Gia tốc rơi tự do gần mặt đất trên Trái Đất

Đặc điểm :Chuyển động rơi tự do là chuyển động thẳng , nhanh dần đều với gia tốc trong trường g và có vận tốc đầu bằng 0.

Chứng minh

Từ công thức quãng đường của nhanh dần đều.

$S=v_{0}t+\frac{1}{2}a{t}^2$

Suy ra trong chuyển động rơi tự do quãng đường có công thức

$S=\frac{1}{2}g{t}^2$

Chú thích:

$S$: Quãng đường vật rơi từ lúc thả đến thời điểm t $\left(m\right)$.

g: Gia tốc trọng trường $(m/s^2)$. Tùy thuộc vào vị trí được chọn mà g sẽ có giá trị cụ thể.

$t$: thời gian chuyển động của vật từ lúc thả $\left(s\right)$

Chú thích:

$t$: thời gian chuyển động của vật $\left(s\right)$.

$h$: độ cao của vật so với mặt đất $\left(m\right)$.

$g$: gia tốc trọng trường $(m/s^2)$. Tùy thuộc vào vị trí được chọn mà g sẽ có giá trị cụ thể.

Chú thích:

$v$: tốc độ của vật $(m/s)$.

g: gia tốc trọng trường $(m/s^2)$. Tùy thuộc vào vị trí được chọn mà g sẽ có giá trị cụ thể.

$t$: thời điểm của vật tính từ lúc thả $\left(s\right)$

Lưu ý: 

Ở đây ta chỉ tính tới độ lớn của vận tốc tức thời của vật (nói cách khác là ta đang tính tốc độ tức thời của vật). 

Chứng minh

$$\begin{gathered} S_n=\frac{1}{2}g{t}^2=\frac{g}{2}{\left(n\right)}^2 \\ {S}_{n-1}=\frac{1}{2}g{t}^2=\frac{g}{2}{\left(n-1\right)}^2 \\ \Rightarrow ∆S_n=\frac{g}{2}\left(2n-1\right) \end{gathered}$$

Ý nghĩa : n càng lớn , quãng đường đi trong giây thứ n càng lớn.

Chú thích:

$\Delta S_n$: quãng đường vật rơi được trong giây thứ n $\left(m\right)$.

g: gia tốc trọng trường $(m/s^2)$. Tùy thuộc vào bài toán , nơi được chọn mà g sẽ có giá trị cụ thể.

Chứng mính:

$$\begin{gathered} t_{rơi}=\sqrt{\frac{2h}{g}} \\ S=h_0 \\ {S}_{t-n}=\frac{g}{2}{\left(\sqrt{\frac{2h_0}{g}}-n\right)}^2 \\ \Rightarrow ∆S_{n giây cuôi}=h_0-\left(h_0-n\sqrt{2g{h}_0}+n^2\frac{g}{2}\right)=n\sqrt{2g{h}_0}-n^2\frac{g}{2} \end{gathered}$$

Chú thích:

$\Delta S_{n giây cuối}$: quãng đường vật đi được trong giây cuối cùng $\left(m\right)$.

$h$: độ cao của vật so với mặt đất $\left(m\right)$.

$g$: gia tốc trọng trường $(m/s^2)$. Tùy thuộc vào vị trí được chọn mà g sẽ có giá trị cụ thể.

Giải thích:

Trọng lục là một trường hợp đặc biệt của lực hấp dẫn. Khi mà một trong hai vật là Trái Đất.

Nói cách khác, trọng lực là lực hấp dẫn do Trái Đất tác dụng lên một vật đặt cạnh nó.

Chú thích:

$G$: hằng số hấp dẫn $6,67.{10}^{-11}\left(\frac{N.m^2}{k{g}^2}\right)$.

$M$: khối lượng trái đất $\approx 6.{10}^{24}\left(kg\right)$.

$m$: khối lượng vật đang xét $\left(kg\right)$.

$R_{trái đất}$: bán kính trái đất $\approx 6400\left(km\right)$.

$h$: khoảng cách từ mặt đất đến điểm đang xét $\left(m\right)$.

$F_{hd}$: lực hấp dẫn $\left(N\right)$. 

$P$: trọng lực $\left(N\right)$. 

$g$: gia tốc trọng trường $\left(m/s^2\right)$.

Phương trình chuyển dông theo phương ngang: $x=v_{0}t$

Phương trình chuyển động theo phương thẳng đứng: $y=\frac{1}{2}g{t}^2$

Chú thích:

$y$: tọa độ của vật theo phương thẳng đứng $\left(m\right)$.

$x$: tọa độ của vật theo phương ngang $\left(m\right)$.

$v_o$: vận tốc ban đầu của vật, trong trường hợp này là vận tốc ném $(m/s)$.

$g$: gia tốc trọng trường do trái đất tác động lên vật $(m/s^2)$.

$h_0$ : Độ cao lúc bắt đầu ném

Định nghĩa:

Thế năng trọng trường của một vật là dạng năng lượng tương tác giữa Trái Đất và vật; nó phụ thuộc vào vị trí của vật trong trọng trường.

Chú thích:

$W_t$: thế năng $\left(J\right)$

$m$: khối lượng của vật $\left(kg\right)$

$Z$: độ cao của vật so với mốc thế năng $\left(m\right)$

$g$: gia tốc trọng trường $(m/s^2)$

So sánh độ cao h và tọa độ Z trong việc xác định giá trị Z

Định nghĩa:

Khi một vật chuyển động trong trọng trường chỉ chịu tác dụng của trọng lực thì cơ năng của một vật là đại lượng bảo toàn.

Nếu động năng giảm thì thế năng tăng ( động năng chuyển hóa thành thế năng) và ngược lại.

Tại vị trí động năng cực đại thì thế năng cực tiểu và ngược  lại.

Chú thích:

$W$: cơ năng $\left(J\right)$.

$W_{đ};W_{đmax}$: động năng - động năng cực đại $\left(J\right)$.

$W_t;W_{t max}$: thế năng - thế năng cực đại $\left(J\right)$.

Áp dụng tỉ số lượng giác ta có: $h=l(1-\cos \alpha )$.

Từ đây suy ra $h_{max}=l(1-\cos {\alpha }_o)$.

Mà thế năng lại được tính bằng: $W_t=m.g.z$ 

Vậy $\left\{\begin{array}{l}{W}_t=m.g.l(1-\cos \alpha )\\ W_{t max}=m.g.l(1-\cos {\alpha }_o)\end{array}\right.$

Chú thích:

$W_t;W_{t max}$: thế năng, thế năng cực đại $\left(J\right)$.

$m$: khối lượng vật năng $\left(kg\right)$.

$g$: gia tốc trọng trường $(m/s^2)$.

$l$: chiều dài dây treo $\left(m\right)$.

$\alpha$: góc lệc giữa dây treo với phương thẳng đứng $\left(deg\right)$hoặc $\left(rad\right)$.

Chú thích:

$v$: vận tốc của vật $(m/s)$.

$g$: gia tốc trọng trường $(m/s^2)$.

$l$: chiều dài dây treo $\left(m\right)$.

$\alpha$: góc lệc giữa dây treo với phương thẳng đứng $\left(deg\right)$hoặc $\left(rad\right)$.

Chú thích:

$T$: lực căng dây $\left(N\right).$

$m$: khối lượng quả nặng $\left(kg\right)$.

$g$: gia tốc trọng trường $(m/s^2)$.

$\alpha$: góc lệch của dây treo so với phương thẳng đứng $\left(deg\right)$ hoặc $\left(rad\right)$.

${\alpha }_o$: góc lệch cực đại của dây treo so với phương thẳng đứng $\left(deg\right)$ hoặc $\left(rad\right)$.

Lưu ý thêm: Để tránh nhầm lẫn với chu kỳ dao động của phần dao động điều hòa ở chương trình Vật Lý 12. Một số tài liệu sẽ kí hiệu lực căng dây là chữ calligraphic T thay vì T.

Chú thích:

$T_{max}$: lực căng dây cực đại $\left(N\right).$

$m$: khối lượng quả nặng $\left(kg\right)$.

$g$: gia tốc trọng trường $(m/s^2)$.

${\alpha }_o$: góc lệch cực đại của dây treo so với phương thẳng đứng $\left(deg\right)$ hoặc $\left(rad\right)$.

Nhận xét: Trong quá trình dao động. Lực căng dây cực đại ở vị trí cân bằng.

Lưu ý thêm: Để tránh nhầm lẫn với chu kỳ dao động của phần dao động điều hòa ở chương trình Vật Lý 12. Một số tài liệu sẽ kí hiệu lực căng dây là chữ calligraphic T thay vì T.

Chú thích:

$T_{max}$: lực căng dây cực đại $\left(N\right).$

$m$: khối lượng quả nặng $\left(kg\right)$.

$g$: gia tốc trọng trường $(m/s^2)$.

${\alpha }_o$: góc lệch cực đại của dây treo so với phương thẳng đứng $\left(deg\right)$ hoặc $\left(rad\right)$.

Nhận xét: Trong quá trình dao động. Lực căng dây cực tiểu ở vị trí biên.

Lưu ý thêm: Để tránh nhầm lẫn với chu kỳ dao động của phần dao động điều hòa ở chương trình Vật Lý 12. Một số tài liệu sẽ kí hiệu lực căng dây là chữ calligraphic T thay vì T.

Chú thích:

$T$: chu kì dao động $\left(s\right)$

$l$: chiều dài dây treo $\left(m\right)$

$g:$ gia tốc trọng trường $(m/s^2)$

Công thức:

$v=\sqrt{2gl\left(\cos \left(\alpha \right)-\cos \left({\alpha }_0\right)\right)}$ hay $v=\omega \sqrt{{s_0}^2-s^2}$

+ $v_{max}=\sqrt{2gl\left(1-\cos \left({\alpha }_0\right)\right)}$ tại VTCB

+ $v_{min}=0$ tại 2 biên

Với góc nhỏ : $v=\sqrt{gl\left({{\alpha }^2}_0-{\alpha }^2\right)}$

Hoặc $v=-s_0\omega \cos \left(\omega t+\phi \right)$

Chú thích:

$v:$ Vận tốc của con lắc $\left(m/s\right)$.

$g:$Gia tốc trọng trường $\left(m/s^2\right)$.

$l:$ Chiều dài dây $\left(m\right)$.

$\alpha :$Li độ góc $\left(rad\right)$

${\alpha }_0 :$Biên độ góc $\left(rad\right)$

Chứng minh công thức:

Theo định luật bảo toàn năng lượng ta có:

$W_{đ}=W-W_t$

Lại có $\left\{\begin{array}{l}W=W_{tmax}=m.g.h_{max}=mgl(1-\cos {\alpha }_o) \left(2\right)\\ W_t=m.g.h=mgl.(1-\cos \alpha ) \left(3\right)\end{array}\right.$

Xem hình vẽ dưới đây để chứng minh công thức số (2) và (3)

Bằng mối quan hệ trong tam giác vuông ta có $\left\{\begin{array}{l}{h}_{max}=l(1-\cos {\alpha }_o)\\ h=l(1-\cos \alpha )\end{array}\right.$

Từ đây suy ra được:  $W_d=W-W_t$

$$\begin{gathered} \iff \frac{1}{2}m{v}^2=mgl(\cos \alpha -\cos {\alpha }_o) \\ \iff v^2=2gl(\cos \alpha -\cos {\alpha }_o) \\ \iff v=\sqrt{2gl(\cos \alpha -\cos {\alpha }_o)} \end{gathered}$$

$\frac{T}{T_0}=\sqrt{\frac{g}{g\text{'}}}=\frac{R}{R_{Trái đất}}\sqrt{\frac{M_{trái đất}}{M}}$

Với $T:$ Chu kì con lắc trên thiên thể $\left(s\right)$

      $T_0:$ Chu kì con lắc trên trái đất

      $R:$ Bán kính thiên thể $\left(m\right)$

       $R_{trái đất}$: bán kính trái đất $\left(m\right)$

      $M:$ Khối lượng thiên thể $\left(kg\right)$

       $M_{trái đất}$:Khối lượng trái đất $\left(kg\right)$

1. Rơi tự do

a/Định nghĩa : Rơi tự do là sự rơi của vật chỉ tác dụng của trọng lực và vận tốc đầu bằng không.

b/Đặc điểm:

+ Phương : thẳng đứng

+ Chiều : hướng xuống.

+ Nhanh dần đều với gia tốc g.Gia tốc g khác nhau ở các nơi trên Trái Đất

2. Phương trình rơi rự do:

a/Công thức

$h=h_0-\frac{1}{2}g{t}^2$

Với $h_0$ là độ cao lúc thả rơi.Chiều dương cùng chiều chuyển động.

+ Ý nghĩa : Trong thực nghiệm dùng để tính gia tốc rơi tự do nơi làm thí nghiệm.

b/Chứng minh:

+ Vật chuyển động nhanh dần đều từ 0 đến t: $S=\frac{1}{2}g{t}^2$

+ Độ cao vật lúc này : $h=h_0-S=h_0-\frac{1}{2}g{t}^2$

Nhận xét : thời gian trôi qua càng nhiều thì độ cao của vật càng giảm.

Tại vị trí ban đầu vật có 

$v_A,h_A,W_A$ gốc tại mặt đất

Tại vị trí chạm đất : $W_{tD}=0$

BTCN cho vật tại A và D

$$\begin{gathered} W_A=W_D \\ \Rightarrow W_{tD}+W_{đD}=W_A \\ \Rightarrow v_D=\sqrt{\frac{2.W_A}{m}} \end{gathered}$$

BTCN cho vật tại A, B

B là vị trí cao nhất $W_{đB}=0$

$$\begin{gathered} W_A=W_B \\ \Rightarrow W_{tB}+W_{đB}=W_A \\ \Rightarrow h_B=\frac{W_A}{mg} \end{gathered}$$

Chọn gốc tại mặt đất

Gọi E là vị trí có $W_{đ}=k.W_t$

BTCN cho vị trí A và E

$$\begin{gathered} W_A=W_E \\ \Rightarrow W_A=(k+1)W_{tE} \\ \Rightarrow h_E=\frac{W_A}{\left(k+1\right)mg} \end{gathered}$$

$v_E=\sqrt{\frac{2k}{k+1}.\frac{W_A}{m}}$

Chọn gốc thế năng tại đất

Gọi E là vị trí có 

$$\begin{gathered} h_E=k{h}_{max} \\ \Rightarrow W_{tE}=k.W_A \end{gathered}$$

BTCN cho vật tại vị trí A và E

$$\begin{gathered} W_A=W_E \\ \Rightarrow W_A=W_{đE}+k{W}_A \\ \Rightarrow v_E=\sqrt{\frac{2}{1-k}.\frac{W_A}{m}} \\ {h}_E=\frac{k.W_A}{mg} \end{gathered}$$

D : là khối lượng riêng của chất lỏng $\left(kg/m^3\right)$

$d$ : là độ sâu của khối khí so với mặt thoáng chất lỏng $\left(m\right)$

$p$ : là áp suất khối khí $\left(N/m^2\right)$

Để hạt bụi cân bằng :

$$\begin{gathered} F=P\Rightarrow \left|q\right|E=mg \\ \Rightarrow E=\frac{mg}{\left|q\right|} \end{gathered}$$

Điện trường cần đặt cùng chiều với $\overrightarrow{g}$ khi $q<0$

Điện trường cần đặt ngược chiều với $\overrightarrow{g}$ khi $q>0$

Áp dụng được khi đề bài hỏi điện cần đặt để điện tích tiếp túc đi thẳng khi bay vuông góc với điện trường.

Khi thả viên đá rơi xuống giếng (hoặc hang động). Viên đá sẽ rơi tự do xuống giếng sau đó va đập vào đáy giếng và tạp ra âm thanh truyền lên miệng giếng. Ta có hệ phương trình sau:

$$\begin{gathered} \left(1\right) \left\{\begin{array}{l}{t}_1=\sqrt{\frac{2.h}{g}}\\ t_2=\frac{h}{v_{âm thanh}}\end{array}\right. \\ Mà \Delta t=t_1+t_2 \left(2\right) \end{gathered}$$

Thế (1) vào (2) Từ đây ta có $\sqrt{\frac{2h}{g}}+\frac{h}{v_{âm thanh}}=\Delta t$

Chú thích:

$∆t$: thời gian từ lúc thả rơi viên đá đến khi nghe được âm thanh vọng lên $\left(s\right)$.

$t_1:$ thời gian viên đá rơi tự do từ miệng giếng xuống đáy giếng $\left(s\right)$.

$t_2$: thời gian tiếng đọng di chuyển từ dưới đáy lên miệng giếng $\left(s\right)$.

$v_{âm thanh}$: vận tốc truyền âm trong không khí $(320 ~ 340 m/s)$.

$g$: gia tốc trọng trường $(m/s^2)$

$h$: độ sâu của giếng hoặc hang động $\left(m\right)$

Chú thích:

$v$: tốc độ của vật $(m/s)$.

g: gia tốc trọng trường $(m/s^2)$. Tùy thuộc vào vị trí được chọn mà g sẽ có giá trị cụ thể.

S: Quãng đường vật rơi từ lúc thả đến thời điểm t (m)

Trong đó:

${\mathrm{v}}_0$: vận tốc ban đầu của vật, trong trường hợp này là vận tốc ném (m/s).

g : gia tốc trọng trường do trái đất tác động lên vật (m/${\mathrm{s}}^2$).

${\mathrm{v}}_0$: vận tốc ban đầu của vật, trong trường hợp này là vận tốc ném (m/s).

g : gia tốc trọng trường do trái đất tác động lên vật (m/${\mathrm{s}}^2$).

${\mathrm{v}}_0$: vận tốc ban đầu của vật, trong trường hợp này là vận tốc ném (m/s).

g : gia tốc trọng trường do trái đất tác động lên vật (m/${\mathrm{s}}^2$).

Trong đó:

m là khối lượng của vật, đơn vị là kg

Trọng lượng của quả cân có khối lượng m = 100 g là P= 1 N.