Giải Vật Lí lớp 10 Bài 10: Ba định luật Newton về chuyển động

Mở đầu trang 55 Vật lí 10: Trên đường đi du lịch hè, xe ô tô chở gia đình của một bạn bất chợt gặp sự cố về máy và không thể tiếp tục di chuyển. Người bố đã nhờ xe cứu hộ đến và kéo xe ô tô về nơi sửa chữa (Hình 10.1). Tác động nào giúp chiếc xe có thể chuyển động được từ khi đứng yên?

Lời giải:

Lực kéo của xe cứu hộ (thông qua dây kéo) là tác động giúp chiếc xe chuyển động.

1. Định luật 1 Newton

Nhắc lại về khái niệm lực

Câu hỏi 1 trang 55 Vật lí 10: Hãy nêu tên một số lực mà em đã biết hoặc đã học trong môn khoa học tự nhiên.

Lời giải:

Lực kéo, lực đẩy, lực ma sát, lực đẩy Ác-si-mét, lực điện, lực từ, lực hấp dẫn, lực nguyên tử...

Khái niệm về quán tính

Câu hỏi 2 trang 56 Vật lí 10: Quan sát hình 10.4, dự đoán về chuyển động của vật sau khi được đẩy đi trên các bề mặt khác nhau:

a) mặt bàn,

b) mặt băng,

c) mặt đệm không khí.

Lời giải:

a, Vật chuyển động một đoạn rồi dừng lại.

b, Vật chuyển động một đoạn xa hơn ở câu a rồi dừng lại.

c, Vật chuyển động không dừng lại khi còn ở trên mặt đệm không khí.

Định luật I Newton

Câu hỏi 3 trang 57 Vật lí 10: Đưa ra nhận định và giải thích về sự tồn tại của vật tự do trên thực tế.

Lời giải:

Một vật nếu không chịu tác dụng của lực nào (vật tự do) thì sẽ giữ nguyên trạng thái chuyển động của nó, tức là sẽ đứng yên nếu trước đó nó đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều mãi mãi nếu nó đang chuyển động.

Luyện tập trang 57 Vật lí 10: Aristotle nhận định rằng “Lực là nguyên nhân của chuyển động”. Nhận định này đã tồn tại hàng ngàn năm trước thời đại của Newton. Hãy nêu một số ví dụ minh họa để phản bác nhận định này.

Lời giải:

Ví dụ phản bác nhận định trên:

- Các vệ tinh vũ trụ sau khi lên quỹ đạo có thể chuyển động liên tục mà không cần thêm lực đẩy của động cơ.

- Một chiếc ô tô đang đỗ trên dốc, dù chịu tác dụng của nhiều lực khác nhau nhưng vẫn không chuyển động.

Vận dụng trang 57 Vật lí 10: Một quả bóng được đặt trong một toa tàu ban đầu đứng yên, giả sử lực ma sát giữa quả bóng và sàn tàu không đáng kể. Tàu bắt đầu chuyển động nhanh dần đều. Hãy nhận xét về chuyển động của quả bóng đối với bạn học sinh đứng ở sân ga (Hình 10.7). Giải thích tính chất của chuyển động này.

Lời giải:

Khi ma sát không đáng kể thì cả khi đoàn tàu chuyển động thì quả bóng vẫn đứng yên so với bạn học sinh. Nguyên nhân là do quả bóng có xu hướng bảo toàn tính chất chuyển động ban đầu của mình.

2. Định luật II Newton

Tiến hành thí nghiệm khảo sát mối liên hệ về độ lớn của gia tốc và độ lớn lực tác dụng

Báo cáo kết quả thí nghiệm trang 59 Vật lí 10:

- Dựa vào số liệu thu được, tính toán gia tốc trung bình của xe con cho 4 trường hợp lực kéo khác nhau tác dụng lên xe.

- Vẽ đồ thị 1 thể hiện sự phụ thuộc của gia tốc a (trục tung) vào lực tác dụng F (trục hoành) khi khối lượng của xe con được giữ không đổi.

Lời giải:

Vẽ đồ thị:

Câu hỏi 4 trang 59 Vật lí 10: Dựa vào đồ thị 1, trả lời các câu hỏi sau:

a) Đồ thị 1 có dạng gì?

b) Gia tốc của vật có mối liên hệ như thế nào với lực tác dụng vào vật khi khối lượng của vật không đổi.

Lời giải:

a, Đồ thị 1 có dạng là đường thẳng.

b, Khi khối lượng của vật không đổi, gia tốc tỉ lệ thuận với lực tác dụng. Về mặt toán học, hai đại lượng này liên hệ với nhau bằng hàm bậc nhất.

Định luật II Newton

Câu hỏi 5 trang 60 Vật lí 10: Từ kết quả thí nghiệm, hãy nhận xét về mối liên hệ giữa gia tốc mà vật thu được với độ lớn của lực tác dụng vào vật.

Lời giải:

Gia tốc của vật có cùng hướng với hướng của lực tác dụng, độ lớn của gia tốc vật thu được tỉ lệ thuận với lực tác dụng vào vật.

Tiến hành thí nghiệm minh họa mối liên hệ về độ lớn của gia tốc và khối lượng của vật

Báo cáo kết quả thí nghiệm trang 61 Vật lí 10:

- Dựa vào số liệu thu được, tính gia tốc trung bình của hệ cho từng trường hợp.

- Vẽ đồ thị 2 thể hiện sự phụ thuộc của gia tốc a (trục tung) vào nghịch đảo khối lượng M (trục hoành) của hệ chuyển động (gồm xe con có tích hợp cảm biến gia tốc và cảm biến lực, quả nặng được treo vào móc và các gia trọng được đặt lên xe) khi lực tác dụng vào hệ có độ lớn không đổi.

Lời giải:

Tổng khối lượng của xe con m₀ = 320,0 g.

Khối lượng của mỗi gia trọng m* = 20,0 g, lực kéo $F=0,196N\approx 0,20N$

Vẽ đồ thị 2

Câu hỏi 6 trang 61 Vật lí 10: Dựa vào đồ thị 2, trả lời các câu hỏi sau:

a) Đồ thị 2 có dạng gì?

b) Gia tốc của vật có mối liên hệ như thế nào với khối lượng của vật khi lực tác dụng vào vật không đổi.

Lời giải:

a) Đồ thị 2 có dạng đường thẳng.

b) Khi lực tác dụng lên vật không đổi thì gia tốc tỉ lệ nghịch với khối lượng của vật.

Mức quán tính của vật

Câu hỏi 7 trang 62 Vật lí 10: Quan sát Hình 10.10, nhận xét trong trường hợp nào thì ta có thể dễ dàng làm xe chuyển động từ trạng thái đứng yên. Giả sử lực tác dụng trong hai trường hợp có độ lớn tương đương nhau. Giải thích.

Lời giải:

Theo định luật II Newton có thể thấy do khối lượng của xe máy nhỏ hơn nên với cùng một độ lớn của lực tác dụng thì xe máy nhẹ hơn sẽ thu được gia tốc lớn hơn và dễ chuyển động hơn.

Câu hỏi 8 trang 62 Vật lí 10: Áp dụng công thức định luật II Newton (10.1) để lập luận rằng khối lượng là đại lượng đặc trưng cho mức quán tính của vật.

Lời giải:

Qua biểu thức của định luật II Newton, ta thấy khi vật có khối lượng càng lớn thì gia tốc của vật thu được sẽ càng nhỏ và khó làm thay đổi vận tốc, từ đó vật có quán tính lớn. Ngược lại, vật có khối lượng càng nhỏ thì càng dễ dàng thay đổi vận tốc, nghĩa là vật có quán tính càng nhỏ. Như vậy khối lượng là đại lượng đặc trưng cho mức quán tính của vật.

Luyện tập trang 62 Vật lí 10: Một xe bán tải khối lượng 2,5 tấn đang di chuyển trên cao tốc với tốc độ 90 km/h. Các xe cần giữ khoảng cách an toàn so với xe chạy phía trước 70 m. Khi xe đi trước có sự cố và dừng lại đột ngột. Hãy xác định lực cản tối thiểu để xe bán tải có thể dừng lại an toàn.

Lời giải:

Đổi 90 km/h = 25 m/s

Xác định gia tốc tối thiểu của xe $a=\frac{v^2-v_0^2}{2s}=\frac{0^2-{25}^2}{2.70}=-\frac{125}{28}(m/s^2)$

Theo định luật II Newton, ta có lực cản tối thiểu để xe dừng lại hoàn toàn

$$\begin{gathered} F=m.a=2500.\frac{-125}{28} \\ \approx -11160,71\left(N\right) \end{gathered}$$

Từ đó ta thấy lực cản tối thiểu để xe dừng lại hoàn toàn phải có độ lớn 11160,71 N

Vận dụng trang 62 Vật lí 10: Trong trò chơi thổi viên bi, mỗi bạn sử dụng một ống bơm khí từ vật liệu đơn giản như Hình 10.11, thổi khí vào viên bi được đặt trên ray định hướng. Người chơi sẽ chiến thằng khi thổi viên bi đi xa hơn sau ba lần. Hãy sử dụng định luật II Newton giải thích làm thế nào để có thể chiến thắng trò chơi này.

Lời giải:

Theo định luật II Newton, lực tác dụng càng lớn sẽ làm cho viên bi thu được gia tốc càng lớn. Vì vậy để chiến thắng trò chơi này người chơi cần làm cho lực đẩy sinh ra từ chai nhựa lớn nhất có thể, với 3 lần thổi ta có thể dùng chiến thuật chơi như sau: Để không khí tràn đầy vào chai nhựa rồi bóp mạnh, sau đó tiếp tục chờ cho khí tràn đầy vào chai lần tiếp theo rồi tiếp tục bóp mạnh, tương tự với lần thứ 3 để có lực đẩy mạnh nhất. Vị trí bóp cũng quan trọng, chúng ta nên bóp ở phần cuối chai nhựa.

Lực bằng nhau – lực không bằng nhau

Câu hỏi 9 trang 63 Vật lí 10: Nhận xét về chuyển động của thùng hàng khi chịu tác dụng của lực đẩy và kéo cùng độ lớn trong Hình 10.12 và chuyển động của quyển sách khi lần lượt chịu tác dụng của lực theo các hướng khác nhau như trong hình 10.13.

Lời giải:

Hình 10.12: Với hai lực do hai em bé tác dụng bằng nhau và cùng hướng như hình thì thùng hàng sẽ chuyển động với gia tốc như nhau.

Hình 10.13: Hai lực tác dụng lên cuốn sách có hướng khác nhau thì quyển sách sẽ chuyển động theo hai hướng khác nhau với gia tốc khác nhau.

Câu hỏi 10 trang 63 Vật lí 10: Hãy xác định các cặp lực bằng nhau, không bằng nhau tác dụng lên tạ và tên lửa trong Hình 10.14.

Lời giải:

Hình 10.14 a, vận động viên đang giữ tạ thì lực đẩy từ tay vận động viên lên tạ và lực hút của trái đất tác dụng lên quả tạ cân bằng.

Hình 10.14 b, tên lửa đang tăng tốc, lúc này lực đẩy của nhiên liệu thoát ra và trọng lực của tên lửa là không bằng nhau, lực đẩy của tên lửa có độ lớn lớn hơn.

3. Định luật III Newton

Định luật III Newton

Câu hỏi 11 trang 64 Vật lí 10: Quan sát Hình 10.15 và trả lời các câu hỏi:

a) Khi ta đấm (tác dụng lực) vào bao cát thì tay ta có chịu lực tác dụng không?

b) Khi đưa hai cực cùng tên của hai nam châm thẳng lại gần nhau thì lực tác dụng lên từng nam châm có tính chất gì?

Lời giải:

a, Tay ta có chịu lực do bao cát tác dụng ngược lại tay, vì thế người đấm bao cát sẽ luôn có cảm giác về lực tác động. Lực này cũng tác động làm cho tay ta cảm thấy đau.

b, Hai cực giống nhau của nam châm đặt gần nhau nên lực tác dụng lên từng nam châm là lực đẩy và có độ lớn bằng nhau.

Vận dụng Định luật III Newton

Luyện tập trang 65 Vật lí 10: Xét trường hợp con ngựa kéo xe như Hình 10.17. Khi ngựa tác dụng một lực kéo lên xe, theo định luật III Newton sẽ xuất hiện một phản lực có cùng độ lớn nhưng ngược hướng so với lực kéo. Vậy tại sao xe vẫn chuyển động về phía trước? Giải thích hiện tượng.

Lời giải:

Trong trường hợp tác dụng lực này thì phản lực của xe được đặt lên thân con ngựa còn lực tác dụng của ngựa đặt lên chiếc xe (tức là xe chỉ chịu tác động của lực kéo). Vì vậy khi ngựa tiến về phía trước thì lực kéo của nó lên xe đóng vai trò là lực tác động giúp xe chuyển động.

Luyện tập trang 65 Vật lí 10: Hãy tìm hiểu và trình bày những hiện tượng trong đời sống liên quan đến định luật III Newton.

Lời giải:

Một số hiện tượng trong đời sống liên quan đến định luật III Newton.

- Bắn súng: Khi viên đạn được bắn ra ngoài thì súng sẽ chịu phản lực giật ngược về sau. Vì thế người cầm súng cần phải cầm chắc tay và đúng kĩ thuật nếu không có thể bị chấn thương khi bắn.

- Chuyển động đi bộ trên mặt đất của người: Khi chân người tác dụng một lực lên mặt đất thì mặt đất tác dụng một phản lực lên chân giúp cho người tiến về phía trước.

- Bóng đá: Khi bóng đang bay rơi xuống đất, mặt đất tác dụng phản lực làm bóng có xu hướng bật ngược trở lại.

Bài tập (Trang 65)

Bài tập 1 trang 65 Vật lí 10: Khi đang chạy nếu vấp ngã, người chạy sẽ có xu hướng ngã về phía trước. Còn khi đang bước đi nếu trượt chân, người đi sẽ có xu hướng ngã về phía sau. Vận dụng các kiến thức đã học, hãy giải thích hiện tượng trên.

Lời giải:

Khi chạy vấp ngã: Chân bị dừng lại đột ngột trong khi phần thân trên có xu hướng giữ nguyên vận tốc chuyển động, người sẽ ngã về trước.

Khi trượt chân: Vận tốc chân bị tăng lên đột ngột trong khi phần thân trên vẫn giữ nguyên trạng thái ổn định, vì thế người bị ngã về sau.

Bài tập 2 trang 65 Vật lí 10: Một máy bay chở khách có khối lượng tổng cộng là 300 tấn. Lực đẩy tối đa của động cơ là 440 kN. Máy bay phải đạt tốc độ 285 km/h mới có thể cất cánh. Hãy tính chiều dài tối thiểu của đường băng để đảm bảo máy bay cất cánh được, bỏ qua ma sát giữa bánh xe của máy bay và mặt đường băng và lực cản của không khí.

Lời giải:

Gia tốc thu được từ lực đẩy của động cơ $a=\frac{F}{m}=\frac{440000}{300000}\approx 1,47(m/s^2)$

Tìm quãng đường tối thiểu của máy bay dựa theo công thức:

$$\begin{gathered} 2as=v^2-v_0^2 \\ \Rightarrow s=\frac{v^2-v_0^2}{2\text{a}}=\frac{{\left(\frac{285}{3,6}\right)}^2-0^2}{2.1,47}\approx 2132\left(m\right) \end{gathered}$$

Bài tập 3 trang 65 Vật lí 10: Một vật nặng nằm yên trên bàn như Hình 10P.1, các lực tác dụng vào vật gồm trọng lực và lực của bàn. Hãy xác định điểm đặt, phương, chiều của các cặp lực và phản lực của hai lực trên.

Lời giải:

Phản lực của trọng lực là lực hút của vật tác dụng lên Trái Đất, phản lực nâng của bàn là áp lực của các vật tác dụng lên bàn. Trong trường hợp hình 10P.1, mặt bàn nằm ngang, độ lớn của các lực đều bằng trọng lượng của vật.