Bài giảng điện tử chuyên đề Vật lí 11 chân trời sáng tạo

CHÀO MỪNG CÁC EM ĐẾN VỚI BÀI HỌC HÔM NAY! 

KHỞI ĐỘNG 

Trong tác phẩm Principia, bên cạnh việc phát triển ba định luật về chuyển động, Newton cũng trình bày những nghiên cứu liên quan đến chuyển động của các hành tinh và Mặt Trăng. Đặc biệt, ông luôn đặt câu hỏi về bản chất của lực tác dụng để giữ cho Mặt Trăng chuyển động trên quỹ đạo gần tròn xung quanh Trái Đất 

Vậy độ lớn, phương và chiều của lực đó có đặc điểm như thế nào? 

BÀI 1: ĐỊNH LUẬT VẠN VẬT HẤP DẪN 

NỘI DUNG BÀI HỌC 

Tương tác giữa trái đất và các vật 

Định luật vạn vật hấp dẫn 

01 TƯƠNG TÁC GIỮA TRÁI ĐẤT VÀ CÁC VẬT 

Ba định luật Kepler về chuyển động của các hành tinh do Johannes Kepler xây dựng vào khoảng thế kỉ XVII. Ba định luật này là cơ sở thực nghiệm quan trọng để Newton thiết lập biểu thức của định luật vạn vật hấp dẫn. 

Hình 1.1. Johannes Kepler (1571 – 1630) 

HOẠT ĐỘNG NHÓM 

Thảo luận 1 (SCĐ – tr5) 

Xét gần đúng chuyển động của Mặt Trăng quanh Trái Đất là tròn đều, hãy xác định phương, chiều và tính toán độ lớn gia tốc của Mặt Trăng. 

Gia tốc của Mặt Trăng khi chuyển động tròn xung quanh Trái Đất có: 

• Điểm đặt: tại tâm Mặt Trăng. 
• Hướng: về tâm Trái Đất. 
• Độ lớn: a_ht=4π^2r/T^2 

Chứng minh công thức xác định độ lớn gia tốc hướng tâm từ các công thức sau: a_ht=v^2/r, T=2π/ω và ω=v/r ; suy ra: T=2πr/v => v=2πr/T 

Thay vào biểu thức tính gia tốc hướng tâm, ta được: a_ht=4π^2r/T^2, với r là khoảng cách từ tâm của Trái Đất đến tâm Mặt Trăng, T là thời gian Mặt Trăng quay một vòng xung quanh Trái Đất. 

THẢO LUẬN  

Bản chất của lực tương tác giữa Trái Đất và Mặt Trăng là gì? 

Nêu một số ví dụ chứng tỏ có sự tương tác giữa Trái Đất và các vật. 

1. TƯƠNG TÁC GIỮA TRÁI ĐẤT VÀ CÁC VẬT

      Theo định luật III Newton, lực do Trái Đất tác dụng lên vật phải bằng lực do vật tác dụng lên Trái Đất. Như vậy, lực này cần tỉ lệ thuận với khối lượng của Trái Đất và vật. Ngoài ra, các tính toán của Newton cho thấy lực này tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách từ tâm của Trái Đất đến tâm của vật. Do đó, ta có: 

F=GMm/r^2 

Trong đó: 

r là khoảng cách từ tâm Trái Đất đến tâm của vật. 

M và m lần lượt là khối lượng của Trái Đất và vật. 

G là hằng số tỉ lệ, được gọi là hằng số hấp dẫn, có giá trị được xác định từ thực nghiệm vào khoảng 6,67.10-11 N.m2.kg2. 

02 ĐỊNH LUẬT VẠN VẬT HẤP DẪN 

THẢO LUẬN NHÓM 

Lực hấp dẫn do vật A tác dụng lên vật B có phương, chiều như thế nào? 

Lực hấp dẫn giữa hai điểm A và B được xác định bởi công thức nào? 

Biểu diễn lực hấp dẫn giữa hai chất điểm trên hình vẽ. 

1. Nội dung định luật

Lực hấp dẫn giữa hai chất điểm A, B tỉ lệ thuận với tích hai khối lượng mA, mB của chúng và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách r giữa chúng. 

F=Gm_Am_B/r^2 

Lực hấp dẫn do vật A tác dụng lên vật B có điểm đặt tại vật B, luôn có phương nằm trên đường thẳng nối AB, chiều hướng về vật A và có độ lớn được xác định theo công thức F=Gm_Am_B/r^2. 

Lực hấp dẫn giữa hai chất điểm A, B 

Theo Newton, định luật vạn vật hấp dẫn có thể áp dụng vào trường hợp nào? 

2. Điều kiện áp dụng

- Định luật vạn vật hấp dẫn có thể được áp dụng cho tương tác giữa: 

Hai vật được coi là chất điểm. 

Hai vật không được coi là chất điểm nhưng có dạng cầu đồng nhất (có khối lượng phân bố đều). 

Thảo luận 2 (SCĐ – tr6) 

Nêu một số ví dụ những vật trong thực tế có thể xem gần đúng là những quả cầu đồng nhất. 

Trả lời 

Những vật trong thực tế có thể xem gần đúng là những quả cầu đồng nhất: Viên bi ve thủy tinh, viên bi da, Mặt Trăng, Trái Đất, Mặt Trời,… 

Ví dụ (SCĐ – tr7), 

Xét chuyển động của Mặt Trăng quanh Trái Đất, giả sử chuyển động của Mặt Trăng được xem gần đúng là chuyển động tròn đều. Biết hằng số hấp dẫn G=6,67.10^−11N.m^2.kg^−2, khối lượng Trái Đất mTĐ = 5,97.1024 kg và khoảng cách giữa tâm Trái Đất và tâm Mặt Trăng là r = 3,85.108 m. 

1. a) Tính chu kì quay của Mặt Trăng quanh Trái Đất.
2. b) Xét đoạn thẳng nối tâm của Trái Đất và Mặt Trăng, hãy xác định khoảng cách từ Trái Đất đến vị trí mà khi vật đặt tại đó, tổng hợp lực hấp dẫn của Trái Đất và Mặt Trăng tác dụng lên bằng 0.
3. Vận dụng định luật vạn vật hấp dẫn

Ví dụ (SCĐ – tr7) 

Chu kì quay của Mặt Trăng xung quanh Trái Đất: 

T=2πr/v_MT=2π.√r^3/Gm_TĐ 

T=2.3,14.√(3,85.10^8)^3/6,67.10^−11.5,97.10^24 ≈2,4.10^6s. 

3. Vận dụng định luật vạn vật hấp dẫn
4. b) Khi đặt một vật có khối lượng m tại một điểm trong không gian, vật sẽ chịu tác dụng của lực hấp dẫn do Trái Đất và Mặt Trăng tác dụng, lần lượt hướng về tâm của Trái Đất và Mặt Trăng.

Do đó, để vật không còn chịu tác dụng của hai lực hấp dẫn này thì vật phải được đặt tại điểm P trên đoạn thẳng nối tâm và ở giữa Trái Đất và Mặt Trăng. Khi này, lực hấp dẫn của Trái Đất tác dụng lên vật và lực hấp dẫn của Mặt Trăng tác dụng lên vật là cặp lực cân bằng (Hình 1.4). 

1. b) Gọi r là khoảng cách nối tâm của Trái Đất và Mặt Trăng, x là khoảng cách từ điểm P đến tâm Trái Đất. MTĐ và MMT lần lượt là khối lượng của Trái Đất và Mặt Trăng.

Ta có:  

x=r√M_TĐ/√M_TĐ+√M_MT=3,85.10^8.√5.97.10^24/√5.97.10^24+√7,35.10^22≈3,46.10^8m. 

THẢO LUẬN 

...