Khởi động trang 72

Đề bài: Điều gì ngăn cản thùng hàng (Hình a), khiến nó không thể di chuyển? Tại sao lực đẩy tăng lên (Hình b) mà vẫn không làm cho thùng hàng di chuyển? Có cách nào làm thùng hàng di chuyển dễ dàng hơn không?

Lời giải:

• Lực ngăn cản: chính là lực ma sát nghỉ giữa đáy thùng và mặt sàn.
• Khi lực đẩy tăng (Hình b): lực ma sát nghỉ cũng tăng theo để cân bằng với lực đẩy, nên thùng vẫn chưa di chuyển. Chỉ khi lực đẩy vượt qua giá trị ma sát nghỉ cực đại ($F_0$) thì thùng mới bắt đầu trượt.
• Cách làm thùng di chuyển dễ hơn:
  • Đặt thùng lên các con lăn để chuyển ma sát trượt thành ma sát lăn.
  • Bôi trơn bề mặt tiếp xúc (cát ướt, dầu,…).
  • Tăng thêm số người đẩy để vượt qua lực ma sát nghỉ cực đại.

I. Lực ma sát nghỉ

Câu hỏi 1 mục I

Đề bài: Điều nào sau đây không đúng khi nói về lực ma sát nghỉ?

A. Lực ma sát nghỉ luôn xuất hiện ở bề mặt tiếp xúc giữa hai vật. B. Lực ma sát nghỉ giữ cho các điểm tiếp xúc của vật không trượt trên bề mặt. C. Một vật có thể đứng yên trên mặt phẳng nghiêng mà không cần đến lực ma sát nghỉ. D. Một vật có thể đứng yên trên mặt phẳng ngang mà không cần đến lực ma sát nghỉ.

Lời giải:

Xét từng đáp án:

• A. Đúng – lực ma sát nghỉ xuất hiện ở bề mặt tiếp xúc khi có lực tác dụng song song.
• B. Đúng – đây là tác dụng của ma sát nghỉ.
• C. Sai – vật trên mặt phẳng nghiêng cần có lực ma sát nghỉ giữ lại, nếu không sẽ trượt xuống do trọng lực.
• D. Đúng – trên mặt phẳng ngang, nếu không có lực kéo/đẩy nào, vật vẫn đứng yên mà không cần ma sát nghỉ.

Đáp án không đúng: C.

Câu hỏi 2 mục I

Đề bài: Các tình huống sau đây liên quan đến loại lực ma sát nào?

a) Xoa hai bàn tay vào nhau.

b) Đặt vali lên một băng chuyền đang chuyển động ở sân bay, vali chuyển động cùng với băng chuyền.

Lời giải:

• a) Xoa hai bàn tay vào nhau: hai bàn tay trượt trên nhau → liên quan đến lực ma sát trượt.
• b) Vali chuyển động cùng băng chuyền: vali không trượt trên băng chuyền, chuyển động chung với băng chuyền → liên quan đến lực ma sát nghỉ (ma sát nghỉ giữ vali bám chặt vào băng chuyền).

Hoạt động mục I

Đề bài: Quan sát Hình 18.2 và thảo luận các tình huống sau:

Đặt trên bàn một vật nặng có dạng hình hộp.

• Lúc đầu ta đẩy vật bằng một lực có cường độ nhỏ, vật không chuyển động (Hình 18.2a). Lực nào đã ngăn không cho vật chuyển động?
• Tăng lực đẩy đến một giá trị $F_0$ nào đó (Hình 18.2b) thì vật bắt đầu trượt. Điều đó chứng tỏ gì?
• Khi vật đã trượt, ta chỉ cần đẩy vật bằng một lực nhỏ hơn giá trị $F_0$ mà vẫn duy trì được chuyển động trượt của vật (Hình 18.2c). Điều đó chứng tỏ gì?

Lời giải:

• Tình huống a: Lực ngăn không cho vật chuyển động là lực ma sát nghỉ giữa đáy vật và mặt bàn. Lực ma sát nghỉ có độ lớn bằng lực đẩy nhưng ngược chiều.
• Tình huống b: Khi lực đẩy đạt giá trị $F_0$ thì vật bắt đầu trượt. Điều này chứng tỏ lực ma sát nghỉ có giá trị cực đại là $F_0$. Khi lực đẩy vượt qua giá trị này thì vật bắt đầu chuyển động.
• Tình huống c: Khi vật đã trượt, chỉ cần lực $F < F_0$ vẫn duy trì được chuyển động. Điều này chứng tỏ lực ma sát trượt nhỏ hơn lực ma sát nghỉ cực đại.

II. Lực ma sát trượt

Hoạt động 1 mục II (Thí nghiệm 1)

Đề bài: Kiểm chứng độ lớn của lực ma sát phụ thuộc vào vật liệu và tình trạng của bề mặt tiếp xúc, nhưng không phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc.

Sau khi tiến hành thí nghiệm và ghi kết quả vào Bảng 18.1, thảo luận và phân tích:

a) Nêu các lực tác dụng lên khối gỗ khi mặt tiếp xúc bên dưới nó được kéo trượt đều. Tại sao khi đó số chỉ của lực kế bằng độ lớn của lực ma sát trượt?

b) Sắp xếp thứ tự theo mức tăng dần lực ma sát trên mỗi bề mặt.

c) Điều gì xảy ra đối với độ lớn của lực ma sát trượt khi diện tích tiếp xúc thay đổi, khi vật liệu và tình trạng của bề mặt tiếp xúc thay đổi?

Lời giải:

(Lưu ý: kết quả phụ thuộc vào lần đo thực tế của em. Dưới đây là số liệu mẫu để minh hoạ.)

Bảng 18.1 (số liệu mẫu)

a) Các lực tác dụng lên khối gỗ khi mặt tiếp xúc dưới nó được kéo trượt đều:

• Trọng lực $\vec{P}$ (hướng xuống).
• Phản lực $\vec{N}$ của mặt tiếp xúc (hướng lên).
• Lực kéo của lực kế $\vec{F_k}$ (theo phương ngang, giữ khối gỗ đứng yên).
• Lực ma sát trượt $\vec{F_{ms}}$ do bề mặt tiếp xúc tác dụng lên khối gỗ (cùng chiều với chuyển động của bề mặt, ngược chiều với lực kéo).

Khối gỗ đứng yên trong khi bề mặt trượt đều bên dưới, nên lực kéo và lực ma sát trượt cân bằng nhau:

$$F_k = F_{ms}$$

Do đó, số chỉ của lực kế (chính là $F_k$) bằng độ lớn của lực ma sát trượt.

b) Theo số liệu mẫu, sắp xếp theo mức tăng dần lực ma sát:

$$F_{ms\text{ (giấy)}} < F_{ms\text{ (gỗ)}}$$

c) Khi diện tích tiếp xúc thay đổi (vẫn cùng vật liệu): lực ma sát trượt không thay đổi.

Khi vật liệu hoặc tình trạng bề mặt thay đổi: lực ma sát trượt thay đổi.

Hoạt động 2 mục II (Thí nghiệm 2)

Đề bài: Mối liên hệ giữa độ lớn của lực ma sát trượt với độ lớn của áp lực lên bề mặt tiếp xúc.

Sau khi tiến hành thí nghiệm và ghi kết quả vào Bảng 18.2, thảo luận và phân tích:

a) Điều gì xảy ra đối với độ lớn của lực ma sát trượt khi tăng áp lực lên bề mặt tiếp xúc?

b) Vẽ đồ thị cho thấy sự thay đổi độ lớn của lực ma sát trượt khi tăng dần độ lớn của áp lực.

c) Nêu kết luận về những đặc điểm của lực ma sát trượt.

Lời giải:

(Số liệu mẫu, mỗi khối gỗ có trọng lượng khoảng 0,30 N.)

Bảng 18.2 (số liệu mẫu)

a) Khi tăng áp lực lên bề mặt tiếp xúc, độ lớn của lực ma sát trượt cũng tăng lên.

b) Vẽ đồ thị với trục hoành là áp lực $N$, trục tung là lực ma sát trượt $F_{ms}$: các điểm $(0{,}30; 0{,}09)$, $(0{,}60; 0{,}18)$, $(0{,}90; 0{,}27)$ nằm trên cùng một đường thẳng đi qua gốc toạ độ.

→ Lực ma sát trượt tỉ lệ thuận với áp lực.

c) Kết luận về đặc điểm của lực ma sát trượt:

• Xuất hiện khi vật trượt trên bề mặt tiếp xúc.
• Có phương trùng với bề mặt tiếp xúc, chiều ngược với chiều chuyển động của vật.
• Độ lớn phụ thuộc vào vật liệu và tình trạng của hai bề mặt tiếp xúc.
• Độ lớn tỉ lệ thuận với áp lực lên bề mặt tiếp xúc.
• Độ lớn không phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc.

III. Bài tập ví dụ

Câu hỏi 1 mục III

Đề bài: Các lực tác dụng lên xe chở hàng được quy ước vẽ tại trọng tâm của xe (Hình 18.5):

a) Các lực này có tên gọi là gì?

b) Hãy chỉ ra các cặp lực cân bằng nhau.

Lời giải:

a) Tên gọi các lực:

• $\vec{F_A}$: lực kéo (hoặc lực đẩy) tác dụng theo phương ngang.
• $\vec{F_B}$: trọng lực của xe.
• $\vec{F_C}$: lực ma sát (cản trở chuyển động).
• $\vec{F_D}$: phản lực (lực nâng) của mặt đường tác dụng lên xe.

b) Các cặp lực cân bằng nhau (khi xe đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều):

• $\vec{F_A}$ và $\vec{F_C}$ (theo phương ngang).
• $\vec{F_B}$ và $\vec{F_D}$ (theo phương thẳng đứng).

Câu hỏi 2 mục III

Đề bài: Để đẩy chiếc tủ, cần tác dụng một lực theo phương nằm ngang có giá trị tối thiểu 300 N để thắng lực ma sát nghỉ. Nếu người kéo tủ với lực 35 N và người kia đẩy tủ với lực 260 N, có thể làm dịch chuyển được tủ không? Biểu diễn các lực tác dụng lên tủ.

Lời giải:

Hai người cùng tác dụng lực theo phương ngang, cùng chiều (một kéo, một đẩy):

$$F_{\text{tổng}} = 35 + 260 = 295 \text{ N}$$

So sánh với lực ma sát nghỉ cực đại:

$$F_{\text{tổng}} = 295 \text{ N} < 300 \text{ N}$$

→ Lực tổng nhỏ hơn lực ma sát nghỉ cực đại, nên không thể làm dịch chuyển được tủ.

Biểu diễn các lực tác dụng lên tủ:

• Trọng lực $\vec{P}$: phương thẳng đứng, chiều từ trên xuống.
• Phản lực $\vec{N}$ của sàn: phương thẳng đứng, chiều từ dưới lên.
• Lực kéo $\vec{F_1} = 35$ N: phương nằm ngang.
• Lực đẩy $\vec{F_2} = 260$ N: phương nằm ngang, cùng chiều với $\vec{F_1}$.
• Lực ma sát nghỉ $\vec{F_{msn}} = 295$ N: phương nằm ngang, ngược chiều với $\vec{F_1} + \vec{F_2}$.

IV. Lực ma sát trong đời sống

Câu hỏi mục IV

Đề bài: Nêu vai trò của lực ma sát trong các tình huống sau:

a) Người di chuyển trên đường.

b) Vận động viên thể dục dụng cụ xoa phấn vào lòng bàn tay trước khi nâng tạ.

Lời giải:

a) Người di chuyển trên đường:

Lực ma sát nghỉ giữa bàn chân (hoặc giày) và mặt đường đóng vai trò lực phát động giúp người tiến lên. Nếu không có ma sát (ví dụ trên mặt sàn quá trơn), bàn chân sẽ trượt và người không đi được.

b) Xoa phấn vào lòng bàn tay trước khi nâng tạ:

Phấn làm tăng độ nhám của lòng bàn tay, từ đó tăng lực ma sát giữa tay và thanh tạ. Nhờ đó tay giữ chặt được thanh tạ, không bị trượt khỏi tay khi nâng.

Hoạt động mục IV

Đề bài:

1. Thảo luận để làm sáng tỏ những vấn đề sau:
   • Trong thực tế, có một số trường hợp lực ma sát có tác dụng cản trở chuyển động, nhưng cũng có trường hợp lực ma sát thúc đẩy chuyển động.
   • Vai trò của ma sát trong lĩnh vực thể thao.
2. Nêu một số cách làm giảm ma sát trong kĩ thuật và trong đời sống.

Lời giải:

1. Vai trò hai mặt của lực ma sát:

Ma sát cản trở chuyển động:

• Ma sát giữa các chi tiết máy → làm hao mòn, giảm hiệu suất.
• Ma sát giữa lốp xe và đường khi xe đang chạy → cần lực kéo mạnh hơn.
• Ma sát của không khí với máy bay, ô tô → tốn nhiên liệu hơn.

Ma sát thúc đẩy chuyển động:

• Ma sát giữa bàn chân với mặt đường → giúp người đi được.
• Ma sát giữa lốp xe và mặt đường khi tăng tốc, phanh xe → giúp xe khởi động và dừng lại an toàn.
• Ma sát giữ đinh chặt trong gỗ.

Vai trò trong thể thao:

• Vận động viên chạy điền kinh: cần ma sát lớn giữa giày và đường chạy để đẩy người về phía trước.
• Cử tạ: xoa phấn vào tay để tăng ma sát, giữ tạ chắc hơn.
• Leo núi: giày leo núi có đế gồ ghề để tăng ma sát với đá.
• Ngược lại, trượt băng, trượt tuyết: cần giảm ma sát bằng giày trượt đặc biệt.

2. Một số cách làm giảm ma sát:

• Bôi trơn bề mặt tiếp xúc bằng dầu, mỡ.
• Đánh bóng bề mặt tiếp xúc cho nhẵn.
• Dùng ổ bi, bạc đạn để chuyển ma sát trượt thành ma sát lăn.
• Dùng đệm khí, đệm từ trong tàu cao tốc.
• Thay vật liệu có hệ số ma sát cao bằng vật liệu có hệ số ma sát thấp.

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