Bài giảng vật lý lớp 10 (Cơ bản)

 Cơ học cho ta biết vị trí của vật ở bất kì thời điểm nào, biết trước được đường đi quỹ đạo và vận tốc của vật CHƯƠNG 1: ĐỘNG HỌC CHẤT ĐIỂM Động học chất điểm nghiên cứu nghiên cứu các

`

PHẦN I: CƠ HỌC

 Cơ học nguyên cứu những quy luật chi phối sự chuyển động và đứng yên của vật

 Cơ học cho ta biết vị trí của vật ở bất kì thời điểm nào, biết trước được đường đi (quỹ đạo) và vận tốc của vật

CHƯƠNG 1: ĐỘNG HỌC CHẤT ĐIỂM

Động học chất điểm nghiên cứu nghiên cứu cách xác định vị trí, vận tốc của vật chuyển động trong không gian, biểu diễn sự chuyển động của vật bằng các phương trình toán học mà chưa quan tâm đến nguyên nhân gây ra sự chuyển động

BÀI 1 CHUYỂN ĐỘNG CƠ

I - Chuyển động cơ Chất điểm

1 Chuyển động cơ

Chuyển động cơ của một vật (gọi tắt là chuyển động) là sự thay đổi vị trí của vật đó so với các vật khác theo thời gian

2 Chất điểm

Nếu kích thước của vật rất nhỏ so với độ dài đường đi (hoặc so với những khoảng cách mà ta

đề cập đến) thì vật đó được coi là một chất điểm

3 Quỹ đạo

Quỹ đạo của chuyển động là đường mà chất điểm vạch ra khi chuyển động (là tập hợp tất cả

các vị trí mà chất điểm đi qua)

II - Cách xác định vị trí của vật Vật mốc Hệ tọa độ

1 Xác định vị trí của vật chuyển động thẳng

Để đơn giản ta xem như chuyển động của vật là đường thẳng (nghĩa là đã biết trước quỹ đạo)

Để xác định vị trí của vật tại điểm M ta cần chọn một điểm O làm mốc, gắn vào đó một trục tọa độ Ox trùng với đường thẳng quỹ đạo với chiều dương đã chọn trước Vị trí của vật tại điểm M được xác định bởi tọa độ xOM

VD: Người đi ôtô thấy cột kilômét ghi “TpHCM – 50km” nghĩa là người ấy đã chọn Tp HCM

làm mốc, khoảng cách từ vị trí của người đó đến Tp HCM đã được đo sẵn là 50km

2 Xác định vị trí của vật trong mặt phẳng

Để xác định tọa độ của vật trong không gian ta dùng một hệ trục tọa độ Oxy gồm hai trục Ox

và Oy vuông góc nhau tại O O là gốc tọa độ gắn với vật làm mốc

VD: Muốn xác định điểm M ta làm như sau:

- Chọn chiều dương của trục Ox và Oy

- Chiếu vuông góc điểm M xuống Ox và Oy ta được hai điểm I và H

- Dùng thước đo đo chiều dài MI và MH

Để mô tả chuyển động của vật ta cần biết chính xác vị trí của vật ở những thời điểm khác

nhau Vì vậy ta cần có mốc thời gian và đồng hồ để đếm thời gian

2 Thời điểm và thời gian

VD: Bảng giờ tàu chạy

- Giờ tàu chạy cho ta biết thời điểm tàu có mặt ở các ga

- Nếu bỏ qua thời gian tàu đỗ thì ta có thể tính được thời gian tàu chạy từ ga này đến ga kia

- Nếu chọn mốc thời gian t = 0 lúc tàu bát đầu xuất phát thì thời điểm trùng với số đo thời gian

VD: Một người chạy thi cự li ngắn Người ấy mất thời gian 12 giây để thực hiện hét cự li

chạy Chọn t = 0 là lúc xuất phát thì:

- t = 12 s là thời điểm người ấy đến đích

- 12 s cũng chính là thời gian chạy của người ấy

Tóm lại: Để xác định thời gian trong chuyển động ta cần một mốc thời gian và một đồng hồ

IV- Hệ quy chiếu

Một hệ quy chiếu bao gồm:

b Quãng đường đi được

Quãng đường đi được thường không bằng độ dời Chỉ bằng trong trường hợp sau:

- Vật chuyển động cong trên một đoạn đường rất ngắn

- Vật chuyển động thẳng theo một chiều nhất định

2 Vận tốc trung bình (Véctơ vận tốc trung bình)

Véctơ vận tốc trung bình v tb trong khoảng thời gian t được xác định bằng thương số của véctơ độ dời M M1 2và khoảng thời giantđó

1 2

tb

M M v

t



Véctơ vận tốc trung bình cùng phương cùng chiều với véctơ độ dời M M1 2 Trong trường hợp

độ dời không bằng quãng đường thì véctơ vận tốc trung bình ít có ý nghĩa trong khảo sát

Tốc độ trung bình đặc trưng cho sự chuyển động nhanh hay chậm của vật trên quãng đường

S

Chú ý: Nếu không quan tâm đến phương và chiều thì có thể gọi Tốc độ là Vận tốc

VD 1: Một vật chuyển động trên quãng đường S Trong nửa quãng đường đầu vật chuyển

động với tốc độ trung bình là v1 = 36 km/h, nửa quãng đường cuối vật chuyển động với tốc độ trung bình là v2 = 18 km/h Hãy tính tốc độ trung bình trên cả quãng đường S

Trong chuyển động thẳng đều, quãng đường đi được tỉ lệ thuận với thời gian t

VD 2: Hãy tính quãng đường S trong VD1, cho biết thời gian đi hết quãng đường là 2 phút

II – Phương trình chuyển động (phương trình tọa độ - thời gian) của chuyển động thẳng đều

1 Phương trình chuyển động thẳng đều (phương trình tọa độ - thời gian)

Xét một vật chuyển động thẳng đều dọc theo trục Ox

`

- Ở thời điểm ban đầu t = 0 thì vật có tọa độ x = x0

- Ở thời điểm bất kì t nào đó vật có tọa độ x = x0 + s = x0 + vt

 0

x x vt gọi là phương trình chuyển động của vật

VD3: Một ôtô sau khi xuất bến được 50m, đến vị trí trước cửa nhà số 5B thì bắt đầu chuyển

động thẳng đều với tốc độ là 10m/s Hãy viết phương trình chuyển động của ôtô

2 Đồ thị tọa độ - thời gian

Để dễ hiểu ta vẽ đồ thị tọa độ - thời gian của phương trình x = 1 + 2t

Nhận xét: Đồ thị tọa độ - thời gian của chuyển động thẳng đều là đường thẳng đi qua điểm

có tọa độ (0 ; x0)

BÀI 3: CHUYỂN ĐỘNG THẲNG BIẾN ĐỔI ĐỀU

I – Vận tốc tức thời Chuyển động thẳng biến đổi đều

1 Vận tốc tức thời (Véctơ vận tốc tức thời)

Xét một vật chuyển động không đều, lấy chiều đang chuyển động làm chiều dương Nếu xét trong khoảng thời gian trất nhỏ thì vật có độ dời scũng rất nhỏ

Véctơ vận tốc tức thời của chuyển động được xác định bằng thương số giữa véctơ độ dời s

và khoảng thời giantthực hiện độ dời đó

tt

s v t





Véctơ vận tốc tức thời v tt cùng phương, cùng chiều với véctơ độ dời s

2 Tốc độ tức thời

Tốc độ tức thời là độ lớn của vận tốc tức thời

tt

s v t





Tốc độ tức thời đặc trưng cho sự nhanh hay chậm củạ vật tại thời điểm đang xét

3 Chuyển động thẳng biến đổi đều

Chuyển động thẳng biến đổi đều là chuyển động có quỹ đạo là thường thẳng có tốc độ tức thời luôn biến đổi Có hai dạng biến đổi:

- Tốc độ tức thời tăng đều theo thời gian ta có chuyển động thẳng nhanh dần đều

- Tốc độ tức thời giảm đều theo thời gian ta có chuyển động thẳng chậm dần đều

Chú ý: Nếu không quan tâm đến phương và chiều thì có thể gọi Tốc độ tức thời là Vận tốc

II – Chuyển động thẳng nhanh dần đều

1 Gia tốc trong chuyển động thẳng nhanh dần đều

a Độ lớn của gia tốc

Gọi v0 là vận tốc của vật tại thời điểm t0, v là vận tốc của vật tại thời điểm t

Gia tốc đặc trưng cho tốc độ biến đổi vận tốc của vật Gia tốc được xác định bằng thương số giữa độ biến thiên vận tốc v và độ biến thiên thời gian t

0 0

v v v

Đơn vị của gia tốc là m/s2

Trong chuyển động thẳng nhanh dần đều gia tốc không đổi

VD1: Một ôtô đang chạy với vận tốc 5m/s thì tăng tốc và ch/đ thẳng nhanh dần đều Sau 5

giây tăng tốc, ôtô đạt vật tốc 10m/s Tính gia tốc của ôtô

b Véctơ gia tốc

Do vận tốc là đại lượng véctơ nên gia tốc cũng là đại lượng véctơ

0 0

v v v

Do v > v0 nên vcùng phương, cùng chiều với vvà v0 a cùng chiều vớivnên cũng cùng chiều với vvà v0

Suy ra: Trong chuyển động thẳng nhanh dần đều a luôn cùng dấu với ,v và v0.

2 Vận tốc trong chuyển động thẳng nhanh dần đều

a Công thức tính vận tốc

Vận tốc tức thời của vật tại thời điểm t được xác định:

0

v v at (tự chứng minh) Vận tốc trong ch/đ thẳng nhanh dần đều là một hàm bật nhất theo thời gian

VD2: Tính vận tốc của ôtô trong VD1 sau 15 giây kể từ lúc bắt đầu tăng tốc

b Đồ thị vận tốc – thời gian

VD3: Vẽ đồ thị tọa độ - thời gian của chuyển động trong VD1: v = 5 + t (m/s)

Nhận xét: Đồ thị vận tốc – thời gian có dạng một đường thẳng đi qua điểm (0 ; v0)

3 Công thức tính quãng đường đi được trong chuyển động thẳng nhanh dần đều

Công thức tính quãng đường đi được:

2 0

12

sv t at (tự chứng minh)

Vận tốc trong ch/đ thẳng nhanh dần đều là một hàm bật hai theo thời gian

VD4: Tính quãng đường mà ôtô đi được trong 15 giây đầu tiên kể từ lúc tăng tốc trong VD1

4 Công thức liên hệ giữa v, v 0 , a và s

Ta dễ dảng thiết lập được công thức liên hệ giữa v, v0, a và s là:

2 2

0 2

v  v as (tự chứng minh)

VD5: Trong VD1, để tăng tốc từ 10m/s lên đến 15m/s, ôtô đã đi được quãng đường bao xa ?

5 Phương trình chuyển động nhanh dần đều

Xét một vật chuyển động thẳng nhanh dần đều dọc theo trục Ox

- Ở thời điểm ban đầu t = 0 thì vật có tọa độ x = x0

- Ở thời điểm bất kì t nào đó vật có tọa độ 0 0 0 1 2

xx v t at gọi là phương trình chuyển động của vật

VD6: Hãy viết phương trình chuyển động của ôtô trong VD1

III – Chuyển động thẳng chậm dần đều

Tất cả các công thức của chuyển động thẳng nhanh dần đều đều áp dụng được cho chuyển động thẳng chậm dần đều (HS tự thống kê)

Chú ý: Trong chuyển động thẳng chậm dần đều a luôn cùng dấu với v nhưng ngược dấu với v và v0

VD7: Một tàu hỏa đang chạy với vận tốc là 54km/h thì vào ga và nên hãm phanh và chuyển

động chậm dần đều Sau 2 phút thì tàu dừng hẳn

a Tính gia tốc của tàu khi vào ga

b Tính quãng đường tàu đi được trong lúc hãm phanh

BÀI 4: SỰ RƠI TỰ DO

I – Sự rơi trong không khí và trong chân không

1 Sự rơi của các vật trong không khí

`

(trình bày thí nghiệm Galilê và tự làm thí nghiệm với hai tờ giấy)

Trong không khí các vật rơi nhanh hay chậm phụ thuộc vào lực cản của không khí tác dụng lên vật

2 Sự rơi của các vật trong chân không

(Trình bày thí nghiệm của Niutơn và giải thích)

Trong chân không các vật đều rơi nhanh như nhau Sự rơi như vậy gọi là sự rơi tự do

Sự rơi tự do là sự rơi của vật chỉ dưới tác dụng của trọng lực

Chú ý: Đối với các vật rơi trong không khí, nếu lực cản của không khí nhỏ hơn rất nhiều lần

so với trọng lực thì cũng có thể xem đó là rơi tự do VD: hòn đá, trái táo, viên phấn rơi

II – Nghiên cứu sự rơi tự do

1 Đặc điểm của sự rơi tự do

a Phương của chuyển động rơi tự do là phương thẳng đứng (còn gọi phương của dây dọi)

b Chiều rơi tự do là chiều từ trên xuống (còn gọi là chiều hướng vào tâm Trái Đất)

c Công thức tính vận tốc

Nếu thả cho vật rơi tự do (rơi không vận tốc đầu) thì công thức tính vận tốc là:

vgt với g là gia tốc rơi tự do (gia tốc trọng trường)

d Công thức tính quãng đường đi được của vật rơi tự do là:

212

Thường lấy g = 9,8 m/s2 hoặc g = 10 m/s2

VD1: Thả rơi vật từ độ cao h=50m so với mặt đất Bỏ qua sức cản của không khí Lấy

g=10m/s2

a Tính thời gian rơi

b Tính vận tốc chạm đất

VD2: Một vật rơi tự do từ độ cao h so với mặt đất Trong giây cuối cùng vật đi được đoạn

đường bằng 3/4 độ cao h Lấy g=10m/s2

a Tính thời gian rơi

Chuyển động tròn là chuyển động có quỹ đạo là đường tròn

VD1: Chuyển động của đầu kim đồng hồ, đầu cánh quạt, chiếc đu quay trong công viên

t





3 Chuyển động tròn đều

Chuyển động tròn đều là chuyển động có quỹ đạo là đường tròn và có tốc độ trung bình như nhau trên mọi cung tròn

VD: Đầu cánh quạt khi đã quay ổn định, đầu kim đồng hồ quay…

 gọi là tốc độ góc của chuyển động tròn đều

Tốc độ góc cho ta biết sự quay nhanh hay chậm của bán kính OM

a Vận tốc dài (Véctơ vận tốc dài)

Véctơ vận tốc dài được xác định bằng thương số giữa vectơ độ dời s và thời giant thực hiện độ dời đó

s v t

Tốc độ dài là độ lớn của vận tốc dài Được xác định bằng thương số giữa quãng đườngsvà

khoảng thời gian t đi được quãng đường đó

s v t





Trong chuyển động tròn đều tốc độ dài có giá trị không đổi

VD2: Một vật chuyển động tròn đều trên quỹ đạo có bán kính r=1m Trong 5s vật đi được

một cung dài 0,5m Tính tốc độ dài và tốc độ dài của vật

3 Liên hệ giữa tốc độ dài và tốc độ góc

Ta đã biết trong đường tròn, độ dài cung bằng bán kính nhân với gốc ở tâm chắn cung

`

VD4: Tính chu kỳ và tần số của vật trong VD1

III – Gia tốc hướng tâm

1 Gia tốc hướng tâm

Xét vật chuyển động tròn đều, trong khoảng thời giantvật đi được cung M M (như hình) 1 2

Ta có    v v2 v1 v2   v1 v Theo đó véctơ v luôn hướng vào tâm của quỹ đạo Mà a

cùng chiều với v nên a cũng hướng vào tâm của quỹ đạo Ta gọi là gia tốc hướng tâm

Gia tốc hướng tâm được xác định bằng thương số giữa độ biến thiên vận tốc dàiv và độ biến thiên thời gian t

ht

v a

 với r là bán kính quỹ đạo (tự chứng minh)

Từ công thức liên hệ giữa tốc độ dài và tốc độ góc ta cũng CM được: a ht r2

VD5: Tính gia tốc hướng tâm của vật trong VD1

BÀI 6: TÍNH TƯƠNG ĐỐI CỦA CHUYỂN ĐỘNG

I – Tính tương đối của chuyển động

1 Tính tương đối của quỹ đạo

VD1: Một người đứng bên đường và một người ngồi trong ôtô đang chạy nhìn những giọt

mưa rơi nhưng mỗi người lại thấy quỹ đạo chuyển động của giọt nước mưa theo dạng khác nhau

Giải thích:

- Người đứng bên đường thấy giọt nước mưa chuyển động trong hệ quy chiếu gắn với vật mốc là mặt đường

- Người lái ôtô thấy giọt nước mưa chuyển động trong hệ quy chiếu gắn với vật mốc là ôtô

Nhận xét: Quỹ đạo chuyển động đối với các hệ quy chiếu khác nhau thì khác nhau Quỹ đạo

có tính tương đối

2 Tính tương đối của vận tốc

VD2: Đối với cái cây bên đường thì một hành khách đang chuyển động với vận tốc 40km/h

nhưng đối với hành khách ngồi kế bên thì người ấy đứng yên

Nhận xét: Vận tốc chuyển động đối với những hệ quy chiếu khác nhau thì khác nhau Vận

tốc có tính tương đối

II – Công thức cộng vận tốc

1 Hệ quy chiếu chuyển động và hệ quy chiếu đứng yên

Xét bài toán về chiếc thuyền chạy dọc theo dòng sông Ta sẽ xét sự chuyển động của thuyền trong hai hệ quy chiếu:

- Hệ quy chiếu gắn với bờ sông gọi là hệ quy chiếu đứng yên

- Hệ quy chiếu gắn với một vật trôi theo dòng nước gọi là hệ quy chiếu chuyển động

2 Công thức cộng vận tốc

a Xét trường hợp thuyền chạy xuôi dòng

- Gọi vtb là vận tốc của thuyền đối với bờ Gọi là vận

- Gọi vtn là vận tốc của thuyền đối nước Gọi là vận tốc tương đối

- Gọi vnb là vận tốc của nước đối với bờ Gọi là vận tốc kéo theo

Dễ dàng thấy: v tb v tnv nb

Chọn chiều dương là chiều chuyển động thì: v tb v tnv nb

b Xét trường hợp thuyền chạy ngược dòng

Ta cũng có: v tb v tnv nb

Chọn chiều dương là chiều chuyển động thì: v tb v tnv nb

Kết luận: Véctơ vận tốc tuyệt đối bằng véctơ vận tốc tương đối cộng véctơ vận tốc kéo theo VD3: Một canô chạy xuôi dòng từ bến sông A đến bến sông B cách nhau 72km mất thời gian

2 giờ Cho biết vận tốc của canô đối với nước là không đổi và bằng 33km/h

a Tính vận tốc của dòng nước đối với bờ

b Tính thời gian canô đi ngược dòng từ B về A

VD4: Một người đi thang cuốn ở siêu thị từ tầng trệt lên tầng lầu Nếu thang hoạt động, người

ấy đi bộ trên thang thì mất 20 giây Nếu thang ngừng hoạt động, người ấy đi bộ trên thang thì phải mất 30 giây Hỏi nếu thang hoạt động, người ấy đứng yên trên thang thì phải mất bao lâu ?

Lực là đại lượng đặc trưng cho tác dụng của vật này lên vật khác mà kết quả là gây ra gia tốc

cho vật hoặc làm cho vật bị biến dạng C1

2 Cân bằng lực

Các lực cân bằng là các lực tác dụng đồng thời vào cùng một vật mà không gây ra gia tốc cho vật

VD1: Quyển sách đang để trên bàn, chiếc quạt treo trên trần nhà…

3 Lực là đại lượng Vectơ

Lực là đại lượng Vectơ vì lực có điểm đặt, phương, chiều và cường độ (độ lớn) xác định Đường thẳng chức Vectơ lực gọi là giá của lực

4 Hai lực cân bằng

Là hai lực có cùng điểm đặc, cùng phương, ngược chiều và cùng độ lớn C2

5 Đơn vị của lực là Niutơn (N)

III – Điều kiện cân bằng của chất điểm

Muốn cho một chất điểm đứng cân bằng thì hợp lực tác dụng lên chất điểm phải bằng 0

VD2: Phân tích lực F thành hai lực thành phần F1và F2theo hai

phương cho trước là On và Om

Chú ý: Ta chỉ phân tích được lực khi đã biết rõ phương của hai lực

thành phần

VD3: Cho hai lực đồng quy có giá hợp với nhau một góc 300 và có

độ lớn lần lượt là F1=F2=20N Hãy xác định véctơ hợp lực của hai lực trên

VD4: Cho một lực có độ lớn F=50N và có phương, chiều như hình

vẽ

a Hãy phân tích lực đó thành hai lực thành phần theo phương ngang

và phương thẳng đứng

b Tính độ lớn F1 và F2

VD5: Một vật được treo vào góc tường bởi hai đoạn dây OA và OB như

hình vẽ Cho biết vật có trọng lượng P=20N, dây OA và OB làm với nhau một

góc 1200 Tính lực căng tác dụng vào dây OA và OB

Quán tính là tính chất của mọi vật có xu hướng bảo toàn vận tốc cả về hướng và độ lớn

VD1: Khi xe đột ngột dừng lại, người ngồi trong xe bị ngã về phía trước vì người có xu hướng

giữ nguyên vận tốc cả về hướng và độ lớn

Định luật I Niutơn còn gọi là định luật quán tính

II – Định luật II Niutơn

1 Định luật II Niutơn

Từ những quan sát, thí nghiệm của mình, Niutơn đã rút ra được mối quan hệ định lượng giữa lực tác dụn, gia tốc và khối lượng của vật như sau:

Nội dụng: Gia tốc của một vật cùng hướng với lực tác dụng lên vật Độ lớn của gia tốc tỉ lệ

với độ lớn của lực và tỉ lệ nghịch với khối lượng của vật

F a m

 hay a F

m

Trong trường hợp vật chịu nhiều lực tác dụng thì F chính là hợp lực của các lực đó

1 2 n

2 Khối lượng và mức quán tính

a Khối lượng: Đặc trưng cho mức quán tính của vật

b Tính chất của khối lượng

- Khối lượng là đại lượng vô hướng, có giá trị dương và không đổi với mọi vật

III – Định luật III Niutơn

1 Định luật III Niutơn

Từ những nghiên cứu của mình, Niutơn cũng rút ra được:

Nội dung: Trong mọi trường hợp, khi vật A tác dụng lên vật B một lực thì vật B cũng tác

dụng lên vật A một lực Hai lực này cùng phương (cùng giá), ngược chiều và cùng độ lớn

VD3: Trên sàn trượt Pa-tin, khi người A đẩy người B chạy đi đồng thời người A cũng bị chạy

lùi về phía ngược lại

VD4: Khi quả bóng đập vào tường, quả bóng bị bật ngược trở lại

- Lực và phản lực không phải là hai lực cân bằng

VD5: Quả bóng có khối lượng 600g chuyển động đang bay thì đạp vào bức tường rất nặng

Sau đó quả bóng nãy ngược trở lại với gia tốc 60m/s2

a Tính phản lực của quả bóng tác dụng vào tường và tường tác dụng vào quả bóng

b Giải thích vì sao bóng nãy ngược lại mà tường không chuyển động

(Có hai cách giải thích câu b)

- Công thức trên chỉ áp dụng được khi r đủ lớn so với kích thước của các chất điểm

- Các vật xem như đồng chất có dạng hình cầu, r chính là khoảng cách hai tâm của chất điểm

- Lực hấp dẫn có giá nằm trên đường nối hai tâm của hai chất điểm

III – Trọng lực là trường hợp riêng của lực hấp dẫn

Theo biểu thức của ĐL hấp dẫn thì: 2 (1)