Chương I: Công thức cộng vận tốc, tính tương đối của chuyển động

Chương I: Công thức cộng vận tốc, tính tương đối của chuyển động

Tính tương đối của chuyển động là tính chất vật lý đặc trưng và gắn liền với mọi vật chuyển động. Tùy thuộc vào hệ quy chiếu gắn với người quan sát mà ta có thể thấy được vận tốc và quĩ đạo chuyển động của vật là khác nhau.

Chương I: Công thức cộng vận tốc, tính tương đối của chuyển độngChương I: Công thức cộng vận tốc, tính tương đối của chuyển động

1/ Tính tương đối của chuyển động
a/ Tính tương đối của vận tốc
Một người lái ô tô cầm một quả bóng trên tay, trong hệ quy chiếu gắn với mặt đường ta thấy quả bóng bay đang chuyển động (v ≠ 0), trong hệ quy chiếu gắn với người ngồi trên xe quả bóng đang đứng yên (v=0)

Bỏ qua các rung lắc nhỏ, trong hệ quy chiếu gắn với người ngồi trên xe, quả bóng được coi là đứng yên

Kết luận 1: vận tốc của vật trong các hệ quy chiếu khác nhau là khác nhau.

b/ Tính tương đối của quĩ đạo chuyển động

Công thức cộng vận tốc, tính tương đối của chuyển độngCông thức cộng vận tốc, tính tương đối của chuyển độngGắn với hệ quy chiếu là xe đang chuyển động, người quan sát ngồi trên xe sẽ thấy quĩ đạo rơi của quả bóng là thẳng đứng xuống dưới
Trong hệ quy chiếu đứng yên gắn với đất, một người quan sát khác đang nhìn thấy quả bóng rơi xuống đất với quĩ đạo là một đường cong.
Công thức cộng vận tốc, tính tương đối của chuyển độngCông thức cộng vận tốc, tính tương đối của chuyển động
Trong hệ quy chiếu gắn với đất, người quan sát thấy quĩ đạo rơi của quả bóng có dạng đường cong​

Người đó tiến hành thả quả bóng xuống mặt đất, trong hệ quy chiếu gắn với xe đang chuyển động, người quan sát thấy quả bóng có quĩ đạo rơi từ trên xuống theo phương thẳng đứng.Gắn với hệ quy chiếu là xe đang chuyển động, người quan sát ngồi trên xe sẽ thấy quĩ đạo rơi của quả bóng là thẳng đứng xuống dướiTrong hệ quy chiếu đứng yên gắn với đất, một người quan sát khác đang nhìn thấy quả bóng rơi xuống đất với quĩ đạo là một đường cong.Trong hệ quy chiếu gắn với đất, người quan sát thấy quĩ đạo rơi của quả bóng có dạng đường cong​

Kết luận 2: hình dạng của quĩ đạo chuyển động trong các hệ quy chiếu khác nhau là khác nhau.

Video thí nghiệm của đại học MIT về tính tương đối của chuyển động

Mô tả thí nghiệm: một ống phóng bóng nhựa đẩy một vật lên cao. Trong hệ quy chiếu gắn với mặt đất người quan sát thấy quĩ đạo của của bóng là một đường cong parabol có đỉnh hướng xuống dưới.

Công thức cộng vận tốc, tính tương đối của chuyển độngCông thức cộng vận tốc, tính tương đối của chuyển động
Hệ quy chiếu gắn với A chuyển động sẽ nhìn thấy quĩ đạo của quả bóng là thẳng, Hệ quy chiếu gắn B đứng yên trên mặt đất sẽ thấy quĩ đạo của quả bóng là đường cong.​

Tuy nhiên trong hệ quy chiếu gắn với ống phóng quả bóng sẽ có quĩ đạo là một đường thẳng đi lên rồi rơi xuống vì nếu không như vậy quả bóng sẽ rơi ra ngoài. Để dễ hình dung bạn có thể xem hình minh họa dưới đâyHệ quy chiếu gắn với A chuyển động sẽ nhìn thấy quĩ đạo của quả bóng là thẳng, Hệ quy chiếu gắn B đứng yên trên mặt đất sẽ thấy quĩ đạo của quả bóng là đường cong.​

2/ Công thức cộng vận tốc:
Để tính được vận tốc của vật trong các hệ quy chiếu khác nhau, các nhà vật lý đưa ra công thức cộng vận tốc được xác định bằng biểu thức

−→

v

13

=

−→

v

12

+

−→

v

23

v13→=v12→+v23→​

Trong đó:

  • số 3: gắn với hệ quy chiếu là các vật đứng yên
  • số 2: gắn với hệ quy chiếu là các vật chuyển động
  • số 1: gắn với vật cần tính vận tốc
  • v12: vận tốc của vật so với hệ quy chiếu chuyển động gọi là vận tốc tương đối
  • v23: vận tốc của hệ quy chiếu chuyển động so với hệ quy chiếu đứng yên gọi là vận tốc kéo theo
  • v13: vận tốc của vật so với hệ quy chiếu chuyển động gọi là vận tốc tuyệt đối.

3/ Bài tập vật lý vận dụng công thức cộng vận tốc
Bài tập 1: Một chiếc thuyền chuyển động trên sông có vận tốc so với bờ là 10m/s, biết vận tốc dòng chảy của nước so với bờ là 2m/s. Tính vận tốc của thuyền so với nước trong hai trường hợp
a/ Thuyền chuyển động xuôi theo dòng nước.
b/ Thuyền chuyển động ngược dòng nước.
Hướng dẫn

  • chọn bờ (3); thuyền (1); dòng nước là (2)
  • Vận tốc của thuyền so với bờ là 10m/s => v13=10m/s
  • Vận tốc của dòng nước so với bờ là 2m/s => v23=2m/s
  • Tính vận tốc của thuyền so với nước => v12=?Công thức cộng vận tốc, tính tương đối của chuyển độngCông thức cộng vận tốc, tính tương đối của chuyển động

ta có: −→v13=−→v12+−→v23v13→=v12→+v23→ => −→v12=−→v13−−→v23v12→=v13→−v23→
Chọn chiều dương là chiều chuyển động của thuyền
a/ v12=v13 – v23=10 – 2=8m/s
b/ v12=v13 – (-v23)=10 + 2=12m/s
Bài tập 2: một chiếc xà lan trôi dọc theo dòng sông với vận tốc 4m/s so với bờ, một người trên xà lan chuyển động đi ngang xà lan với vận tốc 3m/s so với xà lan. Tính vận tốc của người đó so với bờ.
Công thức cộng vận tốc, tính tương đối của chuyển độngCông thức cộng vận tốc, tính tương đối của chuyển động
−→v13=−→v12+−→v23v13→=v12→+v23→
=> v13=√v212+v223=√32+42=5v13=v122+v232=32+42=5