Giải Vật lí 10 Bài 18 (Kết nối tri thức): Lực ma sát

Giải bài tập Vật lí lớp 10 Bài 18: Lực ma sát

Khởi động trang 72 Vật Lí 10: Điều gì ngăn cản thùng hàng (Hình a), khiến nó không thể di chuyển? Tại sao lực đẩy tăng lên (Hình b) mà vẫn không làm cho thùng hàng di chuyển?

Có cách nào làm cho thùng hàng di chuyển dễ dàng hơn không?

Lời giải:

- Lực ma sát đã ngăn cản chuyển động của thùng hàng (Hình a) khiến nó không thể di chuyển.

- Khi lực đẩy tăng lên (Hình b) mà thùng hàng vẫn không di chuyển là do lực đẩy này chưa thắng được lực ma sát.

- Để di chuyển thùng hàng dễ dàng hơn, ta có thể đặt thùng hàng lên xe lăn và đẩy đi.

I. Lực ma sát nghỉ

Câu hỏi 1 trang 72 Vật Lí 10: Điều nào sau đây không đúng khi nói về lực ma sát nghỉ?

A. Lực ma sát nghỉ luôn xuất hiện ở bề mặt tiếp xúc giữa hai vật.

B. Lực ma sát nghỉ giữ cho các điểm tiếp xúc của vật không trượt trên bề mặt.

C. Một vật có thể đứng yên trên mặt phẳng nghiêng mà không cần đến lực ma sát nghỉ.

D. Một vật có thể đứng yên trên mặt phẳng ngang mà không cần đến lực ma sát nghỉ.

Lời giải:

A, B – đúng theo định nghĩa của lực ma sát nghỉ.

C – sai. Vì nếu không có lực ma sát nghỉ, vật đứng trên mặt phẳng nghiêng sẽ bị trượt xuống phía dưới.

D – đúng. Vì một vật có thể đứng yên khi hợp lực tác dụng vào vật bằng 0.

Câu hỏi 2 trang 72 Vật Lí 10: Các tình huống sau đây liên quan đến loại lực ma sát nào?

a) Xoa hai bàn tay vào nhau.

b) Đặt vali lên một băng chuyền đang chuyển động ở sân bay.

Lời giải:

a) Khi xoa hai bàn tay vào nhau, hai lòng bàn tay trượt lên nhau nên ta có lực ma sát trượt.

b) Khi đặt vali lên một băng chuyền đang chuyển động ở sân bay, ta thấy vali nằm yên trên băng chuyền. Đó là do lực ma sát nghỉ tác dụng lên bề mặt tiếp xúc giữa vali và băng chuyền, ngăn cho vali không chuyển động trên bề mặt của băng chuyền.

Hoạt động trang 73 Vật Lí 10: Quan sát Hình 18.2 và thảo luận các tình huống sau:

Đặt trên bàn một vật nặng có dạng hình hộp.

- Lúc đầu ta đẩy vật bằng một lực có cường độ nhỏ, vật không chuyển động (Hình 18.2a). Lực nào đã ngăn không cho vật chuyển động?

- Tăng lực đẩy đến khi lớn hơn một giá trị F₀ nào đó (Hình 18.2b) thì vật bắt đầu trượt. Điều đó chứng tỏ gì?

- Khi vật đã trượt, ta chỉ cần đẩy vật bằng một lực nhỏ hơn giá trị F₀ vẫn duy trì được chuyển động trượt của vật (Hình 18.2c). Điều đó chứng tỏ gì?

Lời giải:

- Lúc đầu ta đẩy vật bằng một lực nhỏ, vật không chuyển động (Hình 18.2a). Lực ma sát nghỉ giữa vật và mặt bàn đã ngăn không cho vật chuyển động.

- Tăng lực đẩy đến khi lớn hơn một giá trị F₀ nào đó (Hình 18.2b) thì vật bắt đầu trượt. Điều đó chứng tỏ lực đẩy lúc này đã thắng được lực ma sát nghỉ.

- Khi vật đã trượt, lúc này không còn lực ma sát nghỉ mà chỉ có lực ma sát trượt tác dụng lên vật. Ta chỉ cần đẩy vật bằng một lực nhỏ hơn giá trị F₀ vẫn duy trì được chuyển động trượt của vật (Hình 18.2c). Điều đó chứng tỏ lực ma sát trượt có độ lớn nhỏ hơn lực ma sát nghỉ. Bên cạnh đó xe lúc này có quán tính, nên có xu hướng bảo toàn trạng thái đang chuyển động nên chỉ cần lực nhỏ hơn F₀ cũng làm xe chuyển động.

II. Lực ma sát trượt

Hoạt động trang 73 Vật Lí 10:

Thí nghiệm 1: Kiểm chứng độ lớn của lực ma sát phụ thuộc vào vật liệu và tình trạng của bề mặt tiếp xúc, nhưng không phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc.

Chuẩn bị: Lực kế (có GHĐ 1,0 N, ĐCNN 0,01 N), khối gỗ hình hộp chữ nhật, các bề mặt: gỗ, giấy.

Tiến hành:

1. Đặt mặt có diện tích lớn của khối gỗ lên bề mặt tiếp xúc.

- Gắn lực kế vào giá thí nghiệm để cố định lực kế theo phương nằm ngang.

- Móc khối gỗ vào lực kế, lần lượt kéo các mặt tiếp xúc (mặt gỗ, mặt tờ giấy) theo phương nằm ngang để chúng trượt đều dưới khối gỗ (Hình 18.4).

- Ghi số chỉ của lực kế vào Bảng 18.1. Lấy giá trị trung bình của các số chỉ lực kế làm độ lớn của lực ma sát trượt.

2. Đặt mặt có diện tích nhỏ của khối gỗ lên bề mặt tiếp xúc và lặp lại thí nghiệm như trên.

Thảo luận và phân tích:

a) Nêu các lực tác dụng lên khối gỗ khi mặt tiếp xúc bên dưới của nó được kéo trượt đều. Tại sao khi đó số chỉ của lực kế bằng độ lớn của lực ma sát trượt?

b) Sắp xếp thứ tự theo mức tăng dần lực ma sát trên mỗi bề mặt.

c) Điều gì xảy ra đối với độ lớn của lực ma sát trượt khi diện tích tiếp xúc thay đổi, khi vật liệu và tình trạng của bề mặt tiếp xúc thay đổi?

Thí nghiệm 2: Mối liên hệ giữa độ lớn của lực ma sát trượt với độ lớn của áp lực lên bề mặt tiếp xúc.

Chuẩn bị: Lực kế (có GHĐ 1,0 N, ĐCNN 0,01 N), ba khối gỗ hình hộp chữ nhật giống nhau, mặt tiếp xúc: gỗ.

Tiến hành:

- Đo trọng lượng của khối gỗ bằng lực kế. Ghi vào Bảng 18.2 (Áp lực của khối gỗ lên mặt tiếp xúc nằm ngang có độ lớn bằng trọng lượng của khối gỗ).

- Gắn lực kế vào giá thí nghiệm để cố định lực kế theo phương nằm ngang.

- Móc khối gỗ vào lực kế, kéo mặt tiếp xúc (mặt gỗ) theo phương nằm ngang để nó trượt đều dưới khối gỗ. Ghi lại số chỉ của lực kế trong 3 lần thí nghiệm vào Bảng 18.2. Lấy giá trị trung bình các kết quả đo.

- Lần lượt đặt thêm 1, 2 khối gỗ lên khối gỗ đầu tiên và lặp lại bước 3.

Thảo luận và phân tích:

a) Điều gì xảy ra đối với độ lớn của lực ma sát trượt khi tăng áp lực lên bề mặt tiếp xúc?

b) Vẽ đồ thị cho thấy sự thay đổi độ lớn của lực ma sát trượt khi tăng dần độ lớn của áp lực.

c) Nêu kết luận về những đặc điểm của lực ma sát trượt.

Lời giải:

Số liệu tham khảo.

Thí nghiệm 1:

1. Đặt mặt có diện tích lớn của khối gỗ lên bề mặt tiếp xúc.

Bảng 18.1

2. Đặt mặt có diện tích nhỏ của khối gỗ lên bề mặt tiếp xúc và lặp lại thí nghiệm như trên.

Bảng 18.1

Thảo luận và phân tích:

a. Các lực tác dụng lên khối gỗ khi mặt tiếp xúc bên dưới nó được kéo trượt đều gồm có: Lực kéo của lực kế $\overrightarrow{F_k}$, lực ma sát trượt $\overrightarrow{F_{mst}}$, trọng lực $\overrightarrow{P}$ và phản lực $\overrightarrow{N}$ của mặt tiếp xúc lên khối gỗ. Vì khối gỗ chuyển động đều có gia tốc bằng 0 nên hợp lực tác dụng vào vật cũng bằng 0. Ta có $\overrightarrow{F_k}+\overrightarrow{F_{mst}}+\overrightarrow{P}+\overrightarrow{N}=\overrightarrow{0}$ (1)

Chiếu phương trình (1) lên phương chuyển động của vật ta có: $F_k-F_{mst}=0\Rightarrow F_{mst}=F_k$ . Vậy số chỉ lực kế bằng độ lớn lực ma sát.

b. Lực ma sát trên mặt giấy nhỏ hơn lực ma sát trên mặt gỗ.

c.

- Khi diện tích tiếp xúc thay đổi ta thấy độ lớn của lực ma sát trượt không thay đổi.

- Khi vật liệu và tình trạng của bề mặt tiếp xúc thay đổi ta thấy độ lớn của lực ma sát trượt thay đổi.

$\Rightarrow$ Độ lớn của lực ma sát phụ thuộc vào vật liệu và tình trạng của bề mặt tiếp xúc, nhưng không phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc.

Thí nghiệm 2:

Bảng 18.2

Thảo luận và phân tích:

a) Khi tăng áp lực lên bề mặt tiếp xúc thì độ lớn lực ma sát trượt cũng tăng.

b) Vẽ đồ thị:

c) Kết luận về những đặc điểm của lực ma sát trượt:

- Lực ma sát trượt xuất hiện khi một vật trượt trên bề mặt của vật khác.

- Độ lớn của lực ma sát trượt phụ thuộc vào vật liệu và tình trạng của bề mặt tiếp xúc,

không phụ thuộc vào diện tích mặt tiếp xúc.

- Độ lớn của lực ma sát trượt tỉ lệ thuận với áp lực của vật.

III. Bài tập ví dụ

Câu hỏi 1 trang 75 Vật Lí 10: Các lực tác dụng lên xe chở hàng được quy ước vẽ tại trọng tâm của xe (Hình 18.5):

a) Các lực này có tên gọi là gì?

b) Hãy chỉ ra các cặp lực cân bằng nhau.

Lời giải:

a) Các lực tác dụng lên xe:

- ${\overrightarrow{F}}_{{}_A}$: Lực kéo xe chở hàng.

- ${\overrightarrow{F}}_{{}_B}$: Trọng lực của xe chở hàng.

- ${\overrightarrow{F}}_{{}_C}$: Lực ma sát.

- ${\overrightarrow{F}}_{{}_D}$: Phản lực của mặt đất.

b) Các cặp lực cân bằng: ${\overrightarrow{F}}_{{}_A}$và ${\overrightarrow{F}}_{{}_C}$; ${\overrightarrow{F}}_{{}_B}$và ${\overrightarrow{F}}_{{}_D}$.

Câu hỏi 2 trang 75 Vật Lí 10: Để đẩy chiếc tủ, cần tác dụng một lực theo phương nằm ngang có giá trị tối thiểu 300 N để thắng lực ma sát nghỉ. Nếu người kéo tủ với lực 35 N và người kia đẩy tủ với lực 260 N, có thể làm dịch chuyển tủ được không? Biểu diễn các lực tác dụng lên tủ.

Lời giải:

- Hợp lực của lực kéo $\overrightarrow{F_k}$ và lực đẩy $\overrightarrow{F_d}$ tác dụng lên tủ là $\overrightarrow{F}$ có độ lớn:

F = F_đ + F_k = 260 + 35 = 295 N < 300 N

Ta thấy hợp của hai lực là lực kéo và lực đẩy tác dụng lên tủ nhỏ hơn lực tối thiểu để thắng lực ma sát nghỉ nên tủ không dịch chuyển được.

- Các lực tác dụng lên tủ được biểu diễn tại trọng tâm của tủ như sau:

IV. Lực ma sát trong đời sống

Câu hỏi trang 76 Vật Lí 10: Nêu vai trò của lực ma sát trong các tình huống sau:

a) Người di chuyển trên đường.

b) Vận động viên thể dục dụng cụ xoa phấn vào lòng bàn tay trước khi nâng tạ.

Lời giải:

a) Khi người di chuyển trên đường, lực của chân tác dụng lên mặt đường về phía sau, lực ma sát nghỉ sẽ tác dụng trở lại đẩy người chuyển động lên phía trước.

b) Loại bột trắng mà vận động viên thoa vào lòng bàn tay có tác dụng hút ẩm, thấm mồ hôi, tăng ma sát để tay tiếp xúc với các vật, để vận động viên thực hiện thao tác chính xác hơn.

Hoạt động 1 trang 76 Vật Lí 10: Thảo luận để làm sáng tỏ những vấn đề sau đây:

- Trong thực tế, có một số trường hợp lực ma sát có tác dụng cản trở chuyển động, nhưng cũng có trường hợp lực ma sát thúc đẩy chuyển động.

- Vai trò của ma sát trong lĩnh vực thể thao.

Lời giải:

Lực ma sát có tác dụng cản trở chuyển động.

+ VD1: Khi hãm phanh (thắng), bộ phận hãm (thắng) sẽ được áp sát vào bề mặt vành của bánh xe đang chuyển động. Lực ma sát sinh ra giữa má phanh và vành bánh xe làm cho quay chậm lại, cản trở sự quay của bánh xe. Khi đó xuất hiện sự trượt trên mặt đường, lực ma sát trượt do mặt đường tác dụng sẽ làm xe đi chậm và dừng lại hẳn.

+ VD2: Nhờ có ma sát nghỉ cản trở vật chuyển động xuống dưới mặt phẳng nghiêng mà ta có thể sử dụng hệ thống băng chuyền (mặt phẳng nghiêng) để đưa vật từ nơi này đến nơi khác.

Lực ma sát thúc đẩy chuyển động.

- VD1: Ở vĩ cầm (đàn violon), khi cọ xát cần kéo trên dây đàn thì giữa chúng xuất hiện lực ma sát trượt làm dây đàn dao động và phát ra âm thanh.

- VD2: Rãnh, gai trên vỏ lốp xe giúp tăng ma sát giữa bánh xe và mặt đường khiến xe chuyển động dễ dàng hơn về phía trước.

Vai trò của ma sát trong lĩnh vực thể thao.

Lực ma sát có vai trò rất quan trọng trong thể thao. Nhờ có lực ma sát mà các VĐV có thể cầm, nắm chắc được dụng cụ, giúp cho việc thực hiện các động tác chuẩn xác hơn.

Hoạt động 2 trang 76 Vật Lí 10: Nêu một số cách làm giảm ma sát trong đời sống và trong kĩ thuật.

Lời giải:

Một số cách làm giảm ma sát trong đời sống và trong kĩ thuật:

- Làm nhẵn bề mặt của vật.

- Giảm trọng lượng của vật lên bề mặt.

- Chuyển lực ma sát trượt thành lực ma sát lăn.

- Thay đổi vật liệu của mặt tiếp xúc.

- Tra dầu vào xích xe

Em có thể trang 76 Vật Lí 10: Thuyết trình về lợi ích, tác hại của ma sát trong an toàn giao thông đường bộ.

Lời giải:

- Lợi ích của ma sát trong an toàn giao thông đường bộ:

+ Nhờ có lực ma sát mà người đi bộ có thể đi lại được trên đường không bị trơn trượt, ngã.

+ Nhờ có lực ma sát mà người đi xe có thể đi lại được trên đường không bị trượt, đổ.

+ Nhờ có lực ma sát mà tàu hỏa có thể chạy và không bị trượt khỏi đường ray.

+ Khi xe dừng đỗ trên dốc, lực ma sát góp phần giữ cho xe không bị trượt dốc.

- Tác hại của ma sát trong an toàn giao thông đường bộ.

+ Lực ma sát làm người đi bộ đi lại trên đường bị mòn đế giày dép.

+ Lực ma sát làm mòn lốp xe, các ổ bi,…

Lý thuyết Lực ma sát

I. Lực ma sát nghỉ

Lực ma sát nghỉ là lực ma sát tác dụng lên mặt tiếp xúc của vật, khi vật có xu hướng chuyển động nhưng chưa chuyển động.

II. Lực ma sát trượt

Lực ma sát trượt là lực ma sát cản trở vật trượt trên bề mặt tiếp xúc.

1. Đặc điểm của lực ma sát trượt

- Độ lớn của lực ma sát phụ thuộc vào vật liệu và tình trạng của bề mặt tiếp xúc, nhưng không phụ thuộc vào diện tích của bề mặt tiếp xúc.

- Khi tăng áp lực lên bề mặt tiếp xúc thì độ lớn của lực ma sát trượt tăng.

2. Công thức của lực ma sát trượt

- Tỉ số giữa độ lớn của lực ma sát trượt ${\overrightarrow{\mathrm{F}}}_{\mathrm{ms}}$ và áp lực $\overrightarrow{\mathrm{N}}$ gọi là hệ số ma sát trượt, kí hiệu là $\mathrm{\mu }$. Hệ số $\mathrm{\mu }$ phụ thuộc vào vật liệu và tình trạng của hai mặt tiếp xúc.

- Công thức tính lực ma sát trượt ${\mathrm{F}}_{\mathrm{ms}}=\mathrm{\mu }.\mathrm{N}$

- Hệ số ma sát trượt (gần đúng) của một số cặp vật liệu

III. Bài tập ví dụ

Một người đi xe đạp có khối lượng tổng cộng $\text{m = 86 kg}$ đang chuyển động trên đường nằm ngang với vận tốc ${\mathrm{v}}_{\mathrm{o}}\text{ = 4 m/s}$. Nếu người đi xe ngừng đạp và hãm phanh để giữ không cho các bánh xe qua, xe trượt đi một đoạn đường 2 m thì dừng lại.

1. Lực nào đã gây ra gia tốc cho xe? Tính độ lớn của lực này.

2. Tính hệ số ma sát trượt giữa mặt đường và lốp xe? Lấy ${\text{g = 10m/s}}^2$

Hướng dẫn

Khi tính lực và gia tốc, người ta chọn người + xe là chất điểm. Chọn chiều dương là chiều chuyển động của người và xe

1. Gia tốc của chuyển động được tính bằng công thức

$\mathrm{a}=\frac{{\mathrm{v}}^2-{\mathrm{v}}_{\mathrm{o}}^2}{2.\mathrm{s}}=\frac{0-16}{2.2}=\text{ - 4 }\mathrm{m}/{\mathrm{s}}^2$

Lực gây ra gia tốc này là lực ma sát trượt của mặt đường tác dụng lên lốp xe

$\mathrm{F}=\mathrm{ma}=\text{ 86.(- 4)= -344 N}$

Dấu (-) chứng tỏ lực ma sát ngược chiều với chuyển động.

2. Hệ số ma sát trượt giữa lốp xe và mặt đường được xác định bằng công thức

${\mathrm{F}}_{\mathrm{ms}}=\mathrm{\mu }.\mathrm{N}\Rightarrow \mathrm{\mu }=\frac{{\mathrm{F}}_{\mathrm{ms}}}{\mathrm{N}}=\frac{344}{86.10}=0,4$

Với $\mathrm{N}=\mathrm{P}=\mathrm{m}.\mathrm{g}$ vì xe chuyển động trên mặt đường nằm ngang

IV. Lực ma sát trong đời sống

- Ưu điểm của lực ma sát

+ Lực ma sát giúp chúng ta đi bộ trên mặt đất

+ Lực ma sát giúp chúng ta phanh xe khi dừng lại

+ Các thiên thạch bị cháy trong khí quyển trước khi đến Trái Đất do ma sát

- Nhược điểm

+ Lực ma sát tỏa nhiệt, gây mất mát năng lượng trong các máy móc: quạt điện, động cơ điện.

+ Lực ma sát ngược chiều chuyển động, làm giảm tốc độ chuyển động.

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

Bài 19: Lực cản và lực nâng

Bài 20: Một số ví dụ về cách giải các bài toán thuộc phần động lực học

Bài 21: Moment lực. Cân bằng của vật rắn

Bài 22: Thực hành: Tổng hợp lực

Bài 23: Năng lượng. Công cơ học

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

Lý thuyết Bài 18: Lực ma sát