Vật Lý 10 Cánh diều Bài 1: Chuyển động tròn

- Một vật chuyển động tròn khi nó di chuyển trên một đường tròn

- Ví dụ: Đầu kim đồng hồ chuyển động trên mặt số là chuyển động tròn

Đồng hồ

a. Độ dịch chuyển góc và tốc độ góc

- Giả sử một vật chuyển động trên một đường tròn bán kính r. Trong thời gian t vật đi được quãng đường s. Góc \(\theta \) ứng với cung tròn s mà vật đã đi được kể từ vị trí ban đầu gọi là độ dịch chuyển góc. Độ dịch chuyển góc \(\theta \) được xác định bởi:   

Độ dịch chuyển góc = độ dài cung/ bán kính hay \(\theta  = \frac{s}{r}\)

- Đơn vị của độ dịch chuyển góc là radian, kí hiệu là rad. Nếu \(\theta  = 1\,rad\)

- 1 radian là một góc ở tâm ứng với một cung có độ dài bằng bán kính của đường tròn.

- Đại lượng được xác định bởi độ dịch chuyển góc trong một đơn vị thời gian gọi là tốc độ góc:

Tốc độ góc = Độ dịch chuyển góc/thời gian hay \(\omega  = \frac{\theta }{t}\)

- Trong đó ω là tốc độ góc. Đơn vị của tốc độ góc là radian trên giây (rad/s)

b. Tốc độ và vận tốc của chuyển động tròn đều

- Một vật chuyển động tròn đều khi nó di chuyển trên một đường tròn với tốc độ không đổi, tức là vật dịch chuyển được các cung tròn có số đo góc như nhau sau những khoảng thời gian bằng nhau.

- Tốc độ của chuyển động tròn đều là không đổi nên tốc độ này bằng độ dài đường tròn chia cho thời gian đi hết một vòng:

\(v = \frac{{2\pi r}}{T}\)

Trong đó: r là bán kính của đường tròn.

                T là chu kì (thời gian vật đi hết một vòng)

- Vận tốc của chuyển động tròn tại mỗi điểm trên quỹ đạo có phương tiếp tuyến với quỹ đạo tại điểm đó.

Các mảnh vụn sắt văng ra theo phương tiếp tuyến

c. Liên hệ giữa tốc độ và tốc độ góc

- Tốc độ v của chuyển động tròn phụ thuộc vào hai đại lượng: tốc độ góc ω và khoảng cách r từ vật đến tâm quỹ đạo:

Tốc độ = tốc độ góc × bán kính hay: \(v = \omega .r\)

a. Lực hướng tâm

- Vận tốc của chuyển động tròn đều luôn luôn thay đổi vì hướng liên tục thay đổi, cho dù độ lớn của nó không đổi. Và bởi vì vận tốc liên tục thay đổi, nên chuyển động tròn đều là chuyển động có gia tốc.

- Lực tác dụng lên vật luôn hướng vào tâm quỹ đạo tròn nên được gọi là lực hướng tâm.

- Lực hấp dẫn đóng vai trò lực hướng tâm

Vệ tinh chuyển động tròn đều quanh Trái Đất

b. Gia tốc hướng tâm

- Vật chuyển động tròn đều chịu tác dụng của lực hướng tâm. Theo định luật II Newton lực hướng tâm gây ra gia tốc cho vật, gia tốc này có cùng hướng với hướng của lực hướng tâm, nghĩa là luôn hướng vào tâm của quỹ đạo tròn nên được gọi là gia tốc hướng tâm.  

Gia tốc hướng tâm

- Gia tốc hướng tâm có liên hệ với tốc độ v và bán kính quỹ đạo r theo biểu thức:

\(a = \frac{{{v^2}}}{r}\) hoặc \(a = r.{\omega ^2}\)

c. Lực hướng tâm và một số tình huống chuyển động tròn trong thực tế

- Một vài tình huống chuyển động tròn trong thực tế, trong đó lực hướng tâm không thấy rõ ràng ngay từ đầu và liên quan mật thiết đến mức độ an toàn của chuyển động:

Trong hình trên lực ma sát đóng vai trò lực hướng tâm

Bài tập 1: Một vật chuyển động tròn đều trên quỹ đạo có bán kính xác định. Khi tốc độ dài của vật tăng lên hai lần thì gia tốc như thế nào?

Hướng dẫn giải:

Công thức tính gia tốc hướng tâm: \({a_{ht}} = \frac{{{v^2}}}{r}\)

Khi tốc độ dài tăng 2 lần thì: \(a{'_{ht}} = \frac{{v{'^2}}}{r} = \frac{{{{\left( {2v} \right)}^2}}}{r} = 4\frac{{{v^2}}}{r} = 4{a_{ht}}\)

Bài tập 2: Một đĩa quay đều quanh trục qua tâm O, với vận tốc qua tâm là 300 vòng/phút. Tính tốc độ góc, chu kì, tốc độ dài, gia tốc hướng tâm của 1 điểm trên đĩa cách tâm 10 cm, lấy g = 10 m/s².

Hướng dẫn giải:

Theo bài ra ta có f = 300 vòng/phút \(= \frac{{300}}{{60}}\) = 5 vòng/s.

Vậy tốc độ góc \(\omega \) = 2 f = 10  rad/s.

Chu kỳ quay: T = \(= \frac{1}{f}\) = 0,2 s.

Vận tốc dài \(v = r\omega \) = 3,14 m/s.

Gia tốc hướng tâm: \({a_{ht}} = \frac{{{v^2}}}{r} = 98,6m/{s^2}\)

Sau bài học này, học sinh sẽ nắm được:

- Nêu được định nghĩa radian và biểu diễn được độ dịch chuyển góc theo radian.

- Vận dụng được khái niệm tốc độ góc.

- Vận dụng được biểu thức gia tốc hướng tâm và biểu thức của lực hướng tâm.

- Thảo luận và đề xuất giải pháp an toàn cho một số tình huống chuyển động tròn trong thực tế.

Các em có thể hệ thống lại nội dung kiến thức đã học được thông qua bài kiểm tra Trắc nghiệm Vật Lý 10 Cánh diều Chủ đề 5 Bài 1 cực hay có đáp án và lời giải chi tiết. 

Câu 4-10: Mời các em đăng nhập xem tiếp nội dung và thi thử Online để củng cố kiến thức về bài học này nhé!

Các em có thể xem thêm phần hướng dẫn Giải bài tập Vật Lý 10 Cánh diều Chủ đề 5 Bài 1 để giúp các em nắm vững bài học và các phương pháp giải bài tập.

Mở đầu trang 106 SGK Vật Lý 10 Cánh diều - CD

Câu hỏi 1 trang 106 SGK Vật Lý 10 Cánh diều - CD

Luyện tập 1 trang 107 SGK Vật Lý 10 Cánh diều - CD

Luyện tập 2 trang 107 SGK Vật Lý 10 Cánh diều - CD

Luyện tập 3 trang 108 SGK Vật Lý 10 Cánh diều - CD

Luyện tập 4 trang 108 SGK Vật Lý 10 Cánh diều - CD

Luyện tập 5 trang 108 SGK Vật Lý 10 Cánh diều - CD

Câu hỏi 2 trang 108 SGK Vật Lý 10 Cánh diều - CD

Luyện tập 6 trang 108 SGK Vật Lý 10 Cánh diều - CD

Câu hỏi 3 trang 109 SGK Vật Lý 10 Cánh diều - CD

Câu hỏi 4 trang 109 SGK Vật Lý 10 Cánh diều - CD

Luyện tập 7 trang 110 SGK Vật Lý 10 Cánh diều - CD

Luyện tập 8 trang 110 SGK Vật Lý 10 Cánh diều - CD

Vận dụng 1 trang 110 SGK Vật Lý 10 Cánh diều - CD

Câu hỏi 5 trang 110 SGK Vật Lý 10 Cánh diều - CD

Tìm hiểu thêm trang 111 SGK Vật Lý 10 Cánh diều - CD

Vận dụng 2 trang 112 SGK Vật Lý 10 Cánh diều - CD

Trong quá trình học tập nếu có thắc mắc hay cần trợ giúp gì thì các em hãy comment ở mục Hỏi đáp, Cộng đồng Vật lý HOC247 sẽ hỗ trợ cho các em một cách nhanh chóng!

Chúc các em học tập tốt và luôn đạt thành tích cao trong học tập!