Gia tốc - Vật lý 10

a/Định nghĩa

Gia tốc được tính bằng tỉ số giữa độ biến thiên vận tốc của vật và thời gian diễn ra. Nó là một đại lượng vectơ. Một vật có gia tốc chỉ khi tốc độ của nó thay đổi (chạy nhanh dần hay chậm dần) hoặc hướng chuyển động của nó bị thay đổi (thường gặp trong chuyển động tròn). 

+Ý nghĩa  : Đặc trưng cho sự biến đổi vận tốc nhiều hay ít của chuyển động.

b/Công thức

$a=\frac{v_{ }-v_0}{t}$

Chú thích:

$v$: vận tốc lúc sau của vật $(m/s)$

$v_o$: vận tốc lúc đầu của vật $(m/s)$

$t$: thời gian chuyển động của vật $\left(s\right)$

$a$: gia tốc của vật $(m/s^2)$

Đặc điểm

Nếu vật chuyển động theo chiều dương của trục tọa độ thì.

+ Chuyển động nhanh dần a>0.

+ Chuyển động chậm dần a<0.  

Và ngược lại,nếu chuyển đông theo chiều âm của trục tọa độ.

+ Chuyển động nhanh dần a<0.

+ Chuyển động chậm dần a>0.  

Nói cách khác:

Nếu gia tốc cùng chiều vận tốc ($\overrightarrow{a}\nearrow \nearrow \overrightarrow{v}$) thì vật chuyển động nhanh dần đều.

Nếu gia tốc ngược chiều vận tốc ($\overrightarrow{a}\nearrow \swarrow \overrightarrow{v}$) thì vật chuyển động chậm dần đều.

Chú thích:

$x_o$: tọa độ lúc đầu của vật - tại thời điểm xuất phát $\left(m\right)$.

$x$: tọa độ lúc sau của vật - tại thời điểm t đang xét $\left(m\right)$.

$v_o$: vận tốc của vật ở thời điểm $t_o$$(m/s)$.

$a$: gia tốc của vật $(m/s^2)$.

$t$: thời gian chuyển động của vật $\left(s\right)$.

Chú thích:

$S$: quãng đường (m).

$v_o$: vận tốc lúc đầu của vật $(m/s)$.

$t$: thời gian chuyển động của vật $\left(s\right)$.

$a$: gia tốc của vật $(m/s^2)$

Ứng dụng:

Xác định quãng đường vật di chuyển khi tăng tốc, hãm pham mà không cần dùng đến biến thời gian.

Chú thích:

S: quãng đường (m).

$v_o$: vận tốc lúc đầu của vật $(m/s)$.

$v$: vận tốc lúc sau của vật $(m/s)$

$a$: gia tốc của vật $(m/s^2)$

Ứng dụng:

Xác định vận tốc của vật ở một thời điểm xác định.

Chú thích:

$v$: vận tốc của vật tại thời điểm đang xét $(m/s)$.

$v_o$: vận tốc của vật tại thời điểm ban đầu $(m/s)$.

$a$: gia tốc của vật $(m/s^2)$.

$t$: thời gian chuyển động $\left(s\right)$.

Định nghĩa:

Tổng hợp lực: là thay thế hai lực bằng một lực có tác dụng tương tự. Lưu ý rằng sau khi tổng hợp lực xong chỉ có duy nhất một kết quả tổng hợp.

Trong trường hợp chỉ có hai lực đồng quy: $\overrightarrow{F_t}=\overrightarrow{F_1}+\overrightarrow{F_2}$

Điều kiện lực tổng hợp: $\left|F_1-F_2\right| \le F \le F_1+F_2$

1) Trường hợp hai vector cùng phương cùng chiều

$$\begin{gathered} \overrightarrow{F_t}=\overrightarrow{F_1}+\overrightarrow{F_2} \\ {F}_t=F_1+F_2 \end{gathered}$$

2) Trường hợp hai vector cùng phương ngược chiều

$$\begin{gathered} \overrightarrow{F_t}=\overrightarrow{F_1}+\overrightarrow{F_2} \\ {F}_t=\left|F_1-F_2\right| \end{gathered}$$

3) Trường hợp hai vector vuông góc với nhau

$$\begin{gathered} \overrightarrow{F_t}=\overrightarrow{F_1}+\overrightarrow{F_2} \\ {F}_t^2=F_1^2+F_2^2 \end{gathered}$$

4) Với góc alpha bất kì

$$\begin{gathered} \overrightarrow{F_t}=\overrightarrow{F_1}+\overrightarrow{F_2} \\ {F}_t^2=F_1^2+F_2^2+2F_1{F}_2.\cos \left(\alpha \right) \end{gathered}$$

Chú thích:

$F$: độ lớn của lực tác dụng $\left(N\right)$.

$\alpha$: góc tạo bới hai lực $\left(deg\right)$ hoặc $\left(rad\right)$.

5) Hai vector giống nhau và hợp góc alpha bằng 60 độ

6) Hai vector giống nhau và hợp góc alpha bằng 120 độ

BẢNG TỔNG HỢP CÔNG THỨC XÁC ĐỊNH ĐỘ LỚN CỦA HỢP LỰC

Phát biểu:

Gia tốc của một vật luôn cùng hướng với lực tác dụng. Độ lớn tỉ lệ thuận với lực tác dụng và tỉ lệ nghịch với khối lượng của vật.

Chú thích:

$a$: gia tốc của vật $(m/s^2)$.

$F$: lực tác động $\left(N\right)$.

$m$: khối lượng của vật $\left(kg\right)$.

Qua hình ảnh minh họa ta thấy khối lượng và gia tốc của vật là hai đại lượng tỉ lệ nghịch với nhau. Khối lượng càng nhỏ thì gia tốc lớn và ngược lại.

Khái niệm chung:

Trong một hệ quy chiếu chuyển động với gia tốc a so với hệ quy chiếu quán tính, các hiện tượng cơ học xảy ra giống như là mỗi vật có khối lượng m chịu thêm tác dụng của một lực bằng $-m.\stackrel{\rightharpoonup }{a}$ Lực này được gọi là lực quán tính.

Về độ lớn: 

$F_{qt}=m\left|a\right|$

Về chiều:

Lực quán tính ngược chiều với gia tốc.

Lưu ý:

+ Lực quán  tính không có phản lực.

+ Vật chuyển động nhanh dần thì vận tốc và gia tốc cùng chiều.

+ Vật chuyển động chậm dần thì vận tốc và gia tốc ngược chiều.

Nhờ có quán tính, nên khi ta kéo chiếc khăn thật nhanh thì đồ vật trên bàn vẫn không bị rớt ra.

Chú thích:

$F_{qt}$: lực quán tính $\left(N\right)$.

$m$: khối lượng của vật $\left(kg\right)$.

$a$: gia tốc của vật $(m/s^2)$

Chú thích:

$F$: lực tác dụng lên vật $\left(N\right)$.

$∆p$: độ biến thiên động lượng $(kg.m/s)$.

$∆t$: độ biến thiên thời gian $\left(s\right)$.

$\Rightarrow \frac{∆p}{∆t}$: tốc độ biến thiên động lượng.

Cách phát biểu khác của định luật II Newton:

Nếu động lượng của một vật thay đổi, tức là nếu vật có gia tốc, thì phải có lực tổng hợp tác dụng lên nó. Thông thường khối lượng của vật không đổi và do đó tỉ lệ với gia tốc của vật. Đơn giản hơn, ta có thể nói: xung lượng của lực bằng độ biến thiên động lượng của vật.  

Chứng minh công thức:

$\overrightarrow{F}=\frac{∆\overrightarrow{p}}{∆t}=\frac{\overrightarrow{p_2}-\overrightarrow{p_1}}{∆t}=\frac{m.\overrightarrow{v_2}-m.\overrightarrow{v_1}}{∆t}=\frac{m(\overrightarrow{v_2}-\overrightarrow{v_1})}{∆t}=m.\overrightarrow{a}$

Lực tác dụng : $F=ma$ 

Lực quán tính: $F=m{a}_{qt}$

Khi lực cùng chiều với trọng lực:

Lực tác dụng : $g\text{'}=g+a$ Ví dụ vật bị tác dụng hướng xuống

Lực quán tính: $g\text{'}=g-a$ Ví dụ thang máy đi xuống nhanh dần đều, đi lên chậm dần đều với gia tốc a

Khi lực ngược chiều với trọng lực:

Lực tác dụng : $g\text{'}=g+a$ Ví dụ vật bị tác dụng hướng lên

Lực quán tính: $g\text{'}=g+a$ Ví dụ thang máy đi lên nhanh dần đều ,đi xuống chậm dần đều với gia tốc a

Khi lực vuông với trọng lực:

$g\text{'}=\sqrt{a^2+g^2}$

Khi lên dốc  $g\text{'}=g\cos \alpha ;\alpha$ là góc mặt phẳng nghiêng

Chu kì mới : $T\text{'}=2\pi \sqrt{\frac{l}{g\text{'}}}$

$\frac{T\text{'}}{T}=\sqrt{\frac{g}{g\text{'}}}$

Gia tốc tác dụng lên e : $a=\frac{Ue}{md}$

Quãng đường cực đại : $s_{max}=\frac{v^2}{2a}=\frac{v^{2}md}{Ue}$

Với U là hiệu điện thế đặt vào hai bản tụ AB

d : khoảng cách giữa hai bản

Khi thang máy đi lên nhanh dần với gia tốc $a_0$:

$$\begin{gathered} Chi\mathrm{ế}u lên phương CĐ: \\ -P-F_{qt}=ma \\ \Rightarrow a=-a_0-g \end{gathered}$$

Khi vật đi lên chậm dần với gia tốc $a_0$:

$$\begin{gathered} Tương t\mathrm{ự} : \\ -P+F_{qt}=ma \\ \Rightarrow a=a_0-g \end{gathered}$$

Khi thang máy đi xuống với gia tốc $a_0$:

Khi đi nhanh dần đều:

$$\begin{gathered} P-F_{qt}=-ma \\ \Rightarrow a=\left|a_0\right|-g \end{gathered}$$

Khi đi chậm dần đều

$$\begin{gathered} -P-F_{qt}=-ma \\ \Rightarrow a=\left|a_0\right|+g \end{gathered}$$

Ta chỉ xét phần đồ thị nét liền

Với chiều dương ban đầu cùng chiều chuyển động :

Trong hệ tọa độ (vOt)

$\tan \left(\alpha \right)=\frac{v-v_0}{a}$

Vật chuyển động chậm dần với gia tốc $a$ , vận tốc đầu $v_0$ có phương trình chuyển động :

$x=x_0+v_{0}t-\frac{1}{2}\left|a\right|t^2$

Vì vật chuyển động một chiều :

$$\begin{gathered} v=v_0-\left|a\right|t \\ \Rightarrow t=\frac{v_0}{\left|a\right|} \\ \Rightarrow S=v_0.\frac{v_0}{\left|a\right|}-\frac{1.{v_0}^2}{2\left|a\right|}=\frac{{v_0}^2}{2\left|a\right|} \end{gathered}$$

Xét vật chịu tác dụng bới các lực ${\overrightarrow{F}}_k,\overrightarrow{N},\overrightarrow{P},{\overrightarrow{F}}_{ms}$ với $\alpha$ là góc của mặt phẳng nghiêng , $\beta$ là góc hợp của lực với phương chuyển động.

Theo định luật II Newton : ${\overrightarrow{F}}_k+\overrightarrow{N}+\overrightarrow{P}+{\overrightarrow{F}}_{ms}=m\overrightarrow{a}$

$s=v_{0}t+\frac{1}{2}a{t}^2$

$P_k=\frac{A_{F_k}}{t}=\frac{F_k.s.\cos \left(\beta \right)}{t}$ (công suất trung bình)

$P_{tt}=F_k.v.\cos \left(\beta \right)$ (công suất tức thời)

TH1 Vật đi xuống mặt nghiêng :

Chiếu lên phương chuyển động : 

$$\begin{gathered} F_k.\cos \left(\beta \right)=ma+F_{ms}-P\sin \left(\alpha \right)\Rightarrow F_k=\frac{ma+F_{ms}-P\sin \left(\alpha \right)}{\cos \left(\beta \right)} \\ \Rightarrow F_k=\frac{m\left(a+g\left(\mu \cos \left(\alpha \right)-\sin \left(\alpha \right)\right)\right)}{\mu \sin \left(\beta \right)+\cos \left(\beta \right)} \end{gathered}$$

Chiếu lên phương Oy:$N=P\cos \left(\alpha \right)-F_k\sin \left(\beta \right)\Rightarrow F_{ms}=\mu N$

TH2 Vật đi lên mặt nghiêng :

Chiếu lên phương chuyển động:

$$\begin{gathered} F_k\cos \left(\beta \right)=ma+F_{ms}+P\sin \left(\alpha \right)\Rightarrow F_k=\frac{ma+F_{ms}+P\sin \left(\alpha \right)}{\cos \left(\beta \right)} \\ \Rightarrow F_k=\frac{m\left(a+g\left(\mu \cos \left(\alpha \right)+\sin \left(\alpha \right)\right)\right)}{\cos \left(\beta \right)+\mu \sin \left(\beta \right)} \end{gathered}$$

Chiếu lên phương Oy : $N=P\cos \left(\alpha \right)-F_k\sin \left(\beta \right)\Rightarrow F_{ms}=\mu N$

TH3 Vật đi theo phương ngang

$$\begin{gathered} \alpha =0\Rightarrow F_k=\frac{m\left(a+\mu g\right)}{\cos \left(\beta \right)+\mu \sin \left(\beta \right)} \\ {F}_{ms}=\mu \left(P-F\sin \left(\beta \right)\right) \end{gathered}$$

Khi lực F hướng xuống so với phương chuyển động một góc $\beta$ ta thay $\sin \left(\beta \right)$ bằng $-\sin \left(\beta \right)$

Chọn chiều dương từ bản dương sang âm

Với những hạt có khối lượng rât rất nhỏ như electron ,

Ta có thể bỏ qua trọng lực 

$$\begin{gathered} \left|q\right|E=ma \\ \Rightarrow a=\frac{\left|q\right|E}{m} \end{gathered}$$

+ Khi điện tích chuyển động nhanh dần đều a > 0

+ Khi điện tích chuyển động chậm dần đều a <0

Với những hạt có khối lượng đáng kể vật chịu thêm trọng lực

$a=g\pm \frac{\left|q\right|E}{m}$

lấy + khi lực điện cùng chiều trọng lực

lấy - khi lực điện ngược chiều trọng lực

Để hạt bụi cân bằng :

$$\begin{gathered} F=P\Rightarrow \left|q\right|E=mg \\ \Rightarrow E=\frac{mg}{\left|q\right|} \end{gathered}$$

Điện trường cần đặt cùng chiều với $\overrightarrow{g}$ khi $q<0$

Điện trường cần đặt ngược chiều với $\overrightarrow{g}$ khi $q>0$

Áp dụng được khi đề bài hỏi điện cần đặt để điện tích tiếp túc đi thẳng khi bay vuông góc với điện trường.

Sau khi đặt vào hai bản tụ một hiệu điện thế $U$, sẽ tạo ra một vùng có điện trường đều có cường độ $E$.

Khi đặt một điện tích vào hạt sẽ được gia tốc với $a=\frac{\left|q\right|U}{md}$

TH1: Hạt dứng yên : Vật sẽ chuyển động nhanh dần đều về phía bản + khi $q>0$ và ngược lại

TH2: Hạt đi song song với đường sức điện. Khi đó vật sẽ được tăng tốc khi đi về phía bản cùng dấu với điện tích, ngược lại hạt sẽ bị hãm và dừng lại sau đó quay dầu.

TH3: Hạt đi lệch hoặc vuông góc với đường sức điện hạt sẽ chuyển động dưới dạng ném xiên và ném ngang.

Chú thích:

$S_{(n-1)\to n}$: quãng đường vật đi được trong giây thứ n $\left(m\right)$.

$v_{(n-1)}$: vận tốc lúc đầu của vật ở giây thứ (n-1) $(m/s)$.

$a$: gia tốc của vật $(m/s^2)$

Về bản chất, công thức trên được xây dựng từ công thức $S=v_o.t+\frac{1}{2}a.t^2$. Tuy nhiên ta chỉ xét quãng đường vật đi được trong 1s duy nhất. Nên $v_o$ sẽ là vận tốc của vật trước đó 1 giây và thời gian $t$ lúc này bằng đúng 1 giây.