Tải bản chuẩn giáo án chuyên đề Vật lí 11 CTST CĐ 1 Bài 4: Thế năng hấp dẫn. Thế hấp dẫn (P1)

HOẠT ĐỘNG CỦA GV – HS

DỰ KIẾN SẢN PHẨM

Nhiệm vụ 1. Nhắc lại về thế năng trọng trường

Bước 1: GV chuyển giao nhiệm vụ học tập:

- GV yêu cầu HS thảo luận theo nhóm đôi, nghiên cứu SCĐ và trả lời các câu hỏi sau:

+ Em hãy nhắc lại khái niệm thế năng trọng trường đã học ở lớp 10.

+ Để năng một vật lên độ cao h, cần tác dụng một lực F cân bằng với trọng lực P thì công mà ta cần thực hiện được xác định như thế nào?

- Sau khi HS trả lời, GV chốt kiến thức về mối liên hệ giữa độ biến thiên thế năng trọng trường của vật và công của trọng lực tác dụng lên vật trong quá trình vật dịch chuyển.

Bước 2: HS thực hiện nhiệm vụ học tập

- HS đọc thông tin SCĐ, ôn tập lại kiến thức đã học và trả lời các câu hỏi mà GV đưa ra.

Bước 3: Báo cáo kết quả hoạt động và thảo luận

- GV mời đại diện 1 – 2 HS trả lời, đưa ra ý kiến của bản thân.

- GV mời HS khác nhận xét, bổ sung.

Bước 4: Đánh giá kết quả, thực hiện nhiệm vụ học tập

- GV đánh giá, nhận xét, tổng kết và chuyển sang nội dung mới.

I. THẾ NĂNG HẤP DẪN CỦA MỘT VẬT TRONG TRƯỜNG HẤP DẪN

1. Thế năng trọng trường

- Độ biến thiên thế năng trọng trường của vật luôn bằng về độ lớn nhưng ngược dấu với công của trọng lực trong quá trình dịch chuyển của vật.

Nhiệm vụ 2. Tìm hiểu về thế năng hấp dẫn

Bước 1: GV chuyển giao nhiệm vụ học tập:

- GV chiếu hình ảnh một vật chuyển động từ vị trí A đến vị trí B trong trường hấp dẫn của Trái Đất (hình 4.1) cho HS quan sát và yêu cầu HS thảo luận theo nhóm đôi, trả lời nội dung Thảo luận 1 (SCĐ – tr22)

Công của lực hấp dẫn do Trái Đất tác dụng lên một vật khi vật này chuyển động từ vị trí A đến vị trí B như trong Hình 4.1 phụ thuộc vào những đại lượng nào và có phụ thuộc vào hình dáng của quỹ đạo hay không?

- Sau khi HS trả lời, GV yêu cầu HS nghiên cứu SCĐ và rút ra được khái niệm thế năng hấp dẫn.

- GV đưa ra khái niệm thế năng hấp dẫn và công thức xác định thế năng hấp dẫn của chất điểm có khối lượng m chuyển động trong trường hấp dẫn cho chất điểm M sinh ra.

- Để củng cố kiến thức, GV yêu cầu HS thảo luận theo nhóm đôi và trả lời nội dung Luyện tập (SCĐ – tr23)

Xét một thiên thạch đang chuyển động xung quanh Trái Đất theo một quỹ đại tròn ở khoảng cách r so với tâm Trái Đất, xem thiên thạch không có chuyển động tự quay. Thiết lập công thức tính động năng, thế năng hấp dẫn và cơ năng của thiên thạch.

Bước 2: HS thực hiện nhiệm vụ học tập

- HS đọc thông tin SCĐ, quan sát hình ảnh, làm việc theo nhóm để hoàn thành nhiệm vụ học tập.

Bước 3: Báo cáo kết quả hoạt động và thảo luận

- GV mời đại diện các nhóm trình bày kết quả thảo luận trước lớp.

*Thảo luận 1 (SCĐ – tr22)

Công của lực hấp dẫn do Trái Đất tác dụng lên một vật khi vật này chuyển động từ vị trí A đến vị trí B như trong hình 4.1 chỉ phụ thuộc vào vị trí A và B, không phụ thuộc vào hình dạng quỹ đạo của vật.

*Luyện tập (SCĐ – tr23)

Ta có thiên thạch đang chuyển động theo quỹ đạo tròn quanh Trái Đất, do đó lực hấp dẫn của Trái Đất tác dụng lên thiên thạch đóng vai trò là lực hướng tâm:

Với M và m lần lượt là khối lượng của Trái Đất và thiên thạch đang xét.

Từ đó, ta rút ra được công thức tính động năng của thiên thạch:

Thế năng của thiên thạch đang xét là thế năng hấp dẫn và được xác định theo công thức:

Suy ra cơ năng của thiên thạch là:

- GV mời các nhóm còn lại nhận xét, góp ý, bổ sung.

Bước 4: Đánh giá kết quả, thực hiện nhiệm vụ học tập

- GV đánh giá, nhận xét, tổng kết lại kiến thức và chuyển sang nội dung mới.

2. Thế năng hấp dẫn

- Thế năng hấp dẫn của một chất điểm có khối lượng m chuyển động trong trường hấp dẫn do chất điểm M (hoặc quả cầu đồng nhất như Trái Đất) sinh ra, được xác định theo công thức:

Với r là khoảng cách từ chất điểm có khối lượng m đến chất điểm có khối lượng M.

Lưu ý: Dấu trừ trong công thức thể hiện tương tác hút của trường hấp dẫn.

HOẠT ĐỘNG CỦA GV – HS

DỰ KIẾN SẢN PHẨM

Nhiệm vụ 1. Tìm hiểu về khái niệm thế hấp dẫn

Bước 1: GV chuyển giao nhiệm vụ học tập:

- GV yêu cầu HS thảo luận theo nhóm đôi, nghiên cứu SCĐ và đưa ra khái niệm và công thức thế hấp dẫn.

- GV yêu cầu HS thảo luận và trả lời nội dung Thảo luận (SCĐ – tr21,22)

2. Dựa vào công thức (4.2), xác định công của lực hấp dẫn của Trái Đất khi dịch chuyển một vật có khối lượng m từ vô cực về một vị trí cách tâm Trái Đất một đoạn r.

3. Từ biểu thức thế hấp dẫn (4.4), rút ra trong trường hợp gần bề mặt Trái Đất, độ biến thiên thế năng hấp dẫn của một vật gần bằng mgΔh với Δh là chênh lệch độ cao của vật.

- Sau khi HS trả lời, GV chiếu hình ảnh đồ thị thế hấp dẫn – khoảng cách của một chất điểm có khối lượng M (hình 4.2) cho HS quan sát.

- GV kết luận về nội dung khái niệm thế hấp dẫn.

Bước 2: HS thực hiện nhiệm vụ học tập

- HS đọc thông tin SCĐ, làm việc theo nhóm để hoàn thành nhiệm vụ học tập.

Bước 3: Báo cáo kết quả hoạt động và thảo luận

- GV mời đại diện các nhóm trình bày kết quả thảo luận trước lớp.

*Thảo luận 2 (SCĐ - tr21)

Công của lực hấp dẫn của Trái Đất khi dịch chuyển một vật có khối lượng m từ vô cực về một vị trí cách tâm Trái Đất một khoảng r là:

*Thảo luận 3 (SCĐ – tr22)

Biết R_TĐ là bán kính Trái Đất, độ biến thiên thế năng hấp dẫn của một vật khi vật di chuyển từ độ cao h₁ đến độ cao h₂ so với bề mặt Trái Đất là:

Do đó,

- GV mời các nhóm còn lại nhận xét, góp ý, bổ sung.

Bước 4: Đánh giá kết quả, thực hiện nhiệm vụ học tập

- GV đánh giá, nhận xét, tổng kết lại kiến thức và chuyển sang nội dung mới.

II. THẾ HẤP DẪN TẠI MỘT ĐIỂM TRONG TRƯỜNG HẤP DẪN

1. Khái niệm thế hấp dẫn

- Thế hấp dẫn tại một điểm trong trường hấp dẫn là đại lượng đặc trưng cho trường hấp dẫn tại điểm đó về thế năng hấp dẫn và được xác định bằng công mà ta cần thực hiện để dịch chuyển một đơn vị khối lượng từ vô cực về điểm đó.

- Trong hệ SI, thế hấp dẫn có đơn vị là J/kg.

Nhiệm vụ 2. Vận dụng biểu thức thế hấp dẫn

Bước 1: GV chuyển giao nhiệm vụ học tập

- GV yêu cầu HS thảo luận theo nhóm đôi, nghiên cứu SCĐ và tự giải lại bài tập Ví dụ (SCĐ – tr22)

Ví dụ 1 (SCĐ – tr22)

Xác định giá trị thế hấp dẫn tại bề mặt Trái Đất và Mặt Trăng, biết khối lượng và bán kính trung bình của Trái Đất và Mặt Trăng lần lượt là: M_TĐ = 5,97.10²⁴ kg, R_TĐ = 6371 km, M_MT = 7,35.10²² kg, R_MT = 1737 km.

Ví dụ 2 (SCĐ – tr22)

Hỏa tinh được xem gần đúng là một quả cầu đồng nhất, có bán kính R₀ = 3,38.10⁶ m. Sự phụ thuộc của thế hấp dẫn vào khoảng cách đến tâm của Hỏa tinh được mô tả trong hình 4.3 khi r > R₀.

a) Dựa vào đồ thị, hãy xác định độ lớn cường độ trường hấp dẫn tại bề mặt của Hỏa tinh.

b) Giả sử một tàu vũ trị được phóng từ bề mặt của Hỏa tinh. Dựa vào đồ thị xác định tốc độ phóng tối thiểu để tàu có thể bay đến vị trí cách tâm Hỏa tinh 5.10⁶ m. Bỏ qua sức cản của không khí.

- GV yêu cầu HS tiếp tục làm việc theo nhóm và trả lời các nội dung Thảo luận 4,5 và Luyện tập (SCĐ – tr22,23,24)

Thảo luận 4 (SCĐ – tr22)

Dựa vào kết quả của Ví dụ 1, giải thích tại sao khi đưa một vật thể lên cao từ bề mặt Trái Đất, ta cần phải sử dụng lượng năng lượng lớn hơn so với từ bề mặt Mặt Trăng.

Thảo luận 5 (SCĐ – tr23)

Thiết lập công thức và tính thế hấp dẫn của Hỏa tinh (trong Ví dụ 2) ứng với vị trí có r = 4.10⁶ m.

Luyện tập (SCĐ – tr24)

Đồ thị trong Hình 4.4 mô tả sự phụ thuộc của thế hấp dẫn vào khoảng cách đến tâm Trái Đất.

a) Dựa vào đồ thị, xác định thế năng hấp dẫn của một vệ tinh nhân tạo có khối lượng 8,2.10² kg đang bay ở quỹ đạo quanh Trái Đất, cách tâm Trái Đất 10⁷ m.

b) Xác định động năng của vệ tinh này, từ đó suy ra tốc độ của nó.

c) Xác định công cần thiết để đưa vệ tinh từ quỹ đạo đang xét lên quỹ đạo cách tâm Trái Đất 2.10⁷ m.

- GV tổng kết về phần vận dụng.

Bước 2: HS thực hiện nhiệm vụ học tập

- HS đọc thông tin SCĐ, làm việc theo nhóm để hoàn thành nhiệm vụ học tập.

Bước 3: Báo cáo kết quả hoạt động và thảo luận

- GV mời đại diện các nhóm trình bày kết quả thảo luận trước lớp.

- GV mời các nhóm còn lại nhận xét, góp ý, bổ sung.

Bước 4: Đánh giá kết quả, thực hiện nhiệm vụ học tập

- GV đánh giá, nhận xét, tổng kết lại kiến thức và chuyển sang nội dung mới.

2. Vận dụng

*Trả lời Ví dụ 1, 2 (SCĐ – tr22)

(Tham khảo lời giải trong SCĐ)

*Trả lời Thảo luận 4 (SCĐ – tr22)

Qua Ví dụ 1 chúng ta thấy thế hấp dẫn ở bề mặt của Trái Đất có độ lớn lớn hơn khoảng 22 lần so cới thế hấp dẫn tại bề mặt của Mặt Trăng. Do đó, ta phải cần năng lượng lớn hơn khi đưa một vật lên cao từ bề mặt của Trái Đất so với về mặt của Mặt Trăng.

*Trả lời Thảo luận 5 (SCĐ – tr23)

Từ đồ thị ta có:  suy ra: GM_HT = 4,3.10¹³ N.m²/kg.

Thế hấp dẫn của Hỏa tinh ứng với vị trí r = 4.10⁶ m có giá trị là:

*Trả lời Luyện tập (SCĐ – tr24)

a) Từ đồ thị, ta có thế hấp dẫn của vệ tinh nhân tạo cách tâm Trái Đất 10⁷ m là -4.10⁷ J/kg. Do đó, thế năng hấp dẫn của vệ tinh nhân tạo cách tâm Trái Đất 10⁷ m là:

b) Lúc này, ta xem như vệ tinh đang chuyển động tròn đều xung quanh Trái Đất. Do đó, lực hấp dẫn đóng vai trò lực hướng tâm:

Động năng của vệ tính là:

Tốc độ của vệ tinh là:

c) Công cần thiết để đưa vệ tinh từ quỹ đạo đang xét lên quỹ đạo cách tâm Trái Đất 2.10⁷ m là:

A = ΔW_thd = mΔø

= 8,2.10².(-2.10⁷ + 4.10⁷)

= 1,64.10¹⁰ J