1.1. Tốc độ

– Tốc độ trung bình tính trong một thời gian rất ngắn được gọi là tốc độ tức thời.

– Ví dụ, khi nhìn vào đồng hồ tốc độ trên ô tô, ta không biết tốc độ trung bình của ô tô, mà chỉ biết tốc độ của ô tô đúng lúc ta nhìn vào đồng hồ, tức là tốc độ tức thời của ô tô.

Hình 1.2. Đồng hồ tốc độ trên ô tô

Tốc độ trung bình là đại lượng đặc trưng cho độ nhanh, châm của chuyển động và được tính bằng thương số giữa quãng đường đi được với khoảng thời gian đi hết quãng đường ấy.

b. Đơn vị đo tốc độ

– Quãng đường được đo bằng mét, kí hiệu là m; thời gian được đo bằng giấy, kí hiệu là s. Do đó, tốc độ được tính bằng mét trên giây, kí hiệu là m/s. Có nhiều đơn vị khác cũng được dùng để đo tốc độ. Việc lựa chọn đơn vị phụ thuộc vào tình huống. Có thể đo tốc độ của một con sện bằng đơn vị khác với đơn vị đo tốc độ của một chiếc xe đua.

– Từ địa điểm A đến địa điểm C, xe ô tô phải đi qua địa điểm B (hình 1.3). Độ dài tuyến đường ABC mà xe này đã đi là 7,3 km, độ dài này chính là quãng đường vật đi. Tuy nhiên, khoảng cách từ địa điểm A đến địa điểm C lại nhỏ hơn so với giá trị 7,3 km. Điểm đến của xe cách điểm đầu 4,1 km.

– Để biểu thị rõ xe đã cách vị trí A như thế nào, chúng ta cần thông tin về khoảng cách từ A đến C. Trên hình 1.3, xe đã di chuyển khỏi vị trí A một đoạn là 4,1 km, theo hướng đông bắc. Nói cách khác, độ thay đổi vị trí từ A đến C của xe là 4,1 km.

– Khoảng cách mà vật di chuyển được theo một hướng xác định là độ dịch chuyển.

– Độ dịch chuyển là một đại lượng vectơ. Khi xác định độ dịch chuyển, phải xác định cả độ lớn và hướng của nó. Trong khi đó, quãng đường là đại lượng vô hướng chỉ được đặc trưng bởi độ lớn.

– Trong ví dụ ở hình 1.3, quãng đường đi được ABC (7,3 km) là một đại lượng vô hướng. Độ dịch chuyển AC là một đại lượng vectơ, có độ lớn và hướng xác định.

Hình 1.3. Phân biệt quãng đường và độ dịch chuyển

Độ dịch chuyển là khoảng cách mà vật di chuyển theo một hướng xác định, độ dịch chuyến là một đại lượng vectơ.

– Trong nhiều trường hợp, cần phải biết cả tốc độ và hướng mà vật đang chuyển động. Trong những trường hợp này, ta dùng một đại lượng được gọi là vận tốc. Vận tốc của một vật có thể được coi là tốc độ của nó theo một hướng cụ thể. Vì vậy, giống như độ dịch chuyển, vận tốc là một đại lượng vectơ. Tốc độ là đại lượng vô hướng.

Ví dụ: Nếu hai đoàn tàu cùng chuyển động theo hướng bắc với tốc độ 20 m/s thì chúng có cùng tốc độ 20 m/s và cùng vận tốc 20 m/s theo hướng bắc. Nếu một đoàn tàu đi về phía bắc còn đoàn tàu kia đi về phía nam, thì tốc độ của chúng giống nhau nhưng vận tốc của chúng khác nhau vì hướng chuyển động của chúng khác nhau. Khi nói về vận tốc của một vật nào đó, chúng ta phải xác định hướng mà nó đang chuyển động. Ví dụ, một máy bay đang bay với vận tốc 300 m/s theo hướng đông (hình 1.4).

Hình 1.4. Biểu diễn vận tốc của máy bay đang bay về phía đông với tốc độ 300 m/s

– Nếu biết độ dịch chuyển trong một khoảng thời gian, thì vận tốc được xác định là: Vận tốc = độ dịch chuyển vận tốc : khoảng thời gian dịch chuyển

– Có thể viết công thức xác định vận tốc là  \(\overrightarrow v  = \frac{{\overrightarrow {\Delta d} }}{{\Delta t}}\)

– Từ đây ta thấy, hướng của vận tốc là hướng của độ dịch chuyển. Giá trị v của vận tốc được tính bằng: \(v = \frac{{\Delta d}}{{\Delta t}}\)

– Với \({\Delta d}\) là giá trị độ dịch chuyển, \({\Delta t}\) là khoảng thời gian diễn ra độ dịch chuyển đó.

– Từ biểu thức này, ta cũng có thể nói rằng, vận tốc của một vật đang chuyển động là tốc độ thay đổi độ dịch chuyển. 

– Vận tốc xác định như trên là vận tốc trung bình. Nếu khoảng thời gian là rất ngắn, vận tốc được gọi là vận tốc tức thời.

– Vận tốc cũng được đo bằng đơn vị như đơn vị đo tốc độ.

+ Vận tốc được xác định bằng độ dịch chuyển trên khoảng thời gian thực hiện độ dịch chuyến ấy, vận tốc là một đại lượng vectơ. +  Công thức xác định vận tốc: \(\overrightarrow v  = \frac{{\overrightarrow {\Delta d} }}{{\Delta t}}\)

a. Phương pháp đo tốc độ

– Chúng ta có thể xác định tốc độ của một vật chuyển động bằng cách đo thời gian vật đi giữa hai vị trí xác định và khoảng cách (hay quãng đường giữa chúng.

– Ví dụ, ở một số đường cao tốc, cứ sau một quãng đường cố định, chẳng hạn 2 000 m, lại có một biển báo số điện thoại khẩn cấp. Sử dụng đồng hồ bấm giây, đo thời gian ô tô đi | trên quãng đường này sẽ tính được tốc độ trung bình của ô tô giữa hai vị trí đặt biển báo.

– Trong nhiều trường hợp có thể không đo trực tiếp được quãng đường bằng dụng cụ đo độ dài mà phải qua các bước trung gian.

– Trong xe ô tô, tốc độ xe được xác định qua cảm biến, máy | tính xử lí tín hiệu và hiển thị giá trị trên đồng hồ giúp người lái xe biết tốc độ xe của mình.

b. Đo tốc độ trong phòng thực hành

– Trong phòng thực hành, tốc độ của xe chuyển động thẳng được đo bằng các thiết bị như trình bày sau đây. Có thể vận dụng các cách đo này để đo tốc độ của những chuyển động khác như chuyển động rơi tự do.

– Dùng cổng quang điện và đồng hồ đo thời gian hiện số

– Ở lớp 7, bạn đã học cách đo thời gian vật chuyển động giữa hai vị trí xác định bằng hai cổng quang điện kết hợp với đồng hồ đo thời gian hiện số.

Hình 1.5. Đo tốc độ của xe với một cổng quang điện

– Khỉ tấm chắn sáng bắt đầu chắn chùm tia sáng ở cổng quang điện thì đồng hồ bắt đầu đo thời gian. Ngay khi tâm chắn sáng này không chắn chùm tia sáng nữa thì đồng hồ ngừng đo. Thời gian hiển thị trên đồng hồ là thời gian xe đi hết quãng đường bằng chiều rộng của tấm chắn sáng. Từ các số liệu này có thể tính được tốc độ của xe.

– Dùng xe kĩ thuật số

Hình 1.6. Đo tốc độ của xe (dùng xe kĩ thuật số).

– Trên trục của xe này (hình 1.6) có gắn bộ đo mã hoá (encoder) để đo độ dịch chuyển của xe thông qua tốc độ quay của trục bánh xe trong những khoảng thời gian bằng nhau. Bộ đo thời gian cho phép đặt được độ dài mỗi khoảng thời gian đến 0,01 s. Biết quãng đường xe đi trong mỗi khoảng thời gian đã định trước, ta sẽ xác định được tốc độ chuyển động của xe.