Giải chi tiết chuyên đề Vật lí 11 Cánh diều mới Bài 1: Lực hấp dẫn và trường hấp dẫn

Mở đầu: Sống trên Trái Đất, chúng ta được trải nghiệm tác dụng của lực hấp dẫn hằng ngày. Các vật chúng ta cầm thường rơi xuống mặt đất khi ta buông tay. Các vận động viên nhảy dù khi nhảy khỏi máy bay cũng chịu tác dụng bởi lực hút và rơi xuống mặt đất. Bạn có bao giờ tự hỏi, làm thế nào để những con tàu vũ trụ “chống lại” lực hút này của Trái Đất mà bay vào không gian (Hình 1.1)?

Hướng dẫn trả lời: 

Khi con tàu chuyển động với vận tốc đủ lớn nó sẽ chuyển động tròn đều xung quanh quỹ Trái Đất. Lực hấp dẫn của Trái Đất tác dụng lên nó đóng vai trò là lực hướng tâm, giúp cho nó luôn chuyển động tròn đều xung quanh Trái Đất.

I. Lực hấp dẫn của Trái Đất

Câu hỏi 1: Vì sao cùng chịu tác dụng của lực hút Trái Đất, quả táo rơi xuống mặt đất nhưng Mặt Trăng thì không?

Hướng dẫn trả lời: 

Do quả táo có khối lượng nhỏ nên lực hút của Trái Đất tác dụng lên nó đủ gây ra biến đổi chuyển động của nó, do đó nó sẽ rơi xuống mặt đất. Mặt Trăng có khối lượng rất lớn nên lực hấp dẫn của Trái Đất chỉ đóng vai trò là lực hướng tâm giúp cho Mặt Trăng chuyển động tròn xung quanh Trái Đất chứ không làm nó rơi về phía Trái Đất.

II. Định luật vạn vật hấp dẫn

Câu hỏi 2: Vì sao ta không cảm nhận thấy lực hấp dẫn giữa các vật xung quanh trong cuộc sống hằng ngày?

Hướng dẫn trả lời: 

Do độ lớn của lực hấp dẫn giữa các vật xung quanh chúng ta tương đối nhỏ nên chúng ta sẽ không cảm nhận thấy.

Ví dụ 2 chiếc ô tô có khối lượng lần lượt là 1 tấn và 2 tấn, cách nhau 50 m.

Lực hấp dẫn giữa chúng là:

$F_{hd}=G.\frac{m_{1}m_{2}}{r^{2}}=6,67.10^{-11}.\frac{1000.2000}{50^{2}}=5,336.10^{-8}$ N, một con số rất rất nhỏ nên hầu như chúng ra sẽ không cảm nhận thấy được.

Luyện tập 1: Cho biết khối lượng của Trái Đất và Mặt Trăng lần lượt là 5,97.10$^{24}$ kg và 7,37.10$^{22}$ kg. Khoảng cách giữa chúng là 384 400 km. Tính lực hấp dẫn giữa chúng.

Hướng dẫn trả lời: 

Lực hấp dẫn:$F_{hd}=G.\frac{M_{TĐ}.M_{MT}}{r^{2}}=6,67.10^{-11}.\frac{5,97.10^{24}.7,37.10^{22}}{384400000^{2}}\approx 2.10^{20}$

III. Trường hấp dẫn

Câu hỏi 3: Ngoài trường hấp dẫn, bạn đã học về trường nào khác? Nhắc lại tính chất của trường này.

Hướng dẫn trả lời: 

Ngoài trường hấp dẫn thì em đã học về điện trường, từ trường.

- Điện trường là dạng vật chất trong không gian xung quanh điện tích, biểu hiện của nó là tác dụng lực điện lên các điện tích khác đặt trong đó.

- Từ trường là một dạng vật chất trong không gian mà biểu hiện cụ thể của nó là xuất hiện lực từ tác dụng lên dòng điện hay nam châm đặt trong đó.

Luyện tập 2: Lấy ví dụ các hiện tượng trong cuộc sống hằng ngày cho thấy bạn đang sống trong trường hấp dẫn của Trái Đất.

Hướng dẫn trả lời: 

Ví dụ:

- Ném một quả bóng rổ lên cao thì sau đó nó vẫn chuyển động về phía Trái Đất.

- Vận động viên nhảy dù, sau một thời gian sẽ chuyển động về phía Trái Đất.

- Chiếc lá cây sau khi rụng sẽ rơi xuống đất.

…

Câu hỏi 4:

a) Các mũi tên trên đường sức cho biết điều gì?

b) Mật độ các đường sức ở các vùng không gian khác nhau cho biết điều gì?

c) Vì sao nói: Trường hấp dẫn của Trái Đất là trường xuyên tâm?

Hướng dẫn trả lời: 

a) Các mũi tên trên đường sức cho biết hướng của trường hấp dẫn.

b) Mật độ các đường sức ở các vùng không gian khác nhau cho biết độ mạnh yếu của trường hấp dẫn tại các vùng không gian đó. Mật độ càng dày thì trường hấp dẫn càng mạnh, mật độ càng thưa thì trường hấp dẫn càng yếu.

c) Trường hấp dẫn của Trái Đất là trường xuyên tâm vì tất cả các vật có khối lượng đặt trong trường hấp dẫn của Trái Đất đều bị hút về phía tâm Trái Đất, các đường sức biểu diễn trường hấp dẫn đều hướng vào tâm Trái Đất.

Câu hỏi 5: Đặc điểm nào cho biết trường hấp dẫn ở gần bề mặt Trái Đất là trường đều?

Hướng dẫn trả lời: 

Trường hấp dẫn ở gần bề mặt Trái Đất là trường đều vì ở đó có các đường sức song song và cách đều nhau.

Vận dụng: Trạm Vũ trụ quốc tế ISS (International Space Station) là một tổ hợp công trình quốc tế nhằm nghiên cứu không gian trên quỹ đạo tầng thấp của Trái Đất. Trạm có khối lượng 444 615 kg và chuyển động trên quỹ đạo thấp nhất, cách mặt đất 370 km. Tính lực hấp dẫn của Trái Đất tác dụng lên trạm ISS. Biết rằng, Trái Đất có khối lượng 5,97.10$^{24}$ kg và bán kính 6 370 km.

Hướng dẫn trả lời: 

Lực hấp dẫn của Trái Đất tác dụng lên trạm ISS:

$F_{hd}=G.\frac{M_{TĐ}.M_{ISS}}{r^{2}}=6,67.10^{-11}.\frac{5,97.10^{24}.444615}{[(370+6370).10^{3}]^{2}}=3,9.10^{6}$

Tìm hiểu thêm: Có người nhận định rằng: “Các nhà du hành trên trạm Vũ trụ quốc tế ISS ở trạng thái không trọng lượng bởi vì họ đã thoát khỏi trường hấp dẫn của Trái Đất. Hãy nêu quan điểm của bạn về nhận định này.

Hướng dẫn trả lời: 

Quan điểm trên chưa hoàn toàn chính xác.

Vì bất kì vật nào có khối lượng thì đều có trường hấp dẫn, các nhà du hành vũ trụ cũng không phải ngoại lệ. Trạng thái không trọng lượng giống như hiện tượng chúng ta đứng trong thang máy và thang bắt đầu đi xuống với gia tốc đúng bằng gia tốc trọng trường. Khi đó xét hệ quy chiếu quán tính gắn với mặt đất thì người chịu tác dụng của lực F = P - F$_{qt}$ = mg - ma = mg - mg = 0. Do tàu vũ trụ chuyển động quanh Trái Đất với chu kì đúng bằng chu kì tự quay của Trái Đất nên họ sẽ rơi vào trạng thái không trọng lượng như đã nói ở trên.