SGK Vật Lí 10 - Bài 4. Sự rơi tự do

Sự ROI Tự DO
Sự rơi của các vật là một chuyển động xảy ra rất phổ biến quanh ta. Ai cũng biết, ớ cùng một độ cao một hòn đá sẽ rơi xuống đất nhanh hơn một chiếc lá. Nhiều người cho rằng, sớ 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 ?
G.GA-LI-LẼ
(Galileo Galilei, 1564 - 1642) Nhà vật lí người l-ta-li-a
HI - Trong thí nghiệm nào vật nặng rơi nhanh hơn vật nhẹ ?
Trong thí nghiệm nào vật nhẹ rơi nhanh hơn vật nặng ?
Trong thí nghiệm nào hai vật nặng như nhau lại rơi nhanh, chậm khác nhau ?
Trong thí nghiệm nào hai vật nặng, nhẹ khác nhau lại rơi nhanh như nhau ?
- Sự RƠI TRONG KHÔNG KHÍ VÀ sự RƠI Tự DO
Sự roi của các vật trong không khí
Thả một vật từ một độ cao nào đó để nó chuyển động 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 bi ở trong líp của xe đạp) và một tấm bìa phẳng đặt nằm ngang.
Trả lời câu hỏi HI
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 ảhh hưởng đến sự rơi nhanh hay chậm của các vật trong không khí ?
Sự roi cùa các vật trong chân không (sự roi tự do)
Ông Niu-tơn
Nhà vật lí người Anh Niu-tơn (Isaac 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 (Hình 4.1) trong có chứa một hòn bi chì và một cái lông chim.
- Cho hai vật nói trên rơi ở trong ống còn đầy không khí thì hòn bi chì rơi nhanh hơn cái lông chim.
- Hút hết(1) không khí ở. trong ống ra, rồi cho hai vật nói trên rơi ở trong ống thì thấy chúng rơi nhanh như nhau.
Kết luận
Từ nhiều thí nghiệm như trên, ta đi 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. S3
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 lực.
Thí nghiệm của Ga-li-lê ở tháp nghiêng thành Pi-da (Pisa)
Trước Niu-tơn, Ga-li-lê đã làm thí nghiệm sau : Ồng thả những quả tạ nặng khác nhau rơi đồng thời từ tầng cao của toà tháp nghiêng (Hình 4.2) ở thành phố Pi-da (I-ta-li-a) xuống và nhận thấy chúng rơi đến mặt đất gần như cùng một lúc.
Nếu phân tích kĩ thí nghiệm của Ga-li-lê ta sẽ thấy : Trọng lượng của các quả tạ nặng rất lớn so với sức cản của không khí tác dụng lên chúng. Do đó, ta có thể bỏ qua sức cản này và coi sự rơi của các quả tạ như là sự rơi tự do.
Hình 4.1. Ống Niu-tơn
Chưa hút chân không
Đã hút chân không
ra Sự rơi của những vật nào trong 4 thí nghiệm mà ta làm ở trên có thể coi là sự rơi tự do ?
Hình 4.2. Tháp nghiêng Pi-da
(V) Trong thực tế, ta không thể hút hết không khí ra được. Tuy nhiên, khi không khí trong ôhg loãng đến mức nào đó, ta coi như trong ống không còn không khí.
Phương pháp chụp ảnh hoạt nghiệm
Vì chuyển động rơi tự do xảy ra rất nhanh nên việc đo thời gian rơi là rất khó khăn. Người ta thường dùng phương pháp chụp ảnh hoạt nghiệm để nghiên cứu sự rơi tự do.
Một hòn bi sơn ttắng được thả rơi trước niột cái thước đặt thẳng đứng frong một phòng tối: Một máy ảnh dùng để chụp ảnh hòn bi frong suốt thòi gian rơi. Hòn bi được chiếu sáng bởi những chớp sáng xảy ra cách nhau những khoảng thời gian bằng nhau.
Kết quả là ta sẽ thu được ảnh của hòn bi ở một loạt vị trí cách nhau những khoảng thời gian rơi bằng nhau. Ở Hình 4.3, khoảng thời gian này là giây.
Dựa vào ảnh hoạt nghiệm ta có thể chứng minh sự rơi tự do là một chuyển động thẳng nhanh dần đều.
cs Phải iàm thí nghiệm nào để xác nhận điều khẳng định này ?
Thước, hòn bi
Hình 4.3. Ảnh của hòn bi ở những vị tri cách nhau những khoảng thời gian rơi bằng nhau.
- NGHIÊN CỨU Sự RƠI Tự DO CỦA CÁC VẬT
Nhũng đặc điểm của chuyển động rơi tự do
Phương của chuyển động rơi tự do là phương thẳng đứng (phương của dây dọi). s
Chiều của chuyển động rơi tự do là chiều từ trên xuôhg dưới.
Chuyển động rơi tự do là chuyển động thẳng nhanh dần đều.
Công thức tính vận tốc
Nếu cho vật rơi tự do, không có vận tốc đầu (thả nhẹ cho rơi) thì công thức tính vận tốc của vật rơi tự do là :
ư =	(4.1)
trong đó g là gia tốc của chuyển động rơi tự do, gọi tắt là gia tốc rơi tự do.
Công thức tính quãng đường đi được của vật rơi tự do :
s = \gt2	(4.2)
ương đó s là quãng đường đi được, còn t là thòi gian rci.
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 g.
Tuy nhiên, ở những vĩ độ khác nhau, gia tốc rơi tự do 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.
ở Hà Nội, g - 9,7872 m/s2. ở Thành phố
Hồ Chí Minh, g - 9,7867 m/s2.
Nếu không đòi hỏi độ chính xác cao, ta có thể lấy g ~ 9,8 m/s2 hoặc g ~ 10 m/s2.
Sự roi tự do là sự roi chì duói tác dụng của trọng lực.
m
Trong truòng họp có thể bỏ qua ảnh huòng cùa các yếu tố khác lên vật roi, ta có
thể coi sự rùi của vật như là sự roi tự do.
Chuyển động roi tự do là chuyển động thẳng nhanh dần đều theo phuong thẳng
đúng, chiều từ trên xuống duói.
Tại một noi nhặt định trên Trái Đất và ờ gần mặt đất, mọi vật đều roi tự do vói cùng
gia tốc g.
Gia tốc roi tự do ở các vi độ khác nhau trên Trái Đất thì khác nhau. Nguôi ta thuòng lấy g~ 9,8 m/s2 hoặc g~ 10 m/s2.
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP
KỄ, 1. Yếu tố nào ảnh hưởng đến sự rá nhanh, chậm của các vật khác nhau trong không khí ?
Nếu loại bỏ được ảnh hưởng của không khí thì các vật sẽ rơi như thế nào ?
Sự rơi tự do là gì ?
Nêu các đặc điểm của sự rơi tự do.
Trong trường hợp nào các vật rơi tự do với cùng một gia tốc g ?
Viết các công thức tính vận tốc và quãng đường đi được của vật rơi tự do.
Chuyển động của vật nào dưới đây sẽ được coi là rơi tự do nếu được thả rơi ?
Một cái lá cây rụng.
Một sợi chỉ.
c Một chiếc khăn tay.
D. Một mẩu phấn.
Chuyển động nào dưới đây có thể coi như là chuyển động rơi tự do ? '
A. Chuyển động của một hòn sỏi được ném lên cao.
B. Chuyển động của một hòn sỏi được ném theo phương nằm ngang, c. Chuyển động của một hòn sỏi được ném theo phương xiên góc.
D. Chuyển động của một hòn sỏi được thả rơi xuống.
Thả một hòn đá từ độ cao h xuống đất. Hòn đá rơi trong 1 s. Nếu thả hòn đá đó từ độ cao 4 h xuống đất thì hòn đá sẽ rơi trong bao lâu ?
A. 4 s ;	B. 2 s ;
c. 72 s ; D, Một đáp số khác.
Một vật nặng rơi từ độ cao 20 m xuống đất. Tính thời gian rơi và vận tốc của vật khi chạm đất. Lấy g =10 m/s2.
Thả một hòn đá rơi từ miệng một cái hang sâu xuống đến đáy. Sau 4 s kể từ lúc bắt đầu thả thì nghe tiếng hòn đá chạm vào đáy. Tính chiều sâu của hang. Biết vận tốc truyền âm trong không khí là 330 m/s. Lấy g = 9,8 m/s2.
Thả một hòn sỏi từ trên gác cao xuống đất. Trong giây cuối cùng hòn sỏi rơi được quãng đường 15 m. Tính độ cao của điểm từ đó bắt đầu thả hòn sỏi. Lấy g = 10 m/s2.
PHƯƠNG PHÁP THỰC NGHIỆM
Phương pháp thực nghiệm là phương pháp mà người ta thường dùng để thiết lập các định luật vật lí mà ta gọi là các định luật thực nghiệm. Chẳng hạn, khi chưa biết rõ nguyên nhân cúa chuyển động rơi tự do, việc nghiên cứu quy luật biến đối của gia tốc rơi tự do bằng thực nghiệm được tiến hành theo tinh thần cúa phương pháp thực nghiệm.
Thoạt tiên, căn cứ vào các kết quá quan sát, các kinh nghiệm hằng ngày hoặc các thí nghiệm sơ bộ... để đề ra một giả thuyết ban đầu. Trong bài này, giả thuyết ban đầu là vật nặng rơi nhanh hơn vật nhẹ.
Tiếp theo, phải làm nhiều thí nghiệm để xác nhận hay bác bỏ giả thuyết ban đầu. Các thí nghiệm này phải có tính thuyết phục, nghĩa là phái xem xét đủ mọi trường hợp, mọi khía cạnh và phải đưa đến một kết luận chắc chắn. Nếu giá thuyết này được xác nhận thì nó trở thành một định luật thực nghiệm. Trong bài này, ta làm 4 thí nghiệm và thu được nhiều kết quả mâu thuẫn với giả thuyết ban đầu, nên giả thuyết này đã bị bác bỏ.
Trong trường hợp giả thuyết ban đầu bị bác bỏ, ta phải phân tích kết quá thí nghiệm để đề ra một giả thuyết khác. Trong bài này, ta thấy không thể nói vật nặng rơi nhanh hơn vật nhẹ được. Thế thì phái giải thích hiện tượng hòn sỏi rơi nhanh hơn tờ giấy như thế nào ? Phải đề ra giả thuyết nào để nó phù hợp với kết quả của cá 4 thí nghiệm ? Ta nghĩ đến ánh hưởng của không khí lên sự rơi của các vật. Từ đó ta đề ra một giả thuyết mới : nếu loại bó được ảnh hướng của không khí thì có lê các vật sẽ rơi nhanh như nhau.
Tuy giả thuyết mới có thể giải thích được các kết quá của tất cá các thí nghiệm đã làm, nhưng phái tiến hành thêm một loạt thí nghiệm khác đế kiếm tra tính đúng đắn của giả thuyết mới. Trong bài này, thí nghiệm ống Niu-tơn và thí nghiệm của Ga-li-lê ở tháp nghiêng thành Pi-da đóng vai trò các thí nghiệm kiểm tra. Cứ như thế cho đến khi xây dựng được một định luật thực nghiệm.
Cuối cùng, phải áp dụng định luật này vào nhiều tình huống mới khác nhau để tìm ra giới hạn áp dụng của nó. Chẳng hạn, quy luật rơi tự do không thể áp dụng cho các vật ở trong con tàu vũ trụ bay quanh Trái Đất hoặc cho các phân tử trong một khối khí.