BÀI 4: CHUYỂN ĐỘNG THẲNG
Ảnh
Trang bìa
Trang bìa
Ảnh
BÀI 4 CHUYỂN ĐỘNG THẲNG
Mở đầu
Nội dung bài học
- Tốc độ trung bình, quãng đường đi được, độ dịch chuyển, vận tốc. - Đồ thị dịch chuyển - thời gian.
Khởi động
Hai bạn đều xuất phát từ cùng một vị trí để di đến lớp học (Hình 4.1), một bạn đi bộ và một bạn đi xe đạp. Mặc dù đi chậm hơn nhưng bạn đi bộ lại đến lớp trước bạn đi xe đạp do bạn đi đạp dùng lại ở hiệu sách để mua bút và tài liệu học tập. Điều này được lí giải như nào theo góc độ Vật lí?
Ảnh
Khái niệm cơ bản
Thảo luận 1
Hình vẽ
Vị trí và tọa độ của một vật có phụ thuộc vào vật làm gốc không? Cho một ví dụ trong thực tiễn để minh họa câu trả lời của em.
Ảnh
Trả lời
Tọa độ của một vật phụ thuộc vào vật làm gốc, nhưng của vị trí của vật thì không thay đổi khi ta chọn các gốc tọa độ khác nhau. Ví dụ: Xét một chiếc xe đang chạy trong hầm Thủ Thiêm (Thành phố Hồ Chí Minh) theo chiều từ quận 1 sang quận 2. Vào một thời điểm nào đó xe đang cách đầu hầm quận một 500m. Biết hầm Thủ Thiêm dài 1490m. Nếu chọn gốc tọa độ tại đầu hậm quận 1, chiều dương hướng từ quận 1 sang quận 2 (người quan sát đứng tại đầu hầm quận 1 và đang nhìn về hướng quận 2), thì tọa độ của xe là 500m. Nếu chọn gốc tọa độ tại đầu hầm quận 2, chiều dương ngược lại (người quan sát đứng tại đầu hầm quận 2 và nhìn về hướng quận 1), thì tọa độ của xe là 990m. Trong cả hai trường hợp, ví trí của xe vẫn không thay đổi.
Chất điểm
Chất điểm Một vật chuyển động được coi là chất điểm nếu kích thước của nó rất nhỏ so với quãng đường đi được hoặc so với khoảng cách mà ta đề cập đến. Ví dụ: So với quãng đường đi từ Thành phố Hồ Chí Minh đến Thủ đô Hà Nội(khoảng 1730km) thì một chiếc ô tô (có chiều dài trung bình khoảng 5m) được xem là chất điểm.
Vị trí
Vị trí Để xác định vị trí của vật, ta cần chọn một vật khác làm gốc. Sau đó gắn vào vật này một trục Ox như hình. Khi đó, vị trí của vật có thể được xác định bởi tọa độ x = latex(barOM) trên trục Ox hoặc (x,y) trong hệ trục Oxy. Vật làm gốc, hệ trục tọa độ kết hợp với đồng hồ đo thời gian tạo hành hệ quy chiếu.
Ảnh
Thời điểm + Quỹ đạo
Thời điểm Thời gian có thể biểu diễn thành một trục gọi là trục thời gian. Chọn một điểm nhất định làm gốc thời gian thì mọi điểm khác trên trục thời gian được gọi là thời điểm. Quỹ đạo Đường nối những vị trí liên tiếp của vật theo thời gian trong quá trình chuyển động.
Tốc độ
Tốc độ trung bình
Hình vẽ
Đại lượng đặc trưng cho tính chất nhanh, chậm của chuyển động chính là tốc độ. Nếu trong khoảng thời gian ∆t vật di chuyển được một quãng đường s thì: Tốc độ trung bình của vật (kí hiệu latex(v_(tb))) được xác định bằng thương số giữa quãng đường vật đi được và thời gian để thực hiện quãng đường đó. latex(v_(tb) = s/(∆t)) Trong hệ SI, đơn vị của tốc độ là m/s (mét trên giây). Một số đơn vị thường dùng khác của tốc độ là km/h (kilomet trên giờ), km/s (kilomet trên giây), mi/h (dặm trên giờ), cm/s (xentimet trên giây).
Tốc độ tức thời
Tốc độ trung bình tính trong khoảng thời gian rất nhỏ là tốc độ tức thời (kí hiệu v) diễn tả sự nhanh, chậm của chuyển động tại thời điểm đó. Khi một vật chuyển đọng với tốc độ tức thời không đổi, ta nói chuyển động của vật là chuyển động đều. Ngược lại, ta nói chuyển động của vật là không đều.
Thảo luận 2
Hình vẽ
Một vận động viên bơi lội người Mỹ đã từng lập kỉ lục thế giới ở nội dung bơi bướm 100m và 200 với thời gian lần lượt là 49,82s và 11,51s. Hãy lập luận để xác định vận động viên này bơi nhanh hơn trong trường hợp nào.
Trả lời
Tốc độ trung bình của vận động viên bơi lội trong nội dung bơi bướm là 100m là: latex(v_(tb) = (100m)/(49,82s)) = 2,01 m/s. Trong nội dung bơi bướm 200m tốc độ trung bình của vận động viên là: latex(v_(tb) = (200m)/(111,51s)) = 1,79 m/s. Vậy trong nội dung bơi bướm 100m thì vận động viên này bơi nhanh hơn.
Thảo luận 3
Hình vẽ
Nêu một số tình huống thực tiễn chứng tỏ tốc độ trung bình không diễn tả đúng tính nhanh chậm của chuyện động.
Trả lời
Khi đạp xe đi từ nhà đến trường, bạn HS thường đi mất 15p. Tuy nhiên, trong quá trình di chuyển, bạn có thể di chuyển đi nhanh tại những đoạn đường vắng và chạm tại đoạn đường đông. Ngoài ra, bạn HS này còn dừng lại mua đồ ăn sáng hết 5p. Trong khi đó tốc độ trung bình chỉ thể hiện được mối liên hệ giữa quãng đường đi được và thời gian đi quãng đường đó. Vì vậy tốc độ trung bình trên cả quãng đường không thể hiện được sự thay đổi nhanh chậm trong quá trình chuyển động của bạn học sinh này.
Luyện tập
Trong truyện ngụ ngôn Rùa và Thỏ, tốc độ nào cho thấy Thỏ được xem là chạy nhanh hơn Rùa, Tuy nhiên Rùa lại chiến thắng trong cuộc đua này, hãy so sánh tốc độ trung bình của Rùa và Thỏ.
Hình vẽ
Ảnh
Ảnh
Vận tốc
Độ dịch chuyển
Hình vẽ
Độ dịch chuyển được xác định bằng độ biến thiên tọa độ của vật. latex(d = x_2 - x_1 = ∆x) Lưu ý: - Tổng quát, độ dịch chuyển là một đại lượng vecto latex(vecd) có gốc tại vị trí ban đầu, hướng từ vị trí đầu đến vị trí cuối, độ lớn bằng khoảng cách giữa các vị trí đầu và vị trí cuối. - Độ dịch chuyển là một đại lượng có thể nhận giá trị dương, âm hoặc bằng không. Trong khi quãng đường đi được là một đại lượng không âm.
Vận tốc
Vận tốc trung bình là địa lượng vecto được xác định bằng thương số giữa độ dịch chuyển của vật và thời gian để vật thực hiện độ dịch chuyển đó. latex(vec(v_(tb)) = vec(d)/(∆t) = (∆vec(x))/(∆t)) Lưu ý: Tốc độ trung bình chỉ bằng độ lớn của vận tốc trung bình khi vật chuyển động thẳng không đổi chiều. Xét trong một khoảng thời gian rất nhỏ, vận tốc trung bình sẽ trở thành vận tốc tức thời. Độ lớn của vận tốc tức thời chính là tốc độ tức thời. Lưu ý: Như vậy, vận tốc tức thời cũng là một đại lượng vecto(latex(vec(v))), có gốc tại vị trí vật chuyển động, hướng theo hướng của chuyển động và có độ dài tỉ lệ với độ lớn của vận tốc tức thời theo một tỉ xích xác định.
Thảo luận 4
Quan sát Hình 4.4 và đọc hai tình huống để xác định quãng đường đi được và chiều chuyển động của hai xe trong Hình 4.4a và vận động viên trong Hình 4.4b sau khoảng thời gian đã xác định.
Ảnh
Trả lời
- Trong tình huống 1: Quãng đường hai xe đi được là như nhau và bằng độ dài đoạn AB, xe màu xanh chuyển động theo chiều dương còn xe màu cam chuyển động ngược chiều dương. - Trong tình huống 2: Quãng đường vận động viên bơi được một vòng hồ là 2l (với l là chiều dài của hồ bơi). Trong nửa quãng đường đầu, vận động viên bơi theo chiều dương, trong nửa quãng đường sau vận động viên bơi ngược chiều dương.
Thảo luận 5
Hình vẽ
Xác định quãng đường đi được và độ dịch chuyển của hai xe trong Tình huống 1 (Hình 4.4a) và vận động viên trong Tình huống 2 (Hình 4.4b).
Ảnh
Trả lời
- Trong tình huống 1: Quãng đường hai xe đi được là như nhau và bằng độ dài đoạn AB, độ dịch chuyển của xe màu xanh là latex(d_(xanh) = x_B - x_A = AB ) và độ dịch chuyển của xe màu cam là latex(d_(cam) = x_A - x_B = -AB). - Trong tình huống 2: Quãng đường vận động viên bơi được một vòng hồ là 2l (với l là chiều dài của hồ bơi), nhưng độ dịch chuyển của vận động viên lúc này bằng 0 do vị trí đầu và cuối của vận động viên này trùng nhau.
Thảo luận 6
Xét hai xe máy cùng xuất phát tại bưu điện trong Hình 4.6 đang chuyển động thẳng với cùng tốc độ. Thảo luận để xem xét đã đủ dữ kiện để xác định vị trí của hai xe sau một khoảng thời gian xác định hay không.
Quãng đường AB dài 1000m với A là vị trí nhà của em và B là vị trí bưu điện. TIệm tạp hóa nằm tại vị trí C là trung điểm của AB.
Ảnh
Trả lời
Chưa đủ dữ kiện để xác định vị trí của hai xe sau một khoảng thời gian vì ta chỉ mới biết được tốc độ và thời gian chứ chưa biết chiều chuyển động của hai xe cũng như là trong quá trình chuyển động hai xe có đổi chiều chuyển động hay không.
Đồ thị
Đồ thị độ dịch chuyển
Ảnh
Chọn gốc tọa độ tại vị trí xuất phát, chiều dương (+) là chiều chuyển động. Đồ thị độ dịch chuyển - thời gian (d - t) cả hai chuyển động được phác thảo như hình 4.9.
Ảnh
Ảnh
Nhận xét
Từ các đồ thị (d - t), ta có nhận xét: a) Đồ thị (d - t) mô tả chuyển động của con rùa là đường thẳng qua gốc tọa độ. Chuyển động của con rùa là chuyển động thẳng đều. b) Đồ thị (d - t) mô tả chuyển động rơi của viên bi là đường cong qua gốc tọa độ. Độ dịch chuyển của viên bi trong những khoảng thời gian bằng nhau tăng lên nên chuyển động của viên bi là chuyển động thẳng nhanh dần. Lưu ý: Các đồ thị (d - t) hay (x - t) là công cụ toán học thể hiện tính chất của chuyển động. Tránh nhầm lẫn với quỹ đạo của vật.
Thảo luận 7
Ảnh
Nêu những lưu ý về dấu của độ dốc của đường thẳng. Từ đó, hãy phân tích để suy ra được tốt độ dốc của đồ thị (d - t).
Trả lời
- Lưu ý về dấu của độ dốc của một đường thẳng: + Đường thẳng có dạng dấu sắc: độ dốc mang dấu dương. + Đường thẳng song song với trục hoành: độ dốc bằng 0. + Đường thẳng có dạng dấu huyền: độ dốc mang dấu âm. - Tốc độ chính là độ lớn của độ dốc đồ thị tại điểm đó.
Kết luận
Hình vẽ
Vận tốc tức thời của vật tại một thời điểm được xác định bởi độ dốc của tiếp tuyến với đồ thị (d - t) tại thời điểm đang xét. Tốc độ tức thời tại một thời điểm chính là độ lớn của độ dốc tiếp tuyến của đồ thị (d - t) tại điểm đó. Độ dịch chuyển - vận tốc trong mặt phẳng
Khi vật chuyển động trong mặt phẳng, độ dịch chuyển chính là vecto có gốc đặt tại điểm xuất phát và ngọn tại điểm kết thúc quỹ đạo. Vận tốc tức thời có phương tiếp tuyến với quỹ đạo và có chiều là chiều chuyển động.
Lưu ý: Trong chuyển động thẳng, vận tốc tức thời nằm dọc theo quỹ đạo của vật và tốc độ tức thời của vật là độ lớn của vận tốc tức thời tại mỗi thời điểm.