Lực hấp dẫn Newton – định luật thay đổi Thế Giới

Chào mừng bạn đến với vatly.edu.vn, ngôi nhà của niềm đam mê vật lý, nơi chúng ta cùng nhau khám phá những bí ẩn của thế giới xung quanh.

Hôm nay, chúng ta sẽ cùng tìm hiểu về một trong những lực cơ bản nhất ảnh hưởng đến mọi thứ xung quanh chúng ta – lực hấp dẫn. Lực hấp dẫn không chỉ giữ chúng ta bám trụ trên mặt đất mà còn là chất kết dính của vũ trụ, từ những hạt bụi bé nhỏ đến những thiên hà khổng lồ.

Khái niệm về lực hấp dẫn

Lực hấp dẫn là một trong bốn lực cơ bản của tự nhiên, được mô tả là lực hút giữa mọi khối lượng trong vũ trụ. Lực này có thể mô tả qua Định luật vạn vật hấp dẫn của Newton, theo đó lực hấp dẫn giữa hai vật thể tỷ lệ thuận với tích của khối lượng của chúng và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa tâm của hai vật thể đó.

Công thức: \(F = G \times \frac{m_1 \times m_2}{r^2}\)

Trong đó:

• F là lực hấp dẫn (N)
• G là hằng số hấp dẫn vũ trụ (\(6.67430 \times 10^{-11} \text{ N m}^2/\text{kg}^2\)) 
• m1, m2 là khối lượng của hai vật (kg)
• r là khoảng cách giữa hai vật (m)

Ví dụ:

• Lực hấp dẫn giữa Trái Đất và Mặt Trời giữ cho Trái Đất quay quanh Mặt Trời.
• Lực hấp dẫn giữa Trái Đất và Mặt Trăng giữ cho Mặt Trăng quay quanh Trái Đất.
• Lực hấp dẫn giữa Trái Đất và các vật thể trên bề mặt khiến chúng rơi xuống đất.

Ai là người đã phát hiện ra lực hấp dẫn? 

Người phát hiện ra lực hấp dẫn và đề xuất lý thuyết toán học đầu tiên mô tả nó là Sir Isaac Newton, một nhà toán học, nhà vật lý, và nhà thiên văn học người Anh. Newton đã công bố phát hiện này trong tác phẩm của mình “Principia Mathematica” vào năm 1687, nơi ông trình bày ba định luật về chuyển động đã định hình cơ học cổ điển và định luật vạn vật hấp dẫn. Phát hiện này đã cách mạng hóa cách con người hiểu về vũ trụ và là một trong những thành tựu quan trọng nhất trong lịch sử khoa học.

Tìm hiểu đặc điểm của lực hấp dẫn 

Đặc điểm: 

• Lực hấp dẫn là lực hút, luôn hướng về tâm của mỗi vật.
• Lực hấp dẫn là lực tác dụng từ xa, có thể tác dụng qua khoảng không gian.
• Lực hấp dẫn là lực yếu so với các lực khác trong tự nhiên.
• Lực hấp dẫn luôn tồn tại giữa bất kỳ hai vật nào có khối lượng.

Ví dụ về đặc điểm:

• Khi ta thả một quả táo, nó rơi xuống đất do lực hấp dẫn của Trái Đất.
• Mặc dù Mặt Trăng cách Trái Đất rất xa, nhưng nó vẫn quay quanh Trái Đất do lực hấp dẫn.
• Lực hấp dẫn giữa hai con kiến ​​là rất yếu, vì vậy chúng ta không thể nhận ra.

Định luật vạn vật hấp dẫn

Định luật vạn vật hấp dẫn, được Sir Isaac Newton đề xuất vào cuối thế kỷ 17, là một trong những đột phá lớn nhất trong lịch sử khoa học. Định luật này mô tả lực hấp dẫn tồn tại giữa tất cả các vật thể có khối lượng trong vũ trụ.

Nội dung của định luật vạn vật hấp dẫn

Định luật này phát biểu rằng mỗi vật thể trong vũ trụ thu hút mỗi vật thể khác bằng một lực hấp dẫn. Lực hấp dẫn này tỷ lệ thuận với tích của khối lượng của hai vật thể và tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa tâm của chúng. Điều này có nghĩa là lực hấp dẫn tăng lên khi khối lượng tăng và giảm đi khi khoảng cách giữa các vật thể tăng lên.

Phương trình của định luật vạn vật hấp dẫn

Phương trình toán học biểu diễn định luật vạn vật hấp dẫn của Newton là: 

\(F = G \times \frac{m_1 \times m_2}{r^2}\)

Trong đó: 

• F là lực hấp dẫn giữa hai vật thể (Newton, N),
• G là hằng số hấp dẫn phổ quát, có giá trị khoảng \(6.674 \times 10^{-11} \text{ m}^3/\text{kg s}^2\)
  
• m1 và m2 là khối lượng của hai vật thể (kilogram, kg)
• r là khoảng cách giữa tâm của hai vật thể (mét, m)

Ứng dụng của định luật vạn vật hấp dẫn

Thiên văn học

• Định luật vạn vật hấp dẫn giải thích chuyển động của các hành tinh quay quanh Mặt Trời. Lực hấp dẫn giữa Mặt Trời và các hành tinh giữ cho chúng di chuyển theo quỹ đạo hình elip.
• Định luật này cũng giúp dự đoán vị trí của các hành tinh trong tương lai, điều quan trọng cho việc nghiên cứu thiên văn học và lập kế hoạch cho các sứ mệnh vũ trụ.

Thủy triều

• Lực hấp dẫn của Mặt Trời và Mặt Trăng tác động lên Trái Đất tạo ra hiện tượng thủy triều.
• Dự đoán thời gian và độ cao của thủy triều là ứng dụng quan trọng trong lĩnh vực hàng hải, đánh bắt cá và du lịch.

Trọng lực

• Lực hấp dẫn giữa Trái Đất và các vật thể khác là trọng lực.
• Trọng lực là yếu tố quan trọng cho nhiều hoạt động trên Trái Đất như: Giữ cho chúng ta không bay vào không gian, cho phép các vật thể rơi xuống đất hoặc xác định trọng lượng của các vật thể.

Vệ tinh nhân tạo

• Định luật vạn vật hấp dẫn được sử dụng để tính toán quỹ đạo cho các vệ tinh nhân tạo.
• Vệ tinh nhân tạo được sử dụng cho nhiều mục đích như: Truyền thông, dự báo thời tiết, giám sát môi trường, định vị GPS.

Bài tập ứng dụng về lực hấp dẫn và định luật vạn vật hấp dẫn

Trắc nghiệm

Câu 1: Phát biểu nào sau đây là đúng về lực hấp dẫn?

A. Lực hấp dẫn là lực hút giữa hai vật có khối lượng.

B. Lực hấp dẫn tỉ lệ thuận với tích hai khối lượng của hai vật.

C. Lực hấp dẫn tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa hai vật.

D. Cả A, B và C đều đúng.

Đáp án: D

Câu 2: Định luật vạn vật hấp dẫn được phát biểu bởi nhà khoa học nào?

A. Isaac Newton

B. Albert Einstein

C. Galileo Galilei

D. Michael Faraday

Đáp án: A

Câu 3: Biểu thức của lực hấp dẫn giữa hai vật là gì?

A. \(F = \frac{G \cdot (m1 \cdot m2)}{r}\)

B. \(F = \frac{G \cdot (m1 + m2)}{r}\)

C. \(F = \frac{G \cdot (m1 \cdot m2)}{r^2}\)

D. \(F = \frac{G \cdot (m1 + m2)}{r^2}\)

Đáp án: A

Câu 4: Gia tốc trọng trường tại một điểm là gì?

A. Là gia tốc của một vật rơi tự do tại điểm đó.

B. Là lực hấp dẫn của Trái Đất tác dụng lên một vật có khối lượng 1 kg tại điểm đó.

C. Là đại lượng cho biết mức độ mạnh yếu của trọng trường tại điểm đó.

D .Cả A, B và C đều đúng.

Đáp án: D

Câu 5: Một vật có khối lượng 5kg đặt ở độ cao 10m so với mặt đất. Trọng lượng của vật là bao nhiêu?

A. 5 N

B. 49 N

C. 98 N

D. 147 N

Đáp án:

Câu 6: Hai quả cầu có cùng khối lượng, đặt cách nhau 1m. Lực hấp dẫn giữa hai quả cầu là 6,67.10^(-11) N. Khối lượng mỗi quả cầu là bao nhiêu?

A. 1kg

B. 10kg

C. 100kg

D. 1000kg

Đáp án: A

Câu 7: Một con tàu vũ trụ có khối lượng 1 tấn bay ở độ cao 200 km so với mặt đất. Lực hấp dẫn giữa con tàu và Trái Đất là bao nhiêu?

A. 980 N

B. 490 N

C. 245 N

D. 122,5 N

Đáp án: D

Câu 8: Một người có khối lượng 60 kg đứng trên mặt đất. Lực hấp dẫn giữa người đó và Trái Đất là bao nhiêu?

A. 588 N

B. 589 N

C. 590 N

D. 591 N

Đáp án: A

Câu 9: Một vệ tinh có khối lượng 100kg bay quanh Trái Đất ở độ cao 200 km. Chu kỳ quay của vệ tinh là bao nhiêu?

A. 5040 s

B. 5050 s

C. 5060 s

D. 5070 s

Đáp án: B

Câu 10: Một quả cầu có khối lượng 1 kg được đặt trên mặt trăng. Trọng lượng của quả cầu trên mặt trăng là bao nhiêu?

A. 9,8 N

B. 1,6 N

C. 0,16 N

D. 0,016 N

Đáp án: C

Tự luận

Bài tập 1: Bài 1: Hai quả cầu có khối lượng lần lượt là 20 kg và 50 kg đặt cách nhau 10 m. Tính lực hấp dẫn giữa hai quả cầu.

Lời giải:

Áp dụng định luật vạn vật hấp dẫn, ta có: \(F = G \times \frac{m_1 \times m_2}{r^2}\)

Thay số vào công thức, ta được:  6,674 * 10^-11 * 100 * 200 / 10^2 = 1,3348 * 10^-6 N

F = 6,67430 x 10^-11 * (20 * 50) / 10^2 = 6,67430 x 10^-9 N

=> Vậy lực hấp dẫn giữa hai quả cầu là 6,67430 x 10^-9 N.

Bài tập 2: Một vật có khối lượng 1kg đặt trên mặt đất. Tính lực hấp dẫn giữa vật và Trái Đất.

Lời giải:

Áp dụng định luật vạn vật hấp dẫn, ta có: \(F = G \times \frac{m_1 \times m_2}{r^2}\)

Thay số vào công thức, ta được: 

F = 6,67430 x 10^-11 * (1 * 5,97237 x 10^24) / (6,371 x 10^6)^2 = 9,807 N

=> Vậy lực hấp dẫn giữa vật và Trái Đất là 9,807 N.

Bài tập 3: Một vệ tinh nhân tạo có khối lượng 100kg bay quanh Trái Đất ở độ cao 200 km. Tính lực hấp dẫn giữa vệ tinh và Trái Đất.

Lời giải:

Áp dụng định luật vạn vật hấp dẫn, ta có: \(F = G \times \frac{m_1 \times m_2}{r^2}\)

Thay số vào công thức, ta được:

F = 6,67430 x 10^-11 * (100 * 5,97237 x 10^24) / (6,571 x 10^6)^2 = 7,453 N

=> Vậy lực hấp dẫn giữa vệ tinh và Trái Đất là 7,453 N.

Bài tập 5: Một vật có khối lượng 5kg đặt trên mặt trăng. Tính gia tốc trọng trường trên mặt trăng.

Lời giải:

Khối lượng của mặt trăng: mM = 7,348 x 10^22 kg

Bán kính mặt trăng: R = 1,737 x 10^6 m

Gia tốc trọng trường trên mặt trăng:

g = G * mM / R^2 = 6,67430 x 10^-11 * (7,348 x 10^22) / (1,737 x 10^6)^2 = 1,62 m/s^2

=> Vậy gia tốc trọng trường trên mặt trăng là 1,62 m/s^2

Bài tập 6: So sánh lực hấp dẫn giữa hai vật có khối lượng 1kg và 2kg đặt cách nhau 1m với lực hấp dẫn giữa hai vật có khối lượng 3kg và 4kg đặt cách nhau 2m.

Lời giải:

* Trường hợp 1:

m1 = 1kg

m2 = 2kg

r = 1m

Lực hấp dẫn: F1 = G * (m1 * m2) / r^2 = 6,67430 x 10^-11 * (1 * 2) / 1^2 = 1,33486 x 10^-10 N

* Trường hợp 2:

m1 = 3kg

m2 = 4kg

r = 2m

Lực hấp dẫn: F2 = G * (m1 * m2) / r^2 = 6,67430 x 10^-11 * (3 * 4) / 2^2 = 3,33715 x 10^-10 N

Ta thấy: F2 > F1.

=> Lực hấp dẫn giữa hai vật tỉ lệ thuận với tích khối lượng của hai vật và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa hai vật. Do đó, trong trường hợp này, lực hấp dẫn giữa hai vật có khối lượng 3kg và 4kg đặt cách nhau 2m lớn hơn lực hấp dẫn giữa hai vật có khối lượng 1kg và 2kg đặt cách nhau 1m.

Qua bài viết ngắn gọn trên vatly.edu.vn, chúng ta đã cùng nhau khám phá và hiểu thêm về lực hấp dẫn – lực kỳ diệu tạo nên cấu trúc của vũ trụ và ảnh hưởng đến cuộc sống hàng ngày. Mong rằng những thông tin này sẽ làm sâu sắc thêm tình yêu và sự tò mò của bạn đối với vật lý. Đừng quên tiếp tục theo dõi chúng tôi để cập nhật thêm nhiều kiến thức bổ ích khác!