Bài giảng Vật lí 10 - Bài 14: Chuyển động tròn. Lực hướng tâm - Năm học 2022-2023 - Hà Hoàng Nam - Trường THPT Đông Tiền Hải

CHÀO MỪNG CÁC EM ĐẾN VỚI BÀI HỌC HÔM NAY! 
KHỞI ĐỘNG 
Em có nhận xét gì về mặt đường đua trong Hình 21.1? Tại sao người ta phải xây dựng mặt đường ở một số đoạn vòng cung có độ nghiêng so với phương ngang như vậy? 
BÀI 21: 
CHUYỂN ĐỘNG TRÒN. LỰC HƯỚNG TÂM 
NỘI DUNG BÀI HỌC 
1. Lực hướng tâm 
2. Ứng dụng trong thực tế của chuyển động tròn 
1. Lực hướng tâm 
K (Những điều HS đã biết về lực hướng tâm) 
W (Những điều HS muốn biết thêm liên quan đến lực hướng tâm) 
L (Những kiến thức học được về lực hướng tâm) 
 . 
 . 
Bảng KWL 
Cột K 
Theo em, đại lượng nào em đã học sẽ liên quan đến lực hướng tâm ? 
Cột W 
Em muốn biết điều gì về lực hướng tâm? 
Cột W 
Từ định luật II Newton, em hãy cho biết khi một chất điểm có khối lượng m, chuyển động tròn đều với gia tốc hướng tâm thì lực tác dụng lên vật có mối liên hệ như thế nào? 
Dựa vào hình 21.2, em hãy cho biết lực hướng tâm là gì? Công thức tính như thế nào? Phương, chiều ra làm sao? 
Kết quả 
K (Những điều HS đã biết về lực hướng tâm) 
W (Những điều HS muốn biết thêm liên quan đến lực hướng tâm) 
L (Những kiến thức học được về lực hướng tâm) 
- Gia tốc hướng tâm: 
- Định luật II Newton: 
F = m.a 
- Lực hướng tâm là gì? 
- Theo định luật II Newton, vectơ lực hướng tâm có phương, chiều như thế nào? 
- Biểu thức độ lớn của lực hướng tâm là gì? 
- Điều kiện để một vật có thể chuyển động tròn là gì? 
- Lực hướng tâm là hợp lực tác dụng lên vật phải hướng vào tâm của quỹ đạo của vật. 
- Lực hướng tâm có phương dọc theo bán kính, chiều hướng vào tâm quỹ đạo, và được gọi là lực hướng tâm, có độ lớn không đổi và bằng: 
F ht = m.a ht = m. = m. 
- Điều kiện để một vật có thể chuyển động tròn đều là vật phải có lực hướng tâm. 
Thảo luận 1: Trong hệ mặt trời, chuyển động của một số hành tinh như Trái Đất được xem gần đúng là chuyển động tròn đều xung quanh Mặt Trời ( Hình 21.3). Lực nào đóng vai trò là lực hướng tâm trong chuyển động này của Trái Đất? 
Kết quả 
Chuyển động của các hành tinh trong hệ mặt trời được xem gần đúng là chuyển động tròn đều. 
Các hành tinh này có thể chuyển động tròn đều vì các hành tinh chuyển đạo theo quỹ đạo tròn và đi được những cung tròn bằng nhau trong những khoảng thời gian bằng nhau bất kì. 
Lực tác dụng là lực hấp dẫn do Mặt trời tác dụng lên các hành tinh. Lực này đóng vai trò lực hướng tâm. 
Luyện tập 
Vinasat -1 là vệ tinh viễn thông địa tĩnh (có vị trí cố định trong không gian so với Trái Đất) đầu tiên của Việt Nam được phóng vào vũ trụ năm 2008. Biết khối lượng vệ tinh là m = 2,7 tấn và vệ tỉnh có quỹ đạo chuyển động nằm trong mặt phẳng xích đạo cách tâm Trái Đất 42 000 km. Hãy xác định độ lớn lực hướng tâm do Trái Đất tác dụng lên vệ tinh. 
Điều kiện để có vệ tinh địa tĩnh là chu kì quay của vệ tinh đúng bằng chu kì tự quay của Trái Đất là 24 giờ, nên ta có: 
 m. 
= 2,7. .42 000. 
Trả lời 
2. Ứng dụng trong thực tế của chuyển động tròn 
Trường hợp xe chạy theo đường vòng cung trên mặt đường ngang 
Hoàn thành phiếu học tập số 1 
Trả lời 
Câu 1: Nếu trên mặt đường trơn trượt (ma sát giữa mặt đường và các vỏ bánh xe không đáng kể), nếu xe bắt đầu chạy vào đường vòng cung thì xe không thể chuyển động tròn mà sẽ tiếp tục chuyển động thẳng do quán tính. Từ đó có thể bị lêch ra khỏi cung đường và gây tai nạn. 
Câu 2: Có những lực nào tác dụng lên xe: 
Trọng lực thẳng đứng, hướng xuống. 
Phản lực của mặt đường, vuông góc với mặt đường, hướng lên. 
Trả lời 
Câu 3: Điều kiện để xe chạy theo đường vòng cung là: Cần có lực ma sát nghỉ giữa các bánh xe và mặt đường. 
Câu 4: Lực ma sát này luôn có hướng ngược với khuynh hướng chuyển động trượt ra ngoài nên có chiều hướng vào bề lõm của đường tròn. 
Trả lời 
Câu 5: Gọi là hệ số ma sát nghỉ thì lực ma sát nghỉ có độ lớn: 
 . Trong đó, N = P = m.g. 
Theo định luật II Newton, ta có: 
 .m.g = m. Tốc độ giới hạn: v = 
Câu 6: Giải pháp an toàn khi xe chạy theo đường vòng cung mặt đường ngang là giảm tốc độ xe xuống mức giới hạn cho phép. 
Thảo luận 2. Khi ô tô chạy theo đường vòng cung, tài xế cần lưu ý những điều gì để tránh xảy ra tai nạn? 
Trả lời: Khi ô tô chạy theo đường vòng cung, xe có xu hướng trượt ra ngoài. Do đó, tài xế cần chú ý giảm tốc độ và tránh cua gấp để giảm xu hướng trượt ra ngoài. 
Mở rộng 
Khi xe chạy trên đường đèo, trong đường đua có tốc độ cao (Hình 21.5), hoặc mặt đường trơn trượt, lực ma sát giữa các bánh xe và mặt đường không đủ để tạo lực hưởng tâm do phải tồn tại lực hướng tâm để xe có thể thực hiện chuyển động tròn, mặt đường phải được thiết kế nghiêng một góc 0 so với phương ngang để hợp lực hướng vào tâm đường tròn và đóng vai trò lực hướng tâm , bảo đảm cho xe chạy vòng theo quỹ đạo tròn. Dù vậy, tốc độ của xe cũng bị giới hạn để xe không bị trượt ra khỏi cung tròn. 
LUYỆN TẬP 
Câu 1: Chuyển động của Trái Đất quanh Mặt Trời có thể xem như là chuyển động tròn đều vì: 
A. lực hấp dẫn giữa Trái Đất và Mặt Trời có độ lớn đáng kể. 
B. lực hấp dẫn giữa Trái Đất và Mặt Trời có độ lớn rất nhỏ. 
C. lực hấp dẫn giữa Trái Đất và Mặt Trời là lực hướng tâm, có độ lớn không đổi. 
D. vectơ vận tốc của Trái Đất luôn không đổi 
LUYỆN TẬP 
Câu 2. Để một vật có khối lượng bằng 12 kg chuyển động tròn đều trên quỹ đạo có bán kinh 0,4 m với tốc độ 8 m/s thì lực hướng tâm phải có độ lớn gần nhất với giá trị nào sau đây 
A. 3,8.10 3 N 
B. 9,6.10 2 N 
C. 1,9.10 3 N 
D. 3,8.10 2 N 
LUYỆN TẬP 
Câu 3. Một vật nặng có khối lượng 4 kg được buộc vào đầu một sợi dây dài L =1.2 m. Người ta dùng một máy cơ để quay đầu còn lại của dây sao cho vật nặng chuyển động tròn đều. Biết lực căng tối đa để dây không đứt có giá trị bằng 300 N. Để dây không đứt, vật được phép quay với tốc độ tối đa là 
A. 7,91 vòng/s . 
B. 1,26 vòng/s . 
C. 2,52 vòng/s N 
D. 1,58 vòng/s 
LUYỆN TẬP 
Câu 4 . Xét chuyển động của một con lắc đơn (Hình 21.1) gồm một vật nặng, kích thước nhỏ được treo vào đầu của một sợi dây mảnh, không dãn, có khối lượng không đáng kể. Đầu còn lại của dây treo vào một điểm cố định. Trong quá trình chuyển động của vật nặng trong một mặt phẳng thẳng đứng, tại vị trí nào ta xem có thể xem chuyển động của vật có tính chất tương đương chuyển động tròn đều? 
A.Vị trí 1 . 
C.Vị trí 3 . 
B.Vị trí 2 
D.Vị trí 4 . 
VẬN DỤNG 
Câu 1 : Cho bán kính cung tròn mà xe chạy theo bằng 35,0 m. Hệ số ma sát nghỉ giữa mặt đường và bánh xe bằng 0,523. Xác định tốc độ tối đa để xe có thể đi vào đoạn đường cung tròn an toàn. 
Kết quả: 
Tốc độ tối đa mà xe có thể đi vào đường vòng cung nằm ngang mà vẫn an toàn là: 
v = = 13,39 (m/s) 
VẬN DỤNG 
Câu 2. Khi xe chạy theo đường vòng cung nằm ngang, tốc độ tối đa của xe để giữ an toàn phụ thuộc như thế nào vào ma sát nghỉ và bán kính đường tròn? Tốc độ này có phụ thuộc vào trọng lượng xe hay không? Từ đó hãy đề xuất những yếu tôc quan trọng cần lưu ý khi thiết kế cầu đường có hình vòng cung. 
Khi xe chạy vào đường vòng cung nằm ngang, tốc độ tối đa của xe để giữu an toàn phụ thuộc vào căn bậc hai tích của hệ số ma sát nghỉ và bán kính đường tròn. Khi thiết kế cầu đường có hình vòng cung, cần lưu ý thiết kế sao cho tốc độ an toàn lớn nhất có thể, bằng cách làm đường nhám (tăng hệ số ma sát trượt) và tạo vòng cung lớn (tăng bán kính). 
VẬN DỤNG 
Câu 3: Mô hình đơn giản của nguyên tử hydrogen giả sử rằng ecletron chuyển động tròn đều quanh hạt nhân với tốc độ 2,2.106m/s. Quỹ đạo chuyển động có bán kính bằng 0,53.10-10 m. Hãy tính độ lớn của lực tương tác giữa electron và hạt nhân. 
Trả lời: 
Độ lớn lực tương tác giữa electron và hạt nhân là: 
F = = 9,109. (N) 
HƯỚNG DẪN VỀ NHÀ 
Ôn tập và ghi nhớ kiến thức vừa học 
Hoàn thành bài tập SGK 
Tìm hiểu nội dung bài 22. Biến dạng của vật rắn. Đặc tính của lò xo 
CẢM ƠN CÁC EM ĐÃ 
LẮNG NGHE BÀI GIẢNG!