Giải bài tập Vật Lý 10 Chân trời sáng tạo Bài 12: Chuyển động của vật trong chất lưu

Trong thực tế, mọi vật rơi luôn chịu lực cản của không khí. Với vật nặng kích thước nhỏ (ví dụ viên bi thép), lực cản này có độ lớn không đáng kể và có thể bỏ qua. Nhưng với các vật kích thước lớn (ví dụ dù lượn), lực cản của không khí có độ lớn đáng kể. Khi này, chuyển động của vật rơi có những tính chất gì?

Dựa vào đồ thị ở Hình 12.2, phân tích tính chất chuyển động của vật trong những khoảng thời gian: từ 0 – t₁ , t₁ – t₂ và từ thời điểm t₂ trở đi.

Quan sát Hình 12.1, vẽ vectơ lực cản của dầu tác dụng lên viên bi và mô tả chuyển động của viên bi khi được thả không vận tốc đầu vào dầu.

Quan sát Hình 12.3, mô tả chuyển động của vận động viên nhảy dù từ khi bắt đầu nhảy khỏi máy bay đến khi chạm đất. Phân tích lực tác dụng lên dù trong từng giai đoạn chuyển động.

Tìm hiểu một số biện pháp thực tiễn giúp giảm lực cản của nước lên cơ thể khi chúng ta bơi.

Thực hiện thí nghiệm thả rơi hai tờ giấy giống nhau như Hình 12.4, trong đó một tờ được vo tròn và một tờ được để phẳng. So sánh chuyển động của hai tờ giấy này và dự đoán nguyên nhân dẫn đến sự khác nhau đó.

Quan sát Hình 12.6, kết hợp với kết quả thí nghiệm nghiên cứu của dự án để chỉ ra khi vật có hình dạng nào thì lực cản không khí lên vật là lớn nhất và nhỏ nhất.

Ngoài các ví dụ được đề cập, hãy tìm hiểu và trình bày ứng dụng của sự tăng hay giảm sức cản không khí theo hình dạng vật trong đời sống. (Gợi ý: Có thể tham khảo các hiện tượng trong Hình 12.7).

Xét một vật rơi trong không khí có đồ thị tốc độ rơi theo thời gian được biểu diễn trong Hình 12.2.

a) Vẽ hình và biểu diễn các lực tác dụng lên vật tại thời điểm t1 , t2 .

b) Xác định độ lớn hợp lực tác dụng lên vật tại thời điểm t2 .

Hãy vẽ lực cản của không khí hoặc nước tác dụng lên các vật trong các trường hợp được mô tả trong Hình 12P.1.

Một con cá hề (Hình 12P.2) đang bơi trong nước chịu tác dụng của lực cản F = 0,65 v (v là tốc độ tức thời tính theo đơn vị m/s). Hãy tính lực tối thiểu để con cá đạt được tốc độ 6 m/s, giả sử con cá bơi theo phương ngang.

Trong các trường hợp sau, trường hợp nào vật chịu tác dụng lực cản của nước?

A. Một chiếc ca nô đang neo đậu tại bến.

B. Bạn An đang tập bơi.

C. Một khúc gỗ đang trôi theo dòng nước chảy nhẹ.

D. Một vật đang nằm lơ lửng cân bằng trong nước.

Các tàu ngầm thường được thiết kế giống với hình dạng của cá heo để

A. giảm thiểu lực cản

B. đẹp mắt

C. tiết kiệm chi phí chế tạo

D. tăng thể tích khoang chứa

Hình dạng nào của vật cho lực cản nhỏ nhất?

A. Khối cầu

B. Hình dạng khí động học

C. Khối lập phương

D. Khối trụ dài

Chọn phát biểu đúng.

A. Độ lớn của lực cản càng lớn khi diện tích mặt cản càng nhỏ.

B. Độ lớn của lực cản không phụ thuộc vào tốc độ của vật.             

C. Vật đi càng nhanh thì lực cản của không khí càng nhỏ.

D. Tờ giấy để phẳng rơi chậm hơn hòn đá khi cùng được thả từ trạng thái nghỉ trong không khí.

Hình 12.1 biểu diễn các lực tác dụng lên quả tennis đang rơi thẳng đứng. Hãy cho biết lực \(\overrightarrow D \) là lực gì. Cho m = 56 g, hãy tính gia tốc của quả tennis.

Xét một viên bi có khối lượng m đang rơi trong không khí. Hãy biểu diễn các lực tác dụng lên viên bi khi viên bi đang rơi đều.

Một số loài chim khi di cư xa thường bay thành từng đàn có hình góc nhọn (Hình 12.2). Tại sao lại có sự sắp xếp như vậy?

Một hòn đá được thả rơi vào chất lỏng. Sau một khoảng thời gian, người ta quan sát thấy hòn đá chuyển động thẳng đều. Khi đó, các lực tác dụng lên vật được biểu diễn như Hình 12.3. Hình 12.3 đã biểu diễn đủ các lực tác dụng lên vật chưa? Nếu chưa, hãy bổ sung và tính độ lớn của lực còn thiếu.

Hãy giải thích tại sao khi xét chuyển động rơi của vật, trong nhiều trường hợp ta chỉ xét tác dụng của trọng lực và lực cản không khí, có thể bỏ qua lực nâng của không khí. So sánh lực nâng của không khí và trọng lượng của một viên bi làm từ lithium nguyên chất để rút ra kết luận. Biết lực nâng của không khí có biểu thức tương tự lực nâng của nước, khối lượng riêng của không khí ở 20⁰C là 1,20 kg/m³, khối lượng riêng của lithium là 530 kg/m³. Tại sao lại chọn lithium là vật liệu so sánh?

Khi một quả cầu chuyển động trong chất lỏng, vật chịu tác dụng của lực cản được gọi là lực nội ma sát. Biểu thức độ lớn của lực nội ma sát được xác định bởi định luật Stokes: \(f = 6\pi .r.v.\eta \), trong đó:

f là lực nội ma sát (N)

r là bán kính quả cầu (m)

v là tốc độ tức thời của quả cầu (m/s)

\(\eta \) là hệ số ma sát nhớt hay độ nhớt của chất lỏng (Pa.s).

Khi chuyển động của quả cầu đạt trạng thái ổn định, quả cầu chuyển động với tốc độ bão hòa được xác định bởi biểu thức: \({v_{bh}} = \frac{{2{r^2}.g.\left( {\sigma - \rho } \right)}}{{9\eta }}\)

Trong đó: v_bh là tốc độ bão hòa (m/s)

g là gia tốc trọng trường (m/s²)

\(\sigma \) là khối lượng riêng của quả cầu (kg/m³)

\(\rho \) là khối lượng riêng của chất lỏng (kg/m³)

Xét một quả cầu đang rơi thẳng đều trong một chất lỏng với các thông số sau:

Đường kính của quả cầu = 3,0 mm.

Khối lượng riêng của quả cầu = 2500 kg/m³

Khối lượng riêng của chất lỏng = 875 kg/m³

Tốc độ bão hòa = 160 mm/s

Biết gia tốc trọng trường là 9,8 m/s². Hãy xác định độ nhớt của chất lỏng và độ lớn của lực nội ma sát tác dụng lên vật đang chuyển động ở tốc độ bão hòa.