Công thức và bài tập lực cản Vật lý lớp 10 hay nhất

1. Khái niệm về lực cản

Lực cản là loại lực chống lại chuyển động hoặc chống lại các tác động làm biến dạng.

Khi một vật thể chuyển động chỉ dưới tác động của trọng lực hoặc tác động của lực đàn hồi (không có lực cản, lực ma sát…) thì động năng và thế năng sẽ có sự biến đổi qua lại, nhưng tổng của chúng tức là cơ năng vẫn luôn được bảo toàn.

Định luật bảo toàn cơ năng chỉ đúng khi vật thể chuyển động chỉ chịu tác động của trọng lực và lực đàn hồi. Nếu vật thể đó còn chịu tác dụng của lực cản hay lực ma sát thì cơ năng của vật đó sẽ biến đổi. Công của lực cản sẽ bằng độ biến thiên của cơ năng.

2. Lực cản phụ thuộc vào các yếu tố nào? 

=> Lực cản của những chất lưu (không khí, nước) sẽ phụ thuộc vào hình dạng và tốc độ của vật thể.

3. Công thức tính lực cản

$A_{Lực cản} = W_2 - W_1 = \alpha W$

Trong đó:

$W_1$ là cơ năng của vật tại vị trí ban đầu (J)

$W_2$ là cơ năng của vật tại vị trí lúc sau (J)

$\alpha W$  là độ biến thiên cơ năng (J)

Đăng ký ngay khóa học DUO để được thầy cô lên lộ trình ôn thi tốt nghiệp ngay từ bây giờ nhé!

4. Kiến thức mở rộng về lực cản

- Công thức tính cơ năng:

$W = Wđ + Wt =  \frac{1}{2} mv^2 + mgh$ 

Trong đó: 

• W là cơ năng của vật thể (J)
• Wđlà động năng của vật (J)
• Wtlà thế năng của vật (J)
• m là khối lượng của vật (kg)
• h là độ cao của vật thể so với gốc thế năng (m)
• v là vận tốc của vật (m/s)

- Công thức tính công: Khi lực cản  không đổi tác dụng lên một vật và điểm đặt của lực đó chuyển dời một đoạn s theo hướng hợp với hướng của lực góc  thì công thực hiện bởi lực cản đó được tính theo công thức:

$A = F_{cản}scos \alpha = -F_{cản}.s$

Trong đó:

• F: Độ lớn lực cản tác dụng (N)
• s: Quãng đường vật dịch chuyển (m)
• A: Công (J). 
• α : góc hợp bởi hướng của lực với hướng chuyển dời của vật

- Từ các công thức trên, ta có thể tính:

• Độ lớn lực cản: $F_{Lực cản}$
• Quãng đường vật dịch chuyển: s

5. Ví dụ minh hoạ cách áp dụng công thức tính lực cản

Một viên đạn khối lượng 14g chuyển động với vận tốc 400 m/s theo phương ngang xuyên qua tấm gỗ dày 5 cm. Vận tốc viên đạn sau khi xuyên qua gỗ là 120 m/s. Tính lực cản trung bình của tấm gỗ tác dụng lên viên đạn?

Lời giải:

Ta có do lực cản sinh công làm biến đổi động năng của vật nên áp dụng định lí biến thiên động năng:

6. Bài tập áp dụng công thức tính lực cản

Bài 1: Một vận động viên nặng 650 N nhảy với vận tốc ban đầu v0 = 2 m/s từ cầu nhảy ở độ cao 10 m xuống nước theo hướng thẳng đứng xuống dưới. Lấy g = 10 m/s2, sau khi chạm nước người đó chuyển động thêm một độ dời 3 m trong nước theo phương thẳng đứng thì dừng. Tính công của lực cản tác dụng lên người đó.

Lời giải:

Chọn gốc thế năng tại mặt phân cách giữa nước và không khí.

Cơ năng của người lúc bắt đầu nhảy là:

$W_{trước} = mgh + \frac{1}{2}m.v_0^2 = 6630 J$

Tại vị trí dừng lại, có tọa độ là $h’ = -3 m$

Cơ năng lúc người đó dừng lại là:

$W_{sau} = - mgh’ = -1950 J$

Độ biến thiên cơ năng: $A_{cản} = ΔW = W_{sau} - W_{trước} = - 8580 J$

Bài 2: Một vật khối lượng 2,5kg rơi thẳng đứng từ độ cao 100m không vận tốc đầu, sau 20s thì chạm đất. Tính lực cản của không khí (coi như không đổi) tác dụng lên vật lấy $g = 10m/s^2$

Lời giải:

$s=0,5at^2\Rightarrow  a=0,5m/s^2$

$P-F_c=ma\Rightarrow  F_c=23,75N$

Bài 3: Từ mặt đất ném một vật khối lượng 5kg lên cao theo phương thẳng đứng. Thời gian đạt độ cao cực đại là $t_1$ và thời gian trở lại mặt đất là $t_2$. Biết $t_1=\frac{t_2}{2}$

Tính lực cản của không khí (xem như không đổi) cho $g = 10m/s^2$

Lời giải:

Khi vật chuyển động đi lên $–P – F_c = ma_1 => a_1 = -g –F_c/m$

Gọi $v_o$ là vận tốc lúc ném lên và s là độ cao cực đại vật đạt được:

=> $-v_o^2=2as\Rightarrow v_o=\sqrt{2s(g+\frac{F_c}{m})}$

=> $t_1=\frac{-v_o}{a_1}=\frac{2s}{v_o}$

Khi vật chuyển động đi xuống $P – F_c= ma_2$ => $a_2 = g – \frac{F_c}{m}$

$t_2=\sqrt{\frac{2s}{a_2}}$

$t_1=\frac{t_2}{2}\Rightarrow F_c=30N$

Bài 4: Một quả cầu khối lượng m = 1kg, bán kính r = 8cm. Tìm vận tốc rơi cực đại của quả cầu. Biết rằng lực cản của không khí có biểu thức $F = kSv^2$ hệ số k = 0,024

Lời giải:

Bài 5: Hai quả cầu đồng chất giống nhau về mặt hình học nhưng làm bằng vật liệu khác nhau. Khối lượng riêng của các quả cầu là D1; D2. Hai quả cầu đều rơi trong không khí. Giả sử lực cản của không khí tỉ lệ với bình phương các vận tốc, hãy xác định tỉ số giữa các vận tốc cực đại của các quả cầu.

Lời giải:

Qua bài viết này, VUIHOC mong rằng có thể giúp các em hiểu được phần nào kiến thức về lực cản. Để học nhiều hơn các kiến thức Vật lý 10 cũng như Vật lý THPT thì các em hãy truy cập vuihoc.vn hoặc đăng ký khoá học với các thầy cô VUIHOC ngay bây giờ nhé!