Giải Vật Lí 10 Bài 12 (Chân trời sáng tạo): Chuyển động của vật trong chất lưu

Giải Vật Lí lớp 10 Bài 12: Chuyển động của vật trong chất lưu

Mở đầu trang 74 Vật lí 10:

Trong thực tế, mọi vật rơi luôn chịu lực cản của không khí. Với vật nặng kích thước nhỏ (ví dụ viên bi thép), lực cản này có độ lớn không đáng kể và có thể bỏ qua. Nhưng với các vật kích thước lớn (ví dụ dù lượn), lực cản của không khí có độ lớn đáng kể. Khi này, chuyển động của vật rơi có những tính chất gì?

Lời giải:

Chuyển động của vật rơi khi lực cản có độ lớn đáng kể sẽ chậm hơn khi rơi mà không có lực cản. Nếu quãng đường rơi đủ dài thì vận tốc của vật sẽ không tăng liên tục mà chỉ đạt tới một giá trị nhất định và không tăng thêm nữa.

1. Chuyển động rơi của vật

Câu hỏi 1 trang 74 Vật lí 10:

Dựa vào đồ thị Hình 12.2, phân tích tính chất chuyển động của vật trong những khoảng thời gian: từ 0 – t₁, t₁ – t₂ và từ thời điểm t₂ trở đi.

Lời giải:

Từ đồ thị trong Hình 12.2, ta có:

+ Từ 0 – t₁, đồ thị gần giống đường thẳng, vật chuyển động nhanh dần đều

+ Từ t₁ – t₂, đồ thị có dạng đường cong, vật chuyển động nhanh dần nhưng không đều

+ Từ t₂ trở đi, vật chuyển động với tốc độ không đổi.

Câu hỏi 2 trang 74 Vật lí 10:

Quan sát hình 12.1, vẽ vecto lực cản của dầu tác dụng lên viên bi và mô tả chuyển động của viên bi khi được thả không vận tốc đầu vào dầu.

Lời giải:

Vẽ hình: vecto lực cản ban đầu có phương thẳng đứng, chiều từ dưới lên trên.

- Khi bắt đầu được thả vào dầu, trọng lượng của viên bi lớn hơn nhiều so với lực đẩy Acsimet và lực cản, nên viên bi chuyển động nhanh dần đều trong khoảng thời gian rất ngắn.

- Khi càng xuống sâu, lực đẩy Acsimet và lực cản càng tăng dần, chuyển động của vật nhanh dần nhưng không đều trong một khoảng thời gian tiếp theo.

- Khi xuống sâu hơn nữa, khi này trọng lượng và hợp lực của lực đẩy Acsimet và lực cản gần như cân bằng nhau, vật sẽ chuyển động thẳng đều xuống dưới theo quán tính và sẽ chạm đáy sau một khoảng thời gian.

Luyện tập trang 75 Vật lí 10:

Quan sát Hình 12.3, mô tả chuyển động của vận động viên nhảy dù từ khi bắt đầu nhảy khỏi máy bay đến khi chạm đất. Phân tích lực tác dụng lên dù trong từng giai đoạn chuyển động.

Lời giải:

+ Khi chưa bung dù: trọng lượng của hệ (người + dù) lớn hơn lực cản không khí nên người chuyển động thẳng nhanh dần xuống dưới.

+ Khi chuyển động ổn định khi chưa bung dù: lực cản không khí tác dụng lên hệ (người + dù) và trọng lượng của hệ (người + dù) gần như cân bằng nên chuyển động của người được coi là chuyển động thẳng đều.

+ Khi vừa bung dù, lực cản không khí tác dụng lên dù lớn hơn trọng lượng của hệ (người + dù) nên khi vừa bung dù hệ người và dù bị giật lên trên tức thời, chuyển động chậm dần.

+ Khi chuyển động ổn định đã bung dù: hệ người và dù chuyển động thẳng đều từ từ chạm đất vì khi đó lực cản và trọng lực cân bằng nhau.

Vận dụng trang 75 Vật lí 10:

Tìm hiểu một số biện pháp thực tiễn giúp giảm lực cản của nước lên cơ thể khi chúng ta bơi.

Lời giải:

Một số biện pháp làm giảm lực cản của nước: Trang phục bơi ôm sát, đội mũ để giảm sức cản, khi bơi cần thực hiện động tác gọn gàng không sinh ra quá nhiều lực cản, giữ cơ thể thăng bằng khi bơi....

2. Sự phụ thuộc của lực cản không khí vào hình dạng vật

Thực hiện dự án nghiên cứu

Câu hỏi 3 trang 76 Vật lí 10:

Thực hiện thí nghiệm thả rơi hai tờ giấy giống nhau như Hình 12.4, trong đó một tờ được vo tròn và một tờ được để phẳng. So sánh chuyển động của hai tờ giấy này và dự đoán nguyên nhân dẫn đến sự khác nhau đó.

Lời giải:

Tờ giấy vo tròn rơi nhanh hơn tờ giấy để phẳng. Nguyên nhân: Tờ giấy vo tròn chịu ít lực cản của không khí hơn tờ giấy để phẳng.

Câu hỏi 4 trang 76 Vật lí 10:

Quan sát Hình 12.6, kết hợp với kết quả nghiên cứu của dự án để chỉ ra khi vật có hình dạng nào thì lực cản không khí lên vật là lớn nhất và nhỏ nhất.

Lời giải:

Trong ba vật trên hình, vật có hình tam giác chịu lực cản lớn nhất và vật hình giọt nước chịu lực cản bé nhất.

Vận dụng trang 76 Vật lí 10:

Ngoài các ví dụ được đề cập, hãy tìm hiểu và trình bày ứng dụng của sự tăng hay giảm sức cản không khí theo hình dạng vật trong đời sống. (Gọi ý: có thể tham khảo các hiện tượng trong Hình 12.7).

Lời giải:

Ứng dụng của sự tăng hay giảm sức cản không khí theo hình dáng vật

- Các máy bay tiêm kích cần tốc độ cao nên có hình dáng thon gọn, đầu nhọn, cánh nhỏ giúp giảm tối đa lực cản không khí và đạt tốc độ cao, hình dáng này áp dụng hình dáng của các loài chim khi săn mồi trên không như chim ưng, chim cắt...

- Chim ưng sà xuống mặt đất cần dang rộng cánh đề giảm tốc độ tiếp đất hoặc mặt nước tránh va chạm.

- Cánh diều cần có cánh rộng để đảm bảo lực cản không khí đủ mạnh giúp nâng diều lên cao.

- Các viên đạn xuyên giáp cần có thiết kế nhọn, dài để đạt tốc độ lớn và xuyên phá sâu. Các viên đạn súng ngắn, súng lục... thì có dạng đầu tù hoặc tròn để đảm bảo tính ổn định của quỹ đạo viên đạn mà không yêu cầu độ xuyên quá quá cao.

- Thiết kế của xe máy hoặc ô tô đua thường có dạng thon, nhọn để đạt tốc độ cao.

- Thiết kế của thân tàu vũ trụ (bao gồm cả khoang nhiên liệu và thân tàu) khi bay lên thường có dạng nhọn. Thân tàu thường có dạng hình nêm hoặc hình trụ để khi quay trở lại Trái Đất không rơi với tốc độ quá cao gây cháy hoặc phát nổ trên không.

Bài tập (Trang 77)

Bài tập 1 trang 77 Vật lí 10:

Xét một vật rơi trong không khí có đồ thị tốc độ rơi theo thời gian được biểu diễn trong Hình 12.2.

a) Vẽ hình và biểu diễn các lực tác dụng lên vật tại thời điểm t₁, t₂.

b) Xác định độ lớn hợp lực tác dụng lên vật tại thời điểm t₂.

Lời giải:

Học sinh tham khảo hình vẽ dưới.

a) Hình vẽ biểu diễn các lực tác dụng lên vật.

b) Tại thời điểm t₂, độ lớn hợp lực tác dụng lên vật gần như bằng 0 vì lực cản và trọng lực của vật có độ lớn gần như bằng nhau, vật chuyển động đều.

Bài tập 2 trang 77 Vật lí 10:

Hãy vẽ lực cản của không khí hoặc nước tác dụng lên các vật trong các trường hợp được mô tả trong Hình 12P.1.

Lời giải:

Lực cản không khí cùng phương, ngược chiều của chuyển động (mũi tên màu xanh).

Bài tập 3 trang 77 Vật lí 10:

Một con các hề (Hình 12P.2) đang bơi trong nước chịu tác dụng của lực cản F = 0,65v (v là tốc độ tức thời tính theo đơn vị m/s). Hãy tính lực tối thiểu để con cá đạt được tốc độ 6 m/s, giả sử con cá bơi theo phương ngang.

Lời giải:

Lực cản tối thiểu của con cá phải bằng lực cản của nước.

Vì thế F_c = F = 0,65v = 0,65.6 = 3,9 N

Lý thuyết Chuyển động của vật trong chất lưu

1. CHUYỂN ĐỘNG RƠI CỦA VẬT

- Chuyển động của viên bi thép thả trong dầu được chia làm ba giai đoạn:

+ Nhanh dần đều từ lúc bắt đầu rơi trong một thời gian ngắn.

+ Nhanh dần không đều trong một khoảng thời gian tiếp theo. Lúc này lực cản bắt đầu có độ lớn đáng kể và tăng dần.

+ Chuyển động đều với tốc độ giới hạn không đổi. Khi đó, tổng lực tác dụng lên vật rơi bị triệt tiêu.

Ví dụ: Chuyển động của người nhảy dù

- Lực cản của chất lưu được biểu diễn bởi một lực đặt tại trọng tâm vật, cùng phương và ngược chiều với chiều chuyển động của vật trong chất lưu. Lực cản này phụ thuộc vào hình dạng vật.

Xe ô tô khi chuyển động chịu tác dụng của lực cản không khí

Chim bay chịu tác dụng của lực cản không khí

2. SỰ PHỤ THUỘC CỦA LỰC CẢN KHÔNG KHÍ VÀO HÌNH DẠNG VẬT

- Tùy thuộc vào mục đích sử dụng, người ta có thể thiết kế hình dạng của vật khác nhau để làm tăng hoặc giảm lực cản của không khí tác dụng lên vật.

Lực cản tác dụng lên dù rất lớn

Thân hình cá heo có hình dạng đặc biệt, giúp giảm lực cản của nước

Mũ của vận động viên đạp xe có hình dạng đặc biệt

Xem thêm lời giải bài tập Vật Lí lớp 10 Chân trời sáng tạo hay, chi tiết khác:

Bài 7: Gia tốc - Chuyển động thẳng biến đổi đều

Bài 8: Thực hành đo gia tốc rơi tự do

Bài 9: Chuyển động ném

Bài 10: Ba định luật Newton về chuyển động

Bài 11: Một số lực trong thực tiễn

Xem thêm tài liệu Vật lí lớp 10 Chân trời sáng tạo hay, chi tiết khác:

Lý thuyết Bài 12: Chuyển động của vật trong chất lưu