện trong từ trường chịu một lực F = BIL vuông góc với cả hai yếu tố này — đảo ngược dòng điện hoặc lật ngược nam châm thì lực sẽ đảo chiều.
determine the direction of the force on a charge moving in a magnetic field
recall and use $F = BQv \sin \theta$
understand the origin of the Hall voltage and derive and use the expression $V_{\text{H}} = BI / (ntq)$, where $t = \text{thickness}$
understand the use of a Hall probe to measure magnetic flux density
describe the motion of a charged particle moving in a uniform magnetic field perpendicular to the direction of motion of the particle
explain how electric and magnetic fields can be used in velocity selection
Tiếng Việt
xác định hướng của lực tác dụng lên điện tích chuyển động trong từ trường
nhớ lại và sử dụng $F = BQv \sin \theta$
hiểu nguồn gốc của hiệu điện thế Hall và suy ra, sử dụng biểu thức $V_{\text{H}} = BI / (ntq)$, nơi $t = \text{thickness}$
hiểu việc sử dụng đầu dò Hall để đo cảm ứng từ
mô tả chuyển động của hạt mang điện chuyển động trong từ trường đều vuông góc với phương chuyển động của hạt
giải thích làm thế nào điện trường và từ trường có thể được sử dụng trong sélection vận tốc
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
A charge $Q$ moving at velocity 速度$v$ through a field feels
$$F = B Q v \sin\theta,$$
with $\theta$ the angle between $v$ and $B$. Same left-hand rule (the second finger is the motion of a positive charge — reverse it for a negative charge). The force is largest when $v$ is at right angles to $B$, and zero when $v$ is along $B$.
Two situations with no force. A charged particle in a magnetic field feels no force when it is stationary (no $v$) or when it moves parallel or antiparallel to the field ($\sin\theta = 0$). Contrast the electric field, which pushes a stationary charge just as hard: that difference is the whole point of the velocity selector below.
Circular motion in a uniform field
A charge moving at right angles to a uniform field 匀强场 feels a force at right angles to both $v$ and $B$. This force does no work (always at right angles to the motion), so the kinetic energy 动能 and speed stay constant — the particle moves in a circle. Set the magnetic force equal to the centripetal force 向心力:
$$B Q v = \frac{m v^{2}}{r}, \qquad r = \frac{m v}{B Q}.$$
Worked example. A proton (mass $1.7 \times 10^{-27}\ \text{kg}$, charge $1.6 \times 10^{-19}\ \text{C}$) moves at $2.0 \times 10^{6}\ \text{m s}^{-1}$ at right angles to a $0.50\ \text{T}$ field. Find the radius of its circular path.
So the radius depends on the momentum 动量$mv$. The period is
$$T = \frac{2\pi m}{B Q},$$
which does not depend on the speed — a faster particle goes in a bigger circle but takes the same time per turn. If $v$ also has a part along $B$, that part is unchanged, and the path is a helix 螺旋.
Circular path of a charged particle in a magnetic field
"Explain why the path is circular." The magnetic force is always at right angles to the velocity, so it changes the direction of motion but not the speed, and its magnitude $BQv$ is constant because $B$, $Q$ and $v$ are constant. A force of constant size that stays perpendicular to the velocity is exactly a centripetal force, so the path is a circle. Give all three ideas: perpendicular, constant magnitude, speed unchanged.
Worked example. Electrons moving at $1.7 \times 10^{7}\ \text{m s}^{-1}$ enter a uniform field of flux density $4.8\ \text{mT}$ at right angles to it. Find the radius of their path. The electrons are then replaced by positrons 正电子 (same mass, charge $+e$) moving at $3.4 \times 10^{7}\ \text{m s}^{-1}$ along the same initial line: describe how the path changes.
The positrons are deflected the opposite way (positive charge, so Fleming's rule with the second finger along the motion gives a force in the opposite direction), and since $r \propto v$ their radius is twice as large, $4.0\ \text{cm}$. Their period is the same ($T = 2\pi m/BQ$ has no $v$ in it): they go round a bigger circle at twice the speed.
Hall effect
A slab of conductor carrying current $I$, in a field $B$ at right angles to the current, develops a voltage across its faces — the Hall voltage 霍尔电压$V_{\text{H}}$ (the Hall effect 霍尔效应).
The moving charges feel a magnetic force $BQv_{\text{d}}$ ($v_{\text{d}}$ is the drift velocity 漂移速度), so they build up on one face, making an electric field 电场$E$ that opposes more build-up. At steady state $eE = Bev_{\text{d}}$, so $E = B v_{\text{d}}$. With $V_{\text{H}} = E w$ and $I = n e v_{\text{d}} w t$:
$$V_{\text{H}} = \frac{B I}{n t q},$$
where $q$ is the carrier charge. A Hall probe 霍尔探头 uses this to measure $B$: pass a known current through a thin semiconductor 半导体 slab and read $V_{\text{H}}$ (largest when the slab is at right angles to $B$).
The Hall effect
Deriving $V_{\text{H}} = BI/(ntq)$ (the exam asks for this in full). Take a slice of width $d$, across which the Hall voltage appears, and thickness $t$ along $B$, so the current passes through a cross-section $A = dt$. (1) At steady state the electric force on a carrier balances the magnetic force: $qE = Bqv$, so $E = Bv$. (2) The Hall field is uniform across the width, so $V_{\text{H}} = Ed = Bvd$. (3) The current is $I = nAvq = n\,dt\,vq$, so $v = I/(n\,dt\,q)$. Substituting: $V_{\text{H}} = Bd \cdot I/(n\,dt\,q) = BI/(ntq)$. Two things to notice: the voltage appears across the faces perpendicular to the magnetic force, not across the ends where the current enters; and it is larger for a semiconductor, whose number density $n$ is millions of times smaller than a metal's, which is why probes use a semiconductor slice.
Using a Hall probe. The reading is proportional to $B$ but also depends on the orientation: it is a maximum when the plane of the slice is at right angles to the field and zero when the field lies in the plane of the slice. So (1) rotate the probe until the reading is largest, and (2) calibrate 校准 it in a known field, since $V_{\text{H}} \propto B$ at fixed current.
Worked example. A Hall probe gives a maximum reading of $24\ \text{mV}$ in a uniform field of $32\ \text{mT}$. In a second field, with the probe again turned for a maximum, the reading is $15\ \text{mV}$. Find the second flux density.
$V_{\text{H}} \propto B$ (same probe, same current): $B = 32 \times 15/24 = 20\ \text{mT}$. If the probe had been left at some other angle the reading would be smaller and $B$ would be underestimated, which is why "rotate for a maximum" is part of the method.
Velocity selector
A velocity selector 速度选择器 uses crossed electric and magnetic fields to let through only one speed. With the electric force $qE$ and magnetic force $qvB$ set to oppose each other, the net force is zero only when
$$qE = qvB \quad\Rightarrow\quad v = \frac{E}{B}.$$
Particles at speed $E/B$ go straight through; faster or slower ones are deflected.
Velocity selector
Deriving and explaining the selector. The magnetic force on a positive ion moving through the crossed fields is $BQv$, at right angles to its motion; the electric field is applied so that the electric force $QE$ is in the opposite direction (the plates must be arranged so that the field points against the magnetic force). For the ion to pass straight through, $QE = BQv$, so $v = E/B$, independent of the charge and the mass. A faster ion has a larger magnetic force and bends towards the magnetic-force side; a slower one is pushed the other way by the unchanged electric force. Asked "explain how an electric field can make the particle reach Z", say which direction the electric force must have, that it must equal the magnetic force in size, and give $E = Bv$. This is velocity selection 速度选择.
Explore · Khám phá
Force on a moving charge · Lực tác dụng lên điện tích chuyển động
F = BQv
The magnetic force on a charge is proportional to its speed (for a fixed field and charge). · Lực từ tác dụng lên điện tích tỷ lệ thuận với tốc độ (đối với trường và điện tích cố định).
sketch magnetic field patterns due to the currents in a long straight wire, a flat circular coil and a long solenoid
understand that the magnetic field due to the current in a solenoid is increased by a ferrous core
explain the origin of the forces between current-carrying conductors and determine the direction of the forces
Tiếng Việt
vẽ sơ đồ các đường sức từ do dòng điện trong dây dẫn thẳng dài, cuộn dây tròn phẳng và cuộn ống dài (solenoid) sinh ra
hiểu rằng từ trường do dòng điện trong cuộn ống tăng cường bởi lõi sắt
giải thích nguồn gốc của lực giữa các dây dẫn mang dòng điện và xác định hướng của các lực này
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
Two long parallel wires each sit in the other's magnetic field. Using Fleming's left-hand rule: parallel currents (same direction) attract; antiparallel currents (opposite directions) repel. This is the basis of the SI definition of the ampere.
Parallel currents attract: each wire sits in the other's field, and Fleming's left-hand rule gives a force towards the other wire
Explaining the force (a standard three-marker). (1) The current in P produces a magnetic field around it (circles centred on P). (2) At Q this field is at right angles to the current in Q, so Q, a current-carrying conductor in a magnetic field, feels a force $BIL$. (3) Fleming's left-hand rule gives its direction: towards P for currents in the same direction, away for opposite currents. By Newton's third law the force on P is equal and opposite, so both wires attract (or both repel) with the same force. Doubling the current in one wire doubles the force on both: the force on Q rises because $I_{\text{Q}}$ has doubled, the force on P because the field it sits in has doubled.
define magnetic flux as the product of the magnetic flux density and the cross-sectional area perpendicular to the direction of the magnetic flux density
recall and use $\Phi = BA$
understand and use the concept of magnetic flux linkage
understand and explain experiments that demonstrate: • that a changing magnetic flux can induce an e.m.f. in a circuit • that the induced e.m.f. is in such a direction as to oppose the change producing it • the factors affecting the magnitude of the induced e.m.f.
recall and use Faraday's and Lenz's laws of electromagnetic induction
Tiếng Việt
định nghĩa từ thông là tích của cảm ứng từ và diện tích mặt cắt ngang vuông góc với phương của cảm ứng từ
nhớ lại và sử dụng $\Phi = BA$
hiểu và sử dụng khái niệm liên kết từ thông
hiểu và giải thích các thí nghiệm minh họa: • rằng một từ thông thay đổi có thể sinh ra suất điện động cảm ứng trong mạch • rằng suất điện động cảm ứng có hướng sao cho chống lại sự thay đổi sinh ra nó • các yếu tố ảnh hưởng đến độ lớn của suất điện động cảm ứng.
nhớ lại và sử dụng định luật Faraday và Lenz về cảm ứng điện từ
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
The transformer: turns ratioElectromagnetic induction
Magnetic flux
The magnetic flux 磁通量$\Phi$ through a flat area $A$ at right angles to $B$ is
$$\Phi = B A.$$
If the area's normal is at angle $\theta$ to $B$, use $\Phi = B A \cos\theta$. Unit: weber 韦伯, $\text{Wb} = \text{T m}^{2}$. For a coil 线圈 of $N$ turns, the flux linkage 磁链 is $N\Phi = N B A$.
The two-mark definitions.Magnetic flux is the product of the magnetic flux density and the area (of the circuit) perpendicular to the field.Flux linkage is the product of the flux and the number of turns of the coil, $N\Phi$, in weber-turns. Say "perpendicular" (or "normal to the field"): $\Phi = BA$ is only true for the component of the area at right angles to $B$.
Worked example. A small coil of 64 turns and cross-sectional area $0.71\ \text{cm}^{2}$ is placed inside a long solenoid, on its axis, where the flux density is $2.5\ \text{mT}$. Find the flux linkage of the coil.
The flux through the coil uses the coil's own area, not the solenoid's: $\Phi = BA = (2.5 \times 10^{-3})(0.71 \times 10^{-4}) = 1.8 \times 10^{-7}\ \text{Wb}$, so the flux linkage is $N\Phi = 64 \times 1.8 \times 10^{-7} = 1.1 \times 10^{-5}\ \text{Wb}$. When the solenoid's current changes, the e.m.f. induced in the small coil is the rate of change of this linkage.
Faraday's and Lenz's laws
When the flux linkage through a circuit changes, an electromotive force 电动势 (e.m.f.) is induced — this is electromagnetic induction 电磁感应.
Faraday's law 法拉第定律: the induced e.m.f. equals the rate of change of flux linkage:
$$|\varepsilon| = N\frac{d\Phi}{dt}.$$
Worked example. A coil of $200$ turns and area $0.010\ \text{m}^{2}$ sits with its plane at right angles to a $0.50\ \text{T}$ field. The field falls steadily to zero in $0.20\ \text{s}$. Find the average induced e.m.f.
The flux linkage changes from $N\Phi = NBA = 200 \times 0.50 \times 0.010 = 1.0\ \text{Wb}$ to zero, so
Lenz's law 楞次定律: the induced e.m.f. acts to oppose the change that makes it. This is conservation of energy 能量守恒 — if it reinforced the change, energy would come from nothing. Combined:
$$\varepsilon = -\frac{d(N\Phi)}{dt}.$$
What changes the flux?
changing $B$ (moving a magnet near a coil),
changing area$A$ (a rod sliding along rails),
changing orientation (a coil turning in a field — the a.c. generator, next topic).
The induced e.m.f. is minus the gradient of the flux-linkage graph: constant while the flux changes steadily, zero while it is constant, and larger and reversed when the flux falls faster
Reading an e.m.f. off a flux graph. The induced e.m.f. is the gradient of the flux-linkage graph (with a minus sign for Lenz). A steadily rising flux gives a constant e.m.f.; a constant flux gives zero e.m.f. however large the flux is; a faster fall gives a larger e.m.f. of the opposite sign. "Sketch the variation with time of the e.m.f." is answered by differentiating the flux graph by eye, section by section.
Worked example. The 64-turn coil above sits in a solenoid whose flux density rises uniformly from $0$ to $2.5\ \text{mT}$ in $40\ \text{ms}$ and is then held steady. Find the e.m.f. induced in the coil during the rise, and afterwards.
During the rise the flux linkage grows steadily to $1.1 \times 10^{-5}\ \text{Wb}$: $\varepsilon = \Delta(N\Phi)/\Delta t = 1.1 \times 10^{-5}/0.040 = 2.8 \times 10^{-4}\ \text{V}$ ($0.28\ \text{mV}$), constant while the rise lasts. Afterwards the flux linkage is constant, so the e.m.f. is zero, even though the coil is still in a strong field: it is the change that induces.
Worked example (flux cutting). An aircraft with a wingspan 翼展 of $60\ \text{m}$ flies horizontally at $250\ \text{m s}^{-1}$ where the vertical component of the Earth's field is $45\ \mu\text{T}$. Find the e.m.f. between the wingtips.
In time $\Delta t$ the wing sweeps out an area $L v \Delta t$, cutting flux $B L v \Delta t$, so $\varepsilon = BLv = (45 \times 10^{-6})(60)(250) = 0.68\ \text{V}$. Only the component of $B$perpendicular to the swept area counts (here the vertical one). There is a p.d. between the wingtips but no current, because there is no complete circuit; Fleming's rules give which tip is positive.
Demonstrations
moving a bar magnet into a coil deflects a galvanometer 检流计; the deflection reverses when the magnet is pulled out (Lenz's law), and is larger for faster motion (Faraday's law).
Demonstrating electromagnetic induction
a copper disc swinging into a field is quickly slowed — eddy currents 涡流 are induced that oppose the motion.
Eddy-current damping
Electromagnetic braking, explained with Lenz's law. A vehicle's aluminium disc rotates between the poles of an electromagnet. The disc cuts the field lines, so an e.m.f. is induced in it; the disc is a conductor, so eddy currents flow; by Lenz's law these currents produce forces that oppose the motion of the disc, slowing the vehicle. The kinetic energy is converted to thermal energy in the disc. The braking is stronger at high speed (a larger rate of flux cutting, so larger currents) and fades as the vehicle slows; it cannot hold a stationary vehicle, because no motion means no induced current.
A magnet oscillating in a coil. A bar magnet on a spring oscillates in and out of a coil connected to a resistor. The changing flux linkage induces an e.m.f.; with the circuit complete a current flows and, by Lenz's law, the coil's field opposes the magnet's motion, so the oscillation is damped: energy leaves the oscillation as heat in the resistor and the amplitude decays. Open the switch and the e.m.f. is still induced but no current flows, so the coil no longer damps the motion.
What makes the induced e.m.f. larger
From $\varepsilon = N\,d\Phi/dt$ with $\Phi = BA$: more turns $N$, a stronger $B$, a larger area $A$, or a faster change — each gives a larger induced e.m.f.
Finding the direction with Lenz's law. Push the N pole of a magnet towards a coil and the induced current makes the near face of the coil a north pole, to repel the approaching magnet; pull it away and the near face becomes a south pole, to attract it. In each case the person moving the magnet does work against that force, and that work is the source of the electrical energy: Lenz's law is conservation of energy in disguise. Two sentences to learn: the induced e.m.f. acts in such a direction as to produce effects that oppose the change producing it (Lenz), and the induced e.m.f. is proportional to the rate of change of flux linkage (Faraday).
Explore · Khám phá
Electromagnetic induction · Cảm ứng điện từ
Move the magnet through the coil — a current is induced only while the field is changing. Faster gives more current; flip the magnet to reverse it. · Di chuyển nam châm qua cuộn dây — dòng điện chỉ được cảm ứng khi từ trường thay đổi. Di chuyển nhanh tạo ra dòng lớn hơn; lật ngược nam châm để đảo chiều dòng điện.
A definition question is marked against fixed wording. Learn these exactly, and give one answer only.
Term
Definition
magnetic field
a region in which a force acts on a moving charge, a current-carrying conductor or a magnetic material
magnetic flux density
the force per unit current per unit length on a straight conductor placed at right angles to the field
tesla
the flux density producing a force of 1 N on 1 m of conductor carrying 1 A at right angles to the field
magnetic flux
the product of the flux density and the area perpendicular to the field, $\Phi = BA$
flux linkage
the product of the flux through a coil and its number of turns, $N\Phi$
weber
one tesla metre squared
Faraday's law
the induced e.m.f. is proportional to the rate of change of flux linkage
Lenz's law
the induced e.m.f. acts in such a direction as to produce effects that oppose the change producing it
Hall voltage
the p.d. that develops across a current-carrying slice in a magnetic field, $V_{\text{H}} = BI/(ntq)$
20.5
Exam tips
Force on a current $F = BIL\sin\theta$; on a moving charge $F = BQv\sin\theta$; direction from Fleming's left-hand rule with the second finger along the conventional current (reverse it for an electron).
A charge moving at right angles to $B$ moves in a circle: $BQv = mv^{2}/r$, so $r = mv/(BQ)$ and $T = 2\pi m/(BQ)$, independent of speed. A component of $v$ along $B$ is unchanged: a helix.
Crossed fields: $v = E/B$ passes undeflected. Hall probe: $V_{\text{H}} = BI/(ntq)$, largest with the slice at right angles to $B$; semiconductor because $n$ is small.
Induction: e.m.f. $=$ rate of change of flux linkage$N\Phi$ (Faraday); its direction opposes the change (Lenz). On a flux–time graph the e.m.f. is the gradient: constant change gives a constant e.m.f., no change gives zero.
Flux cutting: $\varepsilon = BLv$ for a conductor of length $L$ moving at $v$ at right angles to $B$ (area swept per second times $B$).
Definitions carry the words "per unit current per unit length", "at right angles", "area perpendicular to the field" and "rate of change of flux linkage": each is a mark.
Common mistakes
Leaving "at right angles to the field" out of the definition of flux density, or defining the tesla without the 1 N, 1 m, 1 A.
Using the right hand for the force on a current (the left-hand rule), or pointing the second finger along the electron's motion instead of the conventional current.
Saying a stationary charge feels a magnetic force, or that a charge moving along the field lines does.
Explaining circular motion without saying the force is perpendicular to the velocity and constant in size; or claiming the magnetic force changes the speed.
Using the solenoid's area instead of the small coil's when finding its flux linkage.
Saying "a large flux induces an e.m.f.": only a changing flux linkage does. A coil at rest in a steady field has no e.m.f.
Quoting Lenz's law as "the current opposes the magnet" without "the change producing it", or Faraday's law without "rate of change" or without "flux linkage".
Drawing straight-wire field lines as evenly spaced circles or without arrows; drawing a solenoid's field lines crossing inside it.
Forgetting that doubling the current in one of two parallel wires doubles the force on both (Newton's third law).
understand and use the terms period, frequency and peak value as applied to an alternating current or voltage
use equations of the form $x = x_0 \sin \omega t$ representing a sinusoidally alternating current or voltage
recall and use the fact that the mean power in a resistive load is half the maximum power for a sinusoidal alternating current
distinguish between root-mean-square (r.m.s.) and peak values and recall and use $I_{\text{r.m.s.}} = I_0 / \sqrt{2}$ and $V_{\text{r.m.s.}} = V_0 / \sqrt{2}$ for a sinusoidal alternating current
Tiếng Việt
hiểu và sử dụng các thuật ngữ chu kỳ, tần số và giá trị cực đại áp dụng cho dòng điện xoay chiều hoặc điện áp
sử dụng các phương trình có dạng $x = x_0 \sin \omega t$ biểu diễn dòng điện hoặc điện áp xoay chiều hình sin
nhớ lại và sử dụng thực tế rằng công suất trung bình trong tải điện trở bằng một nửa công suất cực đại đối với dòng điện xoay chiều hình sin
phân biệt giữa giá trị hiệu dụng (r.m.s.) và giá trị cực đại và nhớ lại, sử dụng $I_{\text{r.m.s.}} = I_0 / \sqrt{2}$ và $V_{\text{r.m.s.}} = V_0 / \sqrt{2}$ cho dòng điện xoay chiều hình sin
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
A substation's transformers step alternating voltage up or down.
An alternating current 交流电 (a.c.) keeps reversing direction. Mains supply is sinusoidal a.c.: $I$ or $V$ follows a sine wave in time:
(For a purely resistive load the voltage 电压 and current 电流 are in phase, which is the case in this syllabus.)
A steady direct current compared with a sinusoidal alternating current of peak $I_0$ and period $T$
Key terms
period 周期$T$ — the time for one full cycle. Unit: s.
frequency 频率$f$ — cycles per second; $f = 1/T$. Mains is often $50\ \text{Hz}$ or $60\ \text{Hz}$.
angular frequency 角频率$\omega = 2\pi f = 2\pi/T$.
peak value 峰值$I_{0}$ or $V_{0}$ — the largest value in a cycle (also called the amplitude).
peak-to-peak value 峰峰值$2 I_{0}$ — from $+I_{0}$ to $-I_{0}$. Useful when reading an oscilloscope.
The two-mark definitions.The frequency of an alternating current is the number of complete cycles per unit time (say "per second" or "per unit time", and "complete cycles" or "oscillations"). The period is the time for one complete cycle, and the peak value is the maximum value of the current or voltage during a cycle. Note that the mean value of a sinusoidal current over a cycle is zero, which is exactly why the r.m.s. value is needed to describe it.
Reading the equation. In $V = V_{0} \sin(\omega t)$ the number in front is the peak value and the number multiplying $t$ is $\omega = 2\pi f$; the angle $\omega t$ is in radians 弧度, so set the calculator to radians before evaluating. A supply written with $\cos$ instead of $\sin$ is the same wave starting at its peak rather than at zero.
Worked example. The output of a supply is $V = 320 \sin(100\pi t)$ (volts, seconds). Find the peak value, the frequency, the period and the r.m.s. value, and the first time after $t = 0$ at which $V = 160\ \text{V}$.
Peak $V_{0} = 320\ \text{V}$. $\omega = 100\pi\ \text{rad s}^{-1}$, so $f = \omega/2\pi = 50\ \text{Hz}$ and $T = 1/f = 0.020\ \text{s}$. $V_{\text{r.m.s.}} = 320/\sqrt{2} = 226\ \text{V}$. For $V = 160\ \text{V}$: $\sin(100\pi t) = 0.5$, so $100\pi t = \pi/6$ and $t = 1/600 = 1.7 \times 10^{-3}\ \text{s}$. (For $V = 18\cos(40\pi t)$ the same reading gives $V_{0} = 18\ \text{V}$, $f = 20\ \text{Hz}$, $T = 50\ \text{ms}$, and a sketch that starts at $+18\ \text{V}$.)
Reading a CRO trace
Same as for any wave (Topic 7), using a cathode-ray oscilloscope 示波器:
horizontal divisions × time-base 时基 → period $T$, so $f = 1/T$.
vertical divisions × $y$-gain → peak voltage $V_{0}$ (measure centre to peak, or peak-to-peak then halve).
Explore · Khám phá
Alternating current · Dòng điện xoay chiều
I = a sin(bt)
AC is a sine wave — amplitude is the peak, b sets the frequency. · AC là một sóng hình sin — biên độ là giá trị cực đại, b xác định tần số.
For a resistive load $R$, the instant power 功率 is $P(t) = I(t)^{2} R$. With $I = I_{0}\sin(\omega t)$:
The power in a resistor pulses; its average is half the peak
$$P(t) = I_{0}^{2} R \sin^{2}(\omega t).$$
This is always positive, with peak $I_{0}^{2} R$ and minimum zero, oscillating at twice the frequency of $I$. The mean of $\sin^{2}(\omega t)$ over a cycle is $\tfrac{1}{2}$, so the average power is
$$\langle P \rangle = \tfrac{1}{2} I_{0}^{2} R = \tfrac{1}{2} P_{\text{peak}}.$$
Average a.c. power in a resistor is half the peak power.
"Show by calculation that the mean power is half the peak power." A supply of peak value $12\ \text{V}$ drives a $680\ \Omega$ resistor. Peak power: $P_{0} = V_{0}^{2}/R = 12^{2}/680 = 0.212\ \text{W}$, the instantaneous power at the moment the voltage is at its peak. Mean power: use the r.m.s. value, $V_{\text{r.m.s.}} = 12/\sqrt{2} = 8.49\ \text{V}$, so $\langle P \rangle = V_{\text{r.m.s.}}^{2}/R = 8.49^{2}/680 = 0.106\ \text{W}$, exactly half. The two calculations must be shown separately; writing "$\tfrac{1}{2}$ of $0.212$" scores nothing, because that is the thing being shown. The $\tfrac{1}{2}$ is $(1/\sqrt{2})^{2}$: squaring the r.m.s. factor.
The r.m.s. current $I_{\text{r.m.s.}}$ is the steady direct current that would give the same average power in the same resistance 电阻$R$. From $\langle P \rangle = I_{\text{r.m.s.}}^{2} R = \tfrac{1}{2} I_{0}^{2} R$:
The $\sqrt{2}$ comes from the name root-mean-square 均方根: $I_{\text{r.m.s.}} = \sqrt{\langle I^{2} \rangle}$ and $\langle \sin^{2}\rangle = \tfrac{1}{2}$. (Only the sinusoidal case is needed.)
The two-mark definition.The r.m.s. value of an alternating current is the value of the direct (steady) current that would dissipate the same (mean) power in the same resistor. "By reference to the heating effect" means exactly this sentence: same resistor, same power (or same heating), direct current. A definition that only says "$I_{0}/\sqrt{2}$" scores nothing, because that formula is true only for a sine wave.
Root-mean-square, taken literally: square the current, average the squares over a cycle, take the square root. For a non-sinusoidal current this is the only way; $I_0/\sqrt{2}$ applies to a sine wave alone
Worked example (non-sinusoidal). A current through a resistor is $+2.0\ \text{A}$ for the first half of each cycle and $-1.0\ \text{A}$ for the second half, a square wave 方波. Find its r.m.s. value and the mean power in a $10\ \Omega$ resistor.
Square the current: $4.0\ \text{A}^{2}$ for half the time and $1.0\ \text{A}^{2}$ for the other half, so the mean square is $(4.0 + 1.0)/2 = 2.5\ \text{A}^{2}$ and $I_{\text{r.m.s.}} = \sqrt{2.5} = 1.6\ \text{A}$. Mean power $= I_{\text{r.m.s.}}^{2} R = 2.5 \times 10 = 25\ \text{W}$. The sign of the current does not matter to the heating (it is squared away), and $I_{0}/\sqrt{2}$ would have given the wrong answer, $1.4\ \text{A}$: that shortcut is for sine waves only.
Why r.m.s. matters
Quoted a.c. values are r.m.s. values. "$230\ \text{V}$ mains" means $V_{\text{r.m.s.}} = 230\ \text{V}$, with peak $V_{0} = 230\sqrt{2} \approx 325\ \text{V}$. Components must be rated for the peak, not the r.m.s. Average power then takes the d.c. form:
$$\langle P \rangle = I_{\text{r.m.s.}}^{2} R = V_{\text{r.m.s.}}^{2} / R = V_{\text{r.m.s.}} I_{\text{r.m.s.}}.$$
Worked example. A heater of resistance $50\ \Omega$ is connected to the $230\ \text{V}$ r.m.s. mains. Find the r.m.s. current and the average power dissipated.
Worked example. A sinusoidal supply of r.m.s. value $4.2\ \text{V}$ and frequency $50\ \text{kHz}$ is connected across a $150\ \Omega$ resistor. Find the peak current, the mean power, and write down an equation for the current.
$V_{0} = 4.2\sqrt{2} = 5.9\ \text{V}$, so $I_{0} = V_{0}/R = 5.9/150 = 0.040\ \text{A}$ (or $I_{\text{r.m.s.}} = 4.2/150 = 0.028\ \text{A}$ and then $\times\sqrt{2}$). Mean power $= V_{\text{r.m.s.}}^{2}/R = 4.2^{2}/150 = 0.12\ \text{W}$. With $\omega = 2\pi f = 2\pi \times 5.0 \times 10^{4} = 3.1 \times 10^{5}\ \text{rad s}^{-1}$: $I = 0.040 \sin(3.1 \times 10^{5} t)$ (amps, seconds). Keep the two families apart: peak values go into the equation and into component ratings; r.m.s. values go into power.
distinguish graphically between half-wave and full-wave rectification
explain the use of a single diode for the half-wave rectification of an alternating current
explain the use of four diodes (bridge rectifier) for the full-wave rectification of an alternating current
analyse the effect of a single capacitor in smoothing, including the effect of the values of capacitance and the load resistance
Tiếng Việt
phân biệt đồ thị giữa chỉnh lưu nửa chu kỳ và chỉnh lưu toàn chu kỳ
giải thích việc sử dụng một diode duy nhất để chỉnh lưu nửa chu kỳ dòng điện xoay chiều
giải thích việc sử dụng bốn diode (cầu chỉnh lưu) để chỉnh lưu toàn chu kỳ dòng điện xoay chiều
phân tích tác động của một tụ điện đơn lẻ trong việc lọc, bao gồm tác động của giá trị điện dung và tải điện trở
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
An oscilloscope shows how a voltage varies with time.
Rectification 整流 turns an alternating voltage into a one-direction (d.c.-like) voltage, using diodes 二极管 (which conduct in only one direction).
"State what is meant by rectification."The conversion of an alternating current (or voltage) into a direct current (or voltage): one that flows in one direction only, however much it varies. A diode conducts only when it is forward-biased 正向偏置, that is, when its anode (the flat end of the symbol's triangle) is more positive than its cathode (the bar); otherwise it is reverse-biased and behaves like an open switch. Treat it as ideal: zero resistance one way, infinite the other.
Half-wave rectification
A single diode in series with the load passes only the positive half of each cycle; in the negative half the diode is reverse-biased 反向偏置 and no current flows. This is half-wave rectification 半波整流.
Output: positive half-waves with flat zero gaps. The mean output is $V_{0}/\pi \approx 0.32 V_{0}$. Drawback: half the input is wasted and the output is very uneven.
In half-wave rectification a single diode passes only the positive half-cyclesThe half-wave rectifier the exam asks you to draw: source, diode, load in series, output across the load; a smoothing capacitor, if wanted, goes in parallel with the load, never in series
Completing the circuit. "Complete the diagram to produce half-wave rectification" needs one diode in series between the supply and the load, with the triangle pointing the way the output current must flow, and $V_{\text{OUT}}$ taken across the load. If a capacitor is to smooth the output it goes across the load (in parallel); a capacitor in series would block the d.c. altogether.
Full-wave rectification (bridge rectifier)
A bridge rectifier 桥式整流器 uses four diodes arranged so the current through the load always flows the same way, whichever a.c. terminal is positive — full-wave rectification 全波整流. On each half-cycle a different pair of diodes conducts, but the load always sees the same direction.
A four-diode bridge sends the load current the same way whichever a.c. terminal is positive
Explaining the bridge (the standard four-marker). When terminal P is positive, current leaves P, passes through the diode pointing away from P to the top of the load, flows down through the load and returns to Q through the diode pointing towards Q; the other two diodes are reverse-biased and carry nothing. When Q is positive the other pair conducts, but they are arranged so that the current still enters the load at the top: the load current is in the same direction in both half-cycles. Name the diodes in each half-cycle and say which end of the load is positive.
Completing a bridge. Given a bridge with diodes missing, remember the rule for every diode: conventional current flows through it in the direction of the triangle. Both diodes joined to the positive output terminal must point towards it; both joined to the negative output terminal must point away from it. A bridge with a diode the wrong way round either short-circuits the supply on one half-cycle or passes nothing.
Output: a continuous run of positive half-waves (no gaps), at twice the input frequency. The mean output is $2V_{0}/\pi \approx 0.64 V_{0}$ — double the half-wave value. It uses all the input and is smoother and easier to filter.
In full-wave rectification every half-cycle is used, giving a continuous run of positive humps
Drawing the diagrams
half-wave: a.c. source — single diode — load $R$, in series.
full-wave bridge: four diodes as the arms of a "diamond"; the a.c. input goes to one pair of opposite corners, the load $R$ across the other pair. The diode directions make the load terminals keep the same polarity for either input polarity.
"State the difference between half-wave and full-wave rectification." In half-wave rectification only one half of each input cycle appears at the output and the other half is blocked (the output is zero for half the time); in full-wave rectification both halves appear, one of them inverted, so there are no gaps and the output has twice the input frequency. A sketch should show, for half-wave, positive humps separated by flat zero sections of equal length; for full-wave, positive humps joined at the zero line.
Explore · Khám phá
Rectifier and smoothing route · Đường đi chỉnh lưu và lọc平滑
Watch alternating input become a smoother direct output. · Quan sát dòng xoay chiều đầu vào trở thành dòng một chiều đầu ra mượt mà hơn.
A rectifier's output is still bumpy. To smooth it, put a capacitor 电容器$C$in parallel with the load$R$.
How it works
on the rising part of each pulse, the capacitor charges up to near the peak.
on the falling part (and any gap), the diodes are reverse-biased, so the capacitor discharges through the load, keeping current flowing. The voltage falls with time constant 时间常数$RC$ (Topic 19).
at the next peak, the capacitor charges again, and the cycle repeats.
The output now sits near the peak with small dips. The size of the dips is the ripple 纹波 (this whole step is called smoothing 平滑).
A capacitor across the load smooths the rectified output, leaving only a small rippleThe same rectified supply smoothed with different time constants: a larger $RC$ (more capacitance, or a larger load resistance) decays less between peaks, so the ripple is smaller
Worked example. A half-wave rectifier fed from a $50\ \text{Hz}$ supply has a $470\ \mu\text{F}$ capacitor across its $1.2\ \text{k}\Omega$load 负载. Estimate the fractional fall in the output between peaks, and say how it changes with a bridge rectifier.
The peaks are $T = 1/50 = 20\ \text{ms}$ apart (half-wave: one peak per cycle). The time constant is $RC = (1.2 \times 10^{3})(470 \times 10^{-6}) = 0.56\ \text{s}$. Between peaks the capacitor discharges to $V_{0} e^{-t/RC} = V_{0} e^{-0.020/0.56} = 0.965\,V_{0}$, a fall of about $3.5\%$. With full-wave rectification the peaks are $10\ \text{ms}$ apart, so the fall is only $1.8\%$; doubling the capacitance would halve it again. Because $t \ll RC$ the fall is approximately $V_{0}\, t/(RC)$: the ripple is proportional to the time between peaks and inversely proportional to both $R$ and $C$. (A network of capacitors across the output combines by the rules of Topic 19 before it is used here.)
What reduces the ripple
larger $C$ → more stored charge → smaller dip between peaks → smaller ripple.
higher rectified frequency (full-wave is twice the input) → less time to discharge between peaks → smaller ripple.
In short, a large $RC$ compared with the time between peaks gives a smoother output.
Sketching the smoothed output. Draw the unsmoothed humps faintly first. The smoothed curve touches each peak, then falls along a gentle curve (steepest just after the peak) until the next hump rises to meet it, where it turns sharply upwards and follows the hump to the peak. It never falls to zero, and it never rises above the peak. For half-wave rectification the decay has to last through the missing half-cycle as well, so the ripple is about twice that of full-wave for the same $RC$. If the question changes $C$ or $R$, redraw on the same axes: a larger $RC$ hugs the peak line more closely; a smaller $RC$ sags further.
Purpose in summary
The smoothing capacitor reduces the ripple, giving a steadier d.c. voltage suitable for sensitive electronics.
A definition question is marked against fixed wording. Learn these exactly, and give one answer only.
Term
Definition
alternating current
a current that reverses its direction periodically (varies sinusoidally with time about zero)
period
the time for one complete cycle
frequency
the number of complete cycles per unit time
peak value
the maximum value of the current or voltage in a cycle
r.m.s. value
the value of the direct (steady) current that would dissipate the same power in the same resistor
rectification
the conversion of an alternating current into a direct (one-direction) current
half-wave rectification
only one half of each cycle is passed to the output; the other half is blocked
full-wave rectification
both halves of each cycle appear at the output in the same direction
smoothing
using a capacitor across the load to reduce the variation (ripple) of a rectified output
21.2
Exam tips
$V = V_{0} \sin\omega t$ with $\omega = 2\pi f$ in radians per second: read $V_{0}$ and $\omega$ straight off the equation; radian mode for any time calculation.
$I_{\text{r.m.s.}} = I_{0}/\sqrt{2}$ and $V_{\text{r.m.s.}} = V_{0}/\sqrt{2}$ for a sine wave only; otherwise square, average, root. Quoted mains values are r.m.s.; components are rated for the peak.
Mean power in a resistor is $I_{\text{r.m.s.}}^{2}R = V_{\text{r.m.s.}}^{2}/R = \tfrac{1}{2} I_{0}^{2} R$, half the peak power; the mean current is zero, the mean power is not.
One diode in series gives half-wave rectification; a four-diode bridge gives full-wave, with the load current always in the same direction and the output at twice the input frequency.
Smoothing: capacitor across the load; ripple falls with a larger $C$, a larger $R$ (smaller load current) and a higher rectified frequency, because the decay between peaks is $V_{0}e^{-t/RC}$.
Sketches are marked on shape: humps that touch the peak line, a decay that never reaches zero, flat zero gaps for half-wave, none for full-wave.
Common mistakes
Using the peak value in a power calculation, or the r.m.s. value as the amplitude in $V = V_{0}\sin\omega t$.
Writing $\omega = f$ or $\omega = 2\pi/f$; it is $2\pi f = 2\pi/T$.
Defining the r.m.s. value as "the peak divided by $\sqrt{2}$", or leaving out "same power" and "same resistor".
Applying $I_{0}/\sqrt{2}$ to a square or triangular wave.
Drawing a diode backwards, or a bridge in which two diodes joined to the same output terminal point opposite ways.
Putting the smoothing capacitor in series with the load.
A smoothed output sketched falling to zero between peaks, or rising above the peak.
Saying a larger load resistance gives a larger ripple; a larger $R$ means a smaller current, a slower discharge and a smaller ripple.
Stating that full-wave rectification gives a steady d.c.; without a capacitor it is a series of humps with a large ripple.
Photons: the particle nature of light · Photon: bản chất hạt của ánh sáng
Syllabus · Chương trình
English
understand that electromagnetic radiation has a particulate nature
understand that a photon is a quantum of electromagnetic energy
recall and use $E = hf$
use the electronvolt (eV) as a unit of energy
understand that a photon has momentum and that the momentum is given by $p = E/c$
Tiếng Việt
hiểu rằng bức xạ điện từ có bản chất hạt
hiểu rằng photon là một lượng tử của năng lượng điện từ
nhớ lại và sử dụng $E = hf$
sử dụng electronvolt (eV) như một đơn vị năng lượng
hiểu rằng photon có động lượng và động lượng được cho bởi $p = E/c$
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
English
Electromagnetic radiation behaves like particles as well as like a wave. The particles of EM radiation are photons 光子 — small packets ("quanta" 量子) of EM energy that travel at the speed of light.
"State what is meant by a photon" (two marks).A photon is a quantum (a discrete packet) of energy of electromagnetic radiation. Both halves score: quantum or packet (or "discrete amount"), and of electromagnetic radiation (or "of light"). "A particle of light" alone is not enough. That radiation comes in such packets is what the syllabus calls its particulate nature 粒子性: energy is delivered in lumps of $hf$, never in smaller pieces.
Energy of a photon
A photon of frequency 频率$f$ has energy
$$E = h f,$$
where $h = 6.63 \times 10^{-34}\ \text{J s}$ is the Planck constant 普朗克常量. Using $c = f\lambda$:
$$E = \frac{h c}{\lambda}.$$
Worked example. Find the energy of a photon of green light of wavelength $500\ \text{nm}$. ($h = 6.63 \times 10^{-34}\ \text{J s}$, $c = 3.0 \times 10^{8}\ \text{m s}^{-1}$.)
It is the kinetic energy 动能 an electron 电子 gains moving through a potential difference 电势差 of 1 V. For example, a visible photon ($\lambda \approx 500\ \text{nm}$) has energy $\approx 2.5\ \text{eV}$. To go eV → J multiply by $1.60 \times 10^{-19}$; J → eV divide.
Using the electronvolt. Photon energies, work functions and energy levels are all a few eV, so the exam quotes them that way and expects you to move between units without fuss: a $2.0\ \text{eV}$ work function is $2.0 \times 1.60 \times 10^{-19} = 3.2 \times 10^{-19}\ \text{J}$; a photon of $4.0 \times 10^{-19}\ \text{J}$ is $2.5\ \text{eV}$. A useful shortcut for wavelengths: $hc = 1.99 \times 10^{-25}\ \text{J m} = 1240\ \text{eV nm}$, so a $2.0\ \text{eV}$ photon has $\lambda = 1240/2.0 = 620\ \text{nm}$ (red) and a $400\ \text{nm}$ photon carries $3.1\ \text{eV}$.
Momentum of a photon
A photon also carries momentum 动量:
$$p = \frac{E}{c} = \frac{h}{\lambda}.$$
It has zero rest mass but a non-zero momentum $E/c$. Radiation pressure (photons pushing on a surface) follows from this.
"Show that $p = h/\lambda$." Start from the two photon relations: $E = hf$ and $p = E/c$. Then $p = hf/c$, and since $c = f\lambda$, $f/c = 1/\lambda$, so $p = h/\lambda$. Give both starting equations and the wave equation; the mark is for the chain, not the result.
Worked example. A photon in free space has momentum $9.5 \times 10^{-28}\ \text{N s}$. Show that it is a photon of red light.
$\lambda = h/p = 6.63 \times 10^{-34}/9.5 \times 10^{-28} = 7.0 \times 10^{-7}\ \text{m} = 700\ \text{nm}$, which lies at the red end of the visible spectrum ($400$–$700\ \text{nm}$). The energy is $pc = 2.9 \times 10^{-19}\ \text{J} = 1.8\ \text{eV}$.
Radiation pressure 辐射压. A beam of intensity $I$ (power per unit area) falling on area $A$ delivers $IA/(hf)$ photons per second, each with momentum $h/\lambda$. Force is the rate of change of momentum. On a mirror each photon bounces back, so its momentum changes by $2p$ and the force is $F = 2IA/c$ (pressure $2I/c$); on a black surface each photon is absorbed, the change is $p$, and the pressure is $I/c$. Two things follow, and both are examined: the pressure depends on the intensity, not on the colour, because blue light of the same intensity has fewer photons per second but each carries proportionally more momentum; and even sunlight ($I \approx 1\ \text{kW m}^{-2}$) exerts only a few micropascals.
Worked example. Red light of intensity $160\ \text{W m}^{-2}$ falls normally on a plane mirror; each photon has momentum $9.5 \times 10^{-28}\ \text{N s}$. Find the number of photons hitting $1.0\ \text{m}^{2}$ of the mirror per second, and the pressure on it.
Photon energy $E = pc = (9.5 \times 10^{-28})(3.00 \times 10^{8}) = 2.85 \times 10^{-19}\ \text{J}$. Photons per second on $1.0\ \text{m}^{2}$: $160/2.85 \times 10^{-19} = 5.6 \times 10^{20}\ \text{s}^{-1}$. Each is reflected, so the force is $F = 5.6 \times 10^{20} \times 2 \times 9.5 \times 10^{-28} = 1.1 \times 10^{-6}\ \text{N}$ on $1.0\ \text{m}^{2}$: a pressure of $1.1 \times 10^{-6}\ \text{Pa}$ (check: $2I/c = 320/3.00 \times 10^{8} = 1.1 \times 10^{-6}\ \text{Pa}$). Replace the beam with blue light of the same intensity and the pressure is unchanged.
Worked example. A laser emits $2.0\ \text{mW}$ of light of wavelength $650\ \text{nm}$. Find the number of photons it emits per second, and the force on a surface that absorbs the beam completely.
$E = hc/\lambda = (6.63 \times 10^{-34})(3.00 \times 10^{8})/(650 \times 10^{-9}) = 3.06 \times 10^{-19}\ \text{J}$, so the rate is $P/E = 2.0 \times 10^{-3}/3.06 \times 10^{-19} = 6.5 \times 10^{15}\ \text{s}^{-1}$. The force is the momentum delivered per second: $F = P/c = 2.0 \times 10^{-3}/3.00 \times 10^{8} = 6.7 \times 10^{-12}\ \text{N}$ (or $6.5 \times 10^{15} \times h/\lambda$, the same thing).
Tiếng Việt
Bức xạ điện từ behaves như hạt cũng như như sóng. Các hạt của bức xạ điện từ là photon — những gói nhỏ (quanta) năng lượng điện từ di chuyển với tốc độ ánh sáng.
"Nêu ý nghĩa của photon" (hai điểm).Một photon là một quantum (một gói rời rạc) năng lượng của bức xạ điện từ. Cả hai vế đều được chấm: quantum hoặc packet (hoặc "lượng rời rạc"), và của bức xạ điện từ (hoặc "của ánh sáng"). "Một hạt của ánh sáng" đơn lẻ là chưa đủ. Việc bức xạ đến thành các gói như vậy chính là điều chương trình gọi là bản chất hạt: năng lượng được cung cấp thành từng khối $hf$, không phải dưới dạng nhỏ hơn.
Một photon là một gói năng lượng, E = hf
Năng lượng của photon
Một photon có tần số$f$ có năng lượng
$$E = h f,$$
trong đó $h = 6.63 \times 10^{-34}\ \text{J s}$ là hằng số Planck. Sử dụng $c = f\lambda$:
$$E = \frac{h c}{\lambda}.$$
Ví dụ giải. Tìm năng lượng của một photon ánh sáng xanh có bước sóng $500\ \text{nm}$. ($h = 6.63 \times 10^{-34}\ \text{J s}$, $c = 3.0 \times 10^{8}\ \text{m s}^{-1}$.)
Các photon có tần số cao hơn (bước sóng ngắn hơn) mang nhiều năng lượng hơn: một photon tia X $\gamma$ mang nhiều năng lượng hơn rất nhiều so với một photon vô tuyến.
Electronvolt
Electronvolt (eV) là một đơn vị năng lượng tiện lợi trên thang nguyên tử:
Đó là động năng mà một electron thu được khi di chuyển qua hiệu điện thế 1 V. Ví dụ, một photon khả kiến ($\lambda \approx 500\ \text{nm}$) có năng lượng $\approx 2.5\ \text{eV}$. Để chuyển eV → J nhân với $1.60 \times 10^{-19}$; J → eV chia.
Sử dụng electronvolt. Năng lượng photon, hàm công và mức năng lượng đều nằm trong vài eV, nên đề thi thường đưa chúng theo cách đó và mong bạn chuyển đổi giữa các đơn vị dễ dàng: một hàm功$2.0\ \text{eV}$ là $2.0 \times 1.60 \times 10^{-19} = 3.2 \times 10^{-19}\ \text{J}$; một photon có $4.0 \times 10^{-19}\ \text{J}$ là $2.5\ \text{eV}$. Một mẹo hữu ích cho bước sóng: $hc = 1.99 \times 10^{-25}\ \text{J m} = 1240\ \text{eV nm}$, do đó một photon $2.0\ \text{eV}$ có $\lambda = 1240/2.0 = 620\ \text{nm}$ (đỏ) và một photon $400\ \text{nm}$ mang $3.1\ \text{eV}$.
Động lượng của photon
Photon cũng mang động lượng:
$$p = \frac{E}{c} = \frac{h}{\lambda}.$$
Nó có khối lượng nghỉ bằng không nhưng động lượng khác không $E/c$. Áp lực bức xạ (các photon đẩy lên bề mặt) phát sinh từ đây.
"Chứng minh rằng $p = h/\lambda$." Bắt đầu từ hai quan hệ của photon: $E = hf$ và $p = E/c$. Sau đó $p = hf/c$, và vì $c = f\lambda$, $f/c = 1/\lambda$, nên $p = h/\lambda$. Đưa ra cả hai phương trình bắt đầu và phương trình sóng; điểm số dành cho chuỗi lập luận, không phải kết quả cuối cùng.
Ví dụ minh họa. Một photon trong không gian tự do có động lượng $9.5 \times 10^{-28}\ \text{N s}$. Chứng minh rằng đó là một photon ánh sáng đỏ.
$\lambda = h/p = 6.63 \times 10^{-34}/9.5 \times 10^{-28} = 7.0 \times 10^{-7}\ \text{m} = 700\ \text{nm}$, nằm ở đầu đỏ của quang phổ khả kiến ($400$–$700\ \text{nm}$). Năng lượng là $pc = 2.9 \times 10^{-19}\ \text{J} = 1.8\ \text{eV}$.
Áp lực bức xạ: lực bằng số photon đến mỗi giây nhân với độ thay đổi động lượng của mỗi photon; gương làm gấp đôi độ thay đổi, vật hấp thụ thì không
Áp suất bức xạ. Một chùm có cường độ $I$ (công suất trên một đơn vị diện tích) chiếu lên diện tích $A$ sẽ cung cấp $IA/(hf)$ photon mỗi giây, mỗi photon có động lượng $h/\lambda$. Lực là tốc độ thay đổi của động lượng. Trên gương, mỗi photon bật ngược lại, do đó động lượng của nó thay đổi $2p$ và lực là $F = 2IA/c$ (áp suất $2I/c$); trên bề mặt đen (hấp thụ hoàn toàn), mỗi photon bị hấp thụ, sự thay đổi là $p$, và áp suất là $I/c$. Hai điều sau đây được rút ra và cả hai đều được xem xét: áp suất phụ thuộc vào cường độ, không phải màu sắc, vì ánh sáng xanh cùng cường độ có ít photon hơn mỗi giây nhưng mỗi photon mang nhiều động lượng tỷ lệ thuận; và ngay cả ánh sáng mặt trời ($I \approx 1\ \text{kW m}^{-2}$) cũng chỉ tạo ra vài micropascal.
Ví dụ minh họa. Ánh sáng đỏ có cường độ $160\ \text{W m}^{-2}$ chiếu vuông góc lên một gương phẳng; mỗi photon có động lượng $9.5 \times 10^{-28}\ \text{N s}$. Tìm số photon va chạm vào $1.0\ \text{m}^{2}$ của gương mỗi giây và áp suất tác dụng lên nó.
Năng lượng photon $E = pc = (9.5 \times 10^{-28})(3.00 \times 10^{8}) = 2.85 \times 10^{-19}\ \text{J}$. Số photon mỗi giây trên $1.0\ \text{m}^{2}$: $160/2.85 \times 10^{-19} = 5.6 \times 10^{20}\ \text{s}^{-1}$. Mỗi photon bị phản xạ, nên lực là $F = 5.6 \times 10^{20} \times 2 \times 9.5 \times 10^{-28} = 1.1 \times 10^{-6}\ \text{N}$ trên $1.0\ \text{m}^{2}$: một áp suất là $1.1 \times 10^{-6}\ \text{Pa}$ (kiểm tra: $2I/c = 320/3.00 \times 10^{8} = 1.1 \times 10^{-6}\ \text{Pa}$). Thay chùm tia bằng ánh sáng xanh có cùng cường độ thì áp suất không đổi.
Ví dụ giải. Một tia laser phát ra $2.0\ \text{mW}$ ánh sáng có bước sóng $650\ \text{nm}$. Tìm số photon mà laser phát ra mỗi giây, và lực tác dụng lên bề mặt hấp thụ hoàn toàn chùm tia này.
$E = hc/\lambda = (6.63 \times 10^{-34})(3.00 \times 10^{8})/(650 \times 10^{-9}) = 3.06 \times 10^{-19}\ \text{J}$, nên tốc độ là $P/E = 2.0 \times 10^{-3}/3.06 \times 10^{-19} = 6.5 \times 10^{15}\ \text{s}^{-1}$. Lực là động lượng được truyền mỗi giây: $F = P/c = 2.0 \times 10^{-3}/3.00 \times 10^{8} = 6.7 \times 10^{-12}\ \text{N}$ (hoặc $6.5 \times 10^{15} \times h/\lambda$, cùng một giá trị).
Explore · Khám phá
Energy of a photon · Năng lượng của photon
E = h·f
Photon energy is proportional to frequency — the gradient is Planck's constant h. · Năng lượng photon tỷ lệ thuận với tần số — hệ số góc là hằng số Planck h.
understand that photoelectrons may be emitted from a metal surface when it is illuminated by electromagnetic radiation
understand and use the terms threshold frequency and threshold wavelength
explain photoelectric emission in terms of photon energy and work function energy
recall and use $hf = \Phi + \frac{1}{2}m{v_{\text{max}}}^2$
explain why the maximum kinetic energy of photoelectrons is independent of intensity, whereas the photoelectric current is proportional to intensity
Tiếng Việt
hiểu rằng photon điện tử có thể được phát ra từ bề mặt kim loại khi bị chiếu bởi bức xạ điện từ
hiểu và sử dụng các thuật ngữ tần số ngưỡng và bước sóng ngưỡng
giải thích phát xạ quang điện theo năng lượng photon và năng lượng công thoát
nhớ và sử dụng $hf = \Phi + \frac{1}{2}m{v_{\text{max}}}^2$
giải thích tại sao động năng cực đại của photon điện tử không phụ thuộc vào độ mạnh, trong khi dòng điện quang điện tỷ lệ thuận với độ mạnh
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
English
The photoelectric effect, photon by photon
When EM radiation of high enough frequency hits a metal, electrons are emitted. These are photoelectrons 光电子, and the effect is the photoelectric effect 光电效应.
"State what is meant by the photoelectric effect."The emission of electrons from (the surface of) a metal when electromagnetic radiation of high enough frequency is incident on it. Two marks: emission of electrons and from a metal surface illuminated by electromagnetic radiation (or "when light is shone on it"). It is the syllabus's evidence for the particulate nature of radiation, because a wave could not explain what follows.
Threshold frequency and work function
Each metal has a lowest photon frequency, the threshold frequency 极限频率$f_{0}$, below which no electrons come out, however bright the light. The work function 逸出功$\Phi$ is the least energy needed to free an electron from the surface:
$$\Phi = h f_{0}.$$
Different metals have different work functions (about $2$–$5\ \text{eV}$).
The two-mark definitions.The work function energy of a metal is the minimum energy needed to remove an electron from the surface of the metal. Both "minimum" and "from the surface" carry marks: an electron deeper in the metal needs more, which is why the equation gives a maximum kinetic energy. The threshold frequency is the minimum frequency of radiation for which photoelectrons are emitted, and the threshold wavelength 极限波长$\lambda_{0} = c/f_{0} = hc/\Phi$ is the corresponding maximum wavelength: longer wavelengths do nothing.
Worked example. Light of wavelength $400\ \text{nm}$ falls on four metals whose work functions are: caesium $2.1\ \text{eV}$, sodium $2.3\ \text{eV}$, zinc $4.3\ \text{eV}$, platinum $5.6\ \text{eV}$. Which emit photoelectrons, and with what maximum kinetic energy?
The photon energy is $hc/\lambda = 1240/400 = 3.1\ \text{eV}$. Emission needs $hf \geq \Phi$, so caesium ($3.1 - 2.1 = 1.0\ \text{eV}$) and sodium ($0.8\ \text{eV}$) emit; zinc and platinum do not, however intense the light. To make zinc emit, the wavelength must fall below $\lambda_{0} = 1240/4.3 = 290\ \text{nm}$, in the ultraviolet, which is why the electroscope demonstration needs a UV lamp on zinc.
Worked example. A polished magnesium sheet in a vacuum emits electrons only when the ultraviolet frequency is at least $8.8 \times 10^{14}\ \text{Hz}$. It is illuminated at $1.2 \times 10^{15}\ \text{Hz}$. Find the work function and the maximum speed of the photoelectrons.
$\Phi = hf_{0} = (6.63 \times 10^{-34})(8.8 \times 10^{14}) = 5.8 \times 10^{-19}\ \text{J}$ ($3.6\ \text{eV}$). Then $\tfrac{1}{2}mv_{\text{max}}^{2} = h(f - f_{0}) = (6.63 \times 10^{-34})(1.2 \times 10^{15} - 8.8 \times 10^{14}) = 2.1 \times 10^{-19}\ \text{J}$, so $v_{\text{max}} = \sqrt{2 \times 2.1 \times 10^{-19}/9.11 \times 10^{-31}} = 6.8 \times 10^{5}\ \text{m s}^{-1}$. Subtract the frequencies before multiplying by $h$; rounding $hf$ and $\Phi$ separately loses a significant figure in the small difference.
Einstein's photoelectric equation
One photon gives all its energy to one electron. If the photon energy $hf$ is more than the work function, the electron escapes with kinetic energy up to a maximum:
$$h f = \Phi + \tfrac{1}{2} m v_{\text{max}}^{2}, \qquad\text{so}\qquad \tfrac{1}{2} m v_{\text{max}}^{2} = h(f - f_{0}).$$
Worked example. A metal has a work function of $2.0\ \text{eV}$. Light made of photons of energy $3.5\ \text{eV}$ shines on it. Find the maximum kinetic energy of the photoelectrons.
So the maximum KE of photoelectrons depends linearly on frequency, not on brightness.
Reading the graph. Write the equation as $E_{\text{K,max}} = hf - \Phi$: a straight line of gradient $h$, intercept $-\Phi$ on the energy axis and $f_{0} = \Phi/h$ on the frequency axis. So a graph for two metals shows two parallel lines (same gradient $h$ for every metal), the metal with the larger work function cutting the frequency axis further to the right; the intensity of the light moves neither line. This is how the Planck constant is measured, and "sketch the line for metal Y" is marked on exactly those two features.
Measuring the maximum kinetic energy. In a photocell the photoelectrons cross a vacuum to a collector and the current is a count of electrons per second. Make the collector negative and the electrons must climb a potential hill; raise the reverse p.d. until the current just reaches zero, the stopping potential 遏止电势$V_{\text{s}}$, and then $eV_{\text{s}} = E_{\text{K,max}}$. Two results, both examined: at fixed frequency, doubling the intensity doubles the current at low reverse p.d. but leaves $V_{\text{s}}$ unchanged; raising the frequency raises $V_{\text{s}}$ but, at fixed intensity, does not raise the current.
Why the wave model fails
A wave model predicts that brightness should set the electrons' kinetic energy, and that emission should happen at any frequency given enough time. But experiments show:
no emission below the threshold frequency, however bright.
immediate emission at or above the threshold, even when dim.
maximum KE depends on frequency, not brightness.
the number of photoelectrons (the current) depends on brightness.
The photon model explains this: light arrives as photons each of energy $hf$. One photon–electron interaction either has enough energy to free the electron ($hf \geq \Phi$) or it does not.
Why max KE is fixed but current grows with brightness
A brighter beam of the same frequency has more photons per second, but each still carries $hf$. So the maximum KE of any electron is $hf - \Phi$ (set by $f$ only), while the rate of emission (the current) grows with the number of photons, i.e. with brightness. Doubling the brightness doubles the current but does not change the maximum KE.
Writing the explanation (a standard three-marker). (1) Each photon interacts with, and gives all its energy to, one electron. (2) The photon energy $hf$ depends only on the frequency, so the maximum energy an electron can leave with, $hf - \Phi$, is fixed by the frequency. (3) Increasing the intensity at the same frequency increases the number of photons per second, so more electrons are emitted per second (a larger current), but each still receives the same energy. A wave, by contrast, would spread its energy over the surface, so a brighter wave should have given faster electrons and a dim one should have needed a delay to accumulate energy; neither happens.
Tiếng Việt
Hiệu ứng quang điện, từng photon mộtPin mặt trời sử dụng hiệu ứng quang điện để biến ánh sáng thành điện.
Khi bức xạ điện từ có tần số đủ cao va chạm với kim loại, electron bị phóng thích. Những electron này gọi là quang electron, và hiện tượng này là hiệu ứng quang điện.
"Nêu định nghĩa về hiệu ứng quang điện."Sự phóng thích electron từ (bề mặt của) một kim loại khi bức xạ điện từ có tần số đủ cao chiếu vào. Hai điểm: phóng thích electron và từ bề mặt kim loại được chiếu sáng bởi bức xạ điện từ (hoặc "khi chiếu sáng vào"). Đây là bằng chứng trong chương trình học cho bản chất hạt của bức xạ, vì một sóng không thể giải thích những gì xảy ra tiếp theo.
Một photon truyền năng lượng $hf$ cho một electron: một phần giúp giải phóng nó (công thoát $\Phi$), phần còn lại là động năng (KE) của electronTấm kẽm mang điện mất điện tích — lá vàng rơi — khi ánh sáng tử ngoại chiếu vào
Tần số ngưỡng và công thoát
Mỗi kim loại có một tần số photon thấp nhất, là tần số ngưỡng$f_{0}$, dưới đó không có electron nào bay ra, dù ánh sáng có sáng đến đâu. Công thoát$\Phi$ là năng lượng tối thiểu cần thiết để giải phóng một electron khỏi bề mặt:
$$\Phi = h f_{0}.$$
Các kim loại khác nhau có các công thoát khác nhau (khoảng $2$–$5\ \text{eV}$).
Các định nghĩa hai điểm.Công thoát năng lượng của một kim loại là năng lượng tối thiểu cần thiết để bứt một electron ra khỏi bề mặt kim loại. Cả hai từ "tối thiểu" và "từ bề mặt" đều mang điểm: một electron nằm sâu hơn bên trong kim loại cần nhiều năng lượng hơn, đó là lý do phương trình cho ra động năng tối đa. Tần số ngưỡng là tần số tối thiểu của bức xạ để phát ra quang electron, và bước sóng ngưỡng$\lambda_{0} = c/f_{0} = hc/\Phi$ là bước sóng tương ứng tối đa: các bước sóng dài hơn sẽ không gây ra hiệu ứng.
Ví dụ giải. Ánh sáng có bước sóng $400\ \text{nm}$ chiếu lên bốn kim loại có công thoát lần lượt là: xesi $2.1\ \text{eV}$, natri $2.3\ \text{eV}$, kẽm $4.3\ \text{eV}$, platin $5.6\ \text{eV}$. Kim loại nào phát ra quang electron và với động năng tối đa bao nhiêu?
Năng lượng photon là $hc/\lambda = 1240/400 = 3.1\ \text{eV}$. Để phát ra cần $hf \geq \Phi$, nên xesi ($3.1 - 2.1 = 1.0\ \text{eV}$) và natri ($0.8\ \text{eV}$) phát ra; kẽm và platin không phát ra, dù ánh sáng có mạnh đến đâu. Để kẽm phát ra, bước sóng phải nhỏ hơn $\lambda_{0} = 1240/4.3 = 290\ \text{nm}$, tức nằm trong vùng tử ngoại, đó là lý do thí nghiệm điện kế cần đèn UV chiếu vào kẽm.
Ví dụ minh họa. Một tấm magnesium được đánh bóng trong chân không chỉ phát ra electron khi tần số tia cực tím tối thiểu đạt $8.8 \times 10^{14}\ \text{Hz}$. Khi chiếu sáng ở tần số $1.2 \times 10^{15}\ \text{Hz}$, hãy tìm công thoát và vận tốc cực đại của các photoelectron.
$\Phi = hf_{0} = (6.63 \times 10^{-34})(8.8 \times 10^{14}) = 5.8 \times 10^{-19}\ \text{J}$ ($3.6\ \text{eV}$). Sau đó $\tfrac{1}{2}mv_{\text{max}}^{2} = h(f - f_{0}) = (6.63 \times 10^{-34})(1.2 \times 10^{15} - 8.8 \times 10^{14}) = 2.1 \times 10^{-19}\ \text{J}$, nên $v_{\text{max}} = \sqrt{2 \times 2.1 \times 10^{-19}/9.11 \times 10^{-31}} = 6.8 \times 10^{5}\ \text{m s}^{-1}$. Trừ các tần số trước khi nhân với $h$; làm tròn $hf$ và $\Phi$ riêng lẻ sẽ làm mất đi một chữ số có ý nghĩa trong hiệu số nhỏ.
Phương trình quang điện Einstein
Một photon truyền toàn bộ năng lượng cho một electron. Nếu năng lượng photon $hf$ lớn hơn công thoát, electron sẽ thoát ra với động năng tối đa:
$$h f = \Phi + \tfrac{1}{2} m v_{\text{max}}^{2}, \qquad\text{so}\qquad \tfrac{1}{2} m v_{\text{max}}^{2} = h(f - f_{0}).$$
Ví dụ giải. Một kim loại có công thoát là $2.0\ \text{eV}$. Ánh sáng gồm các photon có năng lượng $3.5\ \text{eV}$ chiếu vào. Tìm động năng tối đa của các quang electron.
Như vậy, động năng tối đa của quang electron phụ thuộc tuyến tính theo tần số, không phải độ sáng.
Năng lượng động học cực đại của các photoelectron tăng tuyến tính theo tần số, đạt giá trị bằng 0 tại tần số ngưỡng $f_0$Hai kim loại trên cùng một đồ thị: các đường thẳng song song (độ dốc là hằng số Planck đối với cả hai), mỗi đường cắt trục tần số tại tần số ngưỡng riêng và trục năng lượng tại trừ công thoát riêng của nó
Đọc đồ thị. Viết phương trình dưới dạng $E_{\text{K,max}} = hf - \Phi$: một đường thẳng có độ dốc $h$, giao điểm $-\Phi$ trên trục năng lượng và $f_{0} = \Phi/h$ trên trục tần số. Do đó, đồ thị của hai kim loại sẽ hiển thị hai đường thẳng song song (cùng độ dốc $h$ đối với mọi kim loại), kim loại có công thoát lớn hơn cắt trục tần số xa hơn về bên phải; cường độ ánh sáng không làm dịch chuyển bất kỳ đường nào. Đây là cách đo hằng số Planck, và yêu cầu "vẽ nháp đường thẳng cho kim loại Y" chỉ đánh dấu đúng hai đặc điểm này.
Khảo sát tác động: dòng điện đo tốc độ phát xạ, và hiệu điện thế ngược đủ để dừng những electron nhanh nhất đo được động năng cực đại của chúng
Đo động năng cực đại. Trong tế bào quang điện, photoelectron di chuyển qua chân không đến tấm thu và dòng điện là số đếm electron mỗi giây. Cho tấm thu mang tích âm và các electron phải vượt qua đồi thế năng; tăng hiệu điện thế ngược cho đến khi dòng điện vừa chạm mức không, đó là điện thế dừng$V_{\text{s}}$, sau đó $eV_{\text{s}} = E_{\text{K,max}}$. Hai kết quả, cả hai đều được kiểm chứng: ở tần số cố định, việc gấp đôi cường độ sẽ làm gấp đôi dòng điện ở hiệu điện thế ngược thấp nhưng không thay đổi $V_{\text{s}}$; tăng tần số sẽ làm tăng $V_{\text{s}}$ nhưng, ở cường độ cố định, không làm tăng dòng điện.
Tại sao mô hình sóng thất bại
Mô hình sóng dự đoán rằng độ sáng sẽ quyết định động năng của electron, và sự phát xạ có thể xảy ra ở bất kỳ tần số nào nếu có đủ thời gian. Nhưng thực nghiệm cho thấy:
không có sự phát xạ nào dưới tần số ngưỡng, dù sáng thế nào.
phát xạ ngay lập tức ở hoặc trên tần số ngưỡng, ngay cả khi yếu.
động năng cực đại phụ thuộc vào tần số, không phải độ sáng.
số lượng photoelectron (dòng điện) phụ thuộc vào độ sáng.
Mô hình photon giải thích điều này: ánh sáng đến dưới dạng các photon, mỗi photon có năng lượng $hf$. Một tương tác giữa photon và electron hoặc có đủ năng lượng để giải phóng electron ($hf \geq \Phi$) hoặc không có.
Tại sao KE cực đại cố định nhưng dòng điện tăng theo độ sáng
Một chùm sáng cùng tần số nhưng sáng hơn có nhiều photon hơn mỗi giây, nhưng mỗi photon vẫn mang $hf$. Vì vậy, động năng cực đại của bất kỳ electron nào là $hf - \Phi$ (chỉ do $f$ quyết định), trong khi tốc độ phát xạ (dòng điện) tăng theo số lượng photon, tức là theo độ sáng. Gấp đôi độ sáng sẽ làm gấp đôi dòng điện nhưng không thay đổi động năng cực đại.
Viết lời giải thích (mẫu ba điểm). (1) Mỗi photon tương tác với, và truyền toàn bộ năng lượng của nó cho một electron. (2) Năng lượng photon $hf$ chỉ phụ thuộc vào tần số, nên động năng tối đa mà electron có thể mang đi, $hf - \Phi$, bị cố định bởi tần số. (3) Tăng cường độ ở cùng tần số sẽ làm tăng số lượng photon mỗi giây, do đó nhiều electron hơn được phát ra mỗi giây (dòng điện lớn hơn), nhưng mỗi electron vẫn nhận được cùng một mức năng lượng. Ngược lại, một sóng sẽ phân tán năng lượng trên bề mặt, vì vậy sóng sáng hơn nên tạo ra các electron nhanh hơn và sóng yếu hơn nên cần thời gian để tích lũy năng lượng; cả hai trường hợp này đều không xảy ra.
Explore · Khám phá
The photoelectric effect · Hiệu ứng quang điện
KEmax = h·f − φ
Max KE is a straight line in frequency, with intercept −φ (the work function). · Động năng cực đại biểu diễn bằng đường thẳng theo tần số, có tung độ gốc là −φ (hàm công).
understand that the photoelectric effect provides evidence for a particulate nature of electromagnetic radiation while phenomena such as interference and diffraction provide evidence for a wave nature
describe and interpret qualitatively the evidence provided by electron diffraction for the wave nature of particles
understand the de Broglie wavelength as the wavelength associated with a moving particle
recall and use $\lambda = h/p$
Tiếng Việt
hiểu rằng hiệu ứng quang điện cung cấp bằng chứng cho bản chất hạt của bức xạ điện từ, trong khi các hiện tượng như giao thoa và nhiễu xạ cung cấp bằng chứng cho bản chất sóng
mô tả và diễn giải định tính bằng chứng do nhiễu xạ electron cung cấp cho bản chất sóng của vật chất
hiểu bước sóng de Broglie là bước sóng liên quan đến một hạt chuyển động
nhớ và sử dụng $\lambda = h/p$
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
English
The photoelectric effect is strong evidence for the particle nature of light. But interference 干涉 (Young's double slit, the diffraction grating 衍射光栅) and diffraction 衍射 show its wave nature. So light has both wave and particle sides — this is wave–particle duality 波粒二象性.
"Describe what is meant by wave–particle duality" (two marks).Electromagnetic radiation (and matter) can exhibit both wave properties, such as interference and diffraction, and particle properties, such as the photoelectric effect (or, for matter, discrete collisions). Asked for one piece of evidence for each nature of radiation, give: particulate, the photoelectric effect (the threshold frequency and the immediate emission); wave, diffraction or interference (Young's slits, a diffraction grating). For matter, the wave evidence is electron diffraction.
De Broglie hypothesis
If a wave can act like particles, perhaps particles can act like waves. De Broglie proposed that any moving particle has a de Broglie wavelength 德布罗意波长:
$$\lambda = \frac{h}{p},$$
where $p = mv$. Example: an electron at $v = 4.9 \times 10^{7}\ \text{m s}^{-1}$ has $p = 4.46 \times 10^{-23}\ \text{kg m s}^{-1}$, so $\lambda = 1.49 \times 10^{-11}\ \text{m} \approx 0.015\ \text{nm}$ — close to atomic spacings.
"State what is meant by the de Broglie wavelength."The wavelength associated with a moving particle, or the wavelength of the wave associated with a particle of momentum $p$, given by $\lambda = h/p$ where $h$ is the Planck constant. In "state the formula and the meaning of any other symbol", name $h$ as the Planck constant and $p$ as the momentum of the particle. The wavelength is small because $h$ is small: a $0.10\ \text{kg}$ ball at $10\ \text{m s}^{-1}$ has $\lambda = 6.6 \times 10^{-34}\ \text{m}$, far below any slit or lattice spacing, which is why everyday objects show no diffraction.
Electron diffraction
When electrons are fired at a crystal lattice 晶格 (e.g. thin graphite), they make a diffraction pattern of bright rings on a screen — exactly what waves of wavelength $\lambda = h/p$ would do. This is direct evidence for the wave nature of particles (electron diffraction 电子衍射): only waves diffract, yet electrons do.
A faster electron has more momentum, so a shorter de Broglie wavelength, which diffracts less — the rings move closer together. Slowing the electrons spreads the rings apart. To calculate: $p = \sqrt{2 m E_{\text{K}}}$, and for an electron accelerated through p.d. $V$, $E_{\text{K}} = eV$, so $\lambda = h/\sqrt{2m_{e} e V}$.
Worked example. An electron is accelerated from rest through a p.d. of $2500\ \text{V}$. Find its de Broglie wavelength. ($m_{e} = 9.11 \times 10^{-31}\ \text{kg}$, $e = 1.6 \times 10^{-19}\ \text{C}$, $h = 6.63 \times 10^{-34}\ \text{J s}$.)
Its kinetic energy is $E_{\text{K}} = eV$, so $\lambda = \dfrac{h}{\sqrt{2 m_{e} e V}}$:
This is close to the spacing between atoms in a crystal, which is why the electrons diffract off the graphite.
Deriving $\lambda$ for an accelerated electron. An electron of mass $m$ and charge $q$ accelerated from rest through a p.d. $V$ gains kinetic energy $qV = \tfrac{1}{2}mv^{2}$, so $v = \sqrt{2qV/m}$ and $p = mv = \sqrt{2mqV}$; hence $\lambda = h/\sqrt{2mqV}$. Two consequences the exam asks for: increasing$V$ increases the momentum and shortens the wavelength, so the diffraction rings shrink towards the centre; halving the wavelength needs four times the p.d.
Describing electron diffraction (four marks). (1) Electrons from a heated filament are accelerated through a high p.d. into a beam. (2) The beam meets a thin polycrystalline 多晶的 graphite film; the regular spacing of the carbon atoms, about $10^{-10}\ \text{m}$, acts as a diffraction grating. (3) On a fluorescent screen the electrons produce a bright central spot surrounded by concentric rings. (4) Rings are a diffraction pattern, and diffraction is a wave property, so the electrons are behaving as waves; the ring radii match a wavelength $h/p$, which confirms de Broglie's relation. Sketch the pattern as rings, not spots or a fringe pattern. A faster beam gives rings of smaller radius.
Tiếng Việt
Hiệu ứng quang điện là bằng chứng mạnh mẽ cho bản chất hạt của ánh sáng. Nhưng giao thoa (khe đôi Young, lưới nhiễu xạ) và nhiễu xạ cho thấy bản chất sóng của nó. Vì vậy, ánh sáng có cả hai khía cạnh sóng và hạt — đây chính là lưỡng tính sóng - hạt.
"Mô tả ý nghĩa của lưỡng tính sóng - hạt" (hai điểm).Bức xạ điện từ (và vật chất) có thể biểu hiện cả tính chất sóng, như giao thoa và nhiễu xạ, lẫn tính chất hạt, như hiệu ứng quang điện (hoặc, đối với vật chất, là các va chạm rời rạc). Khi được yêu cầu đưa ra một bằng chứng cho mỗi bản chất của bức xạ, hãy cung cấp: bản chất hạt, hiệu ứng quang điện (tần số ngưỡng và sự phát xạ ngay lập tức); bản chất sóng, nhiễu xạ hoặc giao thoa (khe Young, lưới nhiễu xạ). Đối với vật chất, bằng chứng về tính sóng là nhiễu xạ electron.
Giả thuyết de Broglie
Nếu một sóng có thể hoạt động như các hạt, có lẽ các hạt cũng có thể hoạt động như sóng. De Broglie đã đề xuất rằng mọi hạt chuyển động đều có một bước sóng de Broglie:
$$\lambda = \frac{h}{p},$$
trong đó $p = mv$. Ví dụ: một electron ở $v = 4.9 \times 10^{7}\ \text{m s}^{-1}$ có $p = 4.46 \times 10^{-23}\ \text{kg m s}^{-1}$, do đó $\lambda = 1.49 \times 10^{-11}\ \text{m} \approx 0.015\ \text{nm}$ — gần với khoảng cách nguyên tử.
"Phát biểu ý nghĩa của bước sóng de Broglie."Bước sóng liên quan đến một hạt đang chuyển động, hoặc bước sóng của sóng liên quan đến một hạt có động lượng $p$, được xác định bởi $\lambda = h/p$ nơi $h$ là hằng số Planck. Trong câu hỏi "phát biểu công thức và ý nghĩa của các ký hiệu khác", hãy gọi $h$ là hằng số Planck và $p$ là động lượng của hạt. Bước sóng rất nhỏ vì $h$ rất nhỏ: một quả bóng $0.10\ \text{kg}$ ở $10\ \text{m s}^{-1}$ có $\lambda = 6.6 \times 10^{-34}\ \text{m}$, thấp hơn rất nhiều so với khe hở hoặc khoảng cách mạng tinh thể bất kỳ, đó là lý do tại sao các vật thể hàng ngày không thể hiện hiện tượng nhiễu xạ.
Nhiễu xạ electron
Khi các electron bị bắn vào một mạng tinh thể (ví dụ: than chì mỏng), chúng tạo ra một hạn chế nhiễu gồm các vòng sáng trên màn hình — đúng như những gì mà sóng có bước sóng $\lambda = h/p$ sẽ làm. Đây là bằng chứng trực tiếp cho bản chất sóng của hạt (gián nhiễu electron): chỉ có sóng mới bị gián nhiễu, nhưng lại có electron bị.
Một electron nhanh hơn có động lượng lớn hơn, do đó có bước sóng de Broglie ngắn hơn, bị gián nhiễu ít hơn — các vòng di chuyển gần nhau hơn. Làm chậm các electron khiến các vòng tách xa nhau. Để tính toán: $p = \sqrt{2 m E_{\text{K}}}$, và đối với electron được tăng tốc qua hiệu điện thế p.d. $V$, $E_{\text{K}} = eV$, nên $\lambda = h/\sqrt{2m_{e} e V}$.
Electrons bắn vào than chì tạo thành hạn chế nhiễu dạng vòng — chỉ có sóng mới bị gián nhiễu, vì vậy electron hành xử như sóng
Ví dụ giải. Một electron được tăng tốc từ trạng thái nghỉ qua hiệu điện thế p.d. là $2500\ \text{V}$. Tìm bước sóng de Broglie của nó. ($m_{e} = 9.11 \times 10^{-31}\ \text{kg}$, $e = 1.6 \times 10^{-19}\ \text{C}$, $h = 6.63 \times 10^{-34}\ \text{J s}$.)
Động năng của nó là $E_{\text{K}} = eV$, nên $\lambda = \dfrac{h}{\sqrt{2 m_{e} e V}}$:
Điều này gần bằng khoảng cách giữa các nguyên tử trong tinh thể, đó là lý do tại sao các electron bị gián nhiễu khỏi than chì.
Suy ra $\lambda$ cho một electron được tăng tốc. Một electron có khối lượng $m$ và điện tích $q$ được tăng tốc từ trạng thái nghỉ qua hiệu điện thế p.d. $V$ sẽ thu được động năng $qV = \tfrac{1}{2}mv^{2}$, nên $v = \sqrt{2qV/m}$ và $p = mv = \sqrt{2mqV}$; do đó $\lambda = h/\sqrt{2mqV}$. Hai hệ quả mà đề thi yêu cầu: tăng$V$ làm tăng động lượng và làm ngắn bước sóng, vì vậy các vòng gián nhiễu co về phía trung tâm; để giảm đôi bước sóng cần gấp bốn lần hiệu điện thế.
Mô tả hiện tượng gián nhiễu electron (bốn điểm). (1) Các electron từ dây tóc nung nóng được tăng tốc qua hiệu điện thế cao thành chùm tia. (2) Chùm tia gặp màng than chì đa tinh thể mỏng; khoảng cách đều đặn của các nguyên tử carbon, khoảng $10^{-10}\ \text{m}$, đóng vai trò như lưới nhiễu xạ. (3) Trên màn huỳnh quang, các electron tạo ra một chấm sáng ở trung tâm bao quanh bởi các vòng đồng tâm. (4) Các vòng là hạn chế nhiễu, và gián nhiễu là tính chất của sóng, nên các electron đang hành xử như sóng; bán kính các vòng khớp với bước sóng $h/p$, điều này xác nhận công thức de Broglie. Vẽ sơ đồ hạn chế nhiễu dưới dạng các vòng, không phải các chấm hay pattern gợn sóng. Chùm tia nhanh hơn sẽ tạo ra các vòng có bán kính nhỏ hơn.
Explore · Khám phá
The de Broglie wavelength · Bước sóng de Broglie
λ = h/p
A particle's wavelength is inversely proportional to its momentum — faster, heavier particles have shorter waves. · Bước sóng của một hạt tỷ lệ nghịch với động lượng của nó — hạt nhanh hơn, nặng hơn sẽ có sóng ngắn hơn.
Energy levels in atoms · Mức năng lượng trong nguyên tử
Syllabus · Chương trình
English
understand that there are discrete electron energy levels in isolated atoms (e.g. atomic hydrogen)
understand the appearance and formation of emission and absorption line spectra
recall and use $hf = E_1 - E_2$
Tiếng Việt
hiểu rằng có các mức năng lượng phân立的 của electron trong nguyên tử cô lập (ví dụ: hydro nguyên tử)
hiểu sự xuất hiện và hình thành của quang phổ vạch phát xạ và quang phổ vạch hấp thụ
nhớ lại và sử dụng $hf = E_1 - E_2$
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
English
In an isolated atom, electrons can only sit at certain discrete 分立energy levels 能级 — never in between. The lowest is the ground state 基态; the others are excited states 激发态.
By convention, energies are written negative, with $E = 0$ for an electron just free of the atom. For hydrogen the ground state is $E_{1} = -13.6\ \text{eV}$; higher states approach zero.
Emission spectrum
When an electron drops from a higher level $E_{2}$ to a lower level $E_{1}$, it emits one photon of energy
$$h f = E_{2} - E_{1}.$$
(Both energies are negative; their difference is positive.) Because the levels are discrete, only certain photon energies — and so certain wavelengths — come out. The emission spectrum 发射光谱 is a set of sharp bright lines on a dark background, one line per transition 跃迁. The pattern is a "fingerprint" of the element.
Explaining a line spectrum (the standard four-marker). (1) The electrons in an isolated atom can only occupy discrete energy levels. (2) An electron in an excited state falls to a lower level and the energy it loses is emitted as one photon. (3) The photon energy equals the difference between the two levels, $hf = E_{2} - E_{1}$, so only certain frequencies (wavelengths) are emitted. (4) Each possible transition gives one line; the same set of levels gives the same lines every time, which is why a spectrum identifies the element. Asked to match lines to transitions: the largest energy gap gives the line of highest frequency and shortest wavelength.
Absorption spectrum
When white light passes through a cool gas, photons whose energy exactly matches an upward transition are absorbed. The light then shows dark lines on a bright background — the absorption spectrum 吸收光谱. The dark lines sit at the same wavelengths as the emission lines of the same gas.
Explaining the dark lines. Photons whose energy equals the difference between two levels are absorbed, raising an electron to the higher level; the excited electron soon falls back and re-emits a photon of the same energy, but in a random direction, so almost none of that light continues along the original path. The rest of the white light, whose photons match no gap, passes through unchanged. Hence dark lines at exactly the wavelengths the same gas would emit: the Sun's spectrum shows the absorption lines of the cooler gases in its outer layers.
Work in consistent units — convert eV to joules (× $1.60 \times 10^{-19}$) before finding $\lambda$ in metres, or use $hc \approx 1240\ \text{eV nm}$ for a quick estimate.
Worked example. The lowest four energy levels of hydrogen are $-13.6$, $-3.40$, $-1.51$ and $-0.85\ \text{eV}$. Find the wavelengths of the three lines produced by transitions to the ground state, and the number of lines these four levels can produce altogether.
Transition $2 \to 1$: $\Delta E = 13.6 - 3.40 = 10.2\ \text{eV}$, so $\lambda = 1240/10.2 = 122\ \text{nm}$. $3 \to 1$: $12.09\ \text{eV}$, $\lambda = 103\ \text{nm}$. $4 \to 1$: $12.75\ \text{eV}$, $\lambda = 97.3\ \text{nm}$: all ultraviolet, the largest jump giving the shortest wavelength. Four levels allow $4 \to 3$, $4 \to 2$, $4 \to 1$, $3 \to 2$, $3 \to 1$ and $2 \to 1$: six lines. The visible red line of hydrogen is $3 \to 2$: $1.89\ \text{eV}$, $656\ \text{nm}$. (Working in joules: $10.2\ \text{eV} = 1.63 \times 10^{-18}\ \text{J}$, $\lambda = hc/E = 1.99 \times 10^{-25}/1.63 \times 10^{-18} = 1.22 \times 10^{-7}\ \text{m}$.)
Worked example. A laser emits red light of wavelength $650\ \text{nm}$ when electrons drop from one level to another. Find the energy gap between the two levels.
$\Delta E = hc/\lambda = 1240/650 = 1.91\ \text{eV} = 3.1 \times 10^{-19}\ \text{J}$. The gap, not either level, fixes the colour: two atoms with different levels but the same gap emit the same line.
Worked example (annihilation). An electron and a positron, each moving slowly, meet and annihilate 湮灭, producing two identical photons. Find the wavelength of each photon. ($m_{\text{e}} = 9.11 \times 10^{-31}\ \text{kg}$.)
The rest energy of each particle is $E = mc^{2} = (9.11 \times 10^{-31})(3.00 \times 10^{8})^{2} = 8.2 \times 10^{-14}\ \text{J}$ ($0.51\ \text{MeV}$), and momentum conservation shares the energy between two photons moving in opposite directions, so each carries $8.2 \times 10^{-14}\ \text{J}$: $\lambda = hc/E = 1.99 \times 10^{-25}/8.2 \times 10^{-14} = 2.4 \times 10^{-12}\ \text{m}$, a gamma ray. (Any kinetic energy the pair had is added to the photon energies.)
Tiếng Việt
Trong một nguyên tử cô lập, electron chỉ có thể nằm ở các mức năng lượng rời rạc nhất định — không bao giờ ở giữa. Mức thấp nhất gọi là trạng thái cơ bản; các mức khác là trạng thái kích thích.
Theo quy ước, năng lượng được viết dấu âm, với $E = 0$ cho một electron vừa thoát khỏi nguyên tử. Đối với hydro, trạng thái cơ bản là $E_{1} = -13.6\ \text{eV}$; các mức cao hơn tiến dần đến zero.
Các mức năng lượng của electron trong hydro là rời rạc và mang dấu âm, với trạng thái cơ bản ở $-13.6\ \text{eV}$
Quang phổ phát xạ
Khi một electron rơi từ mức năng lượng cao hơn $E_{2}$ xuống mức năng lượng thấp hơn $E_{1}$, nó phát ra một photon có năng lượng
$$h f = E_{2} - E_{1}.$$
(Cả hai mức năng lượng đều mang dấu âm; hiệu số của chúng là dương.) Vì các mức năng lượng là rời rạc, chỉ một số năng lượng photon nhất định — và do đó một số bước sóng nhất định — được phát ra. Quang phổ phát xạ là tập hợp các vạch sáng sắc nét trên nền tối, mỗi vạch ứng với một sự chuyển mức. Pattern này giống như "dấu vân tay" của nguyên tố đó.
Giải thích quang phổ vạch (bốn điểm tiêu chuẩn). (1) Các electron trong nguyên tử cô lập chỉ có thể chiếm giữ các mức năng lượng rời rạc. (2) Một electron ở trạng thái kích thích rơi xuống mức thấp hơn và năng lượng nó mất đi được phát ra dưới dạng một photon. (3) Năng lượng photon bằng hiệu giữa hai mức, $hf = E_{2} - E_{1}$, nên chỉ một số tần số (bước sóng) nhất định được phát ra. (4) Mỗi sự chuyển mức khả dĩ tạo ra một vạch; cùng một tập mức năng lượng sẽ tạo ra cùng các vạch mỗi lần, đó là lý do quang phổ giúp xác định nguyên tố. Khi được yêu cầu nối vạch với sự chuyển mức: khoảng cách năng lượng lớn nhất sẽ tạo ra vạch có tần số cao nhất và bước sóng ngắn nhất.
Quang phổ phát xạ của hydro là tập hợp các vạch sáng sắc nét trên nền tốiQuang phổ phát xạ thực tế của các nguyên tố: mỗi cái là một tập hợp các vạch sáng độc nhất — dấu vân tay của nguyên tố đó
Quang phổ hấp thụ
Khi ánh sáng trắng đi qua khí lạnh, các photon có năng lượng khớp chính xác với sự chuyển mức lên cao sẽ bị hấp thụ. Ánh sáng sau đó hiển thị các vạch tối trên nền sáng — quang phổ hấp thụ. Các vạch tối nằm ở cùng các bước sóng như các vạch phát xạ của cùng loại khí đó.
Giải thích các vạch tối. Các photon có năng lượng bằng hiệu giữa hai mức năng lượng bị hấp thụ, đẩy electron lên mức cao hơn; electron kích thích ngay sau đó rơi trở lại và phát lại một photon có cùng năng lượng, nhưng theo hướng ngẫu nhiên, nên hầu như không có ánh sáng nào tiếp tục theo đường đi ban đầu. Phần còn lại của ánh sáng trắng, whose photons match no gap, passes through unchanged. Hence dark lines at exactly the wavelengths the same gas would emit: the Sun's spectrum shows the absorption lines of the cooler gases in its outer layers.
Các vạch hấp thụ tối trong quang phổ Mặt Trời đánh dấu các bước sóng bị khí lạnh hấp thụ
Tính toán
Đối với sự chuyển tiếp giữa hai mức năng lượng đã biết:
Sử dụng đơn vị nhất quán — đổi eV sang joules (× $1.60 \times 10^{-19}$) trước khi tìm $\lambda$ tính bằng mét, hoặc sử dụng $hc \approx 1240\ \text{eV nm}$ để ước lượng nhanh.
Từ mức sang vạch: mỗi sự chuyển tiếp xuống trạng thái cơ bản tạo ra một vạch, và bước nhảy lớn nhất nằm xa về phía đầu bước sóng ngắn
Ví dụ có hướng dẫn. Bốn mức năng lượng thấp nhất của hydro là $-13.6$, $-3.40$, $-1.51$ và $-0.85\ \text{eV}$. Tìm bước sóng của ba vạch do sự chuyển tiếp về trạng thái cơ bản, và số lượng vạch mà bốn mức này có thể tạo ra tổng cộng.
Chuyển tiếp $2 \to 1$: $\Delta E = 13.6 - 3.40 = 10.2\ \text{eV}$, nên $\lambda = 1240/10.2 = 122\ \text{nm}$. $3 \to 1$: $12.09\ \text{eV}$, $\lambda = 103\ \text{nm}$. $4 \to 1$: $12.75\ \text{eV}$, $\lambda = 97.3\ \text{nm}$: tất cả đều là tia cực tím, với bước nhảy lớn nhất tạo ra bước sóng ngắn nhất. Bốn mức cho phép $4 \to 3$, $4 \to 2$, $4 \to 1$, $3 \to 2$, $3 \to 1$ và $2 \to 1$: sáu vạch. Vạch đỏ khả kiến của hydro là $3 \to 2$: $1.89\ \text{eV}$, $656\ \text{nm}$. (Tính bằng joules: $10.2\ \text{eV} = 1.63 \times 10^{-18}\ \text{J}$, $\lambda = hc/E = 1.99 \times 10^{-25}/1.63 \times 10^{-18} = 1.22 \times 10^{-7}\ \text{m}$.)
Ví dụ có hướng dẫn. Một laser phát ánh sáng đỏ có bước sóng $650\ \text{nm}$ khi electron rơi từ mức này sang mức khác. Tìm độ chênh lệch năng lượng giữa hai mức.
$\Delta E = hc/\lambda = 1240/650 = 1.91\ \text{eV} = 3.1 \times 10^{-19}\ \text{J}$. Độ chênh lệch, không phải mức riêng lẻ, quyết định màu sắc: hai nguyên tử có các mức khác nhau nhưng cùng độ chênh lệch sẽ phát ra cùng một vạch.
Ví dụ có hướng dẫn (tiêu diệt). Một electron và một positron, mỗi hạt di chuyển chậm, gặp nhau và tiêu diệt lẫn nhau, tạo ra hai photon giống hệt nhau. Tìm bước sóng của mỗi photon. ($m_{\text{e}} = 9.11 \times 10^{-31}\ \text{kg}$.)
Năng lượng nghỉ của mỗi hạt là $E = mc^{2} = (9.11 \times 10^{-31})(3.00 \times 10^{8})^{2} = 8.2 \times 10^{-14}\ \text{J}$ ($0.51\ \text{MeV}$), và bảo toàn động lượng chia sẻ năng lượng giữa hai photon di chuyển ngược chiều, nên mỗi photon mang $8.2 \times 10^{-14}\ \text{J}$: $\lambda = hc/E = 1.99 \times 10^{-25}/8.2 \times 10^{-14} = 2.4 \times 10^{-12}\ \text{m}$, một tia gamma. (Bất kỳ động năng nào mà cặp hạt có ban đầu sẽ được cộng vào năng lượng photon.)
Explore · Khám phá
Make an element's spectral lines · Tạo ra các vạch quang phổ của một nguyên tố
An electron dropping between fixed energy levels emits a photon of exactly the gap's energy — a fixed wavelength and colour. Each jump is one line of the element's barcode. · Khi electron rơi xuống giữa các cấp năng lượng cố định, nó phát ra một photon có chính xác năng lượng bằng khoảng cách giữa hai cấp — một bước sóng và màu sắc cố định. Mỗi sự chuyển mức là một vạch trong mã vạch của nguyên tố đó.
Definitions the examiner accepts · Các định nghĩa mà giám khảo chấp nhận
English
A definition question is marked against fixed wording. Learn these exactly, and give one answer only.
Term
Definition
photon
a quantum (discrete packet) of energy of electromagnetic radiation
electronvolt
the energy gained by an electron accelerated through a potential difference of one volt; $1.60 \times 10^{-19}\ \text{J}$
photoelectric effect
the emission of electrons from a metal surface when electromagnetic radiation of high enough frequency is incident on it
work function energy
the minimum energy needed to remove an electron from the surface of the metal
threshold frequency
the minimum frequency of radiation that causes photoelectric emission from a metal
threshold wavelength
the maximum wavelength of radiation that causes photoelectric emission, $\lambda_{0} = hc/\Phi$
wave–particle duality
radiation and matter show both wave properties (diffraction, interference) and particle properties (photoelectric effect, discrete collisions)
de Broglie wavelength
the wavelength associated with a moving particle, $\lambda = h/p$
energy level
one of the discrete energies an electron in an isolated atom may have
emission line spectrum
a set of bright lines of definite wavelengths, each from a transition between two energy levels
absorption line spectrum
dark lines on a continuous spectrum at the wavelengths absorbed by transitions to higher levels
Tiếng Việt
Câu hỏi định nghĩa được chấm dựa trên văn phong cố định. Hãy học thuộc những định nghĩa này và chỉ đưa ra một đáp án duy nhất.
Thuật ngữ
Định nghĩa
Photon
một lượng tử (gói năng lượng rời rạc) của bức xạ điện từ
electronvolt
năng lượng mà electron thu được khi tăng tốc qua hiệu điện thế một volt; $1.60 \times 10^{-19}\ \text{J}$
Hiệu ứng quang điện
sự giải phóng electron từ bề mặt kim loại khi bức xạ điện từ có tần số đủ cao chiếu vào đó
Năng lượng công thoát
năng lượng tối thiểu cần thiết để bứt một electron ra khỏi bề mặt kim loại
Tần số ngưỡng
tần số tối thiểu của bức xạ gây ra hiện tượng quang điện từ kim loại
Bước sóng ngưỡng
bước sóng tối đa của bức xạ gây ra hiện tượng quang điện, $\lambda_{0} = hc/\Phi$
Tính lưỡng tính sóng – hạt
bức xạ và vật chất đều thể hiện cả tính chất sóng (nhiễu xạ, giao thoa) và tính chất hạt (hiệu ứng quang điện, va chạm rời rạc)
Bước sóng de Broglie
bước sóng liên quan đến một hạt đang chuyển động, $\lambda = h/p$
Mức năng lượng
một trong những năng lượng rời rạc mà electron trong nguyên tử cô lập có thể sở hữu
Quang phổ vạch phát xạ
tập hợp các vạch sáng có bước sóng xác định, mỗi vạch đến từ một sự chuyển tiếp giữa hai mức năng lượng
Quang phổ vạch hấp thụ
các vạch tối trên quang phổ liên tục tại các bước sóng bị hấp thụ bởi sự chuyển tiếp lên các mức cao hơn
22.4
Exam tips · Mẹo làm bài thi
English
Photon: $E = hf = hc/\lambda$, $p = E/c = h/\lambda$. Use $hc = 1240\ \text{eV nm}$ to move between wavelength and energy in eV, then convert to joules only if the answer demands it.
Photoelectric equation $hf = \Phi + \tfrac{1}{2}mv_{\text{max}}^{2}$: maximum energy, one photon to one electron; the graph of $E_{\text{K,max}}$ against $f$ has gradient $h$ and intercepts $f_{0}$ and $-\Phi$.
Intensity changes the number of photons per second (the current); frequency changes the energy of each (the maximum kinetic energy). Keep those two sentences apart and every explanation writes itself.
Evidence: photoelectric effect for particles, diffraction and interference for waves; electron diffraction for the wave nature of matter, with $\lambda = h/p = h/\sqrt{2mqV}$.
Line spectra: discrete levels, one photon per transition, $hf = E_{2} - E_{1}$; the biggest gap gives the shortest wavelength; absorption lines sit where emission lines would, because the absorbed light is re-emitted in all directions.
Radiation pressure: force $=$ photons per second $\times$ momentum change per photon; $2p$ for a mirror, $p$ for an absorber; pressure depends on intensity, not colour.
Common mistakes
Defining a photon as "a particle of light" without "quantum/packet of energy", or the work function without "minimum" and "from the surface".
Saying brighter light gives faster photoelectrons, or that below the threshold frequency emission happens eventually.
Mixing eV and joules in one equation; forgetting to subtract the work function; using $\tfrac{1}{2}mv^{2}$ with the maximum kinetic energy in eV.
Writing the de Broglie wavelength for an accelerated electron as $h/(mv)$ with $v$ guessed, instead of $h/\sqrt{2mqV}$.
Describing electron diffraction as bright fringes or spots; the pattern is concentric rings, and a higher p.d. makes them smaller.
Getting the direction of a transition wrong: emission is a fall to a lower level, absorption a rise; the photon energy is the difference, never the energy of one level.
Claiming the largest energy gap gives the longest wavelength.
Forgetting that a reflected photon changes momentum by $2p$, or that the pressure of blue light of the same intensity is the same as red.
Tiếng Việt
Photon: $E = hf = hc/\lambda$, $p = E/c = h/\lambda$. Sử dụng $hc = 1240\ \text{eV nm}$ để chuyển đổi giữa bước sóng và năng lượng theo eV, sau đó chỉ chuyển sang joules nếu đáp án yêu cầu điều đó.
Phương trình quang điện $hf = \Phi + \tfrac{1}{2}mv_{\text{max}}^{2}$: năng lượng tối đa, một photon tương tác với một electron; đồ thị $E_{\text{K,max}}$ theo $f$ có hệ số góc là $h$ và các tung độ gốc là $f_{0}$ và $-\Phi$.
Cường độ thay đổi số lượng photon mỗi giây (dòng điện); tần số thay đổi năng lượng của mỗi photon (động năng tối đa). Giữ hai câu này tách biệt và mọi lời giải thích tự nhiên mà ra.
Bằng chứng: hiệu ứng quang điện cho tính hạt, nhiễu xạ và giao thoa cho tính sóng; nhiễu xạ electron cho tính sóng của vật chất, với $\lambda = h/p = h/\sqrt{2mqV}$.
Quang phổ vạch: các mức rời rạc, một photon cho mỗi sự chuyển tiếp, $hf = E_{2} - E_{1}$; độ chênh lệch lớn nhất tạo ra bước sóng ngắn nhất; các vạch hấp thụ nằm ở vị trí mà các vạch phát xạ sẽ xuất hiện, vì ánh sáng bị hấp thụ bị phát lại theo mọi hướng.
Áp suất bức xạ: lực $=$ photon mỗi giây $\times$ biến thiên động lượng mỗi photon; $2p$ đối với gương, $p$ đối với vật hấp thụ; áp suất phụ thuộc vào cường độ, không phải màu sắc.
Lỗi thường gặp
Định nghĩa photon là "một hạt ánh sáng" mà không có "lượng tử/gói năng lượng", hoặc định nghĩa công thoát mà không có "tối thiểu" và "từ bề mặt".
Nói rằng ánh sáng brighter tạo ra các photoelectron nhanh hơn, hoặc rằng dưới tần số ngưỡng sự phát xạ vẫn xảy ra sau một thời gian.
Trộn eV và joules trong cùng một phương trình; quên trừ công thoát; sử dụng $\tfrac{1}{2}mv^{2}$ với động năng tối đa tính theo eV.
Viết bước sóng de Broglie cho electron gia tốc là $h/(mv)$ với $v$ được đoán mò, thay vì $h/\sqrt{2mqV}$.
Mô tả nhiễu xạ electron là các vân sáng hoặc đốm; mẫu hình là các vòng tròn đồng tâm, và hiệu điện thế cao hơn làm chúng nhỏ lại.
Xác định sai hướng của sự chuyển tiếp: phát xạ là sự rơi xuống mức thấp hơn, hấp thụ là sự đi lên; năng lượng photon là độ chênh lệch, không bao giờ là năng lượng của một mức riêng lẻ.
Khẳng định rằng độ chênh lệch năng lượng lớn nhất tạo ra bước sóng dài nhất.
Quên rằng một photon phản xạ thay đổi động lượng một lượng $2p$, hoặc rằng áp suất của ánh sáng xanh cùng cường độ như ánh sáng đỏ là bằng nhau.
understand the equivalence between energy and mass as represented by $E = mc^2$ and recall and use this equation
represent simple nuclear reactions by nuclear equations of the form $^{14}_{7}\text{N} + ^{4}_{2}\text{He} \rightarrow ^{17}_{8}\text{O} + ^{1}_{1}\text{H}$
define and use the terms mass defect and binding energy
sketch the variation of binding energy per nucleon with nucleon number
explain what is meant by nuclear fusion and nuclear fission
explain the relevance of binding energy per nucleon to nuclear reactions, including nuclear fusion and nuclear fission
calculate the energy released in nuclear reactions using $E = c^2 \Delta m$
Tiếng Việt
hiểu sự tương đương giữa năng lượng và khối lượng được biểu thị bởi $E = mc^2$ và nhớ, sử dụng phương trình này
biểu diễn các phản ứng hạt nhân đơn giản bằng phương trình hạt nhân dạng $^{14}_{7}\text{N} + ^{4}_{2}\text{He} \rightarrow ^{17}_{8}\text{O} + ^{1}_{1}\text{H}$
định nghĩa và sử dụng các thuật ngữ độ hụt khối và năng lượng liên kết
vẽ sơ đồ sự biến thiên của năng lượng liên kết trên mỗi nucleon theo số nucleon
giải thích ý nghĩa của phân hạch hạt nhân và hợp hạch hạt nhân
giải thích ý nghĩa của năng lượng liên kết trên mỗi nucleon đối với phản ứng hạt nhân, bao gồm cả hợp hạch và phân hạch hạt nhân
tính năng lượng giải phóng trong các phản ứng hạt nhân bằng cách sử dụng $E = c^2 \Delta m$
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
Einstein's special relativity gives the famous link (mass-energy equivalence 质能等价):
Mass and energy are equivalent and can change into each other
$$E = m c^{2},$$
where $c = 3.00 \times 10^{8}\ \text{m s}^{-1}$. A mass $m$ matches an energy 能量$E$ — the two can change into each other. For a mass change $\Delta m$:
Worked example. The star Sirius loses mass through nuclear fusion at $1.09 \times 10^{11}\ \text{kg s}^{-1}$. Find the power it radiates.
Every kilogram that disappears leaves as energy: $P = c^{2} \times (\text{mass lost per second}) = (3.00 \times 10^{8})^{2}(1.09 \times 10^{11}) = 9.8 \times 10^{27}\ \text{W}$. This is the star's luminosity 光度 (Topic 25); the Sun's is $3.8 \times 10^{26}\ \text{W}$, so it loses about $4$ million tonnes a second. The same idea in reverse: a power station producing $1\ \text{GW}$ for a year converts $E/c^{2} = 3.2 \times 10^{16}/9.0 \times 10^{16} = 0.35\ \text{kg}$ of mass, which is why the fuel weighs almost the same afterwards.
$$\Delta E = c^{2} \Delta m.$$
In nuclear physics the masses are tiny but $c^{2}$ is huge, so a small mass change means a large energy. A mass change of $1\ \text{u}$ ($1.661 \times 10^{-27}\ \text{kg}$) matches $\Delta E \approx 1.49 \times 10^{-10}\ \text{J}$. This gives a conversion you will use again and again:
with nucleon number 核子数 conserved (top numbers: $14 + 4 = 17 + 1$) and charge conserved (bottom numbers: $7 + 2 = 8 + 1$) — this is conservation of charge 电荷守恒. Use these to fill in an unknown: identify the species, then balance the top and bottom numbers.
The decay equations. Alpha decay removes $^{4}_{2}\text{He}$, so $A$ falls by 4 and $Z$ by 2: $^{211}_{84}\text{Po} \to {}^{207}_{82}\text{Pb} + {}^{4}_{2}\text{He}$. Beta-minus decay turns a neutron into a proton, emitting an electron and an antineutrino: $^{15}_{6}\text{C} \to {}^{15}_{7}\text{N} + {}^{0}_{-1}\text{e} + \bar{\nu}$ ($A$ unchanged, $Z$ up by 1). Beta-plus decay turns a proton into a neutron, emitting a positron 正电子 and a neutrino 中微子: $^{18}_{9}\text{F} \to {}^{18}_{8}\text{O} + {}^{0}_{+1}\text{e} + \nu$ ($Z$ down by 1). Gamma emission changes neither number. In a chain of decays just keep the books: a nucleus W that emits $\beta^{-}$, then $\alpha$, then $\beta^{-}$ ends with $A - 4$ and $Z + 1 - 2 + 1 = Z$, an isotope of W. Check both lines of every equation you complete, and remember the neutrino: the mark scheme includes it.
The mass of a nucleus 原子核 is less than the total mass of its separate protons 质子 and neutrons 中子. The difference is the mass defect 质量亏损$\Delta m$:
$$\Delta m = (Z m_{\text{p}} + N m_{\text{n}}) - m_{\text{nucleus}}.$$
By $E = mc^{2}$, this "missing" mass was released as energy when the nucleus formed. To pull the nucleus fully apart you must put that energy back — the binding energy 结合能$B$:
$$B = \Delta m \cdot c^{2}.$$
The assembled nucleus has less mass than its separate nucleons; the missing mass is released as binding energy
Worked example. A helium-4 nucleus has a mass defect of $\Delta m = 0.0304\ \text{u}$. Find its binding energy. ($1\ \text{u}$ corresponds to $931\ \text{MeV}$.)
A more tightly bound nucleus has a larger mass defect and larger binding energy. The binding energy per nucleon 比结合能 is $B/A$ (usually in MeV per nucleon) — a measure of how tightly each nucleon is held, useful for comparing nuclides.
The two-mark definitions.The mass defect of a nucleus is the difference between the total mass of its separate nucleons and the mass of the nucleus.The binding energy is the minimum energy required to separate the nucleus into its individual nucleons (equivalently, the energy released when the nucleus is formed from separate nucleons). Say "separate nucleons" or "individual protons and neutrons"; "the energy holding the nucleus together" scores nothing. Binding energy is released, not stored: the nucleus has less energy than its parts.
Worked example. The masses are: proton $1.007\,276\ \text{u}$, neutron $1.008\,665\ \text{u}$, polonium-212 nucleus $211.945\,4\ \text{u}$. Find the mass defect and the binding energy per nucleon of $^{212}_{84}\text{Po}$.
$Z = 84$ protons and $N = 212 - 84 = 128$ neutrons: total $84 \times 1.007\,276 + 128 \times 1.008\,665 = 84.611\,2 + 129.109\,1 = 213.720\,3\ \text{u}$. Mass defect $\Delta m = 213.720\,3 - 211.945\,4 = 1.774\,9\ \text{u}$. Binding energy $= 1.774\,9 \times 931.5 = 1653\ \text{MeV}$, so per nucleon $1653/212 = 7.80\ \text{MeV}$, on the falling part of the curve. Keep every decimal place until the subtraction: the defect is a small difference of two large numbers.
Binding energy per nucleon vs nucleon number
A graph of $B/A$ against $A$ has a typical shape:
for light nuclei ($A < 20$), $B/A$ rises quickly (with a spike at the very stable $^{4}_{2}\text{He}$).
around $A \sim 56$ (iron), $B/A$ reaches its maximum of about $8.8\ \text{MeV}$. Iron-56 is the most stable nucleus.
for heavy nuclei ($A > 100$), $B/A$ falls slowly, to about $7.5\ \text{MeV}$ for uranium.
So the curve is dome-shaped, rising to iron then falling.
Sketching the curve. The exam gives blank axes ($A$ from 1 to 250, $B/A$ up to about $9\ \text{MeV}$) and marks: a steep rise from near zero at $A = 1$, a maximum near $A = 56$ at about $8.8\ \text{MeV}$, then a slow, gentle fall to about $7.5\ \text{MeV}$ at $A = 238$. Do not start the curve at the origin exactly (hydrogen-1 has no binding energy but is a single point), do not make the fall as steep as the rise, and do not let the curve reach zero on the right. Asked to mark a nucleus that undergoes alpha decay, put X on the far right, $A > 200$; a nucleus that undergoes fusion goes at the far left, $A < 10$; both are at low $B/A$, moving up the curve when they react.
Binding energy per nucleon peaks near iron ($A \approx 56$); lighter and heavier nuclei are less tightly bound
Explore · Khám phá
Mass defect energy lab · Phòng thí nghiệm độ hụt khối năng lượng
E = delta m c^2
Change mass defect and see binding energy rise with E = mc^2. · Thay đổi độ hụt khối để thấy năng lượng liên kết tăng theo E = mc^2.
The product has greater binding energy per nucleon than the reactants, so energy is released. Fusion powers stars. It needs very high temperatures (millions of kelvin) so the nuclei have enough kinetic energy 动能 to beat their electrostatic 静电 repulsion and get close enough for the strong nuclear force 强核力 to take over.
Nuclear fission
Nuclear fission 核裂变 splits a heavy nucleus into two lighter ones:
The products have higher binding energy per nucleon than $^{235}$U, so energy is released. The extra neutrons can cause more fissions — a chain reaction 链式反应 in a large enough mass of fuel (the critical mass 临界质量). This is the basis of nuclear power and weapons.
"Describe the differences between fission and fusion." Fission: a heavy nucleus (large $A$) splits into two lighter nuclei of roughly similar mass, usually after absorbing a neutron, releasing further neutrons. Fusion: two light nuclei (small $A$) join to form one heavier nucleus; it needs very high temperature and pressure to overcome the electrostatic repulsion between the nuclei. Both release energy, but per kilogram of fuel fusion releases more.
"Explain, with reference to the curve, why energy is released." In both processes the products lie higher on the binding-energy-per-nucleon curve than the reactants: each nucleon ends up more tightly bound, so the total binding energy increases. The extra binding energy is released (as the kinetic energy of the products and as photons), and the total mass of the products is less than that of the reactants by $\Delta E/c^{2}$. A nucleus near the peak (iron) can release energy by neither process, which is why the stars' fusion stops at iron.
In an uncontrolled chain reaction each fission of uranium-235 releases neutrons that cause more fissions
Calculating the energy released
find the total mass of the reactants.
find the total mass of the products.
mass change $\Delta m = m_{\text{reactants}} - m_{\text{products}}$ (positive when energy is released).
energy released $\Delta E = c^{2} \Delta m$.
In kg this gives joules; in atomic mass units use $\Delta E\ (\text{MeV}) = \Delta m\ (\text{u}) \times 931$.
Worked example. In a nuclear reaction the total mass decreases by $0.020\ \text{u}$. Find the energy released.
Worked example (fusion). The mass defect of deuterium $^{2}_{1}\text{H}$ is $0.002\,388\ \text{u}$ and that of helium-4 is $0.030\,377\ \text{u}$. Find the energy released when two deuterium nuclei fuse to form one helium-4 nucleus.
Energy released $=$ (binding energy of the products) $-$ (binding energy of the reactants) $= [0.030\,377 - 2 \times 0.002\,388] \times 931.5 = 0.025\,601 \times 931.5 = 23.8\ \text{MeV}$ ($3.82 \times 10^{-12}\ \text{J}$). Mass defects can be used directly like this because the number of nucleons is the same on both sides; the difference in the defects is the mass converted. Per kilogram of deuterium this is $5.7 \times 10^{14}\ \text{J}$, about a million times a chemical fuel.
Worked example (fission).$^{235}_{92}\text{U} + {}^{1}_{0}\text{n} \to {}^{141}_{56}\text{Ba} + {}^{92}_{36}\text{Kr} + 3\,{}^{1}_{0}\text{n}$. Masses: U-235 $235.043\,9\ \text{u}$, n $1.008\,665\ \text{u}$, Ba-141 $140.914\,4\ \text{u}$, Kr-92 $91.926\,2\ \text{u}$. Find the energy released.
Reactants: $235.043\,9 + 1.008\,665 = 236.052\,6\ \text{u}$. Products: $140.914\,4 + 91.926\,2 + 3 \times 1.008\,665 = 235.866\,6\ \text{u}$. $\Delta m = 0.186\,0\ \text{u}$, so $\Delta E = 0.186\,0 \times 931.5 = 173\ \text{MeV} = 2.8 \times 10^{-11}\ \text{J}$ per fission. Count the three neutrons on the right and the one on the left: forgetting one changes the answer by a whole nucleon mass.
Alpha decay from rest: equal and opposite momenta, so the light alpha particle carries about 98% of the energy released and the heavy nucleus barely recoils
Worked example (alpha decay and momentum). A stationary $^{238}_{92}\text{U}$ nucleus decays to $^{234}_{90}\text{Th}$ by emitting an $\alpha$-particle; the total kinetic energy released is $4.27\ \text{MeV}$. Find the kinetic energy of the $\alpha$-particle.
Momentum is conserved and the parent was at rest, so the $\alpha$ and the thorium nucleus have equal and opposite momenta $p$. With $E_{\text{K}} = p^{2}/2m$, the energies are in the inverse ratio of the masses: $E_{\alpha}/E_{\text{Th}} = m_{\text{Th}}/m_{\alpha} = 234/4$. So $E_{\alpha} = 4.27 \times 234/238 = 4.20\ \text{MeV}$ and the thorium recoil 反冲 takes only $0.07\ \text{MeV}$. The $\alpha$-particles from a given decay are all emitted with this one energy, which is the sign that the energy is shared between just two bodies.
Worked example (a radioactive power source). A space probe is powered by $0.874\ \text{kg}$ of plutonium-238, half-life $87.7$ years, each decay releasing $5.59\ \text{MeV}$. Find the power available at launch.
Number of nuclei: $N = 0.874/(238 \times 1.661 \times 10^{-27}) = 2.21 \times 10^{24}$. Decay constant: $\lambda = 0.693/(87.7 \times 3.156 \times 10^{7}) = 2.50 \times 10^{-10}\ \text{s}^{-1}$. Activity: $A = \lambda N = 5.53 \times 10^{14}\ \text{Bq}$. Power $= A \times E = 5.53 \times 10^{14} \times 5.59 \times 1.60 \times 10^{-13} = 490\ \text{W}$, falling to half after $87.7$ years. A nuclide with a shorter half-life would give more power per kilogram but would not last the mission; polonium-210 ($138$ days) would be far more powerful at first and useless within two years.
A neutron splits a heavy nucleus, releasing energy and more neutrons — which split more nuclei. · Một neutron phá vỡ một hạt nhân nặng, giải phóng năng lượng và thêm neutron — những neutron này lại phá vỡ thêm hạt nhân khác.
understand that fluctuations in count rate provide evidence for the random nature of radioactive decay
understand that radioactive decay is both spontaneous and random
define activity and decay constant, and recall and use $A = \lambda N$
define half-life
use $\lambda = 0.693 / t_{\frac{1}{2}}$
understand the exponential nature of radioactive decay, and sketch and use the relationship $x = x_0 e^{-\lambda t}$, where $x$ could represent activity, number of undecayed nuclei or received count rate
Tiếng Việt
hiểu rằng sự dao động của tốc độ đếm cung cấp bằng chứng cho tính ngẫu nhiên của phân rã phóng xạ
hiểu rằng phân rã phóng xạ vừa mang tính tự phát vừa mang tính ngẫu nhiên
định nghĩa hoạt độ và hằng số phân rã, và nhớ, sử dụng $A = \lambda N$
định nghĩa thời gian bán rã
sử dụng $\lambda = 0.693 / t_{\frac{1}{2}}$
hiểu tính chất hàm mũ của sự phân rã phóng xạ, vẽ và sử dụng mối quan hệ $x = x_0 e^{-\lambda t}$, trong đó $x$ có thể đại diện cho hoạt độ, số hạt nhân chưa phân rã hoặc tốc độ đếm nhận được
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
Radioactive decay & half-life
Random and spontaneous
Radioactive decay is:
spontaneous 自发 — it happens with no outside trigger, and the rate is not changed by temperature, pressure or chemical state; and
random 随机 — you cannot predict when a given nucleus will decay, only the probability that it decays in a time.
Evidence for randomness: the count rate fluctuates. A Geiger counter 盖革计数器 next to a source clicks at uneven intervals — never a steady stream — although the long-run mean rate is well-defined.
Counts in equal time intervals from the same source are never the same twice: the fluctuation is the evidence that decay is random, while the steady mean shows the probability is constant
The two-mark definitions.Radioactive decay is the spontaneous and random emission of a particle ($\alpha$ or $\beta$) or a photon ($\gamma$) from an unstable nucleus.Spontaneous means the decay is not affected by external factors: temperature, pressure, chemical state, or the presence of other nuclei. Random means it is impossible to predict which nucleus will decay next, or when a given nucleus will decay; only a probability can be given. Evidence for randomness: the count rate fluctuates from one interval to the next, even for a source whose activity is not changing over the experiment.
Each beta particle from the source leaves a thin track in a cloud chamber -- direct evidence of separate, random decays
Activity and decay constant
For $N$ undecayed nuclei of a radionuclide 放射性核素, the rate of decay is
$$A = \lambda N.$$
$A$ is the activity 活度 — decays per unit time. Unit: becquerel 贝克勒尔 (Bq) $= \text{s}^{-1}$.
$\lambda$ is the decay constant 衰变常数 — the probability per unit time that a nucleus decays. Unit: $\text{s}^{-1}$.
$\lambda$ is fixed for a nuclide; a larger sample (larger $N$) has proportionally larger activity.
The one-mark definitions.Activity is the number of decays (of nuclei) per unit time, or the rate of decay. The decay constant is the probability per unit time that a (given) nucleus will decay. Not "the rate of decay": that is the activity. Note the units are the same, $\text{s}^{-1}$, but $A$ counts events and $\lambda$ is a probability per second.
Worked example. Fluorine-18 has a half-life of $110$ minutes. Show that its decay constant is $1.05 \times 10^{-4}\ \text{s}^{-1}$, and find the activity of $2.1 \times 10^{-12}\ \text{kg}$ of fluorine-18.
$\lambda = 0.693/(110 \times 60) = 1.05 \times 10^{-4}\ \text{s}^{-1}$. The number of nuclei is the mass divided by the mass of one nucleus: $N = 2.1 \times 10^{-12}/(18 \times 1.661 \times 10^{-27}) = 7.0 \times 10^{13}$. So $A = \lambda N = 1.05 \times 10^{-4} \times 7.0 \times 10^{13} = 7.4 \times 10^{9}\ \text{Bq}$. A tiny mass gives a huge activity because the half-life is short; the same mass of uranium-238 (half-life $4.5 \times 10^{9}$ years) would give about $10^{-5}\ \text{Bq}$.
Exponential decay
Since $\lambda$ is the fractional decay rate, $\dfrac{dN}{dt} = -\lambda N$, whose solution is an exponential decay 指数衰减:
$$N = N_{0} e^{-\lambda t}.$$
Because $A = \lambda N$, the activity (and any count rate 计数率 proportional to it) decays the same way:
$$A = A_{0} e^{-\lambda t}.$$
Why exponential? For each nucleus, $\lambda$ is a fixed probability per unit time, independent of the others and of the nucleus's age. So the same fraction decays in each time interval, which gives exponential decay.
Writing the explanation (three marks). (1) The decay constant is the probability per unit time of decay and is the same for every nucleus of the nuclide, whatever its age. (2) So the rate of decay, the activity, is proportional to the number of undecayed nuclei present: $A = \lambda N$. (3) A rate of change proportional to the quantity itself gives an exponential change; equivalently, the same fraction of the remaining nuclei decays in every equal time interval, so the number never reaches zero but halves in every half-life.
Half-life
The half-life 半衰期$t_{1/2}$ is the time for the number of undecayed nuclei (or the activity, or the count rate) to fall to half. From $N = N_{0} e^{-\lambda t}$ with $N = N_{0}/2$:
A larger decay constant means a shorter half-life. After $n$ half-lives the surviving fraction is $(1/2)^{n}$; after 5 half-lives only about 3% remains.
The definition of half-life.The time taken for the number of undecayed nuclei (or the activity) of a sample to fall to half its initial value. "Half the atoms decay" is accepted; "half the sample disappears" is not, since the decayed nuclei are still there as the daughter product.
A parent decaying into a stable daughter: what X loses, Y gains, so the curves cross after one half-life and the half-life can be read off the crossing
Reading a two-isotope graph. When X decays to a stable Y, $N_{\text{Y}} = N_{0} - N_{\text{X}} = N_{0}(1 - e^{-\lambda t})$. The half-life is the time at which the curves cross ($N_{\text{X}} = N_{\text{Y}} = N_{0}/2$), or the time for $N_{\text{X}}$ to halve. If the graph gives the initial number $N_{0}$ and the initial mass $m$, the nucleon number follows from $m = N_{0} A u$: for $m = 7.3 \times 10^{-4}\ \text{kg}$ and $N_{0} = 2.0 \times 10^{21}$, $A = m/(N_{0} u) = 7.3 \times 10^{-4}/(2.0 \times 10^{21} \times 1.661 \times 10^{-27}) = 220$.
Worked example. A sample of a single radioactive isotope has an activity of $180\ \text{Bq}$ at $t = 0$ and $45\ \text{Bq}$ at $t = 8.4$ minutes. Find the half-life and the decay constant, and the activity after a further $8.4$ minutes.
$45/180 = 1/4 = (1/2)^{2}$: two half-lives in $8.4$ minutes, so $t_{1/2} = 4.2\ \text{min} = 252\ \text{s}$ and $\lambda = 0.693/252 = 2.8 \times 10^{-3}\ \text{s}^{-1}$. After another two half-lives the activity is $45/4 = 11\ \text{Bq}$. When the ratio is not a neat power of two, use $t = \ln(A_{0}/A)/\lambda$: for the activity to fall from $180$ to $50\ \text{Bq}$ takes $\ln(3.6)/2.75 \times 10^{-3} = 466\ \text{s}$. Always convert the half-life to seconds before finding $\lambda$ if the activity is in becquerels.
The number of undecayed nuclei falls by half in each half-life
Taking logs of $A = A_{0} e^{-\lambda t}$ gives $\ln A = \ln A_{0} - \lambda t$, so a plot of $\ln A$ against $t$ is a straight line with gradient $-\lambda$. Use this with several data points.
Count rate is not activity. A detector records only the radiation that reaches it and is absorbed in it: a fraction set by the solid angle it covers, by absorption in the air and in the source itself, and by its efficiency. So the measured count rate is smaller than the activity, but proportional to it, and the half-life obtained from a count-rate graph is correct. Subtract the background radiation 本底辐射 (measured with the source removed) from every reading before taking ratios or logarithms; an unsubtracted background makes the curve flatten and the half-life appear too long.
Tracers in medicine. Fluorine-18 and oxygen-15 are $\beta^{+}$ emitters used as tracers 示踪剂 in PET scanning (Topic 24): the positron annihilates with an electron, giving two gamma photons that leave in opposite directions and reveal where the tracer is. A short half-life ($110$ minutes, $2$ minutes) is chosen so that the activity falls quickly after the scan and the dose to the patient stays small, at the price of having to make the isotope close to the hospital and use it at once.
A graph of $\ln A$ against time is a straight line of gradient $-\lambda$
Choose a decay type; the daughter nuclide is fixed so the nucleon number A and the proton number Z both balance. · Chọn một loại suy biến; nuclide con là cố định nên số nucleon A và số proton Z đều cân bằng.
Explore · Khám phá
Half-life — watch the nuclei decay · Chu kỳ bán rã — theo dõi sự phân rã của hạt nhân
Each nucleus has a fixed chance of decaying, at random. Move time forward: about half the remaining nuclei decay every half-life — so the count halves, then halves again. · Mỗi hạt nhân có xác suất phân rã cố định, ngẫu nhiên. Đẩy thời gian tiến lên: khoảng một nửa số hạt nhân còn lại sẽ phân rã mỗi chu kỳ bán rã — do đó số đếm giảm đi một nửa, rồi lại giảm một nửa nữa.
A definition question is marked against fixed wording. Learn these exactly, and give one answer only.
Term
Definition
mass defect
the difference between the total mass of the separate nucleons and the mass of the nucleus
binding energy
the minimum energy needed to separate a nucleus into its individual nucleons (the energy released when it forms from them)
nuclear fusion
two light nuclei combine to form a single heavier nucleus
nuclear fission
a heavy nucleus splits into two lighter nuclei of similar mass (usually after absorbing a neutron)
radioactive decay
the spontaneous and random emission of α, β or γ radiation from an unstable nucleus
spontaneous
not affected by external factors such as temperature, pressure or chemical state
random
it cannot be predicted which nucleus will decay, or when a given nucleus will decay
activity
the number of nuclei decaying per unit time
decay constant
the probability per unit time that a nucleus decays
half-life
the time for the number of undecayed nuclei (or the activity) to fall to half its initial value
23.2
Exam tips
$E = mc^{2}$ with $1\ \text{u} = 931.5\ \text{MeV}$: work in u and MeV for reactions, then convert to joules only if asked ($1\ \text{MeV} = 1.60 \times 10^{-13}\ \text{J}$).
Energy released $=$ (total mass before $-$ total mass after) $\times c^{2}$, or (binding energy after $-$ binding energy before). Mass defects can be subtracted directly when the nucleon count is unchanged.
The curve: steep rise, peak $8.8\ \text{MeV}$ near $A = 56$, gentle fall. Products higher on the curve means energy released; fusion on the left, fission (and α-decay) on the right.
Balance every equation twice: nucleon numbers along the top, proton numbers along the bottom; β decays carry a neutrino or antineutrino.
$A = \lambda N$, $\lambda = 0.693/t_{1/2}$ with $t_{1/2}$ in seconds; $N$ from mass: $N = m/(A u)$. Ratios of $1/2$, $1/4$, $1/8$ mean whole half-lives; otherwise $t = \ln(x_{0}/x)/\lambda$.
Explanations are marked on the words: constant probability, rate proportional to number, same fraction per interval; fluctuating count rate for randomness; unaffected by external conditions for spontaneous.
Common mistakes
Defining binding energy as "the energy holding the nucleus together" or "the energy stored in the nucleus"; it is the energy to separate the nucleons.
Subtracting masses the wrong way round and reporting a negative energy release, or forgetting the neutron(s) on one side of a fission equation.
Drawing the binding-energy curve falling as steeply as it rises, or reaching zero at large $A$.
Using a half-life in minutes or years with an activity in becquerels; convert to seconds first.
Confusing the decay constant (a probability per second) with the activity (decays per second).
Saying "half the sample disappears" for a half-life, or that after two half-lives nothing is left.
Giving "random" as "it happens at any time" without "cannot predict which nucleus or when", or "spontaneous" without "unaffected by external factors".
Treating the count rate as the activity, or forgetting to subtract background.
Assuming the α-particle and the recoil nucleus share the energy equally; they share the momentum equally.
understand that a piezo-electric crystal changes shape when a p.d. is applied across it and that the crystal generates an e.m.f. when its shape changes
understand how ultrasound waves are generated and detected by a piezoelectric transducer
understand how the reflection of pulses of ultrasound at boundaries between tissues can be used to obtain diagnostic information about internal structures
define the specific acoustic impedance of a medium as $Z = \rho c$, where $c$ is the speed of sound in the medium
use $I_{\text{R}} / I_0 = (Z_1 - Z_2)^2 / (Z_1 + Z_2)^2$ for the intensity reflection coefficient of a boundary between two media
recall and use $I = I_0 e^{-\mu x}$ for the attenuation of ultrasound in matter
Tiếng Việt
hiểu rằng một tinh thể áp điện thay đổi hình dạng khi có hiệu điện thế đặt lên nó và tinh thể tạo ra suất điện động khi hình dạng của nó thay đổi
hiểu cách sóng siêu âm được tạo ra và thu nhận bởi bộ đầu chuyển đổi áp điện
hiểu cách sự phản xạ của xung siêu âm tại ranh giới giữa các mô có thể được sử dụng để thu thập thông tin chẩn đoán về cấu trúc bên trong
định nghĩa trở kháng âm thanh riêng của môi trường là $Z = \rho c$, trong đó $c$ là tốc độ truyền âm trong môi trường đó
sử dụng $I_{\text{R}} / I_0 = (Z_1 - Z_2)^2 / (Z_1 + Z_2)^2$ cho hệ số phản xạ cường độ của ranh giới giữa hai môi trường
nhớ và sử dụng $I = I_0 e^{-\mu x}$ cho sự giảm suy hao của siêu âm trong vật chất
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
English
Piezo-electric effect
A piezo-electric 压电 crystal changes shape a little when a p.d. is put across it, and the reverse: it makes an electromotive force 电动势 (e.m.f.) across itself when its shape is changed. Quartz and PZT are common examples. Two linked effects:
apply a p.d. → the crystal changes shape (used to make vibrations).
change the shape (a wave squeezes it) → an e.m.f. appears (used to detect vibrations).
Piezo-electric transducer
A transducer 换能器 uses this effect to both make and detectultrasound 超声波.
an alternating p.d. (a few MHz) makes the crystal vibrate at the same frequency, sending out longitudinal 纵波 waves above $20\ \text{kHz}$ ($1$–$10\ \text{MHz}$ for medical imaging).
the same crystal then detects: returning ultrasound makes it vibrate and produce an e.m.f.
Generating ultrasound (three marks). (1) An alternating p.d. is applied across the crystal. (2) The crystal changes shape, expanding and contracting at the frequency of the p.d., so it vibrates. (3) The p.d. is chosen at the crystal's resonant frequency, so the vibration is large and the crystal's faces push on the tissue, sending out a longitudinal wave of that frequency. Detecting ultrasound (two marks). The returning wave's pressure variations change the shape of the crystal; a changing shape generates an e.m.f. across it, alternating at the frequency of the wave, which is amplified and recorded. The same crystal is used for both, switched between transmitting and receiving.
So one transducer is both emitter and detector, switching between sending and listening.
Pulse-echo imaging
To see inside the body (pulse-echo 脉冲回波 imaging):
the transducer sends a short pulse into the body.
at each tissue boundary, part of the pulse is reflected and part goes on.
the transducer detects each reflected pulse.
the time delay gives the depth: $d = c t / 2$ (there and back). The echo's amplitude gives the strength of the reflection.
Worked example. An ultrasound pulse returns to the transducer $60\ \mu\text{s}$ after it was sent. The speed of sound in the tissue is $1500\ \text{m s}^{-1}$. Find the depth of the reflecting boundary.
The pulse travels there and back, so $d = \dfrac{ct}{2}$:
A coupling gel 耦合剂 is put between the transducer and the skin to push out the air; without it almost all the ultrasound would reflect at the skin–air boundary and never enter the body.
"Outline the use of ultrasound to obtain diagnostic information" (four marks). (1) A pulse of ultrasound is sent into the body by the transducer, which is coupled to the skin with gel. (2) At each boundary between tissues part of the pulse is reflected; the reflected pulse returns to the transducer and is detected. (3) The time delay between emission and echo, with the speed of sound, gives the depth of the boundary ($d = ct/2$). (4) The intensity of the echo, set by the change in acoustic impedance at the boundary, shows what kind of boundary it is. Sweeping the transducer, or using an array, builds up an image.
Why pulses, and why megahertz. The transducer sends a short pulse and then listens: the echo from every boundary must arrive before the next pulse leaves, otherwise echoes from different pulses could not be told apart, and the crystal cannot transmit and receive at the same moment. The frequency is a compromise: a higher frequency means a shorter wavelength and so finer detail (resolution 分辨率), but it is attenuated more strongly, so a deep organ needs a lower frequency than a shallow one. Typical medical scanning uses $1$–$15\ \text{MHz}$, wavelengths of a fraction of a millimetre in tissue.
Specific acoustic impedance
The specific acoustic impedance 声阻抗 of a medium is
$$Z = \rho c,$$
where $\rho$ is the density 密度 and $c$ the speed of sound. Unit: $\text{kg m}^{-2}\ \text{s}^{-1}$. Bone has large $Z$; air has small $Z$; soft tissue is in between.
Worked example. Find the specific acoustic impedance of soft tissue. (Density $1060\ \text{kg m}^{-3}$, speed of sound $1540\ \text{m s}^{-1}$.)
The definition (two marks).The specific acoustic impedance of a medium is the product of its density and the speed of sound in it. Both quantities must be named; "how hard sound finds it to pass" scores nothing. Because $Z$ combines density and speed, two media with very different densities can still have similar $Z$ (water and soft tissue), and it is $Z$, not density alone, that decides how much sound reflects.
Reflection at a boundary
At a boundary between media of impedance $Z_{1}$ and $Z_{2}$, the intensity reflection coefficient 强度反射系数 (fraction reflected) is
very different impedances: almost all is reflected (skin/air — hence the gel).
very similar impedances: almost nothing is reflected, so the boundary cannot be seen.
best for imaging: different enough to give an echo, but not so different that nothing passes on.
Worked example (why gel). Air: density $1.29\ \text{kg m}^{-3}$, speed of sound $343\ \text{m s}^{-1}$. Gel: $Z = 1.50 \times 10^{6}\ \text{kg m}^{-2}\ \text{s}^{-1}$. Soft tissue: $Z = 1.63 \times 10^{6}\ \text{kg m}^{-2}\ \text{s}^{-1}$. Find the intensity reflection coefficient at an air–tissue boundary and at a gel–tissue boundary.
$Z_{\text{air}} = 1.29 \times 343 = 442\ \text{kg m}^{-2}\ \text{s}^{-1}$. Air–tissue: $\left(\dfrac{442 - 1.63 \times 10^{6}}{442 + 1.63 \times 10^{6}}\right)^{2} = 0.9989$: $99.9\%$ of the intensity reflects and only $0.1\%$ enters the body. Gel–tissue: $\left(\dfrac{1.50 - 1.63}{1.50 + 1.63}\right)^{2} = 0.0017$: only $0.2\%$ reflects. So the gel, whose impedance is close to that of skin, replaces the air layer that would otherwise reflect nearly everything, and almost all of the pulse enters the body (and the echoes can get back out again by the same route).
Worked example. Water: density $1000\ \text{kg m}^{-3}$, speed $1480\ \text{m s}^{-1}$. Glass: density $2500\ \text{kg m}^{-3}$, speed $5600\ \text{m s}^{-1}$. What fraction of the intensity is reflected at a water–glass boundary?
$Z_{\text{water}} = 1.48 \times 10^{6}$, $Z_{\text{glass}} = 1.40 \times 10^{7}\ \text{kg m}^{-2}\ \text{s}^{-1}$. Coefficient $= \left(\dfrac{1.48 - 14.0}{1.48 + 14.0}\right)^{2} = 0.65$: two-thirds reflected, one-third transmitted. Working in units of $10^{6}$ keeps the arithmetic clean, since the ratio is what matters. A steel implant in tissue ($Z_{\text{steel}} = 4.7 \times 10^{7}$) gives $0.87$: nearly all the pulse reflects from its surface, so nothing behind it can be imaged, but the implant itself shows up very brightly.
Attenuation
As ultrasound goes through tissue, its intensity falls with distance:
$$I = I_{0} e^{-\mu x},$$
where $\mu$ is the attenuation coefficient 衰减系数 (unit $\text{m}^{-1}$). The same form applies to X-rays.
Worked example (an echo's intensity). A pulse of intensity $I_{0}$ passes through $4.0\ \text{cm}$ of tissue with attenuation coefficient $0.50\ \text{cm}^{-1}$ to a boundary whose intensity reflection coefficient is $0.010$. Find the intensity of the echo returning to the transducer, as a fraction of $I_{0}$.
To the boundary: $e^{-\mu x} = e^{-0.50 \times 4.0} = 0.135$. Reflected: $\times 0.010$. Back through the same $4.0\ \text{cm}$: $\times 0.135$ again. Echo: $I/I_{0} = 0.135 \times 0.010 \times 0.135 = 1.8 \times 10^{-4}$, about $0.02\%$. Two things the examiner checks: the tissue is crossed twice, and the reflection coefficient multiplies the intensity at the boundary, not $I_{0}$. This is why echoes from deep boundaries are amplified more than shallow ones before display.
Tiếng Việt
Hiệu ứng áp điện
Một tinh thể áp điện thay đổi hình dạng một chút khi có hiệu điện thế đặt vào hai đầu, và ngược lại: nó tạo ra hiệu điện động (e.m.f.) trên chính nó khi hình dạng bị biến đổi. Quartz và PZT là những ví dụ phổ biến. Hai hiệu ứng liên quan:
Đặt hiệu điện thế làm biến dạng tinh thể; ép nó tạo ra hiệu điện thế
đặt hiệu điện thế. → tinh thể thay đổi hình dạng (dùng để tạo dao động).
thay đổi hình dạng (sóng nén nó) → xuất hiện e.m.f. (dùng để dò dao động).
Bộ chuyển đổi áp điện
Một bộ chuyển đổi sử dụng hiệu ứng này để vừa tạo vừa phát hiệnsiêu âm.
Một hiệu điện thế xoay chiều (vài MHz) khiến tinh thể dao động ở cùng tần số, phát ra sóng dọc vượt $20\ \text{kHz}$ ($1$–$10\ \text{MHz}$ cho chụp ảnh y khoa).
Tinh thể đó sau đó phát hiện: siêu âm quay trở lại khiến nó dao động và tạo ra e.m.f.
Tạo siêu âm (ba điểm). (1) Đặt hiệu điện thế xoay chiều qua tinh thể. (2) Tinh thể thay đổi hình dạng, dãn nở và co lại theo tần số của hiệu điện thế, nên nó dao động. (3) Hiệu điện thế được chọn ở tần số cộng hưởng của tinh thể, nên dao động lớn và mặt tinh thể đẩy vào mô, phát ra sóng dọc có tần số đó. Phát hiện siêu âm (hai điểm). Biến thiên áp suất của sóng quay trở lại làm thay đổi hình dạng tinh thể; hình dạng thay đổi tạo ra e.m.f. trên nó, xen kẽ theo tần số của sóng, sau đó được khuếch đại và ghi lại. Cùng một tinh thể được dùng cho cả hai việc, chuyển đổi giữa phát và nhận.
Vì vậy, một bộ chuyển đổi vừa là máy phát vừa là máy thu, chuyển đổi giữa gửi và nghe.
Bộ chuyển đổi áp điện vừa gửi vừa nhận siêu âm bằng tinh thể dao động
Chụp ảnh phản xạ xung
Để nhìn thấy bên trong cơ thể (chụp ảnh phản xạ xung):
bộ chuyển đổi gửi một xung ngắn vào cơ thể.
tại mỗi ranh giới mô, một phần xung bị phản xạ và phần còn lại tiếp tục đi.
bộ chuyển đổi phát hiện từng xung phản xạ.
độ trễ thời gian cho biết độ sâu: $d = c t / 2$ (đi và về). Biên độ của echo cho biết độ mạnh của sự phản xạ.
Ví dụ minh họa. Một xung siêu âm quay trở lại bộ chuyển đổi sau $60\ \mu\text{s}$ kể từ khi được gửi. Tốc độ truyền âm trong mô là $1500\ \text{m s}^{-1}$. Tìm độ sâu của ranh giới phản xạ.
Một hình siêu âm thực — hình quạt đến từ bộ chuyển đổi quét qua cơ thể. Mỗi chấm sáng là echo từ ranh giới giữa các mô, và độ sâu của nó đã được tính toán từ độ trễ thời gian của echo, đúng như trong ví dụ minh họa ở trên
Một gel kết hợp được bôi giữa bộ chuyển đổi và da để đẩy khí ra ngoài; nếu không thì hầu hết siêu âm sẽ bị phản xạ tại ranh giới da-khí và không bao giờ xâm nhập vào cơ thể.
A-scan cho thấy xung truyền và các echo từ mỗi ranh giới mô
"Nêu cách sử dụng siêu âm để thu thập thông tin chẩn đoán" (bốn điểm). (1) Một xung siêu âm được gửi vào cơ thể bởi bộ chuyển đổi, được耦合 với da bằng gel. (2) Tại mỗi ranh giới giữa các mô, một phần xung bị phản xạ; xung phản xạ quay trở lại bộ chuyển đổi và được phát hiện. (3) Độ trễ thời gian giữa lúc phát và echo, kết hợp với tốc độ âm thanh, cho biết độ sâu của ranh giới ($d = ct/2$). (4) Cường độ của echo, phụ thuộc vào sự thay đổi trở kháng âm học tại ranh giới, cho biết loại ranh giới đó là gì. Quét bộ chuyển đổi, hoặc sử dụng mảng, sẽ dựng lên hình ảnh.
Tại sao lại dùng xung, và tại sao lại dùng megahertz. Bộ chuyển đổi gửi một xung ngắn rồi lắng nghe: echo từ mọi ranh giới phải đến trước xung tiếp theo rời đi, nếu không echo từ các xung khác nhau sẽ không phân biệt được, và tinh thể không thể vừa phát vừa nhận cùng lúc. Tần số là sự thỏa hiệp: tần số cao hơn có nghĩa là bước sóng ngắn hơn và do đó chi tiết tốt hơn (độ phân giải), nhưng nó bị suy hao mạnh hơn, nên các cơ quan sâu cần tần số thấp hơn so với các cơ quan nông. Siêu âm y khoa thường dùng $1$–$15\ \text{MHz}$, với bước sóng chỉ một phần milimet trong mô.
Trở kháng âm học riêng
Trở kháng âm học riêng của một môi trường là
$$Z = \rho c,$$
trong đó $\rho$ là mật độ và $c$ là tốc độ âm thanh. Đơn vị: $\text{kg m}^{-2}\ \text{s}^{-1}$. Xương có $Z$ lớn; khí có $Z$ nhỏ; mô mềm nằm ở mức trung bình.
Ví dụ minh họa. Tính trở kháng âm học riêng của mô mềm. (Mật độ $1060\ \text{kg m}^{-3}$, tốc độ âm thanh $1540\ \text{m s}^{-1}$.)
Định nghĩa (hai điểm).Trở kháng âm thanh riêng của một môi trường là tích của mật độ và tốc độ truyền âm trong môi trường đó. Cả hai đại lượng này đều phải được nêu rõ; "sự khó khăn mà âm thanh gặp phải khi truyền qua" sẽ không được tính điểm. Vì $Z$ kết hợp cả mật độ và tốc độ, hai môi trường có mật độ rất khác nhau vẫn có thể có $Z$ tương tự nhau (ví dụ: nước và mô mềm), và chính $Z$, chứ không chỉ riêng mật độ, mới quyết định lượng âm thanh bị phản xạ.
Phản xạ tại mặt phân cách
Tại mặt phân cách giữa hai môi trường có trở kháng $Z_{1}$ và $Z_{2}$, hệ số phản xạ cường độ (phân số năng lượng bị phản xạ) là:
trở kháng rất khác nhau: gần như toàn bộ năng lượng bị phản xạ (da/không khí — do đó cần dùng gel).
trở kháng rất tương tự: gần như không có gì bị phản xạ, nên mặt phân cách không thể nhìn thấy.
tốt nhất cho hình ảnh: đủ khác biệt để tạo ra tín hiệu vang, nhưng không quá khác biệt đến mức không còn năng lượng truyền qua.
Tại mặt phân cách, một phần xung bị phản xạ và một phần truyền qua — sự chênh lệch trở kháng càng lớn thì tiếng vang càng lớn
Ví dụ minh họa (tại sao cần dùng gel). Không khí: mật độ $1.29\ \text{kg m}^{-3}$, tốc độ truyền âm $343\ \text{m s}^{-1}$. Gel: $Z = 1.50 \times 10^{6}\ \text{kg m}^{-2}\ \text{s}^{-1}$. Mô mềm: $Z = 1.63 \times 10^{6}\ \text{kg m}^{-2}\ \text{s}^{-1}$. Tìm hệ số phản xạ cường độ tại mặt phân cách không khí–mô và tại mặt phân cách gel–mô.
$Z_{\text{air}} = 1.29 \times 343 = 442\ \text{kg m}^{-2}\ \text{s}^{-1}$. Không khí–mô: $\left(\dfrac{442 - 1.63 \times 10^{6}}{442 + 1.63 \times 10^{6}}\right)^{2} = 0.9989$: $99.9\%$ cường độ bị phản xạ và chỉ có $0.1\%$ đi vào cơ thể. Gel–mô: $\left(\dfrac{1.50 - 1.63}{1.50 + 1.63}\right)^{2} = 0.0017$: chỉ có $0.2\%$ bị phản xạ. Do đó, gel có trở kháng gần bằng da thay thế lớp không khí vốn sẽ phản xạ gần như toàn bộ, giúp hầu hết xung đi vào cơ thể (và các tiếng vang cũng có thể quay lại theo cùng một đường).
Ví dụ minh họa. Nước: mật độ $1000\ \text{kg m}^{-3}$, tốc độ truyền âm $1480\ \text{m s}^{-1}$. Thủy tinh: mật độ $2500\ \text{kg m}^{-3}$, tốc độ truyền âm $5600\ \text{m s}^{-1}$. Phân số cường độ bị phản xạ tại mặt phân cách nước–thủy tinh là bao nhiêu?
$Z_{\text{water}} = 1.48 \times 10^{6}$, $Z_{\text{glass}} = 1.40 \times 10^{7}\ \text{kg m}^{-2}\ \text{s}^{-1}$. Hệ số $= \left(\dfrac{1.48 - 14.0}{1.48 + 14.0}\right)^{2} = 0.65$: hai phần ba bị phản xạ, một phần_scó truyền qua. Tính toán trong đơn vị $10^{6}$ giúp phép toán gọn gàng hơn, vì chỉ cần quan tâm đến tỉ số. Một bộ cấy ghép thép trong mô ($Z_{\text{steel}} = 4.7 \times 10^{7}$) tạo ra $0.87$: gần như toàn bộ xung phản xạ từ bề mặt của nó, do đó không có vùng nào phía sau được hiển thị, nhưng bản thân bộ cấy ghép hiện lên rất sáng.
Sự suy giảm
Khi siêu âm truyền qua mô, cường độ giảm theo khoảng cách:
$$I = I_{0} e^{-\mu x},$$
trong đó $\mu$ là hệ số suy giảm (đơn vị $\text{m}^{-1}$). Công thức tương tự áp dụng cho tia X.
Cường độ giảm theo hàm mũ theo độ dày; hệ số suy giảm càng lớn (như xương) thì độ giảm càng nhanhMột tiếng vang, ba yếu tố: suy giảm khi đi vào, phản xạ, suy giảm khi quay ra. Màng mô được đi qua hai lần, nên số mũ tăng gấp đôi
Ví dụ minh họa (cường độ của một tiếng vang). Một xung có cường độ $I_{0}$ truyền qua $4.0\ \text{cm}$ mô có hệ số suy giảm $0.50\ \text{cm}^{-1}$ đến một mặt phân cách có hệ số phản xạ cường độ là $0.010$. Tìm cường độ của tiếng vang quay về đầu dò, dưới dạng tỷ lệ so với $I_{0}$.
Đến biên: $e^{-\mu x} = e^{-0.50 \times 4.0} = 0.135$. Phản xạ: $\times 0.010$. Quay lại qua cùng một $4.0\ \text{cm}$: $\times 0.135$ lần nữa. Tín hiệu hồi âm: $I/I_{0} = 0.135 \times 0.010 \times 0.135 = 1.8 \times 10^{-4}$, khoảng $0.02\%$. Hai điểm mà giám khảo kiểm tra: mô được đi qua hai lần, và hệ số phản xạ nhân vào cường độ tại biên, chứ không phải $I_{0}$. Đây là lý do tại sao các tín hiệu hồi âm từ các biên sâu được khuếch đại nhiều hơn trước khi hiển thị so với các biên nông.
Explore · Khám phá
Ultrasound scan route · Quy trình quét siêu âm
Follow a pulse from transducer to echo image. · Theo dõi xung từ đầu dò đến hình ảnh phản xạ.
explain that X-rays are produced by electron bombardment of a metal target and calculate the minimum wavelength of X-rays produced from the accelerating p.d.
understand the use of X-rays in imaging internal body structures, including an understanding of the term contrast in X-ray imaging
recall and use $I = I_0 e^{-\mu x}$ for the attenuation of X-rays in matter
understand that computed tomography (CT) scanning produces a 3D image of an internal structure by first combining multiple X-ray images taken in the same section from different angles to obtain a 2D image of the section, then repeating this process along an axis and combining 2D images of multiple sections
Tiếng Việt
giải thích rằng tia X được tạo ra do va chạm electron vào mục tiêu kim loại và tính bước sóng tối thiểu của tia X tạo ra từ hiệu điện thế gia tốc
hiểu việc sử dụng tia X trong chụp ảnh cấu trúc cơ thể bên trong, bao gồm cả hiểu biết về khái niệm độ tương phản trong chụp ảnh tia X
nhớ và sử dụng $I = I_0 e^{-\mu x}$ cho sự giảm suy hao của tia X trong vật chất
hiểu rằng chụp cắt lớp vi tính (CT) tạo ra hình ảnh 3D của cấu trúc bên trong bằng cách trước tiên kết hợp nhiều hình ảnh tia X được chụp cùng một mặt cắt từ các góc khác nhau để thu được hình ảnh 2D của mặt cắt, sau đó lặp lại quá trình này dọc theo một trục và kết hợp các hình ảnh 2D của nhiều mặt cắt
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
English
Production
X-rays come from an X-ray tube X射线管:
a heated cathode 阴极 emits electrons by thermionic emission 热电子发射.
a high p.d. (tens to hundreds of kV) accelerates the electrons across a vacuum 真空 to a metal target 靶 (the anode 阳极, often tungsten 钨).
the electrons hit the target and slow sharply. Most of their kinetic energy 动能 becomes heat; a small part is emitted as X-ray photons 光子 (Bremsstrahlung 轫致辐射, "braking radiation"). Some electrons knock out inner electrons of the metal atoms, and the refilling emits characteristic 特征 X-ray lines.
"Explain how X-rays are produced" (four marks). (1) Electrons are emitted from a heated filament (cathode) by thermionic emission. (2) They are accelerated through a high potential difference (tens of kV) across an evacuated tube towards a metal target (the anode). (3) They decelerate rapidly when they strike the target, and (4) the kinetic energy lost is emitted as X-ray photons (with most of it becoming heat in the target, which is why the anode is cooled or rotated).
Controlling the beam. The intensity (energy per unit area per second) is set by the number of electrons hitting the target per second, so it is controlled by the filament current (a hotter filament emits more electrons); the hardness 硬度, meaning the penetrating power, is set by the photon energies, so it is controlled by the accelerating p.d.: a larger p.d. gives higher-energy, shorter-wavelength, more penetrating X-rays. A metal filter removes the softest X-rays, which would be absorbed in the patient's skin without reaching the detector.
Worked example (heating of the target). In a tube run at $75\ \text{kV}$ the electron beam current is $30\ \text{mA}$ and $99\%$ of the electrons' energy becomes heat in a tungsten target of mass $15\ \text{g}$ (specific heat capacity $134\ \text{J kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$). Find the rate of temperature rise if no heat were lost.
Power delivered $= IV = 0.030 \times 75\,000 = 2250\ \text{W}$; heating power $= 0.99 \times 2250 = 2230\ \text{W}$. Then $mc\,\Delta\theta/\Delta t = 2230$, so $\Delta\theta/\Delta t = 2230/(0.015 \times 134) = 1.1 \times 10^{3}\ \text{K s}^{-1}$. A target would melt within seconds, which is why exposures are short and anodes rotate to spread the heat.
Minimum wavelength
The most energy one X-ray photon can have is the full kinetic energy of one accelerated electron, lost in a single event. For accelerating p.d. $V$, the KE is $eV$, so
This is the short-wavelength cut-off. The continuous Bremsstrahlung spectrum tails off above $\lambda_{\text{min}}$, with sharp characteristic peaks set by the target metal.
Worked example (minimum wavelength). Electrons are accelerated through $75\ \text{kV}$. Find the maximum photon energy and the minimum wavelength of the X-rays.
Maximum energy $= eV = 75\ \text{keV} = 75\,000 \times 1.60 \times 10^{-19} = 1.2 \times 10^{-14}\ \text{J}$ (or $0.075\ \text{MeV}$). Then $\lambda_{\text{min}} = hc/(eV) = (6.63 \times 10^{-34})(3.00 \times 10^{8})/(1.2 \times 10^{-14}) = 1.7 \times 10^{-11}\ \text{m}$. The maximum photon momentum is $p = E/c = 4.0 \times 10^{-23}\ \text{N s}$. Doubling the p.d. halves the minimum wavelength.
Explaining the shape of the spectrum. The spectrum is continuous because each electron may lose any fraction of its energy in one or several decelerations, so photons of every energy up to the maximum are produced. It has a sharp cut-off at $\lambda_{\text{min}}$ because a photon cannot carry more energy than one electron has, $eV$, and that happens only when an electron loses all its energy in a single event. The peaks are characteristic of the target metal: an incoming electron knocks an inner electron out of a target atom, and an outer electron falls into the vacancy, emitting a photon whose energy is the difference between the two levels (Topic 22).
Imaging with X-rays
X-rays pass through the patient onto a detector. Tissues that attenuate 衰减 more (bone, high $Z$) cast a stronger shadow and look lighter; tissues that attenuate less (soft tissue, lung) look darker.
The contrast 对比度 is the difference in attenuation between tissues. A contrast medium 造影剂 (e.g. a barium meal) can be given to make soft tissues stand out.
Sharpness and contrast.Sharpness 清晰度 is how well defined the edges of structures are in the image: a small X-ray source (a small spot on the target), a stationary patient and a detector close to the patient all improve it. Contrast is the difference in degree of blackening (or brightness) between neighbouring regions of the image, produced by a difference in attenuation. The two are independent: an image can be sharp but have poor contrast, or the reverse.
"Explain why X-ray images of internal structures have good contrast." Bone and soft tissue have very different attenuation coefficients, so equal thicknesses transmit very different intensities and the detector is exposed very differently behind each. Where two soft tissues have similar coefficients (the stomach and its surroundings), a contrast medium with a high attenuation coefficient, such as barium, is swallowed or injected to outline one of them. Using a lower p.d. (softer X-rays) also increases contrast, at the cost of a larger dose.
Worked example. X-rays pass through $3.0\ \text{cm}$ of soft tissue ($\mu = 0.20\ \text{cm}^{-1}$) in one region of the body and $3.0\ \text{cm}$ of bone ($\mu = 0.60\ \text{cm}^{-1}$) in another. Compare the transmitted intensities.
Soft tissue: $I/I_{0} = e^{-0.20 \times 3.0} = e^{-0.60} = 0.55$. Bone: $e^{-0.60 \times 3.0} = e^{-1.80} = 0.17$. The soft-tissue region receives more than three times the exposure of the bone region, so the bone appears white and the tissue dark. The ratio of exposures, $e^{(\mu_{\text{bone}} - \mu_{\text{tissue}})x}$, grows with thickness: contrast improves for thicker structures, but so does the total attenuation.
Attenuation law
$$I = I_{0} e^{-\mu x}.$$
Higher-energy X-rays penetrate further (smaller $\mu$); bone has a much larger $\mu$ than soft tissue. To find the thickness for a given fraction, take logs: $x = \dfrac{1}{\mu} \ln\dfrac{I_{0}}{I}$. The half-value thickness 半值厚度$x_{1/2} = \ln 2 / \mu$ halves the intensity (like half-life in decay).
Worked example. X-rays pass through $3.0\ \text{cm}$ of tissue with attenuation coefficient $\mu = 40\ \text{m}^{-1}$. Find the fraction of the intensity that gets through.
Worked example (percentage absorbed). X-rays pass through $2.8\ \text{cm}$ of a medium with attenuation coefficient $1.4\ \text{cm}^{-1}$. What percentage of the X-ray energy is absorbed?
Transmitted fraction $e^{-1.4 \times 2.8} = e^{-3.92} = 0.020$, so $98\%$ is absorbed. The question asks for what is absorbed, not what gets through: read it twice. The half-value thickness here is $\ln 2/\mu = 0.50\ \text{cm}$, so $2.8\ \text{cm}$ is $5.6$ half-value thicknesses and $(1/2)^{5.6} = 0.02$ checks the answer.
Worked example (two layers). A beam of intensity $I_{0}$ passes through $2.0\ \text{cm}$ of material P ($\mu = 0.35\ \text{cm}^{-1}$) and then $1.5\ \text{cm}$ of material Q ($\mu = 0.90\ \text{cm}^{-1}$). Find the transmitted intensity.
The exponentials multiply: $I = I_{0}\, e^{-0.35 \times 2.0}\, e^{-0.90 \times 1.5} = I_{0}\, e^{-(0.70 + 1.35)} = I_{0}\, e^{-2.05} = 0.13\, I_{0}$. Add the exponents ($\mu_{1}x_{1} + \mu_{2}x_{2}$); never add the thicknesses or the coefficients. The order of the layers makes no difference to the total transmitted intensity.
Computed tomography (CT)
A computed tomography 计算机断层扫描 (CT) scan builds a 3-D image:
the tube and detectors rotate around the patient, taking many images of one thin slice from different angles.
a computer combines these into a 2-D cross-section of the slice.
the patient is moved along, and the next slice is imaged.
the slices are stacked into a 3-D image.
CT shows far more than a single X-ray, because overlapping soft tissues are separated by the many-angle reconstruction.
"Explain how CT scanning produces a three-dimensional image" (five marks). (1) The X-ray tube (and a ring of detectors) rotates around the patient, so that (2) many X-ray images of one slice (section) are taken from different angles. (3) A computer combines them to produce a two-dimensional image of that slice. (4) The patient is moved and the process is repeated for successive slices. (5) The slices are combined to build a 3-D image, which can be rotated and viewed from any angle. Purpose: to image a section of the body without the overlapping of structures that a single X-ray suffers, revealing structures that would be hidden and their positions in depth. The price is a much larger dose than a single X-ray.
Tiếng Việt
Sản sinh
Tia X được tạo ra từ một buồng tia X X:
một catốt nung nóng phát ra electron thông qua phát xạ nhiệt điện tử.
một hiệu điện thế cao (vài chục đến vài trăm kV) gia tốc các electron qua chân không đến một mục tiêu kim loại (anot, thường là vonfram).
các electron va chạm vào mục tiêu và giảm tốc đột ngột. Phần lớn động năng chuyển hóa thành nhiệt; một phần nhỏ được phát ra dưới dạng photon tia X (tia phanh hoặc Bremsstrahlung). Một số electron đánh bật electron lớp trong của nguyên tử kim loại, và sự lấp đầy các lỗ trống này phát ra các vạch tia X đặc trưng.
Trong buồng tia X, electron từ catốt nung nóng được gia tốc va vào anot kim loại
"Giải thích cách sản sinh tia X" (bốn điểm). (1) Electron được phát ra từ sợi dây filament (catốt) nung nóng thông qua phát xạ nhiệt điện tử. (2) Chúng được gia tốc qua một hiệu điện thế cao (vài chục kV) trong ống hút chân không hướng về phía mục tiêu kim loại (anot). (3) Chúng giảm tốc nhanh chóng khi va chạm vào mục tiêu, và (4) động năng bị mất được phát ra dưới dạng photon tia X (phần lớn chuyển hóa thành nhiệt trong mục tiêu, do đó anot được làm mát hoặc quay).
Kiểm soát chùm tia.Cường độ (năng lượng trên đơn vị diện tích mỗi giây) được xác định bởi số lượng electron va chạm vào mục tiêu mỗi giây, do đó nó được điều khiển bởi dòng điện dây tóc (dây tóc nóng hơn sẽ phát ra nhiều electron hơn); độ cứng, tức là khả năng xuyên thấu, được xác định bởi năng lượng photon, nên nó được điều khiển bởi hiệu điện thế tăng tốc: hiệu điện thế lớn hơn tạo ra tia X có năng lượng cao hơn, bước sóng ngắn hơn và khả năng xuyên thấu tốt hơn. Bộ lọc kim loại loại bỏ các tia X "mềm" nhất, vốn sẽ bị hấp thụ bởi da bệnh nhân mà không đến được máy dò.
Ví dụ minh họa (gia nhiệt mục tiêu). Trong một ống hoạt động ở $75\ \text{kV}$, dòng điện chùm electron là $30\ \text{mA}$ và $99\%$ năng lượng của các electron chuyển thành nhiệt trong một mục tiêu vonfram có khối lượng $15\ \text{g}$ (nhiệt dung riêng $134\ \text{J kg}^{-1}\ \text{K}^{-1}$). Tìm tốc độ gia tăng nhiệt độ nếu không có sự thất thoát nhiệt nào.
Công suất cung cấp $= IV = 0.030 \times 75\,000 = 2250\ \text{W}$; công suất làm nóng $= 0.99 \times 2250 = 2230\ \text{W}$. Khi đó $mc\,\Delta\theta/\Delta t = 2230$, suy ra $\Delta\theta/\Delta t = 2230/(0.015 \times 134) = 1.1 \times 10^{3}\ \text{K s}^{-1}$. Một mục tiêu sẽ nóng chảy trong vài giây, đó là lý do tại sao thời gian chụp phải ngắn và anode quay để phân tán nhiệt.
Bước sóng tối thiểu
Năng lượng tối đa mà một photon tia X có thể mang theo chính là toàn bộ động năng của một electron đã được tăng tốc, bị mất đi trong một lần tương tác duy nhất. Với hiệu điện thế tăng tốc $V$, động năng là $eV$, nên
Đây là ngưỡng cắt ngắn bước sóng. Phổ Bremsstrahlung liên tục kéo dài về phía bước sóng dài hơn $\lambda_{\text{min}}$, kèm theo các đỉnh đặc trưng sắc nét được tạo bởi kim loại mục tiêu.
Phổ tia X điển hình — đường cong Bremsstrahlung liên tục bị cắt ở $\lambda_0$, kèm theo các đỉnh đặc trưng sắc nét
Ví dụ minh họa (bước sóng tối thiểu). Electron được tăng tốc qua $75\ \text{kV}$. Tìm năng lượng photon tối đa và bước sóng tối thiểu của tia X.
Năng lượng tối đa $= eV = 75\ \text{keV} = 75\,000 \times 1.60 \times 10^{-19} = 1.2 \times 10^{-14}\ \text{J}$ (hoặc $0.075\ \text{MeV}$). Sau đó $\lambda_{\text{min}} = hc/(eV) = (6.63 \times 10^{-34})(3.00 \times 10^{8})/(1.2 \times 10^{-14}) = 1.7 \times 10^{-11}\ \text{m}$. Động lượng photon tối đa là $p = E/c = 4.0 \times 10^{-23}\ \text{N s}$. Gấp đôi hiệu điện thế sẽ làm giảm một nửa bước sóng tối thiểu.
Giải thích hình dạng phổ. Phổ là liên tục vì mỗi electron có thể mất bất kỳ phần năng lượng nào trong một hoặc nhiều lần giảm tốc, do đó các photon có mọi mức năng lượng từ thấp đến mức tối đa đều được tạo ra. Phổ có một ngưỡng cắt sắc nét tại $\lambda_{\text{min}}$ vì một photon không thể mang nhiều năng lượng hơn số năng lượng mà một electron sở hữu, $eV$, và điều này chỉ xảy ra khi một electron mất hết năng lượng của mình trong một sự kiện duy nhất. Các đỉnh là đặc trưng cho kim loại mục tiêu: một electron tới va đập vào một electron lớp trong của nguyên tử mục tiêu, khiến một electron lớp ngoài rơi vào khoảng trống, phát ra một photon có năng lượng bằng hiệu giữa hai mức năng lượng (Chủ đề 22).
Chụp ảnh bằng tia X
Tia X đi qua cơ thể bệnh nhân đến máy dò. Các mô chủ yếu hấp thụ mạnh hơn (xương, mật độ cao $Z$) tạo bóng đậm hơn và trông sáng hơn; các mô hấp thụ ít hơn (mô mềm, phổi) trông tối hơn.
Độ tương phản là sự khác biệt về độ hấp thụ giữa các mô. Một chất tạo tương phản (ví dụ như barium meal) có thể được đưa vào để làm nổi bật các mô mềm.
X-quang ngực thực tế: xương dày hấp thụ nhiều tia X và trông màu trắng; phổi chứa đầy khí cho tia X đi qua và trông tối
Độ rõ nét và độ tương phản.Độ rõ nét là mức độ xác định rõ ràng của các cạnh cấu trúc trong hình ảnh: nguồn tia X nhỏ (một điểm nhỏ trên mục tiêu), bệnh nhân đứng yên và máy dò đặt gần bệnh nhân đều cải thiện độ rõ nét. Độ tương phản là sự khác biệt về mức độ đen (hoặc độ sáng) giữa các vùng lân cận trong hình ảnh, được tạo ra bởi sự khác biệt về độ hấp thụ. Hai yếu tố này độc lập với nhau: một bức ảnh có thể rất rõ nét nhưng có độ tương phản kém, hoặc ngược lại.
Độ tương phản là sự khác biệt về độ hấp thụ: xương hấp thụ mạnh hơn mô mềm khoảng ba lần mỗi cm, do đó cùng độ dày sẽ tạo ra mức phơi nhiễm rất khác nhau
"Giải thích tại sao hình ảnh X-quang các cấu trúc bên trong có độ tương phản tốt." Xương và mô mềm có hệ số hấp thụ rất khác nhau, nên cùng độ dày sẽ truyền qua các cường độ rất khác nhau và máy dò nhận được mức phơi nhiễm rất khác nhau sau mỗi loại. Nơi hai mô mềm có hệ số hấp thụ tương tự (dạ dày và môi trường xung quanh nó), một chất tạo tương phản có hệ số hấp thụ cao, chẳng hạn như barium, được nuốt hoặc tiêm vào để phác thảo ranh giới của một trong chúng. Sử dụng hiệu điện thế thấp hơn (tia X "mềm" hơn) cũng làm tăng độ tương phản, nhưng代价 là liều lượng radiation sẽ lớn hơn.
Ví dụ minh họa. Tia X đi qua $3.0\ \text{cm}$ mô mềm ($\mu = 0.20\ \text{cm}^{-1}$) ở một vùng cơ thể và $3.0\ \text{cm}$ xương ($\mu = 0.60\ \text{cm}^{-1}$) ở vùng khác. So sánh cường độ truyền qua.
Mô mềm: $I/I_{0} = e^{-0.20 \times 3.0} = e^{-0.60} = 0.55$. Xương: $e^{-0.60 \times 3.0} = e^{-1.80} = 0.17$. Vùng mô mềm nhận được mức phơi nhiễm lớn hơn gấp ba lần so với vùng xương, nên xương trông màu trắng và mô tối. Tỷ lệ phơi nhiễm, $e^{(\mu_{\text{bone}} - \mu_{\text{tissue}})x}$, tăng theo độ dày: độ tương phản cải thiện đối với các cấu trúc dày hơn, nhưng tổng độ hấp thụ cũng tăng theo.
Định luật hấp thụ
$$I = I_{0} e^{-\mu x}.$$
Tia X năng lượng cao hơn xuyên sâu hơn ($\mu$ nhỏ hơn); xương có $\mu$ lớn hơn nhiều so với mô mềm. Để tìm độ dày cho một tỷ lệ nhất định, hãy lấy logarit: $x = \dfrac{1}{\mu} \ln\dfrac{I_{0}}{I}$. Độ dày giá trị nửa$x_{1/2} = \ln 2 / \mu$ làm giảm một nửa cường độ (giống như chu kỳ bán rã trong sự phân rã).
Ví dụ minh họa. tia X đi qua $3.0\ \text{cm}$ mô có hệ số suy giảm $\mu = 40\ \text{m}^{-1}$. Tính tỷ lệ cường độ truyền qua.
Ví dụ minh họa (phần trăm hấp thụ). tia X đi qua $2.8\ \text{cm}$ môi trường có hệ số suy giảm $1.4\ \text{cm}^{-1}$. Phần trăm năng lượng tia X bị hấp thụ là bao nhiêu?
Tỷ lệ truyền qua là $e^{-1.4 \times 2.8} = e^{-3.92} = 0.020$, nên $98\%$ đã bị hấp thụ. Câu hỏi yêu cầu tìm phần bị hấp thụ, không phải phần truyền qua: hãy đọc kỹ hai lần. Độ dày giá trị bán ở đây là $\ln 2/\mu = 0.50\ \text{cm}$, vì vậy $2.8\ \text{cm}$ tương đương với $5.6$ độ dày giá trị bán và $(1/2)^{5.6} = 0.02$ kiểm chứng đáp án.
Ví dụ minh họa (hai lớp). Một chùm tia có cường độ $I_{0}$ đi qua $2.0\ \text{cm}$ vật liệu P ($\mu = 0.35\ \text{cm}^{-1}$) rồi tiếp theo đi qua $1.5\ \text{cm}$ vật liệu Q ($\mu = 0.90\ \text{cm}^{-1}$). Tìm cường độ truyền qua.
Các hàm mũ nhân với nhau: $I = I_{0}\, e^{-0.35 \times 2.0}\, e^{-0.90 \times 1.5} = I_{0}\, e^{-(0.70 + 1.35)} = I_{0}\, e^{-2.05} = 0.13\, I_{0}$. Cộng các số mũ ($\mu_{1}x_{1} + \mu_{2}x_{2}$); tuyệt đối không cộng độ dày hay các hệ số lại với nhau. Thứ tự của các lớp không ảnh hưởng đến tổng cường độ truyền qua.
Chụp cắt lớp vi tính (CT)
Một cuộc chụp cắt lớp vi tính (CT scan) tạo ra hình ảnh 3-D:
ống tia X và máy dò quay quanh bệnh nhân, thu thập nhiều ảnh của một lát cắt mỏng từ nhiều góc khác nhau.
máy tính kết hợp chúng thành một mặt cắt ngang 2-D của lát cắt đó.
bệnh nhân được di chuyển, và lát cắt tiếp theo được chụp.
các lát cắt được xếp chồng lên nhau để tạo thành hình ảnh 3-D.
CT cho thấy nhiều chi tiết hơn so với một bức ảnh X-quang đơn lẻ, vì các mô mềm chồng lên nhau được tách biệt nhờ quá trình tái cấu trúc từ nhiều góc.
Trong chụp CT, ống tia X và máy dò quay quanh bệnh nhân để chụp lát cắt từ nhiều góc
"Giải thích cách chụp CT tạo ra hình ảnh ba chiều" (năm điểm). (1) Ống tia X (và vòng tròn máy dò) quay quanh bệnh nhân, để (2) nhiều ảnh X-quang của một lát cắt (mặt cắt) được chụp từ nhiều góc khác nhau. (3) Máy tính kết hợp chúng để tạo ra ảnh 2-D của lát cắt đó. (4) Bệnh nhân được di chuyển và quy trình lặp lại cho các lát cắt liên tiếp. (5) Các lát cắt được gộp lại để xây dựng hình ảnh 3-D, có thể xoay và xem từ bất kỳ góc nào. Mục đích: chụp một phần cơ thể mà không bị sự chồng chéo cấu trúc như trong X-quang đơn lẻ, hé lộ các cấu trúc vốn bị che khuất và vị trí sâu của chúng. Giá cả là liều lượng lớn hơn nhiều so với X-quang đơn lẻ.
Explore · Khám phá
X-ray production route · Quy trình sản xuất tia X
Follow electrons from cathode to X-ray photons. · Theo dõi electron từ catot đến photon tia X.
understand that a tracer is a substance containing radioactive nuclei that can be introduced into the body and is then absorbed by the tissue being studied
recall that a tracer that decays by $\beta^+$ decay is used in positron emission tomography (PET scanning)
understand that annihilation occurs when a particle interacts with its antiparticle and that mass–energy and momentum are conserved in the process
explain that, in PET scanning, positrons emitted by the decay of the tracer annihilate when they interact with electrons in the tissue, producing a pair of gamma-ray photons travelling in opposite directions
calculate the energy of the gamma-ray photons emitted during the annihilation of an electron-positron pair
understand that the gamma-ray photons from an annihilation event travel outside the body and can be detected, and an image of the tracer concentration in the tissue can be created by processing the arrival times of the gamma-ray photons
Tiếng Việt
hiểu rằng một chất đánh dấu là một chất chứa hạt nhân phóng xạ có thể được đưa vào cơ thể và sau đó được hấp thụ bởi mô đang được nghiên cứu
nhớ rằng một chất đánh dấu phân rã theo kiểu phân rã $\beta^+$ được sử dụng trong chụp cộng hưởng từ positron (PET scanning)
hiểu rằng tiêu diệt lẫn nhau xảy ra khi một hạt tương tác với hạt phản vật chất của nó và năng lượng-khối lượng và động lượng được bảo toàn trong quá trình này
giải thích rằng, trong chụp PET, positron được phát ra từ sự phân rã của chất đánh dấu sẽ tiêu diệt lẫn nhau khi tương tác với electron trong mô, tạo ra một cặp photon tia gamma di chuyển theo hướng ngược nhau
tính năng lượng của các photon tia gamma được phát ra trong quá trình tiêu diệt lẫn nhau của cặp electron-positron
hiểu rằng các photon tia gamma từ sự kiện tiêu diệt lẫn nhau bay ra ngoài cơ thể và có thể được thu nhận, và một hình ảnh về nồng độ chất đánh dấu trong mô có thể được tạo thành bằng cách xử lý thời điểm đến của các photon tia gamma
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
English
Tracer
A tracer 示踪剂 is a substance with radioactive nuclei put into the body. It is taken up more by the tissue being studied (e.g. a tumour takes up more glucose-tagged tracer due to its high metabolism 代谢). Its decay is detected from outside.
In positron emission tomography 正电子发射断层扫描 (PET), the tracer is a $\beta^{+}$ emitter — it gives out a positron 正电子. A common one is fluorine-18 on a glucose analogue (FDG).
"Explain what is meant by a tracer and how it is used" (three marks). A tracer is a substance containing radioactive nuclei (for PET, a $\beta^{+}$ emitter such as fluorine-18) that is introduced into the body (injected or swallowed), usually bound to a molecule such as glucose, and is absorbed by the tissue being studied; the radiation it emits leaves the body and is detected, so its distribution shows where that tissue is active. The nuclide is chosen with a short half-life, so the activity is high during the scan and the patient's dose afterwards is small, but not so short that it decays before it reaches the tissue: fluorine-18 ($110$ minutes) and oxygen-15 ($2$ minutes, made and used on the spot) are typical.
Annihilation
When a particle meets its antiparticle 反粒子 they annihilate 湮灭: their mass turns into electromagnetic energy. In PET:
a positron travels a few mm before meeting an electron 电子.
they annihilate. Energy and momentum 动量 are conserved.
since the total momentum is about zero, two photons are produced going in opposite directions, each $511\ \text{keV}$ ($= m_{e} c^{2}$).
Energy of the annihilation photons
By energy conservation, the total photon energy equals the pair's rest energy 能量:
$$2 h f = 2 m_{e} c^{2}, \qquad h f = m_{e} c^{2}.$$
Each photon has $h f = m_{e} c^{2} \approx 8.2 \times 10^{-14}\ \text{J} \approx 0.51\ \text{MeV}$, with $\lambda \approx 2.4 \times 10^{-12}\ \text{m}$.
Explaining the annihilation (four marks). (1) The positron emitted by the tracer travels a short distance and meets an electron in the tissue. (2) The pair annihilates: their mass is converted to energy, (3) emitted as two gamma-ray photons, since (4) momentum must be conserved: the pair had almost no momentum, so the two photons must travel in opposite directions with equal momenta. Each photon carries the rest energy of one particle, $0.51\ \text{MeV}$; a single photon could not conserve momentum.
Worked example. Find the total energy released when a positron and an electron, each moving slowly, annihilate, and the wavelength of each photon.
$E = 2m_{\text{e}}c^{2} = 2 \times 9.11 \times 10^{-31} \times (3.00 \times 10^{8})^{2} = 1.64 \times 10^{-13}\ \text{J}$ ($1.02\ \text{MeV}$), shared equally: $8.2 \times 10^{-14}\ \text{J}$ each. $\lambda = hc/E = (6.63 \times 10^{-34})(3.00 \times 10^{8})/(8.2 \times 10^{-14}) = 2.4 \times 10^{-12}\ \text{m}$, a gamma ray. If instead the electron and positron each move at $4.9 \times 10^{7}\ \text{m s}^{-1}$ in opposite directions, each has kinetic energy $\tfrac{1}{2}mv^{2} = 1.1 \times 10^{-15}\ \text{J}$, about $1\%$ of its rest energy, and the photons carry $8.3 \times 10^{-14}\ \text{J}$ each: the rest energy dominates, which is why the annihilation photons always have very nearly the same energy.
Reconstructing the image
The two photons leave the body in opposite directions and hit detector rings around the patient. Recording the two simultaneous arrivals (a "coincidence") fixes the line the annihilation happened on. Many coincidences from many angles let the computer build a 3-D map of the tracer — showing tissues with high metabolic activity. Comparing the two arrival times can refine the position along that line (time-of-flight PET).
"Explain how the gamma photons are used to form an image" (four marks). (1) The two photons leave the body in opposite directions and are detected by the ring of detectors. (2) Two photons arriving at (almost) the same time are taken to come from one annihilation, which therefore lies on the line joining the two detectors. (3) The small difference in arrival times gives the position along that line ($d = c\,\Delta t/2$ from the midpoint; a $1\ \text{ns}$ difference is $15\ \text{cm}$, so the timing must be very precise). (4) A computer collects many such events and maps the concentration of tracer in the tissue, producing an image; a higher concentration means more active tissue, such as a tumour. Photons that arrive singly (their partner absorbed in the body) are rejected.
Tiếng Việt
Chất đánh dấu
Chất đánh dấu là một chất có hạt nhân phóng xạ đưa vào cơ thể. Nó được hấp thụ nhiều hơn bởi mô đang nghiên cứu (ví dụ: khối u hấp thụ nhiều chất đánh dấu gắn glucose hơn do sự trao đổi chất cao). Sự phân rã của nó được phát hiện từ bên ngoài.
Trong chụp cắt lớp phát xạ positron (PET), chất đánh dấu là nguồn phát $\beta^{+}$ — nó giải phóng một positron. Loại phổ biến là fluorine-18 gắn trên dẫn xuất glucose (FDG).
"Giải thích ý nghĩa của chất đánh dấu và cách sử dụng nó" (ba điểm). Chất đánh dấu là một chất chứa hạt nhân phóng xạ (đối với PET, là chất phát ra $\beta^{+}$ như fluorine-18) được đưa vào cơ thể (tiêm hoặc nuốt), thường liên kết với một phân tử như glucose, và được mô đích hấp thụ; bức xạ do nó phát ra thoát khỏi cơ thể và được phát hiện, do đó sự phân bố của nó cho thấy nơi mô đó đang hoạt động. Đồng vị được chọn với chu kỳ bán rã ngắn, để hoạt tính cao trong quá trình quét nhưng liều lượng cho bệnh nhân sau đó nhỏ, nhưng không quá ngắn đến mức phân rã trước khi đến mô: fluorine-18 ($110$ phút) và oxygen-15 ($2$ phút, được tạo ra và sử dụng ngay tại chỗ) là những ví dụ điển hình.
Sự hủy diệt
Khi một hạt gặp hạt phản vật chất của nó, chúng hủy diệt: khối lượng biến thành năng lượng điện từ. Trong PET:
một positron bay vài mm trước khi gặp electron.
chúng hủy diệt. Năng lượng và động lượng được bảo toàn.
vì tổng động lượng xấp xỉ bằng không, hai photon được sinh ra bay theo hướng ngược nhau, mỗi photon mang năng lượng $511\ \text{keV}$ ($= m_{e} c^{2}$).
PET: sự hủy sinh ra hai photon 511 keV theo hướng ngược nhau; trùng hợp xác định đường thẳng
Năng lượng của các photon hủy diệt
Theo định luật bảo toàn năng lượng, tổng năng lượng photon bằng năng lượng nghỉ của cặp:
$$2 h f = 2 m_{e} c^{2}, \qquad h f = m_{e} c^{2}.$$
Mỗi photon có $h f = m_{e} c^{2} \approx 8.2 \times 10^{-14}\ \text{J} \approx 0.51\ \text{MeV}$, với $\lambda \approx 2.4 \times 10^{-12}\ \text{m}$.
Giải thích sự hủy diệt (bốn điểm). (1) Positron do chất đánh dấu phát ra bay một đoạn ngắn và gặp electron trong mô. (2) Cặp này hủy diệt: khối lượng chuyển hóa thành năng lượng, (3) phát ra dưới dạng hai photon tia gamma, vì (4) động lượng phải được bảo toàn: cặp ban đầu gần như không có động lượng, nên hai photon phải bay theo hướng ngược nhau với động lượng bằng nhau. Mỗi photon mang năng lượng nghỉ của một hạt, là $0.51\ \text{MeV}$; một photon đơn lẻ không thể bảo toàn động lượng.
Ví dụ minh họa. Tìm tổng năng lượng giải phóng khi một positron và một electron, mỗi hạt chuyển động chậm, hủy diệt, và bước sóng của mỗi photon.
$E = 2m_{\text{e}}c^{2} = 2 \times 9.11 \times 10^{-31} \times (3.00 \times 10^{8})^{2} = 1.64 \times 10^{-13}\ \text{J}$ ($1.02\ \text{MeV}$), chia đều: $8.2 \times 10^{-14}\ \text{J}$ mỗi hạt. $\lambda = hc/E = (6.63 \times 10^{-34})(3.00 \times 10^{8})/(8.2 \times 10^{-14}) = 2.4 \times 10^{-12}\ \text{m}$, là tia gamma. Nếu thay vào đó electron và positron mỗi hạt di chuyển với $4.9 \times 10^{7}\ \text{m s}^{-1}$ theo hướng ngược nhau, mỗi hạt có động năng $\tfrac{1}{2}mv^{2} = 1.1 \times 10^{-15}\ \text{J}$, khoảng $1\%$ năng lượng nghỉ của nó, và các photon mang $8.3 \times 10^{-14}\ \text{J}$ mỗi hạt: năng lượng nghỉ chiếm ưu thế, đó là lý do tại sao các photon hủy diệt luôn có năng lượng xấp xỉ bằng nhau.
Tái cấu trúc hình ảnh
Hai photon bay ra khỏi cơ thể theo hai hướng ngược nhau và va chạm vào các vòng cảm biến xung quanh bệnh nhân. Ghi nhận hai lần đến đồng thời (một "sự trùng hợp") xác định đường thẳng mà sự hủy diệt đã xảy ra. Nhiều sự trùng hợp từ nhiều góc độ cho phép máy tính xây dựng bản đồ 3-D của chất đánh dấu — hiển thị các mô có hoạt động trao đổi chất cao. So sánh hai thời điểm đến có thể tinh chỉnh vị trí dọc theo đường thẳng đó (PET đo thời gian bay).
Một hình ảnh PET hoàn chỉnh của não: các màu ấm (đỏ, vàng) đánh dấu nơi chất đánh dấu tích tụ — đây là mô hoạt động mạnh nhất
*Xác định vị trí hủy diệt: hai photon được phát hiện cùng lúc xác định đường thẳng, và sự chênh lệch thời gian đến của chúng xác định vị trí trên đường thẳng đó
"Giải thích cách sử dụng photon gamma để tạo ra hình ảnh" (bốn điểm). (1) Hai photon bay ra khỏi cơ thể theo hai hướng ngược nhau và được phát hiện bởi vòng cảm biến. (2) Hai photon đến (gần như) cùng một thời điểm được coi là xuất phát từ một vụ hủy diệt, do đó nằm trên đường thẳng nối hai cảm biến. (3) Sự chênh lệch nhỏ về thời điểm đến cung cấp vị trí dọc theo đường thẳng đó ($d = c\,\Delta t/2$ từ điểm giữa; một $1\ \text{ns}$ chênh lệch tương ứng với $15\ \text{cm}$, nên việc đo lường thời gian phải cực kỳ chính xác). (4) Máy tính thu thập nhiều sự kiện như vậy và lập bản đồ nồng độ chất đánh dấu trong mô, tạo ra hình ảnh; nồng độ cao hơn có nghĩa là mô hoạt động mạnh hơn, chẳng hạn như khối u. Các photon đến đơn lẻ (đối tác của nó bị hấp thụ trong cơ thể) sẽ bị loại bỏ.
Explore · Khám phá
PET scan route · Quỹ đạo quét PET
Follow positron emission to a ring of detected photons. · Theo dõi sự phát xạ positron đến vòng tròn các photon được bắt giữ.
Definitions the examiner accepts · Các định nghĩa mà giám khảo chấp nhận
English
A definition question is marked against fixed wording. Learn these exactly, and give one answer only.
Term
Definition
piezo-electric effect
a crystal changes shape when a p.d. is applied across it, and generates an e.m.f. when its shape is changed
specific acoustic impedance
the product of the density of a medium and the speed of sound in it, $Z = \rho c$
intensity reflection coefficient
the fraction of the incident intensity reflected at a boundary, $(Z_{1} - Z_{2})^{2}/(Z_{1} + Z_{2})^{2}$
attenuation coefficient
the constant $\mu$ in $I = I_{0}e^{-\mu x}$; the larger it is, the faster the intensity falls with thickness
hardness (of X-rays)
the penetrating power of the beam, set by the photon energies (the accelerating p.d.)
contrast
the difference in degree of blackening between neighbouring regions of an image
sharpness
how well defined the edges of structures are in an image
CT scanning
X-ray images of one section taken from many angles are combined by computer into a 2-D image of the slice; successive slices give a 3-D image
tracer
a substance containing radioactive nuclei that is introduced into the body and absorbed by the tissue under study
annihilation
a particle and its antiparticle interact and their mass is converted to energy (photons), with mass–energy and momentum conserved
Tiếng Việt
Câu hỏi định nghĩa được chấm dựa trên văn phong cố định. Hãy học thuộc những định nghĩa này và chỉ đưa ra một đáp án duy nhất.
Thuật ngữ
Định nghĩa
hiệu ứng áp điện
một tinh thể thay đổi hình dạng khi có hiệu điện thế đặt vào qua nó, và sinh ra suất điện động khi hình dạng của nó bị thay đổi
trở kháng âm thanh riêng biệt
tích của mật độ môi trường và tốc độ âm thanh trong đó, $Z = \rho c$
hệ số phản xạ cường độ
tỷ lệ phần trăm cường độ tới bị phản xạ tại mặt phân cách, $(Z_{1} - Z_{2})^{2}/(Z_{1} + Z_{2})^{2}$
hệ số suy hao
hằng số $\mu$ trong $I = I_{0}e^{-\mu x}$; càng lớn thì cường độ giảm nhanh theo độ dày
độ cứng (của tia X)
khả năng xuyên thấu của chùm tia, được quy định bởi năng lượng photon (hiệu điện thế tăng tốc)
độ tương phản
sự khác biệt về mức độ đen sáng giữa các vùng lân cận trong hình ảnh
độ sắc nét
mức độ rõ ràng của các cạnh cấu trúc trong hình ảnh
chụp cắt lớp CT
các hình ảnh tia X của một lát cắt được thu từ nhiều góc độ kết hợp bởi máy tính thành một hình ảnh 2-D của lát cắt; các lát cắt liên tiếp tạo ra hình ảnh 3-D
chất đánh dấu
một chất chứa hạt nhân phóng xạ được đưa vào cơ thể và hấp thụ bởi mô đang nghiên cứu
hủy diệt
một hạt và phản hạt tương tác và khối lượng của chúng chuyển hóa thành năng lượng (photon), với bảo toàn khối-lượng-năng lượng và động lượng
24.3
Exam tips · Mẹo làm bài thi
English
Ultrasound: pulse in, echo back; depth $= ct/2$ (there and back); $Z = \rho c$; reflection coefficient from the two impedances; gel matches impedance to the skin. Attenuation is exponential and an echo crosses the tissue twice.
X-rays: production is heated filament, high p.d., sudden deceleration at the target; intensity by filament current, hardness by p.d.; $\lambda_{\text{min}} = hc/(eV)$; $I = I_{0}e^{-\mu x}$ with exponents added for layers; contrast is a difference in $\mu$.
CT: many angles, one slice, computer, successive slices, 3-D. Say all five.
PET: $\beta^{+}$ tracer, annihilation with an electron, two $0.51\ \text{MeV}$ photons in opposite directions (momentum), coincidence gives the line, timing gives the position.
Know the three "explain" answers word for word: how the crystal generates and detects, how X-rays are produced, how the photons locate the tracer.
Write units with every impedance ($\text{kg m}^{-2}\ \text{s}^{-1}$) and coefficient ($\text{cm}^{-1}$ or $\text{m}^{-1}$), and convert $\text{cm}$ to $\text{m}$ only if $\mu$ is in $\text{m}^{-1}$.
Common mistakes
Forgetting the factor of 2 in the depth of a reflecting boundary, or the second pass through the tissue in an echo's intensity.
Defining acoustic impedance as "the resistance to sound" instead of density times speed of sound.
Quoting the reflection coefficient for gel–skin as "zero"; it is small, and that is the point.
Saying the p.d. controls the intensity of the X-ray beam, or that the filament current controls the hardness; it is the other way round.
Explaining the minimum wavelength without saying that one electron gives all its kinetic energy to a single photon.
Adding thicknesses of different materials before applying $e^{-\mu x}$; add the products $\mu x$ instead.
Describing CT as "an X-ray from several angles" without the computer reconstruction, the slice, or the successive slices.
Giving one photon for annihilation, or two photons in the same direction; momentum conservation demands two in opposite directions.
Confusing the tracer's half-life reasoning: short so that the dose is small, but long enough to reach the tissue and be scanned.
Tiếng Việt
Siêu âm: xung vào, vang lại; độ sâu $= ct/2$ (lên và xuống); $Z = \rho c$; hệ số phản xạ từ hai trở kháng; gel khớp trở kháng với da. Sự suy hao mang hàm mũ và một tín hiệu vang đi qua mô hai lần.
Tia X: quá trình sản sinh là dây tóc nóng, hiệu điện thế cao, giảm tốc đột ngột tại mục tiêu; cường độ phụ thuộc vào dòng dây tóc, độ cứng phụ thuộc vào hiệu điện thế; $\lambda_{\text{min}} = hc/(eV)$; $I = I_{0}e^{-\mu x}$ với số mũ cộng thêm cho từng lớp; độ tương phản là sự khác biệt về $\mu$.
CT: nhiều góc độ, một lát cắt, máy tính, các lát cắt liên tiếp, 3-D. Nêu tất cả năm yếu tố.
PET: $\beta^{+}$ chất đánh dấu, hủy diệt với electron, hai $0.51\ \text{MeV}$ photon theo hướng ngược lại (bảo toàn động lượng), sự trùng hợp thời gian cho biết đường thẳng, thời gian cho biết vị trí.
Biết chính xác ba câu trả lời "giải thích": làm thế nào tinh thể tạo ra và phát hiện, làm thế nào tia X được sản sinh, làm thế nào photon định vị chất đánh dấu.
Viết đơn vị kèm theo mỗi trở kháng ($\text{kg m}^{-2}\ \text{s}^{-1}$) và hệ số ($\text{cm}^{-1}$ hoặc $\text{m}^{-1}$), và chuyển đổi $\text{cm}$ sang $\text{m}$ chỉ nếu $\mu$ nằm trong $\text{m}^{-1}$.
Lỗi thường gặp
Quên hệ số 2 trong độ sâu của mặt phản xạ, hoặc lần đi thứ hai qua mô trong cường độ của tín hiệu vang.
Định nghĩa trở kháng âm thanh là "sự cản trở đối với âm thanh" thay vì mật độ nhân tốc độ âm thanh.
Trích dẫn hệ số phản xạ cho gel–da là "không"; nó rất nhỏ, và đó chính là điểm mấu chốt.
Nói rằng hiệu điện thế kiểm soát cường độ chùm tia X, hoặc rằng dòng dây tóc kiểm soát độ cứng; thực tế ngược lại.
Giải thích bước sóng tối thiểu mà không nói rằng một electron truyền toàn bộ động năng của nó cho một photon duy nhất.
Cộng độ dày của các vật liệu khác nhau trước khi áp dụng $e^{-\mu x}$; hãy cộng các tích $\mu x$ thay vào đó.
Mô tả CT là "một tia X từ nhiều góc độ" mà không nhắc đến tái tạo bằng máy tính, lát cắt, hay các lát cắt liên tiếp.
Cho một photon cho quá trình hủy diệt, hoặc hai photon theo cùng hướng; bảo toàn động lượng yêu cầu hai photon theo hai hướng ngược nhau.
Nhầm lẫn về lý do bán rã của chất đánh dấu: ngắn để liều lượng nhỏ, nhưng đủ dài để đến mô và được quét.
25
Astronomy and cosmology · Thiên văn học và Vũ trụ học
understand the term luminosity as the total power of radiation emitted by a star
recall and use the inverse square law for radiant flux intensity$F$ in terms of the luminosity $L$ of the source $F = L / (4\pi d^2)$
understand that an object of known luminosity is called a standard candle
understand the use of standard candles to determine distances to galaxies
Tiếng Việt
hiểu thuật ngữ luminosity (độ sáng tuyệt đối) là tổng công suất bức xạ mà một ngôi sao phát ra
nhớ và sử dụng định luật nghịch đảo bình phương cho cường độ dòng辐射 radiant flux intensity$F$ theo độ sáng tuyệt đối $L$ của nguồn $F = L / (4\pi d^2)$
hiểu rằng một vật thể có độ sáng tuyệt đối đã biết được gọi là nến chuẩn
hiểu việc sử dụng nến chuẩn để xác định khoảng cách đến các thiên hà
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
The luminosity 光度$L$ of a star is the total power 功率 of radiation it gives out — the energy 能量 radiated per second in all directions. Unit: watt (W).
The one-mark definition.The luminosity of a star is the total power of radiation emitted by the star (or the total energy emitted per unit time). It is a property of the star alone; how bright it looks from the Earth depends also on how far away it is. Asked for two reasons why some stars appear brighter than others, give exactly those two: a greater luminosity, and a smaller distance (the flux falls as $1/d^{2}$).
At distance $d$, this power has spread over a sphere of area $4\pi d^{2}$. The radiant flux intensity 辐射通量密度$F$ (power per unit area) at distance $d$ is
$$F = \frac{L}{4\pi d^{2}}.$$
Worked example. The Sun's luminosity is $L = 3.8 \times 10^{26}\ \text{W}$. Find the radiant flux intensity at the Earth, a distance $d = 1.5 \times 10^{11}\ \text{m}$ away.
Unit: $\text{W m}^{-2}$. This is the inverse-square law 平方反比定律 for flux: doubling the distance cuts the flux to a quarter. A telescope measures $F$; if $L$ is known, the distance follows:
$$d = \sqrt{\frac{L}{4\pi F}}.$$
The four units of ESO's Very Large Telescope in Chile, used to measure the flux from distant starsThe same power spreads over a larger area as distance grows, so flux falls as $1/d^{2}$Plot $F$ against $1/d^{2}$ and the inverse-square law becomes a straight line through the origin; its gradient is $L/4\pi$
Reading the graph. A graph of $F$ against $1/d^{2}$ for one star is a straight line through the origin with gradient $L/4\pi$, so $L = 4\pi \times \text{gradient}$; a more luminous star gives a steeper line. A star whose galaxy is receding still obeys the inverse-square law, but the light we receive is redshifted, so the flux at each wavelength is shifted along the spectrum, and a detector sensitive to one band may see a different fraction of it.
Worked example. The Sun has radius $6.96 \times 10^{8}\ \text{m}$ and surface temperature $5780\ \text{K}$. A space probe carrying a $2.0\ \text{m}^{2}$ solar panel is $4.5 \times 10^{10}\ \text{m}$ from the Sun's centre. Find the power falling on the panel when it faces the Sun.
Luminosity: $L = 4\pi\sigma r^{2}T^{4} = 4\pi(5.67 \times 10^{-8})(6.96 \times 10^{8})^{2}(5780)^{4} = 3.85 \times 10^{26}\ \text{W}$. Flux at the probe: $F = L/(4\pi d^{2}) = 3.85 \times 10^{26}/[4\pi(4.5 \times 10^{10})^{2}] = 1.5 \times 10^{4}\ \text{W m}^{-2}$, eleven times the flux at the Earth. Power on the panel: $P = FA = 1.5 \times 10^{4} \times 2.0 = 3.0 \times 10^{4}\ \text{W}$. The flux is power per unit area perpendicular to the radiation; a tilted panel receives $FA\cos\theta$.
A standard candle 标准烛光 is an object whose luminosity is known from its type. Once you find one in a distant galaxy and measure the flux $F$ from it, you get its distance from $d = \sqrt{L/(4\pi F)}$.
Examples:
Cepheid variables 造父变星 (pulsating stars) — the pulsation period is tightly linked to the luminosity, so the period gives $L$.
Type Ia supernovae 超新星 — a white dwarf reaching a critical mass and exploding always has about the same peak luminosity.
A standard candle gives $L$ without first knowing the distance, so it reaches galaxies far beyond parallax 视差.
The definition.A standard candle is an object (a star or a supernova) of known luminosity. The luminosity is known because it is fixed by a property that can be measured from any distance: the pulsation period of a Cepheid variable, or the type of a supernova.
The two recipes of this topic: a distance from a standard candle, and a radius from a spectrum and a flux. Every calculation in the exam is one of them, or a step of one
"Explain how a standard candle is used to determine the distance of a galaxy" (three marks). (1) A standard candle in the galaxy is identified (a Cepheid variable, whose period gives its luminosity, or a Type Ia supernova) so that its luminosity$L$ is known. (2) The radiant flux intensity$F$ of its light arriving at the Earth is measured. (3) The distance follows from the inverse-square law, $d = \sqrt{L/(4\pi F)}$. The order matters: the luminosity comes from the candle's type, not from the distance, which is the thing being found.
Worked example. A Type Ia supernova, luminosity $1.0 \times 10^{36}\ \text{W}$ at its peak, is observed with a peak flux of $2.0 \times 10^{-14}\ \text{W m}^{-2}$. How far away is its galaxy?
$d = \sqrt{L/(4\pi F)} = \sqrt{1.0 \times 10^{36}/(4\pi \times 2.0 \times 10^{-14})} = 6.3 \times 10^{24}\ \text{m}$, about $670$ million light years 光年 ($1\ \text{ly} = 9.5 \times 10^{15}\ \text{m}$). A Cepheid, with a luminosity of order $10^{30}\ \text{W}$, could not be seen at that distance; supernovae are the candles for the far Universe.
The Andromeda Galaxy, our nearest large galaxy, about 2.5 million light-years away — Cepheids in it are standard candlesFor Cepheid variables the pulsation period sets the luminosity, making them standard candles
Explore · Khám phá
Standard candle distance lab · Phòng thí nghiệm khoảng cách nến chuẩn
brightness proportional to 1 / distance^2 · độ sáng tỷ lệ thuận với 1 / khoảng cách^2
Move distance and see why brightness falls quickly. · Di chuyển khoảng cách và xem tại sao độ sáng giảm nhanh.
recall and use Wien’s displacement law$\lambda_{\text{max}} \propto 1/T$ to estimate the peak surface temperature of a star
use the Stefan–Boltzmann law$L = 4\pi\sigma r^2 T^4$
use Wien’s displacement law and the Stefan–Boltzmann law to estimate the radius of a star
Tiếng Việt
nhớ và sử dụng định luật dịch chuyển Wien$\lambda_{\text{max}} \propto 1/T$ để ước tính nhiệt độ bề mặt cực đại của một ngôi sao
sử dụng định luật Stefan–Boltzmann$L = 4\pi\sigma r^2 T^4$
sử dụng định luật dịch chuyển Wien và định定律 Stefan–Boltzmann để ước tính bán kính của một ngôi sao
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
Wien's displacement law
A hot body gives out a continuous (blackbody 黑体) spectrum with a peak at a wavelength 波长$\lambda_{\text{max}}$ set by its temperature 温度. Wien's displacement law 维恩位移定律:
$$\lambda_{\text{max}} T = \text{constant}, \qquad b \approx 2.90 \times 10^{-3}\ \text{m K}.$$
Worked example. A star's blackbody spectrum peaks at $\lambda_{\text{max}} = 500\ \text{nm}$. Find its surface temperature. ($b = 2.90 \times 10^{-3}\ \text{m K}$.)
Hotter stars peak at shorter wavelengths: a cool red star ($\sim 3000\ \text{K}$) peaks in the infrared; the Sun ($\sim 5800\ \text{K}$) peaks near $500\ \text{nm}$; a hot blue-white star ($\sim 20{,}000\ \text{K}$) peaks in the ultraviolet. Measuring $\lambda_{\text{max}}$ gives the surface temperature.
"State Wien's displacement law" (two marks).The wavelength at which the intensity of the radiation from a black body is a maximum is inversely proportional to its thermodynamic temperature: $\lambda_{\text{max}} \propto 1/T$, or $\lambda_{\text{max}} T = \text{constant}$ ($2.90 \times 10^{-3}\ \text{m K}$). Say "wavelength of maximum intensity", not just "the wavelength", and the temperature must be in kelvin. The law describes the peak of the continuous black-body curve, not the spectral lines.
The Pillars of Creation in the Eagle Nebula — clouds of gas and dust lit by hot, newly formed starsA hotter black body radiates more, and its peak wavelength shifts towards the blue (Wien's law)
Stefan–Boltzmann law
A star, treated as a blackbody sphere of radius $r$ and surface temperature $T$, has luminosity
$$L = 4\pi \sigma r^{2} T^{4},$$
where $\sigma = 5.67 \times 10^{-8}\ \text{W m}^{-2}\ \text{K}^{-4}$ is the Stefan–Boltzmann constant 斯特藩-玻尔兹曼常量 (the Stefan–Boltzmann law 斯特藩-玻尔兹曼定律). Two strong dependences:
$L \propto r^{2}$ — twice the radius, four times the luminosity (same $T$).
$L \propto T^{4}$ — twice the temperature, sixteen times the luminosity (same $r$).
Worked example. A star has radius $r = 7.0 \times 10^{8}\ \text{m}$ and surface temperature $T = 5800\ \text{K}$. Find its luminosity. ($\sigma = 5.67 \times 10^{-8}\ \text{W m}^{-2}\ \text{K}^{-4}$.)
measure $\lambda_{\text{max}}$ → get $T$ from Wien's law.
find $L$ (e.g. from flux $F$ and distance $d$: $L = 4\pi d^{2} F$).
solve the Stefan–Boltzmann law for $r$: $r = \sqrt{L/(4\pi \sigma T^{4})}$.
This is how astronomers estimate radii of stars they cannot see as a disc.
Worked example (the radius of the Sun). The radiant flux intensity of sunlight at the Earth is $1370\ \text{W m}^{-2}$ at a distance of $1.50 \times 10^{11}\ \text{m}$, and the Sun's spectrum peaks at $500\ \text{nm}$. Estimate the radius of the Sun.
Luminosity: $L = 4\pi d^{2}F = 4\pi(1.50 \times 10^{11})^{2}(1370) = 3.87 \times 10^{26}\ \text{W}$. Temperature: $T = b/\lambda_{\text{max}} = 2.90 \times 10^{-3}/(500 \times 10^{-9}) = 5800\ \text{K}$. Radius: $r = \sqrt{L/(4\pi\sigma T^{4})} = \sqrt{3.87 \times 10^{26}/[4\pi(5.67 \times 10^{-8})(5800)^{4}]} = 6.9 \times 10^{8}\ \text{m}$. Three steps, each a one-line formula; keep the full precision of $L$ and $T$ until the end, because $T$ is raised to the fourth power.
Worked example. A star in a distant galaxy has a radiant flux intensity of $2.52 \times 10^{-8}\ \text{W m}^{-2}$ at the Earth, a distance of $4.16 \times 10^{17}\ \text{m}$ away, and a surface temperature of $9500\ \text{K}$. Find its radius.
$L = 4\pi d^{2}F = 4\pi(4.16 \times 10^{17})^{2}(2.52 \times 10^{-8}) = 5.48 \times 10^{28}\ \text{W}$. Then $r = \sqrt{5.48 \times 10^{28}/[4\pi(5.67 \times 10^{-8})(9500)^{4}]} = 3.1 \times 10^{9}\ \text{m}$, about four times the Sun's radius. Check the sense: a star $140$ times as luminous as the Sun but only $1.6$ times as hot must be considerably bigger, since $L \propto r^{2}T^{4}$.
Why $T^{4}$ matters so much. Two stars of the same radius at $3000\ \text{K}$ and $6000\ \text{K}$ differ in luminosity by $2^{4} = 16$ times; a small error in the temperature is a large error in the luminosity, which is why the peak wavelength must be read carefully and, for a receding galaxy, corrected for redshift (below).
Explore · Khám phá
A star's luminosity and radius · Độ sáng và bán kính của một ngôi sao
L ∝ r²
For a given surface temperature, a star's luminosity grows with the SQUARE of its radius (Stefan's law). · Đối với nhiệt độ bề mặt cho trước, độ sáng của một ngôi sao tăng theo BÌNH PHƯƠNG của bán kính (định luật Stefan).
understand that the lines in the emission and absorption spectra from distant objects show an increase in wavelength from their known values
use $\Delta\lambda / \lambda \approx \Delta f / f \approx v / c$ for the redshift of electromagnetic radiation from a source moving relative to an observer
explain why redshift leads to the idea that the Universe is expanding
recall and use Hubble's law$v \approx H_0 d$ and explain how this leads to the Big Bang theory (candidates will only be required to use SI units)
Tiếng Việt
hiểu rằng các vạch quang phổ phát xạ và hấp thụ từ các vật thể xa xôi cho thấy sự gia tăng bước sóng so với giá trị đã biết của chúng
sử dụng $\Delta\lambda / \lambda \approx \Delta f / f \approx v / c$ để biểu thị độ dịch chuyển đỏ của bức xạ điện từ từ một nguồn di chuyển tương đối với người quan sát
giải thích tại sao độ dịch chuyển đỏ dẫn đến giả thuyết Vũ trụ đang giãn nở
ghi nhớ và áp dụng định定律 Hubble$v \approx H_0 d$, đồng thời giải thích cách điều này dẫn đến thuyết Big Bang (học sinh chỉ yêu cầu sử dụng đơn vị SI)
Source: Cambridge International syllabus · Nguồn: Chương trình Cambridge International
Cosmological redshift
The spectral lines 谱线 of light from distant galaxies are seen at longer wavelengths than their known laboratory values — the whole spectrum is stretched towards the red. This is redshift 红移.
The hydrogen absorption lines of a distant star are shifted to longer wavelengths — a redshift
Reading it as a Doppler shift, the galaxy is moving away. For $v \ll c$:
where $\Delta\lambda = \lambda_{\text{observed}} - \lambda_{\text{emitted}}$ and $v$ is the speed of recession 退行. Example: light emitted at $4.62 \times 10^{-7}\ \text{m}$ but seen at $4.91 \times 10^{-7}\ \text{m}$ gives $\Delta\lambda = 0.29 \times 10^{-7}\ \text{m}$ and
$$v \approx \frac{\Delta\lambda}{\lambda_{\text{em}}} c \approx 1.9 \times 10^{7}\ \text{m s}^{-1}.$$
Why redshift means an expanding Universe
Almost every distant galaxy is redshifted (a few near ones are blueshifted 蓝移 by local motion). So galaxies are, on average, moving apart — not just from us but from each other. The Universe is expanding, with the space between galaxies stretching. More distant galaxies are redshifted more.
"State what is meant by redshift."The observed wavelength of the radiation (its spectral lines) from a source is longer than the wavelength emitted, because the source is moving away from the observer. It is the Doppler effect 多普勒效应 for light: the fractional change in wavelength equals the fractional change in frequency and, for $v \ll c$, the ratio $v/c$.
Worked example. A hydrogen line measured in the laboratory at $656.3\ \text{nm}$ is observed in the light from a galaxy at $660.9\ \text{nm}$. Find the galaxy's speed of recession and, using $H_{0} = 2.3 \times 10^{-18}\ \text{s}^{-1}$, its distance.
$\Delta\lambda = 660.9 - 656.3 = 4.6\ \text{nm}$, so $v = c\,\Delta\lambda/\lambda = (3.00 \times 10^{8})(4.6/656.3) = 2.1 \times 10^{6}\ \text{m s}^{-1}$. Distance: $d = v/H_{0} = 2.1 \times 10^{6}/2.3 \times 10^{-18} = 9.1 \times 10^{23}\ \text{m}$ (about $100$ million light years). Divide by the emitted (laboratory) wavelength, and keep the nanometres consistent in the ratio.
Worked example (the other way round). A galaxy in Corona Borealis recedes at $21\,400\ \text{km s}^{-1}$. At what wavelength is its $656.3\ \text{nm}$ hydrogen line observed?
$\Delta\lambda = \lambda v/c = 656.3 \times (2.14 \times 10^{7}/3.00 \times 10^{8}) = 46.8\ \text{nm}$, so the line appears at $703\ \text{nm}$, moved from the red almost into the infrared. Every line and the whole continuous spectrum are stretched by the same factor $(1 + v/c) = 1.071$.
A receding galaxy's continuous spectrum keeps its shape but slides to longer wavelengths. Wien's law applied to the observed peak gives a temperature that is too low
A trap the exam sets. If the peak wavelength of a receding galaxy's spectrum is fed straight into Wien's law, the temperature comes out too low, because the observed $\lambda_{\text{max}}$ is longer than the emitted one. Correct the peak first: $\lambda_{\text{emitted}} = \lambda_{\text{observed}}/(1 + v/c)$. Asked to sketch the observed spectrum on the same axes as the emitted one, draw the same shape shifted to longer wavelengths, peak included.
"Explain how redshift leads to the idea that the Universe is expanding" (three marks). (1) The spectral lines from (almost) all distant galaxies are shifted to longer wavelengths, so (2) by the Doppler effect the galaxies are moving away from us, and (3) the further away a galaxy is, the greater its redshift and so its speed: this is what would be seen from any galaxy if the space between all galaxies were expanding, so the Universe as a whole is expanding, not just moving away from the Earth.
The Hubble Ultra Deep Field — almost every point of light is a whole galaxy, most of them redshifted and receding
Hubble's law
The link between recession speed $v$ and distance $d$ is Hubble's law 哈勃定律:
$$v \approx H_{0} \cdot d,$$
where $H_{0}$ is the Hubble constant 哈勃常数 ($\approx 2.3 \times 10^{-18}\ \text{s}^{-1}$). Always use SI units. Example: a galaxy receding at $1.9 \times 10^{7}\ \text{m s}^{-1}$ is at $d = v/H_{0} \approx 8.3 \times 10^{24}\ \text{m}$.
"State Hubble's law" (two marks).The speed of recession of a galaxy is (directly) proportional to its distance from the Earth (the observer): $v = H_{0}d$, where $v$ is the recession speed, $d$ the distance and $H_{0}$ the Hubble constant. Identify every symbol when asked. The value of $H_{0}$ is quoted in the exam in SI units ($\text{s}^{-1}$), so $v$ must be in $\text{m s}^{-1}$ and $d$ in metres, never kilometres per second per megaparsec.
Worked example. A star in a distant galaxy emits radiation whose intensity peaks at $4.62 \times 10^{-7}\ \text{m}$; the peak in the light received at the Earth is at $4.91 \times 10^{-7}\ \text{m}$. Find the star's surface temperature, the galaxy's recession speed, and its distance ($H_{0} = 2.3 \times 10^{-18}\ \text{s}^{-1}$).
Temperature from the emitted peak: $T = 2.90 \times 10^{-3}/4.62 \times 10^{-7} = 6300\ \text{K}$. Speed: $v = c\,\Delta\lambda/\lambda = (3.00 \times 10^{8})(0.29/4.62) = 1.9 \times 10^{7}\ \text{m s}^{-1}$, about $6\%$ of $c$. Distance: $d = v/H_{0} = 1.9 \times 10^{7}/2.3 \times 10^{-18} = 8.2 \times 10^{24}\ \text{m}$ (about $870$ million light years). Using the observed peak for the temperature would have given $5900\ \text{K}$, $400\ \text{K}$ too low.
Hubble's law: a galaxy's recession speed is proportional to its distance, $v = H_0 d$
From Hubble's law to the Big Bang
Hubble's law means the galaxies were once together. Running the expansion backwards, all distances shrink to zero at $t = -1/H_{0}$ — the Universe was once a tiny, hugely dense, hot point. This is the Big Bang 大爆炸. The age of the Universe (for steady expansion) is about
The expansion, the redshift of galaxies, the cosmic microwave background 宇宙微波背景, and the hydrogen/helium abundances are the main evidence for the Big Bang.
"Explain how Hubble's law leads to the Big Bang theory" (three marks). (1) Galaxies are receding with speeds proportional to their distances, so (2) if time is run backwards, every galaxy, at whatever distance, arrives at the same point at the same time, $t = d/v = 1/H_{0}$ ago; (3) so the Universe must have begun as a single point of enormous density and temperature that has been expanding ever since. The age estimate: $1/H_{0} = 1/(2.3 \times 10^{-18}) = 4.3 \times 10^{17}\ \text{s}$, and dividing by $3.16 \times 10^{7}\ \text{s}$ per year gives $1.4 \times 10^{10}$ years. This assumes the expansion rate has not changed; it is an estimate, not a measurement.
Distance ladder
Astronomers combine methods, each calibrated by the one below:
parallax — for nearby stars.
standard candles (Cepheids, Type Ia supernovae) — for galaxies.
Hubble's law ($d = v/H_{0}$, with $v$ from redshift) — for very distant galaxies.
The distance ladder: each method is calibrated by the one below and reaches further out
Explore · Khám phá
Hubble's law · Định luật Hubble
v = H₀·d
Recession speed is proportional to distance — the gradient is Hubble's constant. · Tốc độ lùi lại tỷ lệ thuận với khoảng cách — độ dốc là hằng số Hubble.
A definition question is marked against fixed wording. Learn these exactly, and give one answer only.
Term
Definition
luminosity
the total power of radiation emitted by a star
radiant flux intensity
the power of radiation received per unit area (at right angles to the radiation), $F = L/(4\pi d^{2})$
standard candle
an object of known luminosity, from which a distance can be found by measuring the flux received
Wien's displacement law
the wavelength of maximum intensity of a black body is inversely proportional to its thermodynamic temperature, $\lambda_{\text{max}} T = \text{constant}$
Stefan–Boltzmann law
the luminosity of a black body of radius $r$ is $L = 4\pi\sigma r^{2}T^{4}$
redshift
the increase in the observed wavelength of radiation from a source moving away from the observer
Hubble's law
the speed of recession of a galaxy is proportional to its distance from the observer, $v = H_{0}d$
Hubble constant
the constant of proportionality in Hubble's law, in $\text{s}^{-1}$; $1/H_{0}$ estimates the age of the Universe
Big Bang theory
the Universe began from a single point of very high density and temperature and has been expanding since
25.3
Exam tips
Two recipes: distance = candle's $L$, measured $F$, $d = \sqrt{L/(4\pi F)}$; radius = $T$ from $\lambda_{\text{max}}$, $L$ from $F$ and $d$, $r$ from $L = 4\pi\sigma r^{2}T^{4}$. Write each step as its own formula.
$F$ is a flux (per square metre), $L$ a power; $L = 4\pi d^{2}F$ links them and $4\pi$ is part of both laws.
Wien: $\lambda_{\text{max}}$ in metres, $T$ in kelvin. Stefan–Boltzmann: $r^{2}$ and $T^{4}$; a $10\%$ error in $T$ is a $46\%$ error in $L$.
Redshift: $\Delta\lambda/\lambda_{\text{emitted}} = v/c$; then $d = v/H_{0}$ in SI units. Correct a receding galaxy's peak wavelength before using Wien's law.
The three "explain" answers (standard candle to distance, redshift to expansion, Hubble's law to the Big Bang) are marked point by point: three statements each, in order.
The age of the Universe is $1/H_{0}$, about $14$ billion years; state the assumption of a constant expansion rate.
Common mistakes
Defining luminosity as brightness, or as power per unit area; that is the flux.
Finding a standard candle's luminosity from its distance, which is circular; the luminosity comes from its type.
Using degrees Celsius in Wien's or Stefan's law, or forgetting the fourth power.
Dividing $\Delta\lambda$ by the observed wavelength instead of the emitted one, or mixing nanometres and metres in one ratio.
Using $H_{0}$ with $v$ in $\text{km s}^{-1}$; convert to $\text{m s}^{-1}$.
Feeding a redshifted peak wavelength into Wien's law and reporting a temperature that is too low.
Stating Hubble's law without "proportional" or without saying what $v$ and $d$ are.
Explaining the Big Bang without the backward-in-time argument that all galaxies were together at $t = 1/H_{0}$ ago.
Pick one and the site follows you — notes, papers, videos and practice all open on it. · Chọn một môn và trang sẽ điều hướng theo — ghi chú, tài liệu, video và bài tập đều mở ở đó.
Type to search notes, lessons, code, vocabulary and past-paper questions across every subject. · Nhập để tìm ghi chú, bài học, mã, từ vựng và câu hỏi đề thi cũ trên mọi môn học.