Người ta phóng vệ tinh nhân tạo của Trái Đất là vì lực hấp dẫn giữa nó và Trái đất là lực hướng tâm.
Vậy Lực hướng tâm là gì ? Gia tốc lực hướng tâm là gì? Công thức tính độ lớn lực hướng tâm như thế nào?
Mời các em cùng DapAnHay nghiên cứu nội dung của Bài 32: Lực hướng tâm và gia tốc hướng tâm môn Vật Lý 10 chương trình SGK Kết nối tri thức để tìm ra câu trả lời nhé!
- Dùng một sợi dây nhẹ không dãn buộc vào một cái tẩy. Quay dây sao cho cái tẩy chuyển động tròn trong mặt phẳng nằm ngang có tâm là đầu dây mà tay giữ (Hình 32.1).
Hình 32.1
- Lực (hay hợp lực) tác dụng lên vật chuyển động tròn đều hướng vào tâm quỹ đạo gọi là lực hướng tâm.
- Trong chuyển động tròn đều, lực hướng tâm gây gia tốc hướng vào tâm nên gia tốc này được gọi là gia tốc hướng tâm, kí hiệu là aht:
\({a_{ht}} = \frac{{{v^2}}}{r} = {\omega ^2}.r\) (32.1)
- Để tính độ lớn của gia tốc hướng tâm ta sử dụng công thức gia tốc:
\(\overrightarrow a = \frac{{\Delta \overrightarrow v }}{{\Delta t}}\)
Hình 32.2
- Khi vật chuyển động tròn đều từ A đến B trong thời gian \({\Delta t}\) thì độ dịch chuyển của vật là vectơ \(\overrightarrow {AB} \) (Hình 32.2a), có độ lớn là: d= v. \({\Delta t}\).
- Gọi VA và VB là các vectơ vận tốc tức thời tại A và B. Vì chuyển động là tròn đều nên các vectơ này có độ lớn không đổi, chỉ thay đổi về hướng. Sự thay đổi về hướng được biểu diễn bằng vectơ \(\Delta \overrightarrow v = {\overrightarrow v _B} - {\overrightarrow v _A}\) (Hình 32.2b).
- Tam giác AOB ở Hình 32.2a và tam giác EAC ở Hình 32.2b là hai tam giác cân đồng dạng nên:
\(\frac{{\Delta v}}{v} = \frac{{AB}}{r} \to \frac{{\Delta v}}{v} = \frac{{v.\Delta t}}{r}\)
- Suy ra: \({a_{ht}} = \frac{{\Delta v}}{{\Delta t}} = \frac{{{v^2}}}{r}\)
Vì \(v = \omega .r\) nên: \({a_{ht}} = \frac{{{v^2}}}{r} = {\omega ^2}.r\)
- Theo định luật 2 Newton và công thức tính độ lớn của gia tốc hướng tâm ở trên ta có công thức tính độ lớn lực hướng tâm:
\({F_{ht}} = m.{a_{ht}} = \frac{{m{v^2}}}{r} = m.{\omega ^2}.r\) (32.2)
Ví dụ về lực hướng tâm: Một vật nhỏ buộc vào đầu một sợi dây, nếu quay đều và nhanh, sợi dây gần như quay trong mặt phẳng nằm ngang (Hình 32.3). Nếu quay đều và chậm, sợi dây quét thành một mặt nón (Hình 32.4).
Bài 1: Tại sao Trái Đất chuyển động quanh Mặt Trời? Tại sao trên những đoạn đường vòng thường phải hạn chế tốc độ của xe và mặt đường thường phải nghiêng về phía tâm?
Hướng dẫn giải
+ Trái Đất chuyển động quanh Mặt Trời là nhờ sức kéo từ trọng lực của Mặt Trời.
+ Trên những đoạn đường vòng thường phải hạn chế tốc độ của xe và mặt đường thường phải nghiêng về phía tâm vì như vậy thì phương tiện tham gia giao thông sẽ giữ được cân bằng và lực li tâm khi rẽ.
Bài 2: Xe đạp của một vận động viên chuyển động thẳng đều với v = 36km/h. Biết bán kính của lốp bánh xe là 40cm. Tính tốc độ góc và gia tốc hướng tâm tại một điểm trên lốp bánh xe.
Hướng dẫn giải
Vận tốc xe đạp cũng là tốc độ dài của một điểm trên lốp xe:
v = 36km/h = 10m/s
Tốc độ góc: \(\omega = \frac{v}{r} = \frac{{10}}{{0,4}} = 25{\rm{r}}a{\rm{d}}/s\)
Gia tốc hướng tâm tại một điểm trên lốp bánh xe là:
\({a_{ht}} = \frac{{{v^2}}}{r} = 250m/{s^2}\)
Bài 3: Một ô tô khối lượng 2,5 tấn chuyển động qua một cầu vượt với vận tốc không đổi là 54 km/h. Cầu vượt có dạng một cung tròn, bán kính 100 m. Tính áp lực của ô tô lên cầu tại điểm cao nhất của cầu. Lấy g = 9,8 m/s2.
Hướng dẫn giải
Ta có:
R = 100 m
m = 2500 kg
v = 15 m/s
Khi ô tô đến điểm cao nhất thì một phần của trọng lực đóng vai trò là lực hướng tâm.
Chọn chiều dương hướng vào tâm.
Áp dụng định luật II Niuton ta có:
\(\overrightarrow N + \overrightarrow P = m{\overrightarrow a _{ht}}\) (*)
Chiếu phương trình (*) lên chiều dương ta được:
\(P - N = {F_{ht}} \Rightarrow N = P - {F_{ht}}\)
Tại điểm cao nhất lực ép của xe lên cầu là:
\(N = mg - \frac{{m{v^2}}}{R} = 2500.9,8 - \frac{{{{2500.15}^2}}}{{100}} = 18875N\)
Sau bài học này, học sinh có thể:
- Phát biểu được định nghĩa và viết được biểu thức tính lực hướng tâm.
- Giải thích được vai trò của lực hướng tâm trong chuyển động tròn của các vật.
- Chỉ ra được lực hướng tâm trong một số trường hợp cụ thể (đơn giản).
- Giải thích được chuyển động văng ra khỏi quỹ đạo tròn của một số vật
Các em có thể hệ thống lại nội dung kiến thức đã học được thông qua bài kiểm tra Trắc nghiệm Vật Lý 10 KNTT Bài 32 cực hay có đáp án và lời giải chi tiết.
So sánh số chỉ của lực kế trong thang máy với trọng lượng của vật ta có thể biết được:
Điều nào sau đây là đúng khi nói về lực tác dụng lên vật chuyển động tròn đều?
Một vật khối lượng m đặt trên đĩa quay đều với vận tốc góc . Vật đã vạch nên đường tròn bán kính R Nếu đứng trên hệ qui chiếu gắn với vật ta thấy vật nằm yên. Vậy lực quán tính có hướng và độ lớn là:
Câu 4-10: Mời các em đăng nhập xem tiếp nội dung và thi thử Online để củng cố kiến thức về bài học này nhé!
Các em có thể xem thêm phần hướng dẫn Giải bài tập Vật Lý 10 KNTT Bài 32để giúp các em nắm vững bài học và các phương pháp giải bài tập.
Giải câu hỏi 1 trang 123 SGK Vật Lý 10 Kết nối tri thức - KNTT
Giải câu hỏi 2 trang 123 SGK Vật Lý 10 Kết nối tri thức - KNTT
Giải câu hỏi 1 trang 124 SGK Vật Lý 10 Kết nối tri thức - KNTT
Giải câu hỏi 2 trang 124 SGK Vật Lý 10 Kết nối tri thức - KNTT
Giải câu hỏi 3 trang 124 SGK Vật Lý 10 Kết nối tri thức - KNTT
Hoạt động 1 trang 125 SGK Vật Lý 10 Kết nối tri thức - KNTT
Giải câu hỏi 1 trang 125 SGK Vật Lý 10 Kết nối tri thức - KNTT
Giải câu hỏi 2 trang 125 SGK Vật Lý 10 Kết nối tri thức - KNTT
Hoạt động 2 trang 125 SGK Vật Lý 10 Kết nối tri thức - KNTT
Trong quá trình học tập nếu có thắc mắc hay cần trợ giúp gì thì các em hãy comment ở mục Hỏi đáp, Cộng đồng Vật lý DapAnHay sẽ hỗ trợ cho các em một cách nhanh chóng!
Chúc các em học tập tốt và luôn đạt thành tích cao trong học tập!
-- Mod Vật Lý 10 DapAnHay
So sánh số chỉ của lực kế trong thang máy với trọng lượng của vật ta có thể biết được:
Điều nào sau đây là đúng khi nói về lực tác dụng lên vật chuyển động tròn đều?
Một vật khối lượng m đặt trên đĩa quay đều với vận tốc góc . Vật đã vạch nên đường tròn bán kính R Nếu đứng trên hệ qui chiếu gắn với vật ta thấy vật nằm yên. Vậy lực quán tính có hướng và độ lớn là:
Trong một thang máy có đặt một lực kế bàn, một người đứng trên bàn của lực kế. Trọng lượng thực của người này là P. Trong trường hợp thang máy đi xuống nhanh dần đều, giá trị đọc được trên lực kế sẽ
Dùng một lực kế đặt trong thang máy, vật có khối lượng m treo vào lực kế. Nhìn số chỉ lực kế thay đổi ta có thể biết được
Hai quả cầu m1 = 3m2 nối với nhau bằng dây dài l= 12cm có thể chuyển động không ma sát trên một trục nằm ngang qua tâm của hai quả cầu. Cho hệ quay đều quanh trục thẳng đứng. Biết hai quả cầu đứng yên không trượt trên trục ngang. Tìm khoảng cách từ hai quả thứ 2 cầu đến trục quay là:
Hai quả cầu m1 = 3m2 nối với nhau bằng dây dài l= 16cm có thể chuyển động không ma sát trên một trục nằm ngang qua tâm của hai quả cầu. Cho hệ quay đều quanh trục thẳng đứng. Biết hai quả cầu đứng yên không trượt trên trục ngang. Tìm khoảng cách từ hai quả cầu đến trục quay lần lượt là:
Hai quả cầu m1 = 2m2 nối với nhau bằng dây dài l= 12cm có thể chuyển động không ma sát trên một trục nằm ngang qua tâm của hai quả cầu. Cho hệ quay đều quanh trục thẳng đứng. Biết hai quả cầu đứng yên không trượt trên trục ngang. Tìm khoảng cách từ quả cầu thứ nhất đến trục quay:
Một người dùng dây OA = 2,2m buộc vào một hòn đá tại A và quay tròn trong mặt phẳng thẳng đứng quanh tâm O. Khi dây bị đứt, hòn đá bay thẳng đứng lên trên, và tại lúc sắp đứt gia tốc toàn phần của hòn đá nghiêng góc α = 45o với phương thẳng đứng. Hòn đá lên được độ cao nhất bằng bao nhiêu kể từ vị trí dây bị đứt.
Mặt trăng quay 13 vòng quanh trái đất trong 1 năm. Khoảng cách giũa trái đất và mặt trời gấp 390 lần khoảng cách giũa trái đất và mặt trăng. Tính tỉ số khối lượng của mặt trời và trái đất?
1. Lực nào sau đây làm cái tẩy chuyển động tròn?
- Trọng lực tác dụng lên cái tẩy.
- Lực cản của không khí.
- Lực căng dây hướng vào tâm quỹ đạo của cái tẩy.
2. Nếu cái tẩy đang chuyển động mà ta buông tay ra thì:
- Cái tẩy tiếp tục chuyển động tròn.
- Cái tẩy sẽ rơi xuống đất theo phương thẳng đứng.
- Cái tẩy văng theo phương tiếp tuyến với quỹ đạo theo hướng vận tốc tại điểm đó.
3. Lực nào duy trì chuyển động tròn của Trái Đất xung quanh Mặt Trời?
Tìm thêm ví dụ về lực hướng tâm.
Tính gia tốc hướng tâm của một vệ tinh nhân tạo chuyển động tròn đều quanh Trái Đất với bán kính quỹ đạo là 7 000 km và tốc độ 7,57 km/s.
Tính gia tốc hướng tâm của Mặt Trăng trong chuyển động quay quanh Trái Đất (coi Mặt Trăng chuyển động tròn đều quanh Trái Đất). Biết khoảng cách từ Mặt Trăng đến tâm Trái Đất là 3,84.108 m và chu kì quay là 27,2 ngày.
Kim phút của một chiếc đồng hồ dài 8 cm. Tính gia tốc hướng tâm của đầu kim.
Vẽ hợp lực của lực căng dây \(\overrightarrow T \)và trọng lực \(\overrightarrow P \), từ đó xác định lực hướng tâm trong Hình 32.4
Trong trường hợp ở Hình 32.4, dây dài 0,75 m.
a) Bạn A nói rằng: “Tốc độ quay càng lớn thì góc lệch của dây so với phương thẳng đứng cũng càng lớn”. Hãy chững minh điều đó.
b) Tính tần số quay để dây lệch góc α = 600 so với phương thẳng đứng, lấy g = 9,8 m/s2 .
Hình 32.5 mô tả một vệ tinh nhân tạo quay quanh Trái Đất.
a) Lực nào là lực hướng tâm?
b) Nếu vệ tinh trên là vệ tinh địa tĩnh (nằm trong mặt phẳng xích đạo của Trái Đất và có tốc độ góc bằng tốc độ góc tự quay của Trái Đất quanh trục của nó). Hãy tìm gia tốc hướng tâm của vệ tinh. Cho gần đúng bán kính Trái Đất là 6 400 km và độ cao của vệ tinh so với mặt đất bằng 35 780 km.
Hình 32.6 mô tả ô tô chuyển động trên quỹ đạo tròn trong hai trường hợp: mặt đường nằm ngang (Hình 32.6a) và mặt đường nghiêng góc θ (Hình 32.6b). Hãy thảo luận và cho biết:
a) Lực nào là lực hướng tâm trong mỗi trường hợp.
b) Lí do để ở các đoạn đường cong phải làm mặt đường nghiêng về phía tâm.
c) Tại sao các phương tiện giao thông phải giảm tốc khi vào các cung đường tròn?
Họ và tên
Tiêu đề câu hỏi
Nội dung câu hỏi
0 Bình luận
Để lại bình luận
Địa chỉ email của hạn sẽ không được công bố. Các trường bắt buộc được đánh dấu *