Giải bài tập Vật lí lớp 10 Bài 10: Sự rơi tự do

Khởi động trang 44 Vật Lí 10: Năm 1971, nhà du hành vũ trụ người Mỹ David Scott đã đồng thời thả rơi trên Mặt Trăng một chiếc lông chim và một chiếc búa ở cùng một độ cao và nhận thấy cả hai đều rơi xuống như nhau. Em có suy nghĩ gì về hiện tượng này?

Lời giải:

Hiện tượng này chứng tỏ ở trên Mặt Trăng thì 2 vật có khối lượng khác nhau rơi nhanh như nhau.

I. Sự rơi trong không khí

Hoạt động trang 44 Vật Lí 10: Các thí nghiệm (TN) sau đây sẽ giúp chúng ta kiểm tra dự đoán của mình về sự rơi của các vật từ cùng độ cao trong không khí.

TN 1: Thả rơi một viên bi và một chiếc lá.

TN 2: Thả hai tờ giấy giống nhau, nhưng một tờ được vo tròn, một tờ để nguyên

TN 3: Thả rơi hai viên bi có cùng kích thước, một bằng sắt và một bằng thủy tinh.

Từ những thí nghiệm trên, rút ra nhận xét về sự rơi trong không khí.

Lời giải:

TN1: kiểm chứng sự rơi của hai vật khác nhau có khối lượng khác nhau.

TN2: kiểm chứng sự rơi của hai vật có khối lượng giống nhau nhưng tiết diện khác nhau.

TN3: kiểm chứng sự rơi của hai vật có hình dạng,  kích thước giống nhau nhưng khối lượng khác nhau.

Sự rơi trong không khí của các vật phụ thuộc nhiều vào lực cản không khí tác dụng lên vật. Lực cản càng nhỏ so với trọng lực tác dụng lên vật thì vật sẽ rơi càng nhanh và ngược lại.

Câu hỏi 1 trang 44 Vật Lí 10: Trong TN 1, tại sao viên bi rơi nhanh hơn chiếc lá?

Lời giải:

Viên bi rơi nhanh hơn chiếc lá vì chiếc lá có diện tích tiếp xúc không khí lớn nên lực cản không khí lớn hơn nhiều so với trọng lực tác dụng lên chiếc lá, còn viên bi có trọng lượng lớn hơn nhiều so với lực cản tác dụng vào bi nên viên bi rơi nhanh hơn chiếc lá.

Câu hỏi 2 trang 44 Vật Lí 10: Trong TN 2, hai tờ giấy giống nhau, nặng như nhau, tại sao tờ giấy vo tròn lại rơi nhanh hơn?

Lời giải:

Tờ giấy vo tròn có diện tích tiếp xúc với không khí nhỏ hơn nên ít chịu tác dụng lực cản không khí hơn nên rơi nhanh hơn tờ giấy không vo tròn.

Câu hỏi 3 trang 44 Vật Lí 10: Trong TN 3, trọng lượng bi sắt lớn hơn bi thủy tinh, tại sao hai viên bi rơi nhanh như nhau?

Lời giải:

Hai viên bi có trọng lượng khác nhau nhưng có cùng kích thước nên lực cản tác dụng lên 2 viên bi là gần như nhau nên chúng rơi nhanh như nhau.

Câu hỏi trang 44 Vật Lí 10: Theo em nếu loại bỏ được sức cản của không khí, các vật sẽ rơi như thế nào?

Lời giải:

Nếu loại bỏ được sức cản của không khí thì mọi vật đều rơi nhanh như nhau.

II. Sự rơi tự do

Câu hỏi trang 45 Vật Lí 10: Trong các chuyển động sau, chuyển động nào được coi là rơi tự do? Tại sao?

A. Chiếc lá đang rơi.

B. Hạt bụi chuyển động trong không khí.

C. Quả tạ rơi trong không khí.

D. Vận động viên đang nhảy dù.

Lời giải:

A - trọng lượng chiếc lá nhỏ hơn nhiều so với lực cản tác dụng lên chiếc lá nên chiếc lá đang rơi không phải là rơi tự do.

B - ta thấy lực cản không khí lớn hơn rất nhiều so với trọng lượng của hạt bụi, nên hạt bụi chuyển động trong không khí không được coi là rơi tự do

C - quả tạ có trọng lượng lớn hơn rất nhiều so với lực cản không khí nên quả tạ rơi trong không khí được coi là sự rơi tự do.

D - vận động viên đang nhảy dù, dù căng ra làm cho lực cản không khí lớn hơn nhiều lần trọng lượng của vận động viên nên chuyển động này không được coi là rơi tự do.

Đáp án C đúng.

Hoạt động 1 trang 45 Vật Lí 10: Hãy thực hiện thí nghiệm (Hình 10.2) để kiểm tra dự đoán về phương và chiều của sự rơi tự do.

Lời giải:

HS tự tiến hành thí nghiệm thả quả nặng và dự đoán:

Phương: thẳng đứng.

Chiều: từ trên xuống dưới.

Hoạt động 2 trang 45 Vật Lí 10: Dựa vào các đặc điểm về phương của sự rơi tự do, hãy tìm cách kiểm tra bề mặt của bức tường trong lớp học có phải là mặt phẳng thẳng đứng không.

Lời giải:

Rơi tự do có phương thẳng đứng nên nếu thả rơi một vật sát tường thì khi bề mặt của tường phẳng vật sẽ rơi theo phương thẳng đứng, khi tường không phẳng thì vật sẽ bị rơi lệch đi theo phương khác.

Hoạt động 3 trang 45 Vật Lí 10: Hãy nghĩ cách dùng êke tam giác vuông cân và dây dọi để kiểm tra xem sàn lớp mình có phẳng hay không.

Lời giải:

Đặt một cạnh góc vuông của thước chạm mặt sàn. Dùng sợi dây dọi đặt sát vào cạnh còn lại của thước. Nếu mặt sàn phẳng thì phương của dây dọi trùng với cạnh còn lại của thước, nếu không trùng (bị lệch) thì mặt sàn không phẳng.

Câu hỏi trang 45 Vật Lí 10: Hãy căn cứ vào số liệu trong Bảng 10.1 để:

1. Chứng tỏ chuyển động rơi tự do là nhanh dần đều.

2. Tính gia tốc của chuyển động rơi tự do.

Lời giải:

1. Ta đã biết một vật chuyển động thẳng nhanh dần đều không vận tốc đầu thì quãng đường s tính theo công thức: $s=\frac{1}{2}a{t}^2\Rightarrow$s tỉ lệ với bình phương thời gian t.

Khi đó ta có: $\frac{s_2}{s_1}={\left(\frac{t_2}{t_1}\right)}^2.$

Xét cặp số liệu đầu tiên: $\left\{\begin{array}{l}\frac{s_2}{s_1}=\frac{0,197}{0,049}\approx 4,02\\ \frac{t_2^2}{t_1^2}=\frac{0,2^2}{0,1^2}=4\end{array}\right.\Rightarrow \frac{s_2}{s_1}\approx \frac{t_2^2}{t_1^2}$

Tương tự với các cặp số liệu còn lại cũng cho kết quả $\frac{s_2}{s_1}\approx {\left(\frac{t_2}{t_1}\right)}^2.$

Vậy chứng tỏ chuyển động rơi tự do là thẳng nhanh dần đều.

2. Gia tốc: $a=\frac{2s}{t^2}=\frac{2.0,049}{0,1^2}\simeq 9,8\left(m/s^2\right).$

Câu hỏi 1 trang 46 Vật Lí 10: Tại sao độ dịch chuyển và quãng đường đi được trong sự rơi tự do có cùng độ lớn?

Lời giải:

Độ dịch chuyển và quãng đường đi được trong sự rơi tự do có cùng độ lớn vì rơi tự do là chuyển động thẳng và vật không đổi chiều chuyển động.

Câu hỏi 2 trang 46 Vật Lí 10: Hãy nêu cách đo gần đúng độ sâu của một cái giếng mỏ cạn. Coi vận tốc truyền âm trong không khí là không đổi và đã biết.

Lời giải:

Gọi vận tốc truyền âm trong không khí là v, giếng có độ sâu là h.

Thả 1 viên sỏi rơi xuống giếng, dùng đồng hồ bấm giây để đo thời gian từ lúc thả viên sỏi tới lúc người nghe thấy tiếng sỏi rơi xuống đáy giếng.

Cách làm:

Bước 1: Thả hòn sỏi rơi từ miệng giếng, đồng thời bắt đầu bấm đồng hồ tính giờ.

Bước 2: Khi nghe thấy tiếng hòn sỏi rơi xuống đáy thì bấm cho đồng hồ dừng lại.

Kết quả hiện trên đồng hồ chỉ tổng thời gian rơi tự do của sỏi $t_1=\sqrt{\frac{2h}{g}}$ và thời gian tiếng sỏi ở đáy giếng vọng lại $t_2=\frac{h}{v}$.

Như vậy đồng hồ hiện tổng thời gian $t=t_1+t_2,$biết g, v ta sẽ tính được h.

Bài tập Vận dụng

Bài tập vận dụng trang 46 Vật Lí 10: Một người thả một hòn bi rơi từ trên cao xuống đất và đo được thời gian rơi là 3,1 s. Bỏ qua sức cản không khí. Lấy g = 9,8 m/s².

a) Tính độ cao của nơi thả hòn bi so với mặt đất và vận tốc lúc chạm đất.

b) Tính quãng đường rơi được trong 0,5 s cuối trước khi chạm đất.

Lời giải:

a. Độ cao của nơi thả hòn bi so với mặt đất: $h=\frac{1}{2}g{t}^2=47,089\left(m\right).$

Vận tốc lúc vật chạm đất: $v=gt=30,38\left(m/s\right).$

b. Quãng đường vật rơi trong (3,1- 0,5) = 2,6 s đầu:

$s_1=\frac{1}{2}g{t}_1^2=\frac{1}{2}.9,8.2,6^2=33,124\left(m\right).$

Quãng đường rơi được trong 0,5 s cuối trước khi chạm đất:

$s=h-s_1=13,965\left(m\right).$

Em có thể trang 46 Vật Lí 10:

- Vận dụng được những kiến thức về sự rơi tự do vào một số tình huống thực tế đơn giản

- Biết cách xác định phương thẳng đứng và phương nằm ngang.

Lời giải:

- Sử dụng các kiến thức đã học về sự rơi tự do để có thể tính được gia tốc tại nơi làm thí nghiệm, hoặc thời gian rơi, độ cao của nơi thí nghiệm,…

- Xác định phương thẳng đứng và phương nằm ngang nhờ dây dọi, thước eke,…