Mở đầu: Ta biết rằng lực có thể làm biến dạng hoặc thay đổi trạng thái chuyển động của vật. Trong thực tế, một vật thường chịu tác dụng của nhiều lực khác nhau. Ví dụ khi chuyển động, ô tô vừa chịu tác động của lực kéo động cơ, vừa chịu tác động của lực ma sát giữa bánh xe với mặt đường, trọng lực do Trái Đất tác dụng và áp lực do mặt đường tạo ra. Những lực này có đặc điểm gì?
Lời giải:
- Những lực trên đều có đặc điểm là có điểm đặt tại ô tô, phương nằm ngang hoặc thẳng đứng và có độ lớn.
1. Trọng lực
Câu hỏi 1: Khi thả một vật từ độ cao h, vật luôn rơi xuống. Lực nào đã gây ra chuyển động rơi của vật?
Lời giải:
- Lực hút của Trái Đất (trọng lực) đã gây ra chuyển động rơi của vật.
Luyện tập: Hai bạn đang đứng ở vị trí A và B trên Trái Đất như Hình 11.3. Hãy vẽ vectơ trọng lực tác dụng lên mỗi bạn.
Lời giải:
Vận dụng: Để xác định trọng tâm của một vật phẳng, người ta có thể làm như sau: Buộc dây vào một lỗ nhỏ ở mép của vật rồi treo vật thẳng đứng. Khi vật cân bằng, dùng bút đánh dấu phương của sợi dây lên vật. Sau đó ta thay đổi điểm treo và thực hiện tương tự. Giao điểm của hai đường kẻ chính là trọng tâm của vật mà ta cần xác định. Dựa vào phương pháp trên, hãy tiến hành thí nghiệm xác định trọng tâm của một vật phẳng bất kì.
Lời giải:
Để xác định được trọng tâm của tấm bìa ta có thể làm như sau:
- Đục 1 lỗ nhỏ A ở mép của tấm bìa, sau đó dùng dây treo buộc vào lỗ A và treo thẳng đứng tấm bìa lên. Đến khi tấm bìa ở trạng thái cân bằng, dùng thước thẳng và bút chì kẻ 1 đường thẳng dọc theo phương của dây treo.
- Làm tương tự như vậy với một điểm treo B khác trên tấm bìa.
- Xác định giao điểm của 2 đường thẳng. Đó chính là trọng tâm G của tấm bìa.
2. Lực ma sát
Câu hỏi 2: Quan sát Hình 11.5, em hãy dự đoán chuyển động của thùng hàng khi chịu tác dụng của các lực có cùng một độ lớn trong hai trường hợp.
Lời giải:
- Trong hình 11.5, khi chị tác dụng của các lực có cùng độ lớn, thùng hàng a không di chuyển, thùng hàng b di chuyển về phía trước.
Câu hỏi 3: Sau khi ta dừng tác dụng lực vào thùng hàng, ta quan sát thấy thùng hàng tiếp tục chuyển động và dừng lại sau khi đi được một đoạn. Em hãy giải thích tại sao thùng hàng dừng lại.
Lời giải:
- Do thùng hàng có khối lượng nên sẽ có quán tính, khi thùng hàng đang chuyển động nếu dừng lực tác dụng thì thùng hàng vẫn có xu hướng bảo toàn trạng thái chuyển động cũ nên nó sẽ tiếp tục chuyển động.
- Do có lực ma sát xuất hiện làm cản trở chuyển động nên thùng hàng sẽ dừng lại sau khi đi được một đoạn.
Câu hỏi 4: Nêu điểm giống và khác nhau của ba loại lực ma sát: ma sát trượt, ma sát lăn và ma sát nghỉ.
Lời giải:
- Giống nhau:
+ Đều có điểm đặt trên vật và ngay tại vị trí tiếp xúc của hai bề mặt.
+ Đều có phương tiếp tuyến và ngược chiều chuyển động
- Khác nhau:
+ Lực ma sát nghỉ xuất hiện khi vật nằm yên trên bề mặt
+ Lực ma sát trượt xuất hiện khi vật di chuyển
+ Lực ma sát lăn xuất hiện khi vật lăn trên một bề mặt.
Câu hỏi 5: Dựa vào các Hình 11.4, 11.7, hãy vẽ hình biểu diễn lực ma sát tác dụng lên các vật trong Hình 11.5 và 11.6.
Lời giải:
Câu hỏi 6: Giải thích ý nghĩa của chuyển động tương đối của hai bề mặt tiếp xúc khi nói về chiều của lực ma sát.
Lời giải:
- Chuyển động tương đối của hai bề mặt tiếp xúc khi nói về chiều của lực ma sát là khi ta tác dụng lực vào vật có xu hướng như thế nào mà vật vẫn đứng yên thì tại vật xuất hiện lực ma sát ngược chiều với chiều tác dụng vào vật.
Câu hỏi 7: Dựa vào kinh nghiệm cuộc sống của em, hãy phân tích lợi ích và tác hại của lực ma sát.
Lời giải:
Lợi ích của lực ma sát:
- Giúp con người, xe cộ, động vật có thể di chuyển, đi lại được.
- Giúp cho xe chuyển động chậm dần khi hãm phanh trong trường hợp có chướng ngại vật phía trước.
- Giúp cho việc viết bảng, viết trên giấy dễ dàng hơn.
…
Tác hại của lực ma sát:
- Làm mòn đế giày, dép, lốp xe.
- Làm mòn ổ trục của các chi tiết, động cơ.
…
Luyện tập: Quan sát hình 11.9 và giải thích cơ chế vật lí giúp con người có thể bước đi.
Lời giải:
- Khi chân người bước đi, áp lực của mặt đường lên chân và áp lực của chân lên mặt đường cùng phương, ngược chiều và có cùng độ lớn nên hai lực này triệt tiêu. Lực ma sát nghỉ do chân tác dụng lên mặt đường và lực ma sát nghỉ do mặt đường tác dụng lên chân cùng phương, ngược chiều và cùng độ lớn nên chúng cũng triệt tiêu. Lực do mặt đường tác dụng lên chân không bị triệt tiêu, vì vậy mà con người có thể bước đi được.
Vận dụng: Dựa vào kiến thức đã học, hãy cho biết các trường hợp trong Hình 11.10 là ứng dụng đặc điểm gì của lực ma sát và nêu cụ thể loại lực ma sát được đề cập.
Lời giải:
a) Ứng dụng của ma sát lăn, giúp ổ bi quay dễ dàng hơn.
b) Ứng dụng của ma sát nghỉ, giúp thùng hàng không bị trượt đi trên băng chuyền.
c) Ứng dụng của ma sát trượt, giúp cho dao sắc hơn.
3. Lực căng dây
Câu hỏi 8: Cho ví dụ minh họa tính chất của lực căng dây xuất hiện tại mọi điểm trên dây.
Lời giải:
- Ví dụ:
+ Kéo vật bằng ròng rọc
+ Chuyển động của con lắc đơn được treo vào một sợi dây không dãn.
Luyện tập: Hình 11.13 mô tả quá trình kéo gạch từ thấp lên cao qua hệ thống ròng rọc. Xem chuyển động của thùng gạch là đều, hãy xác định lực căng dây tác dụng lên vật nâng và ròng rọc bằng hình vẽ. Từ đó hãy chỉ ra điểm đặt, phương, chiều và độ lớn của lực căng dây. Biết lượng gạch trong mỗi lần kéo có khối lượng 20 kg và lấy g = 9,8 m/s2.
Lời giải:
Điểm đặt, phương, chiều của lực căng xuất hiện trên dây như hình vẽ.
Ta xét tại điểm dây tiếp xúc giữa dây với vật nâng, tại đó xuất hiện hai lực tác dụng vào vật là lực căng dây và trọng lực , có phương thẳng đứng và chiều ngược nhau. Khi vật chuyển động lên đều, thì trọng lượng của vật bằng độ lớn lực căng dây.
T = P = mg = 20.9,8 = 196 N.
4. Lực đẩy Archimedes (Ác – si – mét)
Câu hỏi 9: Quan sát hình 11.15, tìm hiểu và trình bày một giai thoại khoa học liên quan.
Lời giải:
Giai thoại: Acsimet và câu chuyện về chiếc vương miện
Một ngày tháng tư năm 231 trước công nguyên, quốc vương Hỉeon đã triệu tập Acsimet vào cung để giải quyết một vấn đề mà quốc vương rất đau đầu. Đó là quốc vương có một chiếc vương miện do một thợ kim hoàn đúc thành, quốc vương giao cho thợ kim hoàn 15 lạng vàng nhưg quốc vương hoài nghi rằng chiếc vương miện này liệu có được 15 lạng vàng hay không. Vì vậy quốc vương muốn làm sáng tỏ điều này. Sau khi Acsimet nghe xong yêu cầu của quốc vương, biết rằng đây là một vấn đề khó giải quyết, vì vậy ông đã xin bệ hạ một ít ngày suy nghĩ. Acsimet mang chiếc vương miện về nhà để tìm hiểu. Sau 2 tháng, ông vẫn không tìm ra được kết quả. Bỗng một hôm, ông vừa đi vào bồn tắm, dìm người vào bồn chứa đầy nước sạch, bỗng ông chú ý đến một phần nước của bồn tắm trào ra khi ông dìm mình trong bồn tắm, đột nhiên một ý nghĩ trong đầu ông khiến ông hét tướng lên: “Ơ rê ca! Ơ rê ca” (Tìm ra rồi, tìm ra rồi) và rồi ông chạy ra khỏi bồn tắm, chạy ra đường, mừng rỡ khôn tả.
Ông ăn mặc chỉnh tề vào gặp quốc vương và đưa ra lí giải:
+ Có 3 vật có trọng lượng bằng nhau: sắt, vàng, vương miện
+ Ông lần lượt nhúng ngập chúng vào một chiếc bình được đổ nước, và đo lượng trào ra.
=> Kết quả là lượng nước trào ra khi nhúng ngập chiếc vương miện nhiều hơn khi nhúng ngập tảng vàng, ít hơn tảng sắt
=> Chiếc vương miện không phải hoàn toàn bằng vàng ròng, cũng không phải bằng sắt. Khi thợ kim hoàn làm chiếc vương miện này chắc chắn đã trộn không ít bạc vào trong vàng.
Câu hỏi 10: Hãy vẽ vectơ lực đẩy Archimedes tác dụng lên vương miện trong hình 11.15.
Lời giải:
Biểu diễn vectơ lực đẩy Ac-si-mét và trọng lực tác dụng lên vật.
Câu hỏi 11: Dựa vào công thức (11.8) để giải thích sự xuất hiện của lực đẩy tác dụng lên một vật trong chất lỏng (hoặc chất khí).
Lời giải:
- Khi một vật chìm trong chất lỏng thì sẽ làm chất lỏng dâng lên một dộ cao Δh. Khi này áp suất của chất lỏng tác dụng lên vật sẽ là Δp=ρ.g.Δh=> Độ chênh lệch áp suất này chính là lực đẩy của chất lỏng lên vật.
Luyện tập: Kỉ lục thế giới về lặn tự do (không có bình dưỡng khí) được thực hiện bởi một nữ thợ lặn người Slovenia khi cô lặn xuống biển tới độ sâu 114 m. Hãy tính độ chênh lệch áp suất tại vị trí này so với mặt thoáng của nước biển. Lấy giá trị trung bình khối lượng riêng của nước biển là 1025 kg/m3 và g = 9,8 m/s2.
Lời giải:
- Độ chênh lệch áp suất:
Vận dụng: Thiết kế phương án thí nghiệm để xác định được độ lớn lực đẩy Archimedes và khối lượng riêng
của một chất lỏng với các dụng cụ: lực kế, vật nặng, chậu nước.
Lời giải:
Thiết kế phương án thí nghiệm
+ Bước 1: Treo vật nặng vào lực kế, lực kế chỉ giá trị P
+ Bước 2: Nhúng vật nặng chìm trong chậu nước, lực kế chỉ giá trị P1
+ Bước 3: Tính lực đẩy Acsimet: FA = P – P1
+ Bước 4: Tính khối lượng riêng: ρ=FA/(g.h)
Bài tập
Bài tập 1: Xét hai hệ như hình 11P.1, hãy vẽ sơ đồ lực tác dụng lên vật m1, m2 trong trường hợp a và vật m trong trường hợp b; gọi tên các lực này.
Lời giải:
- Các lực tác dụng lên vật m1: trọng lực , lực căng dây , phản lực , lực ma sát (do vật m1 có khối lượng lớn hơn m2 nên vật m1 sẽ trượt xuống)
- Các lực tác dụng lên vật m2: trọng lực , lực căng dây .
- Các lực tác dụng lên vật m: trọng lực , lực căng dây , phản lực .
Bài tập 2: Vào năm 231 trước Công nguyên, nhà vua Hy Lạp cổ đại Hieron (Hai – ơ – rôn) nghi ngờ những thợ kim hoàn trộn lẫn những kim loại khác ngoài vàng khi đúc vương miện cho ông. Archimedes đã tiến hành thí nghiệm như Hình 11P.2 để giải đáp thắc mắc của nhà vua. Dựa vào các kiến thức đã học hãy giải thích cách tiến hành trên. Biết rằng người thợ này đã dùng bạc thay thế cho một phần vàng và bạc có khối lượng riêng nhỏ hơn vàng.
Lời giải:
+ Có 3 vật có trọng lượng bằng nhau: sắt, vàng, vương miện
+ Ông lần lượt nhúng ngập chúng vào một chiếc bình được đổ nước, và đo lượng trào ra.
=> Kết quả là lượng nước trào ra khi nhúng ngập chiếc vương miện nhiều hơn khi nhúng ngập tảng vàng, ít hơn tảng sắt
=> Chiếc vương miện không phải hoàn toàn bằng vàng ròng, cũng không phải bằng sắt. Khi thợ kim hoàn làm chiếc vương miện này chắc chắn đã trộn không ít bạc vào trong vàng.
Bài tập 3: Tác dụng lực đẩy theo phương ngang rất khó để làm khối nặng di chuyển trượt trên mặt sàn. Thay vì vậy, ta thường đặt vật tựa lên các con lăn như Hình 11P.3 và đẩy với cùng lực đó thì vật chuyển động dễ dàng. Giải thích tại sao.
Lời giải:
- Lực ma sát trượt đã bị triệt tiêu, thay vào đó là lực ma sát lăn. Độ lớn lực ma sát lăn nhỏ hơn nhiều so với lực ma sát trượt nên vật dễ dàng chuyển động.