Bài giảng môn học vật lý đại cương A2

Bài giảng môn học: Vật lý đại cương A2 Tác giả: 1. GV. Th. s Nguyễn Phƣớc Thể 2. Th. s. Lê Văn Khoa Bảo 0 TRƢỜNG ĐẠI HỌC DUY TÂN KHOA – KHOA HỌC TỰ NHIÊN BỘ MÔN - VẬT LÝ BÀI GIẢNG MÔN HỌC VẬT LÝ ĐẠI CƯƠNG A2 Dùng cho sinh viên hệ đại học các nghành kỹ thuật Bài giảng môn học: Vật lý đại cương A2 Tác giả: 1. GV. Th. s Nguyễn Phƣớc Thể 2. Th. s. Lê Văn Khoa Bảo 1 GIỚI THIỆU Vật lý học là môn học nghiên cứu về tất cả các dạng vận động của vật chất từ vĩ mô đến vi mô. Những thành tựu vật lý học ngày hôm nay chúng ta sử dụng và đang hiểu đƣợc đƣợc là sản phẩm tƣ duy của loài ngƣời và cả các nhà bác học lớn. Chƣơng trình vật lý đại cƣơng có mục tiêu truyền đạt đến cho các bạn sinh viên chúng ta một cách nhìn tổng quát nhất về các dạng vận động của vật chất, các hiện tƣợng, các lý thuyết vật lý mà đó là cơ sở trong việc nắm bắt đƣợc sự vận động của vật chất. Song song với đó thì chƣơng trình này cũng là cơ sở cho hoạt động nghiên cứu khoa học và ứng dụng trong khoa học, kỹ thuật và đời sống. Ta biết rằng, trong phần vật lý đại cƣơng A1, đối tƣợng nghiên cứu là những vấn đề cơ bản về cơ học và nhiệt học. Trong phần vật lý đại cƣơng A2 chúng ta sẽ tìm hiểu thêm về dao động, trƣờng tĩnh điện, từ trƣờng, quang sóng, quang lƣợng tử và cơ học lƣợng tử. Tuy nhiên, việc biên soạn nội dung bài giảng này nằm trong đề cƣơng và thời gian đƣợc phân bố cho môn học nên không thể chuyển tải hết tất cả các vấn đề của vật lý học mà là những vấn đề tổng quan nhất cho từng đối tƣợng đƣợc nghiên cứu. Trên cơ sở tập bài giảng này các bạn sinh viên tìm đọc thêm các tài liệu tham khảo, các giáo trình vật lý của các tác giả khác trong và ngoài nƣớc để có thêm nhiều thông tin mới phục vụ cho công tác học tập và nghiên cứu của mình. Tập bài giảng này do 2 tác giả biên soạn vào niên khóa 2007 - 2008:(1) Ths. Nguyễn Phƣớc Thể; (2) Ths. Lê Văn Khoa Bảo. Đây là tập bài giảng lần đầu tiên đƣợc cung cấp cho sinh viên tại trƣờng Đại Học Duy Tân sử dụng. Lần này chúng tôi chỉnh sửa lại một số lỗi và bổ sung thêm một số bài tập mới để sinh viên rèn luyện. Tuy nhiên tập tài liệu không thể tránh khỏi những thiếu sót mong quý đồng nghiệp, các đọc giả và các bạn sinh viên góp ý để đƣợc hoàn thiện hơn. Bài giảng môn học: Vật lý đại cương A2 Tác giả: 1. GV. Th. s Nguyễn Phƣớc Thể 2. Th. s. Lê Văn Khoa Bảo 2 MỤC LỤC CHƢƠNG 1: TRƢỜNG TĨNH ĐIỆN ....................................................................7 I. MỤC ĐÍCH - YÊU CẦU ....................................................................... 7 II. NỘI DUNG ............................................................................................ 7 §1. TƢƠNG TÁC ĐIỆN - ĐỊNH LUẬT COULOMB ........................................... 7 1. Tƣơng tác điện ................................................................................................... 7 2. Thuyết điện tử - Định luật bảo toàn điện tích ..................................................... 7 3. Định luật Coulomb ............................................................................................. 8 4. Nguyên lý chồng chất các lực điện ..................................................................... 9 §2. ĐIỆN TRƢỜNG .............................................................................................11 1. Khái niệm điện trƣờng ......................................................................................11 2. Vectơ cƣờng độ điện trƣờng ..............................................................................11 3. Vectơ cƣờng độ điện trƣờng gây ra bởi một điện tích điểm ...............................12 4. Véctơ cƣờng độ điện trƣờng gây ra bởi một hệ vật mang điện - Nguyên lý chồng chất điện trƣờng ....................................................................................................13 §3. ĐIỆN THÔNG ................................................................................................16 1. Đƣờng sức điện trƣờng .....................................................................................16 2. Véctơ cảm ứng điện ..........................................................................................17 3. Điện thông ........................................................................................................18 §5. ĐỊNH LÝ ÔXTRÔGRATXKI - GAUSS (O - G)............................................20 1. Thiết lập định lý ................................................................................................20 2. Phát biểu định lý ...............................................................................................21 3. Ứng dụng định lý O-G ......................................................................................21 4. Dạng vi phân của định lý O – G ........................................................................23 §6. CÔNG CỦA LỰC TĨNH ĐIỆN - ĐIỆN THẾ .................................................24 1. Công của lực tĩnh điện ......................................................................................24 2. Thế năng của điện tích trong điện trƣờng ..........................................................25 3. Điện thế – Hiệu điện thế....................................................................................26 CÂU HỎI LÝ THUYẾT .......................................................................................28 BÀI TẬP...............................................................................................................29 Bài giảng môn học: Vật lý đại cương A2 Tác giả: 1. GV. Th. s Nguyễn Phƣớc Thể 2. Th. s. Lê Văn Khoa Bảo 3 CHƢƠNG 2: .....................................TỪ TRƢỜNG ............................................35 I. MỤC ĐÍCH - YÊU CẦU...................................................................................35 II. NỘI DUNG ......................................................................................................36 §1. TƢƠNG TÁC TỪ CỦA DÕNG ĐIỆN - ĐỊNH LUẬT AMPÈRE ..................36 1. Thí nghiệm về tƣơng tác từ ...............................................................................36 2. Định luật Ampe (Ampère) về tƣơng tác giữa hai dòng điện ..............................37 §2. VECTƠ CẢM ỨNG TỪ, VECTƠ CƢỜNG ĐỘ TỪ TRƢỜNG .....................39 1. Khái niệm từ trƣờng ..........................................................................................39 2. Các đại lƣợng đặc trƣng cho từ trƣờng ..............................................................39 3. Xác định vectơ cảm ứng từ và vectơ cƣờng độ từ trƣờng ..................................41 §3. TỪ THÔNG - ĐỊNH LÝ ÔXTRÔGRATSKI- GAUSS ĐỐI VỚI TỪ TRƢỜNG .............................................................................................................44 1. Đƣờng cảm ứng từ ............................................................................................44 2. Từ thông ...........................................................................................................46 3. Định lý Oxtrogratxki - Gauss đối với từ trƣờng.................................................47 §4. ĐỊNH LÝ AMPÈRE VỀ DÕNG ĐIỆN TOÀN PHẦN ...................................48 1. Lƣu số của vectơ cƣờng độ từ trƣờng ................................................................48 2. Định lý Ampère về dòng điện toàn phần ...........................................................49 3. Ứng dụng định lý Ampère .................................................................................52 §5. TÁC DỤNG CỦA TỪ TRƢỜNG LÊN DÕNG ĐIỆN ....................................54 1. Lực Ampère ......................................................................................................54 2. Tƣơng tác giữa hai dòng điện thẳng song song dài vô hạn ................................54 3. Tác dụng của từ trƣờng đều lên mạch điện kín ..................................................55 4. Công của lực từ .................................................................................................56 §6 TÁC DỤNG CỦA TỪ TRƢỜNG LÊN HẠT ĐIỆN CHUYỂN ĐỘNG ...........57 1. Lực Lorentz ......................................................................................................57 2. Chuyển động của hạt điện trong từ trƣờng đều ..................................................58 CÂU HỎI LÝ THUYẾT .......................................................................................60 BÀI TẬP...............................................................................................................61 CHƢƠNG 3:.......................................DAO ĐỘNG .............................................. 67 I. MỤC ĐÍCH - YÊU CẦU...................................................................................68 II. NỘI DUNG ......................................................................................................68 §1. DAO ĐỘNG CƠ ĐIỀU HÕA ........................................................................68 1. Hiện tƣợng .......................................................................................................68 2. Phƣơng trình dao động điều hòa .......................................................................69 3. Khảo sát dao động điều hòa .............................................................................70 4. Năng lƣợng dao động điều hòa.........................................................................71 § 2. DAO ĐỘNG CƠ TẮT DẦN .........................................................................72 1. Hiện tƣợng .......................................................................................................72 Bài giảng môn học: Vật lý đại cương A2 Tác giả: 1. GV. Th. s Nguyễn Phƣớc Thể 2. Th. s. Lê Văn Khoa Bảo 4 2. Phƣơng trình dao động tắt dần .........................................................................72 3. Khảo sát dao động tắt dần ................................................................................73 §3. DAO ĐỘNG CƠ CƢỠNG BỨC....................................................................74 1. Hiện tƣợng .......................................................................................................74 2. Phƣơng trình dao động cƣỡng bức.................................................................. 74 §4. DAO ĐỘNG ĐIỆN TỪ ĐIỀU HÕA ..............................................................76 1. Mạch dao động điện từ LC ................................................................................76 2. Thiết lập phƣơng trình dao động điện từ điều hòa .............................................77 §5. DAO ĐỘNG ĐIỆN TỪ TẮT DẦN.................................................................78 1. Mạch dao động điện từ RLC .............................................................................78 2. Phƣơng trình dao động điện từ tắt dần...............................................................78 §6 DAO ĐỘNG ĐIỆN TỪ CƢỠNG BỨC ......................................................80 1. Hiện tƣợng ........................................................................................................80 2. Phƣơng trình dao động điện từ cƣỡng bức ........................................................80 §7 . TỔNG HỢP DAO ĐỘNG .............................................................................81 1. Biểu diễn dao động điều hòa bằng vectơ quay..................................................82 2. Tổng hợp hai dao động điều hòa cùng phƣơng cùng tần số ...............................82 CÂU HỎI LÝ THUYẾT .......................................................................................83 BÀI TẬP...............................................................................................................83 CHƢƠNG 4:......................THUYẾT TƢƠNG ĐỐI HẸP EINSTEIN .................. 89 I. MỤC ĐÍCH - YÊU CẦU...................................................................................89 II. NỘI DUNG ......................................................................................................89 §1. CÁC TIÊN ĐỀ EINSTEIN .............................................................................89 1. Nguyên lí tƣơng đối ..........................................................................................89 2. Nguyên lí về sự bất biến của vận tốc ánh sáng ..................................................90 §2. ĐỘNG HỌC TƢƠNG ĐỐI TÍNH – PHÉP BIẾN ĐỔI LORENTZ ................90 1. Sự mâu thuẫn của phép biến đổi Galileo với thuyết tƣơng đối Einstein .............90 2. Phép biến đổi Lorentz .......................................................................................91 §3. CÁC HỆ QUẢ CỦA PHÉP BIẾN ĐỔI LORENTZ ........................................92 1. Khái niệm về tính đồng thời và quan hệ nhân quả .............................................93 2. Sự co lại của độ dài (sự co ngắn Lorentz)..........................................................93 3. Sự giãn của thời gian.........................................................................................94 4. Phép biến đổi vận tốc ........................................................................................95 § 4. ĐỘNG LỰC HỌC TƢƠNG ĐỐI ...................................................................96 1. Phƣơng trình cơ bản của chuyển động chất điểm ..............................................96 2. Động lƣợng và năng lƣợng ................................................................................97 3. Các hệ quả ........................................................................................................98 CÂU HỎI LÍ THUYẾT ........................................................................................99 BÀI TẬP...............................................................................................................99 Bài giảng môn học: Vật lý đại cương A2 Tác giả: 1. GV. Th. s Nguyễn Phƣớc Thể 2. Th. s. Lê Văn Khoa Bảo 5 CHƢƠNG 5:.......... GIAO THOA ÁNH SÁNG - NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG ....... 102 I. MỤC ĐÍCH - YÊU CẦU................................................................................. 102 II. NỘI DUNG .................................................................................................... 103 §1. CƠ SỞ CỦA QUANG HỌC SÓNG ............................................................. 103 1. Một số khái niệm cơ bản về sóng .................................................................... 103 2. Thuyết điện từ về ánh sáng của Maxwell ........................................................ 104 3. Quang lộ ......................................................................................................... 104 4. Định lí Malus về quang lộ ............................................................................... 104 5. Hàm sóng ánh sáng ......................................................................................... 105 6. Cƣờng độ sáng ................................................................................................................ 105 7. Nguyên lí chồng chất các sóng ........................................................................ 105 8. Nguyên lí Huygens ......................................................................................... 106 §2. GIAO THOA ÁNH SÁNG ........................................................................... 106 1. Định nghĩa ...................................................................................................... 106 2. Khảo sát hiện tƣợng giao thoa ......................................................................... 107 §3. GIAO THOA DO PHẢN XẠ - THÍ NGHIỆM Loyd .................................... 109 §4. ỨNG DỤNG HIỆN TƢỢNG GIAO THOA ................................................. 110 1. Khử phản xạ các mặt kính ............................................................................... 110 2. Giao thoa kế Rayleigh (Rêlây) ........................................................................ 111 3. Giao thoa kế Michelson (Maikenxơn) ............................................................. 111 CÂU HỎI LÍ THUYẾT ...................................................................................... 112 BÀI TẬP............................................................................................................. 113 §5. HIỆN TƢỢNG NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG ..................................................... 114 1. Hiện tƣợng nhiễu xạ ánh sáng ......................................................................... 114 2. Nguyên lí Huygens - Fresnel ........................................................................... 114 §6. NHIỄU XẠ ÁNH SÁNG CỦA SÓNG PHẲNG ........................................... 115 1. Nhiễu xạ của sóng phẳng qua một khe hẹp ...................................................... 115 2. Nhiễu xạ của sóng phẳng truyền qua cách tử phẳng ........................................ 117 3. Nhiễu xạ trên tinh thể ...................................................................................... 118 CÂU HỎI LÍ THUYẾT ...................................................................................... 119 BÀI TẬP............................................................................................................. 119 CHƢƠNG 6: QUANG HỌC LƢỢNG TỬ ........................................................ 124 I. MỤC ĐÍCH - YÊU CẦU................................................................................. 124 II. NỘI DUNG .................................................................................................... 124 §1. BỨC XẠ NHIỆT .......................................................................................... 124 1. Bức xạ nhiệt là gì ? ......................................................................................... 124 2. Các đại lƣợng đặc trƣng của bức xạ nhiệt cân bằng ......................................... 125 3. Định luật Kirchhoff ......................................................................................... 126 Bài giảng môn học: Vật lý đại cương A2 Tác giả: 1. GV. Th. s Nguyễn Phƣớc Thể 2. Th. s. Lê Văn Khoa Bảo 6 §2. CÁC ĐỊNH LUẬT PHÁT XẠ CỦA VẬT ĐEN TUYỆT ĐỐI ..................... 127 1. Định luật Stephan-Boltzmann ......................................................................... 128 2. Định luật Wien ................................................................................................ 128 3. Sự khủng hoảng ở vùng tử ngoại ..................................................................... 128 §3. THUYẾT LƢỢNG TỬ CỦA PLANCK & THUYẾT PHOTON CỦA EINSTEIN .......................................................................................................... 129 1. Thuyết lƣợng tử của Planck ............................................................................ 129 2. Thành công của thuyết lƣợng tử năng lƣợng ................................................... 130 3. Thuyết photon của Einstein ............................................................................. 130 4. Động lực học photon ....................................................................................... 131 §4. HIỆN TƢỢNG QUANG ĐIỆN .................................................................... 132 1. Định nghĩa ...................................................................................................... 132 2. Các định luật quang điện và giải thích ............................................................. 133 §5. HIỆU ỨNG COMPTON ............................................................................... 135 1. Hiệu ứng Compton .............................................................