Giải Vật lí 10 Bài 4 (Cánh diều): Chuyển động thẳng biến đổi đều

Giải bài tập Vật lí lớp 10 Bài 4: Chuyển động thẳng biến đổi đều

Mở đầu

Mở đầu trang 32 Vật lí 10:

Để điều tra các vụ tai nạn giao thông đường bộ, có thể sử dụng nhiều phương pháp khác nhau, dựa trên cơ sở của nhiều ngành khoa học, đặc biệt là cơ sở vật lí.

Người ta thử nghiệm trên bề mặt đường với các loại ô tô khác nhau để tìm gia tốc của ô tô trong khoảng cách dừng lại (khoảng cách từ lúc bánh xe không quay mà chỉ trượt trên mặt đường đến khi dừng lại). Dựa vào các vết trượt mà bánh xe để lại trên đường, dùng các công thức mô tả chuyển động, có thể suy ra được người lái xe có đi qua tốc độ cho phép khi gây tai nạn không.

Họ đã dựa vào những công thức nào để suy ra được điều này?

Lời giải:

Dựa vào công thức tính quãng đường đi được $d=v_{o}t+\frac{1}{2}a{t}^2$.

I. Công thức của chuyển động thẳng biến đổi đều

1. Công thức tính vận tốc

2. Công thức tính độ dịch chuyển

Luyện tập

Luyện tập trang 33 Vật lí 10:

Một chiếc ô tô có gia tốc trong khoảng cách dừng lại là -7,0 m/s². Ước tính khoảng cách dừng lại nếu lúc bắt đầu trượt ô tô này đang chạy ở tốc độ 108 km/h.

Lời giải:

Đổi 108 km/h = 30 m/s

Thời gian đến khi ô tô dừng lại là: $t=\frac{0-30}{-7}=\frac{30}{7}s$

Áp dụng công thức $d=v_{o}t+\frac{1}{2}a{t}^2$= $30.\frac{30}{7}+\frac{1}{2}.(-7).{\left(\frac{30}{7}\right)}^2=64,28$m.

4. Công thức liên hệ quãng đường, vận tốc và gia tốc

5. Ví dụ áp dụng các công thức chuyển động

Vận dụng 1 trang 35 Vật lí 10:

Tại hiện trường vụ tai nạn trên một con đường, cảnh sát phát hiện vết trượt kéo dài 50 m. Thử nghiệm trên mặt đường này cho thấy loại ô tô đó có gia tốc trong khoảng cách dừng lại -6,5 m/s². Biết tốc độ cho phép loại ô tô này chạy trên đường đó là 90 km/h. Ô tô này có chạy quá tốc độ cho phép không?

Lời giải:

- Gọi vận tốc đầu của ô tô là v₀, thời gian chuyển động đến khi dừng lại của ô tô là

$t=\frac{0-v_0}{-6,5}=\frac{v_0}{6,5}$

- Quãng đường ô tô chuyển động đến khi dừng lại là

$d=v_o.t+\frac{1}{2}a{t}^2=v_0\frac{v_0}{6,5}+\frac{1}{2}.(-6,5).{\left(\frac{v_0}{6,5}\right)}^2=\frac{{v_0}^2}{13}=50$

$\Rightarrow v_0=25,{495}_{}m/s$

Đổi v₀ = 25,495 m/s = 91,782 km/h

Vì tốc độ của ô tô lớn hơn tốc độ cho phép nên xe này đã chạy quá tốc độ cho phép.

II. Đo gia tốc rơi tự do

1. Gia tốc rơi tự do

2. Đo gia tốc rơi tự do

Thực hành, khám phá trang 36 Vật lí 10:

Dụng cụ

Bộ dụng cụ đo gia tốc rơi tự do gồm:

(1) Nam châm điện(2) Viên bi thép

(3) Cổng quang điện(4) Công tắc điều khiển

(5) Đồng hồ đo thời gian(6) Giá

Tiến hành

Bước 1: Lắp các dụng cụ thành bộ như hình 4.7.

+ Đặt bi thép dính vào phía dưới nam châm

+ Nhấn công tắc cho bi thép rơi

+ Đọc số chỉ thời gian rơi trên đồng hồ

+ Lặp lại thao tác với các khoảng cách từ vị trí vật bắt đầu rơi đến cổng quang điện khác nhau.

Bước 2: Hãy so sánh kết quả tính bằng số liệu đo được trong thí nghiệm mà em đã tiến hành với kết quả tính bằng số liệu ở bảng 4.2

Bảng 4.2. Khoảng cách và thời gian rơi của vật

Bước 3: Tính gia tốc trung bình của vật rơi tự do và sai số cực đại trung bình của phép đo.

Áp dụng phương trình $s=v_{o}t+\frac{1}{2}a{t}^2$cho một vật có vận tốc ban đầu bằng không, rơi tự do với gia tốc g, ta được biểu thức gia tốc $g=\frac{2s}{t^2}$

Trong đó, t là trung bình cộng của ba thời gian rơi cho mỗi khoảng cách s.

Viết kết quả: $g=\overline{g}\pm \Delta g$

Lời giải:

Xét quãng đường s = 0,4 m.

Gia tốc trong lần đo 1: $g_1=\frac{2s}{t_1^2}=\frac{2.0,4}{0,{285}^2}=9,849m/s^2$

Gia tốc trong lần đo 2: $g_2=\frac{2s}{t_2^2}=\frac{2.0,4}{0,{286}^2}=9,780m/s^2$

Gia tốc trong lần đo 3: $g_3=\frac{2s}{t_3^2}=\frac{2.0,4}{0,{284}^2}=9,919m/s^2$

Gia tốc trung bình: $\overline{g}=\frac{g_1+g_2+g_3}{3}=\frac{9,849+9,780+9,919}{3}=9,849m/s^2$

Sai số tuyệt đối của gia tốc:

$\Delta g_1=\left.\overline{g}-g_1\right|=\left.9,849-9,849\right|=0$

$\Delta g_2=\left.\overline{g}-g_2\right|=\left.9,849-9,780\right|=0,069$

$\Delta g_3=\left.\overline{g}-g_3\right|=\left.9,849-9,919\right|=0,070$

Sai số tuyệt đối trung bình: $\overline{\Delta g}=\frac{\Delta g_1+\Delta g_2+\Delta g_3}{3}=0,046$

Kết quả: $g=9,849\pm 0,046$

Vận dụng 2 trang 37 Vật lí 10:

Đề xuất phương án và đo gia tốc rơi tự do với bộ dụng cụ: giá, bi thép, nam châm điện, 2 cổng quang điện, công tắc điều khiển, đồng hồ đo thời gian hiện số.

Đánh giá sơ bộ nguyên nhân ảnh hưởng đến kết quả trong thí nghiệm.

Lời giải:

Bộ dụng cụ: giá, bi thép, nam châm điện, 2 cổng quang điện, công tắc điều khiển, đồng hồ đo thời gian hiện số.

Tiến trình thí nghiệm:

Bước 1: Lắp các dụng cụ thành bộ như hình trên.

+ Lắp nam châm điện ở đầu trên của máng, nối với ổ C của đồng hồ đo thời gian hiện số.

+ Điều chỉnh ốc vít ở chân của máng để dây rọi chỉ phương thẳng đứng.

+ Lắp cổng quang thứ nhất ở ngay dưới nam châm, nối với cổng A của đồng hồ đo thời gian hiện số.

+ Lắp cổng quang thứ hai cách nam châm một khoảng d, nối với cổng B của đồng hồ đo thời gian hiện số.

+ Chọn chế độ A $\leftrightarrow$B trên đồng hồ đo thời gian hiện số để đo thời gian vật đi từ cổng quang thứ nhất đến cổng quang thứ 2

+ Đặt bi thép dính vào phía dưới nam châm

+ Nhấn công tắc cho bi thép rơi

+ Đọc số chỉ thời gian rơi trên đồng hồ

+ Lặp lại thao tác với các khoảng cách từ vị trí vật bắt đầu rơi đến cổng quang điện khác nhau.

Bước 2: Hãy so sánh kết quả tính bằng số liệu đo được trong thí nghiệm mà em đã tiến hành với kết quả tính bằng số liệu ở bảng 2.2

Bảng 2.2. Khoảng cách và thời gian rơi của vật

Bước 3: Tính gia tốc trung bình của vật rơi tự do và sai số cực đại trung bình của phép đo.

Áp dụng phương trình $s=v_{o}t+\frac{1}{2}a{t}^2$cho một vật có vận tốc ban đầu bằng không, rơi tự do với gia tốc g, ta được biểu thức gia tốc $g=\frac{2s}{t^2}$

Trong đó, t là trung bình cộng của ba thời gian rơi cho mỗi khoảng cách s.

Viết kết quả: $g=\overline{g}\pm \Delta g$

III. Chuyển động của vật bị ném

1. Vận tốc ban đầu theo phương ngang

Câu hỏi 1 trang 38 Vật lí 10:

Quãng đường rơi theo phương thẳng đứng và chuyển động theo phương nằm ngang của quả bóng thứ hai trên hình 4.8 được ghi ở bảng 4.3

Bảng 4.3

Sử dụng số liệu ở bảng 4.3 vẽ đồ thị với trục thẳng đứng là khoảng cách theo phương thẳng đứng, trục nằm ngang là khoảng cách theo phương nằm ngang. Chọn chiều dương hướng thẳng đứng xuống dưới và từ trái sang phải.

- Hình dạng đồ thị này giống hình dạng đồ thị nào đã học?

- Mô tả chuyển động của quả bóng này.

Lời giải:

Từ số liệu ở bảng trên ta có đồ thị như hình dưới.

Đồ thị có dạng parabol

Chuyển động của một vật bị ném gồm hai thành phần:

+ theo phương ngang: vật chuyển động thẳng đều

+ theo phương thẳng đứng: vật chuyển động rơi tự do.

I. Công thức của chuyển động thẳng biến đổi đều

Chuyển động thẳng với gia tốc không đổi được gọi là chuyển động thẳng biến đổi đều.

1. Công thức tính vận tốc

- Đồ thị vận tốc – thời gian biểu diễn chuyển động của một vật với vận tốc tăng dần đều từ v₀ đến v trong thời gian t.

- Độ dốc của đường thẳng có giá trị bằng gia tốc.

$a=\frac{v-v_0}{t}hayv=v_0+at$

2. Công thức tính độ dịch chuyển.

- Vận tốc trung bình của vật bằng một nửa tổng vận tốc ban đầu và vận tốc cuối cùng của nó:

- Vận tốc trung bình: $v_{tb}=\frac{v_0+v}{2}$

- Độ dịch chuyển = vận tốc trung bình x thời gian

$\Rightarrow$ Công thức tính độ dịch chuyển: $d=\frac{v_0+v}{2}\times t$

3. Công thức tính quãng đường.

Trong chuyển động thẳng theo một chiều xác định, độ dịch chuyển chính là quãng đường.

$s=v_{0}t+\frac{1}{2}a{t}^2$

4. Công thức liên hệ quãng đường, vận tốc và gia tốc.

$v^2-v_0^2=2as$

II. Đo gia tốc rơi tự do

1. Gia tốc rơi tự do

- Sự rơi của các vật khi chỉ chịu tác dụng của trọng lực được gọi là sự rơi tự do.

- Gia tốc của một vật rơi trên bề mặt Trái Đất có giá trị tùy thuộc vào vị trí mà vật rơi. Gia tốc này gọi là gia tốc rơi tự do, kí hiệu g; nó có chiều hướng thẳng đứng xuống dưới.

2. Đo gia tốc rơi tự do.

Bộ dụng cụ đo gia tốc rơi tự do

Tùy vào điều kiện, cơ sở vật chất mà chúng ta sẽ có các bộ dụng cụ thí nghiệm đo gia tốc rơi tự do khác nhau.

III. Chuyển động của một vật bị ném.

Xét chuyển động của một vật có vận tốc ban đầu theo phương ngang hoặc xiên góc với phương ngang

1. Vận tốc ban đầu theo phương ngang.

$\Rightarrow$ Kết quả: Với một vật được bắn theo phương ngang với vận tốc ban đầu xác định, thì chuyển động của vật theo phương ngang và theo phương thẳng đứng độc lập với nhau.

Thời gian chạm đất của vật được ném ngang từ độ cao h: $t=\sqrt{\frac{2h}{g}}$

Tầm xa của vật ném ngang: $L=v_{0}t=v_0\sqrt{\frac{2h}{g}}$

2. Vận tốc ban đầu tạo góc xác định với phương ngang.

$\Rightarrow$ Kết quả: Chuyển động thẳng đứng và chuyển động ngang của quả bóng độc lập với nhau.