Hệ qui chiếu phi quán tính và các lực quán tính

Chia sẻ: Xuan Khuong | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:6

Thêm vào BST

Báo xấu

643
lượt xem 82
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Gần đây, khái niệm phi quán tính và lực quán tính đã được đưa vào chương trình vật lý và địa lý phổ thông. Tuy nhiên, việc giảng dạy và vận dụng còn khá nhiều lúng túng. Đây là bài viết giúp người đọc hiểu rõ hơn về vấn đề này.

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Hệ qui chiếu phi quán tính và các lực quán tính

H qui chi u phi quán tính và các l c quán tính Th.S Tr n Qu c Hà Tóm t t ti ng Vi t: G n ñây, khái ni m h qui chi u phi quán tính và l c quán tính ñã ñư c ñưa vào chương trình v t lý và ñ a lý ph thông. Tuy nhiên, viêc gi ng d y và v n d ng còn khá nhi u lúng túng. ðây là bài vi t giúp ngư i ñ c hi u rõ hơn v v n ñ này. I-M ñ u: Newton khi xây d ng ba ñ nh lu t cơ h c n i ti ng c a mình ñã ñưa ra khái ni m v h qui chi u quán tính. ðó là h qui chi u mà trong ñó ba ñ nh lu t Newton ñư c nghi m ñúng. M i h qui chi u ñ ng yên hay chuy n ñ ng th ng ñ u v i h qui chi u quán tính ñ u là h qui chi u quán tính. V y, có t n t i m t h qui chi u quán tính ban ñ u ñ so sánh? th i ñ i Newton, ngư i ta quan ni m Vũ tr g m H M t tr i v i M t tr i ñ ng yên t i tâm, các hành tinh chuy n ñ ng xung quanh và phía xa là b u tr i sao b t ñ ng. Luôn luôn có th d ng ñư c m t h qui chi u có tâm là M t tr i (ñúng ra là tâm quán tính c a H M t tr i) và ba tr c hư ng t i 3 ngôi sao b t kỳ. H này t thân không c n so sánh b t kỳ cái gì cũng luôn ñ ng yên, nó luôn là h qui chi u quán tính. Chính vì v y ngư i ta nói cơ h c Newton v a mang tính tương ñ i (chuy n ñ ng có tính so sánh) v a mang tính tuy t ñ i. Cùng v i s phát tri n c a thiên văn, ngư i ta hi u M t tr i cũng ch là m t ngôi sao bình thư ng trong Vũ tr bao la. M t tr i quay quanh tâm Ngân hà và Ngân hà ñang ch y ra xa kh i các thiên hà khác do Vũ tr ñang dãn n . Như v y không có s ñ ng yên tuy t ñ i dành cho M t tr i. Chuy n ñ ng có gia t c là chuy n ñ ng ph bi n trong vũ tr . Th t khó ki m m t h qui chi u quán tính t thân. Trong khi ñó các ñ nh lu t Newton ch nghi m ñúng cho các h qui chi u quán tính. V y làm sao ñ v n d ng các ñ nh lu t Newton v hình th c ñây ? ði u này ñã ñư c ñã ñư c gi i quy t b ng cách ñưa ra khái ni m h qui chi u phi quán tính và l c quán tính. Tuy nhiên, vì l c quán tính không ph i l c th t nên ngư i ta ng n ng i khi s d ng nó trong sách v t lý ph thông, Chính ñi u này gây nên s l n l n và khó khăn trong vi c hi u và s d ng h qui chi u phi quán tính trong d y và h c v t lý. II-H qui chi u phi quán tính và l c quán tính: ð nh nghĩa: Xét h qui chi u O’ chuy n ñ ng v i gia t c a 0 so v i h qui chi u quán tính O. H qui chi u O’ ñư c g i là h qui chi u phi quán tính. Xét v t có kh i lư ng m chuy n ñ ng v i gia t c a ' trong h O’. Khi ñó, so v i h O theo nguyên lý Galillee ta có gia t c a c a v t trong h O như sau: a = a0 + a ' Nhân 2 v v i m và chuy n ñ i như sau: ma − ma 0 = ma ' (1)
Trong h quán tính O ta có: F = ma Gi s ñ t - ma 0 = F thì ta có th vi t (1) là: nào ñó F−F = ma ' nào ñó ∑ F = ma ' (2) hay Công th c (2) v hình th c chính là ñ nh lu t hai Newton cho h phi quán tính O’ Như v y, n u công nh n có l c F nào ñó thì trong h phi quán tính O’ có th s d ng ñ nh lu t Newton. L c này ñư c g i là l c quán tính (hay còn g i là l c quán tính kéo theo). Công th c (2) ñư c vi t l i là: F + Fqt = ma ' Tính ch t c a l c quán tính: Fqt = − m.a 0 - L c quán tính ch xu t hi n trong h phi quán tính. - L c quán tính không ph i là tương tác th c nên còn b coi là gi l c (pseudoforces). Nhưng l c này không th b qua n u mu n áp d ng ñ nh lu t Newton trong h phi quán tính. - L c quán tính t l v i kh i lư ng v t ( ñây là tính ch t quan tr ng mà Einstein ñã v n d ng ñ phát bi u nguyên lý tương ñương ). - L c quán tính không có ph n l c. M t s sách cũ mu n tránh né h phi quán tính thư ng thay l c quán tính b ng l c khác tương ñương trong h quán tính nhưng ngư c chi u. III. Áp d ng cho trái ñ t: Xét bài toán cơ h c cho m t v t trên trái ñ t. H qui chi u ñ t trên b m t Trái ñ t không ph i là h qui chi u quán tính vì hai lý do: - Trái ñ t t quay quanh tr c. - Trái ñ t quay quanh m t tr i Khi ñó, xét chuy n ñ ng c a v t ta s th y xu t hi n các l c quán tính. Có hai trư ng h p sau: - V t ñ ng yên trên b m t trái ñ t: s ch u tác d ng c a l c ly tr c quán tính ( m t s sách g i là l c ly tâm quán tính) - V t chuy n ñ ng v i v n t c v : ngoài l c trên v t còn ch u tác ñ ng c a l c Coriolis. Xét bài toán l c Coriolis: L c Coriolis là l c quán tính ñư c tên theo nhà bác h c Pháp Coriolis. L c gi i thích các hi n tư ng xói mòn b sông v phía tay ph i dòng ch y b c bán c u khi ch y theo kinh tuy n Trái ñ t; s l ch v phía ñông c a v t t do, gió mùa ñông b c, tây nam…Dư i ñây ta s minh h a hư ng tác ñ ng c a l c Coriolis trong các trư ng h p c th .
Bài toán l c Coriolis L c Coriolis tác ñ ng lên v t ñang chuy n ñ ng trên b m t trái ñ t do trái ñ t chuy n ñ ng quay quanh tr c Fc = −2m [ω × v ] Trong ñó: Fc : l c Coriolis. m: kh i lư ng c a v t ω : V n t c góc c a Trái ð t do Trái ñ t chuy n ñ ng quay. v : V n t c chuy n ñ ng c a v t. Xét bán c u b c: 1. Chuy n ñ ng theo kinh tuy n: ω a) T xích ñ o v c c: L c Coriolis hư ng v phía ñông (T c l ch sang ph i hư ng ngư i chuy n ñ ng.) v Fc O b) T c c v xích ñ o: L c hư ng v phía Tây ω (T c l ch sang ph i hư ng ngư i chuy n ñ ng) Fc v
2. Chuy n ñ ng theo vĩ tuy n: ω a) T ñông sang tây: l c hư ng vào lòng trái ñ t Fc v O b) T tây sang ñông: l c hư ng ra ngoài trái ñ t. ω v O Fc
3. Chuy n ñ ng c a v t theo phương tr ng trư ng: a) Rơi t do: l c hư ng v t rơi l ch v phía ñông. ω ω Fc v O b) V t ném lên không trung: l c hư ng v t l ch v phía tây. ω ω v Fc O
K t lu n: Nh ñưa vào khái ni m l c quán tính ngư i ta có th gi i thích ñư c r t nhi u v n ñ cu c s ng. Ngay nhà bác h c thiên tài Einstein cũng nh n th y vai trò c a l c quán tính, t ñó rút ra nguyên lý tương ñương ñ xây d ng thuy t tương ñ i r ng vĩ ñ i c a mình. Trong khuôn kh bài báo này tác gi nh n m nh ñ n l c Coriolis nh m gi i ñáp nh ng câu h i giáo viên khi d y ñ a lý 10, vì trong sách ñ a lý l p 10 nâng cao ch ñ c p ñ n m t trư ng h p c a l c Coriolis ( chuy n ñ ng theo kinh tuy n). V n ñ khó khăn ñ i v i giáo viên là tính toán hư ng c a l c vì ñó là tích vectơ c a hai vectơ: vectơ v n t c góc c a trái ñ t và v n t c dài c a v t. B ng hình v minh h a c th cho th y hư ng c a l c Coriolis trong các trư ng h p c th : Chuy n ñ ng theo kinh tuy n, vĩ tuy n và theo ñư ng tr ng trư ng c a trái ñ t. V n ñ v l c quán tính s còn ñư c tác gi ñ c p trong các s báo sau nh m giúp giáo viên và sinh viên hi u rõ khái ni m tr ng lư ng và hi n tư ng tăng gi m tr ng lư ng .v..v Abstract: The noninertial frames and the inertial forces (pseudoforces) are studied in the high schools now. But it is difficult for teachers and students to understand this problem. This article will give more information for them. Tài li u tham kh o: 1. V t lý 10; Nguy n Th Khôi…., NXB GD, 2002 2. ð a lý 10 nâng cao, Lê Thông…, NXB GD, 2006 3. V t lý ñ i cương t p 1; Lương Duyên Bình, NXB GD, 1999. 4. Giáo trình v t lý ñ i cương , Cơ nhi t, Tr n Qu c Trân, ðHðC Tp HCM 5. Cơ h c, Nguy n H u Mình, NXB GD, 1999 6. V t lý ñ i chúng, L.D.Landau,…, NXB KH&KT, 2001 7. Physics, Resnick, Halliday,Krane, Volume 1, 1992 8. Cơ h c, X.P.Xtrenkov, NXB Khoa H c, 1975 (b n ti ng Nga)