Vật lí 10 Bài 32: Lực hướng tâm và gia tốc hướng tâm
Mục tiêu và kiến thức nền
Nhận biết lực nào tạo gia tốc hướng tâm; giải tình huống quay tròn đơn giản.
Chuẩn bị: đọc đơn vị, đổi đơn vị SI và tính toán với số, vectơ đơn giản.
Gia tốc hướng về tâm
Dù tốc độ không đổi, vận tốc đổi hướng liên tục nên vật có gia tốc. Trong chuyển động tròn đều, gia tốc hướng tâm vuông góc vận tốc và hướng vào tâm. Độ lớn a_ht = v²/r = ω²r. Phải nói rõ giữ v hay giữ ω khi so sánh theo bán kính.
Lực hướng tâm là vai trò của hợp lực
Lực hướng tâm không phải một lực mới để vẽ thêm. Nó có thể do lực căng, ma sát, hấp dẫn hoặc hợp lực của nhiều lực đóng vai trò. Trong hệ quy chiếu quán tính, chiếu phương trình lực theo hướng vào tâm cho ΣF_hướng tâm = mv²/r.
Qua cua cần lực ngang
Xe trên đường ngang cần lực ma sát hướng vào tâm để đổi hướng. Khi lực cần thiết vượt giới hạn ma sát, xe có thể trượt. Trong mô hình đơn giản, v tối đa = √(μgr). Giảm tốc trước khi vào cua giúp giảm nhu cầu lực vì lực tỉ lệ v²; đây là mô hình học tập, không thay hướng dẫn an toàn giao thông.
Công thức và điều kiện áp dụng
Ví dụ có lời giải
Ví dụ 1. Vật buộc dây
Vật 0,2 kg quay trên bàn ngang nhẵn, r = 0,5 m, v = 2 m/s. Trọng lực và lực đỡ cân bằng. Lực căng ngang đóng vai trò hướng tâm: T = 0,2×4/0,5 = 1,6 N.
Ví dụ 2. Tăng tốc độ
Cùng m và r, tăng v từ 10 lên 20 m/s làm lực hướng tâm tăng 4 lần. Nếu giữ v mà tăng r gấp đôi thì lực giảm một nửa; nếu giữ ω thì lực lại tăng gấp đôi.
Lỗi thường gặp
- Không vẽ thêm lực hướng tâm bên cạnh các lực thật.
- Gia tốc hướng tâm vuông góc vận tốc.
- Nêu rõ giữ tốc độ dài hay tốc độ góc khi so sánh.
Tự kiểm tra và vận dụng
Thử trả lời trước khi mở lời giải. Để nhập đáp án, làm từng ý đúng/sai và luyện cả chủ đề, chọn bộ luyện ở cuối bài.
Câu 1. Gia tốc trong chuyển động tròn đều hướng
Xem đáp án và lời giải
Đáp án C. Gia tốc hướng tâm đổi hướng vận tốc, hướng vào tâm đường tròn.
Câu 2. Vật có v = 4 m/s, r = 2 m. Gia tốc hướng tâm bao nhiêu m/s²?
Xem đáp án và lời giải
Đáp án: 8. a = v²/r = 16/2 = 8 m/s².
Câu 3. Xét chuyển động tròn đều.
- Lực hướng tâm là vai trò của hợp lực hướng vào tâm.
- Phải vẽ thêm một lực hướng tâm ngoài mọi lực thật.
- Giữ m,r và tăng v gấp đôi thì F_ht gấp bốn.
- a_ht vuông góc vận tốc.
Xem đáp án và lời giải
a) Đúng. b) Sai: sẽ đếm lực hai lần. c) Đúng do phụ thuộc v². d) Đúng.
Câu 4. Vật 0,5 kg quay r = 1 m với v = 6 m/s. Tính lực hướng tâm.
Xem đáp án và lời giải
F_ht = mv²/r = 0,5×36/1 = 18 N.
Câu 5. Xe qua cua ngang r = 40 m, μ = 0,25, g = 10 m/s². Theo mô hình ma sát giới hạn, tính tốc độ tối đa.
Xem đáp án và lời giải
mv²/r ≤ μmg nên v ≤ √(μgr) = √100 = 10 m/s = 36 km/h. Giả sử đường ngang và không có lực ngang khác.
Câu 6. Dây giữ vật quay tròn trên bàn ngang nhẵn bị đứt. Ngay sau đó vật chuyển động theo hướng nào?
Xem đáp án và lời giải
Ngay sau khi đứt, vật có vận tốc theo tiếp tuyến tại điểm đứt. Khi không có lực ngang, vật tiếp tục thẳng theo tiếp tuyến, không bay theo bán kính.
Sơ đồ ghi nhớ
- Vẽ lực thật
- Chọn chiều vào tâm
- ΣF_tâm = mv²/r
- Kiểm giới hạn lực
Học tiếp và luyện tập
Biên soạn: Gia Sư SV.