Bài tập vật lí phổ thông (Phần 8)

5. Động lực học chuyển động thẳng của chất điểm

Vì chúng ta phải tính các lực và gia tốc do chúng gây ra, cho nên trong hầu như mỗi ngành vật lí cái cực kì quan trọng là biết cách giải bài toán liên quan đến việc áp dụng các định luật Newton. Các phương pháp giải chúng được trình bày trong phần này.

Học sinh thường cố gắng suy luận những bài toán như thế về một phép tính trực tiếp từ phương trình F = ma mà không khám phá trước ý nghĩa vật lí của lực F trong phương trình. Chẳng hạn, nếu khi đối mặt với nhiệm vụ tìm lực căng F₂ trong sợi dây mà vật được đưa vào chuyển động từ gia tốc của vật và lực ma sát F₁ đã biết, một học sinh trước tiên sẽ xác định lực “phát động” F = ma (xem nó là một trong các lực thành phần chứ không phải hợp lực), rồi sau đó bằng cách cộng nó với lực “cản” F₁ sẽ tìm được lực căng trong sợi dây thật sự gây ra chuyển động của vật.

Phương pháp này không làm rõ bức tranh đúng của các tương tác vật lí của các vật, đưa đến những tính chất không tồn tại gán cho những lực riêng lẻ và thỉnh thoảng không mang lại kết quả đúng nếu không có sự lập luận phức tạp và độc đoán. Đặc biệt, phương pháp này gặp khó trong các bài toán liên quan đến các lực đang tương tác (ví dụ, khi xác định áp lực tác dụng bởi một vật nặng lên một bệ đỡ đang chuyển động hoặc số chỉ của lực kế bị các lực khác kéo theo chiều ngược lại).

Trong phần này, một phương pháp được sử dụng để giải các bài toán là vận dụng định luật Newton thứ hai. Phương pháp này đòi hỏi học sinh phải có một bức tranh rõ ràng của các tương tác của các vật gây ra các lực. Sau đó, học sinh phải đưa những lực này ở một dạng thích hợp (dưới dạng một tổng đại số) vào phương trình định luật II Newton. Chỉ khi nào viết các phương trình đúng thì học sinh mới có thể bắt đầu tính trực tiếp các đại lượng chưa biết.

Để lĩnh hội phương pháp này, học sinh nên làm qua tất cả các bài tập trong phần này một cách có hệ thống.

Học sinh nên tập trung chú ý vào những bài toán xét chuyển động của một vài vật nối kết với nhau. Trong trường hợp này, việc đầu tiên nên làm là suy luận ra các phương trình từ định luật II Newton cho tất cả các vật trong hệ đang chuyển động. Khi giải các bài toán trong phần này, ta nên lưu ý cách mà trong đó các lực đang tương tác trong một hệ đang chuyển động phụ thuộc vào phân bố của khối lượng theo kết nối đó (ví dụ, cách mà lực căng dây phụ thuộc vào tỉ số của các khối lượng mà nó nối kết trong chuyển động đó). Một cái cũng nên lưu ý nữa là mối liên hệ giữa lực liên kết và chuyển động trong hệ (ví dụ, mối liên hệ giữa lực căng dây quấn trên một ròng rọc cố định và liên kết hai vật nặng với gia tốc mà những vật nặng này chuyển động).

Vì đôi khi khó tính được lực ma sát, nhất là khi lực ma sát F < kN (k là hệ số ma sát và N là lực pháp tuyến giữa hai bề mặt tiếp xúc), phần này bao gồm một vài bài toán minh họa những tính toán như thế.

52. Một vật chuyển động dưới tác dụng của một lực F không đổi, đi được một quãng đường S = 25 cm trong giây thứ nhất.

Hãy tính lực F, biết khối lượng của vật là 25 g.

53. Một hòn đá trượt trên một mặt băng phẳng dừng lại sau khi đi được một quãng đường S = 48 m.

Tính vận tốc ban đầu v₀ của hòn đá, biết lực ma sát trượt của hòn đá trên mặt băng bằng 0,06 trọng lượng của hòn đá.

54. Một xe điện đang chạy ở vận tốc v₀ = 36 km/h thì phanh gấp, các bánh xe của nó không quay mà chỉ trượt trên đường ray.

Tính quãng đường xe điện đi được từ lúc hãm phanh đến khi dừng hẳn, biết hệ số ma sát trượt của các bánh xe trên đường ray là k = 0,2.

55. Một xe hơi cân nặng 845 kgf được kéo trên một ray đường sắt.

Tính lực căng dây giữ xe trên đường ray biết rằng xe lửa, trong lúc phanh, có gia tốc a = 0,5 m/s². Bỏ qua ma sát.

___________

ĐÁP SỐ VÀ GIẢI

52. F = 1250 dyne.

53. v₀ = 7,56 m/s.