Giải Vật Lí lớp 10 Bài 11: Một số lực trong thực tiễn

Mở đầu trang 66 Vật lí 10: Ta biết rằng lực có thể làm biến dạng hoặc thay đổi trạng thái chuyển động của vật. Trong thực tế, một vật thường chịu tác dụng của nhiều lực khác nhau. Ví dụ khi chuyển động, ô tô vừa chịu tác động của lực kéo động cơ, vừa chịu tác động của lực ma sát giữa bánh xe với mặt đường, trọng lực do Trái Đất tác dụng và áp lực do mặt đường tạo ra. Những lực này có đặc điểm gì?

Lời giải:

Những lực này đều có điểm chung là tác dụng lên vật, có phương chiều và độ lớn mang giá trị nào đó.

1. Trọng lực

Trọng lực

Câu hỏi 1 trang 66 Vật lí 10: Khi thả một vật từ độ cao h, vật luôn rơi xuống. Lực nào đã gây ra chuyển động rơi của vật?

Lời giải:

Lực hấp dẫn của Trái Đất (trọng lực) gây ra chuyển động rơi của vật.

Luyện tập trang 67 Vật lí 10: Hai bạn đang đứng ở vị trí A và B trên Trái Đất như Hình 11.3. Hãy vẽ vecto trọng lực tác dụng lên mỗi bạn.

Lời giải:

Vectơ trọng lực luôn hướng về tâm Trái Đất

Vận dụng trang 67 Vật lí 10: Để xác định trọng tâm của một vật phẳng, người ta có thể làm như sau: Buộc dây vào một lỗ nhỏ ở mép của vật rồi treo vật thẳng đứng. Khi vật cân bằng, dùng bút đánh dấu phương của sợi dây lên vật. Sau đó ta thay đổi điểm treo và thực hiện tương tự. Giao điểm của hai đường kẻ chính là trọng tâm của vật mà ta cần xác định. Dựa vào phương pháp trên, hãy tiến hành thí nghiệm xác định trọng tâm của một vật phẳng bất kì.

Lời giải:

Các em tự thực hành, nên chọn những vật thí nghiệm có dạng phẳng, cứng như miếng nhựa, miếng mica chứ không nên làm với các vật mỏng nhẹ như tờ giấy.

2. Lực ma sát

Các loại lực ma sát

Câu hỏi 2 trang 67 Vật lí 10: Quan sát Hình 11.5, em hãy dự đoán chuyển động của thùng hàng khi chịu tác dụng của các lực có cùng một độ lớn trong hai trường hợp.

Lời giải:

Khi chịu tác dụng của hai lực có cùng độ lớn, thùng hàng ở hình a sẽ không di chuyển hoặc rất khó khăn mới có thể di chuyển, còn thùng hàng ở hình b sẽ di chuyển nhanh và dễ dàng hơn.

Câu hỏi 3 trang 67 Vật lí 10: Sau khi ta dừng tác dụng lực vào thùng hàng, ta quan sát thấy thùng hàng tiếp tục chuyển động và dừng lại sau khi đi được một đoạn. Em hãy giải thích tại sao thùng hàng dừng lại.

Lời giải:

Thùng hàng đi được một đoạn sau đó dừng lại vì khi ta không tác dụng lực nữa thì thùng hàng chịu lực ma sát (lực cản của môi trường) ngược chiều với chiều chuyển động.

Câu hỏi 4 trang 68 Vật lí 10: Nêu điểm giống và khác nhau của ba loại lực ma sát: ma sát trượt, ma sát lăn và ma sát nghỉ.

Lời giải:

Điểm giống:

- Đều đặt lên vật và ngay ở vị trí tiếp xúc giữa bề mặt của vật và bề mặt tiếp xúc.

- Đều cản trở chuyển động.

- Ngược chiều chuyển động.

Khác nhau:

- Điều kiện xuất hiện của lực và độ lớn của lực. Cụ thể: Ma sát nghỉ xuất hiện khi tác dụng lực lên vật mà vật vẫn nằm yên trên bề mặt, ma sát trượt xuất hiện khi vật bắt đầu trượt trên bề mặt tiếp xúc, ma sát lăn xuất hiện khi vật lăn trên bề mặt tiếp xúc.

Câu hỏi 5 trang 68 Vật lí 10: Dựa vào các Hình 11.5, 11.6, hãy vẽ hình biểu diễn lực ma sát tác dụng lên các vật.

Lời giải:

Ở hình a xuất hiện lực ma sát nghỉ, hình b xuất hiện lực ma sát lăn.

Hình 11.6 xuất hiện lực ma sát trượt.

Câu hỏi 6 trang 68 Vật lí 10: Giải thích ý nghĩa của chuyển động tương đối của hai bề mặt tiếp xúc khi nói về chiều của lực ma sát.

Lời giải:

Lực ma sát có chiều ngược với vận tốc tương đối của hai bề mặt tiếp xúc và cản trở chuyển động tương đối giữa chúng.

Câu hỏi 7 trang 68 Vật lí 10: Dựa vào kinh nghiệm cuộc sống của em, hãy phân tích lợi ích và tác hại của lực ma sát.

Lời giải:

- Lợi ích: Lực ma sát giúp kìm hãm các chuyển động không mong muốn, giữ cho các vật không bị trượt. Ví dụ: Để cầm nắm các vật ta cần có lực ma sát, khi phanh xe, khi buộc dây cố định các vật.

Ngoài ra, các đặc điểm sinh ra từ lực ma sát có ích trong nhiều trường hợp. Ví dụ: Ma sát sinh nhiệt được dùng trong phương pháp ghép các ống kim loại mà không cần hàn. Tác dụng làm mòn khi ma sát có thể dùng để mài vật liệu.

- Tác hại: Lực ma sát có tác dụng cản trở nên khiến các chuyển động mong muốn tốn nhiều lực và hao phí năng lượng hơn, ma sát cũng làm hỏng các chi tiết máy thường xuyên tiếp xúc với nhau. Ví dụ: Nếu vòng bi trong quạt điện ma sát quá lớn sẽ cản trở chuyển động của cánh quạt khiến chúng quay chậm hơn gây hỏng chi tiết máy. Bánh xe của phương tiện giao thông di chuyển lâu ngày sẽ bị mài mòn và phải thay mới. Những chiếc cọc, đinh vít, ốc ... lâu ngày sẽ bị mài mòn và bị long ra cần phải bảo dưỡng thường xuyên.

Luyện tập trang 69 Vật lí 10: Quan sát hình 11.9 và giải thích cơ chế vật lí giúp con người có thể bước đi.

Lời giải:

Khi chân người bước đi, áp lực của mặt đường lên chân và áp lực của chân lên mặt đường cùng phương, ngược chiều và có cùng độ lớn nên hai lực này triệt tiêu. Lực ma sát nghỉ do chân tác dụng lên mặt đường và lực ma sát nghỉ do mặt đường tác dụng lên chân cùng phương, ngược chiều và cùng độ lớn nên chúng cũng triệt tiêu. Lực do mặt đường tác dụng lên chân không bị triệt tiêu, vì vậy mà con người có thể bước đi được.

Vận dụng trang 69 Vật lí 10: Dựa vào kiến thức đã học, hãy cho biết các trường hợp trong hình 11.10 là ứng dụng đặc điểm gì của lực ma sát và nêu cụ thể loại lực ma sát được đề cập.

Lời giải:

- Hình 11.10a: thay thế lực ma sát trượt bằng lực ma sát lăn, người ta dùng các ổ trục có các viên bi tròn nhẵn.

- Hình 11.10b: ứng dụng đặc điểm cản trở của lực ma sát nghỉ. Bề mặt của băng tải được làm nhám để giữ được hành lý bên trên.

- Hình 11.10c: ứng dụng đặc điểm cản trở của lực ma sát trượt. Lực ma sát tỉ lệ với độ lớn của áp lực đòi hỏi người mài dao phải dùng lực vừa phải, động tác chính xác để đường mài chuẩn xác.

3. Lực căng dây

Lực căng dây

Câu hỏi 8 trang 70 Vật lí 10: Cho ví dụ minh họa tính chất của lực căng dây xuất hiện tại mọi điểm trên dây.

Lời giải:

Ta có thể dùng cách buộc căng dây vào hai điểm cố định và cắt dây tại một điểm bất kì sẽ thấy dây luôn bị kéo về 2 phía điểm cắt. Chứng tỏ lực căng xuất hiện tại mọi điểm trên dây.

Luyện tập trang 70 Vật lí 10: Hình 11.13 mô tả quá trình kéo gạch từ thấp lên cao qua hệ thống ròng rọc. Xem chuyển động của thùng gạch là đều, hãy xác định lực căng dây tác dụng lên vật nâng và ròng rọc bằng hình vẽ. Từ đó hãy chỉ ra điểm đặt, phương, chiều và độ lớn của lực căng dây. Biết lượng gạch trong mỗi lần kéo có khối lượng 20 kg và lấy g = 9,8 m/s².

Lời giải:

Lực căng dây có:

- Điểm đặt: Điểm mà dây tiếp xúc với vật.

- Phương: là phương của sợi dây.

- Chiều: hướng từ hai đầu dây vào phần giữa sợi dây.

Cụ thể trong bài tập trên

- Lực căng dây tác dụng lên vật nặng: T = P = mg = 20.10 = 200 N.

Phương chiều tác dụng như hình vẽ

4. Lực đẩy Archimedes (Ác – si – mét)

Lực đẩy Archimedes

Câu hỏi 9 trang 70 Vật lí 10: Quan sát hình 11.15, tìm hiểu và trình bày một giai thoại khoa học liên quan.

Lời giải:

Giai thoại: Acsimet và câu chuyện về chiếc vương miện

Một ngày tháng tư năm 231 trước công nguyên, quốc vương Hireon đã triệu tập Acsimet vào cung để giải quyết một vấn đề mà quốc vương rất đau đầu. Đó là quốc vương có một chiếc vương miện do một thợ kim hoàn đúc thành, quốc vương giao cho thợ kim hoàn 15 lạng vàng nhưng quốc vương hoài nghi rằng chiếc vương miện này liệu có được 15 lạng vàng hay không. Vì vậy quốc vương muốn làm sáng tỏ điều này. Sau khi Acsimet nghe xong yêu cầu của quốc vương, biết rằng đây là một vấn đề khó giải quyết, vì vậy ông đã xin bệ hạ một ít ngày suy nghĩ. Acsimet mang chiếc vương miện về nhà để tìm hiểu. Sau 2 tháng, ông vẫn không tìm ra được kết quả. Bỗng một hôm, ông vừa đi vào bồn tắm, dìm người vào bồn chứa đầy nước sạch, bỗng ông chú ý đến một phần nước của bồn tắm trào ra khi ông dìm mình trong bồn tắm, đột nhiên một ý nghĩ trong đầu ông khiến ông hét lên: “Ơ rê ca! Ơ rê ca” (Tìm ra rồi, tìm ra rồi) và rồi ông chạy ra khỏi bồn tắm, chạy ra đường, mừng rỡ khôn tả.

Ông ăn mặc chỉnh tề vào gặp quốc vương và đưa ra lí giải:

+ Có 3 vật có trọng lượng bằng nhau: sắt, vàng, vương miện

+ Ông lần lượt nhúng ngập chúng vào một chiếc bình được đổ nước, và đo lượng trào ra.

=> Kết quả là lượng nước trào ra khi nhúng ngập chiếc vương miện nhiều hơn khi nhúng ngập tảng vàng, ít hơn tảng sắt

=> Chiếc vương miện không phải hoàn toàn bằng vàng ròng, cũng không phải bằng sắt. Khi thợ kim hoàn làm chiếc vương miện này chắc chắn đã trộn không ít bạc vào trong vàng.

Câu hỏi 10 trang 71 Vật lí 10: Hãy vẽ vecto lực đẩy Archimedes tác dụng lên vương miện trong hình 11.15.

Lời giải:

Lực đẩy Ac – si – mét có:

- Phương thẳng đứng

- Chiều từ dưới lên trên

- Điểm đặt tại vật

Xây dựng biểu thức xác định độ chênh lệch áp suất giữa hai điểm có độ sâu khác nhau trong chất lỏng

Câu hỏi 11 trang 72 Vật lí 10: Dựa vào công thức (11.8) để giải thích sự xuất hiện của lực đẩy tác dụng lên một vật trong chất lỏng (hoặc chất khí).

Lời giải:

Khi đặt một vật trong chất lỏng hay chất khí, hợp lực của các chất lỏng hay chất khí đó lên vật là $\overrightarrow{F}={\overrightarrow{F}}_1+{\overrightarrow{F}}_2$ hay F = F₂ – F₁ = S.p₂ – Sp₁ ≠ 0. Vì thế hợp lực của lực nén vuông góc ở phần trên và phần dưới của vật khác 0, khiến cho vật chịu một lực hướng từ dưới lên trên, đó chính là lực đẩy Ác si mét.

Luyện tập trang 72 Vật lí 10: Kỉ lục thế giới về lặn tự do (không có bình dưỡng khí) được thực hiện bởi một nữ thợ lặn người Slovenia khi cô lặn xuống biển tới độ sâu 114 m. Hãy tính độ chênh lệch áp suất tại vị trí này so với mặt thoáng của nước biển. Lấy giá trị trung bình khối lượng riêng của nước biển là 1025 kg/m³ và g = 9,8 m/s².

Lời giải:

Độ chênh lệch áp suất giữa điểm đang xét so với mặt thoáng nước biển là

$$\begin{gathered} \Delta p=\rho .g.\Delta h \\ =1025.9,8.114=1145130 \left(\mathrm{Pa}\right) \end{gathered}$$

Vận dụng trang 72 Vật lí 10: Thiết kế phương án thí nghiệm để xác định được độ lớn lực đẩy Archimedes và khối lượng riêng $\rho$ của một chất lỏng với các dụng cụ: lực kế, vật nặng, chậu nước.

Lời giải:

Có thể sử dụng phương án sau

Bước 1: Treo vật nặng vào lực kế, lực kế chỉ giá trị P₁

Bước 2: Nhúng vật nặng chìm trong chậu nước, lực kế chỉ giá trị P₂

Bước 3: Xác định lực đẩy Ác-si-mét F = P₁ – P₂

Bước 4: Tính khối lượng riêng của chất lòng $\rho =\frac{F}{gV}$

Bài tập (Trang 73)

Bài tập 1 trang 73 Vật lí 10: Xét hai hệ như hình 11P.1, hãy vẽ sơ đồ lực tác dụng lên vật m₁, m₂ trong trường hợp a và vật m trong trường hợp b; gọi tên các lực này.

Lời giải:

Với $\overrightarrow{P}$ là trọng lực, $\overrightarrow{T}$ là lực căng, $\overrightarrow{N}$ là phản lực tương ứng ở các trường hợp.

Bài tập 2 trang 73 Vật lí 10: Vào năm 231 trước Công nguyên, nhà vua Hy Lạp cổ đại Hieron (Hai – ơ – rôn) nghi ngờ những thợ kim hoàn trộn lẫn những kim loại khác ngoài vàng khi đúng vương miện cho ông. Archimedes đã tiến hành thí nghiệm như Hình 11P.2 để giải đáp thắc mắc của nhà vua. Dựa vào các kiến thức đã học hãy giải thích cách tiến hành trên. Biết rằng người thợ này đã dùng bạc thay thế cho một phần vàng và bạc có khối lượng riêng nhỏ hơn vàng.

Lời giải:

Giả sử chiếc vương miện và khối vàng kia có cùng thể tích, khi nhúng vào trong cùng một chất lỏng thì lực đẩy Acsimet tác dụng lên chiếc vương miệng sẽ nhỏ hơn so với lực đẩy Acsimet tác dụng lên khối vàng. Vì khối lượng riêng của vàng lớn hơn khối lượng riêng của bạc, thể tích như nhau, nhúng trong cùng 1 chất lỏng.

Sử dụng công thức: $F=\left|P-F_A\right|$, hợp lực này có phương thẳng đứng, chiều hướng lên

Điều đó chứng tỏ hợp lực của trọng lực và lực đẩy Acsimet tác dụng lên vương miện sẽ lớn hơn so với hợp lực đó tác dụng lên khối vàng, dẫn đến vương miện sẽ bị nổi lên trên.

Bài tập 3 trang 73 Vật lí 10: Tác dụng lực đẩy theo phương ngang rất khó để làm khối nặng di chuyển trượt trên mặt sàn. Thay vì vậy, ta thường đặt vật tựa lên các con lăn như Hình 11P.3 và đẩy với cùng lực đó thì vật chuyển động dễ dàng. Giải thích tại sao.

Lời giải:

Cách tiến hành này thay thế ma sát trượt bằng ma sát lăn khiến cho vật di chuyển dễ dàng hơn.