Lực hấp dẫn là gì? Đặc điểm, cách tính và ví dụ minh họa?

1. Lực hấp dẫn là gì?

Mọi vật trong vũ trụ đều hút nhau với một lực gọi là lực hấp dẫn, hiểu đơn giản là lực hút hai vật về phía nhau, lực làm cho các hành tinh quay xung quanh mặt trời, lực làm cho quả táo rơi xuống đất.

Lực hấp dẫn là lực tác dụng từ xa qua khoảng không gian giữa các vật. Lực hấp dẫn có độ lớn tỷ lệ với khối lượng của chúng, một vật thể có khối lượng càng lớn thì lực hấp dẫn của nó càng mạnh.

Ví dụ:

– Lực hấp dẫn giữa Trái Đất và Mặt Trăng giữ cho Mặt Trăng chuyển động quanh Trái Đất.

– Lực hấp dẫn giữa Mặt Trời và các hành tinh giữ cho các hành tinh chuyển động quanh Mặt Trời.

– Nhờ có lực hấp dẫn mà chúng ta có thể thả một vật như quả cam, chiếc bút, cục đá,.. rơi từ trên cao xuống mặt đất.

Nếu trên Trái Đất không tồn tại lực hấp dẫn sẽ dẫn đến hiện tượng không có trọng lượng, lúc này con người và mọi vật sẽ trôi vô định, nổi lềnh bềnh trong không gian. Không trọng lượng thường xuất hiện ở bên ngoài Trái Đất, nơi mà các nhà du hành di chuyển ra khỏi Trái Đất để tới các vũ trụ khác.

2. Đặc điểm của lực hấp dẫn:

Lực hấp dẫn có những đặc điểm sau đây:

– Lực hấp dẫn là lực hút.

– Lực hấp dẫn có phương là đường thẳng nối tâm của hai vật.

– Trọng tâm của vật là điểm đặt của lực hấp dẫn.

– Độ lớn tỉ lệ thuận với khối lượng của hai vật và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng.

3. Định luật vạn vận hấp dẫn:

3.1. Nội dung định luật vạn vật hấp dẫn:

Định luật vạn vật hấp dẫn của Newton được phát biểu như sau: Mọi hạt đều hút mọi hạt khác trong vũ trụ với một lực tỉ lệ thuận với tích khối lượng của chúng và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa các tâm của chúng.

Ta có hệ thức sau:

F_hd = G.(m₁.m₂/r²).

Trong đó:

– m₁, m₂ : Là khối lượng của hai chất điểm (kg).

– r: là khoảng cách giữa hai chất điểm (m).

– F_hd : Là độ lớn lực hấp dẫn (N).

– G: Là hằng số hấp dẫn có giá trị là 6,67.10^-11 N.m²/kg².

Ví dụ: Hai tàu thủy có khối lượng 40000 tấn ở cách nhau 1 km. Tính lực hấp dẫn giữa chúng.

Giải:

Đổi 40000 tấn = 4.107 kg và 1 km = 1000 m

Áp dụng định luật vạn vật hấp dẫn ta có độ lớn lực hấp dẫn giữa chúng là:

F_hd = G.(m₁.m₂/r²) = 6,67.10^-11.((4.10⁷)².1000²) = 0, 1068 N.

3.2. Điều kiện áp dụng định luật:

Hệ thức trên áp dụng được cho các vật thông thường trong hai trường hợp:

+ Khoảng cách giữa hai vật rất lớn so với kích thước của chúng. Khi đó, vật được coi là hai chất điểm.

+ Các vật đồng chất và có dạng hình cầu. Lúc này, r là khoảng cách giữa hai tâm và lực hấp dẫn nằm trên đường nối tâm.

3.3. Trọng lực là trường hợp riêng của lực hấp dẫn:

Trọng lực mà Trái Đất tác dụng lên một vật là lực hấp dẫn giữa Trái Đất với vật đó. Trọng lực đặt vào một điểm đặc biệt của vật, đó là trọng tâm của vật.

Trường hấp dẫn do Trái Đất tác động lên xung quanh nó gọi là trọng lực.

Độ lớn của trọng lực tính như sau:

P = G.[(m.M)/(R + h)² ].

Trong đó:

m: Khối lượng của vật.

M, R: Khối lượng và bán kính của Trái Đất.

h: Độ cao của vật so với mặt đất.

Nếu vật ở gần mặt đất ta có công thức: g = G.M/R².

Nếu nhiều vật khác nhau lần lượt đặt tại củng một điểm thì trọng trường gây cho chúng cùng một gia tốc rơi tự do như nhau, g là gia tốc trọng trường, đại lượng đặc trưng cho trọng trường tại mỗi điểm.

4. Ứng dụng của định luật vạn vật hấp dẫn:

– Trong thiên văn học:

+ Lực hấp dẫn đóng vai trò là loại lực chi phối chuyển động của mọi thiên thể trong hệ Mặt trời và trong toàn vũ trụ. Nhờ có lực hấp dẫn của Mặt trời nên các hành tinh khác quay quanh Mặt Trời.

+ Nhờ có lực hấp dẫn nên các vật chất gắn kết với nhau giúp hình thành nên Trái Đất, Mặt Trời và các thiên thể khác trong vũ trụ. Nếu không có lực hấp dẫn chúng sẽ tách rời nhau, tồn tại ở các nơi khác nhau, không liên kết với nhau và chúng ta sẽ không có cuộc sống như hiện tại.

+ Lực hấp dẫn còn có tác dụng giữ Mặt Trăng trên quỹ đạo quay quanh Trái Đất. Sự hình thành thủy triều và sự xuất hiện của các hiện tượng thiên nhiên khác mà chúng ta quan sát được cũng là nhờ lực hấp dẫn.

– Trong cuộc sống hàng ngày:

+ Cân đòn : Vật nào có khối lượng lớn hơn thì sẽ bị Trái Đất hút với 1 lực lớn hơn.

+ Các vật dụng như vòi hoa sen, nhảy dù, pháo hoa, đài phun nước,.. cũng nhờ lực hấp dẫn tác động lên.

5. Một số bài tập của lực hấp dẫn:

Bài 1: Chọn câu sai:

A. Trọng lực của vật là lực hút của Trái Đất lên vật.

B. Trọng lượng của vật là tổng hợp của trọng lực và quán tính.

C. Trọng lượng của vật có thể tăng hoặc giảm.

D. Trọng lực luôn hướng xuống và có độ lớn P = mg

Đáp án: B. Trọng lượng của vật là tổng hợp của trọng lực và quán tính.

Bài 2: Chọn phát biểu sai về lực hấp dẫn giữa hai vật:

A. Lực hấp dẫn tăng 4 lần khi khoảng cách giảm đi một nửa.

B. Lực hấp dẫn không đổi khi khối lượng một vật tăng gấp đôi còn lượng vật kia giảm đi một nửa.

C. Rất hiếm khi lực hấp dẫn là lực đẩy.

D. Hằng số hấp dẫn có giá trị như nhau ở cả trên mặt Trái Đất và trên Mặt Trăng.

Đáp án: C. Rất hiếm khi lực hấp dẫn là lực đẩy.

Bài 3: Một quả cam khối lượng m ở tại nơi có gia tốc g. Khối lượng Trái Đất là M. Kết luận nào dưới đây là đúng?

A. Quả cam hút Trái Đất một lực có độ lớn bằng Mg.

B. Quả cam hút Trái Đất một lực có độ lớn bằng mg.

C. Trái Đất hút quả cam một lực bằng Mg.

D. Trái Đất hút quả cam một lực lớn hơn lực mà quả cam hút Trái Đất vì khối lượng Trái Đất lớn hơn.

Đáp án: B. Quả cam hút Trái Đất một lực có độ lớn bằng mg.

Bài 4: Lực hấp dẫn do một hòn đá ở trên mặt đất tác dụng vào Trái Đất thì có độ lớn:

A. Lớn hơn trọng lượng của hòn đá.

B. Nhỏ hơn trọng lượng của hòn đá.

C. Bằng trọng lượng của hòn đá.

D. Bằng 0.

Đáp án: C. Bằng trọng lượng của hòn đá.

Bài 5: Câu nào dưới đây đúng khi nói về lực hấp dẫn do Trái Đất tác dụng lên Mặt Trời và do Mặt Trời tác dụng lên Trái Đất:

A. Hai lực này cùng phương, cùng chiều.

B. Hai lực này cùng chiều, cùng độ lớn.

C. Hai lực này cùng phương, ngược chiều, cùng độ lớn.

D. Phương của hai lực này luôn thay đổi và luôn cùng nhau.

Đáp án: C. Hai lực này cùng phương, ngược chiều, cùng độ lớn.

Bài 6: Lực hút của Trái Đất đặt vào một vật khi vật ở mặt đất là 45N, khi vật ở độ cao h là 5N. Biết bán kính Trái Đất là R. Độ cao của h là:

A. 3R.

B. 2R.

C. 9R.

D. R/3.

Đáp án: B: 2R.

Giải:

Lực hút của Trái Đất lên vật ở độ cao h được xác định bằng công thức:

F_hd = G.[ M.m/(R + h)² ].

=> F_h = G.[ M.m/(R + h)² ] = 5.

F₀ = G.[ M.m/(R + h)² ] = 45

N => (h + R)/R = 3 => h = 2R.

Bài 7: Trái Đất và Mặt Trăng có khối lượng lần lượt là 6.10²⁴ kg và 7,2.10²² kg. Khoảng cách giữa hai tâm của chúng là 380000 km. Cho G = 6,67.10^-11 Nm²/kg². Tính lực hút giữa Trái Đất và Mặt Trăng? Vẽ hình?

A. 10²⁰N.

B. 10²⁰N.

C. 2000N.

D. 200N.

Đáp án: A: 2.10²⁰N.

Giải:

Lực hấp dẫn giữa Trái Đất và Mặt Trăng:

F = G.(m₁.m₂/r²) = 6,67.10^-11 . [6.10²⁴ . 7,2.10²²/(38.10⁷)²  ] = 2.10²⁰N.

Vẽ hình:

Bài 8: Gia tốc của hòn đá ném thẳng lên sẽ:

A. Nhỏ hơn gia tốc của hòn đá ném xuống.

B. Bằng gia tốc của hòn đá ném xuống.

C. Giảm dần.

D. Bằng không khi lên cao tối đa.

Đáp án: B. Bằng gia tốc của hòn đá ném xuống.