1. Bài 10. Ba định luật Newton về chuyển động

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

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức đã học.

Lời giải chi tiết:

Chiếc xe của gia đình Tuấn có thể chuyển động được từ khi đứng yên là nhờ một lực đẩy và lực kéo của xe cứu hộ.

1. Hãy nêu tên một số lực mà em đã biết hoặc đã học trong môn Khoa học tự nhiên.

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức đã học trong môn Khoa học tự nhiên

Lời giải chi tiết:

Một số lực mà em đã học là:

+ Lực đẩy

+ Lực kéo

+ Lực ma sát

+ Lực đàn hồi

+ Lực hút...

2. 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.

Phương pháp giải:

Quan sát hình vẽ và đưa ra dự đoán

Lời giải chi tiết:

Từ Hình 10.4, ta thấy rằng chuyển động của các vật tăng dần từ mặt bàn đến mặt băng và mặt đệm không khí.

3. Đưa ra nhận định và giải thích về sự tồn tại của vật tự do trên thực tế.

Lời giải chi tiết:

Nhận định: Một vật nếu không chịu tác dụng của lực nào (vật tự do) thì vật đó giữ nguyên trạng thái đứng yên, hoặc chuyển động thẳng đều mãi mãi.

Giải thích:

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.

Phương pháp giải:

Liên hệ thực tế

Lời giải chi tiết:

VD:

+ Một cái tủ đang đứng lên, dùng tay đẩy tủ, tủ vẫn đứng yên.

+ Một chiếc xe đang chuyển động, dùng tay hãm lại sự chuyển động đó, chiếc xe giảm tốc độ xuống nhưng một lúc sau mới dừng hẳn.

=> Lực không phải là nguyên nhân của chuyển động mà là nguyên nhân làm thay đổi vận tốc chuyển động của vật.

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.

Phương pháp giải:

Quan sát hình vẽ

Lời giải chi tiết:

Khi toa tàu bắt đầu chuyển động ra xa bạn học sinh thì quả bóng có xu hướng lại gần bạn học sinh.

Giải thích: Vật luôn có xu hướng bảo toàn vận tốc chuyển động của mình. Tính chất này được gọi là quán tính của vật nên khi toa tàu đi về phía trước thì quả bóng sẽ đi về phía ngược lại.

4. 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 chi tiết:

a) Đồ thị 1 có dạng đường thẳng

b) Khi khối lượng của vật không đổi, gia tốc tỉ lệ thuận với lực tác dụng.

5. 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 chi tiết:

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

6. 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 vật lực tác dụng vào vật không đổi?

Lời giải chi tiết:

a) Đồ thị 2 có dạng đường thẳng

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

7. 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.

Phương pháp giải:

Dựa vào định luật II Newton

Lời giải chi tiết:

Quan sát trong Hình 10.10, ta thấy khối lượng ô tô lớn hơn khối lượng xe máy. Lực tác dụng trong hai trường hợp như nhau nên gia tốc trong rường hợp 1 nhỏ hơn gia tốc trong trường hợp 2, vì vậy ta có thể làm xe máy dễ dàng chuyển động hơn ô tô.

8. Áp dụng công thức định luật II Newton (10.1) để lập luận rẳng khối lượng là đại lượng đặc trưng cho mức quán tính của vật.

Phương pháp giải:

Dựa vào biểu thức định luật II Newton: \(\overrightarrow a  = \frac{{\overrightarrow F }}{m}\)

Lời giải chi tiết:

Qua biểu thức của định luật II Newton, ta thấy khi vật có khối lượng càng lớn thì gia tốc của vật càng nhỏ, tức vật càng khó thay đổi vận tốc, nghĩa là vật có quán tính càng 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.

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

Phương pháp giải:

Biểu thức tính gia tốc của chuyển động thẳng biến đổi đều: \(a = \frac{{{v^2} - v_0^2}}{{2s}}\)

Biểu thức định luật II Newton: \(a = \frac{F}{m}\)

Lời giải chi tiết:

Ta có: v = 90 km/h = 25 m/s; v₀ = 0; s = 70 m; m = 2,5 tấn = 2500 kg.

Gia tốc tối thiểu của xe là:

\(a = \frac{{{v^2} - v_0^2}}{{2.s}} = \frac{{{{25}^2}}}{{2.70}} = \frac{{125}}{{28}}(m/{s^2})\)

=> Lực tối thiểu để xe bán tải dừng lại an toàn: \(F = m.a = 2500.\frac{{125}}{{28}} \approx 11160,71(N)\)

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 thắng 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.

Phương pháp giải:

Quan sát hình và thực hiện thí nghiệm

Lời giải chi tiết:

Áp dụng định luật II Newton, ta có lực càng lớn thì gia tốc càng lớn, vật sẽ càng đi được xa. Ta bóp ở cuối chai thì sẽ tạo ra lực lớn.

9. 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.

Phương pháp giải:

Quan sát hình vẽ

Lời giải chi tiết:

Hình 10.12: Khi hai em bé lần lượt đẩy và kéo thùng hàng đang đứng yên với hai lực bằng nhau thì thùng hàng chuyển động với gia tốc như nhau.

Hình 10.13: Lực tác dụng lên quyển sách khác nhau về hướng thì quyển sách sẽ chuyển động theo hướng khác nhau và gia tốc khác nhau.

10. Hãy xác định các cặp lực bằng nhau, không bằng nhau tác dụng lên tạ và tên lửa trong Hình 10.14

Phương pháp giải:

Quan sát hình vẽ và vận dụng kiến thức đã học

Lời giải chi tiết:

Hình 14.10a: Hai lực cân bằng nhau là lực đẩy từ tay của vận động viên và trọng lực từ tạ

Hình 10.14b: Hai lực không cân bằng là phản lực và trọng lực.

11. 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?

Phương pháp giải:

Quan sát hình

Lời giải chi tiết:

a) Khi ta đấm vào bao cát, bao cát chuyển động, bao cát chịu một lực từ tay ta, tay ta cảm thấy đau, tay ta cũng bị bao cát tác dụng lên một lực.

b) Khi đưa hai cực cùng tên của hai nam châm thẳng lại gần nhau thì lực tác dụng lên từng nam châm là lực hút.

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.

Phương pháp giải:

Vận dụng định luật III Newton

Lời giải chi tiết:

Do hai lực tác dụng vào hai vật (xe, ngựa) khác nhau nên hai lực này không thể triệt tiêu nhau lẫn nhau được nên xe vẫn chuyển động về phái trước.

Hãy tìm hiểu và trình bày những hiện tượng trong đời sống liên quan đến định luật III Newton.

Phương pháp giải:

Liên hệ thực tế

Lời giải chi tiết:

Những hiện tượng liên quan đến định luật III Newton: Trò chơi kéo co; hiện tượng đẩy người về phía trước...

1. 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.

Phương pháp giải:

Vận dụng định luật I Newton

Lời giải chi tiết:

- Khi đang chạy nếu vấp ngã, thân ta chuyển động với chân. Khi bị một lực cản đột ngột, phần chân dừng lại nhưng phần thân ta do có quán tính, nên tiếp tuch duy trì trạng thái ban đầu. Nên khi vấp ngã người ta ngã về phía trước.

- Khi trượt chân ngã, do có quán tính mà người không thể chuyển đổi vận tốc đột ngột như vậy mà vẫn muốn duy trì vận tốc ban đầu. Nên khi trượt chân người ta sẽ bị ngã về phía sau.

2. 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 không khí.

Phương pháp giải:

Biểu thức tính gia tốc của chuyển động thẳng biến đổi đều: \(a = \frac{{{v^2} - v_0^2}}{{2s}}\)

Biểu thức định luật II Newton: \(a = \frac{F}{m}\)

Lời giải chi tiết:

Ta có m = 300 tấn = 3.10⁵ kg; F = 440 kN = 4,4.10⁵ N; v = 285 km/h = 475/6 m/s

Gia tốc của máy bay là: \(a = \frac{F}{m} = \frac{{4,{{4.10}^5}}}{{{{3.10}^5}}} = \frac{{22}}{{15}}(m/{s^2})\)

Chiều dài tối thiểu của đường băng để đảm bảo máy bay cất cánh được là:

\(s = \frac{{{v^2} - v_0^2}}{{2.a}} = \frac{{{{\left( {\frac{{475}}{6}} \right)}^2}}}{{2.\frac{{22}}{{15}}}} \approx 2136,6(m)\)

3. 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.

Phương pháp giải:

Quan sát hình vẽ

Lời giải chi tiết:

+ Điểm đặt: tại vật

+ Phương: thẳng đứng

+ Chiều: trọng lực \(\overrightarrow P \) có chiều từ trên xuống dưới, phản lực \(\overrightarrow N \) có chiều từ dưới lên trên.