Luyện tập: Ôn tập cuối năm

Bài học: Luyện tập – Ôn tập cuối năm (Chương 4: Vật lý 10 - CTST)

1. Giới thiệu

Chương 4 của sách Vật lý 10 – Chân trời sáng tạo là chương ôn tập cuối năm, giúp chúng ta hệ thống lại kiến thức trọng tâm đã học từ đầu năm học. Bài luyện tập này không đưa ra khái niệm mới mà là dịp để các em củng cố, liên kết các phần: Động học, Động lực học, Công – Năng lượng – Công suất và Động lượng. Qua đó, các em sẽ nắm vững phương pháp giải bài tập và hiểu sâu hơn các định luật vật lý trong thực tế.

Mục tiêu của bài học hôm nay là ôn lại các công thức cơ bản, dấu hiệu nhận biết dạng bài và rèn luyện qua các ví dụ minh họa điển hình.

2. Hệ thống lý thuyết trọng tâm

2.1. Động học chất điểm

• Chuyển động thẳng đều:
  • Vận tốc trung bình: \(\displaystyle v = \frac{s}{t}\)
  • Phương trình chuyển động: \(x = x_0 + v \cdot t\)
• Chuyển động thẳng biến đổi đều:
  • Gia tốc: \(a = \frac{\Delta v}{\Delta t}\)
  • Công thức vận tốc: \(v = v_0 + a t\)
  • Công thức liên hệ: \(v^2 - v_0^2 = 2 a s\)
  • Phương trình quãng đường: \(s = v_0 t + \frac{1}{2} a t^2\)
• Rơi tự do: Coi như chuyển động thẳng nhanh dần đều với \(v_0 = 0, g \approx 9,8 \text{ m/s}^2\).

2.2. Động lực học chất điểm

• Định luật II Newton: \(\displaystyle \sum \vec{F} = m \cdot \vec{a}\)
• Lực ma sát trượt: \(F_{ms} = \mu \cdot N\) (N là phản lực vuông góc).
• Lực hấp dẫn: \(F_{hd} = G \cdot \frac{m_1 \cdot m_2}{r^2}\)
• Lực đàn hồi của lò xo: \(F_{dh} = k \cdot |\Delta l|\)

2.3. Công – Năng lượng – Công suất

• Công: \(A = F \cdot s \cdot \cos\alpha\)
• Động năng: \(W_d = \frac{1}{2} m v^2\)
• Thế năng trọng trường: \(W_t = m g h\)
• Cơ năng (bảo toàn khi không có ma sát): \(W = W_d + W_t = \text{hằng số}\)
• Công suất: \(P = \frac{A}{t}\) hoặc \(P = F \cdot v\)

2.4. Động lượng

• Động lượng: \(\vec{p} = m \cdot \vec{v}\) (đơn vị: kg.m/s)
• Định luật bảo toàn động lượng: Trong hệ kín, tổng động lượng trước và sau tương tác bằng nhau: \(m_1 \vec{v_1} + m_2 \vec{v_2} = m_1 \vec{v_1'} + m_2 \vec{v_2'}\)

3. Ví dụ minh họa

Ví dụ 1: Bài toán động lực học kết hợp chuyển động

Đề: Một ô tô khối lượng 1 tấn (1000 kg) đang chuyển động thẳng đều với vận tốc 54 km/h thì tài xế tắt máy. Sau 10 giây, xe dừng hẳn. Tính lực ma sát tác dụng lên xe. Coi ma sát là không đổi.

Giải:

1. Bước 1: Đổi đơn vị: \(54 \text{ km/h} = 15 \text{ m/s}\)
2. Bước 2: Tính gia tốc: Xe chuyển động chậm dần đều, áp dụng: \(v_t = v_0 + a t\) → \(0 = 15 + a \cdot 10 \Rightarrow a = -1,5 \text{ m/s}^2\) (gia tốc âm vì chậm dần).
3. Bước 3: Áp dụng định luật II Newton: Lực ma sát là lực gây ra gia tốc. Chọn chiều dương cùng chiều chuyển động: \(F_{ms} = m \cdot |a| = 1000 \cdot 1,5 = 1500 \text{ N}\)

Đáp số: Lực ma sát là 1500 N.

Ví dụ 2: Bảo toàn động lượng

Đề: Hai viên bi va chạm mềm trên mặt bàn nhẵn. Bi A có khối lượng 200 g chuyển động với vận tốc 2 m/s đến va chạm với bi B khối lượng 100 g đang đứng yên. Sau va chạm, hai viên dính vào nhau. Tính vận tốc của hệ sau va chạm.

Giải:

1. Bước 1: Xác định hệ kín: Va chạm mềm, bỏ qua ma sát, hệ hai viên bi được coi là hệ kín.
2. Bước 2: Áp dụng định luật bảo toàn động lượng:
   • Động lượng trước: \(p_t = m_A \cdot v_A + m_B \cdot v_B = 0,2 \cdot 2 + 0,1 \cdot 0 = 0,4 \text{ kg.m/s}\)
   • Động lượng sau: \(p_s = (m_A + m_B) \cdot V = (0,2+0,1) \cdot V = 0,3 V\)
   • Vì \(p_t = p_s\) nên \(0,4 = 0,3 V \Rightarrow V \approx 1,33 \text{ m/s}\)

Đáp số: Vận tốc của hệ sau va chạm là 1,33 m/s, cùng chiều chuyển động của bi A ban đầu.

4. Ghi nhớ

• Luôn xác định rõ dạng bài (thẳng đều, biến đổi đều, chuyển động dưới tác dụng của lực, hay va chạm) để chọn đúng hệ công thức.
• Trong bài toán động lực học, hãy vẽ sơ đồ lực và chọn hệ quy chiếu phù hợp trước khi viết phương trình.
• Khi gặp dạng bài ném ngang hay rơi tự do, nhớ tách chuyển động theo hai phương: phương ngang là chuyển động đều, phương thẳng đứng là rơi tự do.
• Đối với định luật bảo toàn động lượng, chú ý hệ phải là hệ kín (không có ngoại lực hoặc các ngoại lực triệt tiêu nhau) và vận tốc phải được xét theo cùng một chiều dương.
• Các bài toán liên quan đến công – năng lượng nên ưu tiên sử dụng định lý động năng hoặc bảo toàn cơ năng (nếu không có ma sát) vì cách giải thường ngắn gọn hơn.

5. Bài tập gợi ý

Các em hãy tự luyện tập thêm với các bài sau để nắm vững kiến thức:

1. Bài tập 1: Một viên đá có khối lượng 0,5 kg được ném thẳng đứng lên cao với vận tốc 10 m/s. Bỏ qua sức cản không khí, lấy g = 10 m/s². Tính độ cao cực đại mà viên đá đạt được. (Gợi ý: dùng bảo toàn cơ năng hoặc công thức chuyển động biến đổi đều).
2. Bài tập 2: Một chiếc xe có khối lượng 800 kg chuyển động với vận tốc 36 km/h trên đường nằm ngang thì tăng tốc. Lực kéo của động cơ là 1600 N trong khi lực cản tổng cộng là 400 N. Tính quãng đường xe đi được trong 5 giây đầu tiên sau khi tăng tốc. (Gợi ý: tính gia tốc từ hợp lực trước, sau đó dùng công thức quãng đường).
3. Bài tập 3: Một quả cầu A khối lượng 300 g chuyển động với vận tốc 4 m/s đến va chạm với quả cầu B khối lượng 200 g chuyển động ngược chiều với vận tốc 5 m/s. Hai quả cầu va chạm đàn hồi xuyên tâm. Hãy viết biểu thức bảo toàn động lượng và bảo toàn động năng cho hệ (chưa cần tính kết quả).

Chúc các em ôn tập tốt và đạt kết quả cao!