Giải Vật lí 10 Bài 12 (Kết nối tri thức): Chuyển động ném

Giải bài tập Vật lí lớp 10 Bài 12: Chuyển động ném

Khởi động trang 49 Vật Lí 10: Nhảy xa là một ví dụ về chuyển động ném. Theo em, trong việc nhảy xa thì những yếu tố nào có tính quyết định đến thành tích nhảy của vận động viên?

Lời giải:

Những yếu tố có tính quyết định đến thành tích nhảy của vận động viên:

- Tốc độ khi nhảy.

- Sức mạnh để có thể bật cao khi nhảy.

- Góc giậm nhảy.

I. Chuyển động ném ngang

Câu hỏi trang 49 Vật Lí 10: Hai viên bi có chạm đất cùng một lúc không?

Lời giải:

Hai viên bi chạm đất cùng lúc.

Câu hỏi trang 49 Vật Lí 10: Hãy nhận xét về sự thay đổi vị trí theo phương thẳng đứng của hai viên bi sau những khoảng thời gian bằng nhau.

Lời giải:

Sau những khoảng thời gian bằng nhau, hai viên bi có cùng tọa độ theo phương thẳng đứng.

Câu hỏi trang 50 Vật Lí 10: Hãy quan sát hình ảnh hoạt nghiệm ở Hình 12.2 để chứng tỏ chuyển động thành phần theo phương nằm ngang là chuyển động thẳng đều với vận tốc v_x = v₀.

Lời giải:

Từ hình ảnh hoạt nghiệm ta thấy: khi chiếu vị trí của viên bi A ở các thời điểm lên trục nằm ngang Ox thì thấy tọa độ của bi A tăng đều theo thời gian, tức là $\frac{x}{t}=$ hằng số. Như vậy chuyển động thành phần theo phương nằm ngang là chuyển động thẳng đều với vận tốc $v_x=\frac{x}{t}=v_0.$

Hoạt động 1 trang 51 Vật Lí 10: Hãy đề xuất phương án thí nghiệm để kiểm tra những kết luận 1 và 2.

Lời giải:

Phương án thí nghiệm kiểm tra kết luận 1:Nếu từ cùng một độ cao đồng thời ném các vật khác nhau với vận tốc khác nhau thì vật nào có vận tốc ném lớn hơn sẽ có tầm xa lớn hơn.

Tại độ cao h, ném vật A và đánh dấu điểm rơi tiếp đất, dùng thước đo tầm xa L₁. Cũng tại vị trí này, dùng chân đá vật B (để tạo vận tốc khác vận tốc của vật A) và đánh dấu điểm rơi tiếp đất của B, dùng thước đo tầm ném xa L₂.

So sánh L₁ và L₂.

Phương án kiểm tra kết luận 2: Nếu từ các độ cao khác nhau ném ngang các vật với cùng vận tốc thì vật nào được ném ở độ cao lớn hơn sẽ có tầm xa lớn hơn.

Tại độ cao h₁, ném vật A và đánh dấu điểm rơi tiếp đất, dùng thước đo tầm ném xa L₁.

Tại độ cao h₂, ném vật B với cùng vận tốc của vật A và đánh dấu điểm rơi tiếp đất, dùng thước đo tầm ném xa L₂. (đảm bảo trong quá trình ném sử dụng các lực tương đương nhau).

So sánh L₁ và L₂.

Hoạt động 2 trang 51 Vật Lí 10: Dùng thước kẻ giữ ba viên bi (sắt, thủy tinh và gỗ) có cùng kích thước, trên một tấm thủy tinh đặt nghiêng trên mặt bàn rồi nâng thước lên (Hình 12.5). Hãy dự đoán tầm xa của ba viên bi và làm thí nghiệm kiểm tra.

Lời giải:

Dự đoán:

Tầm xa của 3 viên bi được tính theo công thức: $L=v_0\sqrt{\frac{2H}{g}}$

Vì 3 viên bi ở cùng độ cao H và được giữ thả ở cùng 1 vị trí nên vận tốc khi ở mép bàn là gần như nhau, tức là v₀ bằng nhau nên tầm xa của 3 viên bi sẽ như nhau.

Câu hỏi 1 trang 51 Vật Lí 10: Nếu đồng thời ném hai quả bóng giống nhau với những vận tốc bằng nhau theo phương nằm ngang từ hai độ cao h₁, h₂ khác nhau (h₁ < h₂) thì:

a) Quả bóng ném ở độ cao nào chạm đất trước?

b) Quả bóng ném ở độ cao nào có tầm xa lớn hơn?

Lời giải:

a. Thời gian chạm đất của bóng tính theo công thức: $t=\sqrt{\frac{2h}{g}}$

Mà h₁ < h₂ nên t₁ < t₂. Vậy quả bóng ở độ cao h₁ chạm đất trước.

b. Tầm xa của bóng tính theo công thức: $L=v_0\sqrt{\frac{2h}{g}}$

Hai quả bóng có cùng v₀, mà h₁ < h₂ nên L₁ < L₂. Vậy quả bóng ở độ cao h₂ có tầm xa lớn hơn.

Câu hỏi 2 trang 51 Vật Lí 10: Một máy bay chở hàng đang bay ngang ở độ cao 490 m với vận tốc 100 m/s thì thả một gói hàng cứu trợ xuống một làng đang bị lũ lụt. Lấy g = 9,8 m/s² và bỏ qua sức cản không khí.

a) Sau bao lâu thì gói hàng chạm đất?

b) Tầm xa của gói hàng là bao nhiêu?

c) Xác định vận tốc của gói hàng khi chạm đất.

Lời giải:

a. Thời gian gói hàng chạm đất: $t=\sqrt{\frac{2h}{g}}=\sqrt{\frac{2.490}{9,8}}=10\left(s\right).$

b. Tầm xa của gói hàng: $L=v_0.t=100.10=1000\left(m\right).$

c. Vận tốc của gói hàng khi chạm đất:

$v=\sqrt{v_x^2+v_y^2}=\sqrt{v_0^2+{\left(gt\right)}^2}=\sqrt{{100}^2+{\left(9,8.10\right)}^2}\approx 140\left(m/s\right).$

II. Chuyển động ném xiên

Câu hỏi trang 51 Vật Lí 10: Hãy tìm thêm ví dụ về chuyển động ném xiên trong đời sống.

Lời giải:

Ví dụ: nhảy xa, bắn đạn, ném bóng rổ,…

Câu hỏi trang 53 Vật Lí 10: Người ta bắn một viên bi với vận tốc ban đầu 4 m/s hướng lên theo phương xiên 45^o so với phương nằm ngang. Coi sức cản của không khí là không đáng kể.

1. Tính vận tốc của viên bi theo phương nằm ngang và phương thẳng đứng tại các thời điểm: bắt đầu bắn, sau 0,1 s và sau 0,2 s.

2. a) Viên bi đạt tầm cao H vào lúc nào?

b) Tính tầm cao H.

c) Gia tốc của viên bi ở tầm cao H có giá trị bằng bao nhiêu?

3. a) Vận tốc của viên bi có độ lớn cực tiểu ở vị trí nào?

b) Viên bi có vận tốc cực tiểu vào thời điểm nào?

4. a) Khi nào viên bi chạm sàn?

b) Xác định vận tốc của viên bi khi chạm sàn?

c) Xác định tầm xa L của viên bi.

Lời giải:

1. Vận tốc ban đầu của viên bi theo phương ngang:

$v_{0x}=v_0.\cos \alpha =4.\cos {45}^o=2\sqrt{2}\left(m/s\right).$

Vận tốc ban đầu của viên bi theo phương thẳng đứng:

$v_{0y}=v_0.\sin \alpha =4.sin{45}^o=2\sqrt{2}\left(m/s\right).$

Vận tốc theo phương ngang của viên bi sau 0,1s và 0,2 s: $v_x=v_{0x}=2\sqrt{2}\left(m/s\right).$

Vận tốc theo phương thẳng đứng của viên bi sau 0,1s:

$v_y=v_0-g{t}_1=2\sqrt{2}-9,8.0,1=1,85\left(m/s\right).$

Vận tốc theo phương thẳng đứng của viên bi sau 0,2s:

$v_y=v_0-g{t}_2=2\sqrt{2}-9,8.0,2=0,87\left(m/s\right).$

2.

a. Khi viên bi đạt tầm cao H thì $v_y=0\Rightarrow v_{0y}-gt=0\Rightarrow t=\frac{v_{0y}}{g}=\frac{2\sqrt{2}}{9,8}=0,29\left(s\right).$

b. Tầm cao H: $H=\frac{v_{0y}^2}{2g}=\frac{{\left(2\sqrt{2}\right)}^2}{2.9,8}=0,4\left(m\right).$

c. Gia tốc viên bi ở tầm cao H: a = - g = - 9,8 m/s².

3.

a. Vận tốc của viên bi ở thời điểm t bất kì: $v=\sqrt{v_x^2+v_y^2}$

Vì v_x không đổi nên v có giá trị nhỏ nhất khi v_y = 0 (khi đạt tầm cao H)

Vậy vận tốc viên bi có độ lớn cực tiểu bằng 0 ở tầm cao H = 0,4 m.

b. Viên bi có vận tốc cực tiểu vào thời điểm đạt tầm cao H: t = 0,29s.

4.

a. Thời gian viên bi chạm mặt sàn: $t\text{'}=2t=2.0,29=0,58\left(s\right).$

b. Vận tốc bi khi chạm sàn: $v=\sqrt{v_x^2+v_y^2}$

$\left\{\begin{array}{l}{v}_x=v_{0x}=2\sqrt{2}m/s\\ v_y=v_{0y}-gt\text{'}=2\sqrt{2}-9,8.0,58=-2,86m/s\end{array}\right.$

$\Rightarrow v=\sqrt{v_x^2+v_y^2}\approx 4,02\left(m/s\right).$

c. Tầm xa của bi: $L=v_x.t\text{'}=2\sqrt{2}.0,58=1,64\left(m\right).$

Em có thể 1 trang 54 Vật Lí 10: Sử dụng được các công thức của chuyển động ném ngang để giải thích cách thả hàng cứu trợ bằng máy bay.

Lời giải:

Công thức tính thời gian khi chạm đất: $t=\sqrt{\frac{2h}{g}}.$

Công thức tính tầm xa: $L=v_0.t$

Như vậy để cứu trợ gói hàng đến đúng vị trí cần cứu trợ thì chọn vị trí cứu trợ là vị trí chạm đất để đo tầm xa L, đồng thời xác định được độ cao h của máy bay lúc đó, rồi điều chỉnh vận tốc ném $v_0=\frac{L}{t}=L\sqrt{\frac{g}{2h}}$ để ném gói hàng.

Em có thể 2 trang 54 Vật Lí 10: Vận dụng được kiến thức về chuyển động ném xiên để giải thích một số tình huống đơn giản trong cuộc sống. Ví dụ thành tích nhảy xa của vận động viên phụ thuộc vào góc nhảy, việc điều chỉnh góc bắn để có tầm đạn bay xa nhất của các pháo thủ.

Lời giải:

Ví dụ: Thành tích nhảy xa của vận động viên chính là tầm xa của chuyển động ném xiên: $L=\frac{v_0^2\sin 2\alpha }{g}$ nên sẽ phụ thuộc vào vận tốc bắt đầu nhảy v₀ và góc nhảy $\alpha$.

Hoặc khi bắn đạn thì tầm đạn bay xa nhất cũng chính là tầm xa $L=\frac{v_0^2\sin 2\alpha }{g}$ nên cần điều chỉnh góc bắn $\alpha ={45}^o$ để ${\left(\sin 2\alpha \right)}_{\max }=1$ thì tầm xa lớn nhất.

Hoạt động trải nghiệm trang 54 Vật Lí 10:

1. Tìm hiểu bằng lí thuyết

Vận dụng những kiến thức đã học về chuyển động ném để dự đoán về:

- Để ném ngang một vật đạt tầm bay xa lớn nhất thì phải chọn độ cao như thế nào?

- Để ném xiên một vật đạt tầm xa lớn nhất thì phải chọn góc ném như thế nào?

2. Lập phương án làm thí nghiệm để kiểm tra dự đoán.

3. Thực hiện thí nghiệm, rút ra kết luận.

4. Viết báo cáo về kết quả tìm được.

5. Trình bày báo cáo trước lớp.

Lời giải:

1. Tầm bay xa của vật ném ngang: $L=v_0.\sqrt{\frac{2h}{g}}$ nên để ném vật bay xa nhất thì phải chọn độ cao cực đại h_max.

Tầm bay xa của vật ném xiên $L=\frac{v_0^2\sin 2\alpha }{g}$ nên Lmax­ khi ${\left(\sin 2\alpha \right)}_{\max }=1\Rightarrow a={45}^o$. Vậy phải chọn góc ném hợp với phương ngang một góc 45^o.

2. Phương án thí nghiệm:

- Ném xa 1 vật theo phương ngang ở các độ cao khác nhau và dùng thước đo tầm xa sau mỗi lần ném rồi so sánh.

- Ném xiên 1 vật theo các góc khác nhau 10^o, 20^o, 30⁰, 45^o, 70^o,… và dùng thước đo tầm xa sau mỗi lần ném rồi so sánh.

Các mục 3, 4, 5 học sinh tự tiến hành thí nghiệm và hoàn thành hoạt động theo hướng dẫn.

Lý thuyết Chuyển động ném

I. Chuyển động ném ngang

1. Khái niệm chuyển động ném ngang

- Chuyển động ném ngang là chuyển động có vận tốc ban đầu theo phương nằm ngang và chuyển động dưới tác dụng của trọng lực.

Viên đạn được phóng có vận tốc đầu theo phương ngang ở trên cao

2. Thí nghiệm

Hình 1 bố trí thí nghiệm để tìm hiểu về chuyển động ném theo phương ngang. Dùng búa đập nhẹ vào thanh thép giữ bi B, thanh thép xê dịch rồi thả rơi viên bi B, đồng thời đẩy viên bi A theo phương ngang khỏi giá đỡ với vận tốc .

Hình 1

Hình 2 là ảnh chụp hoạt nghiệm chuyển động của hai viên bi A và B

Hình 2

Việc phân tích ảnh chụp hoạt nghiệm thí nghiệm giúp ta so sánh chuyển động rơi tự do của viên bi B (sự thay đổi vị trí theo phương thẳng đứng ${\text{v}}_{\text{Oy(B)}}=0$) và sự thay đổi vị trí theo phương thẳng đứng của viên bi A bị ném ngang ${\text{v}}_{\text{Ox(A)}}={\text{v}}_{\text{o}}$.

3. Phân tích kết quả thí nghiệm

- Đối với chuyển động ném ngang, người ta quan tâm tới thời gian kể từ khi vật được ném tới khi vật rơi chạm đất và tầm bay xa của vật theo phương nằm ngang. Chuyển động ném ngang là chuyển động tổng hợp từ hai chuyển động thành phần: thành phần chuyển động theo phương thẳng đứng và thành phần chuyển động theo phương nằm ngang.

- Từ thí nghiệm ta thấy, thành phần chuyển động theo phương thẳng đứng của viên bi A, giống với chuyển động rơi của viên bi B. Điều đó chứng tỏ thành phần chuyển động theo phương ngang của viên bi A không ảnh hưởng đến thành phần chuyển động theo phương thẳng đứng của viên bi A. Hai chuyển động này là độc lập với nhau.

a. Thành phần chuyển động theo phương thẳng đứng

- Nếu bỏ qua sức cản của không khí thì chuyển động thành phần theo phương thẳng đứng của vật là chuyển động rơi tự do với vận tốc ban đầu bằng 0

- Nếu chọn chiều dương là chiều chuyển động từ trên xuống và gọi H là độ cao của vật khi ném ngang thì

$\text{H = }\frac{\text{1}}{\text{2}}{\text{.g.t}}^{\text{2}}\Rightarrow \text{ t =}\sqrt{\frac{\text{2.H}}{\text{g}}}$

+ Thời gian rơi của vật bị ném ngang chỉ phụ thuộc vào độ cao H của vật bị ném, không phụ thuộc vào vận tốc ném.

+ Nếu từ cùng một độ cao, đồng thời ném các vật khác nhau với các vận tốc khác nhau thì chúng đều chạm đất cùng một lúc.

b. Thành phần chuyển động theo phương ngang

- Nếu chọn chiều dương là chiều ném viên bi thì độ dịch chuyển trong thành phần nằm ngang là ${\text{d}}_{\text{x}}{\text{= v}}_{\text{x}}{\text{.t= v}}_{\text{0}}\text{.t}$

- Giá trị cực đại của độ dịch chuyển trong chuyển động thành phần nằm ngang được gọi là tầm xa L của chuyển động ném ngang.

${\text{L = d}}_{\text{xmax}}{\text{= v}}_0{\text{.t}}_{\text{max}}$, với ${\text{t}}_{\text{max}}$ là thời gian rơi của vật

Vậy ${\text{L = v}}_0\text{.}\sqrt{\frac{\text{2.H}}{\text{g}}}$

Công thức tầm xa cho thấy

+ Tầm xa của vật bị ném ngang phụ thuộc vào độ cao H của vật khi bị ném và vận tốc ném. Nếu từ cùng một độ cao, ta ném đồng thời các vật khác nhau với vận tốc khác nhau thì vật nào có vận tốc ném lớn hơn sẽ có tầm xa lớn hơn.

+ Nếu từ các độ cao khác nhau, ta ném ngang các vật với cùng vận tốc thì vật nào được ném ở độ cao lớn hơn sẽ có tầm xa lớn hơn.

II. Chuyển động ném xiên

Chuyển động ném xiên là chuyển động có hình dạng quỹ đạo Parabol

Chuyển động của quả bóng rổ là chuyển động của vật bị ném xiên

Chuyển động của quả bóng sau khi rời khỏi chân của cầu thủ

là chuyển động ném xiên

1. Phân tích chuyển động ném xiên

- Đối với chuyển động ném xiên, người ta cũng quan tâm đến thời gian từ khi vật được ném lên tới khi vật rơi chạm đất và tầm xa của vật theo phương nằm ngang.

- Để xác định các đại lượng này, người ta cũng phân tích chuyển động ném xiên thành hai chuyển động thành phần: chuyển động thành phần theo phương thẳng đứng và chuyển động thành phần theo phương nằm ngang.

2. Công thức xác định tầm cao và tầm xa

Bằng cách làm tương tự như cách phân tích chuyển động ném ngang. Khi bỏ qua sức cản của không khí, các thành phần chuyển động là độc lập với nhau.

+ Tầm cao ${\text{H = d}}_{\text{y max}}=\frac{{\mathrm{v}}_0^2.{\sin }^2\mathrm{\alpha }}{\text{2.g}}$

+ Tầm xa ${\text{L = d}}_{\text{x max}}\text{=}\frac{{\text{v}}_{\text{0}}^{\text{2}}\text{.sin2α}}{\text{g}}$

Xem thêm lời giải bài tập Vật lí lớp 10 Kết nối tri thức với cuộc sống hay, chi tiết khác:

Bài 13: Tổng hợp và phân tích lực. Cân bằng lực

Bài 14: Định luật 1 Newton

Bài 15: Định luật 2 Newton

Bài 16: Định luật 3 Newton

Bài 17: Trọng lực và lực căng

Xem thêm tài liệu Vật lí lớp 10 Kết nối tri thức với cuộc sống hay, chi tiết khác:

Lý thuyết Bài 12: Chuyển động ném