Bài tập: Chương 4: Ôn tập cuối năm

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

Giới thiệu bài học

Các em học sinh thân mến! Chương 4 là chương cuối cùng trong chương trình Vật lý 10 theo bộ sách Chân trời sáng tạo. Bài học hôm nay sẽ giúp các em hệ thống lại toàn bộ kiến thức và rèn luyện kỹ năng giải bài tập tổng hợp. Đây là cơ hội để các em củng cố vững chắc các định luật Newton, các lực cơ học và năng lượng, làm nền tảng cho việc học lên lớp 11.

Lý thuyết trọng tâm cần nhớ

Trước khi đi vào bài tập, các em cần nắm vững các nội dung cốt lõi sau:

• Định luật III Newton: Khi vật A tác dụng lên vật B một lực, thì vật B cũng tác dụng trở lại vật A một lực. Hai lực này cùng giá, cùng độ lớn nhưng ngược chiều và đặt vào hai vật khác nhau: \(\overrightarrow{F}_{AB} = -\overrightarrow{F}_{BA}\).
• Lực ma sát trượt: Lực xuất hiện ở mặt tiếp xúc khi hai vật trượt lên nhau, có phương tiếp tuyến với mặt tiếp xúc, ngược chiều chuyển động. Công thức tính: \(F_{mst} = \mu_t \cdot N\) (trong đó \(\mu_t\) là hệ số ma sát trượt, N là áp lực).
• Công và Năng lượng: Công của lực F làm vật dịch chuyển quãng đường s: \(A = F \cdot s \cdot \cos\alpha\). Động năng: \(W_đ = \frac{1}{2}mv^2\). Thế năng trọng trường: \(W_t = mgh\).
• Định luật bảo toàn cơ năng: Nếu vật chỉ chịu tác dụng của lực thế (như trọng lực, lực đàn hồi) thì cơ năng của vật được bảo toàn: \(W = W_đ + W_t = hằng số\).

Ví dụ minh họa có hướng dẫn giải

Ví dụ 1 (Bài tập tổng hợp về Định luật III Newton và lực ma sát)

Đề bài: Một vật có khối lượng m = 5 kg đặt trên mặt bàn nằm ngang. Kéo vật bằng một lực \(\overrightarrow{F}\) có phương song song với mặt bàn, độ lớn 30 N. Vật bắt đầu trượt trên bàn. Hệ số ma sát trượt giữa vật và bàn là 0,23. Lấy g = 10 m/s².

a) Hãy kể tên các lực tác dụng lên vật và biểu diễn chúng trên hình vẽ.

b) Tính lực ma sát trượt tác dụng lên vật.

c) Tính gia tốc của vật.

Hướng dẫn giải:

a) Các lực tác dụng lên vật:

• Lực kéo \(\overrightarrow{F}\) (phương ngang, chiều từ trái sang phải).
• Trọng lực \(\overrightarrow{P}\) (phương thẳng đứng, chiều từ trên xuống).
• Phản lực \(\overrightarrow{N}\) của mặt bàn (phương thẳng đứng, chiều từ dưới lên).
• Lực ma sát trượt \(\overrightarrow{F}_{mst}\) (phương ngang, ngược chiều chuyển động).

b) Vì vật nằm trên mặt bàn ngang, áp lực N cân bằng với trọng lực P: N = P = m.g = 5.10 = 50 N.

Lực ma sát trượt: \(F_{mst} = \mu_t \cdot N = 0,23 \cdot 50 = 11,5\) N.

c) Chọn chiều dương là chiều chuyển động. Áp dụng định luật II Newton: \(F - F_{mst} = m \cdot a\).

Gia tốc: \(a = \frac{F - F_{mst}}{m} = \frac{30 - 11,5}{5} = \frac{18,5}{5} = 3,7\) m/s².

Ví dụ 2 (Bài tập bảo toàn cơ năng)

Đề bài: Một vật có khối lượng 200 g được thả rơi tự do từ độ cao 20 m so với mặt đất. Bỏ qua sức cản không khí. Lấy g = 10 m/s². Chọn gốc thế năng tại mặt đất.

a) Tính cơ năng của vật tại vị trí thả.

b) Tính vận tốc của vật ngay trước khi chạm đất.

c) Ở độ cao nào thì thế năng của vật bằng 3 lần động năng?

Hướng dẫn giải:

a) Khối lượng m = 200 g = 0,2 kg. Tại vị trí thả, vật có độ cao h₁ = 20 m, vận tốc v₁ = 0.

Cơ năng tại vị trí thả: \(W_1 = W_{t1} + W_{đ1} = mgh_1 + 0 = 0,2 \cdot 10 \cdot 20 = 40\) J.

b) Ngay trước khi chạm đất, vật ở độ cao h₂ = 0, động năng cực đại. Áp dụng định luật bảo toàn cơ năng:

\(W_1 = W_2 \rightarrow 40 = \frac{1}{2}mv_2^2 + 0 \rightarrow 40 = \frac{1}{2} \cdot 0,2 \cdot v_2^2 \rightarrow v_2^2 = \frac{40 \cdot 2}{0,2} = 400\).

Vậy vận tốc trước khi chạm đất: \(v_2 = \sqrt{400} = 20\) m/s.

c) Gọi độ cao cần tìm là h. Tại đó, thế năng W_t = 3W_đ. Ta có: W_t + W_đ = W₁ (bảo toàn cơ năng) → W_t + W_t/3 = 40 → \(\frac{4}{3}W_t = 40 \rightarrow W_t = 30\) J.

Mà W_t = mgh → h = \(\frac{W_t}{mg} = \frac{30}{0,2 \cdot 10} = 15\) m.

Vậy ở độ cao 15 m thì thế năng gấp 3 lần động năng.

Ghi nhớ

Khi làm bài tập ôn tập cuối năm, các em cần đặc biệt lưu ý:

• Xác định đúng các lực: Vẽ hình minh họa, xác định rõ lực nào tác dụng lên vật và chiều của từng lực.
• Chọn hệ quy chiếu hợp lý: Xác định chiều dương trước khi viết phương trình định luật II Newton.
• Phân biệt lực ma sát: Lực ma sát trượt phụ thuộc vào áp lực và hệ số ma sát, luôn cản trở chuyển động.
• Cẩn thận khi bảo toàn cơ năng: Chỉ áp dụng khi bỏ qua lực cản (lực không thế) và chọn đúng gốc thế năng.
• Đổi đơn vị: Luôn đổi khối lượng về kg, độ cao về mét, thời gian về giây trước khi tính toán.

Bài tập gợi ý tự luyện

Các em hãy thử sức với các bài tập sau đây để củng cố kiến thức:

1. Bài tập 1: Một quả bóng có khối lượng 300 g đang đứng yên trên mặt sân. Một cầu thủ đá vào bóng với một lực 150 N trong thời gian 0,02 s. Tính vận tốc của bóng ngay sau khi đá. (Gợi ý: Dùng xung lượng của lực: F.Δt = m.Δv)
2. Bài tập 2: Một vật trượt không vận tốc đầu từ đỉnh một mặt phẳng nghiêng dài 5 m, góc nghiêng 30° so với phương ngang. Hệ số ma sát trượt giữa vật và mặt phẳng là 0,2. Tính vận tốc của vật ở chân mặt phẳng nghiêng. Lấy g = 10 m/s². (Gợi ý: Áp dụng định luật II Newton theo phương song song mặt phẳng nghiêng, tìm gia tốc, sau đó dùng công thức liên hệ v² - v₀² = 2as)
3. Bài tập 3: Từ độ cao 10 m, ném thẳng đứng một vật lên trên với vận tốc đầu 5 m/s. Bỏ qua sức cản không khí, lấy g = 10 m/s². Tính độ cao cực đại mà vật đạt được so với mặt đất. (Gợi ý: Tại độ cao cực đại, vận tốc vật bằng 0. Dùng bảo toàn cơ năng với gốc thế năng tại mặt đất)

Chúc các em ôn tập thật tốt và đạt kết quả cao trong kỳ thi cuối năm nhé!