Chuyển động thẳng đều là gì? Đặc điểm và công thức tính?

1. Chuyển động thẳng đều:

1.1. Tốc độ trung bình:

Tốc độ trung bình là một khái niệm rất quan trọng trong vật lý, khoa học và kỹ thuật. Nó cho biết mức độ nhanh chậm của chuyển động của một vật thể trong một khoảng thời gian nhất định. Tốc độ trung bình được tính bằng cách chia quãng đường đi được của vật thể cho thời gian di chuyển của nó. Công thức tính tốc độ trung bình là:

v = d / t

Trong đó:

– v là tốc độ trung bình (đơn vị: m/s)

– d là quãng đường đi được (đơn vị: m)

– t là thời gian di chuyển (đơn vị: s)

Ví dụ, nếu một người đi bộ 2 km trong 30 phút, thì tốc độ trung bình của người đó là:

v = 2 / 0.5 = 4 (m/s)

Tốc độ trung bình giúp chúng ta đánh giá hiệu suất của các quá trình và thiết bị, đo lường kỹ năng của các vận động viên, và đảm bảo an toàn cho các hoạt động hàng ngày.

1.2. Chuyển động thẳng đều là gì?

Chuyển động thẳng đều là một dạng chuyển động cơ bản có quỹ đạo là một đường thẳng và có vận tốc như nhau trên mọi quãng đường bất kì (không xuất hiện gia tốc). Đây là một dạng chuyển động thường gặp trong thực tế, ví dụ như xe đạp, xe máy, xe ô tô chạy trên đường thẳng với vận tốc không đổi.

Đặc điểm của chuyển động thẳng đều là:

– Vật có quãng đường di chuyển bằng nhau trong các khoảng thời gian bằng nhau.

– Vật có vận tốc không đổi, tức là không thay đổi cả phương và độ lớn của vận tốc.

– Vật có gia tốc bằng không, tức là không có lực tác dụng lên vật hoặc lực tác dụng lên vật cân bằng nhau.

– Đồ thị quãng đường theo thời gian của vật là một đường thẳng có hệ số góc bằng vận tốc của vật.

– Đồ thị vận tốc theo thời gian của vật là một điểm nằm trên trục hoành.

1.3. Quãng đường đi được trong chuyển động thẳng đều:

Quãng đường đi được trong chuyển động thẳng đều là một khái niệm quan trọng trong vật lý. Nó cho biết khoảng cách giữa vị trí ban đầu và vị trí cuối cùng của một vật thể chuyển động theo một hướng nhất định với vận tốc không đổi. Công thức tính quãng đường đi được trong chuyển động thẳng đều là:

s = vt

Trong đó s là quãng đường đi được, v là vận tốc của vật thể, và t là thời gian chuyển động.

Ví dụ: Một chiếc xe chạy thẳng đều với vận tốc 60 km/h trong 2 giờ. Quãng đường xe đi được là:

s = 60 x 2 = 120 km

2. Phương trình chuyển động thẳng đều và đồ thị của chuyển động thẳng đều:

2.1. Phương trình chuyển động thẳng đều:

Đó là phương trình biểu diễn sự phụ thuộc của tọa độ của vật theo thời gian trong một dạng chuyển động cơ bản có quỹ đạo là một đường thẳng và có vận tốc như nhau trên mọi quãng đường bất kì (không xuất hiện gia tốc).

Phương trình chuyển động thẳng đều có dạng:

x = xo + v.t

Trong đó:

x: là tọa độ của vật ở thời điểm t

xo: là tọa độ ban đầu của vật ở thời điểm to = 0

v: là vận tốc của vật (hằng số)

t: là thời gian chuyển động

Ví dụ: Một xe ô tô chạy trên một đường thẳng với vận tốc không đổi là 72 km/h. Biết rằng lúc 8 giờ sáng, xe có tọa độ là 10 km. Hỏi lúc 9 giờ sáng, xe có tọa độ bao nhiêu?

Giải:

Theo phương trình chuyển động thẳng đều, ta có:

x = xo + v.t

Thay các giá trị đã biết vào phương trình, ta được:

x = 10 + 72.t

Để tính được tọa độ của xe lúc 9 giờ sáng, ta cần biết thời gian chuyển động của xe từ 8 giờ sáng đến 9 giờ sáng. Thời gian này bằng 1 giờ, hay 1/60 phần của một ngày. Do vận tốc của xe được tính theo km/h, nên ta cần chuyển thời gian này sang giờ, bằng cách nhân với 24. Ta được:

t = 1/60 x 24 = 2/5 (giờ)

Thay vào phương trình, ta được:

x = 10 + 72 x 2/5

x = 10 + 144/5

x = 10 + 28.8

x = 38.8 (km)

Vậy lúc 9 giờ sáng, xe có tọa độ là 38.8 km.

2.2. Đồ thị của chuyển động thẳng đều:

Đồ thị của chuyển động thẳng đều là một đường thẳng có hệ số góc bằng vận tốc của vật. Đồ thị này biểu diễn mối quan hệ giữa quãng đường và thời gian trong chuyển động thẳng đều. Đồ thị có thể được vẽ bằng cách sử dụng một bảng giá trị hoặc một công thức toán học. Đồ thị của chuyển động thẳng đều có những tính chất sau:

– Đồ thị luôn đi qua gốc tọa độ (0, 0), vì khi thời gian bằng 0, quãng đường cũng bằng 0.

– Đồ thị có dạng y = ax, trong đó a là vận tốc của vật, x là thời gian, và y là quãng đường.

– Độ dốc của đồ thị bằng vận tốc của vật, vì độ dốc của một đường thẳng bằng hệ số góc của nó.

– Đồ thị song song với nhau khi hai vật có cùng vận tốc, và cắt nhau khi hai vật có vận tốc khác nhau.

Đồ thị của chuyển động thẳng đều là một đường thẳng xiên lên hoặc xiên xuống, tuỳ thuộc vào chiều và giá trị của vận tốc. Nếu v > 0, tức vật chuyển động cùng chiều dương, thì đồ thị xiên lên. Nếu v < 0, tức vật chuyển động ngược chiều dương, thì đồ thị xiên xuống. Nếu v = 0, tức vật không chuyển động, thì đồ thị nằm ngang.

3. Chuyển động thẳng biến đổi đều và chuyển động thẳng đều khác nhau như thế nào?

Chuyển động thẳng biến đổi đều là gì? Đó là chuyển động có quỹ đạo là đường thẳng và có độ lớn của vận tốc tức thời tăng đều hoặc giảm đều theo thời gian. Chuyển động thẳng biến đổi đều có hai loại: chuyển động thẳng nhanh dần đều và chuyển động thẳng chậm dần đều.

Chuyển động thẳng nhanh dần đều là chuyển động có quỹ đạo là một đường thẳng và có vận tốc tức thời tăng đều theo thời gian. Vận tốc tức thời của vật luôn cùng chiều với vận tốc trung bình. Gia tốc tức thời của vật luôn cùng chiều với vận tốc tức thời.

Chuyển động thẳng chậm dần đều là chuyển động có quỹ đạo là một đường thẳng và có vận tốc tức thời giảm đều theo thời gian. Vận tốc tức thời của vật luôn ngược chiều với vận tốc trung bình. Gia tốc tức thời của vật luôn ngược chiều với vận tốc tức thời.

Chuyển động thẳng biến đổi đều khác chuyển động thẳng đều ở chỗ:

– Chuyển động thẳng biến đổi đều có gia tốc tức thời khác không, còn chuyển động thẳng đều có gia tốc tức thời bằng không.

– Chuyển động thẳng biến đổi đều có vận tốc tức thời biến thiên theo thời gian, còn chuyển động thẳng đều có vận tốc tức thời không biến thiên theo thời gian.

– Chuyển động thẳng biến đổi đều có quãng đường đi trong các khoảng thời gian bằng nhau khác nhau, còn chuyển động thẳng đều có quãng đường đi trong các khoảng thời gian bằng nhau như nhau.

4. Bài tập minh họa:

4.1. Dạng 1 – Cách xác định vận tốc, quãng đường, thời gian trong chuyển động thẳng đều:

Phương pháp:

– Sử dụng công thức trong chuyển động thẳng đều: S = v.t

– Công thức tính tốc độ trung bình:

– Vận tốc trung bình:

Bài tập vận dụng:

Một xe chạy trong 5h. 2h đầu xe chạy với tốc độ trung bình 60 km/h, 3h sau xe chạy với tốc độ trung bình 40 km/h. Tính tốc độ trung bình của xe trong suốt thời gian chuyển động.

Hướng dẫn giải:

Quãng đường đi trong 2h đầu: S1 = v1.t1 = 60.2 = 120 km

Quãng đường đi trong 3h sau: S2 = v2.t2 = 40.3 = 120 km

Tốc độ trung bình của xe trong suốt thời gian chuyển động:

4.2. Dạng 2 – viết phương trình chuyển động thẳng đều:

Phương pháp: 

– Bước 1: Chọn hệ quy chiếu

+ Trục tọa độ Ox Trùng với quỹ đạo chuyển động

+ Gốc tọa độ (Thường gắn với vị trí ban đầu của vật)

+ Gốc thời gian (thường là lúc vật bắt đầu chuyển động)

+ Chiều dương (thường chọn là chiều chuyển động của vật được chọn từ hệ gốc)

– Bước 2: Từ hệ quy chiếu vừa chọn, xác định các yếu tố sau cho mỗi vật:

Tọa độ đầu x0 = ? vận tốc v =( bao gồm cả dấu theo chiều chuyển động của vật) ? Thời điểm đầu t0 = ?

– Bước 3: Thiết lập phương trình của chuyển động cho vật từ các yếu tố đã xác định. Đối với chuyển động thẳng đều, ta có công thức: x = x0 + s = x0 + v(t−t0)

Với những bài toán cho phương trình chuyển động của 2 vật yêu cầu tìm thời gian khi 2 vật bằng nhau thì cho x1 = x2 rồi tìm t.

Bài tập vận dụng:

Một ô tô xuất phát từ A lúc 8 giờ sáng chuyển động thẳng đều tới B lúc 10h30′, khoảng cách từ A đến B là 175 (km ).

a) Tính vận tốc của xe.

b) xe tiếp tục chuyển động thẳng đều đến C lúc 12h30′. Tính khoảng cách từ B đến C.

Hướng dẫn giải:

Chọn hệ trục tọa độ Ox và chiều dương là chiều chuyển động của vật.

a) Ta có:

t0 = 8 am

t = 10h30 am

s = 175 km

vận tốc xe

b) Viết phương trình chuyển động theo công thức : x = SBC = xo + v(t−t0)

Lưu ý chọn nơi xuất phát là B thì xo = 0

t0 = 10h30 vì đi từ B

t = 12h30 và vận tốc giữ nguyên vì chuyển động thẳng đều.

Vậy SBC = 70.(12h30-10h30) = 140 km.

4.3. Vẽ đồ thị của chuyển động thẳng đều:

Phương pháp:

Bước 1: chọn hệ quy chiếu, gốc thời gian và tỉ lệ thích hợp.

Bước 2: Viết phương trình tọa độ của vật, từ đó vẽ đồ thị chuyển động.

Bước 3: Chú ý:

+ Khi v > 0 ⇔ đồ thị hướng lên

+ Khi v < 0 ⇔ đồ thị hướng xuống dưới

+ Khi v = 0 ⇔ đồ thị nằm ngang

+ Khi v1 = v2 ⇔ hai đồ thị song song

+ Hai đồ thị cắt nhau: tọa độ giao điểm cho biết thời điểm và nơi gặp nhau của hai vật chuyển động.

– Các dạng đồ thị:

+ Đồ thị tọa độ theo thời gian trong chuyển động thẳng đều:

+ Đồ thị vận tốc theo thời gian:

Bài tập vận dụng:

Đồ thị chuyển động của hai xe (I), (II) được biểu thị trên hình vẽ. Dựa vào đồ thị:

a) Xác định tính chất chuyển động và đồ thị của mỗi xe.

b) Lập phương trình tọa độ của mỗi xe.

c) Xác định vị trí và thời điểm hai xe gặp nhau.

Hướng dẫn giải:

a) Tính chất chuyển động và tính vận tốc của mỗi xe:

Xe (I): chuyển động thẳng đều

Vận tốc:

Xe (II): chuyển động thẳng đều

Vận tốc:

b) Phương trình toạ độ của hai xe

Xe (I): x1 = 20t

Xe (II): x2 = 20 + 5(t+2)= 30 + 5t

c) Thời điểm và vị trí hai xe gặp nhau:

Từ đồ thị:

+ Hai xe gặp nhau cách gốc tọa độ 40 km

+ Thời điểm hai xe gặp nhau là lúc 2h