Bài giảng Vật lí Lớp 10 (Sách Chân trời sáng tạo) - Bài 7: Gia tốc. Chuyển động thẳng biến đổi đều - Năm học 2022-2023

Nội dung text: Bài giảng Vật lí Lớp 10 (Sách Chân trời sáng tạo) - Bài 7: Gia tốc. Chuyển động thẳng biến đổi đều - Năm học 2022-2023

1. Bài 7: Gia tốc. Chuyển động thẳng biến đổi đều
2. Khởi động Trong giải đua xe F1, các tay đua bắt buộc phải vào trạm dừng thay lốp mới và nạp thêm nhiên liệu. Trong khoảng thời gian từ khi xe vào trạm dừng đến khi xe tăng tốc trở lại đường đua, ta thấy vận tốc của xe đã có sự thay đổi rõ rệt. Đại lượng nào đặc trưng cho sự thay đổi vận tốc của xe?
3. Đồ thị vận tốc – thời gian trong chuyển động thẳng và khái niệm gia tốc Thí nghiệm khảo sát chuyển động biến đổi Mục đích: Đo được vận tốc tức thời tại từng thời điểm của vật chuyển động biến đổi. Dụng cụ: Làm thế nào ta có thể xác định được vận tốc tức thời dựa vào phương án thí nghiệm gợi ý?
4. Đồ thị vận tốc – thời gian trong chuyển động thẳng và khái niệm gia tốc Thí nghiệm khảo sát chuyển động biến đổi Tiến hành thí nghiệm: Bước 1: Điều chỉnh máng nghiêng một Bước 2: Cố định nam châm điện và góc 0° so với phương nằm ngang (giá cổng quang điện A (cổng quang điện trị được xác định bởi thước đo độ). A đặt cách đoạn chân dốc nghiêng của mảng một khoảng 20 cm). Dịch chuyển nam châm điện lại gần cổng quang điện A sao cho viên bi thép nằm sát chùm tia hồng ngoại của cổng quang điện. Đặt cổng quang điện B cách cổng quang điện A một đoạn AB.
5. Đồ thị vận tốc – thời gian trong chuyển động thẳng và khái niệm gia tốc Thí nghiệm khảo sát chuyển động biến đổi Tiến hành thí nghiệm: Bước 3: Đọc giá trị Bước 4: Đưa bi thép lại Bước 5: Chọn chế độ đo thời đường kính d của gần nam châm điện sao gian vật chuyển động từ cổng viên bi thép trong cho nó bị nam châm hút quang điện A đến B (tAB). Tiến bộ thí nghiệm dính vào nam châm hành 3 lần và ghi kết quả Bước 6: Chọn chế độ để đo thời gian vật chắn cổng quang điện B (tB). Tiến hành thí nghiệm 3 lần để xác định
6. Đồ thị vận tốc – thời gian trong chuyển động thẳng và khái niệm gia tốc Thí nghiệm khảo sát chuyển động biến đổi Báo cáo kết quả thí nghiệm • Đo thời gian vật đi hết quãng đường AB và thời gian vật chắn cổng quang điện B. • Ghi vào bảng số liệu như gợi ý trong Bảng 7.1. • Xử lí số liệu để ghi nhận được tốc độ tức thời tương ứng với từng thời điểm đo được. Góc máng nghiêng: = 20o Đường kính viên bi: d = 2,05 cm Khoản tAB (s) tB (s) Tốc độ tức g cách Lần 1 Lần 2 Lần 3 Trung Sai Lần Lần Lần Trung Sai thời B AB 푣 = bình số 1 2 3 bình số 푡ഥ (cm) 푡 푡ഥ ( /푠) 10 0,292 0,293 0,292 0,031 0,031 0,031 20 0,422 0,423 0,423 0,023 0,022 0,022 30 0,525 0,525 0,525 0,018 0,018 0,018 40 0,609 0,608 0,609 0,016 0,016 0,017 50 0,684 0,684 0,684 0,014 0,015 0,014 Bảng số liệu thí nghiệm đo vận tốc theo thời gian
7. Thảo luận Nêu một số ví dụ khác về chuyển động có vận tốc thay đổi theo thời gian. Vận tốc của vận động viên bơi Vận tốc của xe ô tô đi trên Vận tốc của con báo khi săn lội thay đổi theo thời gian: đường thay đổi theo thời gian: mồi thay đổi theo thời gian: chậm lại khi đến gần tường, chậm lại khi xe động, nhanh chậm lại khi tiến gần con mồi, quay lại tăng tốc dần khi đường vắng tăng tốc đuổi theo
8. Đồ thị vận tốc – thời gian trong chuyển động thẳng và khái niệm gia tốc Gia tốc Trên thực tế, vận tốc của vật chuyển động trong đa số trường hợp luôn thay đổi theo thời gian. Khi xe ô tô bắt đầu chuyển động hoặc Khi xe thay đổi hướng chuyển động như hãm phanh (xét chuyển động thẳng) thì rẽ trái, rẽ phải thì vận tốc của xe bị thay vận tốc của xe thay đổi về độ lớn. đổi về hướng và có thể cả độ lớn.
9. Đồ thị vận tốc – thời gian trong chuyển động thẳng và khái niệm gia tốc Gia tốc • Xét vật chuyển động thẳng có vận tốc đầu là 푣1, và vận tốc của vật chuyển động sau khoảng thời gian 훥 t là 푣2. • Trong suốt quá trình chuyển động, vận tốc tức thời của vật có độ lớn thay đổi theo thời gian (đồ thị không song song với trục thời gian), đây gọi là chuyển động biến đổi. v(m/s) Q • Sự thay đổi vận tốc của vật 푣2 theo thời gian được đặc trưng bởi một đại lượng gọi 푣 − 푣 = v là gia tốc. 2 1 • Gia tốc được xác định bằng P độ dốc (hệ số góc) của đồ 푣1 H thị vận tốc theo thời gian. 푡2 − 푡1= t 푡1 푡2 t(s)
10. Đồ thị vận tốc – thời gian trong chuyển động thẳng và khái niệm gia tốc Gia tốc Gia tốc là đại lượng đặc trưng cho độ biến thiên của vận tốc theo thời gian Gia tốc trung bình trong chuyển động thẳng: v là vận tốc đầu ở thời điểm t 훥푣 푣2 − 푣1 1 1 v là vận tốc ở thời điểm t 푡 = = 2 2 훥푡 푡2 − 푡1 v: độ biến thiên vận tốc t : khoảng thời gian vận tốc thay đổi Đơn vị: m/s2 *Lưu ý: để xác định dấu của vận tốc ta phải so sánh chiều của vận tốc với chiều dương quy ước. Gia tốc tức thời tại một thời điểm có giá trị bằng độ dốc của tiếp tuyến của đồ thị vận tốc - thời gian (v - t) tại thời điểm đó
11. Đồ thị vận tốc – thời gian trong chuyển động thẳng và khái niệm gia tốc Gia tốc Vận tốc là đại lượng vectơ nên gia tốc cũng là đại lượng vectơ 훥푣Ԧ 푣Ԧ2 − 푣Ԧ1 푡 = = 훥푡 푡2 − 푡1 ▪ Khi 훥푡 rất nhỏ, gia tốc trung bình trở thành gia tốc tức thời có gốc tại vị trí của vật ▪ Hướng cùng hướng với độ biến thiên vận tốc 훥푣Ԧ ▪ Độ dài tỉ lệ với độ lớn của vectơ 훥푣Ԧ theo một tỉ xích xác định
12. Đồ thị vận tốc – thời gian trong chuyển động thẳng và khái niệm gia tốc Gia tốc Trong một số phương tiện giao thông như máy bay, xe đua, gia tốc tức thời được đo trực tiếp bằng gia tốc kế. Bảng điều khiển của máy bay Gia tốc kế của máy bay (tính theo gia tốc rơi tự do g)
13. Đồ thị vận tốc – thời gian trong chuyển động thẳng và khái niệm gia tốc Gia tốc Gia tốc tức thời (a) a = 0 a 0 Chuyển động thẳng đều Chuyển động thẳng biến đổi Độ lớn vận tốc không đổi a = hằng số a hằng số theo thời gian Chuyển động Chuyển động biến đổi đều biến đổi phức tạp Độ lớn vận tốc thay đổi (tăng giảm) Không xét! đều theo thời gian
14. Đồ thị vận tốc – thời gian trong chuyển động thẳng và khái niệm gia tốc Gia tốc độ lớn vận tốc thay đổi (tăng hoặc giảm) đều theo thời gian Độ lớn của vận tốc tăng đều Độ lớn của vận tốc tức thời giảm theo thời gian đều theo thời gian Ԧ cùng chiều 푣Ԧ Ԧ ngược chiều 푣Ԧ
15. Luyện tập Một xe buýt bắt đầu rời khỏi bến, khi đang chuyển động thẳng đều thì thấy một xe ô tô chết máy trên đường, người lái xe hãm phanh để dừng lại. Hãy nhận xét tính chất chuyển động của xe buýt, mối liên hệ về hướng của vận tốc và gia tốc từ lúc bắt đầu chuyển động cho tới khi dừng lại. 2,5 tấn 70m
16. Vận dụng Trong cuộc đua xe F1, hãy giải thích tại sao ngoài tốc độ tối đa thì gia tốc của xe cũng là một yếu tố rất quan trọng quyết định kết quả cuộc đua. Xe phải thay lốp, bơm nhiên liệu giữa đường đua, hình dạng đường đua phức tạp có rất nhiều khúc quanh buộc các tay đua phải thay đổi vận tốc rất nhanh, rất nhiều lần vì vậy gia tốc của xe là một yếu tố rất quan trọng. Gia tốc a càng lớn, vận tốc thay đổi càng nhanh
17. Đồ thị vận tốc – thời gian trong chuyển động thẳng và khái niệm gia tốc Vận dụng đồ thị (v – t) để xác định độ dịch chuyển Xét vật chuyển động thẳng đều, vận tốc của vật có độ lớn không đổi theo thời gian và được biểu diễn bởi đồ thị (v - t) trong hình. v(m/s) Độ dịch chuyển của vật trong khoảng thời gian đi t B v A = 푡2 − 푡1, là d = v(푡2 − 푡1) và bằng phần diện tích hình chữ nhật ABCD D C 푡1 푡2 t(s)
18. Đồ thị vận tốc – thời gian trong chuyển động thẳng và khái niệm gia tốc Vận dụng đồ thị (v – t) để xác định độ dịch chuyển Độ dịch chuyển của vật trong khoảng thời gian từ 푡1 đến 푡2, được xác định bằng phần diện tích giới hạn bởi các đường v(t), v = 0 ,t = 푡1,t = 푡2, trong đồ thị (v – t). v(m/s) B Ví dụ: Xét vật chuyển động thẳng nhanh dần đều có vận tốc 푣1, vào thời điểm 푡1 = 푣2 0 và vận tốc 푣2 tại thời điểm 푡2. 푣 Độ dịch chuyển của vật trong khoảng 1 C A thời gian t = 푡2 − 푡1 , chính là phần diện tích hình thang OABD D D O 푡1 푡2 t(s)
19. Đồ thị vận tốc – thời gian trong chuyển động thẳng và khái niệm gia tốc Vận dụng đồ thị (v – t) để xác định độ dịch chuyển Ví dụ: Dựa vào đồ thị (v - t) của vật chuyển động trong hình, hãy xác định gia tốc và độ dịch chuyển của vật trong các giai đoạn: a) Từ 0 s đến 40 s. b) Từ 80 s đến 160 s. v(cm/s) Chọn chiều dương là chiều chuyển động của vật. B D Gia tốc và độ dịch chuyển của vật : 푣2 푣1−푣0 120−40 2 1 = = = 2 /푠 푡1−푡0 40 1 = (OA+BC).OC 푣1 1 2 1 A = (160cm/s.40s 2 = 3200 cm b) Tương tự câu a, ta có: C E F 2 2 = -1,5 /푠 và 2 = 4800 cm. O 40 80 160t(s)
20. Thảo luận Nhận xét về tính chất chuyển động của vật có đồ thị (v – t) được biểu diễn trong hình v(cm/s) B D 푣2 0 – 40 s: nhanh dần đều 40 – 80s: thẳng đều 80 – 160 s: chậm dần đều 푣1 A C E F O 40 80 160t(s)
21. Luyện tập Một người chạy xe máy theo một đường thẳng và có vận tốc theo thời gian được biểu diễn bởi đồ thị (v - t) như hình. Xác định: a) Gia tốc của người này tại các thời điểm 1 s, 2,5 s và 3,5s. b) Độ dịch chuyển của người này từ khi bắt đầu chạy đến thời điểm 4s. v(m/s) B 4 C 3 A 2 D 1 O 1 2 3 4 t(s)
22. Các phương trình của chuyển động thẳng biến đổi đều Các phương trình của chuyển động thẳng biến đổi đều Phương trình gia tốc = hằng số Phương trình vận tốc Xét thời điểm t0 = 0, vật chuyển động có vận tốc v0. Tại thời điểm t, vật có vận tốc v. PT vận tốc của vật CĐ thẳng biến đổi đều: 푣 = 푣0 + 푡 Nhanh dần Chậm dần a cùng dấu với v0 a ngược dấu với v0 Đồ thị có dạng một đường thẳng
23. Các phương trình của chuyển động thẳng biến đổi đều Các phương trình của chuyển động thẳng biến đổi đều Phương trình độ dịch chuyển Độ dịch chuyển của vật sau khoảng thời gian: t = t - 0 = t chính là diện tích hình thang OABD: v(m/s) B 1 1 = (OA+BD).OD = (v +v).t 1 2 2 o 푣2 Ta có: 푣 = 푣0 + 푡 푣1 C Phương trình độ dịch chuyển của vật: A 1 = 푡2 + 푣 푡 2 0 D D O 푡1 푡2 t(s)
24. Các phương trình của chuyển động thẳng biến đổi đều Các phương trình của chuyển động thẳng biến đổi đều Phương trình độ dịch chuyển 1 = 푡2 + 푣 푡 d 2 0 Đồ thị (d – t) của chuyển động thẳng biến đổi đều được biễu diễn trong hình là một nhánh parabol O t(s)
25. Các phương trình của chuyển động thẳng biến đổi đều Các phương trình của chuyển động thẳng biến đổi đều Phương trình độ dịch chuyển Nếu vật chuyển động thẳng biến đổi đều không đổi chiều thì PT: 1 = 푡2 + 푣 푡 cũng chính là PT xác định quãng đường đi được của vật. 2 0 Nếu tại thời điểm t0, vật có vị trí x0 so với gốc toạ độ. Do d = x - x0, 1 = 푡2 + 푣 푡 + 2 0 0 Phương trình xác định toạ độ của vật chuyển động thẳng biến đổi đều.
26. Thảo luận Hãy rút ra phương trình liên hệ giữa gia tốc, vận tốc và độ dịch chuyển. Khử biến thời gian t trong các phương trình 푣 = 푣0 + 푡 1 = 푡2 + 푣 푡 2 0 ta rút ra được biểu thức liên hệ giữa gia tốc, vận tốc và độ dịch chuyển. 2 2 푣 − 푣 0 = 2 Phương trình liên hệ giữa gia tốc, vận tốc và độ dịch chuyển:
27. Đồ thị vận tốc – thời gian trong chuyển động thẳng và khái niệm gia tốc Vận dụng các công thức của chuyển động thẳng biến đổi đều Ví dụ 1: Một người đi xe đạp lên dốc dài 50 m. Tốc độ ở dưới chân dốc là 18 km/h và ở đầu dốc lúc đến nơi là 3 m/s. Tính gia tốc của chuyển động và thời gian lên dốc. Coi chuyển động trên là chuyển động thẳng chậm dần đều.
28. Đồ thị vận tốc – thời gian trong chuyển động thẳng và khái niệm gia tốc Vận dụng các công thức của chuyển động thẳng biến đổi đều Ví dụ 1: Một người đi xe đạp lên dốc dài 50 m. Tốc độ ở dưới chân dốc là 18 km/h và ở đầu dốc lúc đến nơi là 3 m/s. Tính gia tốc của chuyển động và thời gian lên dốc. Coi chuyển động trên là chuyển động thẳng chậm dần đều. Bài giải Chọn gốc thời gian là lúc vật ở chân dốc, chiều dương cùng chiều chuyển động. 2 18 2 Áp dụng phương trình, suy ra: 푣2−푣 2 3 − = 0 = 3,6 = − 0,16 m/s2 2 2.50 푣−푣 3−5 Thời gian chuyển động lên dốc: 푡 = 0= = 12,5푠 0,16 Như vậy, gia tốc có độ lớn không đổi bằng 0,16 m/s2 và có chiều ngược chiều dương quy ước là chiều chuyển động, do đó vật chuyển động chậm dần đều.
29. Đồ thị vận tốc – thời gian trong chuyển động thẳng và khái niệm gia tốc Vận dụng các công thức của chuyển động thẳng biến đổi đều Ví dụ 2: Một người đi xe đạp chuyển động thẳng nhanh dần đều. Trong hai khoảng thời gian 4 s liên tiếp, người này di chuyển được những quãng đường lần lượt là 24 m và 64 m. Tính gia tốc và tốc độ đầu của chuyển động. Bài giải Chọn: - Gốc thời gian lúc bắt đầu chuyển động - Chiều dương cùng chiều chuyển động t = 4 s; d = s = 24 m. Ta có: 1 1 1 t2 = 8 s; d2 = s1 + s2 = 88 m Thay vào phương trình độ dịch chuyển theo thời gian và giải hệ phương trình, v = 1 m/s Ta có: 0 a = 2,5 m/s2
30. Luyện tập Một đoàn tàu đang chạy với vận tốc 43,2 km/h thì hãm phanh, chuyển động thẳng chậm dần đều để vào ga. Sau 1 phút thì tàu dừng lại ở sân ga. a) Tính gia tốc của tàu. b) Tính quãng đường mà tàu đi được trong thời gian hãm phanh. a? 43,2 km/h 0 km/h t = 1 phút S?
31. Bài tập Một máy bay chở khách đạt tốc độ cất cánh là 297 km/h ở cuối đường băng sau 30 giây từ lúc bắt đầu lăn bánh. Giả sử máy bay chuyển động thẳng, hãy tính gia tốc trung bình của máy bay trong quá trình này. v0 = 0 m/s 푣 − 푣 t = 30 s 0 v = 297 km/h 푡 = 푡 = ? 훥푡
32. Bài tập Xét một vận động viên chạy xe đạp trên một đoạn đường thẳng. Vận tốc của vận động viên này tại mỗi thời điểm được ghi lại trong bảng dưới đây. Hãy vẽ đồ thị vận tốc - thời gian và mô tả tính chất chuyển động của vận động viên này. t(s) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 v (m/s) 5 5 8 9 10 10 10 12 14 16 16