Giới thiệu trọng lực và trọng lượng - Đào Phú Quyền

GIỚI THIỆU TRỌNG LỰC VÀ TRỌNG LƯỢNG ðÀO PHÚ QUYỀN Trường ðHSP Hà Nội Trọng lực và trọng lượng là những lực phổ biến, khá quen thuộc với cấp học phổ thông. Tuy nhiên vẫn có nhiều giáo viên chưa nắm chắc khái niệm của hai lực này; trong một số công trình khoa học, bài giảng, ñề kiểm tra ñánh giá còn thể hiện sự thiếu chuẩn xác về khái niệm trọng lực, trọng lượng. Do vậy, nội dung bài báo này nhằm giới thiệu cho các bạn ñọc quan tâm nắm ñược khái niệm trọng lực, trọng lượng ñể phục vụ việc dạy học. I. Trọng lực Trọng lực là lực tác dụng lên vật gây cho vật gia tốc rơi tự do g Biểu thức của trọng lực là: QFFFFF S ++++= (1) Trong ñó: F là trọng lực; F , F , F , SF lần lượt là lực hấp dẫn của Trái ñất, Mặt trời, Mặt trăng, các sao ñặt lên vật; Q là tổng hợp các lực quán tính ñặt lên vật. ðối với các phần tử ở trên mặt ñất hoặc cách mặt ñất một khoảng h không lớn lắm so với khoảng cách tới Mặt trăng, Mặt trời, ... thì có thể bỏ qua F , F , SF ; biểu thức của trọng lực có dạng: m R kM F 2 = (2) Ở ñây: + m là khối lượng của vật ñược khảo sát. ðơn vị của khối lượng là kilôgam, ký hiệu là kg + 2R kM = ahd (3) là gia tốc hấp dẫn của Trái ñất ñặt lên vật Với k là hằng số hấp dẫn có giá trị 6,67.10-11m3kg-1s-2; khối lượng Trái ñất M = 5,98.1024kg, bán kính trung bình của Trái ñất R = 6,37.106m. Thay các giá trị này vào biểu thức (3) ta ñược: 80,9=hda m/s 2 Kết quả này cho thấy ahd = g là gia tốc rơi tự do của các vật trên mặt ñất do Galilê tìm ra bằng thực nghiệm II. Trọng lượng 1. Khái niệm: Trọng lượng của một vật là lực do vật ấy tác dụng lên dây treo hay giá ñỡ khi vật cùng dây treo hay giá ñỡ ñứng yên hoặc chuyển ñộng thẳng ñều trong trường trọng lực. Trọng lượng thường ñược ký hiệu là P . Khi nói tới sự nặng nhẹ của vật là ñề cập tới trọng lượng của vật. 2. Phân biệt trọng lực và trọng lượng a. Giống nhau: Trọng lực và trọng lượng ñều là lực ñược ño bằng ñơn vị chính là niutơn (ký hiệu là N) Trong giảng dạy cần chú ý niutơn (không viết hoa) ñể chỉ ñơn vị ño lực còn Niutơn (viết hoa) ñể chỉ ông Niutơn (Newton). Nếu nói cường ñộ của lực là 50 Niutơn, 60 Niutơn sẽ ñược hiểu cường ñộ của lực là 50 ông Niutơn hay 60 ông Niutơn, sẽ làm học sinh buồn cười. b. Khác nhau: + Trọng lượng và trọng lực khác nhau về ñiểm ñặt. Trọng lực có ñiểm ñặt nằm trên vật khảo sát. Trọng lượng của vật có ñiểm ñặt trên dây treo hay giá ñỡ vật. + Về ñộ lớn (cường ñộ): Trọng lượng và trọng lực có trường hợp giá trị giống nhau, có trường hợp giá trị khác nhau. Ta hãy lấy vài ví dụ ñể minh hoạ Ví dụ 1: Một vật A bị treo dưới một sợi dây (Hình 1). Vật chịu tác dụng của một trọng lực F có ñiểm ñặt tại trọng tâm của A. Khi A ñứng yên chứng tỏ sợi dây có ñặt lên A một lực căng T cũng có ñiểm ñặt tại trọng tâm A. T cùng phương, ngược chiều với F và có ñộ lớn bằng F nên hợp lực của T và F bằng không, tức T +F = 0 , vật A mới cân bằng. Hình 1 Theo ñịnh luật thứ 3 Niutơn, khi dây treo ñặt lên A lực căng T thì vật A cũng ñặt lên sợi dây một phản lực P . ðiểm ñặt của phản lực P tại ñiểm B (là ñiểm của sợi dây tiếp xúc với vật A) và P= -T , tức P↓ ↑T (P ngược hướng với T ) và cường ñộ của 2 lực như nhau. Theo ñịnh nghĩa thì P chính là trọng lượng của vật A. Trong trường hợp vật A ñứng yên thì trọng lượng của vật bằng trọng lực ñặt lên vật: P = F Tương tự như vậy khi vật A nằm trên ñĩa cân ở vị trí cân bằng thì trọng lượng của A cũng bằng trọng lực tác dụng lên A. Nếu m là khối lượng của vật A thì trong trường hợp này: P = F = mg Nếu sợi dây bị ñứt, T = 0 , khi bỏ qua sức cản của không khí vật A chỉ chịu tác dụng của trọng lực nó sẽ bị rơi xuống với gia tốc g. Trường hợp này A không tác dụng lên dây treo một lực P nào nữa (P = 0). Vật A ở trạng thái không trọng lượng còn trọng lực tác dụng lên vật vẫn luôn bằng mg; F ≠ P. Nếu bạn nào không tin thử dùng dây trèo lên cao rồi buông tay ra sẽ thấy ngay trong quá trình rơi từ trên cao xuống người ở trạng thái nhẹ lâng lâng bởi các bộ phận bên trên không tác dụng một trọng lượng nào lên bộ phận bên dưới (ñóng vai trò giá ñỡ). Khi chạm ñất, hậu quả rất tai hại, chẳng êm ái chút nào nên nếu bạn nào chưa tin cũng ñừng lấy bản thân ñể thử nghiệm theo cách này. Ví dụ 2: Một tàu vũ trụ chuyển ñộng vòng quanh Trái ñất với trọng lực tác dụng lên tàu ñóng vai trò lực hướng tâm. Các nhà du hành vũ trụ trong tàu và mọi vật trong tàu cùng chuyển ñộng với gia tốc hướng tâm là gia tốc g nên tất cả ñều không tác dụng lên nhau một lực kéo hoặc nén nào cả và do ñó mọi vật trên tàu ñều ở trạng thái không trọng lượng (trọng lượng luôn bằng không). Các vật ñều có khối lượng, ñều chọi tác dụng của trọng lượng trong quá trình chuyển ñộng nhưng ñều có trọng lượng bằng không. Trọng lực và trọng lượng rõ ràng là hai ñại lượng khác nhau, chớ nên lẫn lộn. Hình 2 III. Cần chú ý tới các khái niệm khối lượng, trọng lực, trọng lượng trong giảng dạy và ra ñề thi kiểm tra ñánh giá Khi ñọc một số công trình khoa học, luận án, ñề thi v.v... chúng tôi thấy có một số tác giả còn lẫn lộn các khái niệm trên. Ví dụ, trong bộ ñề kiểm tra trắc nghiệm môn Toán cấp tiểu học có ñề sau: So sánh 1kg ñá với 1kg bông ta thấy: a. 1kg ñá nặng hơn 1kg bông  b. 1kg ñá nặng bằng 1kg bông  c. 1kg ñá nhẹ hơn 1kg bông  d. 1kg bông nặng hơn 1kg ñá  ðáp số ñề này cho ñúng là b. Học sinh nào ñánh dấu chéo vào câu b thì ñược ñiểm, ñánh dấu chéo vào câu a là mất ñiểm. Bây giờ chúng ta hãy phân tích về ñề này. Với ñề kiểm tra trắc nghiệm chỉ cho phép ñưa ra một ñáp số duy nhất ñúng nhưng ñề thi này lại có 3 ñáp số: 1. Trường hợp xác ñịnh vật nặng hay không nặng: Nếu cả 1kg ñá và 1kg bông cùng chuyển ñộng với gia tốc trọng trường g (như trong ví dụ 2 phần II hoặc cùng rơi tự do với gia tốc g từ trên cao xuống) thì cả 2 vật ñều ở trạng thái không nặng (không trọng lượng). 2. Trường hợp 2 vật nặng bằng nhau: Nừu cân 1kg ñá và 1kg bông trong môi trường chân không thì cả 2 vật nặng bằng nhau. Tuy nhiên, học sinh tiểu học chưa học về môi trường chân không nên không thể ra cho học sinh trường hợp này. 3. Trường hợp 1kg ñá nặng hơn 1kg bông: Nếu ñồng thời thả 1kg ñá và 1kg bông trên cao xuống trong môi trường không khí thì 1kg ñá rơi nhanh hơn 1kg bông. Nếu thả 1kg ñá và 1kg bông xuống nước thì 1kg ñá chìm còn 1kg bông nổi. Kết luận: Trong môi trường không khí và môi trường nước là những môi trường quen biết của học sinh tiểu học thì 1kg ñá nặng hơn 1kg bông. Với ñề trắc nghiệm vừa dẫn ra thì a là ñáp số ñúng. Học sinh nào ñánh dấu chéo vào câu a bị mất ñiểm là oan. Với cấp tiểu học, học sinh chưa ñược học trạng thái không trọng lượng hoặc môi trường chân không nên chưa ñủ cơ sở ñể biết khi 1kg ñá và 1kg bông ở trạng thái không trọng lượng hoặc trong môi trường chân không sẽ nặng bằng nhau. Yêu cầu các em ñánh dấu chéo vào câu b mới ñược ñiểm là không thoả ñáng. Em nào ñánh dấu chéo vào câu b chẳng qua cũng chỉ là ñánh mò chứ chưa ñủ cơ sở nhận thức cho việc chọn câu b. Sự phân tích trên cho thấy việc tìm hiểu khái niệm trọng lực và trọng lượng ñể vận dụng ñúng trong dạy học là việc làm rất cần thiết.