Chọn đến phần học sinh cần nhanh chóng thông qua mục lục bằng cách click đến phần đó
Khởi động trang 44
Đề bài: Năm 1971, nhà du hành vũ trụ người Mỹ David Scott đã đồng thời thả rơi trên Mặt Trăng một chiếc lông chim và một chiếc búa ở cùng một độ cao và nhận thấy cả hai đều rơi xuống như nhau. Em có suy nghĩ gì về hiện tượng này?
Lời giải:
Trên Mặt Trăng không có không khí, nên các vật rơi xuống mà không chịu lực cản của không khí. Khi đó cả chiếc lông chim và chiếc búa đều chỉ chịu tác dụng của trọng lực, nên chúng rơi xuống như nhau dù khối lượng rất khác nhau.
Hiện tượng này chứng tỏ: nếu loại bỏ sức cản không khí thì mọi vật đều rơi nhanh như nhau, không phụ thuộc vào khối lượng nặng hay nhẹ.
I. Sự rơi trong không khí
Hoạt động mục I
Đề bài: Các thí nghiệm (TN) sau đây sẽ giúp chúng ta kiểm tra dự đoán của mình về sự rơi của các vật từ cùng độ cao trong không khí.
- TN 1: Thả rơi một viên bi và một chiếc lá.
- TN 2: Thả hai tờ giấy giống nhau, nhưng một tờ được vo tròn, một tờ để nguyên.
- TN 3: Thả rơi hai viên bi có cùng kích thước, một bằng sắt và một bằng thuỷ tinh.
Từ những thí nghiệm trên, rút ra nhận xét về sự rơi trong không khí.
Lời giải:
Kết quả các thí nghiệm:
- TN 1: viên bi rơi nhanh hơn chiếc lá (vật nặng rơi nhanh hơn vật nhẹ).
- TN 2: hai tờ giấy có khối lượng bằng nhau, nhưng tờ vo tròn rơi nhanh hơn tờ để nguyên.
- TN 3: hai viên bi có khối lượng khác nhau, nhưng rơi nhanh như nhau.
Nhận xét: Sự rơi nhanh hay chậm của một vật trong không khí không phụ thuộc vào vật nặng hay nhẹ (khối lượng), mà phụ thuộc vào lực cản của không khí tác dụng lên vật. Lực cản này phụ thuộc vào hình dạng và kích thước của vật.
Câu hỏi 1 mục I
Đề bài: Trong TN 1, tại sao viên bi rơi nhanh hơn chiếc lá?
Lời giải:
- Viên bi có hình dạng nhỏ gọn, diện tích bề mặt nhỏ → lực cản không khí rất nhỏ so với trọng lực nên bi rơi nhanh.
- Chiếc lá có diện tích bề mặt lớn, khối lượng nhẹ → lực cản không khí lớn so với trọng lực nên lá rơi chậm.
Câu hỏi 2 mục I
Đề bài: Trong TN 2, hai tờ giấy giống nhau, nặng như nhau, tại sao tờ giấy vo tròn lại rơi nhanh hơn?
Lời giải:
Tuy hai tờ giấy có khối lượng bằng nhau, nhưng:
- Tờ giấy vo tròn có diện tích bề mặt tiếp xúc không khí nhỏ → lực cản không khí nhỏ → rơi nhanh.
- Tờ giấy để nguyên có diện tích bề mặt lớn → lực cản không khí lớn → rơi chậm hơn.
Câu hỏi 3 mục I
Đề bài: Trong TN 3, trọng lượng bi sắt lớn hơn bi thuỷ tinh, tại sao hai viên bi rơi nhanh như nhau?
Lời giải:
Hai viên bi có cùng kích thước, cùng hình dạng → lực cản không khí tác dụng lên hai viên bi gần như bằng nhau. Lực cản này lại rất nhỏ so với trọng lượng của cả hai viên bi, nên không làm ảnh hưởng đáng kể đến sự rơi → hai viên bi rơi nhanh như nhau.
Câu hỏi 4 mục I
Đề bài: Theo em, nếu loại bỏ được sức cản của không khí, các vật sẽ rơi như thế nào?
Lời giải:
Nếu loại bỏ được sức cản của không khí thì các vật chỉ còn chịu tác dụng của trọng lực, do đó mọi vật sẽ rơi nhanh như nhau từ cùng một độ cao, không phụ thuộc vào khối lượng hay hình dạng của vật. Đây chính là sự rơi tự do.
II. Sự rơi tự do
Câu hỏi mục II.1
Đề bài: Trong các chuyển động sau, chuyển động nào được coi là rơi tự do? Tại sao?
A. Chiếc lá đang rơi. B. Hạt bụi chuyển động trong không khí. C. Quả tạ rơi trong không khí. D. Vận động viên đang nhảy dù.
Lời giải:
Chọn đáp án C. Quả tạ rơi trong không khí.
Giải thích:
- Quả tạ có khối lượng lớn, hình dạng nhỏ gọn → lực cản không khí rất nhỏ so với trọng lượng nên có thể bỏ qua → được coi là rơi tự do.
- A (chiếc lá), B (hạt bụi), D (vận động viên nhảy dù): đều chịu lực cản không khí đáng kể (do diện tích bề mặt lớn, hoặc khối lượng nhỏ) → không coi là rơi tự do.
Hoạt động 1 mục II.2
Đề bài: Hãy thực hiện thí nghiệm (Hình 10.2) để kiểm tra dự đoán về phương và chiều của sự rơi tự do.
Lời giải (gợi ý thực hành):
- Treo dây dọi bên cạnh để xác định phương thẳng đứng.
- Thả quả nặng rơi từ trên xuống khay đỡ.
- Quan sát: quả nặng rơi dọc theo phương của dây dọi (phương thẳng đứng) và đi xuống.
Kết luận: sự rơi tự do có phương thẳng đứng, chiều từ trên xuống dưới.
Hoạt động 2 mục II.2
Đề bài: Dựa vào đặc điểm về phương của sự rơi tự do, hãy tìm cách kiểm tra bề mặt của bức tường trong lớp học có phải là mặt phẳng thẳng đứng không.
Lời giải:
Dùng một dây dọi treo sát bức tường:
- Nếu dây dọi song song và áp sát bức tường (khoảng cách từ dây tới tường không đổi dọc theo chiều cao) thì bức tường là mặt phẳng thẳng đứng.
- Nếu khoảng cách giữa dây và tường thay đổi (chỗ rộng, chỗ hẹp) thì tường không phải là mặt phẳng thẳng đứng.
Hoạt động 3 mục II.2
Đề bài: Hãy nghĩ cách dùng êke tam giác vuông cân và dây dọi để kiểm tra xem sàn lớp mình có phẳng hay không.
Lời giải:
Cách kiểm tra:
- Treo dây dọi để xác định phương thẳng đứng.
- Đặt êke vuông cân sao cho một cạnh góc vuông trùng với dây dọi → cạnh góc vuông còn lại của êke sẽ vuông góc với phương thẳng đứng, tức là nằm ngang.
- Áp cạnh nằm ngang đó của êke xuống sàn ở nhiều vị trí khác nhau.
- Nếu cạnh êke luôn áp sát sàn (không có khe hở) ở mọi vị trí thì sàn lớp phẳng (và nằm ngang).
Câu hỏi 1 mục II.2
Đề bài: Hãy căn cứ vào số liệu trong Bảng 10.1 để chứng tỏ chuyển động rơi tự do là nhanh dần đều.
Lời giải:
Một chuyển động thẳng nhanh dần đều không vận tốc đầu có quãng đường $s$ tỉ lệ với bình phương thời gian $t$:
$$s = \dfrac{1}{2}.a.t^2 \quad \Rightarrow \quad \dfrac{s}{t^2} = \dfrac{a}{2} = \text{hằng số}$$
Lập tỉ số $\dfrac{s}{t^2}$ với các số liệu trong Bảng 10.1:
| $t$ (s) | $s$ (m) | $t^2$ (s²) | $\dfrac{s}{t^2}$ (m/s²) |
|---|---|---|---|
| 0,1 | 0,049 | 0,01 | 4,9 |
| 0,2 | 0,197 | 0,04 | 4,925 |
| 0,3 | 0,441 | 0,09 | 4,9 |
| 0,4 | 0,785 | 0,16 | 4,906 |
| 0,5 | 1,227 | 0,25 | 4,908 |
Ta thấy các giá trị $\dfrac{s}{t^2}$ gần như bằng nhau (xấp xỉ 4,9 m/s²) → $s$ tỉ lệ với $t^2$ → chuyển động rơi tự do là chuyển động thẳng nhanh dần đều.
Câu hỏi 2 mục II.2
Đề bài: Hãy căn cứ vào số liệu trong Bảng 10.1 để tính gia tốc của chuyển động rơi tự do.
Lời giải:
Từ công thức $s = \dfrac{1}{2}.a.t^2$ ta suy ra:
$$a = \dfrac{2s}{t^2}$$
Theo kết quả ở câu trên, $\dfrac{s}{t^2} \approx 4{,}9$ m/s². Vậy gia tốc rơi tự do:
$$g = a = 2 \times 4{,}9 \approx 9{,}8 \text{ m/s}^2$$
Câu hỏi 3 mục II.2
Đề bài: Tại sao độ dịch chuyển và quãng đường đi được trong sự rơi tự do có cùng độ lớn?
Lời giải:
Vì sự rơi tự do là chuyển động thẳng (theo phương thẳng đứng), không đổi chiều (chỉ đi xuống). Khi vật chuyển động thẳng và không đổi chiều thì độ lớn của độ dịch chuyển luôn bằng quãng đường đi được.
Câu hỏi 4 mục II.2
Đề bài: Hãy nêu cách đo gần đúng độ sâu của một cái giếng mỏ cạn. Coi vận tốc truyền âm trong không khí là không đổi và đã biết.
Lời giải:
Gọi $h$ là độ sâu của giếng, $g$ là gia tốc rơi tự do, $v$ là vận tốc truyền âm trong không khí.
Cách đo:
- Thả một hòn đá rơi tự do từ miệng giếng xuống đáy.
- Dùng đồng hồ bấm giây đo khoảng thời gian $t$ từ lúc thả hòn đá đến lúc nghe được tiếng đá chạm đáy giếng.
Cách tính: thời gian $t$ gồm hai phần:
- $t_1$: thời gian hòn đá rơi từ miệng xuống đáy giếng: $h = \dfrac{1}{2} g t_1^2 \Rightarrow t_1 = \sqrt{\dfrac{2h}{g}}$.
- $t_2$: thời gian âm truyền từ đáy giếng lên miệng giếng: $t_2 = \dfrac{h}{v}$.
Ta có: $t = t_1 + t_2 = \sqrt{\dfrac{2h}{g}} + \dfrac{h}{v}$.
Giải phương trình này (đã biết $g$, $v$, $t$) để tìm được độ sâu $h$ của giếng.
Bài tập vận dụng mục II.3
Đề bài: Một người thả một hòn bi từ trên cao xuống đất và đo được thời gian rơi là 3,1 s. Bỏ qua sức cản không khí. Lấy $g = 9{,}8$ m/s².
a) Tính độ cao của nơi thả hòn bi so với mặt đất và vận tốc lúc chạm đất. b) Tính quãng đường rơi được trong 0,5 s cuối trước khi chạm đất.
Lời giải:
Tóm tắt:
- $t = 3{,}1$ s
- $g = 9{,}8$ m/s²
- $h = ?$; $v_{\text{chạm đất}} = ?$; $\Delta s_{0{,}5 \text{ s cuối}} = ?$
a) Độ cao của nơi thả và vận tốc lúc chạm đất:
Hòn bi rơi tự do nên độ cao của nơi thả bằng quãng đường rơi:
$$h = \dfrac{1}{2}.g.t^2 = \dfrac{1}{2} \times 9{,}8 \times (3{,}1)^2 = \dfrac{1}{2} \times 9{,}8 \times 9{,}61 \approx 47{,}1 \text{ m}$$
Vận tốc lúc chạm đất:
$$v = g.t = 9{,}8 \times 3{,}1 = 30{,}38 \text{ m/s}$$
b) Quãng đường rơi trong 0,5 s cuối:
Bước 1: Tính quãng đường rơi trong toàn bộ thời gian $t = 3{,}1$ s (chính là độ cao $h$ ở câu a):
$$s_1 = h \approx 47{,}089 \text{ m}$$
Bước 2: Tính quãng đường rơi trong $t’ = 3{,}1 – 0{,}5 = 2{,}6$ s đầu:
$$s_2 = \dfrac{1}{2}.g.t’^2 = \dfrac{1}{2} \times 9{,}8 \times (2{,}6)^2 = \dfrac{1}{2} \times 9{,}8 \times 6{,}76 \approx 33{,}124 \text{ m}$$
Bước 3: Quãng đường rơi trong 0,5 s cuối:
$$\Delta s = s_1 – s_2 = 47{,}089 – 33{,}124 \approx 13{,}97 \text{ m}$$
Vậy quãng đường rơi trong 0,5 s cuối trước khi chạm đất là $\Delta s \approx 13{,}97$ m.
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