Giải bài tập Vật lí lớp 10 Bài 15: Định luật 2 Newton

Khởi động trang 63 Vật Lí 10: Đẩy một xe chở hàng cho nó chuyển động và nhận xét xem gia tốc của xe tăng hay giảm, nếu:

a) Giữ nguyên lực đẩy nhưng khối lượng xe tăng lên (Hình a và b).

b) Giữ nguyên khối lượng nhưng lực đẩy tăng lên (Hình b và c).

Lời giải:

a. Giữ nguyên lực đẩy nhưng khối lượng xe tăng lên thì xe khó di chuyển hơn nên vận tốc khó thay đổi, vì vậy gia tốc giảm.

b. Giữ nguyên khối lượng nhưng lực đẩy tăng lên làm xe thay đổi vận tốc nhanh hơn nên gia tốc tăng.

I. Định luật 2 Newton

II. Khối lượng và quán tính

Câu hỏi 1 trang 64 Vật Lí 10: Nêu một số ví dụ cho thấy khối lượng của vật càng lớn thì mức quán tính của vật càng lớn. Điều này có ý nghĩa gì trong thực tiễn?

Lời giải:

Ví dụ 1: Xe chở hàng càng nặng thì càng khó hãm phanh hơn.

Ví dụ 2: Máy bay có khối lượng lớn nên cần đường bay dài để cất cánh hoặc hạ cánh vì máy bay có khối lượng lớn nên mức quán tính lớn dẫn đến cần nhiều thời gian để thay đổi vận tốc.

Ý nghĩa: Cho phép ta so sánh được khối lượng của những vật làm bằng các chất khác nhau. Chúng sẽ có khối lượng bằng nhau nếu như dưới tác dụng của hợp lực như nhau, chúng có gia tốc như nhau.

Câu hỏi 2 trang 64 Vật Lí 10: Cho đồ thị biểu diễn mối liên hệ giữa các lực tác dụng lên một vật và gia tốc gây ra tương ứng (Hình 15.1). Khối lượng của vật là

A. 1,0 kg.

B. 2,0 kg.

C. 0,5 kg.

D. 1,5 kg.

Lời giải:

Từ đồ thị ta thấy khi gia tốc a = 1 m/s² thì lực F = 0,5 N nên khối lượng vật: $m=\frac{F}{a}=0,5\left(kg\right).$ 

Chọn C.

III. Thí nghiệm minh họa định luật 2 Newton

Hoạt động trang 64 Vật Lí 10: Thí nghiệm được thiết lập như Hình 15.2.

Dụng cụ:

- Một xe trượt có khối lượng  M = 200 g được buộc vào một sợi dây vắt qua rãnh của ròng rọc. Coi dây không dãn và có khối lượng không đáng kể.

- Một hộp đựng 10 quả nặng giống nhau, có cùng khối lượng m = 50 g.

- Một máng trượt đệm khí với các lỗ nhỏ thổi không khí (nhằm giảm tối đa ma sát khi di chuyển trên máng trượt).

- Bộ đếm thời gian gồm: một đồng hồ điện tử, hai cổng quang (đặt cách nhau 0,5 m) và tấm chắn sáng dài 10 cm.

- Vật ở thí nghiệm này phải được hiểu là hệ vật gồm xe trượt và các quả nặng.Như vậy khối lượng của vật có thể là (M + m), (M + 2.m), … còn lực kéo F là trọng lượng của các quả nặng, cụ thể là F₁ = m.g, F₂ = 2.m.g

Tiến hành:

Bước 1: Lực kéo F có độ lớn tăng dần 1 N, 2 N và 3 N (bằng cách móc thêm các quả nặng vào đầu dây vắt qua ròng rọc).

Bước 2: Ghi vào Bảng 15.1 độ lớn lực kéo F và tổng khối lượng của hệ (gồm xe trượt và các quả nặng đặt vào xe), ứng với mỗi lần thí nghiệm.

Bước 3: Đo thời gian chuyển động t của xe; đồng hồ bắt đầu đếm từ lúc tấm chắn sáng đi qua cổng quang điện 1 và kết thúc đếm khi tấm chắn vượt qua cổng quang điện 2.

Bước 4: Gia tốc a được tính từ công thức: $\text{d}=v_0.t+\frac{1}{2}.a.t^2$ (đặt xe trượt có gắn tấm chắn sáng sao cho tấm chắn này sát với cổng quang điện 1 để v₀ = 0; s = 0,5 m là khoảng cách giữa hai cổng quang điện trong thí nghiệm). Đo thời gian t ứng với mỗi lần thí nghiệm, ta tính được: $a=\frac{2.d}{t^2}=\frac{2.0,5}{t^2}=\frac{1}{t^2}(m/s^2).$ Ghi giá trị của gia tốc a vào Bảng 15.1

Kết quả thí nghiệm ghi trong Bảng 15.1.

Thảo luận:

a) Dựa vào số liệu trong Bảng 15.1, hãy vẽ đồ thị sự phụ thuộc của gia tốc a:

- Vào F (ứng với m + M = 0,5 kg), (Hình 15.3a). Đồ thị có phải là đường thẳng không? Tại sao?

- Vào $\frac{1}{m+M}$(ứng với F = 1 N), (Hình 15.3b). Đồ thị có phải là đường thẳng không? Tại sao?

b) Nêu kết luận về sự phụ thuộc của gia tốc vào độ lớn của lực tác dụng và khối lượng của vật.

Lời giải:

a.

Ta có $\frac{F}{a}=\frac{1}{1,99}\approx \frac{2}{4,03}\approx \frac{3}{5,67}\approx 0,5$.

Vậy tỉ số $\frac{F}{a}$ gần như không đổi nên đồ thị a - F gần như là một đường thẳng.

Ta thấy đồ thị sự phụ thuộc của a vào $\frac{1}{m+M}$ gần như một đường thẳng.

b. Kết luận: Gia tốc tỉ lệ thuận với lực tác dụng và tỉ lệ nghịch với khối lượng của vật.

Câu hỏi 1 trang 66 Vật Lí 10: Trong các cách viết hệ thức của định luật 2 Newton sau đây, cách viết nào đúng?

A. $\overrightarrow{F}=m.a.$

B. $\overrightarrow{F}=-m.\overrightarrow{a}.$

C. $\overrightarrow{F}=m.\overrightarrow{a}.$

D. $-\overrightarrow{F}=m.\overrightarrow{a}.$

Lời giải:

Theo định luật II Newton có: $\overrightarrow{a}=\frac{\overrightarrow{F}}{m}\Rightarrow \overrightarrow{F}=m.\overrightarrow{a}\Rightarrow$ Chọn C.

Câu hỏi 2 trang 66 Vật Lí 10: Một quả bóng khối lượng 0,50 kg đang nằm yên trên mặt đất. Một cầu thủ đá bóng với một lực 250 N. Thời gian chân tác dụng vào quả bóng là 0,02 s. Quả bóng bay đi với tốc độ:

A. 0,01 m/s.

B. 0,10 m/s.

C. 2,50 m/s.

D. 10,00 m/s.

Lời giải:

Gia tốc của quả bóng: $a=\frac{F}{m}=\frac{250}{0,5}=500\left(m/s^2\right).$ 

Mặt khác $a=\frac{v-v_0}{t}\Rightarrow 500=\frac{v-0}{0,02}\Rightarrow v=10\left(m/s\right).$ 

Chọn D.

Câu hỏi 3 trang 66 Vật Lí 10: Dưới tác dụng của hợp lực 20 N, một chiếc xe đồ chơi chuyển động với gia tốc 0,4 m/s². Dưới tác dụng của hợp lực 50 N, chiếc xe sẽ chuyển động với gia tốc bao nhiêu?

Lời giải:

Khối lượng của vật: $m=\frac{F}{a}=\frac{20}{0,4}=50\left(kg\right).$

Khi lực F = 50 N thì gia tốc: $a=\frac{F}{m}=\frac{50}{50}=1\left(m/s^2\right).$ 

Câu hỏi 4 trang 66 Vật Lí 10: Tại sao máy bay khối lượng càng lớn thì đường băng phải càng dài?

Lời giải:

Ta có gia tốc của máy bay: $a=\frac{F}{m}=\frac{v-v_0}{t}$ 

Máy bay có khối lượng m lớn thì gia tốc a nhỏ (tức là độ thay đổi vận tốc nhỏ) nên để khi cất cánh máy bay để đạt được tốc độ v lớn, hay khi hạ cánh giảm từ tốc độ lớn về 0 thì cần thời gian t lớn (đủ để vận tốc thay đổi theo mục đích), cho nên đường bay phải đủ dài để máy bay có đủ thời gian để thay đổi vận tốc.

Em có thể 1 trang 66 Vật Lí 10: Đề xuất được một thí nghiệm chứng tỏ gia tốc mà vật thu được phụ thuộc vào:

a) Độ lớn của lực tác dụng lên vật.

b) Khối lượng của vật.

Lời giải:

a. Kéo hai vật giống nhau bằng hai lực khác nhau trên đoạn đường s, dùng đồng hồ bấm thời gian khi 2 vật đi hết quãng đường s đó.

Ta có $s=\frac{1}{2}a{t}^2$ và $a=\frac{F}{m}$ nên suy ra: $a=\frac{2s}{t^2}=\frac{F}{m}\Rightarrow t=\sqrt{\frac{2sm}{F}}$ . Vậy với cùng quãng đường s và khối lượng m, vật chịu tác dụng F lớn hơn sẽ đi nhanh hơn.

b. Kéo hai vật có khối lượng khác nhau bằng một lực như nhau đi trên quãng đường s, dùng đồng hồ bấm thời gian khi 2 vật đi hết quãng đường s đó.

Ta có $s=\frac{1}{2}a{t}^2$ và $a=\frac{F}{m}$ nên suy ra: $a=\frac{2s}{t^2}=\frac{F}{m}\Rightarrow t=\sqrt{\frac{2sm}{F}}$ . Vậy với cùng quãng đường s và lực kéo F, vật có khối lượng m lớn hơn sẽ đi lâu hơn.

Em có thể 2 trang 66 Vật Lí 10: Giải thích được khối lượng của vật càng lớn thì quán tính của vật càng lớn.

Lời giải:

Ta có: $\overrightarrow{a}=\frac{\overrightarrow{F}}{m}$ và $\overrightarrow{a}=\frac{\overrightarrow{\Delta v}}{\Delta t}$ suy ra $m=\overrightarrow{F}.\frac{\Delta t}{\overrightarrow{\Delta v}}$ 

Vậy với cùng một lực tác dụng, khi khối lượng m của vật càng lớn thì trong cùng một khoảng thời gian $\Delta t$, độ biến thiên vận tốc $\overrightarrow{\Delta v}$ càng nhỏ nên vật thay đổi vận tốc được ít, tức là vật có mức quán tính càng lớn.

Em có thể 3 trang 66 Vật Lí 10: Giải thích tại sao trong tham gia giao thông, khi ô tô chở hàng nặng khó hãm phanh hơn khi ô tô không chở hàng.

Lời giải:

Khi ô tô chở hàng nặng thì khối lượng xe lớn nên mức quán tính của xe lớn, xe khó thay đổi vận tốc nên khó hãm phanh hơn ô tô không chở hàng có khối lượng nhỏ.