Bài giảng môn học Vật lý lớp 10 - Phần 1: Cơ học động học chất điểm chuyển động cơ

PHẦN 1: CƠ HỌC ĐỘNG HỌC CHẤT ĐIỂM CHUYỂN ĐỘNG CƠ I. Chuyển động cơ chất điểm 1. Chuyển động cơ Chuyển động cơ của một vật (gọi tắt là chuyển động) là sự thay đổi vị trí của vật đó so với các vật khác theo thời gian. 2. Chất điểm - Một ô tô tải dài 4 mét đang chạy trên đường Hà nội - Hải phòng, dài 105km. Nếu phải chỉ vị trí của ô tô trên đường đi trong một bản đồ thì ta chỉ có thể vẽ được bằng 1 chấm (1 điểm). Đó là vì chiều cao của ô tô chưa bằng 4 phần 10 và chiều cao dài con đường. Ô tô được coi là một  chất điểm trên đường Hà nội- Hải phòng. - Một vật chuyển động được coi là một chất điểm nếu kích thước của nó rất nhỏ so với độ dài đường đi (hoặc so với những khoảng cách mà ta đề cập đến). - Khi một vật được coi là chất điểm thì khối lượng của vật coi như tập chung tại chất điểm đó. Các vật mà ta nói đến trong chương trình này đều được coi là những chất điểm. 3. Quỹ đạo Tập hợp tất cả các vị trí của một chất điểm chuyển động tạo ra một đường nhất định. Đường đó được gọi là quỹ đạo của chuyển động. II. Cách xác định vị trí của vật trong không gian 1. Vật làm mốc và thước đo - Cột cây số trên hình 1.1 cho ta biết đang cách Phủ Lý 49km. Ta đã lấy cột cây số ở Phủ Lý là vật làm mốc. Khoảng cách từ cột cây số đến vật làm mốc đã được đo trước. Vật làm mốc được coi là đứng yên. - Vậy, nếu đã biết đường đi (quỹ đạo) của vật ta chỉ cần chọn một vật làm mốc và một chiều dương trên đường đó là có thể xác định được chính xác vị trí của vật bằng cách dùng một cái thước đo chiều dài đoạn đường từ vật làm mốc đến vật. 2. Hệ tọa độ - Muốn chỉ rõ cho người thợ biết chính xác một điểm M cần khoan trên tường để đóng đinh, cần nói rõ điểm đó nằm trên mặt tường nào, cách mép sàn và mép tường bên trái bao nhiêu mét. Hai đường Ox ở mép sàn và Oy ở mép tường bên trái vuông góc với nhau tạo thành một hệ trục tọa độ vuông góc ( gọi tắt là hệ tọa độ) trên mặt tường. Điểm O là gốc tọa độ. - Muốn xác định vị trí của điểm M ta làm như sau: + Chọn chiều dương trên các trục Ox, Oy + Chiếu vuông góc điểm M xuống hai trục tọa độ Ox và Oy, ta được các đỉêm H và I. + Vị trí điểm M trên mặt tường sẽ được xác định bằng hai tọa độ là x=OH và y=OI. Hai tọa độ này là hai đại lượng đại số. - Để xác định x và y ta phải dùng một cái thước. Tuy nhiên, có thể dùng thước để chia độ sẵn trên hai trục Ox và Oy và quan niệm hệ tọa độ là hai trục đã được chia độ. III. Cách xác định thời gian trong chuyển động 1. Mốc thời gian và đồng hồ - Để mô tả chuyển động của một vật ta phải biết tọa độ của vạt đó ở những thời điểm khác nhau. Muốn thế thì phải chỉ rõ mốc thời gian (hoặc gốc thời gian), tức là thời điểm mà ta bắt đầu đo thời gian và phải đo khoảng thời gian trôi đi kể từ mốc thời gian bằng một chiếc đồng hồ. 2. Thời điểm và thời gian - Bằng giờ tàu cho ta biết thời điểm mà đoàn tàu có mặt ở các ga. Nếu bỏ qua thời gian tàu đỗ lại ở các ga thì ta có thể tính được khoảng thời gian tàu chạy từ ga nọ đến ga kia. Nếu lấy mốc thời gian là thời điểm vật bắt đầu chuyển động (thời điểm 0) thì số chỉ của thời điểm sẽ trùng với số đo khoảng thời gian đã trôi qua kể từ mốc thời gian. IV. Hệ quy chiếu - Một hệ quy chiếu gồm + Một vật làm mốc, một hệ tọa độ gắn với vật làm mốc + Một mốc thời gian và một đồng hồ. Trong nhiều bài toán cơ học, nhiều khi nói về hệ quy chiếu người ta chỉ đề cập đến hệ tọa độ, vật làm mốc và mốc thời gian mà không cần nói đến đồng hồ. CHUYỂN ĐỘNG THẲNG ĐỀU I. Chuyển động thẳng đều - Giả sử có một chất điểm (vật) chuyển động trên một trục , lấy chiều chuyển động là chiều dương ta chỉ xét  chuyển động của vật theo một chiều nhất định. - Tại thời điểm , vật đi qua điểm có tọa độ . - Tại thời điểm , vật đi qua điểm có tọa độ . Ta sử dụng các khái niệm sau: - Thời gian chuyển động của vật trên quãng đường . - Quãng đường đi được của một vật trong thời gian . 1. Tốc độ trung bình Ở lớp 8 ta đã biết : Tốc độ trung bình   (2.1) Suy ra đơn vị của tốc độ trung bình là mét trên giây (kí hiệu ), ngoài ra người ta còn dùng đơn vị kilômet trên giờ () Trong ví dụ trên, nếu thời gian chuyển động là thì tốc độ trung bình của vật là . Tốc độ trung bình cho biết mức độ nhanh, chậm của chuyển động. 2. Chuyển động thẳng đều Chuyển động thẳng đều là chuyển động có quỹ đạo là đường thẳng và có tốc độ trung bình như nhau trên mọi quãng đường. Trong chuyển động thẳng đều, khi nói vận tốc của xe trên một quãng đường hoặc trong một khoảng thời gian nào đó thì ta hiểu là tốc độ trung bình. 3. Quãng đường đi được trong chuyển động thẳng đều Từ công thức (2.1) ta suy ra công thức tính quãng đường đi được trong chuyển động thẳng đều                           (2.2) Trong chuyển động thẳng đều, quãng đường đi được tỉ lệ thuận với thời gian chuyển động. II. Phương trình chuyển động và đồ thị tọa độ - thời gian của chuyển động thẳng đều 1. Phương trình chuyển động thẳng đều - Giả sử có một chất điểm , xuất phát từ một điểm trên đường thẳng , chuyển động thẳng đều theo phương với tốc độ ). Điểm cách gốc một khoảng . Lấy mốc thời gian là lúc chất điểm bắt đầu chuyển động, tọa độ của chất điểm sau thời gian chuyển động sẽ là:                           (2.3) - Phương trình (2.3) gọi là phương trình chuyển động thẳng đều của chất điểm . 2. Đồ thị tọa độ - Thời gian của chuyển động thẳng đều - Giả sử có một người đi xe đạp, xuất phát  từ địa điểm , cách gốc tọa độ là 5km, chuyển động thẳng đều theo hướng với vận tốc 10km/h. - Phương trình chuyển động của xe đạp là với tính bằng  kilômet và tính bằng giờ. Ta hãy tìm cách biểu diễn sự phụ thuộc của   vào bằng đồ thị. a) Bảng (x,t) Trước hết ta phải lập bảng các giá trị tương ứng giữa và , gọi tắt là bảng . b) Biều đồ tọa độ - thời gian - Vẽ hai trục vuông góc: trục hoành là trục thời gian (mỗi độ chia tương ứng  với 1 giờ), trục tung là trục tọa độ (mỗi độ chia tương ứng  với 10km). - Ta gọi hai trục này là hệ trục . - Trên trục ta hãy chấm các điểm có và tương ứng trong bảng . Nối các điểm đó với nhau ta được một đoạn thẳng, đoạn thẳng này có thể kéo dài thêm về bên phải. Hình ta thu được gọi là đồ thị tọa độ - thời gian của chuyển động thẳng đều đã cho. - Đồ thị tọa độ - thời gian biểu diễn sự phụ thuộc của tọa độ của chuyển động vào thời gian. CHUYỂN ĐỘNG THẰNG BIẾN ĐỔI ĐỀU I. Vận tốc tức thời. Chuyển động thẳng biến đổi đều - Một xe chuyển động không đều trên một đường thẳng; lấy chiều chuyển động làm chiều dương. - Muốn biết tại một điểm M trên quỹ đạo xe đang chuyển động nhanh hay chậm tra phải làm như làm gì? - Ta phải tìm xem trong khoảng thời gian rất ngắn , kể từ lúc ở , xe dời được một đoạn đường rất ngắn bằng bao nhiêu? - Đại lượng: là độ lớn của vận tốc tức thời của xe tại M. Nó cho ta biết tại M xe chuyển động nhanh hay chậm. Trên một xe máy đang chạy thì đồng hồ tốc độ (còn lại là tốc kế) trước mặt người lái xe chỉ độ lớn của vận tốc tức thời của xe. 2. Vectơ vận tốc tức thời - Tại mỗi điểm trên quỹ đạo, vận tốc tức thời của vật không những có một độ lớn nhất định, mà còn có phương và chiều xác định. Để đặc trưng cho chuyển động về sự nhanh, chậm và về phương, chiều người ta đưa ra khái niệm vectơ vận tốc tức thời. Vectơ vận tốc tức thời của một vật tại một điểm là một vectơ có gốc tại vật chuyển động, có hướng của chuyển động và có độ dài tỉ lệ với độ lớn của vận tốc tức thời theo một tỉ xích nào đó. 3. Chuyển động thẳng biến đổi đều Chuyển động thẳng biến đổi là chuyển động có quỹ đạo là đường thẳng và có độ lớn của vận tốc tức thời luôn biến đổi. - Loại chuyển động biến đổi đơn giản nhất là chuyển động thẳng biến đổi đều. - Trong chuyển động thẳng biến đổi đều, độ lớn của vận tốc tức thời hoặc tăng đều, hoặc giảm đều theo thời gian. -Chuyển động thẳng biến đổi có độ lớn của vận tốc tức thời tăng đều theo thời gian gọi là chuyển động thẳng nhanh dần đều. - Chuyển động thẳng biến đổi có độ lớn của vận tốc tức thời giảm đều theo thời gian gọi là chuyển động thẳng chậm dần đều. Khi nói vận tốc của vật tại vị trí hoặc thời điểm nào đó ta hiểu đó là vận tốc tức thời. II. Chuyển động thẳng nhanh dần đều 1. Gia tốc trong chuyển động thẳng nhanh dần đều a) Khái niệm gia tốc - Gọi là vận tốc ở thời điểm   và là vận tốc ở thời điểm sau đó. Hiệu là độ biến thiên (ở đây là độ tăng) của vận tốc trong khoảng thời gian . Vì vận tốc tăng đều theo thời gian nên tỉ lệ thuận với , . - Hệ số tỉ lệ là một đại lượng không đổi và gọi là gia tốc của chuyển động. Gia tốc bằng hằng số.                   .    (3.1a) Gia tốc chuyển động là đại lượng xác định bằng thương số giữa độ biến thiên vận tốc và khoảng thời gian vận tốc biến thiên. - Gia tốc của chuyển động cho biết vận tốc biến thiên nhanh hay chậm theo thời gian. - Ta có đơn vị của gia tốc là mét trên giây bình phương ( ) b) Vectơ gia tốc - Vì vận tốc là đại lượng vectơ nên gia tốc cũng là đại lượng vectơ                 . (3.1b) - Khi vật chuyển động thẳng nhanh dần đều vectơ gia tốc có gốc ở vật chuyển động, có phương và chiều cùng với phương và chiều của vectơ vận tốc và có độ dài tỉ lệ với độ lớn của gia tốc theo một tỉ xích nào đó. 2. Vận tốc của chuyển động thẳng nhanh dần đều a) Công thức tính vận tốc - Trở lại công thức (3.1a)                     . - Nếu lấy gốc thời gian ở thời điểm . Đó là công thức tính vận tốc. Nó cho ta biết vận tốc của vật ở những thời điểm khác nhau. b) Đồ thị vận tốc - thời gian - Đồ thị biểu diễn sự biến thiên của vận tốc tức thời theo thời gian gọi là đồ thị vận tốc - thời gian. Đó là đồ thị ứng với công thức (3.2), trong đó coi như một hàm số của thời gian . Đồ thị có dạng một đoạn thẳng. 3. Công thức tính quãng đường đi được của chuyển động thẳng nhanh dần đều - Gọi là quãng đường đi được trong thời gian . Tốc độ trung bình của chuyển động là (xem 2.1).                     . - Đối với chuyển động thẳng nhanh dần đều, vì độ lớn của vận tốc (tốc độ) tăng dần đều theo thời gian nên người ta đã chứng minh được công thức tính tốc độ trung bình sau đây:                     . với là tốc độ đầu và là tốc độ cuối. - Mặt khác ta lại có: Từ các công thức trên ta suy ra                   . (3.3) Công thức (3.3) là công thức tính quãng đường đi được của chuyển động thẳng nhanh dần đều. Công thức này cho thấy quãng đường đi được trong chuyển động thẳng nhanh dần đều là một hàm số bậc hai của thời gian. 4. Công thức liên hệ giữa gia tốc, vận tốc và quãng đường đi được của chuyển động thẳng nhanh dần đều Loại trong các công thức (3.2) và (3.3), ta được: 5. Phương trình chuyển động của chuyển động thẳng nhanh dần đều - Nếu có một chất điểm xuất phát từ một điểm có tọa độ trên đường thẳng , chuyển động thẳng nhanh dần đều với vận tốc đầu và với gia tốc , thì tọa độ của ở thời điểm sẽ là:                     .   (3.5) Phương trình (3.5) là phương trình chuyển động của chuyển động thẳng nhanh dần đều. III. Chuyển động thẳng chậm dần đều 1. Gia tốc của chuyển động thẳng chậm dần đều a) Công thức tính gia tốc - Công thức tính gia tốc trong trường hợp này cũng tương tự như trên: - Gia tốc có giá trị ngược dầu với vận tốc. b) Vectơ gia tốc Ta có           Vectơ gia tốc của chuyển động thẳng chậm dần đều ngược chiều  với vectơ vận tốc. 2. Vận tốc của chuyển động thẳng chậm dần đều a) Công thức tính vận tốc - Chuyển động thẳng chậm dần đều là chuyển động thẳng có độ lớn vận tốc giảm đều theo thời gian - Ta có thể viết công thức tính vận tốc dưới dạng tổng quát: b) Đồ thị vận tốc - thời gian là một đường thẳng 3. Công thức tính quãng đường đi được và phương trình chuyển động  thẳng chậm dần đều a) Công thức tính quãng đường đi được - Chứng minh tương tự như trong chuyển động thẳng nhanh dần đều ta có công thức  tính quãng đường đi được của chuyển động thẳng chậm dần đều:                     . trong đó ngược dấu với . - Chú ý rằng trong chuyển động thẳng chậm dần đều có lúc vật sẽ dừng lại nếu gia tốc của vật vẫn được duy trì thì vật sẽ chuyển động nhanh dần đều về phía ngược lại. Ví dụ: Bắn nhẹ một hòn bi lên một mặt phẳng ngiêng. b) Phương trình chuyển động của chuyển động chậm dần đều tương tự như phương trình (3.5)                     . RƠI TỰ DO I. Sự rơi trong không khí và sự rơi tự do 1. Sự rơi của các vật trong không khí a) Thả một vật từ một độ cao nào đó nó chuyển động tự do không có vận tốc đầu, vật sẽ chuyển động xuống phía dưới . Đó là sự rơi của vật. Ta hãy làm một số thí nghiệm để xem trong không khí vật nặng có luôn luôn rơi nhanh hơn vật nhẹ hay không? Trong các thí nghiệm này  ta đồng thời thả nhẹ nhàng hai vật rơi xuống từ cùng một độ cao, rồi quan sát xem vật nào rơi tới đất trước: - Thí nghiệm 1: thả một tờ giấy và một hòn sỏi (nặng hơn tờ giấy). - Thí nghiệm 2: như thí nghiệm 1, nhưng giấy vo tròn và nén chặt. - Thí nghiệm 3: Thả hai tờ giấy cùng kích thước nhưng một tờ giấy để phẳng còn tờ kia  thì vo tròn và nén chặt lại. - Thí nghiệm 4: Thả một vật nhỏ (chẳng hạn, hòn bì ở trong líp của xe đạp) và một tấm bìa phẳng đặt nằm ngang. b) Sau khi tiến hành thí nghiệm, ta thấy: - Không thể nói trong không khí , vật nặng bao giờ cũng  rơi nhanh hơn vật nhẹ. Hãy suy nghĩ xem yếu tố nào có thể ảnh hưởng đến sự rơi nhanh hay chậm của các vật trong không khí. 2. Sự rơi của các vật trong chân không (sự rơi tự do) a) Ống Niu- tơn - Nhà vật lí người Anh Niu-tơn là người đầu tiên nghiên cứu loại trừ ảnh hưởng của không khí lên sự rơi tự do của các vật. - Ông làm thí nghiệm với một ống thủy tinh kín, trong có chứa một hòn bi chì và một cái lông chim. - Hút hết không khí ở trong ống ra, rồi cho hai vật nói trên rơi ở trong ống thì thấy chúng rơi nhanh như nhau. b) Kết  luận - Từ nhiều thí nghiệm như trên, ta đến kết luận: nếu loại bỏ được ảnh hưởng của không khí thì mọi vật sẽ 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 ta còn phải loại bỏ nhiều ảnh hưởng khác nữa như ảnh hưởng của điện trường, của từ trường vì vậy khái niệm chính xác về sự rơi tự do là: Sự rơi tự do là sự rơi chỉ dưới tác dụng của trọng lượng. - Thí nghiệm của Ga-li-lê tháp nghiêng thành Pa- da(Pisa) 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 Nếu cho một vật rơi tự do, không có vận tốc đầu (thả nhẹ cho rơi) thì công thức tính vận tốc của sự rơi tự do là                                  (4.1) Trong đó là gia tốc của chuyển động rơi tự do, gọi tắt là gia tốc rơi tự do. e) Công thức tính quãng đường đi được của sự rơi tự do                               (4.2) Trong đó s là quãng đường đi được, còn là thời gian rơi. 2. Gia tốc rơi tự do - Có nhiều phương pháp đo gia tốc rơi tự do, thực nghiệm chứng tỏ rằng: - Tại một nơi nhất định trên Trái đất và ở gần mặt đất , các vật đều rơi tự do với cùng một gia tốc . - Tuy nhiên ở những nơi khác nhau, gia tốc rơi tự do sẽ khác nhau. - Ở địa cực, lớn nhất : . Ở xích đạo, nhỏ nhất . - Nếu không đòi hỏi độ chính xác cao, ta có thể lấy hoặc . CHUYỂN ĐỘNG TRÒN ĐỀU I. Định nghĩa 1. Chuyển động tròn Chuyển động tròn là chuyển động có quỹ đạo là một đường tròn. Ví dụ: Khi chiếc đu quay quay  tròn  quỹ đạo của điểm treo các ghế ngồi trên chiếc đu quay là những đường tròn có tâm nằm trên trục quay. 2. Tốc độ trung bình trong chuyển động tròn - Tương tự như trong chuyển động thẳng, ta định nghĩa tốc độ trung bình trong chuyển động tròn như sau: - Tốc độ trung bình = (Độ dài cung tròn mà vật di chuyển được) : (Thời gian chuyển động) 3. Chuyển động tròn đều Chuyển động tròn đều là chuyển động có quỹ đạo tròn và có tốc độ trung bình trên mọi cung tròn là như nhau. II. Tốc độ dài và tốc độ góc 1. Tốc độ dài - Gọi là độ dài của cung tròn mà vật đi được từ điểm đến điểm   trong khoảng thời gian rất ngắn . Khoảng thời gian này phải  chọn ngắn đến mức có thể coi cung tròn như một đoạn thẳng. Ta gọi thương số                       (5.1) là tốc độ dài của vật tại điểm . Tốc độ dài chính là độ lớn của vận tốc tức thời trong chuyển động tròn đều. - Trong chuyển động tròn đều thì luôn luôn tỉ lệ với , nên là một đại lượng  không đổi và bằng tốc độ trung bình của vật. Trong chuyển động tròn đều tốc độ dài của vật không đổi. 2. Vectơ vận tốc trong chuyển động tròn đều - Trong điều kiện cung tròn có độ dài rất nhỏ. Có thể coi như một đoạn thẳng, người ta dùng một vectơ vừa để chỉ quãng đường đi được, vừa để chỉ hướng chuyển động. gọi là vectơ độ dời. Khi đó, vận tốc sẽ được biểu diễn bằng vectơ vận tốc, cùng phương cùng chiều với vectơ độ dời.                     . Vì trùng với một đoạn cung tròn tại nên nó nằm dọc theo tiếp tuyến với đường tròn quỹ đạo tại . cùng hướng với nên nó cũng nằm theo tiếp tuyến tại Vectơ vận tốc trong chuyển động tròn đều luôn có phương tiếp tuyến với đường tròn quỹ đạo. 3. Tốc độ góc, chu kì, tần số a) Định nghĩa - Gọi là tâm và là bán kính của đường tròn quỹ đạo là vị trí tức thời của vật chuyển động khi vật đi được một cung trong khoảng thời gian thì bán kính quay ngược góc - Thương số     (5.2) gọi là tốc độ góc của chuyển động tròn. Trong chuyển động tròn đều thì có góc tăng tỉ lệ thuận với thời gian nên tốc độ góc không đổi. - Tốc độ góc của chuyển động tròn là đại lượng đo bằng góc mà bán kính quét được trong một đơn vị thời gian. Tốc độ góc của chuyển động tròn đều là đại lượng không đổi. b) Đơn vị đo tốc độ góc - Nếu có góc đo bằng đơn vị rađian, thời gian đo bằng đơn vị giây thì tốc độ góc đo bằng đơn vị rađian trên giây viết tắt là . c) Chu kì Chu kì T của chuyển động tròn đều là thời gian để vật đi được một vòng. Công thức liên hệ giữa tốc độ góc và chu kì :                                (5.3) Ta có đơn vị của chu kì là giây (s) d) Tần số Tần số của chuyển động tròn đều là số vòng mà vật đi được trong một giây. Công thức liên hệ giữa chu kì và tần số:                                 (5.4) Ta có đơn vị của tần số là vòng trên giây (vòng/s) hoặc héc () e) Công thức liên hệ giữa tốc độ dài và tốc độ góc                     (5.5) III. Gia tốc hướng tâm 1. Hướng của vectơ gia tốc trong chuyển động tròn đều - Để xét gia tốc của vật tại điểm ta khảo sát sự biến đổi vectơ vận tốc  của vật khi nó chuyển động trong khoảng thời gian rất ngắn từ điểm đến điểm trên cung tròn có trung điểm . - Hai vectơ vận tốc   tại các điểm   có độ dài bằng nhau, nhưng có hướng khác nhau vì chúng lần lượt vuông góc với các bán kính và . - Nếuu tịnh tiến hai vectơ và đến điểm ta sẽ tìm được vectơ biểu diễn sự thay đổi hướng của vận tốc                       hay    . - Vì cung rất nhỏ và vật chuyển động tròn đều, nên ta có thể coi hai điểm gần như trùng nhau tại và vectơ biểu diễn sự thay đổi của vận tốc trên đoạn đường này. - Có thể chứng minh vectơ luôn luôn nằm dọc theo bán kính và hướng vào tâm của quỹ đạo. - Vectơ gia tốc của chuyển động tròn đều cũng được xác định bằng công thức (3.1b)                     . - Vectơ cùng hướng với vectơ nên nó cũng nằm dọc theo bán kính và hướng vào tâm. Do đó người ta gọi gia tốc trong chuyển động tròn đều là gia tốc hướng tâm và kí hiệu là . Trong chuyển động tròn đều, tuy vận tốc có độ lớn không đổi, nhưng có hướng luôn thay đổi, nên chuyển động này có gia tốc. Gia tốc trong chuyển động tròn đều luôn hướng vào tâm của quỹ đạo nên gọi là gia tốc hướng tâm. 2. Độ lớn của gia tốc hướng tâm - Công thức tính độ lớn gia tốc hướng tâm là:                                   (5.6) TÍNH TƯƠNG ĐỐI CỦA CHUYỂN ĐỘNG I. Tính tương đối của chuyển động 1. Tính tương đối của quỹ đạo - Một người ngồi trên xe đạp và một người đứng bên đường cùng quan sát chuyển động của cái đầu van bánh trước xe đạp đang chạy. Người đứng bên đường thấy chiếc đầu van chuyển động theo một đường cong lúc lên cao, lúc xuống thấp. Hình dạng quỹ đạo của chuyển động trong các hệ quy chiếu khác nhau thì khác nhau - quỹ đạo có tính chất tương đối. 2. Tính tương đối của vận tốc Một hành khách đang ngồi yên trong một toa tàu chuyển động với vận tốc 40km/h. ĐỐi với toa tàu thì vận tốc của người đó bằng không (người ấy ngồi yên). Đối với người đứng dưới đường thì hành khách đó đang chuyển động với vận tốc 40km/h cùng với toa tàu. Như vậy: Vận tốc của chuyển động đối với các hệ quy chiếu khác nhau thì khác nhau. Vận tốc có tính tương đối. II. Công thức cộng vận tốc 1. Hệ quy chiếu đứng yên và hệ quy chiếu chuyển động Một chiếc thuyền đang chạy trên một dòng sông, ta xẽ xét chuyển động của thuyền trong hai hệ quy chiếu. - Hệ quy chiếu (xOy) gắn với bờ coi như hệ quy chiếu đứng yên - hệ quy chiếu (x’O’y’) gắn với một vật trôi theo dòng nước là hệ quy chiếu chuyển động 2. Công thức cộng vận tốc a) Trường hợp các vận tốc cùng phương cùng chiều Thuyền chạy xuôi dòng nước: Gọi là vận tốc của thuyền đối với bờ, tức là đối với hệ quy chiếu đứng yên. Vận tốc này gọi là vận tốc tuyệt đối. Gọi là vận tốc của thuyền đối với nước, tức là đối với hệ quy chiếu chuyển động, vận tốc này  gọi là vận tốc tương đối. Gọi là vận tốc của nước đối với bờ. Đó là vận tốc của hệ quy chiếu chuyển động so với hệ quy chiếu đứng yên. Vận tốc này gọi là vận tốc kéo theo. Dễ dàng thấy rằng: Hệ thức này có thể viết dưới dạng:                                      (6.1) Trong đó: số 1 ứng với vật chuyển động; số 2 ứng với hệ quy chiếu chuyển động ; số 3 ứng với hệ quy chiếu đứng yên. b) Trường hợp vận tốc tương đối cùng phương ngược chiều với vận tốc kéo theo Thuyền chạy ngược dòng nước. Vectơ vận tốc tương đối sẽ cùng phương, ngược chiều với vectơ vận tốc kéo theo về độ lớn, rõ ràng là vận tốc của thuyền đối với nước phải trừ đi vận tốc chảy của dòng nước mới thành vận tốc của thuyền đối với bờ: Tuy nhiên, dưới dạng vectơ, ta vẫn phải viết ĐỘNG LỰC HỌC CHẤT ĐIỂM TỔNG HỢP VÀ PHÂN TÍCH LỰC I. Lực - cân bằng lực Ở trung học cơ sở ta đã học lực và cân bằng lực với khái niệm gia tốc ta có thể đưa ra định nghĩa  về lực và các lực cân bằng như sau: 1. Lực là đại lượng vectơ đặc trưng cho tác dụng của vật này lên vật khác mà  kết quả là gây ra gia tốc cho vật hoặc làm cho vật biến dạng. 2. Các lực cân bằng là các lực khi tác dụng đồng thời vào một vật thì không gây ra gia tốc cho  vật. 3. Đường thẳng mang vectơ lực gọi là giá của lực. Hai lực cân bằng là hai lực cùng tác dụng lên một vật., cùng giá trị, cùng độ lớn và ngược chiều. 4. Đơn vị của lực là Niutơn (N) II. Tổng hợp lực Trong toán học, muốn tìm vectơ    ta phải áp dụng quy tắc hình bình hành. Đó là tính chất căn bản của các đại lượng vectơ. Vậy khi ta nói lực là một đại lượng vectơ thì nó có tính chất này không ? 1. Thí nghiệm a) Ta bố trí một thí nghiệm trên một tấm bảng đặt thẳng đứng. Vòng nhẫn (coi như chất điểm) đứng yên dưới tác dụng của ba lực (có độ lớn bằng trọng lượng của ba nhóm quả cân). b) Vẽ trên bảng ba vectơ biểu diễn 3 lực đó (chọn tỉ xích là một đơn vị độ dài ứng với trọng lượng của một quả cân) vectơ   lần lượt biểu diễn lực . Vì hai lực và cân bằng với lực nên muốn cho vòng nhẫn đứng yên thì lực thay thế chúng phải là một vectơ (được biểu diễn bằng vectơ ) có độ lớn và ngược hướng với vectơ . Ta nhận thấy tứ giác là một hình bình hành ( ở đây là hình chữ nhật) với và là hai cạnh, còn là đường chéo (h.9.6) c) Thay đổi độ lớn và hướng của các lực và thì khi vòng nhẫn đứng yên ta vẫn có nhận xét như thế. 2. Định nghĩa Tổng hợp lực là thay thế các lực tác dụng đồng thời vào cùng một vật bằng một lực có tác dụng giống hệt như các lực ấy. Lực thay thế này gọi là hợp lực. 3. Quy tắc hình bình hành Nếu hai lực đồng quy làm thành hai cạnh của một hình bình hành, thì đường chéo kẻ từ điểm đồng quy biểu diễn hợp lực của chúng. Về mặt toán học, ta viết     II. Điều kiện cân bằng của chất điểm Với khái niệm hợp lực, ta có thể phát biểu điều kiện cân bằng của chất điểm như sau: Muốn cho một chất điểm đứng cân bằng thì hợp lực của các lực tác dụng lên nó phải bằng không. IV. Phân tích lực 1. Ta có thể giải thích sự cân bằng của vòng nhẫn theo một cách khác. Lực trong thí nghiệm ở hình 9.5 có hai tác dụng. Một mặt nó kéo day 1 theo hướng . Mặt khác nó kéo dây 2 theo hướng . Do đó  ta có thể thay thế được bằng hai lực và theo hai phương và . Hai lực này cân bằng với hai lực và (h.9.8). 2. Định nghĩa Phân tích lực là thay thế một lực bằng hay nhiều lực có tác dụng giống hệt như lực đó. Các lực thay thế này gọi là các lực thành phần. 3. Cách phân tích lực Muốn phân tích lực thành hai lực thành phần và theo hai phương và , ta làm  như sau: Từ đầu mút  của vectơ  ta kẻ hai đường thẳng song song với hai phương đó, chúng cắt những phương này tại các điểm và . Các vectơ và biểu diễn các lực thành phần và (h.9.9). 4. Chú ý Phân tích lực là phép làm ngược lại với tổng hợp lực, do đó nó cũng tuân theo những quy tắc hình bình hành. Tuy nhiên chỉ khi biết một lực có tác dụng cụ thể theo hai phương nào đó thì mới phân tích lực đó theo hai phương ấy. CÁC ĐỊNH LUẬT NEWTON I. Định luật I Niu-Tơn(Niutơn,