Độ biến thiên thời gian - Vật lý 10

a/Định nghĩa:

Vận tốc trung bình là thương số giữa độ dời (độ dịch chuyển) vật di chuyển được và thời gian di chuyển hết độ đời đó.

b/Công thức

$v_{tb}=\frac{∆x}{∆t}=\frac{∆d}{∆t}=\frac{x_2-x_1}{t_2-t_1}$

Chú thích:

$V_{tb}$: vận tốc trung bình của vật (m/s).

$\Delta x$: độ dời của vật (m).

$∆d$: độ dịch chuyển của vật (m)

$\Delta t$: thời gian chuyển động của vật (s).

$x_2, x_1$: tọa độ của vật ở vị trí 1 và 2 (m)

$t_2, t_1$: thời điểm 1 và 2 trong chuyển động của vật (s)

Lưu ý

+ Vận tốc trung bình có thể âm hoặc dương tùy theo cách chọn chiều dương. Khi chọn chiều dương cùng chiều chuyển động vận tốc trung bình mang giá trị dương. Ngược lại, khi chọn chiều dương ngược chiều chuyển động vận tốc trung bình mang giá trị âm.

+ Vận tốc trung bình qua hai tọa độ có độ lớn giống nhau trong mọi hệ quy chiếu.

+ Một vật đi A đến B rồi từ B về A thì vận tốc trung bình trên cả quá trình bằng không dù đi trên đoạn đường với vận tốc khác nhau. Lúc này vận tốc trung bình  không thể hiện được mức độ nhanh chậm của chuyển động.

$v_{tb\left(A\to B\to A\right)}=\frac{x_2-x_1}{t}=\frac{x_A-x_A}{t}=0$

Tốc độ trung bình

a/Định nghĩa:

Tốc độ trung bình là thương số giữa quãng đường vật đi được và thời gian đi hết quãng đường đó.

b/Ý nghĩa : đặc trưng cho mức độ nhanh hay chậm của chuyển động.

c/Công thức

$\overline{v}=\frac{S}{∆t}$

Chú thích:

$\overline{v}$: tốc độ trung bình của vật (m/s).

$S$: quãng đường vật di chuyển (m).

$\Delta t$: thời gian di chuyển (s).

$t_2, t_1$: thời điểm 1 và 2 trong chuyển động của vật (s).

Ứng dụng : đo chuyển động của xe (tốc kế)

Lưu ý : Tốc độ trung bình luôn dương và bằng với độ lớn vận tốc trung bình trong bài toán chuyển động một chiều.

Vận động viên người Na Uy đạt kỉ lục thế giới với bộ môn chạy vượt rào trên quãng đường 400 m trong 43.03 giây ($\overline{v}=8.7 m/s$) tại Olympic Tokyo 2020.

a/Định nghĩa

Gia tốc được tính bằng tỉ số giữa độ biến thiên vận tốc của vật và thời gian diễn ra. Nó là một đại lượng vectơ. Một vật có gia tốc chỉ khi tốc độ của nó thay đổi (chạy nhanh dần hay chậm dần) hoặc hướng chuyển động của nó bị thay đổi (thường gặp trong chuyển động tròn). 

+Ý nghĩa  : Đặc trưng cho sự biến đổi vận tốc nhiều hay ít của chuyển động.

b/Công thức

$a=\frac{v_{ }-v_0}{t}$

Chú thích:

$v$: vận tốc lúc sau của vật $(m/s)$

$v_o$: vận tốc lúc đầu của vật $(m/s)$

$t$: thời gian chuyển động của vật $\left(s\right)$

$a$: gia tốc của vật $(m/s^2)$

Đặc điểm

Nếu vật chuyển động theo chiều dương của trục tọa độ thì.

+ Chuyển động nhanh dần a>0.

+ Chuyển động chậm dần a<0.  

Và ngược lại,nếu chuyển đông theo chiều âm của trục tọa độ.

+ Chuyển động nhanh dần a<0.

+ Chuyển động chậm dần a>0.  

Nói cách khác:

Nếu gia tốc cùng chiều vận tốc ($\overrightarrow{a}\nearrow \nearrow \overrightarrow{v}$) thì vật chuyển động nhanh dần đều.

Nếu gia tốc ngược chiều vận tốc ($\overrightarrow{a}\nearrow \swarrow \overrightarrow{v}$) thì vật chuyển động chậm dần đều.

Khái niệm:

Độ biến thiên động lượng của vật trong một khoảng thời gian nào đó bằng xung lượng của tổng các lực tác dụng lên vật trong khoảng thời gian đó.

Độ biến thiên động lượng còn là hiệu số giữa động lượng lúc sau so với động lượng lúc đầu.

Chú thích:

$∆\overrightarrow{p}$: độ biến thiên động lượng của vật $(kg.m/s)$.

$\overrightarrow{p_1}$: động lượng lúc sau của vật $(kg.m/s)$.

$\overrightarrow{p_0}$: động lượng lúc đầu của vật $(kg.m/s)$.

$\overrightarrow{F}.∆t$: xung lượng của lực $F$ tác dụng lên vật trong thời gian $\Delta t$ $(N.s)$

$\overrightarrow{F}$: lực tác dụng $\left(N\right)$.

$\Delta t$: độ biến thiên thời gian - thời gian tương tác $\left(s\right)$.

Chú thích:

$F$: lực tác dụng lên vật $\left(N\right)$.

$∆p$: độ biến thiên động lượng $(kg.m/s)$.

$∆t$: độ biến thiên thời gian $\left(s\right)$.

$\Rightarrow \frac{∆p}{∆t}$: tốc độ biến thiên động lượng.

Cách phát biểu khác của định luật II Newton:

Nếu động lượng của một vật thay đổi, tức là nếu vật có gia tốc, thì phải có lực tổng hợp tác dụng lên nó. Thông thường khối lượng của vật không đổi và do đó tỉ lệ với gia tốc của vật. Đơn giản hơn, ta có thể nói: xung lượng của lực bằng độ biến thiên động lượng của vật.  

Chứng minh công thức:

$\overrightarrow{F}=\frac{∆\overrightarrow{p}}{∆t}=\frac{\overrightarrow{p_2}-\overrightarrow{p_1}}{∆t}=\frac{m.\overrightarrow{v_2}-m.\overrightarrow{v_1}}{∆t}=\frac{m(\overrightarrow{v_2}-\overrightarrow{v_1})}{∆t}=m.\overrightarrow{a}$

Khái niệm: Cường độ dòng điện là đại lượng đặc trưng cho tác dụng mạnh hay yếu của dòng điện. Nó được xác định bằng thương số giữa điện lượng $∆q$ dịch chuyển qua tiết diện thẳng của vật dẫn và khoảng thời gian $∆t$ đó.

Chú thích:

$I$: cường độ dòng điện trung bình trong khoảng thời gian $∆t$ $\left(A\right)$

$∆q$: điện lượng dịch chuyển qua tiết diện thẳng của vật dẫn $\left(C\right)$

$∆t$: thời gian $\left(s\right)$

Cách mắc Ampere kế (dùng để đo cường độ dòng điện trong mạch): mắc nối tiếp sao cho chốt dương nối với cực dương, chốt âm nối với cực âm.

Phát biểu: Suất điện động cảm ứng là suất điện động sinh ra dòng điện cảm ứng trong mạch kín. Độ lớn của suất điện động cảm ứng xuất hiện trong mạch kín tỉ lệ với tốc độ biến thiên từ thông qua mạch kín đó.

Chú thích:

$e_c$: suất điện động cảm ứng trong mạch kín $\left(V\right)$

$∆\Phi$: độ biến thiên từ thông qua mạch $\left(Wb\right)$

$∆t$: khoảng thời gian $\left(s\right)$

Lưu ý:

- Nếu $\Phi$ tăng thì $e_c<0$: chiều của suất điện động cảm ứng (chiều của dòng điện cảm ứng) ngược với chiều của mạch.

- Nếu $\Phi$ giảm thì $e_c>0$: chiều của suất điện động cảm ứng (chiều của dòng điện cảm ứng) là chiều của mạch.

Phát biểu: Độ lớn của suất điện động cảm ứng xuất hiện trong mạch kín tỉ lệ với tốc độ biến thiên từ thông qua mạch kín đó.

Chú thích: 

$e_c$: suất điện động cảm ứng trong mạch kín $\left(V\right)$

$∆\Phi$: độ biến thiên từ thông qua mạch $\left(Wb\right)$

$∆t$: khoảng thời gian $\left(s\right)$

Khi có hiện tượng tự cảm xảy ra trong mạch điện thì suất điện động cảm ứng xuất hiện được gọi là suất điện động tự cảm.

$\mathit{e}\mathbf{=}|-\frac{∆\varphi }{∆t}|\mathbf{=}|-\frac{L.∆i}{∆t}|\mathbf{=}\mathit{L}\mathbf{.}|-\frac{∆i}{∆t}|$

Chú thích

$e_{tc}$: suất điện động tự cảm $\left(V\right)$

$L$: độ tự cảm $\left(H\right)$

$∆I$: độ biến thiên cường độ dòng điện $\left(A\right)$

$∆t$: độ biến thiên thời gian $\left(s\right)$

$\left|\frac{∆i}{∆t}\right|$: tốc độc biên thiên cường độ dòng điện (A/s)

Dấu "-" biểu diễn định luật Lenz.

Ứng dụng

Hiện tượng tự cảm có nhiều ứng dụng trong mạch điện xoay chiều. Cuộn cảm là một phần tử quan trọng trong các mạch điện xoay chiều có mạch dao động và các máy biến áp.

Mở rộng

Năng lượng từ trường của ống dây dẫn có độ tự cảm L và có dòng điện i chạy qua:

$W=\frac{1}{2}L.i^2=\frac{1}{8\pi }.{10}^7.B^2.V \left(J\right)$

Mật độ năng lượng từ trường

$W=\frac{W}{V}=\frac{1}{8\pi }.{10}^7.B^2 (J/m^3)$

Khái niệm:

Vận tốc trung bình là thương số giữa độ dời của chất điểm và độ biến thiên thời gian.

Chú thích:

$v_{tb}$: Vận tốc trung bình của chất điểm $(cm/s, m/s)$

$∆x$: Độ dời của chất điểm $(cm, m)$ $\left(∆x=x_2-x_1\right)$

$∆t$: Thời gian để vật thực hiện độ dời $∆x$ $\left(s\right)$ $\left(∆t=t_2-t_1\right)$

Công thức:

        $∆t=\frac{\alpha }{\omega }$

Với $∆t$ : Khoảng thời gian $\left(s\right)$.

       $\alpha$: Góc quay $\left(rad\right)$

       $\omega$: Tốc độ góc của con lắc lò xo $\left(rad/s\right)$.

$∆t$ max giữa lần liên tiếp khi hai vị trí đối nhau qua biên.

$∆t$ min giữa lần liên tiếp khi hai vị trí đối nhau qua VTCB

Khi ở bài tập liên quan đến các loại năng lượng ta nên chuyển về li độ và tìm.

Khi $∆T>0$ :đồng hồ chạy chậm lại.

Khi $∆T<0$: đồng hồ chạy nhanh lên

Thời gian chạy nhanh hay chậm trong t:

$∆t=t.\left|\begin{array}{c}\frac{∆T}{T_0}\end{array}\right|$

Với $∆t$ : Thời gian đồng hồ chạy nhanh hay chậm trong t $\left(s\right)$

      $t:$ Thời gian $\left(s\right)$

      $∆T$ Độ biến thiên chu kì $\left(s\right)$

      $T_0:$ Chu kì con lắc chạy đúng

Khi đưa từ độ cao $h_1$ lên $h_2$: $∆h=h_2-h_1$

$\frac{∆T}{T_0}=\frac{∆h}{R_{trái đất}}$

$∆t=t\frac{\left|\begin{array}{c}∆h\end{array}\right|}{R_{trái đất}}$

Đưa lên cao: $∆h>0$ , đưa xuống $∆h<0$ .Khi vị trí ban đầu ở  mặt đất $∆h=h$

Khi đưa từ độ sâu $d_1$ lên $d_2$: $∆h=d_2-d_1$

$\frac{∆T}{T_0}=\frac{∆d}{2R_{trái đất}}$

$∆t=t\frac{\left|\begin{array}{c}∆d\end{array}\right|}{2R_{trái đất}}$

Đưa xuống sâu: $∆d>0$ , đưa lên $∆d<0$ .Khi vị trí ban đầu ở  mặt đất $∆d=d$

Khi nhiệt độ thay đổi từ $t_1$ đến $t_2$ : $∆t=t_2-t_1$

      Công thức  $\frac{∆T}{T_0}=\frac{1}{2}\alpha ∆t$

Với $\alpha$ là hệ số nở dài $\left(K^{-1}\right)$

   Khoảng thời gian nhanh, chậm :$∆t=t\frac{∆T}{T_0}$

• Bước 1: Tìm $∆t=t_2-t_1$
• Bước 2: Lập tỉ số: $\frac{∆t}{T}=n+a$ ; ($n\in N ;0\le aT<T)$
• Bước 3: Tìm quãng đường. $S=n.4.A+S_3$
• Bước 4: Tìm $S_3$:

   Để tìm được $S_3$ ta tính như sau:

              - Tại t = $t_1$: x =?

              - Tại t = $t_2$; x =?

   Căn cứ vào vị trí và chiều chuyển động của vật tại t₁ và t₂ để tìm ra S₃ (Dựa vào đường tròn)

• Bước 5: thay S₃ vào S để tìm ra được quãng đường.

* Chú ý: Các trường hợp đặc biệt: 

$\left\{\begin{array}{l}{S}_T=4A\\ S_{\frac{T}{2}}=A\end{array}\right.\Rightarrow \left\{\begin{array}{l}{S}_{nT}=n.4A\\ S_{\frac{nT}{2}}=2.n.A\end{array}\right.$

• Bước 1: Nhận xét xem trong 1 chu kỳ vật đi qua vị trí x là n₀ lần.
• Bước 2: Phân tích $n=n_0\left[\frac{n}{n_0}\right]\pm ∆n$
• Bước 3: Tổng thời gian:$t=T\left[\frac{n}{n_0}\right]\pm ∆t$ (Dựa vào vòng tròn để tính $∆t$)
• $∆t=\frac{∆\alpha °}{360°}.T=\frac{∆\alpha \left(rad\right)}{2\mathrm{\pi }}T$
• $∆\alpha =\frac{∆\alpha °}{360°}.2\pi =\omega ∆t$

Trong 1 chu kì

Số lần vật đi theo chiều âm hoặc chiều dương: 1

Số lần vật đổi chiều trong 1 chu kì  : 2

Số lần vật có cùng giá trị $x,v,F,W_{đ},W_t hoặc v_{max},a_{max}$: 2

Số lần vật có cùng độ lớn $x,v,F,W_{đ},W_t$: 4

Số lần vật đi theo chiều âm hoặc chiều dương: 1

Công thức xác định số lần thỏa điều kiện trong khoảng thời gian :

Khi không lấy chiều

$Xét$ : $t=nT+m\frac{T}{2}+∆t ;\left(∆t<\frac{T}{2}\right)$

Tính $∆t$ =$\omega ∆\alpha$ ,với góc quét là từ vị trí trí đang xét đến vị trí tiếp

số lần $N=2n+m+q$

khi lấy chiều $N=2n+m+q$

Thời gian để vật dao động điều hòa có độ lớn li độ,lực phục hồi, thế năng  không vượt quá u trong 1 chu kì

$$\begin{gathered} x=A\cos \left(\omega t+\phi \right) \\ a=a_{max}\cos \left(\omega t+\phi +\pi \right) \\ F=F_{max}\cos \left(\omega t+\phi +\pi \right) \\ {W}_t=W{\cos }^2\left(\omega t+\phi \right) \end{gathered}$$

Công thức 

$∆t=\frac{4}{\omega }arc\sin \left(\frac{giá trị điều kiện u}{giá trị cục đại}\right)$ dùng cho li độ , lực phục hồi . gia tốc.

$∆t=\frac{4}{2\omega }arc\sin \left(\frac{W_{t_1}}{W}\right)$ dùng cho thế năng 

Khoảng thời gian này được tính khi vật đi từ vị trí có điều kiện bằng u về VTCB.Các khoảng thời gian này đổi xứng nhau qua VTCB.Khi xét thêm chiều ta lấy khoảng thời gian chia cho 2.

Thời gian để vật dao động điều hòa có độ lớn vận tốc, động năng  không vượt quá u trong 1 chu kì

$$\begin{gathered} v=v_{max}\sin \left(\omega t+\phi \right) \\ {W}_{đ}=W{\sin }^2\left(\omega t+\phi \right) \end{gathered}$$

Công thức 

$∆t=\frac{4}{\omega }arc\cos \left(\frac{giá trị điều kiện u}{giá trị cục đại}\right)$ dùng cho vận tốc.

$∆t=\frac{4}{2\omega }arc\cos \left(\frac{W_{{đ}_1}}{W}\right)$ dùng cho động năng 

Khi đó vật đi từ vị trí u đến vị trí biên.Các khoảng thời gian này vật đối xứng qua Biên . Khi xét thêm chiều ta lấy khoảng thời gain đó chia cho 2

Thời gian để vật dao động điều hòa có độ lớn vận tốc, động năng  vượt quá u trong 1 chu kì

$$\begin{gathered} v=v_{max}\sin \left(\omega t+\phi \right) \\ {W}_{đ}=W{\sin }^2\left(\omega t+\phi \right) \end{gathered}$$

Công thức 

$∆t=\frac{4}{\omega }arc\sin \left(\frac{giá trị điều kiện u}{giá trị cục đại}\right)$ dùng cho vận tốc.

$∆t=\frac{4}{2\omega }arc\sin \left(\frac{W_{{đ}_1}}{W}\right)$ dùng cho động năng 

Khi đó vật đi từ vị trí u đến vị trí VTCB.Các khoảng thời gian này vật đối xứng qua VTCB . Khi xét thêm chiều ta lấy khoảng thời gian đó chia cho 2

Tại thời điểm t₁ vật có li độ x₁ và vận tốc v₁

    Đến thời điểm vật có li độ x₂ và vận tốc v₂

Ta có: $x_2=A\cos \left({\phi }_1+\omega ∆t\right)=x_1\cos \left(\omega ∆t\right)+\frac{v_1}{\omega }\sin \left(\omega ∆t\right)$

Với $∆\phi =\omega ∆t$, nên $x_2=x_1\cos \left(2\mathrm{\pi }\frac{∆\mathrm{t}}{\mathrm{T}}\right)+\frac{v_1}{\omega }\sin \left(2\mathrm{\pi }\frac{∆\mathrm{t}}{\mathrm{T}}\right)$

Ta có:  $v_2=-\omega A\sin \left({\phi }_1+\omega ∆t\right)=-v_1\cos \left(\omega ∆t\right)-\omega x_1\sin \left(\omega ∆t\right)$

    Vậy: $v_2=v_1\cos \left(2\mathrm{\pi }\frac{∆\mathrm{t}}{\mathrm{T}}\right)-\omega x_1\sin \left(2\mathrm{\pi }\frac{∆\mathrm{t}}{\mathrm{T}}\right)$

* Đặc biệt:

 + Sau khoảng thời gian$T$ (hoặc $nT$) vật trở lại vị trí và chiều chuyển động như cũ:$x_1=x_2;v_1=v_2;$                              ; .

 + Sau khoảng thời gian $\left(2n+1\right)\frac{T}{2}$ [hoặc ] vật qua vị trí đối xứng: ; .$x_2=-x_1;v_2=-v_1$

 + Sau khoảng thời gian $\left(2n+1\right)\frac{T}{4}$ [hoặc ] vật qua vị trí đối xứng:

$x_2=\pm \sqrt{A^2-{x_1}^2}$

$v_2=\pm \sqrt{{v_{max}}^2-{v_1}^2}$

Ví dụ từ $\frac{-A}{2} đến \frac{A\sqrt{2}}{2}$ : $∆t=\frac{T}{12}+\frac{T}{8}=\frac{5T}{24}$

1.Thời gian, thời điểm, gốc thời gian:

a/Gốc thời gian : Thời điểm người ta bắt đầu xét có giá trị bằng không.

Ví dụ : Gốc thời gian có thể chọn là lúc bắt đầu chuyển động ; trước và sau chuyển động một khoảng thời gian.

Gốc thời gian có thể chọn theo thời gian thực (thời gian hằng ngày):

Ví dụ : Tàu khởi hành lúc 19h00 : thời gian điểm khởi hành là 19h00 gốc thời gian lúc này là 0h00 .Gỉa sử bạn ở nơi tàu lúc này và đang 18h00 thì thời điểm khởi hành là 1h00 gốc thời gian lúc này là 18h00.

b/ Thời điểm: Giá trị thời gian so với gốc thời gian

                                     thời điểm = khoảng thời gian $\pm$ gốc thời gian

Ví dụ : Xét khoảng thời gian từ 0h đến 5h : ta chọn gốc thời gian là 0 h thì trên đồng hồ chỉ thời điểm 5-0=5 h. Còn khi ta chọn gốc thời gian là 2 h thì trên đồng hồ chỉ thời điểm 5-2=3 h.Đối với chọn gốc thời gian trước 0h00 ví dụ như 21h00 trước đó , thì thời điểm 5h lúc này trở thành thời điểm 3+5=8h theo gốc thời gian mới.

c/ Khoảng thời gian $∆t$ là hiệu của hai thời điểm.Có giá trị lớn hơn không và không phụ thuộc vào việc chọn gốc thời gian.

Lưu ý : cần phân biệt rõ hai khái niệm thời điểm và khoảng thời gian.

2. Gốc tọa độ, tọa độ:

a/Gốc tọa độ : Vị trí có tọa độ bằng không.

b/Tọa độ của vật : giá trị của hình chiếu của vật lên các trục tọa độ.

Trong hệ tọa độ một chiều

+ Vật nằm về phía chiều dương mang giá trị dương.

+ Vật nằm về phía chiều âm mang giá trị âm.

3.Hệ quy chiếu là thuật ngữ để chỉ vật mốc và hệ tọa độ gắn với vật mốc dùng để xác định vị trí của vật chuyển động cùng với gốc thời gian và đồng hồ để đo thời gian.

Với ${\alpha }_2=\left(\widehat{\overrightarrow{n\text{'}};\overrightarrow{B}}\right)$ góc lệch với cảm ứng từ lúc sau.

      ${\alpha }_1=\left(\widehat{\overrightarrow{n};\overrightarrow{B}}\right)$ góc lệch với cảm ứng từ lúc đầu

 $∆t$ thời gian quay khung.

Khi thả viên đá rơi xuống giếng (hoặc hang động). Viên đá sẽ rơi tự do xuống giếng sau đó va đập vào đáy giếng và tạp ra âm thanh truyền lên miệng giếng. Ta có hệ phương trình sau:

$$\begin{gathered} \left(1\right) \left\{\begin{array}{l}{t}_1=\sqrt{\frac{2.h}{g}}\\ t_2=\frac{h}{v_{âm thanh}}\end{array}\right. \\ Mà \Delta t=t_1+t_2 \left(2\right) \end{gathered}$$

Thế (1) vào (2) Từ đây ta có $\sqrt{\frac{2h}{g}}+\frac{h}{v_{âm thanh}}=\Delta t$

Chú thích:

$∆t$: thời gian từ lúc thả rơi viên đá đến khi nghe được âm thanh vọng lên $\left(s\right)$.

$t_1:$ thời gian viên đá rơi tự do từ miệng giếng xuống đáy giếng $\left(s\right)$.

$t_2$: thời gian tiếng đọng di chuyển từ dưới đáy lên miệng giếng $\left(s\right)$.

$v_{âm thanh}$: vận tốc truyền âm trong không khí $(320 ~ 340 m/s)$.

$g$: gia tốc trọng trường $(m/s^2)$

$h$: độ sâu của giếng hoặc hang động $\left(m\right)$