Mở đầu trang 40 Vật lí 10: Trong giải đua F1 (Hình 7.1), các tay đua phải hoàn thành một chặng đua dài khoảng 300 km trong khoảng thời gian ngắn nhất. Trong quá trình đua, các tay đua bắt buộc phải vào trạm dừng thay lốp mới và nạp thêm nhiên liệu. Trong khảng thời gian từ khi xe vào trạm dừng đến khi xe tăng tốc trở lại đường đua, ta thấy vận tốc của xe đã có sự thay đổi rõ rệt. Đại lượng nào đặc trưng cho sự thay đổi vận tốc của xe?

Lời giải:

Đại lượng đặc trưng cho sự thay đổi vận tốc của xe là gia tốc.

I. Đồ thị vận tốc - Thời gian trong chuyển động thẳng và khái niệm gia tốc

Câu hỏi 1 trang 40 Vật lí 10: Làm thế nào ta có thể xác định được vận tốc tức thời dựa vào phương án thí nghiệm gợi ý?

Phương pháp giải:

Biểu thức tính vận tốc tức thời là: $v=\frac{d}{t}$

Lời giải:

Để xác định được vận tốc tức thời, ta cần đo được độ dịch chuyển trong những khoảng thời gian ngắn bằng nhau

Giải vật lí 10 trang 41 Chân trời sáng tạo

Câu hỏi 2 trang 41 Vật lí 10: Cần chọn gốc tọa độ, gốc thời gian như thế nào để việc xác định độ dịch chuyển và thời điểm trong thí nghiệm được thuận tiện?

Phương pháp giải:

Vận dụng kiến thức thực tiễn

Lời giải:

Chọn gốc tọa độ và gốc thời gian tại vị trí cổng quang điện A.

Câu hỏi 3 trang 41 Vật lí 10: Dựa vào bảng số liệu, hãy xác định giá trị trung bình và sai số của phép đo thời gian viên bi chuyển động từ A đến B và thời gian chắn cổng quang điện B. Từ đó xác định giá trị trung bình và sai số của vận tốc tức thời tại B ứng với từng giá trị độ dịch chuyển. Vẽ đồ thị vận tốc tức thời tại B theo thời gian chuyển động tAB vào giấy kẻ ô.

Phương pháp giải:

Biểu thức tính thời gian trung bình: $\overline{t}=\frac{t_1+t_2+...+t_n}{n}$

Sai số tuyệt đối: $\mathrm{\Delta }{t}_i=\left|\overline{t}-t_i\right|$

Sai số tuyệt đối trung bình của n lần đo: $\overline{\mathrm{\Delta }t}=\frac{\mathrm{\Delta }{t}_1+\mathrm{\Delta }{t}_2+...+\mathrm{\Delta }{t}_n}{n}$

Lời giải:

- Giá trị trung bình thời gian của viên bi chuyển động từ A đến B là:

+ AB = 10 cm: $\overline{t}=\frac{0,292+0,293+0,292}{3}\approx 0,292(s)$

+ AB = 20 cm: $\overline{t}=\frac{0,422+0,423+0,423}{3}\approx 0,423(s)$

+ AB = 30 cm: $\overline{t}=\frac{0,525+0,525+0,525}{3}=0,525(s)$

+ AB = 40 cm: $\overline{t}=\frac{0,609+0,608+0,609}{3}\approx 0,609(s)$

+ AB = 50 cm: $\overline{t}=\frac{0,609+0,608+0,609}{3}\approx 0,609(s)$

- Sai số của phép đo thời gian viên bi chuyển động từ A đến B:

+ AB = 10 cm:

$\begin{array}{l}\mathrm{\Delta }{t}_1=\left|0,292-0,292\right|=0\\ \mathrm{\Delta }{t}_2=\left|0,293-0,292\right|=0,001\\ \mathrm{\Delta }{t}_3=\left|0,292-0,292\right|=0\\ \Rightarrow \overline{\mathrm{\Delta }t}=\frac{0,001}{3}\approx 3,{33.10}^{-4}(s)\end{array}$

Tương tự cho các đoạn còn lại, ta có:

+ AB = 20 cm: $\overline{\mathrm{\Delta }t}=3,{33.10}^{-4}(s)$

+ AB = 30 cm: $\overline{\mathrm{\Delta }t}=0$

+ AB = 40 cm: $\overline{\mathrm{\Delta }t}=3,{33.10}^{-4}(s)$

+ AB = 50 cm: $\overline{\mathrm{\Delta }t}=0$

- Giá trị trung bình và sai số của thời gian chắn cổng quang điện tại B:

+ AB = 10 cm: $\overline{t}=0,031;\overline{\mathrm{\Delta }t}=0$

+ AB = 20 cm: $\overline{t}=0,022;\overline{\mathrm{\Delta }t}=3,{33.10}^{-4}$

+ AB = 30 cm: $\overline{t}=0,018;\overline{\mathrm{\Delta }t}=0$

+ AB = 40 cm: $\overline{t}=0,016;\overline{\mathrm{\Delta }t}=3,{33.10}^{-4}$

+ AB = 50 cm: $\overline{t}=0,014;\overline{\mathrm{\Delta }t}=3,{33.10}^{-4}$

- Tốc độ tức thời tại B:

+ AB = 10 cm: $\overline{v_B}=\frac{d}{\overline{t_B}}=\frac{10}{0,031}\approx 322,58(cm/s)$

+ AB = 20 cm: $\overline{v_B}=\frac{d}{\overline{t_B}}=\frac{20}{0,022}\approx 909,09(cm/s)$

+ AB = 30 cm: $\overline{v_B}=\frac{d}{\overline{t_B}}=\frac{30}{0,018}\approx 1666,67(cm/s)$

+ AB = 40 cm: $\overline{v_B}=\frac{d}{\overline{t_B}}=\frac{40}{0,016}=2500(cm/s)$

+ AB = 50 cm: $\overline{v_B}=\frac{d}{\overline{t_B}}=\frac{50}{0,014}\approx 3571,43(cm/s)$

- Vẽ đồ thị:

Giải vật lí 10 trang 42 Chân trời sáng tạo

Câu hỏi 4 trang 42 Vật lí 10: Nêu một số ví dụ khác về chuyển động có vận tốc thay đổi theo thời gian.

Phương pháp giải:

Liên hệ thực tế

Lời giải:

+ Một tàu hỏa bắt đầu xuất phát từ nhà gas và chuyển động nhanh dần

+ Một viên bi rơi từ trên cao xuống dưới, chuyển động nhanh dần

+ Một xe máy đang đi trên đường, gặp vật cản thì phanh gấp

Giải vật lí 10 trang 43 Chân trời sáng tạo

Luyện tập trang 43 Vật lí 10: Một xe buýt bắt đầu rời khỏi bến, khi đang chuyển động thẳng đều thì thấy một chướng ngại vật, người lái xe hãm phanh để dừng lại. Hãy nhận xét tính chất chuyển động của xe buýt, mối liên hệ về hướng của vận tốc và gia tốc từ lúc bắt đầu chuyển động cho tới khi dừng lại.

Trả lời:

- Tính chất chuyển động của xe: xe đang chuyển động đều thì gặp chướng ngại vật, xe chuyển động chậm dần

- Mối liên hệ về hướng của vận tốc và gia tốc

+ Bắt đầu rời bến, xe chuyển động đều: a và v cùng hướng

+ Xe chuyển động chậm dần đều: a và v cùng phương nhưng ngược chiều.

Vận dụng trang 43 Vật lí 10: Trong cuộc đua xe F1, hãy giải thích tại sao ngoài tốc độ tối đa thì gia tốc của xe cũng là một yếu tố rất quan trọng quyết định kết quả cuộc đua.

Phương pháp giải:

Trong chuyển động thẳng biến đổi đều đều được chia ra làm hai loại:

+ Chuyển động thẳng nhanh dần đều, vận tốc tăng đều theo thời gian, $\overrightarrow{a}$ và $\overrightarrow{v}$ cùng chiều

+ Chuyển động thẳng chậm dần đều, vận tốc giảm đều theo thời gian, $\overrightarrow{a}$ và $\overrightarrow{v}$ ngược chiều

Lời giải:

Nếu $\overrightarrow{a}$ và $\overrightarrow{v}$ cùng chiều thì xe đi nhanh hơn do xe được tác dụng thêm một lực cùng chiều với hướng chuyển động của xe và ngược lại nếu $\overrightarrow{a}$ và $\overrightarrow{v}$ ngược chiều thì xe sẽ bị một lực cản trở làm xe đi chậm hơn.

Giải vật lí 10 trang 44 Chân trời sáng tạo

Câu hỏi 5 trang 44 Vật lí 10: Nhận xét về tính chất chuyển động của vật có đồ thị (v – t) được biểu diễn trong Hình 7.7

Phương pháp giải:

Quan sát hình vẽ

+ Độ dốc đi lên, vận tốc tăng dần theo thời gian, vật chuyển động nhanh dần đều

+ Độ dốc nằm ngang, vận tốc không thay đổi theo thời gian, vật chuyển động thẳng đều

+ Độ dốc đi xuống, vận tốc giảm dần theo thời gian, vật chuyển động chậm dần đều.

Lời giải:

Từ A đến B, vật chuyển động nhanh dần đều

Từ B đến D, vật chuyển động thẳng đều

Từ D đến F, vật chuyển động chậm dần đều

Giải vật lí 10 trang 45 Chân trời sáng tạo

II. Các phương trình của chuyển động thẳng biến đổi đều

Câu hỏi 6 trang 45 Vật lí 10: Rút ra phương trình liên hệ giữa gia tốc, vận tốc và độ dịch chuyển.

Lời giải:

Phương trình liên hệ giữa gia tốc, vận tốc và độ dịch chuyển là:

$v^2-v_0^2=2.a.d$

Trong đó:

+ v: vận tốc sau của vật (m/s)

+ v0 : vận tốc ban đầu của vật (m/s)

+ a: gia tốc của vật (m/s2 )

+ d: độ dịch chuyển (m).

- Lời giải bài tập Vật lí lớp 10 Chân trời sáng tạo chi tiết giúp học sinh dễ dàng làm bài tập Vật lí 10.

Giải vật lí 10 trang 47 Chân trời sáng tạo

Bài tập (trang 47)

Bài 1 trang 47 Vật lí 10: Một máy bay chở khách đạt tốc độ cất cánh là 297 km/h ở cuối đoạn đường băng sau 30 giây từ lúc bắt đầu lăn bánh. Giả sử máy bay chuyển động thẳng, hãy tính gia tốc trung bình của máy bay trong quá trình này.

Phương pháp giải:

Biểu thức tính gia tốc: $a=\frac{v_2-v_1}{t_2-t_1}$

Lời giải:

Đổi 297 km/h = 82,5 m/s

Gia tốc trung bình của máy bay trong quá trình bay là:

$a=\frac{v_2-v_1}{t_2-t_1}=\frac{82,5}{30}=2,75(m/s^2)$

Bài 2 trang 47 Vật lí 10: Xét một vận động viên chạy xe đạp trên một đoạn đường thẳng. Vận tốc của vận động viên này tại mỗi thời điểm được ghi lại trong bảng dưới đây.

Hãy vẽ đồ thị vận tốc – thời gian và mô tả tính chất chuyển động của vận động viên này.

Phương pháp giải:

+ Độ dốc đi lên, vận tốc tăng dần theo thời gian, vật chuyển động nhanh dần đều

+ Độ dốc nằm ngang, vận tốc không thay đổi theo thời gian, vật chuyển động thẳng đều

+ Độ dốc đi xuống, vận tốc giảm dần theo thời gian, vật chuyển động chậm dần đều.

Lời giải:

Đồ thị vận tốc – thời gian

Mô tả chuyển động của vận động viên:

+ Từ 0 – 5 s đầu, vận động viên chuyển động thẳng đều

+ Từ 5 – 20 s tiếp theo, vận động viên chuyển động nhanh dần

+ Từ 20 – 30 s, vận động viên chuyển động thẳng đều

+ Từ 30 – 45 s, vận động viên chuyển động nhanh dần

+ Từ 45 – 50 s, vận động viên chuyển động thẳng đều.

Bài 3 trang 47 Vật lí 10: Một ô tô chạy với tốc độ 54 km/h trên đoạn đườn thẳng thì người lái xe hãm phanh cho ô tô chạy thẳng chậm dần đều. Sau khi chạy thêm 250 m thì tốc độ của ô tô chỉ còn 5 m/s.

a) Hãy tính gia tốc của ô tô.

b) Xác định thời gian ô tô chạy thêm được 250 m kể từ khi bắt đầu hãm phanh.

c) Xe mất thời gan bao lâu để dừng hẳn kể từ lúc hãm phanh?

Phương pháp giải:

Biểu thức trong chuyển động biến đổi đều:

$\begin{array}{l}v=v_0+a.t\\ v^2-v_0^2=2.a.d\end{array}$

1 m/s = 3,6 km/h

Lời giải:

Ta có v0 = 54 km/h = 15 m/s; v = 5 m/s; d = 250 m

a) Gia tốc của ô tô là:

$a=\frac{v^2-v_0^2}{2.d}=\frac{5^2-{15}^2}{2.250}=-0,4(m/s^2)$

b) Thời gian ô tô chạy thêm được 250 m kể từ khi bắt đầu hãm phanh là:

$t=\frac{v-v_0}{a}=\frac{5-15}{-0,4}=25(s)$

c) Khi dừng hẳn thì v = 0 m/s

Thời gian kể từ lúc hãm phanh đến khi xe dừng hẳn là:

$t=\frac{v-v_0}{a}=\frac{0-15}{-0,4}=37,5(s)$

Bài 4 trang 47 Vật lí 10

Chất điểm chuyển động có đồ thị vận tốc theo thời gian như hình 7P1

a) Mô tả chuyển động của chất điểm.

b) Tính quãng đường mà chất điểm đi được từ khi bắt đầu chuyển động cho tới khi dừng lại.

Phương pháp giải:

Quan sát hình

Biểu thức tính quãng đường trong chuyển động biến đổi đều

$a=\frac{v-v_0}{t}\Rightarrow s=\frac{v^2-v_0^2}{2.a}$

Biểu thức tính quãng đường trong chuyển động thẳng đều:

$s=v.t$

Lời giải:

a) Mô tả chuyển động của chất điểm:

+ Từ 0 – 2 s, vật chuyển động thẳng nhanh dần đều

+ Từ 2 – 7 s, vật chuyển động thẳng đều

+ Từ 7 – 8 s, vật chuyển động thẳng chậm dần đều

b) Quãng đường vật đi được trong 2 s đầu là:

$a_1=\frac{5-0}{2}=2,5(m/s^2)\Rightarrow s_1=\frac{5^2-0^2}{2.2}=6,25(m)$

Quãng đường vật đi được từ 2 – 7 s là:

$s_2=5.(7-2)=25(m)$

Quãng đường vật đi được từ 7 – 8 s là:

$a_3=\frac{0-5}{8-7}=-5(m/s^2)\Rightarrow s_3=\frac{0^2-5^2}{2.(-5)}=2,5(m)$

=> Quãng đường mà chất điểm đi được từ lúc bắt đầu đến khi dừng hẳn là:

S = 6,25 + 25 + 2,5 = 33,75 (m)

Bài 5 trang 47 Vật lí 10: Một người đứng ở sân ga nhìn thấy đoàn tùa bắt đầu chuyển động. Người này nhìn thấy toa thứ nhất chạy qua trước mắt mình trong 10 s. Hãy tính thời gian toa thứ chín chạy qua người này. Giả sử chuyển động của tàu hỏa là nhanh dần đều và xem khoảng cách giữa các toa tàu là không đáng kể.

Phương pháp giải:

Biểu thức tính quãng đường trong chuyển động biến đổi đều:

$s=x_0+v_{0}t+\frac{1}{2}a{t}^2$

Lời giải:

Chọn gốc tọa độ và gốc thời gian là lúc xe bắt đầu xuất phát.

=> x0 = 0; v0 = 0

Gọi chiều dài 1 toa tàu là s

=> Chiều dài của 9 toa tàu là 9.s

Thời gian người nhìn thấy toa thứ nhất đi qua là 10 giây nên ta có:

$s=\frac{1}{2}.a{.10}^2=50.a$

=> Thời gian đi hết toa thứ 9 là:

$t=\sqrt{\frac{2s_9}{a}}=\sqrt{\frac{\mathrm{2.9.}s}{a}}=\sqrt{\frac{\mathrm{2.9.50.}a}{a}}=\sqrt{\mathrm{2.9.50}}=30(s)$

Xem thêm các bài giải SGK Vật lí lớp 10 Chân trời sáng tạo hay, chi tiết khác:

Bài 6: Thực hành đo tốc độ của vật chuyển động thẳng đều

Bài 8: Thực hành đo gia tốc rơi tự do

Bài 9: Chuyển động ném

Bài 10: Ba định luật Newton về chuyển động

Lý thuyết Gia tốc – Chuyển động thẳng biến đổi đều

1. Đồ thị vận tốc - Thời gian trong chuyển động thẳng biến đổi đều và Khái niệm gia tốc

a. Thí nghiệm khảo sát chuyển động biến đổi

Mục đích: Đo được vận tốc tức thời tại từng thời điểm của vật chuyển động biến đổi.

Các dụng cụ và bố trí thí nghiệm như hình dưới

b. Gia tốc

- Đại lượng đặc trưng cho độ biến thiên của vật tốc theo thời gian được gọi là gia tốc. Trong chuyển động thẳng, gia tốc trung bình được xác định theo biểu thức

$a_{tb}=\frac{\Delta v}{\Delta t}=\frac{v_2-v_1}{\Delta t}$

- Gia tốc tức thời tại một thời điểm có giá trị bằng độ dốc của tiếp tuyến của đồ thị vận tốc – thời gian (v – t) tại thời điểm đó

- Trong hệ SI, gia tốc có đơn vị là m/s²

- Do vận tốc là một đại lượng vecto nên gia tốc cũng là đại lượng vecto

- Gia tốc trung bình được xác định: ${\overrightarrow{a}}_{tb}=\frac{\Delta \overrightarrow{v}}{\Delta t}=\frac{{\overrightarrow{v}}_2-{\overrightarrow{v}}_1}{\Delta t}$

- Dựa vào giá trị của gia tốc tức thời để phân chuyển động thành những loại sau:

+ a = 0: chuyển động thẳng đều, vật có độ lớn vận tốc không đổi.

+ a ≠ 0 và bằng hằng số: chuyển động thẳng biến đổi đều, vật có độ lớn vật tốc thay đổi (tăng hoặc giảm) đều theo thời gian.

+ a ≠ 0 nhưng không phải hằng số: chuyển động thẳng biến đổi phức tạp.

c. Vận dụng đồ thị (v – t) xác định độ dịch chuyển

- Độ dịch chuyển của vật trong khoảng thời gian từ t₁ đến t₂ được xác định bằng phần diện tích giới hạn bởi các đường v(t), v = 0, t = t₁, t = t₂ trong đồ thị (v – t)

2. Các phương trình của chuyển động thẳng biến đổi đều

a. Các phương trình của chuyển động thẳng biến đổi đều

- Phương trình gia tốc: a = hằng số

- Phương trình vận tốc: v = v_o + a.t (do chọn t₀ = 0)

- Phương trình độ dịch chuyển: $d=\frac{1}{2}a.t^2+v_o.t$

- Phương trình xác định tọa độ của vật chuyển động thẳng biến đổi đều không đổi chiều: $x=\frac{1}{2}a.t^2+v_o.t+x_o$

- Phương trình liên hệ giữa gia tốc, vận tốc và độ dịch chuyển: $v^2-v_o^2=2a.d$

- Đồ thị (d – t) của chuyển động thẳng biến đổi đều được biểu diễn là một nhánh parabol