Giải sách bài tập Vật lí lớp 10 Bài 10: Ba định luật Newton về chuyển động

A. Trắc nghiệm

Câu 10.1 trang 29 SBT Vật lí 10: Biểu thức nào sau đây là biểu thức của định luật II Newton khi vật có khối lượng không đổi trong quá trình xem xét?

A. $\overrightarrow{a}=\frac{\overrightarrow{F}}{m}$.

B. $F=m.a$.

C. $a=\frac{v-v_0}{t-t_0}$.

D. $\overrightarrow{a}=\frac{\overrightarrow{v}-{\overrightarrow{v}}_0}{t-t_0}$.

Lời giải:

Đáp án đúng là: A

Biểu thức của định luật II Newton khi vật có khối lượng không đổi là: $\overrightarrow{a}=\frac{\overrightarrow{F}}{m}$.

Câu 10.2 trang 29 SBT Vật lí 10: Những nhận định nào sau đây là đúng?

1. Khi vật chỉ chịu tác dụng của lực $\overrightarrow{F}$ thì gia tốc $\overrightarrow{a}$ mà vật thu được cùng phương nhưng ngược chiều với $\overrightarrow{F}$.

2. Khi vật chỉ chịu tác dụng của lực $\overrightarrow{F}$ thì gia tốc $\overrightarrow{a}$ mà vật thu được cùng hướng với $\overrightarrow{F}$.

3. Khi vật chịu tác dụng của hai lực cân bằng thì gia tốc $\overrightarrow{a}$ của vật thu được khác không.

4. Khi vật chịu tác dụng của nhiều lực thì gia tốc $\overrightarrow{a}$ của vật thu được cùng hướng với lực tổng hợp tác dụng lên vật.

A. 2, 4.

B. 1, 3.

C. 1, 4.

D. 3, 4.

Lời giải:

Đáp án đúng là: A

Những nhận định đúng là:

2. Khi vật chỉ chịu tác dụng của lực $\overrightarrow{F}$ thì gia tốc $\overrightarrow{a}$ mà vật thu được cùng hướng với $\overrightarrow{F}$.

4. Khi vật chịu tác dụng của nhiều lực thì gia tốc $\overrightarrow{a}$ của vật thu được cùng hướng với lực tổng hợp tác dụng lên vật.

Câu 10.3 trang 29 SBT Vật lí 10: Khối lượng là đại lượng đặc trưng cho

A. trọng lượng của vật.

B. tác dụng làm quay của lực quanh một trục.

C. thể tích của vật.

D. mức quán tính của vật.

Lời giải:

Đáp án đúng là: D

Khối lượng là đại lượng đặc trưng cho mức quán tính của vật.

Câu 10.4 trang 29 SBT Vật lí 10: Chọn phát biểu đúng:

A. Khi vật bị biến dạng hoặc vận tốc của vật thay đổi thì chắc chắn đã có lực tác dụng lên vật.

B. Khi một vật đang chuyển động mà đột nhiên không còn lực nào tác dụng lên vật nữa thì vật sẽ dừng lại ngay lập tức.

C. Lực là nguyên nhân gây ra chuyển động vì khi ta tác dụng lực lên một vật đang đứng yên thì vật đó bắt đầu chuyển động.

D. Theo định luật I Newton, nếu một vật không chịu tác dụng của lực nào thì vật phải đứng yên.

Lời giải:

Đáp án đúng là: A

A đúng

B sai vì khi vật đang chuyển động mà đột nhiên không còn lực nào tác dụng thì vật sẽ chuyển động chậm dần rồi dừng lại nếu có lực ma sát. Nếu bỏ qua ma sát thì vật sẽ chuyển động thẳng đều.

C sai vì lực không phải là nguyên nhân gây ra chuyển động.

D sai

Câu 10.5 trang 30 SBT Vật lí 10: Một chiếc xe buýt trên sông (thuyền) đang chuyển động trên sông Sài Gòn như Hình 10.1. Xét một khoảng thời gian nào đó, thuyền đang chuyển động thẳng đều và giả sử rằng trên phương nằm ngang thuyền chỉ chịu tác dụng bởi lực đẩy của động cơ và lực cản của nước. Nhận xét nào sau đây là đúng?

A. Lực đẩy của động cơ và lực cản của nước có độ lớn không bằng nhau.

B. Lực đẩy của động cơ và lực cản của nước có cùng phương và cùng chiều.

C. Lực đẩy của động cơ và lực cản của nước có độ lớn bằng nhau.

D. Lực đẩy của động cơ và lực cản của nước là hai lực trực đối.

Lời giải:

Đáp án đúng là: C

Thuyền chuyển động thẳng đều, chỉ chịu tác dụng bởi lực đẩy của động cơ và lực cản của nước thì hợp lực của hai lực này bằng 0.

Hai lực này có độ lớn bằng nhau, cùng phương, ngược chiều.

Câu 10.6 trang 30 SBT Vật lí 10: Một lực không đổi tác dụng vào một vật có khối lượng 7,5 kg làm vật thay đổi tốc độ từ 8 m/s đến 3 m/s trong khoảng thời gian 2 s nhưng vẫn giữ nguyên chiều chuyển động. Lực tác dụng vào vật có giá trị là:

A. 18,75 N.

B. 18,75 N.

C. 20,5 N.

D. 20,5 N.

Lời giải:

Đáp án đúng là: B

Chọn chiều dương là chiều chuyển động của vật.

Gia tốc của vật là:

$a=\frac{v-v_0}{\Delta t}=-2,5m/s^2$

Áp dụng định luật II Newton, ta có:

$$\begin{gathered} F=m.a=7,5.\left(-2,5\right) \\ =-18,75N \end{gathered}$$

Câu 10.7 trang 30 SBT Vật lí 10: Một vật chuyển động trong không khí, trong nước hoặc trong chất lỏng nói chung đều sẽ chịu tác dụng của lực cản. Xét một viên bi thép có khối lượng 1 g đang ở trạng thái nghỉ được thả rơi trong dầu. Người ta khảo sát chuyển động của viên bi trong dầu và vẽ đồ thị tốc độ theo thời gian của viên bi như Hình 10.2. Cho biết lực đẩy Archimecdes có độ lớn là $F_A=1,{2.10}^{-3}N$ và lấy g=9,8 m/s². Độ lớn lực cản của dầu tác dụng lên viên bi sau thời điểm t₂ là:

A. $8,{6.10}^{-3}N$.

B. $8,{7.10}^{-3}N$.

C. $8,8{.10}^{-3}N$.

D. $8,9{.10}^{-3}N$.

Lời giải:

Đáp án đúng là: A

Gọi F_c (N) là độ lớn lực cản do dầu tác dụng lên viên bi.

Dựa vào đồ thị, ta thấy kể từ thời điểm t₂ trở về sau thì viên bi sẽ chuyển động thẳng đều.

Viên bi chịu tác dụng của trọng lực và lực đẩy Ác si mét, lực cản của dầu.

Theo định luật II Newton, vật chuyển động đều nên $\overrightarrow{F_c}+\overrightarrow{P}+\overrightarrow{F_A}=\overrightarrow{0}$

Chọn chiều dương thẳng đứng hướng xuống, ta có:

Lực cản tác dụng lên vật:

$$\begin{gathered} F_c=P-F_A=mg-F_A \\ =0,001.9,8-1,{2.10}^{-3}=8,{6.10}^{-3}N \end{gathered}$$

Câu 10.8* trang 31 SBT Vật lí 10: Trên đường khô ráo, một người đang lái xe với tốc độ v thì nhìn thấy đèn xanh ở xa còn 3 giây nên quyết định hãm phanh để xe chuyển động chậm dần đều. Biết sau khi hết đèn xanh, đèn vàng sẽ hiện trong 2 giây rồi đến đèn đỏ. Khi đèn vừa chuyển sang màu đỏ thì xe dừng lại (Hình 10.3).

Khi đường trơn tượt, để đảm bảo an toàn, người lái xe hãm phanh sao cho độ lớn của tổng hợp lực khi này bằng $\frac{5}{8}$ lần so với khi đường khô ráo. Hỏi người lái xe phải bắt đầu hãm phanh kể từ khi nhìn thấy đèn xanh còn lại bao nhiêu giây, ứng với tốc độ lúc hãm phanh cũng là v, để vừa dừng lại khi bắt đầu có tín hiệu đèn đỏ?

A. 5 s.         B. 6 s.         

C. 7 s.          D. 8 s.

Lời giải:

Đáp án đúng là: B

Chọn chiều dương là chiều chuyển động của xe.

Gọi v (m/s) là tốc độ của xe ngay trước khi hãm phanh.

Khi đường khô ráo, tổng thời gian xe thực hiện chuyển động thẳng chậm dần đều là:

Δt = 5 s

Gia tốc của xe là: $a=\frac{0-v}{\Delta t}$

Khi đường trơn trượt, thì độ lớn tổng hợp lực tác dụng lên xe bằng $\frac{5}{8}$ lần so với khi đường khô ráo:

$F\text{'}=\frac{5}{8}F\Rightarrow a\text{'}=\frac{5}{8}a$

Từ đây, ta có:

$$\begin{gathered} \frac{0-v}{\Delta t\text{'}}=\frac{5}{8}.\frac{0-v}{\Delta t} \\ \Rightarrow \Delta t\text{'}=\frac{8}{5}\Delta t=8s \end{gathered}$$

Từ đó ta suy ra thời gian còn lại của đèn xanh là: 8 2 = 6s.

B. Tự luận

Bài 10.1 trang 31 SBT Vật lí 10: Xét một quyển sách đang được đặt nằm yên trên mặt đất. Cho rằng cuốn sách chỉ chịu tác dụng của trọng lực và phản lực của mặt bàn. Em hãy chỉ ra các lực trực đối tương ứng với các lực vừa nêu.

Lời giải:

- Lực trực đối với trọng lực là lực do vật hút Trái Đất đặt vào Trái Đất.

- Lực trực đối với phản lực của mặt bàn là lực ép của cuốn sách lên mặt bàn.

Bài 10.2 trang 31 SBT Vật lí 10: Hãy xếp mức quán tính của các vật sau theo thứ tự tăng dần: điện thoại nặng 217 g; một chồng sách nặng 2 400 g; xe máy nặng 134 kg; laptop nặng 2,2 kg; ô tô nặng 1,4 tấn. Giải thích cách sắp xếp của em.

Lời giải:

Vì khối lượng là đại lượng đặc trưng cho mức quán tính, vật có khối lượng càng lớn thì mức quán tính càng lớn, nên ta có cách sắp xếp sau:

Điện thoại → laptop → một chồng sách → xe máy → ô tô.

Bài 10.3 trang 32 SBT Vật lí 10: Hãy giải thích tại sao để đạt được cùng một vận tốc từ trạng thái đứng yên, xe có khối lượng càng lớn sẽ tốn nhiều thời gian để tăng tốc hơn nếu lực kéo của động cơ là như nhau đối với các xe đang xét.

Lời giải:

Dựa vào công thức định luật II Newton $\overrightarrow{a}=\frac{\overrightarrow{F}}{m}$, ta thấy với cùng một lực thì vật có khối lượng càng lớn sẽ có gia tốc càng nhỏ nên có sự thay đổi vận tốc chậm hơn.

Bài 10.4 trang 32 SBT Vật lí 10: Để giảm tai nạn giữa tàu hỏa và các phương tiện giao thông đường bộ khác, tại các vị trí giao nhau của đường sắt và đường bộ, người ta thường có lắp đặt các thanh chắn (barrier). Khi đèn báo hiệu có tàu đến, barrier sẽ được kéo xuống và tất cả các phương tiện tham gia giao thông không được đi qua đường ray. Dựa vào kiến thức đã học, em hãy giải thích tại sao barrier cần lại được kéo xuống sớm vài phút trước khi tàu đến.

Lời giải:

Tàu hỏa có khối lượng rất lớn nên mức quán tính của tàu lớn, tàu phải mất nhiều thời gian để giảm tốc độ nếu có sự xuất hiện của vật cản. Nếu các barrier được kéo xuống trễ và có phương tiện giao thông đi qua, tàu sẽ không kịp dừng lại, dẫn đến xảy ra tai nạn. Do đó, để đảm bảo an toàn, barrier cần được kéo xuống sớm vài phút trước khi tàu đến.

Bài 10.5 trang 32 SBT Vật lí 10: Một lực có độ lớn không đổi 2,5 N tác dụng vào một vật có khối lượng 200 g đang đứng yên. Quãng đường mà vật đi được trong khoảng thời gian 4 s tiếp theo bằng bao nhiêu? Biết lực ma sát có tác dụng không đáng kể, có thể bỏ qua.

Lời giải:

Áp dụng định luật II Newton, ta có:

$a=\frac{F}{m}=\frac{2,5}{0,2}=12,5m/s^2$

Quãng đường vật đi được:

$$\begin{gathered} s=\frac{1}{2}a.t^2=\frac{1}{2}.12,{5.4}^2 \\ =100m \end{gathered}$$

Bài 10.6 trang 32 SBT Vật lí 10: Lần lượt tác dụng một lực có độ lớn không đổi F lên vật 1 có khối lượng m₁ và vật 2 có khối lượng m₂ thì thấy gia tốc của hai vật có độ lớn lần lượt là 5 m/s² và 10 m/s². Hỏi nếu tác dụng lực này lên vật 3 có khối lượng

m₃ = m₁ m₂ thì độ lớn gia tốc của 3 vật bằng bao nhiêu?

Lời giải:

Ta có:

$$\begin{gathered} a_2=2a_1\Rightarrow \frac{F}{m_2}=2\frac{F}{m_1} \\ \Rightarrow m_1=2m_2 \end{gathered}$$

$\Rightarrow m_3=m_1-m_2=m_2$

Do hai vật cùng chịu một lực tác dụng nên:

$a_3=a_2=10m/s^2$

Bài 10.7 trang 32 SBT Vật lí 10: Một viên bi có khối lượng 3 kg ở trạng thái nghỉ được thả rơi tại độ cao 5 m so với mặt đất tại nơi có gia tốc trọng trường 9,8 m/s². Biết rằng trong quá trình chuyển động, vật chỉ chịu tác dụng của trọng lực và lực cản của không khí có độ lớn không đáng kể. Xác định vận tốc của viên bi ngay trước khi nó chạm đất.

Lời giải:

Chọn chiều dương là chiều chuyển động của vật.

Áp dụng định luật II Newton cho chuyển động của vật, ta có:

$a=\frac{F}{m}=\frac{P}{m}=\frac{m.g}{m}=g$

Ta có: 

$$\begin{gathered} v^2-v_0^2=2a.s \\ \Rightarrow v=\sqrt{2a.s}=\sqrt{2.9,8.5}\approx 9,9m/s \end{gathered}$$

Vậy vận tốc của vật ngay trước khi va chạm có chiều thẳng đứng hướng xuống và có độ lớn 9,9 m/s.

Bài 10.8 trang 32 SBT Vật lí 10: Một người mua hàng đẩy giỏ xe ban đầu đứng yên bởi một lực có độ lớn không đổi F thì nhận thấy phải mất t giây để xe đạt được tốc độ v. Biết rằng ban đầu giỏ xe không chứa hàng hóa và khối lượng của xe khi đó là m. Hỏi sau khi hàng được đặt trong giỏ xe thì người này cần phải tác động một lực F’ bằng bao nhiêu so với F để xe cũng đạt được tốc độ v từ trạng thái nghỉ sau t giây? Biết khối lượng hàng hóa là $\frac{m}{2}$.

Lời giải:

Gia tốc trong cả hai trường hợp là bằng nhau: a = a’

Theo định luật II Newton, suy ra:

$$\begin{gathered} \frac{F}{m}=\frac{F\text{'}}{m\text{'}} \\ \iff \frac{F}{m}=\frac{F\text{'}}{m+\frac{m}{2}} \\ \iff F\text{'}=1,5F \end{gathered}$$

Bài 10.9 trang 32 SBT Vật lí 10: Một xe lăn có khối lượng 50 kg đang đứng yên trên mặt sàn nằm ngang thì chịu tác dụng bởi một lực kéo không đổi theo phương ngang làm cho xe chuyển động từ đầu phòng đến cuối phòng trong khoảng thời gian 15s. Nếu người ta đặt lên xe một kiện hàng thì nhận thấy thời gian chuyển động của xe lúc này là 25 s dưới tác dụng của lực trên. Xem mọi ma sát và lực cản của không khí là không đáng kể. Khối lượng của kiện hàng được đặt lên xe là bao nhiêu?

Lời giải:

Gọi d là khoảng cách từ đầu phòng đến cuối phòng

+ Khi chưa đặt kiện hàng lên xe:

$$\begin{gathered} d=\frac{1}{2}{a}_1.t_1^2=\frac{1}{2}{.15}^2.a_1 \\ =112,5a_1\left(1\right) \end{gathered}$$

+ Khi đã đặt kiện hàng lên xe:

$$\begin{gathered} d=\frac{1}{2}{a}_2.t_2^2=\frac{1}{2}{.25}^2.a_2 \\ =312,5a_2\left(2\right) \end{gathered}$$

Từ (1) và (2), suy ra:

$$\begin{gathered} 112,5a_1=312,5a_2 \\ \iff 112,5.\frac{F}{50}=312,5.\frac{F}{50+m} \end{gathered}$$

$\iff \frac{112,5}{50}=\frac{312,5}{50+m}$$\Rightarrow m=\frac{800}{9}\approx 88,89kg$

Bài 10.10* trang 33 SBT Vật lí 10: Một tàu chở hàng có tổng khối lượng là 4,0.10⁸ kg đang vận chuyển hàng hóa đến nơi tiếp nhận thì đột nhiên động cơ tàu bị hỏng, lúc này gió thổi tàu chuyển động thẳng về phía đá ngầm với tốc độ không đổi 0,8m/s. Khi tàu chỉ còn cách bãi đá ngầm một khoảng 1 200 m thì gió ngưng thổi, đồng thời động cơ cũng được sửa chữa xong và hoạt động lại. Tuy nhiên bánh lái của tàu bị kẹt và vì vậy, tàu chỉ có thể tăng tốc lùi thẳng ra xa khỏi bãi đá ngầm (Hình 10.4). Biết lực do động cơ sinh ra có độ lớn 8,0.10⁴ N và lực cản xem như không đáng kể.

a. Tàu có va chạm với bãi đá ngầm không? Nếu vụ va chạm xảy ra thì lượng hàng hóa trên tàu có được an toàn không? Biết vỏ tàu có thể chịu được va đập ở tốc độ tối đa 0,45m/s.

b. Lực tối thiểu do động cơ sinh ra phải bằng bao nhiêu để không xảy ra va chạm giữa tàu và bãi đá ngầm.

Lời giải:

a. Gọi v là tốc độ của tàu ngay trước khi tàu lùi ra xa bãi đá ngầm.

Áp dụng phương trình định luật II Newton, ta có:

$\overrightarrow{a}=\frac{\overrightarrow{F}}{m}\Rightarrow \overrightarrow{F}=m.\overrightarrow{a}$ (1)

Chọn trục Ox hướng từ trái sang phải và chiếu (1) lên trục Ox, ta có:

$$\begin{gathered} -F=m.a\iff a=-\frac{F}{m} \\ =-\frac{{8.10}^4}{{4.10}^8}=-\frac{1}{5000}m/s^2 \end{gathered}$$

Vì a < 0 nên tàu chuyển động thẳng chậm dần đều.

Gọi v_s là tốc độ của tàu khi đến bãi đá ngầm, ta có:

$v_s^2-v^2=2a.s$

$\iff v_s=\sqrt{2a.s+v^2}=\sqrt{2.\left(\frac{-1}{5000}\right).1200+0,8^2}=0,4m/s$

Nhận thấy $0m/s\le v_s=0,4m/s\le 0,45m/s$ nên tàu có va chạm với bãi đá ngầm nhưng hàng hóa trong tàu vẫn được an toàn.

b. Dễ thấy khi lực do động cơ sinh ra là nhỏ nhất để không xảy ra va chạm thì tàu sẽ dừng lại ngay tại bãi đá ngầm, nghĩa là v’_s = 0 m/s.

Ta có:

$$\begin{gathered} a\text{'}=-\frac{v^2}{2s}=-\frac{0,8^2}{2.1200} \\ =-\frac{1}{3750}m/s^2 \end{gathered}$$

Lực tối thiểu do động cơ sinh ra để tránh va chạm là:

$$\begin{gathered} F=m.a\text{'}\approx {4.10}^8.\left(\frac{-1}{3750}\right) \\ =-10,{67.10}^{4}N \end{gathered}$$

Dấu “-” thể hiện lực đẩy của động cơ ngược chiều chuyển động của tàu để tránh va chạm.

Vậy động cơ cần tạo ra một lực đẩy có độ lớn tối thiểu là 10,67.10⁴N để tránh va chạm với đá ngầm.