Giáo án điện tử chuyên đề Vật lí 11 chân trời Bài 4: Thế năng hấp dẫn. Thế hấp dẫn

CHÀO MỪNG CÁC EM

ĐẾN VỚI LỚP HỌC MÔN VẬT LÍ!

KHỞI ĐỘNG

Theo thống kê của Liên minh các nhà khoa học (UCS), đến tháng 1/2021, có khoảng 6 542 vệ tinh đang quay xung quanh Trái Đất, trong đó có khoảng 3 372 vệ tinh đang hoạt động.

Với điều kiện nào khi phóng vệ tinh để nó có thể bay xung quanh Trái Đất?

BÀI 4:

THẾ NĂNG HẤP DẪN. THẾ HẤP DẪN

NỘI DUNG BÀI HỌC

Thế năng hấp dẫn của một vật trong trường hấp dẫn

Thế hấp dẫn tại một điểm trong trường hấp dẫn

Chuyển động trong trường hấp dẫn của Trái Đất

1

2

3

01

1. Thế năng trọng trường

THẢO LUẬN CẶP ĐÔI

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

Để nâng 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?

Gợi ý:

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.

2. Thế năng hấp dẫn

Thảo luận 1 (SGK - tr.20)

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?

Chỉ phụ thuộc vào vị trí A và B.

Không phụ thuộc vào hình dạng

của quỹ đạo.

GHI NHỚ

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

Luyện tập (SGK - tr.23)

Bài giải

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

02

1. Khái niệm thế hấp dẫn

Thảo luận 2 (SGK - tr.21)

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.

Bài giải

Thảo luận 3 (SGK - tr.22)

(4.4)

Bài giải

Do đó,

Sự phụ thuộc của thế hấp dẫn trong trường hấp dẫn của chất điểm có khối lượng M sinh ra có dạng như đồ thị:

►Hình 4.2. Đồ thị của thế hấp dẫn - khoảng cách của một chất điểm có khối lượng M

GHI NHỚ

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.

2. Vận dụng

Ví dụ 1:

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: MTĐ = 5,97.1024 kg, RTĐ = 6371 km, MMT = 7,35.1022 kg, RMT = 1737 km.

Bài giải

HOẠT ĐỘNG NHÓM

Thảo luận 4 (SGK - tr.22)

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.

Do thế hấp dẫn ở bề mặt của Trái Đất có độ lớn lớn hơn khoảng 22 lần so với thế hấp dẫn tại bề mặt của Mặt Trăng.

Ví dụ 2:

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.

▲Hình 4.3. Đồ thị của thế hấp dẫn - khoảng cách trong trường hấp dẫn của Hỏa tinh

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.

▲Hình 4.3. Đồ thị của thế hấp dẫn - khoảng cách trong trường hấp dẫn của Hỏa tinh

Bài giải

a) Ta có:

với m là khối lượng của tàu vũ trụ. Kết hợp với công thức (4.2) ta có:

HOẠT ĐỘNG NHÓM

Thảo luận 5 (SGK - tr.23)

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.

Bài giải

Từ đồ thị ta có:

Luyện tập (SGK - tr.24)

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

• 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.
• Xác định động năng của vệ tinh này, từ đó suy ra tốc độ của nó.
• Xác định công cần thiết để đưa vệ tinh từ quỹ đạo đang xét lên quỹ đạo cách tâm Trái Đất 2.107 m.

Bài giải

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:

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:

03

CHUYỂN ĐỘNG TRONG TRƯỜNG HẤP DẪN CỦA TRÁI ĐẤT

1. Chuyển động của vệ tinh gần bề mặt Trái Đất

a)

b)

▲Hình 4.5. Chuyển động của một vật trong trường hấp dẫn của Trái Đất khi được ném với tốc độ ban đầu: a) nhỏ; b) đủ lớn

HOẠT ĐỘNG NHÓM

Thảo luận 6 (SGK - tr.25)

Dựa vào kiến thức đã học, em hãy xây dựng công thức (4.5).

Gợi ý

Suy ra:

Thảo luận 7 (SGK - tr.25)

Xác định tốc độ quay quanh Trái Đất của vệ tinh Vinasat-1 ở độ cao 35 786 km so với bề mặt Trái Đất.

Bài giải

GHI NHỚ

Xác định tốc độ vũ trụ cấp I đối với Hỏa tinh, biết khối lượng và bán kính trung bình của Hỏa tinh lần lượt là 6,42.1023 kg và 3,38.106 m.

Luyện tập (SGK - tr.25)

Bài giải

2. Vệ tinh địa tĩnh

THẢO LUẬN CẶP ĐÔI

Hãy nêu các đặc điểm của vệ tinh địa tĩnh.

Vệ tinh địa tĩnh được sử dụng trong lĩnh vực nào?

Đứng yên so với một người quan sát trên mặt đất.

Chuyển động cùng chiều với chiều quay của Trái Đất xung quanh trục của nó.

Có cùng chu kì quay với chu kì tự quay xung quanh trục của Trái Đất.

Các đặc điểm của vệ tinh địa tĩnh:

Các đặc điểm của vệ tinh địa tĩnh:

Có quỹ đạo tròn nằm trong mặt phẳng xích đạo của Trái Đất.

Ở độ cao vào khoảng h = 36000 km so với mặt đất.

Vệ tinh địa tĩnh được sử dụng nhiều trong lĩnh vực

--------------- Còn tiếp ---------------