| Cốt lõi | Bổ sung |
|---|---|
| 1 Mô tả việc sử dụng thước kẻ và bình đo để tìm độ dài hoặc thể tích | |
| 2 Mô tả cách đo các khoảng thời gian khác nhau bằng đồng hồ và bộ đếm điện tử | |
| 3 Xác định giá trị trung bình cho một khoảng cách nhỏ và một khoảng thời gian ngắn bằng cách đo nhiều lần (bao gồm chu kỳ dao động của con lắc đơn) | |
| 4 Hiểu rằng đại lượng vô hướng chỉ có độ lớn (kích thước) và đại lượng vectơ có cả độ lớn và hướng | |
| 5 Biết rằng các đại lượng sau là đại lượng vô hướng: quãng đường, tốc độ, thời gian, khối lượng, năng lượng và nhiệt độ | |
| 6 Biết rằng các đại lượng sau là vector: lực, trọng lượng, vận tốc, gia tốc, động lượng, cường độ điện trường và cường độ trường hấp dẫn | |
| 7 Xác định, bằng tính toán hoặc đồ thị, hợp lực của hai vector vuông góc, chỉ giới hạn ở lực hoặc vận tốc |
Chuyển động, lực và năng lượng
Vật lý IGCSE · Chủ đề 1
23:51
Chuyển động, Lực & Năng lượng
Hãy nhìn xung quanh. Một chiếc xe tăng tốc. Một quả bóng rơi. Một chiếc cốc yên lặng trên bàn. Vật lý có thể mô tả tất cả những điều này — chính xác, sử dụng các con số. Và tất cả đều dựa trên…
Giọng đọc tiếng Anh · phụ đề tiếng Anh + 中文 được ghi trực tiếp
1.1
Measurement
Chương trình
Nguồn: Chương trình Cambridge International
Length and volume
Sử dụng ruler để đo độ dài. Đọc thang đo với mắt nhìn thẳng đứng trước vạch đánh dấu để tránh sai số đọc.
Sử dụng measuring cylinder để đo thể tích chất lỏng. Đọc thang đo tại đáy bề mặt cong (the meniscus), với mắt ngang hàng với nó.
Measuring time
Sử dụng stopwatch hoặc digital timer để đo khoảng thời gian. Đồng hồ thường đủ tốt cho thời gian dài (phút hoặc giờ). Stopwatch được khởi động và dừng bằng tay, nên mỗi lần đọc sẽ có sai số reaction time khoảng 0.2 giây. Để sai số này ít ảnh hưởng hơn, hãy đo khoảng thời gian dài, hoặc đo nhiều lần lặp lại rồi chia (xem bên dưới).
Measuring small amounts
Một độ dài nhỏ hoặc một khoảng thời gian ngắn rất khó đo chính xác. Bí quyết là đo nhiều và chia cho số lượng đó:
- Để tìm độ dày của một trang giấy, hãy đo độ dày của 100 trang rồi chia cho 100.
- Để tìm thời gian cho một nhịp dao động của con lắc, hãy đo thời gian cho 20 nhịp dao động rồi chia cho 20. Một nhịp dao động đầy đủ được gọi là chu kỳ.
Cách này làm cho sai số (kích thước của sai lệch) trở nên nhỏ hơn nhiều.
Đại lượng vô hướng và đại lượng hữu hướng
Một đại lượng vô hướng chỉ có độ lớn (cường độ). Một đại lượng hữu hướng vừa có độ lớn vừa có phương hướng.
- Vô hướng: quãng đường, tốc độ, thời gian, khối lượng, năng lượng, nhiệt độ.
- Các đại lượng hữu hướng: lực, trọng lượng, vận tốc, gia tốc, động lượng, cường độ điện trường, cường độ trọng trường.
Để cộng hai vectơ vuông góc với nhau (90°), hãy vẽ chúng như hai cạnh của hình chữ nhật. Vektơ tổng hợp là đường chéo. Tìm độ lớn bằng định lý Pythagoras và phương hướng bằng lượng giác.
$$R = \sqrt{a^2 + b^2}$$
Khám phá
Vô hướng & có hướng
hợp lực = a + b
Thêm hai vectơ đầu nối đuôi để tìm vectơ hợp.
Từ vựng
Luyện tập
| English | Tiếng Việt |
|---|---|
| measurement/ˈmeʒəmənt/ | đo lường |
| ruler/ˈruːlə/ | người cai trị |
| measuring cylinder/ˈmeʒərɪŋ ˈsɪlɪndə/ | cylinder đo thể tích |
| meniscus/ˈmenɪskəs/ | độ cong mặt chất lỏng |
| stopwatch/ˈstɒpwɒtʃ/ | bấm giờ |
| digital timer/ˈdɪdʒɪtl ˈtaɪmə/ | đồng hồ đếm ngược kỹ thuật số |
| reaction time/rɪˈækʃn taɪm/ | thời gian phản xạ |
| measure many and divide/ˈmeʒə ˈmeni ænd dɪˈvaɪd/ | đo nhiều và chia |
| regular solid/ˈreɡjʊlə ˈsɒlɪd/ | hình khối đều |
| irregular solid/ɪˈreɡjʊlə ˈsɒlɪd/ | hình khối không đều |
| displacement method/dɪˈspleɪsmənt ˈmeθəd/ | phương pháp displacements |
| floats/fləʊts/ | nổi |
| shape/ʃeɪp/ | hình dạng |
| extension/ekˈstenʃn/ | mở rộng |
| load–extension graph/ləʊd ekˈstenʃn ɡræf/ | đồ thị tải trọng - độ dãn |
| limit of proportionality/ˈlɪmɪt ɒv prəˌpɔːʃəˈnælɪti/ | điểm gãy |
| spring constant/sprɪŋ ˈkɒnstənt/ | hằng số lò xo |
| resultant force/rɪˈzʌltənt fɔːs/ | lực hợp |
| circular motion/ˈsɜːkjʊlə ˈməʊʃn/ | chuyển động tròn |
| radius/ˈreɪdɪəs/ | bán kính |
| friction/ˈfrɪkʃn/ | lực ma sát |
1.2
Chuyển động
Chương trình
| Cốt lõi | Bổ sung |
|---|---|
| 1 Định nghĩa tốc độ là quãng đường đi được trên một đơn vị thời gian; nhớ và sử dụng phương trình $$v = \frac{s}{t}$$ |
|
| 2 Định nghĩa vận tốc là tốc độ theo một hướng xác định | |
| 3 Nhớ lại và sử dụng phương trình $$\text{average speed} = \frac{\text{total distance travelled}}{\text{total time taken}}$$ |
9 Định nghĩa gia tốc là sự thay đổi vận tốc trên một đơn vị thời gian; nhớ lại và sử dụng phương trình $$a = \frac{\Delta v}{\Delta t}$$ |
| 4 Vẽ, biểu diễn và giải thích đồ thị quãng thời gian và đồ thị tốc độ–thời gian | |
| 5 Xác định, theo定性 (chất), từ dữ liệu đã cho hoặc hình dạng của đồ thị quãng thời gian hay đồ thị tốc độ–thời gian khi vật đang: (a) đứng yên (b) chuyển động với tốc độ không đổi (c) tăng tốc (d) giảm tốc | 10 Xác định từ dữ liệu đã cho hoặc hình dạng của đồ thị tốc độ–thời gian khi vật đang chuyển động với: (a) gia tốc không đổi (b) gia tốc thay đổi |
| 6 Tính tốc độ từ độ dốc của phần thẳng trên đồ thị quãng thời gian | 11 Tính gia tốc từ độ dốc của đồ thị tốc độ–thời gian |
| 7 Tính diện tích dưới đồ thị tốc độ–thời gian để xác định quãng đường di chuyển đối với chuyển động có tốc độ không đổi hoặc gia tốc không đổi | |
| 12 Biết rằng giảm tốc là gia tốc âm và sử dụng điều này trong tính toán | |
| 8 Nêu rằng gia tốc rơi tự do $g$ của một vật gần bề mặt Trái Đất xấp xỉ không đổi và xấp xỉ $9.8\text{ m/s}^2$ | 13 Mô tả chuyển động của các vật rơi trong trường hấp dẫn đều có và không có sức cản không khí/chất lỏng, bao gồm cả tham chiếu đến vận tốc cuối cùng |
Nguồn: Chương trình Cambridge International
Tốc độ và vận tốc
Tốc độ là quãng đường đi được trong mỗi đơn vị thời gian.
$$v = \frac{s}{t}$$
Vận tốc là tốc độ theo một phương hướng đã nêu. Vì vậy vận tốc là đại lượng hữu hướng nhưng tốc độ là đại lượng vô hướng.
$$\text{average speed} = \frac{\text{total distance}}{\text{total time}}$$
Gia tốc
Gia tốc là sự thay đổi vận tốc trong mỗi đơn vị thời gian.
$$a = \frac{\Delta v}{\Delta t}$$
Ở đây $\Delta v$ có nghĩa là "sự thay đổi vận tốc". Chuyển động chậm dần (chậm lại) là gia tốc âm.
Ví dụ minh họa. Một ô tô tăng tốc từ $8\ \text{m/s}$ đến $20\ \text{m/s}$ trong $4.0\ \text{s}$. Tìm gia tốc của nó.
$$a = \frac{\Delta v}{\Delta t} = \frac{20 - 8}{4.0} = 3.0\ \text{m/s}^2$$
Đồ thị chuyển động
Đồ thị quãng đường – thời gian thể hiện quãng đường vật di chuyển được:
- Đường nằm ngang (phẳng) cho thấy vật đang đứng yên.
- Đường thẳng nghiêng cho thấy tốc độ không đổi. Hệ số góc (độ dốc) chính là tốc độ.
- Đường cong ngày càng dốc hơn cho thấy vật đang tăng tốc.
Đồ thị tốc độ – thời gian thể hiện tốc độ của vật:
- Đường nằm ngang cho thấy tốc độ không đổi.
- Đường thẳng nghiêng cho thấy gia tốc không đổi. Hệ số góc chính là gia tốc.
- Diện tích dưới đường biểu diễn chính là quãng đường đi được.
Vật rơi tự do
Gần bề mặt Trái Đất, trường trọng lực là đều (có cùng cường độ ở mọi nơi), vì vậy tất cả các vật đều tăng tốc khi rơi với cùng một tốc độ. Đây là gia tốc rơi tự do, $g \approx 9.8\ \text{m/s}^2$.
Khi một vật rơi qua không khí, lực cản không khí (lực ma sát) tác dụng lên vật theo hướng lên trên. Khi vật tăng tốc, lực cản không khí cũng tăng. Khi lực cản không khí bằng trọng lượng, lực tổng hợp bằng không và vật ngừng tăng tốc. Lúc đó vật rơi với vận tốc đầu cuối ổn định.
Khám phá
Đồ thị vận tốc - thời gian
Thay đổi u và a. Hệ số góc là gia tốc; diện tích dưới đường là quãng đường đã đi.
Từ vựng
Luyện tập
| English | Tiếng Việt |
|---|---|
| velocity/vəˈlɒsɪti/ | vận tốc |
| acceleration/əkˌseləˈreɪʃn/ | gia tốc |
| speed/spiːd/ | tốc độ |
| deceleration/dɪˌseləˈreɪʃn/ | giảm tốc |
| distance–time graph/ˈdɪstəns taɪm ɡræf/ | đồ thị quãng đường - thời gian |
| at rest/æt rest/ | đứng yên |
| gradient/ˈɡreɪdɪənt/ | hệ số góc |
| speed–time graph/spiːd taɪm ɡræf/ | đồ thị vận tốc - thời gian |
| area under the line/ˈeərɪə ˈʌndə ðə laɪn/ | diện tích dưới đường cong |
| uniform/ˈjuːnɪfɔːm/ | đều |
| acceleration of free fall/əkˌseləˈreɪʃn ɒv friː fɔːl/ | gia tốc rơi tự do |
| air resistance/eə rɪˈzɪstəns/ | lực cản không khí |
| terminal velocity/ˈtɜːmɪnl vəˈlɒsɪti/ | tốc độ cuối |
| matter/ˈmætə/ | vật chất |
1.3
Khối lượng và trọng lượng
Chương trình
| Cốt lõi | Bổ sung |
|---|---|
| 1 Nêu rằng khối lượng là thước đo lượng chất matter trong một vật đang đứng yên so với người quan sát | |
| 2 Nêu rằng trọng lượng là lực hấp dẫn tác dụng lên một vật có khối lượng | 5 Mô tả, và sử dụng khái niệm về trọng lượng như là hiệu ứng của trường hấp dẫn lên một khối lượng |
| 3 Định nghĩa cường độ trường trọng lực là lực trên một đơn vị khối lượng; nhớ lại và sử dụng phương trình $$g = \frac{W}{m}$$ và biết rằng nó tương đương với gia tốc rơi tự do |
|
| 4 Biết rằng trọng lượng (và khối lượng) có thể được so sánh bằng cách dùng cân |
Nguồn: Chương trình Cambridge International
Khối lượng là lượng chất có trong một vật. Nó được đo bằng kilogam (kg) và không thay đổi khi bạn di chuyển vật.
Trọng lượng là lực hấp dẫn tác dụng lên khối lượng. Nó được đo bằng newton (N). Trọng lượng có thể thay đổi: nó nhỏ hơn trên Mặt Trăng vì lực hấp dẫn của Mặt Trăng yếu hơn.
Cường độ trọng trường là lực trên mỗi đơn vị khối lượng:
$$g = \frac{W}{m}$$
Giá trị $g$ này có cùng giá trị với gia tốc rơi tự do ($\approx 9.8\ \text{N/kg}$). Bạn có thể so sánh các khối lượng bằng cân cân.
Khám phá
Trọng lực và khối lượng
W = mg
Trọng lực tỷ lệ thuận với khối lượng — hệ số góc chính là cường độ trường gravitation g (khoảng 10 N/kg trên Trái Đất).
Từ vựng
Luyện tập
| English | Tiếng Việt |
|---|---|
| mass/mæs/ | khối lượng |
| balance/ˈbæləns/ | cân bằng |
1.4
Mật độ
Chương trình
| Cốt lõi | Bổ sung |
|---|---|
| 1 Định nghĩa mật độ là khối lượng trên một đơn vị thể tích; nhớ và sử dụng phương trình $$\rho = \frac{m}{V}$$ |
|
| 2 Mô tả cách xác định mật độ của chất lỏng, của vật rắn có hình dạng đều và của vật rắn có hình dạng không đều chìm trong chất lỏng (thể tích bằng phương pháp đẩy nước), bao gồm cả các phép tính phù hợp | |
| 3 Xác định xem một vật có nổi hay dựa trên dữ liệu mật độ | 4 Xác định xem một chất lỏng có nổi trên chất lỏng khác hay dựa trên dữ liệu mật độ đã cho, biết rằng các chất lỏng không hòa tan vào nhau |
Nguồn: Chương trình Cambridge International
Mật độ là khối lượng trên mỗi đơn vị thể tích.
$$\rho = \frac{m}{V}$$
Ký hiệu $\rho$ là ký tự Hy Lạp "rho". Đơn vị đo là $\text{kg/m}^3$ hoặc $\text{g/cm}^3$.
Để tìm mật độ: đo khối lượng bằng cân, tìm thể tích, sau đó chia cho nhau.
- Vật rắn đều (như hộp): đo các cạnh và tính thể tích.
- Vật rắn không đều (hình dạng lạ): nhúng vật vào nước trong bình đo độ. Mức nước dâng lên chính là thể tích của vật. Đây là phương pháp đẩy水位 (phương pháp displacment).
- Chất lỏng: đặt bình đo rỗng lên cân và đọc khối lượng. Đổ chất lỏng vào, đọc thể tích trên bình đo, và đọc khối lượng lần nữa. Khối lượng của chất lỏng là hiệu giữa hai giá trị khối lượng.
Một vật sẽ nổi nếu mật độ của nó nhỏ hơn mật độ của chất lỏng. Vật sẽ chìm nếu mật độ của nó lớn hơn. Tương tự, một chất lỏng nổi lên trên chất lỏng khác (nếu hai chất không hòa tan) khi mật độ của nó thấp hơn: dầu nổi trên nước.
Ví dụ minh họa. Một viên đá có khối lượng $54\ \text{g}$ được nhúng vào bình đo độ. Mực nước dâng từ $20\ \text{cm}^3$ lên $40\ \text{cm}^3$. Tìm mật độ của viên đá.
Thể tích của viên đá chính là mức nước dâng lên, $40 - 20 = 20\ \text{cm}^3$, nên
$$\rho = \frac{m}{V} = \frac{54}{20} = 2.7\ \text{g/cm}^3$$
Khám phá
Nổi và mật độ
Thay đổi mật độ của vật và chất lỏng: vật nổi nếu ít đậm đặc hơn, và càng đậm đặc thì phần chìm dưới nước càng nhiều. Sắt chìm trong nước nhưng nổi trên thủy ngân.
Từ vựng
Luyện tập
| English | Tiếng Việt |
|---|---|
| density/ˈdensɪti/ | mật độ |
1.5
Lực
Chương trình
1.5.1 Tác dụng của lực
| Cốt lõi | Bổ sung |
|---|---|
| 1 Biết rằng lực có thể tạo ra sự thay đổi về kích thước và hình dạng của một vật | 9 Định nghĩa hệ số lò xo là lực trên một đơn vị độ dãn; nhớ và sử dụng phương trình $$k = \frac{F}{x}$$ |
| 2 Vẽ, biểu diễn và giải thích đồ thị tải–độ dãn cho vật rắn đàn hồi và mô tả các quy trình thí nghiệm liên quan | 10 Định nghĩa và sử dụng thuật ngữ ‘giới hạn tỷ lệ’ cho đồ thị tải–độ dãn và xác định điểm này trên đồ thị (không yêu cầu hiểu về giới hạn đàn hồi) |
| 3 Xác định hợp lực của hai hoặc nhiều lực tác dụng dọc theo cùng một đường thẳng | 11 Nhớ và sử dụng phương trình $F = ma$ và biết rằng lực và gia tốc nằm cùng một hướng |
| 4 Biết rằng một vật sẽ ở trạng thái đứng yên hoặc tiếp tục chuyển động thẳng với tốc độ không đổi nếu không chịu tác dụng của hợp lực | |
| 5 Nêu rằng hợp lực có thể làm thay đổi vận tốc của vật bằng cách thay đổi hướng chuyển động hoặc tốc độ của nó | 12 Mô tả, theo定性 (chất), chuyển động trên quỹ đạo tròn do lực vuông góc với chuyển động gây ra như: (a) tốc độ tăng nếu lực tăng, với khối lượng và bán kính không đổi (b) bán kính giảm nếu lực tăng, với khối lượng và tốc độ không đổi (c) khối lượng tăng đòi hỏi lực tăng để giữ tốc độ và bán kính không đổi ($F = \frac{mv^2}{r}$ không yêu cầu) |
| 6 Mô tả lực ma sát cứng là lực giữa hai bề mặt có thể cản trở chuyển động và sinh nhiệt | |
| 7 Biết rằng ma sát (lực cản) tác dụng lên vật đang chuyển động qua chất lỏng | |
| 8 Biết rằng ma sát (lực cản) tác dụng lên vật đang chuyển động qua khí (ví dụ: lực cản không khí) |
1.5.2 Tác dụng quay của lực
| Cốt lõi | Bổ sung |
|---|---|
| 1 Mô tả mô-men của lực là thước đo tác dụng quay của nó và đưa ra ví dụ trong đời sống hàng ngày | |
| 2 Định nghĩa mô-men của lực là $\text{moment} = \text{force} \times \text{perpendicular distance from the pivot}$; nhớ và sử dụng phương trình này | |
| 3 Áp dụng nguyên lý mô-men cho các tình huống có một lực ở mỗi bên bản lề, bao gồm cả việc cân bằng thanh | 5 Áp dụng nguyên lý mô-men cho các tình huống khác, bao gồm cả những tình huống có hơn một lực ở mỗi bên bản lề |
| 4 Nêu rằng, khi không có hợp lực và không có hợp mô-men, một vật đang ở trạng thái cân bằng | 6 Mô tả thí nghiệm để chứng minh rằng không có hợp mô-men tác dụng lên vật đang ở trạng thái cân bằng |
1.5.3 Trọng tâm
| Cốt lõi | Bổ sung |
|---|---|
| 1 Nêu ý nghĩa của trọng tâm | |
| 2 Mô tả thí nghiệm để xác định vị trí trọng tâm của một tấm phẳng có hình dạng không đều | |
| 3 Mô tả, theo定性 (chất), ảnh hưởng của vị trí trọng tâm lên sự ổn định của các vật đơn giản |
Nguồn: Chương trình Cambridge International
Lực là một sự đẩy hoặc kéo. Một lực có thể làm thay đổi hình dạng, tốc độ hoặc hướng chuyển động của một vật.
Kéo dãn (Định luật Hooke)
Khi bạn treo một tải trọng lên lò xo, nó sẽ bị kéo dãn. Độ dài tăng thêm này được gọi là độ giãn.
Trên biểu đồ tải trọng – độ giãn, đường thẳng ban đầu: độ giãn tỉ lệ thuận với tải trọng. Điểm mà đường thẳng ngừng trở thành tuyến tính là giới hạn tỉ lệ thuận.
Thí nghiệm. Treo lò xo từ kẹp giữ và đặt thước kẻ bên cạnh. Đọc vị trí đáy lò xo khi không có tải trọng: đây là chiều dài ban đầu. Thêm các tải trọng từng cái một (ví dụ mỗi cái 1 N) và ghi lại chiều dài mới mỗi lần. Độ dãn bằng chiều dài mới trừ đi chiều dài ban đầu. Vẽ đồ thị lực theo trục tung và độ dãn theo trục hoành.
Hằng số lò xo là lực trên một đơn vị độ dãn:
$$k = \frac{F}{x}$$
Một hằng số $k$ lớn có nghĩa là lò xo cứng.
Lực hợp quy luật Newton
Cộng các lực cùng phương để tìm lực hợp quy (lực theo một chiều mang giá trị dương, ngược lại mang giá trị âm).
- Nếu lực hợp quy bằng không, vật ở yên hoặc tiếp tục chuyển động thẳng đều. (Quy luật I Newton.)
- Nếu lực合 quy khác không, vật gia tốc theo hướng của lực:
$$F = ma$$
Ví dụ minh họa. Một xe ô tô khối lượng $1200\ \text{kg}$ chịu lực kéo $3000\ \text{N}$ và lực ma sát $600\ \text{N}$. Tính gia tốc của nó.
Trước hết tính lực hợp quy: $3000 - 600 = 2400\ \text{N}$. Sau đó
$$a = \frac{F}{m} = \frac{2400}{1200} = 2.0\ \text{m/s}^2$$
Chuyển động tròn
Một lực hợp quy vuông góc với chuyển động không làm thay đổi vận tốc. Nó chỉ làm thay đổi hướng, nên vật chuyển động tròn đều. Đây là chuyển động tròn. Lực luôn hướng vào tâm của vòng tròn: lực căng dây của quả bóng quay, hay lực hấp dẫn của Mặt Trời tác dụng lên hành tinh.
Đối với vật chuyển động trong một vòng tròn:
- Cần một lực lớn hơn để giữ cùng khối lượng chuyển động với vận tốc cao hơn trong cùng bán kính;
- Một lực lớn hơn khiến cùng khối lượng ở cùng vận tốc di chuyển trong vòng tròn nhỏ hơn (bán kính nhỏ hơn);
- Khối lượng lớn hơn cần một lực lớn hơn để duy trì cùng vận tốc và cùng bán kính.
Ma sát
Ma sát là lực giữa hai bề mặt tiếp xúc. Nó cố ngăn cản chuyển động và làm nóng vật. Lực cản (ma sát trong chất lỏng hoặc khí, như lực cản không khí) cũng làm chậm vật lại.
Momen lực — hiệu ứng quay
Momen lực của một lực là hiệu ứng quay của nó quanh một trục quay.
$$\text{moment} = \text{force} \times \text{perpendicular distance from the pivot}$$
Đơn vị đo là newton mét (N m).
Nguyên lý momen: khi vật cân bằng (ở trạng thái cân bằng),
$$\text{total clockwise moment} = \text{total anticlockwise moment}$$
Vật cân bằng khi không có lực hợp quy và không có momen hợp quy.
Ví dụ minh họa. Một vật nặng $30\ \text{N}$ đặt cách $0.20\ \text{m}$ về phía trái của trục quay. Để cân bằng dầm, vật nặng $20\ \text{N}$ phải đặt cách bao xa về phía phải?
Cân bằng, nên momen ngược chiều kim đồng hồ $=$ momen đồng hồ:
$$30 \times 0.20 = 20 \times d \quad\Rightarrow\quad d = \frac{6.0}{20} = 0.30\ \text{m}$$
Kiểm tra nguyên lý bằng thí nghiệm. Cân bằng thước mét tại trung tâm trên một trục quay. Treo một vật nặng đã biết khối lượng vào mỗi bên và di chuyển chúng cho đến khi thước cân bằng trở lại. Đo khoảng cách từ trục quay. Lực × khoảng cách bên trái bằng lực × khoảng cách bên phải, trong phạm vi sai số đo lường nhỏ, do đó không có momen hợp quy trên vật cân bằng.
Centre of gravity
Tâm trọng lượng là điểm duy nhất mà toàn bộ trọng lượng của vật dường như tác dụng.
Đối với hình phẳng (tấm mỏng), treo nó từ một đinh ghim và để nó ổn định; vẽ đường thẳng đứng từ đinh ghim xuống bằng dây dọi. Lặp lại từ một điểm khác. Tâm trọng lượng nằm ở nơi các đường thẳng cắt nhau.
Độ ổn định của vật phụ thuộc vào vị trí tâm trọng lượng. Vật càng ổn định khi tâm trọng lượng thấp và mặt đế rộng. Vật bị nghiêng đổ khi đường thẳng đứng từ tâm trọng lượng đi ra ngoài mặt đế.
Khám phá
Lực & Các định luật Newton
F = ma (hợp lực)
Hợp lực tạo ra gia tốc; các lực cân bằng ⇒ không có gia tốc.
Từ vựng
Luyện tập
| English | Tiếng Việt |
|---|---|
| force/fɔːs/ | lực |
| weight/weɪt/ | trọng lực |
| moment/ˈməʊmənt/ | thời điểm |
| pivot/ˈpɪvət/ | bản lù |
| principle of moments/ˈprɪnsɪpl ɒv ˈməʊmənts/ | mô-men |
| equilibrium/ˌiːkwɪˈlɪbrɪəm/ | cân bằng |
| centre of gravity/ˈsentə ɒv ˈɡrævɪti/ | trọng tâm |
| lamina/ˈlæmɪnə/ | phiên bản |
| stability/stəˈbɪlɪti/ | sự bền vững |
| stable/ˈsteɪbl/ | ổn định |
1.6
Động lượng
Chương trình
| Cốt lõi | Bổ sung |
|---|---|
| 1 Định nghĩa động lượng là khối lượng $\times$ vận tốc; nhớ và sử dụng phương trình $p = mv$ | |
| 2 Định nghĩa xung lực là lực $\times$ thời gian mà lực tác dụng; nhớ và sử dụng phương trình $\text{impulse} = F\Delta t = \Delta(mv)$ | |
| 3 Áp dụng nguyên lý bảo toàn động lượng để giải các bài toán đơn giản trong một chiều | |
| 4 Định nghĩa lực tổng hợp là độ biến thiên động lượng theo đơn vị thời gian; nhớ và sử dụng phương trình $F = \frac{\Delta p}{\Delta t}$ |
Nguồn: Chương trình Cambridge International
Động lượng là tích của khối lượng và vận tốc. Đó là đại lượng vector.
$$p = mv$$
Xung lượng là lực nhân với thời gian tác dụng, và nó bằng độ biến thiên động lượng:
$$\text{impulse} = F\,\Delta t = \Delta(mv)$$
Vậy lực hợp quy chính là độ biến thiên động lượng trên một đơn vị thời gian:
$$F = \frac{\Delta p}{\Delta t}$$
Bảo toàn động lượng: khi các vật va chạm và không có ngoại lực tác dụng, tổng động lượng trước bằng tổng động lượng sau.
$$m_1 u_1 + m_2 u_2 = m_1 v_1 + m_2 v_2$$
(Ở đây $u$ là vận tốc trước và $v$ là vận tốc sau.)
Ví dụ minh họa. Một xe đẩy khối lượng $2.0\ \text{kg}$ chuyển động với vận tốc $3.0\ \text{m/s}$ va chạm vào xe đẩy đứng yên khối lượng $1.0\ \text{kg}$ và chúng dính vào nhau. Tìm vận tốc chung của chúng sau va chạm.
Tổng động lượng được bảo toàn, nên
$$(2.0 \times 3.0) + (1.0 \times 0) = (2.0 + 1.0)\,v \quad\Rightarrow\quad v = \frac{6.0}{3.0} = 2.0\ \text{m/s}$$
Khám phá
Động lượng trong va chạm
Thiết lập khối lượng và vận tốc và va chạm chúng. Tổng động lượng được bảo toàn.
Từ vựng
Luyện tập
| English | Tiếng Việt |
|---|---|
| momentum/məʊˈmentəm/ | động lượng |
| electric field strength/ɪˈlektrɪk fiːld streŋθ/ | cường độ điện trường |
| gravitational field strength/ˌɡrævɪˈteɪʃənl fiːld streŋθ/ | cường độ trường hấp dẫn |
| resultant/rɪˈzʌltənt/ | hợp lực |
| motion/ˈməʊʃn/ | chuyển động |
| impulse/ˈɪmpʌls/ | xung điện |
| conservation of momentum/ˌkɒnsəˈveɪʃn ɒv məʊˈmentəm/ | bảo toàn động lượng |
| stored/stɔːd/ | được lưu trữ |
| kinetic/kɪˈnetɪk/ | động |
| gravitational potential/ˌɡrævɪˈteɪʃənl pəˈtenʃl/ | thế năng hấp dẫn |
| chemical/ˈkemɪkl/ | hóa học |
| elastic (strain)/ɪˈlæstɪk/ | đàn hồi (biến dạng) |
| nuclear/ˈnjuːklɪə/ | hạt nhân |
| electrostatic/ɪˌlektrəʊˈstætɪk/ | tĩnh điện |
| internal (thermal)/ɪnˈtɜːnl/ | bên trong (nhiệt) |
| transferred/trænsˈfɜːd/ | thay đổi |
| principle of conservation of energy/ˈprɪnsɪpl ɒv ˌkɒnsəˈveɪʃn ɒv ˈenədʒi/ | nguyên lý bảo toàn năng lượng |
| Sankey diagram/ˈsæŋki ˈdaɪəɡræm/ | biểu đồ Sankey |
| wasted/ˈweɪstɪd/ | lãng phí |
| work done/wɜːk dʌn/ | công thực hiện |
1.7
Năng lượng, công và công suất
Chương trình
1.7.1 Năng lượng
| Cốt lõi | Bổ sung |
|---|---|
| 1 Nêu rằng năng lượng có thể được lưu trữ dưới dạng động năng, thế năng trọng trường, hóa năng, đàn hồi (biến dạng), nhân, tĩnh điện và nội năng (nhiệt) | |
| 2 Mô tả cách năng lượng được chuyển giao giữa các kho dự trữ trong các sự kiện và quá trình, bao gồm ví dụ về sự chuyển giao bởi lực (công cơ học), dòng điện (công điện), gia nhiệt, và bởi sóng điện từ, sóng âm và các loại sóng khác | |
| 4 Nhớ và sử dụng phương trình tính động năng $E_k = \frac{1}{2}mv^2$ | |
| 5 Nhớ và sử dụng phương trình tính độ biến thiên thế năng trọng trường $\Delta E_p = mg\Delta h$ | |
| 3 Biết nguyên lý bảo toàn năng lượng và áp dụng nguyên lý này vào các ví dụ đơn giản, bao gồm việc diễn giải sơ đồ dòng chảy đơn giản | 6 Biết nguyên lý bảo toàn năng lượng và áp dụng nguyên lý này vào các ví dụ phức tạp liên quan đến nhiều giai đoạn, bao gồm việc diễn giải sơ đồ Sankey |
1.7.2 Công
| Cốt lõi | Bổ sung |
|---|---|
| 1 Hiểu rằng công cơ học hoặc công điện bằng với năng lượng được truyền tải | |
| 2 Nhớ và sử dụng phương trình tính công cơ học $W = Fd = \Delta E$ |
1.7.3 Nguồn năng lượng
| Cốt lõi | Bổ sung |
|---|---|
| 1 Mô tả cách thu được năng lượng hữu ích hoặc tạo ra điện năng từ: (a) hóa năng được lưu trữ trong nhiên liệu hóa thạch (b) hóa năng được lưu trữ trong sinh nhiên liệu (c) nước, bao gồm năng lượng được lưu trữ trong sóng, thủy triều và nước sau đập thủy điện (d) tài nguyên địa nhiệt (e) nhiên liệu hạt nhân (f) ánh sáng từ Mặt Trời để tạo ra điện năng (pin mặt trời) (g) tia hồng ngoại và các sóng điện từ khác từ Mặt Trời để làm nóng nước (tấm pin năng lượng mặt trời) và là nguồn năng lượng gió, bao gồm tham chiếu đến lò hơi, tua-bin và máy phát điện khi chúng được sử dụng | 4 Biết rằng bức xạ từ Mặt Trời là nguồn năng lượng chính cho tất cả các nguồn năng lượng của chúng ta trừ địa nhiệt, hạt nhân và thủy triều |
| 2 Mô tả ưu điểm và nhược điểm của mỗi phương pháp dựa trên khả năng tái tạo, sự sẵn có, độ tin cậy, quy mô và tác động môi trường | 5 Biết rằng năng lượng được giải phóng bởi phản ứng tổng hợp hạt nhân trong Mặt Trời |
| 6 Biết rằng nghiên cứu đang được thực hiện để tìm hiểu cách năng lượng giải phóng bởi phản ứng tổng hợp hạt nhân có thể được sử dụng để sản xuất điện năng trên quy mô lớn | |
| 3 Hiểu, định tính, khái niệm hiệu suất của quá trình truyền tải năng lượng | 7 Định nghĩa hiệu suất là: (a) $(\%) \text{ efficiency} = \frac{\text{(useful energy output)}}{\text{(total energy input)}} (\times 100\%)$ (b) $(\%) \text{ efficiency} = \frac{\text{(useful power output)}}{\text{(total power input)}} (\times 100\%)$ nhớ và sử dụng các phương trình này |
1.7.4 Công suất
| Cốt lõi | Bổ sung |
|---|---|
| 1 Định nghĩa công suất là công thực hiện được trên một đơn vị thời gian và cũng là năng lượng truyền tải trên một đơn vị thời gian; nhớ lại và sử dụng các phương trình (a) $P = \frac{W}{t}$ (b) $P = \frac{\Delta E}{t}$ |
Nguồn: Chương trình Cambridge International
Kho năng lượng
Năng lượng có thể được lưu trữ theo nhiều cách: động năng, thế năng trọng trường, hóa học, đàn hồi (biến dạng), hạt nhân, tĩnh điện và nội năng (nhiệt).
Năng lượng được chuyển giao giữa các kho thông qua lực (công cơ học), dòng điện, truyền nhiệt và sóng (như ánh sáng và âm thanh).
Động năng và thế năng
Động năng là năng lượng của một vật đang chuyển động:
$$E_k = \frac{1}{2}mv^2$$
Biến thiên thế năng trọng trường khi vật nâng lên hoặc hạ xuống một độ cao $\Delta h$:
$$\Delta E_p = mg\,\Delta h$$
Định luật bảo toàn năng lượng
Nguyên lý bảo toàn năng lượng nói rằng năng lượng không tự sinh ra hay mất đi; nó chỉ di chuyển giữa các kho. Một vật rơi chuyển thế năng trọng trường thành động năng. Sơ đồ Sankey cho thấy cách năng lượng đầu vào phân chia thành năng lượng hữu ích và năng lượng hư hao.
Ví dụ có hướng dẫn. Một quả bóng $0.50\ \text{kg}$ bị thả từ độ cao $1.8\ \text{m}$. Bỏ qua lực cản không khí, hãy tính vận tốc của nó ngay trước khi chạm đất. (Lấy $g = 10\ \text{m/s}^2$.)
Toàn bộ thế năng hấp dẫn trở thành động năng, do đó $\tfrac{1}{2}mv^2 = mg\,\Delta h$. Khối lượng triệt tiêu, để lại $v^2 = 2g\,\Delta h$:
$$v = \sqrt{2 \times 10 \times 1.8} = \sqrt{36} = 6.0\ \text{m/s}$$
Vì khối lượng triệt tiêu, mọi vật thể nào được thả từ độ cao này sẽ chạm đất với cùng một vận tốc.
Công
Công thực hiện bằng lượng năng lượng truyền tải. Khi một lực di chuyển một vật:
$$W = Fd = \Delta E$$
Đơn vị của công và năng lượng là joule (J).
Công suất
Công suất là công thực hiện (hoặc năng lượng truyền tải) trên đơn vị thời gian.
$$P = \frac{W}{t} = \frac{\Delta E}{t}$$
Đơn vị là watt (W). $1\ \text{W} = 1\ \text{J/s}$.
Hiệu suất
Hiệu suất cho bạn biết bao nhiêu phần năng lượng đầu vào trở thành năng lượng hữu ích.
$$\text{efficiency} = \frac{\text{useful energy output}}{\text{total energy input}} \times 100\%$$
Hiệu suất luôn nhỏ hơn 100% vì một phần năng lượng luôn bị lãng phí (thường là dưới dạng nhiệt). Ý tưởng tương tự cũng áp dụng với công suất:
$$\text{efficiency} = \frac{\text{useful power output}}{\text{total power input}} \times 100\%$$
Ví dụ có hướng dẫn. Một động cơ nhận $200\ \text{J}$ năng lượng điện và nâng một tải trọng, cung cấp cho nó $150\ \text{J}$ thế năng hấp dẫn. Hãy tìm hiệu suất của nó.
$$\text{efficiency} = \frac{150}{200} \times 100\% = 75\%$$
Nguồn năng lượng
Chúng ta tạo ra điện từ nhiều nguồn năng lượng. Hầu hết đều quay một tuabin để vận hành máy phát điện – thường thông qua việc đun sôi nước để tạo hơi (nhiên liệu hóa thạch, nhiên liệu hạt nhân, địa nhiệt, sinh nhiên liệu), hoặc trực tiếp bằng cách di chuyển nước hoặc không khí (thủy điện, sóng, thủy triều, gió). Pin mặt trời tạo điện trực tiếp từ ánh sáng; tấm pin năng lượng mặt trời dùng để làm nóng nước.
| Nguồn | Tái tạo được? | Ghi chú |
|---|---|---|
| nhiên liệu hóa thạch (than, dầu, khí) | không | ổn định, công suất cao, nhưng tạo CO₂ và ô nhiễm |
| nhiên liệu hạt nhân | không | công suất khổng lồ, không CO₂, nhưng có chất thải phóng xạ |
| sinh nhiên liệu | có | trung hòa carbon nếu được trồng lại |
| thủy điện | có | ổn định, nhưng hồ chứa ngập đất |
| gió | có | sạch, nhưng không liên tục |
| năng lượng mặt trời | có | sạch, nhưng chỉ ban ngày |
| địa nhiệt / thủy triều | có | ổn định nhưng chỉ giới hạn ở một số nơi |
Khi so sánh các nguồn, hãy sử dụng năm yếu tố sau: khả năng tái tạo (liệu nó có cạn kiệt?), sự sẵn có (liệu nó luôn tồn tại? Gió có thể ngừng và Mặt Trời lặn), độ tin cậy (liêu nó có cung cấp công suất ổn định?), quy mô (nó có thể cung cấp bao nhiêu năng lượng?) và tác động môi trường (ô nhiễm, carbon dioxide, đất ngập do hồ chứa).
Hầu hết các nguồn này đều bắt nguồn từ Mặt Trời (nhiên liệu hóa thạch là ánh sáng Mặt Trời cổ xưa được lưu trữ; gió và sóng đến từ sự gia nhiệt của Mặt Trời) – ngoại lệ là năng lượng địa nhiệt, hạt nhân và thủy triều. Bản thân Mặt Trời được cung cấp năng lượng bởi phản ứng tổng hợp hạt nhân, kết hợp các hạt nhân hydro thành heli. Các nhà khoa học đang nghiên cứu cách sử dụng phản ứng tổng hợp trong các nhà máy điện trên Trái Đất, nhưng chưa có lò phản ứng tổng hợp nào sản xuất ra nhiều năng lượng điện hơn mức tiêu thụ.
Khám phá
Dòng chảy năng lượng & hiệu suất
Năng lượng đầu vào chia thành năng lượng hữu ích và năng lượng lãng phí; hiệu suất là tỷ lệ phần hữu ích, và tổng luôn được bảo toàn.
Khám phá
Bảo toàn năng lượng
Rơi vật: Thế năng gravitation chuyển thành Động năng, và tổng không đổi khi không có ma sát.
Từ vựng
Luyện tập
| English | Tiếng Việt |
|---|---|
| pendulum/ˈpendjʊləm/ | con lắc |
| period/ˈpɪərɪəd/ | chu kỳ |
| uncertainty/ʌnˈsɜːtənti/ | sự không chắc chắn |
| scalar quantity/ˈskeɪlə ˈkwɒntɪti/ | đại lượng vô hướng |
| magnitude/ˈmæɡnɪtjuːd/ | độ lớn |
| vector quantity/ˈvektə ˈkwɒntɪti/ | đại lượng hữu hướng |
| energy/ˈenədʒi/ | năng lượng |
| temperature/ˈtemprɪtʃə/ | nhiệt độ |
| joule/dʒuːl/ | joule |
| power/ˈpaʊə/ | công suất |
| watt/wɒt/ | watt |
| efficiency/ɪˈfɪʃənsi/ | đầu ra hữu ích chia cho đầu vào tổng cộng |
| renewability/rɪˌnjuːəˈbɪlɪti/ | tái tạo |
| availability/əˌveɪləˈbɪlɪti/ | sẵn sàng sử dụng |
| reliability/rɪˌlaɪəˈbɪlɪti/ | độ tin cậy |
| scale/skeɪl/ | tỷ lệ |
| environmental impact/enˌvaɪrənˈmentl ˈɪmpækt/ | tác động môi trường |
| nuclear fusion/ˈnjuːklɪə ˈfjuːʒn/ | hợp nhất hạt nhân |
1.8
Áp suất
Chương trình
| Cốt lõi | Bổ sung |
|---|---|
| 1 Định nghĩa áp suất là lực trên đơn vị diện tích; nhớ và sử dụng phương trình $p = \frac{F}{A}$ | |
| 2 Mô tả cách áp suất thay đổi theo lực và diện tích trong bối cảnh các ví dụ hàng ngày | |
| 3 Mô tả, định tính, cách áp suất bên dưới bề mặt chất lỏng thay đổi theo độ sâu và mật độ của chất lỏng | 4 Nhớ và sử dụng phương trình tính độ biến thiên áp suất bên dưới bề mặt chất lỏng $\Delta p = \rho g \Delta h$ |
Nguồn: Chương trình Cambridge International
Áp suất là lực trên mỗi đơn vị diện tích.
$$p = \frac{F}{A}$$
Đơn vị là pascal (Pa). $1\ \text{Pa} = 1\ \text{N/m}^2$.
Diện tích nhỏ tạo ra áp suất lớn (con dao sắc cắt tốt). Diện tích lớn tạo ra áp suất nhỏ (guốc tuyết ngăn bạn chìm).
Áp suất trong chất lỏng
Trong chất lỏng, áp suất tăng theo độ sâu và theo mật độ của chất lỏng:
$$\Delta p = \rho g \,\Delta h$$
Đây là lý do tại sao một con đê được xây dựng dày hơn ở phần đáy, nơi áp suất nước lớn nhất. Áp suất trong chất lỏng tác dụng theo mọi hướng.
Ví dụ minh họa. Tìm áp suất gia tăng tại độ sâu $2.0\ \text{m}$ trong nước (mật độ $1000\ \text{kg/m}^3$, $g = 10\ \text{N/kg}$).
$$\Delta p = \rho g\,\Delta h = 1000 \times 10 \times 2.0 = 20\,000\ \text{Pa}$$
Khám phá
Áp suất
p = ρg·h
Áp suất trong chất lỏng tỷ lệ thuận với độ sâu.
Từ vựng
Luyện tập
| English | Tiếng Việt |
|---|---|
| pressure/ˈpreʃə/ | áp suất |
| pascal/ˈpæskl/ | pascal |
| depth/depθ/ | chiều sâu |
1.8
Mẹo làm bài thi
- Trên biểu đồ quãng đường – thời gian, hệ số góc là tốc độ; trên biểu đồ tốc độ – thời gian, hệ số góc là gia tốc và diện tích dưới đường biểu diễn là quãng đường đã đi. Không bao giờ đọc nhầm một biểu đồ này như biểu đồ kia.
- Khối lượng (kg) là lượng vật chất và giống nhau ở mọi nơi; trọng lượng (N) là lực hấp dẫn, $W = mg$. Trên Mặt Trăng, khối lượng của bạn không thay đổi nhưng trọng lượng nhỏ hơn.
- Tốc độ là đại lượng vô hướng; vận tốc là đại lượng hữu hướng. Một vật chuyển động với tốc độ ổn định quanh một đường cong vẫn đang gia tốc, vì hướng của nó liên tục thay đổi.
- Trong định luật Hooke, tải trọng tỷ lệ thuận với độ dãn chỉ đến giới hạn tỷ lệ. Sử dụng độ dãn (chiều dài kéo dài − chiều dài ban đầu), không bao giờ sử dụng tổng chiều dài.
- Động lượng $p = mv$ được bảo toàn trong va chạm. gán mỗi vận tốc một $+$ hoặc $-$ dấu theo hướng của nó trước khi cộng chúng lại.
- Chuyển đổi đơn vị trước (cm → m, g → kg). Sử dụng $p = F/A$ cho áp suất của một vật rắn ép lên bề mặt, nhưng sử dụng $p = \rho g h$ cho áp suất bên trong chất lỏng — chúng là các công thức khác nhau.
Bài học tương tác về chủ đề này
Làm theo từng bước, kèm theo bài tập kiểm tra ngay lập tức.