BÀI 4. SỰ RƠI TỰ DO
A. LÍ THUYẾT TRỌNG TÂM
1. Sự rơi của các vật trong không khí
- Trong không khí các vật rơi nhanh, chậm khác nhau là do lực cản.
- Nếu loại bỏ được lực cản thì các vật rơi như nhau.
2. Sự rơi tự do
+ Sự rơi tự do là sự rơi chỉ dưới tác dụng của trọng lực.
+ Đặc điểm của chuyển động rơi tự do.
- Phương: thẳng đứng
- Chiều: từ trên xuống dưới
- Tính chất chuyển động: thẳng nhanh dần đều với gia tốc rơi tự do \(\vec{g}.\)
+ Vật rơi trong không khí được coi là rơi tự do khi lực cản của không khí rất nhỏ so với trọng lực tác dụng lên vật.
+ Công thức tính vận tốc: v = g.t (vật rơi tự do không vận tốc đầu).
+ Công thức tính quãng đường đi: \(s=\frac{1}{2}g{{t}^{2}}\)
3. Gia tốc rơi tự do
- Tại một nơi nhất định trên Trái Đất và ở gần mặt đất, mọi vật đều rơi tự do với cùng một gia tốc g.
- Gia tốc rơi tự do ở các vĩ độ khác nhau trên Trái đất thì khác nhau.
- Người ta thường lấy g » 9,8 m/s2 hoặc g » 10 m/s2.
B. PHƯƠNG PHÁP GIẢI BÀI TẬP
Dạng 1. Thời gian rơi, quãng đường và vận tốc trong chuyển động rơi tự do.
Cho vật rơi tự do không có vận tốc đầu (thả nhẹ cho rơi) từ độ cao h.
+ Công thức tính vận tốc: v = gt.
+ Quãng đường đi được của vật: \(s=\frac{g{{t}^{2}}}{2}.\)
+ Vận tốc của vật lúc chạm đất: \(v=\sqrt{2gs}.\)
Dạng 2. Phương trình chuyển động và phương trình vận tốc của vật rơi tự do.
+ Chọn trục Oy, gốc tọa độ O, chiều dương và gốc thời gian sao cho việc tính toán là đơn giản nhất.
+ Phương trình chuyển động của vật rơi tự do: \(y={{y}_{0}}+\frac{1}{2}g{{(t-{{t}_{0}})}^{2}}.\)
+ Phương trình vận tốc: \(v=g(t-{{t}_{0}}).\)
+ Khoảng cách giữa hai vật trong quá trình rơi: \(\Delta y=\left| {{y}_{1}}-{{y}_{2}} \right|\)
trong đó y1 và y2 là tọa độ của hai vật tại thời điểm cách nhau một khoảng \(\Delta y.\)
⇒ Khi hai vật gặp nhau: \(\Delta y=\left| {{y}_{1}}-{{y}_{2}} \right|=0\,\,hay\,\,{{y}_{1}}={{y}_{2}}.\)
Dạng 3. Chuyển động của vật bị ném theo phương thẳng đứng.
Ném một vật với vận tốc \({{\vec{v}}_{0}}\) theo phương thẳng đứng. + Sử dụng các công thức của chuyển động thẳng biến đổi đều: \(\left\{ \begin{align} & v={{v}_{0}}+at \\ & s={{v}_{0}}t+\frac{1}{2}a{{t}^{2}} \\ & {{v}^{2}}-v_{0}^{2}=2\text{as} \\ \end{align} \right.\)
+ Nếu chọn chiều dương là chiều chuyển động của vật bị ném thì v0 > 0.
- Ném vật thẳng đứng lên: vật chuyển động chậm dần đều với gia tốc a = - g.
- Ném vật thẳng xuống dưới: vật chuyển động nhanh dần đều với gia tốc a = g.
C. GIẢI BÀI TẬP SÁCH GIÁO KHOA
Câu C1 (trang 24 SGK Vật Lí 10):
Làm 4 thí nghiệm sau:
- Thí nghiệm 1: Thả một tờ giấy và một hòn sỏi.
- Thí nghiệm 2: Thả viên giấy vo tròn, nén chặt và hòn sỏi.
- Thí nghiệm 3: Thả hai tờ giấy cùng kích thước, nhưng một tờ giấy để phẳng còn tờ kia thì vo tròn và nén chặt lại.
- Thí nghiệm 4: Thả hòn bi sắt (trong líp của xe đạp) và một tấm phẳng đặt nằm ngang.
Trả lời các câu hỏi:
– Trong thí nghiệm nào vật nặng rơi nhanh hơn vật nhẹ?
– Trong thí nghiệm nào vật nhẹ rơi nhanh hơn vật nặng?
– Trong thí nghiệm nào hai vật nặng như nhau lại rơi nhanh, chậm khác nhau?
– Trong thí nghiệm nào hai vật nặng, nhẹ khác nhau lại rơi nhanh như nhau?
Trả lời:
- Trong thí nghiệm 1: Thả một tờ giấy và một hòn sỏi : hòn sỏi rơi nhanh hơn (vật nặng rơi nhanh hơn vật nhẹ).
- Thí nghiệm 4: Vật nhẹ rơi nhanh hơn vật nặng (hòn bi nhỏ rơi nhanh hơn một tấm bìa phẳng đặt nằm ngang).
- Thí nghiệm 3: Hai vật nặng như nhau lại rơi nhanh – chậm khác nhau.
- Thí nghiệm 2: Hai vật nặng – nhẹ khác nhau lại rơi nhanh như nhau.
Câu C2 (trang 25 SGK Vật Lí 10):
Sự rơi của những vật nào trong bốn thí nghiệm mà ta đã làm ở trên thế coi là sự rơi tự do?
Trả lời:
Sự rơi của hòn sỏi, hòn bi xe đạp, viên giấy vo tròn là sự rơi tự do. Vì những vật này chịu sức cản của không khí không đáng kể so với trọng lực.
Câu C3 (trang 26 SGK Vật Lí 10):
Phương của chuyển động rơi tự do là phương thẳng đứng. Làm thí nghiệm nào để xác định điều khẳng định này?
Trả lời:
Một quả cẩu nhỏ, nặng (thường bằng chì) được treo bằng sợi dây mảnh. Khi quả cầu nằm cân bằng, phương sợi dây là thẳng đứng chuẩn nhất. Thả vật rơi tự do dọc theo và sát sợi dây, ta sẽ thấy phương rơi là phương sợi dây dọi.
D. CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP
Bài 1 (trang 27 SGK Vật Lí 10) :
Yếu tố nào ảnh hưởng đến sự rơi nhanh, chậm của các vật khác nhau trong không khí?
Lời giải:
Do sức cản của không khí tác dụng lên các vật khác nhau. Ngoài ra các yếu tố: Từ trường, điện trường, lực hấp dẫn của những vật xung quanh… cũng ảnh hưởng đến sự rơi của các vật.
Bài 2 (trang 27 SGK Vật Lí 10) :
Nếu loại bỏ được ảnh hưởng của không khí thì các vật sẽ rơi như thế nào?
Lời giải:
Nếu loại bỏ được ảnh hưởng của không khí thì các vật sẽ rơi nhanh như nhau (rơi tự do).
Bài 4 (trang 27 SGK Vật Lí 10) :
Nêu các đặc điểm của sự rơi tự do.
Lời giải:
Đặc điểm của sự rơi tự do:
- Phương của sự rơi tự do: thẳng đứng
- Chiều: từ trên xuống dưới
- Chuyển động rơi tự do là chuyển động thẳng nhanh dần đều với gia tốc rơi tự do là \(\vec{g}\)
Bài 5 (trang 27 SGK Vật Lí 10) :
Trong trường hợp nào các vật rơi tự do với cùng một gia tốc g?
Lời giải:
Tại một nơi nhất định trên Trái Đất và ở gần mặt đất, các vật đều rơi cùng một gia tốc g.
Bài 6 (trang 27 SGK Vật Lí 10) :
Viết các công thức vận tốc và quãng đường đi được của sự rơi tự do.
Lời giải:
+ Công thức tính vận tốc của sự rơi tự do: v = gt.
+ Công thức tính quãng đường đi: \(s=\frac{1}{2}g{{t}^{2}}\)
Bài 7 (trang 27 SGK Vật Lí 10) :
Chuyển động của vật nào dưới đây sẽ được coi là sự rơi tự do nếu được thả rơi?
A. Một cái lá cây rụng. B. Một sợi chỉ.
C. Một chiếc khăn tay. D. Một mẩu phấn.
Lời giải: Chọn D.
Một mẩu phấn vì viên phấn nhỏ, nhọn nên chịu ít sức cản của không khí.
Bài 8 (trang 27 SGK Vật Lí 10) :
Chuyển động nào dưới đây có thể coi như là chuyển động rơi tự do?
A. Chuyển động của một hòn sỏi được ném lên cao.
B. Chuyển động của một hòn sỏi được ném theo phương nằm ngang.
C. Chuyển động của một hòn sỏi được ném theo phương xiên góc.
D. Chuyển động của một hòn sỏi được thả rơi tự xuống.
Lời giải: Chọn D.
Chuyển động của một hòn sỏi được thả rơi tự xuống. Vì sự rơi tự do có đặc điểm chuyển động của vật theo chiều từ trên xuống dưới theo phương thẳng đứng.
Bài 9 (trang 27 SGK Vật Lí 10) :
Thả một hòn đá từ một độ cao h xuống đất. Hòn đá rơi trong 1 s. Nếu thả hòn đá đó từ độ cao 4h xuống đất thì hòn đá rơi trong bao lâu?
A. 4 s. B. 2 s. C. \(\sqrt{2}\,\,s.\) D. Một đáp án khác.
Lời giải: Chọn B.
Ta có: \(s=\frac{1}{2}g{{t}^{2}}\Rightarrow h=\frac{1}{2}g{{.1}^{2}}\Rightarrow g=2h.\)
Nếu thả hòn đá đó từ độ cao 4h thì: \(4h=\frac{1}{2}g{{t}^{2}}\Leftrightarrow 4h=\frac{1}{2}.2h.{{t}^{2}}\Rightarrow t=2\,s.\)
Bài 10 (trang 27 SGK Vật Lí 10) :
Một vật nặng rơi từ độ cao 20 m xuống đất. Tính thời gian rơi, vận tốc của vật khi chạm đất. Lấy g = 10 m/s2.
Lời giải:
Ta có: \(s=\frac{1}{2}g{{t}^{2}}\Rightarrow t=\sqrt{\frac{2\text{s}}{g}}\)
Thời gian rơi của vật nặng là: \(t=\sqrt{\frac{2\text{h}}{g}}=\sqrt{\frac{2.\text{20}}{10}}=2\,s.\)
Vận tốc của vật khi chạm đất là: v = gt = 10.2 = 20 m/s.
Bài 11 (trang 27 SGK Vật Lí 10) :
Thả một hòn đá rơi từ miệng một cái hang sâu xuống đến đáy. Sau 4 s kể từ lúc bắt đầu thả thì nghe tiếng hòn đá chạm vào đáy. Tính chiều sâu của hang. Biết vận tốc truyền âm trong không khí là 330 m/s. Lấy g = 9,8 m/s2.
Lời giải:
Giai đoạn 1: Hòn đá rơi từ miệng hang xuống đến đáy.
Thời gian hòn đá rơi tự do hết chiều sâu h của hang là: \({{t}_{1}}=\sqrt{\frac{2\text{h}}{g}}\)
Giai đoạn 2: Âm thành hòn đá chạm vào đáy giếng vọng lên đến tai người.
Thời gian âm thanh vọng từ đáy giếng đến tai người là: \({{t}_{2}}=\frac{h}{v}=\frac{h}{330}\)
Theo đề ra ta có: t1 + t2 = 4 s.
\(\Rightarrow \sqrt{\frac{2\text{h}}{g}}+\frac{h}{330}=4\text{s}\Leftrightarrow \sqrt{\frac{2\text{h}}{9,8}}+\frac{h}{330}=4\Rightarrow h=70,3\,m.\)
Vậy chiều sâu của hang là 70,3 m.
Bài 12 (trang 27 SGK Vật Lí 10) :
Thả một hòn sỏi từ trên gác cao xuống đất. Trong giây cuối cùng hòn sỏi rơi được quãng đường 15 m. Tính độ cao của điểm từ đó bắt đầu thả hòn sỏi. Lấy g = 10 m/s2.
Lời giải:
Gọi h là độ cao của điểm hòn sỏi bắt đầu rơi, t là thời gian rơi của hòn sỏi.
Quãng đường hòn sỏi rơi được trong giây cuối cùng là:
\(\begin{align} & s=\frac{1}{2}g{{t}^{2}}-\frac{1}{2}g{{\left( t-1 \right)}^{2}}=15\,m\Leftrightarrow \frac{1}{2}.10.{{t}^{2}}-\frac{1}{2}.10{{\left( t-1 \right)}^{2}}=15 \\ & \Leftrightarrow 5\left( 2t-1 \right)=15\Rightarrow t=2\,s. \\ \end{align}\)
Độ cao h là: \(h=\frac{1}{2}g{{t}^{2}}=\frac{1}{2}{{.10.2}^{2}}=20\,m.\)
Trên đây là gợi ý giải bài tập Vật Lý 10 bài Sự rơi tự do do giáo viên Ican trực tiếp biên soạn theo chương trình mới nhất. Chúc các bạn học tập vui vẻ.