Giáo án Vật lí Lớp 10 - Chủ đề: Chuyển động thẳng biến đổi đều. Sự rơi tự do chuyển động thẳng biến đổi đều

CHỦ ĐỀ 2: CHUYỂN ĐỘNG THẲNG BIẾN ĐỔI ĐỀU – SỰ RƠI TỰ DO
CHUYỂN ĐỘNG THẲNG BIẾN ĐỔI ĐỀU 
I. Vận tốc tức thời 
1. Vận tốc tức thời:
 Vận tốc tức thời của một vật chuyển động tại một điểm M là đại lượng đo bằng thương số giữa quãng đường rất nhỏ () đi qua M và khoảng thời gian rất ngắn () để vật đi hết quãng đường đó.
 Biểu thức: 
2. Véc tơ vận tốc tức thời: là đại lượng đặc trưng cho chuyển động về sự nhanh, chậm và về phương chiều của vật tại một thời điểm (hay tại một vị trí trên quỹ đạo chuyển động của vật).
- Các đặc điểm của vectơ vận tốc tức thời :
 ● Điểm đặt: tại tâm của vật chuyển động.
 ● Hướng: là hướng của chuyển động.
 ● Độ lớn (gọi là tốc độ tức thời): ​ trong đó là độ dời của vật trong thời gian .
- Tốc kế là dụng cụ để đo tốc độ tức thời (ví dụ: tốc kế trên xe máy). 
 U Lưu ý: Khi nhiều vật chuyển động trên một đường thẳng theo hai chiều ngược nhau, ta phải chọn một chiều dương trên đường thẳng đó và quy ước như sau:
 ● Vật chuyển động theo chiều dương có v > 0. 
 ● Vật chuyển động ngược chiều dương có v < 0.
II - Chuyển động thẳng biến đổi đều
1. Khái niệm: Chuyển động thẳng biến đổi đều là chuyển động có quỹ đạo là đường thẳng và có độ lớn của vận tốc tức thời tăng đều hoặc giảm đều theo thời gian.
 + Chuyển động thẳng có độ lớn vận tốc tức thời tăng đều theo thời gian là chuyển động nhanh dần đều.
 + Chuyển động thẳng có độ lớn vận tốc tức thời giảm đều theo thời gian là chuyển động giảm dần đều.
 Ví dụ: Xét các xe chuyển động trên đường thẳng và có độ lớn vận tốc tức thời như bảng dưới đây:
Thời điểm t
0
2s
4s
6s
8s
Độ lớn vận tốc
Xe 1
10 m/s
10 m/s
10 m/s
10 m/s
10 m/s
Xe 2
0
4 m/s
8 m/s
12 m/s
16 m/s
Xe 3
0
2 m/s
6 m/s
10 m/s
15 m/s
Xe 4
0
5 m/s
10 m/s
15 m/s
20 m/s
Xe 5
m/s
12 m/s
9 m/s
6 m/s
3 m/s
 Nhận xét: - Chuyển động của Xe 1 là chuyển động thẳng đều với tốc độ 10 m/s.
 - Chuyển động của Xe 2 và xe 4 là chuyển động thẳng nhanh dần đều:
 + Xe 2: có vận tốc đầu v0 = 0 và mỗi giây độ lớn vận tốc của xe tăng đều thêm 1 lượng là 2 m/s.
 + Xe 4: có vận tốc đầu v0 = 0 và mỗi giây độ lớn vận tốc của xe tăng đều thêm 1 lượng là 2,5 m/s.
 - Chuyển động của Xe 3 là chuyển động thẳng nhanh dần nhưng không đều (gọi là chuyển động nhanh dần)
 - Chuyển động của Xe 5 là chuyển động thẳng chậm dần đều có vận tốc đầu v0 = 15 và mỗi giây độ lớn vận tốc của xe giảm đều thêm 1 lượng là 1,5 m/s.
2. Gia tốc
- Gia tốc trong chuyển động thẳng biến đổi đều là một đại lượng cho biết cho sự thay đổi độ lớn vận tốc nhanh hay chậm.
 Ví dụ: Trong ví dụ của mục II.1:
 + Xe 1: có gia tốc a = 0 (vì vận tốc không thay đổi).
 + Xe 2: mỗi giây độ lớn vận tốc của xe tăng thêm 2 m/s, ta nói xe có gia tốc a = 2 (a = hằng số, không thay đổi)
 Xe 4: mỗi giây độ lớn vận tốc của xe tăng thêm 2,5 m/s, ta nói xe có gia tốc a = 2,5 (a = hằng số, không thay đổi)
 Xe 4 có sự thay đổi độ lớn vận tốc nhanh hơn xe 2.
 Nhận xét: Trong chuyển động thẳng biến đổi đều: a = hằng số khác không.
 Gia tốc: 	(1)
- Gia tốc là 1 đại lượng vec-tơ có đặc điểm:
● Điểm đặt: tại tâm của vật chuyển động.
● Phương: là phương của chuyển động.
 ● Chiều: + cùng chiều với chuyển động khi vật chuyển động nhanh dần đều 
 + ngược chiều với chuyển động khi vật chuyển động chậm dần đều 
- Đơn vị của gia tốc: m/s2
U Lưu ý: 
 Xét một vật có chiều chuyển động cùng chiều với chiều dương của trục tọa độ v > 0
 ● Nếu vật chuyển động thẳng nhanh dần đều thì (a, v cùng dấu)
 ● Nếu vật chuyển động thẳng chậm dần đều thì (a, v trái dấu)
III. Các công thức của chuyển động thẳng biến đổi đều
1. Vận tốc tại thời điểm t: (1) 
Nếu chọn gốc thời gian tại thời điểm t0 thì t0 = 0. Khi đó: v = v0 + at
 Nhận xét: v là hàm bậc nhất theo thời gian.
2. Quãng đường vật đi được: 
3. Phương trình chuyển động: 
4. Công thức liên hệ giữa v, v0, a, s: 
IV. Vận dụng
Bài 1. Một vật bắt đầu chuyển động thẳng nhanh dần đều với vận tốc ban đầu là 6 m/s và gia tốc 2 m/s2.
 a. Viết phương trình vận tốc theo thời gian của vật. Vẽ đồ thị vận tốc – thời gian.
 b. Sau bao lâu vật đạt vận tốc 18 m/s. Tính quãng đường vật đi được trong thời gian đó.
 c. Với dữ kiện ban đầu của đề bài nhưng chuyển động của vật là chuyển động thẳng chậm dần đều. 
 ● Hãy viết phương trình vận tốc theo thời gian của vật và xác định thời điểm vật dừng lại.
 ● Vẽ đồ thị vận tốc – thời gian.
Mục tiêu của bài tập: 
 - HS chọn được hệ quy chiếu và xác định dữ kiện của đề bài.
 - HS vẽ được đồ thị vận tốc – thời gian. Từ đó, HS có thể nhận biết dạng đồ thị ứng với chuyển động của vật.
 - HS vận dụng được các công thức của chuyển động thẳng biến đổi đều.
Hướng dẫn giải
- Chọn hệ quy chiếu: 
 + Chọn gốc tọa độ: tại vị trí vật bắt đầu chuyển động thẳng nhanh dần đều.
 + Chọn chiều dương: cùng chiều chuyển động của vật.
 + Chọn gốc thời gian: là lúc vật bắt đầu chuyển động thẳng nhanh dần đều.
- Xác định dữ kiện của đề bài: 
 Vì chiều dương cùng chiều chuyển động của vật nên v0 > 0 v0 = 6 m/s
 Vì vật chuyển động nhanh dần đều nên a và v cùng dấu a > 0 a = 2m/s2.
a. Viết phương trình vận tốc
 Thay v0 và a vào phương trình vận tốc: v = v0 + at v = 6 + 2t (m/s) (1)
t(s)
0
1
v(m/s)
6
8
 U Vẽ đồ thị vận tốc – thời gian
 Lập bảng giá trị: 
 b. U Xác định thời gian vật đạt vận tốc v = 18 m/s
	Thay v = 18 m/s vào phương trình vận tốc:
 18 = 6 + 2t t = 6 s.
 U Xác định quãng đường vật đi được
Cách 1
Cách 2
Thay t = 6s vào công thức quãng đường:
Thay dữ liệu vào công thức liên hệ:
 c. - Vẫn xét vật trong hệ quy chiếu ban đầu đã chọn
 - Xác định lại dữ kiện của đề bài: 
 Vì chiều dương cùng chiều chuyển động của vật nên v0 > 0 v0 = 6 m/s
 Vì vật chuyển động chậm dần đều nên a và v trái dấu a < 0 a = - 2m/s2.
 U Viết phương trình vận tốc
 Thay v0 và a vào phương trình vận tốc: v = v0 + at v = 6 - 2t (m/s) (2)
 U Xác định thời điểm vật dừng lại.
 Vật dừng lại v =0
 0 = 6 - 2t t = 3 s
 U Vẽ đồ thị vận tốc – thời gian: 
t(s)
0
1
v(m/s)
6
4
 Lập bảng giá trị: 
U Lưu ý:
 - Khi xác định dữ kiện, ta phải so sánh dữ kiện đề bài cho với hệ quy chiếu đã chọn. Đặc biệt là xác định dấu của vận tốc và gia tốc.
 - Phương trình vận tốc là phương trình bậc nhất theo thời gian nên đồ thị vận tốc – thời gian có dạng là 1 đường thẳng xiên góc:
 ● Nếu vật chuyển động thẳng nhanh dần đều thì đồ thị vận tốc – thời gian là đường thẳng xiên góc hướng ra xa trục Ot.
 ● Nếu vật chuyển động thẳng chậm dần đều thì đồ thị vận tốc – thời gian là đường thẳng xiên góc hướng lại gần trục Ot.
Bài 2. Một ô tô đang đi thẳng đều với vận tốc 72 km/h, khi đến điểm A thì người lái xe thấy phía trước cách xe khoảng 50m có vật cản thì lập tức hãm phanh để xe chuyển động thẳng chậm dần đều và xe đã dừng lại ngay sát vật cản. Chọn gốc tọa độ tại A; gốc thời gian lúc xe bắt đầu hãm phanh; chiều dương là chiều chuyển động của xe.
 a. Xác định gia tốc của xe máy. Và tính tốc độ trung bình của xe trong quá trình hãm phanh.
 b. Viết phương trình chuyển động của xe.
 c. Viết lại phương trình chuyển động của xe nếu chọn Chọn gốc tọa độ tại vị trí xe dừng lại; gốc thời gian lúc xe bắt đầu hãm phanh; chiều dương là ngược chiều chuyển động của xe.
Mục tiêu của bài tập: 
 - HS viết được phương trình chuyển động của vật.
 - HS vận dụng được các công thức của chuyển động thẳng biến đổi đều.
 - HS biết cách xác định x0, v, a trong các hệ quy chiếu khác nhau.
Hướng dẫn giải:
 - Hệ quy chiếu: + Chọn gốc tọa độ tại A; 
 + Gốc thời gian lúc xe bắt đầu hãm phanh; 
 + Chiều dương là chiều chuyển động của xe.
 - Xác định dữ kiện của đề bài: 
 Vì chiều dương cùng chiều chuyển động của vật nên v0 > 0 v0 = 72 km/h = 20 m/s
(Vật dừng lại)
a. U Tính gia tốc
Sử dụng công thức liên hệ: 
 U Tính tốc độ trung bình: 
 + Tìm t: 
 + Tính tốc độ trung bình: 
b. Viết phương trình chuyển động
 (1)
 (Xác định x0, v0, và a. Sau đó thay x0, v0, và a vào phương trình chuyển động)
 Tọa độ ban đầu: x0 = 0; v0 = 20 m/s; a = -4 m/s
 Phương trình chuyển động: (1) x = 20t – 2.t2 (m; s)
c. - Hệ quy chiếu: + Chọn gốc tọa độ tại A; 
 + Gốc thời gian lúc xe bắt đầu hãm phanh; 
 + Chiều dương là chiều chuyển động của xe.
 - Xác định lại dữ kiện của đề bài: 
 Vì chiều dương ngược chiều chuyển động của vật nên v0 < 0 v0 = -20 m/s
 Vì vật chuyển động chậm dần đều nên a và v trái dấu a > 0 a = 4 m/s2.
O
Vật cản
A
x0
(+)
 Tọa độ ban đầu: x0 = xA = 50 m.
 Phương trình chuyển động: x = 50 - 20t + 2.t2 (m; s)
SỰ RƠI TỰ DO
I. Sự rơi trong không khí và sự rơi tự do
a. Sự rơi của các vật trong không khí
 - Trong không khí không phải các vật nặng nhẹ khác nhau thì rơi nhanh chậm khác nhau.
 - Yếu tố quyết định đến sự rơi nhanh chậm của các vật trong không khí là lực cản không khí lên vật và trọng lực tác dụng lên vật.
b. Sự rơi của các vật trong chân không (sự rơi tự do)
 - Nếu loại bỏ được ảnh hưởng của không khí thì mọi vật sẽ rơi nhanh như nhau. Sự rơi của các vật trong trường hợp này gọi là sự rơi tự do.
 - Sự rơi tự do là sự rơi của các vật chỉ dưới tác dụng của trọng lực.
U Lưu ý: Trong thực tế, các vật rơi trên Trái đất đều chịu tác dụng của lực cản không khí nên đối với các vật rơi có độ lớn trọng lực rất lớn so với độ lớn lực cản không khí thì sự rơi đó có thể xem là sự rơi tự do.
II. Nguyên cứu về sự rơi tự do của các vật
1. Những đặc điểm của chuyển động rơi tự do:
- Có phương là phương thẳng đứng (phương của dây dọi).
- Có chiều là chiều từ trên xuống dưới.
- Là chuyển động thẳng nhanh dần đều với v0 = 0 và gia tốc = g (gia tốc rơi tự do).
2. Gia tốc rơi tự do.
- Tại một nơi trên Trái Đất và ở gần mặt đất, các vật đều rơi tự do với cùng một gia tốc g.
- Ở những nơi khác nhau, gia tốc rơi tự do sẽ khác nhau :
 ● Ở địa cực g lớn nhất: g = 9,8324m/s2.
 ● Ở xích đạo g nhỏ nhất: g = 9,7872m/s2
- Nếu không đòi hỏi độ chính xác cao, ta có thể lấy g = 9,8m/s2 hoặc g = 10m/s2.
 Gia tốc g phụ thuộc vĩ độ địa lí, độ cao và cấu trúc địa chất nơi đó.
3. Các công thức của chuyển động rơi tự do 
Chuyển động thẳng biến đổi đều
Chuyển động rơi tự do (v0 = 0 và = g)
U Vận tốc: v = v0 + at
U Quãng đường: 
U Công thức liên hệ: 
U Phương trình chuyển động: 
Chọn hệ quy chiếu: 
 + Gốc tọa độ: tại vị trí thả vật.
 + Chiều dương: cùng chiều vật rơi 
 ()
 + Gốc thời gian: lúc vật bắt đầu rơi
U Vận tốc: v = gt
U Quãng đường: 
U Công thức liên hệ: 
U Phương trình chuyển động: 
III. Vận dụng
Bài tập: Một vật được thả rơi từ độ cao 125 m so với mặt đất. Lấy g = 10 m/s2.
a. Tìm thời gian để vật rơi đến đất.
b. Tìm vận tốc của vật khi chạm đất.
c. Sau khi rơi được 2s thì vật còn cách mặt đất bao nhiêu?
d. Khi vận tốc của vật là 40m/s thì vật còn cách mặt đất bao nhiêu? Còn bao lâu nữa thì vật rơi đến đất?
 Mục tiêu bài tập: 
 - HS vận dụng các công thức của chuyển động rơi tự do.
 - HS phân biệt được quãng đường s và độ cao h của vật so với mặt đất.
Hướng dẫn giải
a. Khi vật bắt đầu rơi đến khi vật chạm đất thì s = h = 125 m
 Thời gian vật rơi: 
b. Vận tốc của vật khi chạm đất: 
c. Quãng đường vật rơi của 2s đầu tiên: 
 Vậy sau 2s đầu tiên vật còn cách mặt đất là: 
d. Thời gian để vật đạt được vận tốc 40m/s là 
 Quãng đường vật rơi trong 4s đầu là: 
 Vật cách mặt đất là 
 Vậy còn 5 – 4 = 1s nữa thì vật chạm đất