Chào các em học sinh thân mến!

Hôm nay, chúng ta sẽ cùng nhau giải một bài tập về động lực học chất điểm, liên quan đến Định luật II Newton và lực ma sát. Đây là một dạng bài khá phổ biến và quan trọng trong chương trình Vật lí lớp 10 của chúng ta. Nào, chúng ta cùng bắt đầu nhé!

—

Đề bài:

Kéo vật m = 1 kg trên mặt phẳng ngang bằng lực kéo cũng nằm ngang F = 4N thì vật chuyển động nhanh dần đều với gia tốc 2,5 m/s². Vậy nếu sau đó dừng tác dụng lực F thì vật chuyển động với gia tốc bằng bao nhiêu m/s²?

Lời giải chi tiết:

Để giải quyết bài toán này, chúng ta sẽ chia thành hai giai đoạn rõ ràng và áp dụng Định luật II Newton cho từng giai đoạn.

Giai đoạn 1: Khi vật chuyển động dưới tác dụng của lực kéo F = 4N

1. Phân tích các lực tác dụng lên vật:

• Lực kéo \(\vec{F}\): Nằm ngang, cùng chiều chuyển động.
• Lực ma sát trượt \(\vec{F}_{ms}\): Nằm ngang, ngược chiều chuyển động.
• Trọng lực \(\vec{P}\): Thẳng đứng, hướng xuống.
• Phản lực \(\vec{N}\): Thẳng đứng, hướng lên (do mặt phẳng tác dụng lên vật).

2. Chọn hệ trục tọa độ:

Chúng ta chọn trục Ox nằm ngang, trùng với phương chuyển động (chiều dương là chiều chuyển động của vật). Trục Oy thẳng đứng, hướng lên.

3. Áp dụng Định luật II Newton:

Theo Định luật II Newton: \(\vec{F}_{hl} = m\vec{a}\)

a) Chiếu lên trục Oy:

Vì vật không chuyển động theo phương thẳng đứng (không bay lên hay lún xuống), nên tổng các lực theo phương Oy bằng 0:

\(N – P = 0 \Rightarrow N = P\)

Mà trọng lực \(\text{P} = mg\). Trong bài này, chúng ta thường lấy \(g = 10 \text{ m/s}^2\) nếu không được cho trước. Tuy nhiên, chúng ta không cần giá trị của \(N\) để tìm \(F_{ms}\) trực tiếp, vì \(F_{ms}\) có thể được tìm từ phương trình theo trục Ox.

b) Chiếu lên trục Ox:

Các lực tác dụng theo phương Ox là lực kéo \(\vec{F}\) và lực ma sát \(\vec{F}_{ms}\). Lực kéo cùng chiều dương, lực ma sát ngược chiều dương.

\(F – F_{ms} = ma_1\)

Thay số vào phương trình:

\(4 – F_{ms} = 1 \text{ kg} \times 2,5 \text{ m/s}^2\)

\(4 – F_{ms} = 2,5\)

Từ đó, ta tính được lực ma sát trượt \(\text{F}_{ms}\):

\(F_{ms} = 4 – 2,5 = 1,5 \text{ N}\)

Kết luận cho giai đoạn 1: Lực ma sát tác dụng lên vật là \(\text{1,5 N}\).

Giai đoạn 2: Sau khi dừng tác dụng lực F (vật vẫn tiếp tục chuyển động)

Khi dừng tác dụng lực kéo \(\text{F}\), vật vẫn đang có vận tốc (do chuyển động nhanh dần đều trước đó). Do có lực ma sát, vật sẽ chuyển động chậm dần đều cho đến khi dừng lại.

1. Phân tích các lực tác dụng lên vật:

• Lực kéo \(\vec{F’}\): Lúc này \(\text{F’ = 0 N}\).
• Lực ma sát trượt \(\vec{F}_{ms}\): Vẫn tồn tại và có độ lớn không đổi (\(\text{1,5 N}\)), ngược chiều chuyển động.
• Trọng lực \(\vec{P}\): Thẳng đứng, hướng xuống.
• Phản lực \(\vec{N}\): Thẳng đứng, hướng lên.

2. Chọn hệ trục tọa độ:

Ta vẫn chọn trục Ox nằm ngang, theo chiều chuyển động ban đầu của vật (chiều dương). Trục Oy thẳng đứng hướng lên.

3. Áp dụng Định luật II Newton:

a) Chiếu lên trục Oy:

Tương tự như trên, \(\text{N – P = 0}\), phương trình này không thay đổi.

b) Chiếu lên trục Ox:

Lúc này, chỉ còn lực ma sát \(\vec{F}_{ms}\) tác dụng theo phương Ox (lực kéo đã bằng 0). Lực ma sát ngược chiều chuyển động (chiều dương).

\(0 – F_{ms} = ma_2\)

Thay số vào phương trình:

\(-1,5 \text{ N} = 1 \text{ kg} \times a_2\)

\(a_2 = -1,5 \text{ m/s}^2\)

4. Giải thích kết quả:

Giá trị gia tốc \(\text{a}_2 = -1,5 \text{ m/s}^2\) cho thấy vật chuyển động chậm dần đều. Dấu âm của gia tốc biểu thị rằng vector gia tốc ngược chiều với vector vận tốc (ngược chiều chuyển động mà ta đã chọn là chiều dương).

Kết luận:

Vậy, nếu sau đó dừng tác dụng lực F, vật sẽ chuyển động với gia tốc là \(-1,5 \text{ m/s}^2\). Điều này có nghĩa là vật sẽ chuyển động chậm dần đều với độ lớn gia tốc là \(\text{1,5 m/s}^2\) theo chiều chuyển động ban đầu.

Chúc các em học tốt!