Khởi động trang 77

Đề bài: Một hãng ô tô sử dụng cùng loại động cơ cho hai chiếc ô tô A và B có khối lượng như nhau. Khi cho hai ô tô này chạy thử nghiệm trên cùng quãng đường 100 km, với cùng tốc độ 72 km/h, các kĩ sư thấy rằng ô tô A tiêu thụ ít nhiên liệu hơn nhiều so với ô tô B. Tại sao lại có sự khác biệt như vậy?

Lời giải:

Mặc dù hai ô tô có cùng động cơ, khối lượng và tốc độ, nhưng hình dạng của chúng khác nhau:

• Ô tô A có dạng thuôn dài, khí động học → chịu lực cản của không khí nhỏ.
• Ô tô B có dạng vuông vức hơn → chịu lực cản của không khí lớn hơn.

Lực cản lớn khiến ô tô B phải tốn nhiều năng lượng hơn để duy trì cùng một tốc độ, vì vậy tiêu thụ nhiều nhiên liệu hơn ô tô A.

I. Lực cản của chất lưu

Hoạt động mục I.2

Đề bài:

a) Bằng cảm nhận trực giác, em thử đoán xem độ lớn của lực cản phụ thuộc vào những yếu tố nào?

b) Em hãy tìm những thí nghiệm để chứng minh cho những dự đoán của em.

Lời giải:

a) Dự đoán: Độ lớn của lực cản phụ thuộc vào:

• Hình dạng của vật (thuôn hay cồng kềnh).
• Tốc độ chuyển động của vật.
• Loại chất lưu (không khí, nước, dầu,…).
• Diện tích phần vật tiếp xúc với chất lưu (theo phương chuyển động).

b) Thí nghiệm chứng minh:

• Thí nghiệm 1 (về tốc độ): Đạp xe đạp lần lượt với tốc độ chậm rồi nhanh. Khi đạp nhanh, em sẽ cảm thấy gió thổi vào mặt mạnh hơn → lực cản tăng theo tốc độ.
• Thí nghiệm 2 (về hình dạng): Thả hai tờ giấy có cùng khối lượng từ cùng độ cao: một tờ để phẳng, một tờ vò tròn. Tờ vò tròn rơi nhanh hơn vì có lực cản nhỏ hơn.
• Thí nghiệm 3 (về chất lưu): Cùng một quả bóng, di chuyển trong không khí dễ dàng hơn nhiều so với di chuyển dưới nước → lực cản của nước lớn hơn lực cản của không khí.

Câu hỏi mục I.2

Đề bài:

1. Trong hình ở phần mở đầu bài học, ô tô nào chịu lực cản nhỏ hơn?
2. Nêu thêm một số ví dụ chứng tỏ lực cản của không khí liên quan đến hình dạng và tốc độ của vật.

Lời giải:

1. Ô tô A chịu lực cản nhỏ hơn vì có dạng thuôn, khí động học hơn ô tô B.

2. Một số ví dụ:

• Xe đua, máy bay, tàu cao tốc đều có hình dạng thuôn dài, mũi nhọn để giảm lực cản của không khí.
• Khi nhảy dù, dù mở rộng có diện tích lớn → lực cản không khí lớn → làm giảm tốc độ rơi.
• Khi đi xe đạp càng nhanh thì cảm giác gió thổi vào người càng mạnh → lực cản tăng theo tốc độ.
• Vận động viên đua xe thường cúi sát người xuống để giảm diện tích chịu gió, từ đó giảm lực cản.

Hoạt động mục I

Đề bài: Quan sát Hình 19.2 và thảo luận để làm sáng tỏ về lực cản của nước phụ thuộc vào hình dạng của các vật chuyển động trong nước như thế nào.

Lời giải:

Quan sát Hình 19.2, ta thấy:

• Tàu cao tốc và mô tô trên nước đều có thân thuôn dài, mũi nhọn để rẽ nước.
• Vận động viên bơi thường nằm sấp, duỗi thẳng người, hai tay duỗi về phía trước tạo thành dạng thuôn.
• Cá heo có thân hình thuôn, đầu nhọn, đuôi mảnh.

→ Tất cả đều có hình dạng thuôn, mũi nhọn để giảm lực cản của nước, từ đó di chuyển nhanh và tiết kiệm năng lượng hơn.

Kết luận: Lực cản của nước phụ thuộc vào hình dạng của vật. Vật có dạng thuôn, mũi nhọn thì lực cản nhỏ; vật có hình dạng cồng kềnh, nhiều cạnh thì lực cản lớn.

II. Lực nâng của chất lưu

Câu hỏi 1 mục II

Đề bài: Chuồn chuồn có thể bay lượn trong không trung. Tại sao chúng không bị rơi xuống đất do trọng lực (Hình 19.5b)?

Lời giải:

Chuồn chuồn không bị rơi xuống đất vì khi vẫy cánh, cánh chuồn chuồn đập xuống không khí và không khí tác dụng lại lên cánh một lực nâng hướng lên trên.

Khi lực nâng cân bằng với trọng lực ($F_n = P$), chuồn chuồn lơ lửng được trong không trung.

Câu hỏi 2 mục II

Đề bài: Biểu diễn các lực tác dụng lên một khinh khí cầu đang lơ lửng trong không khí (Hình 19.5a).

Lời giải:

Khinh khí cầu đang lơ lửng trong không khí chịu tác dụng của hai lực cân bằng:

• Trọng lực $\vec{P}$: phương thẳng đứng, chiều từ trên xuống, đặt tại trọng tâm khinh khí cầu.
• Lực nâng của không khí $\vec{F_n}$: phương thẳng đứng, chiều từ dưới lên, đặt tại khinh khí cầu.

Vì khinh khí cầu lơ lửng (đứng yên) nên hai lực này có cùng độ lớn: $F_n = P$.

Câu hỏi 3 mục II

Đề bài: Hình 19.6 biểu diễn các vectơ lực tác dụng lên một máy bay đang bay ngang ở độ cao ổn định với tốc độ không đổi. Nếu khối lượng tổng cộng của máy bay là 500 tấn thì lực nâng có độ lớn bao nhiêu?

Lời giải:

Máy bay bay ngang ở độ cao ổn định và với tốc độ không đổi → máy bay đứng cân bằng theo cả hai phương.

Xét theo phương thẳng đứng: lực nâng cân bằng với trọng lực.

$$F_n = P = m \cdot g$$

Đổi đơn vị: $m = 500$ tấn $= 500\,000$ kg. Lấy $g = 9{,}8$ m/s²:

$$F_n = 500\,000 \times 9{,}8 = 4\,900\,000 \text{ N} = 4{,}9 \times 10^6 \text{ N}$$

Vậy lực nâng có độ lớn $F_n = 4{,}9 \times 10^6$ N.

Câu hỏi 4 mục II

Đề bài: Nêu những điểm khác biệt giữa lực cản và lực nâng.

Lời giải:

Những điểm khác biệt giữa lực cản và lực nâng:

Em có thể trang 79

Đề bài:

1. Giải thích tại sao các phương tiện giao thông tốc độ cao lại cần có hình con thoi.
2. Chỉ ra được lực nâng và lực cản tác dụng lên máy bay khi hạ cánh hoặc cất cánh.

Lời giải:

1. Các phương tiện giao thông tốc độ cao (ô tô đua, máy bay, tàu cao tốc,…) cần có hình con thoi (dạng thuôn dài, hai đầu nhọn) vì:

• Hình dạng này giúp giảm lực cản của không khí (hoặc của nước).
• Khi tốc độ càng cao, lực cản càng lớn. Hình con thoi giúp phương tiện vượt qua lực cản dễ hơn.
• Nhờ vậy phương tiện tiết kiệm nhiên liệu và đạt tốc độ cao hơn.

2. Lực nâng và lực cản tác dụng lên máy bay:

Khi cất cánh:

• Động cơ tạo lực đẩy lớn, máy bay tăng tốc trên đường băng.
• Khi tốc độ đủ lớn, lực nâng của không khí lên cánh máy bay vượt qua trọng lực → máy bay rời mặt đất bay lên.
• Cùng lúc đó, lực cản của không khí tác dụng ngược chiều chuyển động, cản trở tốc độ máy bay.

Khi hạ cánh:

• Phi công giảm lực đẩy của động cơ → máy bay giảm tốc.
• Lực nâng giảm xuống nhỏ hơn trọng lực → máy bay hạ dần độ cao.
• Khi tiếp đất, các thiết bị phanh (cánh tà, dù hãm,…) làm tăng lực cản để máy bay nhanh chóng dừng lại.

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