Mục lục bài họcĐang ở d01-b4
← AP Physics 1
0/32 bài đã học xong
Chương 1 · Unit 1 — Kinematics · Bài 4/4 của chương · bài 4/32 của AP Physics 1

Vectors, Reference Frames and Relative Motion

Vectơ, hệ quy chiếu và chuyển động tương đối
← Mục lục bài học
Lý thuyết · English

Scalars, vectors and components

A scalar has only a size (distance, speed, time); a vector has a size and a direction (displacement, velocity, acceleration, force). AP Physics 1 never asks you to add vectors by drawing carefully — it asks you to split them into components and add the components:

$$v_x=v\cos\theta,\qquad v_y=v\sin\theta,\qquad v=\sqrt{v_x^2+v_y^2}$$

The angle in these formulas is always measured from the $x$-axis. If the problem gives an angle from the vertical, swap sine and cosine or, safer, redraw the angle first.

Reference frames

Every velocity is measured relative to something. A passenger walking at $1$ m/s toward the front of a train moving at $30$ m/s has velocity $31$ m/s relative to the ground and $1$ m/s relative to the train. Both are correct; the question is only which frame the question is asking about. The rule is a chain of subscripts:

$$\vec v_{A/C}=\vec v_{A/B}+\vec v_{B/C}$$

Read it as "A relative to C equals A relative to B plus B relative to C". The inner subscripts cancel, exactly like units. In one dimension this is ordinary addition with signs; in two dimensions it is component addition.

The river-crossing problem

A boat that moves at $4$ m/s relative to still water heads straight across a river flowing at $3$ m/s. Relative to the shore its velocity is the vector sum: $4$ m/s across and $3$ m/s downstream, so its speed is $\sqrt{4^2+3^2}=5$ m/s and it drifts. Two facts matter for every version of this problem: the crossing time depends only on the across-stream component ($t=d/4$ here), and the downstream drift is that time multiplied by the current. Pointing the boat partly upstream cancels the drift but lengthens the crossing time, because the across-stream component is now $4\cos\theta \lt 4$.

Giải thích tiếng Việt

Vô hướng chỉ có độ lớn (quãng đường, tốc độ, thời gian); vectơ có độ lớn và hướng (độ dời, vận tốc, gia tốc, lực). Đề AP không bắt vẽ hình cộng vectơ — đề bắt tách thành phần rồi cộng từng thành phần: $v_x=v\cos\theta$, $v_y=v\sin\theta$, với góc $\theta$ luôn đo từ trục $x$. Nếu đề cho góc so với phương thẳng đứng thì phải đổi sin và cos cho nhau — vẽ lại góc trước khi viết công thức là cách an toàn nhất.

Hệ quy chiếu: mọi vận tốc đều đo so với một vật nào đó. Hành khách đi $1$ m/s về phía đầu tàu trên tàu chạy $30$ m/s thì có vận tốc $31$ m/s so với đất và $1$ m/s so với tàu — cả hai đều đúng, vấn đề chỉ là đề hỏi so với cái gì. Quy tắc chuỗi chỉ số dưới: $\vec v_{A/C}=\vec v_{A/B}+\vec v_{B/C}$, chỉ số ở giữa triệt tiêu như đơn vị.

Bài qua sông là dạng chuẩn: thuyền $4$ m/s so với nước, đầu thuyền hướng thẳng sang bờ, nước chảy $3$ m/s. So với bờ, thuyền đi $\sqrt{4^2+3^2}=5$ m/s và bị trôi. Hai điều cần nhớ: thời gian qua sông chỉ phụ thuộc thành phần vuông góc với dòng, còn quãng trôi bằng thời gian đó nhân với vận tốc dòng nước. Hướng mũi thuyền chếch lên thượng nguồn thì hết trôi nhưng qua sông lâu hơn.

bờ trênbờ dưới · dòng chảy sang phải 3 m/s4 m/sso với nước3 m/s (dòng)5 m/s so với bờthời gian qua sông = d / 4quãng trôi = 3 × thời giantam giác 3–4–5 xuất hiện ở đây
Ba vectơ, một tam giác. Mũi tên xanh dương là vận tốc thuyền so với nước (hướng thẳng sang bờ), mũi tên xanh lá là vận tốc dòng nước, mũi tên đỏ là tổng — vận tốc thật so với bờ. Thành phần vuông góc với dòng không bị dòng nước làm chậm, nên thời gian qua sông vẫn là $d/4$ dù thuyền trôi xa.
Ví dụ — thuyền qua sông rộng 100 m

Sông rộng $100$ m, nước chảy $3$ m/s. Thuyền chạy $4$ m/s so với nước, đầu thuyền hướng vuông góc với bờ. (a) Thời gian qua sông? (b) Thuyền cập bờ cách điểm đối diện bao xa? (c) Muốn cập bờ đúng điểm đối diện thì phải hướng mũi thuyền lệch góc bao nhiêu về phía thượng nguồn, và khi đó mất bao lâu?

Giải.

(a) Chọn trục $y$ vuông góc với bờ, trục $x$ theo dòng. Vận tốc so với bờ: $v_y=4$ m/s, $v_x=3$ m/s. Thời gian qua sông chỉ dùng $v_y$:

$$t=\frac{100}{4}=25\ \text{s}$$

(b) Trong $25$ s dòng nước kéo thuyền trôi:

$$x=v_xt=3(25)=75\ \text{m}$$

(c) Để không trôi, thành phần theo dòng của thuyền phải triệt tiêu dòng: $4\sin\theta=3\Rightarrow\sin\theta=0{,}75\Rightarrow\theta\approx48{,}6°$ so với phương vuông góc bờ. Thành phần sang bờ còn $4\cos\theta=\sqrt{4^2-3^2}=\sqrt7\approx2{,}65$ m/s, nên

$$t=\frac{100}{2{,}65}\approx37{,}8\ \text{s}$$

Qua đúng điểm đối diện chậm hơn qua nhanh nhất — hai yêu cầu này không bao giờ cùng đạt được.

Bẫy hay mất điểm — “Nhanh nhất” khác “thẳng nhất”. Thời gian qua sông ngắn nhất khi mũi thuyền vuông góc với bờ (chấp nhận trôi); cập đúng điểm đối diện thì phải chếch lên và đi lâu hơn. Đề hay hỏi một cái, học sinh trả lời cái kia. Vận tốc tương đối là phép trừ vectơ: $\vec v_{A/B}=\vec v_A-\vec v_B$ — hai xe chạy ngược chiều $20$ m/s và $-30$ m/s thì so với nhau là $50$ m/s, không phải $10$. Góc đo từ đâu: đề cho “$30°$ so với phương thẳng đứng” mà vẫn viết $v_x=v\cos30°$ là sai ngay dòng đầu.
Phải nhớ — Vectơ thì tách thành phần rồi cộng từng trục, góc luôn đo từ trục $x$. Vận tốc chỉ có nghĩa khi nói rõ so với cái gì; chuỗi $\vec v_{A/C}=\vec v_{A/B}+\vec v_{B/C}$ giải mọi bài hệ quy chiếu. Bài qua sông: thời gian chỉ do thành phần vuông góc với dòng quyết định, còn dòng nước chỉ làm thuyền trôi. Qua nhanh nhất và qua đúng chỗ là hai bài toán khác nhau.

Đọc xong rồi — làm thử ngay

Bài tập của chương Unit 1 — Kinematics gồm 14 câu trắc nghiệm và 5 đề tự luận. Đáp án hiện ngay khi chọn, miễn phí.

Làm bài tập chương →