BÀI 4. SỰ RƠI TỰ DO

SỰ RƠI TỰ DO

1. Kiến thức

- Trình bày, nêu ví dụ và phân tích được khái niệm về sự rơi tự do.

- Nêu được những đặc điểm của sự rơi tự do và gia tốc rơi tự do.

2. Kỹ năng

- Giải được một số dạng bài tập đơn giản về sự rơi tự do.

- Phân tích kết quả thí nghiệm để tìm ra được cái chung, cái bản chất, cái giống nhau trong các thí nghiệm. Tham gia vào việc giải thích các kết quả thí nghiệm.

- Chỉ ra các trường hợp trong thực tế có thể coi là rơi tự do.

Sự rơi của các vật là một chuyển động rất phổ biến quanh ta. Ai cũng biết, ở cùng một độ cao một hòn đá rơi xuống đất nhanh hơn một chiếc lá. Nhiều người cho rằng, sở dĩ có hiện tượng đó là do trọng lực mà Trái Đất tác dụng lên hòn đá lớn hơn trọng lực mà Trái Đất tác dụng lên chiếc lá. Nguyên nhân đó có đúng hay không?

I - SỰ RƠI TRONG KHÔNG KHÍ VÀ SỰ RƠI TỰ DO

1. Sự rơi của các vật trong không khí

Thả một vật từ một độ cao nào đó, nó sẽ chuyển động không vận tốc đầu, vật sẽ chuyển động xuống dưới. Đó là sự rơi tự do của vật.

a) Thí nghiệm (TN)

Để xét xem trong không khí vật nặng có luôn rơi nhanh hơn vật nhẹ không, ta đồng thời thả nhẹ hai vật rơi xuống từ cùng một độ cao, rồi quan sát xem vật nào rơi xuống đất trước.

- TN1: Thả 1 hòn sỏi và 1 tờ giấy (nặng hơn tờ giấy).

- TN2: Như TN 1 nhưng tờ giấy vo tròn và nén chặt lại.

- TN3: Thả 2 tờ giấy cùng kích thước, nhưng 1 tờ để phẳng, 1 tờ vo tròn lại.

- TN4: Thả hòn sỏi nhỏ và 1 tấm bìa phẳng đặt nằm ngang (nặng hơn hòn sỏi).

b) Kết quả

- TN1: Vật nặng rơi nhanh hơn vật nhẹ.

- TN2: Hai vật nặng nhẹ khác nhau lại rơi nhanh như nhau.

- TN3: Hai vật nặng như nhau rơi nhanh chậm khác nhau.

- TN4: Vật nhẹ rơi nhanh hơn vật nặng.

c) Kết luận

Không thể nói trong không khí vật nặng bao giờ cũng rơi nhanh hơn vật nhẹ.

Yếu tố nào ảnh hưởng đến sự rơi của các vật trong không khí?

Giả thuyết: Không khí ảnh hưởng đến sự rơi nhanh hay chậm của các vật?

2. Sự rơi của các vật trong chân không (sự rơi tự do)

a) Ống Niu-tơn

Nhà bác học người Anh Niu-tơn (Issac Newton 1642- 1727) là người đầu tiên nghiên cứu loại trừ ảnh hưởng của không khí lên sự rơi của các vật

Ông làm thí nghiệm với một ống thuỷ tinh kín trong có chứa hòn bi chì và một cái lông chim (Video 4.1).

- Ống còn đầy không khí thì viên bi rơi nhanh hơn cái lông chim.

- Hút hết không khí ra, hai vật trên rơi nhanh như nhau.

b) Kết luận

Nếu loại bỏ được ảnh hưởng của không khí thì mọi vật sẽ rơi nhanh như nhau.

c) Định nghĩa sự rơi tự do

Sự rơi tự do là sự rơi chỉ dưới tác dụng của trọng lực.

Video 4.1. Thí nghiệm về ống Niu-tơn

1. Hãy cho biết sự rơi của các vật trong không khí và trong chân không giống và khác nhau ở những điểm nào?

Thí nghiệm của Ga-li-lê (Galilei) ở tháp nghiêng thành Pi-da (Pisa)

Trước đó, Galilei đã làm thí nghiệm trong điều kiện bỏ qua sức cản của không khí: thả những quả nặng khác nhau rơi đồng thời từ tầng cao của toà tháp nghiêng (Hình 4.1) và thấy chúng luôn chạm đất cùng lúc.

Từ các thí nghiệm trên ta kết luận: Nếu loại bỏ được ảnh hưởng của không khí thì mọi vật rơi nhanh như nhau. Sự rơi của các vật trong trường hợp này gọi là sự rơi tự do.

Thực ra, muốn có sự rơi tự do phải loại bỏ ảnh hưởng của điện trường, từ trường,...

Hình 4.1. Tháp nghiêng Pi-da

II - NGHIÊN CỨU SỰ RƠI TỰ DO CỦA CÁC VẬT

1. Những đặc điểm của chuyển động rơi tự do

a) Phương của chuyển động rơi tự do là phương thẳng đứng (phương của dây dọi).

b) Chiều của chuyển động rơi tự do là chiều từ trên xuống dưới.

c) Chuyển động rơi tự do là chuyển động thẳng nhanh dần đều.

d) Công thức tính vận tốc

Lấy gốc là vị trí bắt đầu thả vật rơi, không có vận tốc đầu, chiều dương hướng xuống, t là thời gian rơi. Công thức tính vận tốc của sự rơi tự do là:

(4.1)

Trong đó, g là gia tốc rơi tự do.

* Chú ý: Khi s = h độ cao từ mặt đất đến vị trí thả vật thì v chính là vận tốc vật khi chạm đất.

e) Công thức tính quãng đường đi được của sự rơi tự do

- Công thức tính quãng đường đi được của sự rơi tự do:

(4.2)

2. Làm thế nào để xác định được phương và chiều của chuyển động rơi tự do? Đề xuất phương án thí nghiệm?

Chuyển động xảy ra rất nhanh nên người ta dùng phương pháp chụp ảnh hoạt nghiệm.

Một hòn bi trắng được thả rơi trước một thước đặt thẳng đứng trong một phòng tối. Máy ảnh chụp ảnh hòn bi trong suốt thời gian rơi. Hòn bi được chiếu sáng cách nhau những khoảng thời gian bằng nhau. Kết quả: thu được ảnh của hòn bi ở những vị trí cách nhau những khoảng thời gian bằng nhau (Video 4.2).

Video 4.2. Phương pháp chụp ảnh hoạt nghiệm

Hình 4.2. Phương pháp chụp ảnh hoạt nghiệm

Hình 4.3. Đánh dấu những vị trí cách nhau những khoảng thời gian rơi bằng nhau

Video 4.3. Thí nghiệm ảo khảo sát sự rơi tự do

3. Hãy xác định công thức tính thời gian rơi?

2. Gia tốc rơi tự do

Tại một nơi nhất định trên Trái Đất và ở gần mặt đất, các vật đều rơi tự do với cùng một gia tốc g.

Tuy nhiên, tại những nơi khác nhau, gia tốc đó sẽ khác nhau.

Ở địa cực, g lớn nhất: g = 9,8324 m/s², ở xích đạo, g nhỏ nhất : g = 9,7805 m/s².

Nếu không đòi hỏi độ chính xác cao chúng ta có thể lấy g = 9,8 m/s² hoặc g = 10 m/s².

Bài tập ví dụ 1. Một vật rơi tự do không vận tốc ban đầu từ độ cao 5m xuống. Tìm vận tốc của nó khi chạm đất. Tính thời gian rơi.

Tóm tắt:

- Cho biết:

h = 5 m, g = 10 (m/s²).

- Tính: v = ? (m/s), t = ? (s)

Giải:

Chọn :

- Gốc O: Là nơi vật bắt đầu rơi.

- Chiều dương Ox: hứơng xuống.

- Mốc thời gian: là lúc vật bắt đầu rơi.

Ta có: h =gt²

Þ t ==1,02 (s) là thời gian vật rơi.

Vận tốc của vật khi chạm đất: v = gt = 10.1,02 = 10,2 (m/s).

Bài tập ví dụ 2. Một giọt mưa rơi được 100 m trong giây cuối cùng trước khi chạm đất. Nếu xem giọt mưa là rơi tự do thì nó bắt đầu rơi từ độ cao bao nhiêu? Lấy g = 9,8 m/s².

Giải:

Gọi thời gian rơi của giọt mưa là t.

Độ cao ban đầu của giọt mưa là:

Quảng đường giọt mưa rơi được trong t₁ = (t – 1) trước khi chạm đất 1s là:

- Quảng đường giọt mưa rơi trong giây cuối cùng là:

Theo bài ra: do đó:

t =

Vậy độ cao của giọt mưa rơi là:

Video 4.4. Đồ thị toạ độ - thời gian của chuyển động rơi tự do

Sự rơi tự do là sự rơi theo phương thẳng đứng chỉ dưới tác dụng của trọng lực.

Trong trường hợp có thể bỏ qua ảnh hưởng của không khí và các yếu tố khác lên vật rơi, ta có thể coi sự rơi của vật là sự rơi tự do.

Chuyển động rơi tự do là chuyển động thẳng nhanh dần đều theo phương thẳng đứng từ trên xuống dưới.

Tại một nơi nhất định trên trái đất, mọi vật đều rơi tự do với cùng gia tốc g.

Công thức tính vận tốc của sự rơi tư do : v = gt

Công thức tính quãng đường đi được của sự rơi tự do :

Gia tốc rơi tự do ở các nơi khác nhau trên Trái Đất thì khác nhau. Người ta lấy g = 9,8m/s² hoặc g = 10m/s².

Câu 1. Yếu tố nào ảnh hưởng đến sự rơi nhanh, chậm cuả các vật khác nhau trong không khí?

Câu 2. Nếu loại bỏ được ảnh hưởng của không khí thì các vật sẽ rơi như thế nào?

Câu 3. Sự rơi tự do là gì?

Câu 4. Nêu các đặc điểm của sự rơi tự do.

Câu 5. Nêu định luật về gia tốc rơi tự do.

Câu 6. Viết phương trình vận tốc và phương trình đường đi của sự rơi tự do.

Câu 7. Thế nào là phương pháp hoạt nghiệm?

4.1. Ghép nội dung ở cột bên trái với nội dung tương ứng ở cột bên phải để được một câu có nội dung đúng.

1. Sự rơi của vật chỉ dưới tác dụng của trọng lực là	a) công thức tính vận tốc của chuyển động rơi tự do .
2. Đại lượng đặc trưng cho sự biến thiên của vận tốc rơi tự do là	b) cùng một giá trị.
3. Độ lớn của gia tốc rơi tự do thường lấy là	c) công thức tính quãng đường đi được của chuyển động rơi tự do.
4. Tại một nơi nhất định trên Trái Đất, gần mặt đất, gia tốc rơi tự do của các vật đều có	d) gia tốc rơi tự do.
5. v = gt là	đ) sự rơi tự do.
6. s = là	e) g = 9,8 m/s² hay 10 m/s².

4.2. Câu nào đúng? Một vật rơi tự do từ độ cao h xuống tới đất. Công thức tính vận tốc v của vật rơi tự do phụ thuộc độ cao h là

A. v = 2gh.

B. v =

C. v=

D. v=

4.3. Chuyển động của vật nào dưới đây có thể coi là chuyển động rơi tự do?

A. Một vận động viên nhảy dù đaõ buông dù và đang rơi trong không khí.

B. Một quả táo nhỏ rụng từ trên cây đang rơi xuốn đất.

C. Một vận động viên nhảy cầu đang lao từ trên cao xuống mặt nước.

D. Một chiếc thang máy đang chuyển động đi xuống.

4.4. Chuyển động của vật nào dưới đây không thể coi là chuyển động rơi tự do?

A. Một viên đá nhỏ được thả rơi từ trên cao xuống đất.

B. Các hạt mưa nhỏ lúc bắt đầu rơi.

C. Một chiếc lá rụng đang rơi từ trên cây xuống đất.

D. Một viên bi chì đang rơi ở trong ống thủy tinh đặt thẳng đứng và đaõ được hút chân không.

4.5*. Đặc điểm nào dưới đây không phải là đặc điểm của chuyển dộng rơi tự do của các vật?

A. Chuyển động theo phương thẳng đứng, chiều từ trên xuống.

B. Chuyển động thẳng, nhanh dần đều.

C. Tại một nơi và ở gần mặt đất.

D. Lúc t = 0 thì v = 0.

4.6. Một vật được thả rơi tự do từ độ cao 4,9 m xuống đất. Bỏ qua lực cản của không khí. Lấy gia tốc rơi tự do g = 9,8 m/s². Vận tốc v của vật khi chạm đất là bao nhiêu?

A. v = 9,8 m/s.

B. v 9,9 m/s.

C. v = 1,0 m/s.

D. v 9,6 m/s.

4.7*. Một hòn sỏi nhỏ được ném thẳng đứng xuống dưới với vận tốc đầu bằng 9,8 m/s từ độ cao 39,2 m. Lấy g = 9,8 m/s² . Bỏ qua lực cản của không khí. Hỏi sau bao lâu hòn sỏi rơi xuống đất?

A. t = 1 s.

B. t = 2 s.

C. t = 3 s.

D. t = 4 s.

4.8*. Cũng bài toán trên, hỏi vận tốc của vật khi chạm đất là bao nhiêu?

A. v = 9,8 m/s.

B. v = 19,6 m/s.

C. v = 29,4 m/s.

D. v = 38,2m/s.

4.9. Hai vật được thả rơi tự do đồng thời từ hai độ cao khác nhau h₁ và h₂ . Khoảng thời gian rơi của vật thứ nhất lớn gấp đôi khoảng thời gian rơi của vật thứ hai. Bỏ qua lực cản của không khí. Tỉ số các độ cao là bao nhiêu?

A. = 2.

B. = 0,5.

C. = 4.

D. = 1.

4.10. Tính khoảng thời gian rơi tự do t của một viên đá. Cho biết trong giây cuối cùng trước khi chạm đất, vật đã rơi được đoạn đường dài 24,5 m. Lấy gia tốc rơi tự do g=9,8 m/s².

4.11. Tính quãng đường mà vật rơi tự do đi được trong giây thứ tư. Trong khoảng thời gian đó vận tốc của vật đaõ tăng lên bao nhiêu ? Lấy gia tốc rơi tự do g = 9,8 m/s².

4.12. Hai viên bi A và B được thả rơi tự do cùng một độ cao. Viên bi A rơi sau viên bi B một khoảng thời gian là 0,5 s. Tính khoảng cách giữa hai viên bi sau thời gian 2s kể từ khi bi A bắt đầu rơi. Lấy gia tốc rơi tự do g = 9,8 m/s².

4.13. Một vật rơi tự do từ độ cao s xuống tới mặt đất. Cho biết trong 2s cuối cùng, vật đi được đoạn đường bằng một phần tư độ cao s. Hãy tính độ cao s và khoảng thời gian rơi t của vật. Lấy gia tốc rơi tự do g = 9,8 m/s².

4.14*. Một vật được thả rơi từ một khí cầu đang bay ở độ cao 300 m. Bỏ qua lực của cản không khí. Lấy gia tốc rơi tự do g = 9,8 m/s². Hỏi sau bao lâu thì vật rơi chạm đất? Nếu:

a) khí cầu đứng yên;

b) khí cầu đang hạ xuống theo phương thẳng đứng với vận tốc 4,9 m/s;

c) khí cầu đang bay lên theo phương thẳng đứng với vận tốc 4,9 m/s.

4.15*. Một vật được thả rơi từ khí cầu đang bay lên ở độ cao 300 m. Lấy g = 9,8m/s². Hỏi sau bao lâu vật rơi chạm đất nếu khí cầu bay lên với vận tốc 4,9 m/s.

ĐỀ KIỂM TRA 15 PHÚT LẦN I

Câu 1 (5 điểm): Một ôtô đang chuyển động thẳng đều với vận tốc 10m/s thì tăng tốc chuyển động thẳng nhanh dần đều. Sau 10s ôtô đạt vận tốc 15m/s, hãy xác định:

a) Gia tốc chuyển động của ôtô?

b) Quãng đường mà ôtô đi được trong khoảng thời gian trên?

Câu 2 (5 điểm): Từ độ cao 45m so với mặt đất người ta thả rơi tự do một viên bi. Lấy g = 10m/s². Hãy xác định:

a) Thời gian rơi tự do của viên bi?

b) Vận tốc của viên bi khi chạm đất?