Tính tương đối của chuyển động – Giải mã bí ẩn Vật lý 10

Chào mừng bạn đến với vatly.edu.vn, nguồn tài liệu chất lượng và đáng tin cậy về vật lý học! Hôm nay, chúng tôi sẽ cùng bạn khám phá một khái niệm quan trọng trong vật lý: Tính tương đối của chuyển động.

Hiểu rõ về tính tương đối của chuyển động không chỉ giúp bạn nắm vững các nguyên lý cơ bản mà còn cung cấp nền tảng vững chắc để giải quyết các bài toán phức tạp trong vật lý. Hãy cùng chúng tôi tìm hiểu chi tiết về các loại hệ quy chiếu, vận tốc tương đối, vận tốc tuyệt đối và cách áp dụng chúng vào thực tế qua bài viết này!

Tính tương đối của chuyển động

Tính tương đối của quỹ đạo

Hình dạng của quỹ đạo chuyển động thay đổi tùy theo hệ quy chiếu. Điều này có nghĩa là quỹ đạo của một vật có tính tương đối.

Ví dụ: Khi trời không có gió, người đứng bên đường sẽ thấy giọt mưa rơi theo một đường thẳng. Tuy nhiên, người ngồi trên ô tô đang di chuyển sẽ thấy giọt mưa rơi theo một quỹ đạo xiên góc.

Tính tương đối của vận tốc

Vận tốc của một vật chuyển động sẽ khác nhau tùy theo hệ quy chiếu. Điều này cho thấy vận tốc cũng có tính tương đối.

Ví dụ: Một hành khách ngồi yên trong toa tàu đang di chuyển với vận tốc 40 km/h. Đối với toa tàu, vận tốc của hành khách là 0. Tuy nhiên, đối với người đứng bên đường, hành khách trên tàu đang di chuyển với vận tốc 40 km/h.

Tìm hiểu về công thức cộng vận tốc

Hệ quy chiếu đứng yên và hệ quy chiếu chuyển động

• Hệ quy chiếu gắn với vật đứng yên được gọi là hệ quy chiếu đứng yên.
• Hệ quy chiếu gắn với vật chuyển động được gọi là hệ quy chiếu chuyển động.

Công thức cộng vận tốc

Vectơ vận tốc tuyệt đối \( \overrightarrow{v_{1,3}} \) bằng tổng vectơ vận tốc tương đối \( \overrightarrow{v_{1,2}} \) và vectơ vận tốc kéo theo \( \overrightarrow{v_{2,3}} \):

\[ \overrightarrow{v_{1,3}} = \overrightarrow{v_{1,2}} + \overrightarrow{v_{2,3}} \]

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.
• Vận tốc tuyệt đối: vận tốc của vật đối với hệ quy chiếu đứng yên.
• Vận tốc tương đối: vận tốc của vật đối với hệ quy chiếu chuyển động.
• Vận tốc kéo theo: vận tốc của hệ quy chiếu chuyển động đối với hệ quy chiếu đứng yên.

Trường hợp 1: \( \overrightarrow{v_{12}} \) cùng phương, cùng chiều \( \overrightarrow{v_{23}}\)

• Về độ lớn: \( v_{13} = v_{12} + v_{23} \)
• Về hướng: \( \overrightarrow{v_{13}} \) cùng hướng với \( \overrightarrow{v_{12}} \) và \( \overrightarrow{v_{23}} \).

Trường hợp 2: \( \overrightarrow{v_{12}} \) cùng phương, ngược chiều \( \overrightarrow{v_{23}} \)

Về độ lớn: \( v_{13} = \left| v_{12} – v_{23} \right| \)

Về hướng: 

• \( \overrightarrow{v_{13}} \) cùng hướng với \( \overrightarrow{v_{12}} \) khi \( v_{12} > v_{23}\).
• \( \overrightarrow{v_{13}} \) cùng hướng với \( \overrightarrow{v_{23}} \) khi \( v_{23} > v_{12}\).

Quãng đường:

\[ s = v_{13} \cdot t \]

Hướng dẫn cách xác định vận tốc tuyệt đối, vận tốc tương đối, vận tốc kéo theo

Bước 1: Xác định các hệ quy chiếu

• Hệ quy chiếu đứng yên là hệ quy chiếu gắn với vật đứng yên.
• Hệ quy chiếu chuyển động là hệ quy chiếu gắn với vật có vật khác chuyển động trong nó.

Bước 2: Gọi tên các vật

• Số 1: vật chuyển động
• Số 2: hệ quy chiếu chuyển động
• Số 3: hệ quy chiếu đứng yên

Bước 3: Xác định các đại lượng

• \( v_{13} \): vận tốc tuyệt đối
• \( v_{12} \): vận tốc tương đối
• \( v_{23} \): vận tốc kéo theo

Bước 4: Vận dụng công thức cộng vận tốc

\[ \overrightarrow{v_{13}} = \overrightarrow{v_{12}} + \overrightarrow{v_{23}} \]

• Khi các vectơ vận tốc cùng chiều: \[ v_{13} = v_{12} + v_{23} \]
• Khi các vectơ vận tốc ngược chiều: \[ v_{13} = v_{12} – v_{23} \]

Quãng đường:

\[ s = v_{13} \cdot t \]

Ví dụ: Một hành khách ngồi trên tàu đang di chuyển với vận tốc \( v_{23} = 60 \, \text{km/h} \) so với mặt đất. Hành khách này đi bộ trên tàu với vận tốc \( v_{12} = 5 \, \text{km/h} \) theo cùng chiều với chiều chuyển động của tàu. Tính vận tốc tuyệt đối của hành khách so với mặt đất.

Giải:

• \( v_{23} = 60 \, \text{km/h} \) (vận tốc của tàu so với mặt đất)
• \( v_{12} = 5 \, \text{km/h} \) (vận tốc của hành khách so với tàu)

Vận tốc tuyệt đối của hành khách so với mặt đất:

\[ v_{13} = v_{12} + v_{23} = 5 + 60 = 65 \, \text{km/h} \]

Nếu hành khách đi bộ ngược chiều với chiều chuyển động của tàu:

\[ v_{13} = v_{23} – v_{12} = 60 – 5 = 55 \, \text{km/h} \]

Kết quả cho thấy sự khác biệt giữa các hệ quy chiếu và cách cộng vận tốc để xác định vận tốc tuyệt đối.

Bài tập ứng dụng về tính tương đối của chuyển động

Bài tập 1: Một người đi bộ với vận tốc 4 km/h trên một con đường thẳng. Cùng lúc đó, một ô tô chạy song song với người đi bộ với vận tốc 60 km/h. Hãy mô tả quỹ đạo của người đi bộ đối với người ngồi trên ô tô và đối với người đứng bên đường.

Lời giải:

• Quỹ đạo đối với người đứng bên đường:

Người đi bộ di chuyển trên một con đường thẳng với vận tốc 4 km/h. Đối với người đứng bên đường, quỹ đạo của người đi bộ là một đường thẳng.

• Quỹ đạo đối với người ngồi trên ô tô:

Đối với người ngồi trên ô tô di chuyển với vận tốc 60 km/h, người đi bộ dường như di chuyển ngược chiều với vận tốc \( 60 – 4 = 56 \) km/h. Vì vậy, quỹ đạo của người đi bộ sẽ là một đường thẳng nhưng với vận tốc ngược chiều 56 km/h so với người ngồi trên ô tô.

Bài tập 2: Một thuyền di chuyển ngược dòng sông với vận tốc 10 km/h so với nước. Nước chảy với vận tốc 2 km/h so với bờ sông. Hãy tính vận tốc của thuyền đối với bờ sông và xác định chiều chuyển động của thuyền.

Lời giải:

• Vận tốc của thuyền so với nước: 10 km/h (ngược dòng).
• Vận tốc của nước so với bờ sông: 2 km/h.

Vận tốc của thuyền so với bờ sông được tính bằng cách cộng vận tốc của thuyền so với nước và vận tốc của nước so với bờ sông (theo chiều ngược lại):

\[ v_{\text{thuyền/bờ}} = v_{\text{thuyền/nước}} – v_{\text{nước/bờ}} \]

\[ v_{\text{thuyền/bờ}} = 10 – 2 = 8 \, \text{km/h} \]

=> Vì vậy, vận tốc của thuyền đối với bờ sông là 8 km/h theo chiều ngược dòng.

Bài tập 3: Một máy bay bay với vận tốc 200 km/h so với không khí. Nếu gió thổi ngược chiều với vận tốc 20 km/h, hãy tính vận tốc của máy bay so với mặt đất.

Lời giải:

• Vận tốc của máy bay so với không khí: 200 km/h.
• Vận tốc của gió ngược chiều so với mặt đất: 20 km/h.

Vận tốc của máy bay so với mặt đất được tính bằng cách trừ vận tốc của gió:

\[ v_{\text{máy bay/mặt đất}} = v_{\text{máy bay/không khí}} – v_{\text{gió/mặt đất}} \]

\[ v_{\text{máy bay/mặt đất}} = 200 – 20 = 180 \, \text{km/h} \]

=> Vì vậy, vận tốc của máy bay so với mặt đất là 180 km/h theo chiều bay của máy bay.

Bài tập 4: Hai xe ô tô chạy ngược chiều nhau trên một đường thẳng. Xe A có vận tốc 50 km/h, xe B có vận tốc 60 km/h. Hãy tính vận tốc của xe B đối với xe A.

Lời giải:

• Vận tốc của xe A: 50 km/h.
• Vận tốc của xe B: 60 km/h.

Khi hai xe chuyển động ngược chiều nhau, vận tốc tương đối của xe B đối với xe A là tổng vận tốc của hai xe:

\[ v_{\text{B/A}} = v_{\text{A}} + v_{\text{B}} \]

\[ v_{\text{B/A}} = 50 + 60 = 110 \, \text{km/h} \]

=> Vì vậy, vận tốc của xe B đối với xe A là 110 km/h.

Hy vọng rằng qua bài viết này, bạn đã nắm vững các khái niệm về tính tương đối của chuyển động, từ hệ quy chiếu đến vận tốc tương đối và tuyệt đối. Những kiến thức này sẽ giúp bạn tiếp cận và giải quyết các bài toán vật lý một cách hiệu quả hơn.

Đừng quên ghé thăm vatly.edu.vn thường xuyên để cập nhật những bài viết mới nhất và bổ ích về vật lý học. Chúng tôi luôn sẵn sàng đồng hành cùng bạn trên con đường khám phá tri thức và chinh phục những thử thách khoa học!