Khởi động trang 63

Đề bài: Đẩy một xe chở hàng cho nó chuyển động và nhận xét xem gia tốc của xe tăng hay giảm, nếu:

a) Giữ nguyên lực đẩy nhưng khối lượng xe tăng lên (Hình a và b). b) Giữ nguyên khối lượng nhưng lực đẩy tăng lên (Hình b và c).

Lời giải:

Áp dụng định luật 2 Newton: $a = \dfrac{F}{m}$ (sẽ học trong bài).

a) Giữ nguyên lực đẩy ($F$ không đổi), khối lượng tăng ($m$ tăng) → gia tốc $a$ giảm.

b) Giữ nguyên khối lượng ($m$ không đổi), lực đẩy tăng ($F$ tăng) → gia tốc $a$ tăng.

II. Khối lượng và quán tính

Câu hỏi 1 mục II

Đề bài: Nêu một số ví dụ cho thấy khối lượng của vật càng lớn thì mức quán tính của vật càng lớn. Điều này có ý nghĩa gì trong thực tiễn?

Lời giải:

Một số ví dụ:

• Cùng một lực đẩy, đẩy xe rỗng dễ chuyển động hơn xe chở đầy hàng.
• Xe tải chở nặng khó dừng hơn xe con khi cùng phanh.
• Tàu hoả có khối lượng rất lớn nên cần đoạn đường dài để dừng lại.

Ý nghĩa thực tiễn:

• Phải giữ khoảng cách an toàn lớn hơn khi điều khiển xe chở nặng.
• Đường băng cho máy bay cỡ lớn phải dài hơn cho máy bay cỡ nhỏ.
• Tàu hoả cần khoảng cách phanh rất lớn nên không thể dừng đột ngột khi có chướng ngại vật.

Câu hỏi 2 mục II

Đề bài: Cho đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa các lực tác dụng lên một vật và gia tốc gây ra tương ứng (Hình 15.1). Khối lượng của vật là:

A. 1,0 kg. B. 2,0 kg. C. 0,5 kg. D. 1,5 kg.

Lời giải:

Theo định luật 2 Newton: $F = m.a \Rightarrow m = \dfrac{F}{a}$.

Đọc đồ thị, chọn một điểm trên đường thẳng, ví dụ $(a = 2 \text{ m/s}^2; F = 1 \text{ N})$:

$$m = \dfrac{F}{a} = \dfrac{1}{2} = 0{,}5 \text{ kg}$$

Vậy chọn đáp án C. 0,5 kg.

III. Thí nghiệm minh hoạ định luật 2 Newton

Hoạt động mục III

Đề bài: Dựa vào số liệu trong Bảng 15.1, trả lời các câu hỏi:

a) Vẽ đồ thị chỉ sự phụ thuộc của gia tốc $a$:

• Vào $F$ (ứng với $m + M = 0{,}5$ kg), (Hình 15.3a). Đồ thị có phải là đường thẳng không? Tại sao?
• Vào $\dfrac{1}{m+M}$ (ứng với $F = 1$ N), (Hình 15.3b). Đồ thị có phải là đường thẳng không? Tại sao?

b) Nêu kết luận về sự phụ thuộc của gia tốc vào độ lớn của lực tác dụng và khối lượng của vật.

Lời giải:

a) Vẽ đồ thị:

Đồ thị $a – F$ (khi $m + M = 0{,}5$ kg): lấy 3 điểm từ Bảng 15.1:

• $(F = 1 \text{ N}; a = 1{,}99 \text{ m/s}^2)$
• $(F = 2 \text{ N}; a = 4{,}03 \text{ m/s}^2)$
• $(F = 3 \text{ N}; a = 5{,}67 \text{ m/s}^2)$

Tỉ số $\dfrac{a}{F}$ tại các điểm này:

$$\dfrac{1{,}99}{1} \approx 1{,}99;\ \dfrac{4{,}03}{2} \approx 2{,}02;\ \dfrac{5{,}67}{3} \approx 1{,}89$$

Các tỉ số xấp xỉ bằng nhau, nên 3 điểm này gần như nằm trên một đường thẳng đi qua gốc toạ độ → đồ thị là đường thẳng.

Lí do: khi khối lượng $m$ không đổi, theo định luật 2 Newton $a = \dfrac{F}{m}$ → $a$ tỉ lệ thuận với $F$.

Đồ thị $a – \dfrac{1}{m+M}$ (khi $F = 1$ N): lấy 3 điểm từ Bảng 15.1:

Tích $a \times (m+M)$:

$$3{,}31 \times 0{,}3 \approx 0{,}99;\ 2{,}44 \times 0{,}4 \approx 0{,}98;\ 1{,}99 \times 0{,}5 \approx 0{,}99$$

Tích $a \times (m+M)$ xấp xỉ bằng nhau (và bằng $F = 1$ N), nên ba điểm gần như nằm trên một đường thẳng đi qua gốc → đồ thị là đường thẳng.

Lí do: khi $F$ không đổi, $a = \dfrac{F}{m+M}$ → $a$ tỉ lệ thuận với $\dfrac{1}{m+M}$.

b) Kết luận:

• Gia tốc $a$ của vật tỉ lệ thuận với độ lớn của lực $F$ tác dụng lên vật (khi khối lượng không đổi).
• Gia tốc $a$ của vật tỉ lệ nghịch với khối lượng $m$ của vật (khi lực không đổi).
• Kết hợp lại: $a = \dfrac{F}{m}$ hay $\vec{F} = m.\vec{a}$ — đây là biểu thức của định luật 2 Newton.

Câu hỏi 1 mục III

Đề bài: Trong các cách viết hệ thức của định luật 2 Newton sau đây, cách viết nào đúng?

A. $\vec{F} = m.a$ B. $\vec{F} = -m.\vec{a}$ C. $\vec{F} = m.\vec{a}$ D. $-\vec{F} = m.\vec{a}$

Lời giải:

Chọn đáp án C. $\vec{F} = m.\vec{a}$.

Giải thích: Trong định luật 2 Newton, lực $\vec{F}$ và gia tốc $\vec{a}$ đều là đại lượng vectơ, có cùng phương và cùng chiều. Khối lượng $m$ là đại lượng vô hướng và dương. Do đó hệ thức đúng phải là $\vec{F} = m.\vec{a}$ (cả hai vế đều là vectơ và cùng chiều nhau).

Câu hỏi 2 mục III

Đề bài: Một quả bóng khối lượng 0,50 kg đang nằm yên trên mặt đất. Một cầu thủ đá bóng với một lực 250 N. Thời gian chân tác dụng vào bóng là 0,02 s. Quả bóng bay đi với tốc độ:

A. 0,01 m/s B. 0,10 m/s C. 2,50 m/s D. 10,00 m/s

Lời giải:

Tóm tắt: $m = 0{,}5$ kg; $F = 250$ N; $t = 0{,}02$ s; $v_0 = 0$ (bóng đang nằm yên).

Bước 1: Tính gia tốc của quả bóng theo định luật 2 Newton:

$$a = \dfrac{F}{m} = \dfrac{250}{0{,}5} = 500 \text{ m/s}^2$$

Bước 2: Tính vận tốc của bóng sau thời gian $t = 0{,}02$ s:

$$v = v_0 + a.t = 0 + 500 \times 0{,}02 = 10 \text{ m/s}$$

Vậy chọn đáp án D. 10,00 m/s.

Câu hỏi 3 mục III

Đề bài: Dưới tác dụng của hợp lực 20 N, một chiếc xe đồ chơi chuyển động với gia tốc 0,4 m/s². Dưới tác dụng của hợp lực 50 N, chiếc xe sẽ chuyển động với gia tốc bao nhiêu?

Lời giải:

Bước 1: Tính khối lượng của xe từ trường hợp đầu:

$$m = \dfrac{F_1}{a_1} = \dfrac{20}{0{,}4} = 50 \text{ kg}$$

Bước 2: Tính gia tốc của xe khi chịu hợp lực $F_2 = 50$ N:

$$a_2 = \dfrac{F_2}{m} = \dfrac{50}{50} = 1 \text{ m/s}^2$$

Vậy xe sẽ chuyển động với gia tốc 1 m/s².

Câu hỏi 4 mục III

Đề bài: Tại sao máy bay khối lượng càng lớn thì đường băng phải càng dài?

Lời giải:

Khi máy bay cất cánh, lực đẩy của động cơ tác dụng lên máy bay là $F$ (gần như không đổi). Theo định luật 2 Newton: $a = \dfrac{F}{m}$.

• Máy bay khối lượng càng lớn → gia tốc $a$ càng nhỏ.
• Gia tốc nhỏ → máy bay cần thời gian dài hơn để đạt được vận tốc cất cánh → quãng đường chạy đà dài hơn.

Tương tự, khi hạ cánh, máy bay khối lượng lớn cũng cần đường băng dài để hãm phanh từ tốc độ cao về dừng. Vì vậy đường băng phải càng dài khi máy bay càng nặng.

Em có thể

1. Đề xuất thí nghiệm chứng tỏ gia tốc phụ thuộc vào lực tác dụng và khối lượng

a) Gia tốc phụ thuộc vào độ lớn lực tác dụng:

• Dùng một xe lăn có khối lượng không đổi, được kéo bằng một sợi dây vắt qua ròng rọc, đầu kia treo các quả nặng để tạo lực kéo.
• Lần lượt thay đổi số quả nặng (tăng lực kéo $F$), giữ nguyên khối lượng xe.
• Đo gia tốc của xe trong mỗi lần thí nghiệm.
• Kết quả mong đợi: lực kéo càng lớn thì gia tốc càng lớn ($a$ tỉ lệ thuận với $F$).

b) Gia tốc phụ thuộc vào khối lượng:

• Giữ nguyên lực kéo (cùng số quả nặng treo).
• Thay đổi khối lượng xe (thêm/bớt vật nặng đặt trên xe).
• Đo gia tốc của xe trong mỗi lần thí nghiệm.
• Kết quả mong đợi: khối lượng càng lớn thì gia tốc càng nhỏ ($a$ tỉ lệ nghịch với $m$).

2. Giải thích khối lượng càng lớn thì quán tính càng lớn

Theo định luật 2 Newton: $a = \dfrac{F}{m}$. Với cùng một lực $F$ tác dụng:

• Vật có khối lượng $m$ lớn → gia tốc $a$ nhỏ → vật khó thay đổi vận tốc → có mức quán tính lớn.
• Vật có khối lượng $m$ nhỏ → gia tốc $a$ lớn → vật dễ thay đổi vận tốc → có mức quán tính nhỏ.

Vì vậy, khối lượng là đại lượng đặc trưng cho mức quán tính của vật.

3. Giải thích vì sao ô tô chở hàng nặng khó hãm phanh hơn

Khi hãm phanh, lực hãm $F$ do hệ thống phanh tạo ra gần như không đổi. Theo định luật 2 Newton, gia tốc hãm:

$$a = \dfrac{F}{m}$$

• Khi xe không chở hàng: khối lượng $m$ nhỏ → gia tốc hãm $a$ lớn → xe dừng nhanh, quãng đường phanh ngắn.
• Khi xe chở hàng nặng: khối lượng $m$ lớn → gia tốc hãm $a$ nhỏ → xe dừng chậm, quãng đường phanh dài hơn.

Vì vậy, ô tô chở hàng nặng khó hãm phanh hơn và phải giữ khoảng cách an toàn lớn hơn khi tham gia giao thông.

Thầy Phạm Trần Quốc Anh

(Người kiểm duyệt, ra đề)

Chức vụ: Trưởng ban biên soạn môn Vật Lý THPT

Trình độ: Cử nhân Sư phạm Vật lý, Chứng chỉ hạng II, Chứng chỉ STEM, Ngoại ngữ B1

Kinh nghiệm: 9+ năm kinh nghiệm tại Trường THPT Lê Quí Đôn