Đang tải... (xem toàn văn)
Mọi hệ qui chi ếu đứng y ên hay chuy ển động thẳng đều với hệ qui chiếu quán tính đều l à h ệ qui chiếu quán tính.. Vậy, có tồn tại một?[r]
(1)Ý kiến trao đổi Số 14 năm 2008
HỆ QUY CHIẾU QUÁN TÍNH VÀ CÁC LỰC PHI QUÁN TÍNH
Trần Quốc Hà1
1. Mở đầu
Newton xây dựng ba định luật học tiếng đưa
khái niệm hệ qui chiếu qn tính Đó hệ qui chiếu mà ba định luật Newton nghiệm Mọi hệ qui chiếu đứng yên hay chuyển động thẳng với hệ qui chiếu quán tính hệ qui chiếu qn tính Vậy, có tồn
hệ qui chiếu quán tính ban đầu để so sánh?
Ở thời đại Newton, người ta quan niệm Vũ trụ gồm Hệ Mặt trời với Mặt
trời đứng yên tâm, hành tinh chuyển động xung quanh phía xa bầu
trời bất động Ln ln dựng hệ qui chiếu có tâm Mặt
trời (đúng tâm quán tính Hệ Mặt trời) ba trục hướng tới ba Hệ tự thân khơng cần so sánh ln đứng n, ln hệ qui chiếu qn tính Chính người ta nói học Newton vừa mang tính tương đối (chuyển động có tính so sánh) vừa mang tính tuyệt đối
Cùng với phát triển thiên văn, người ta hiểu Mặt trời ngơi bình thường Vũ trụ bao la Mặt trời quay quanh tâm Ngân hà Ngân hà chạy xa khỏi thiên hà khác Vũ trụ dãn nở Như
vậy khơng có đứng n tuyệt đối dành cho Mặt trời Chuyển động có gia tốc
là chuyển động phổ biến vũ trụ Thật khó kiếm hệ qui chiếu quán tính
tự thân Trong định luật Newton nghiệm cho hệ qui chiếu
quán tính Vậy để vận dụng định luật Newton hình thức?
Điều được giải cách đưa khái niệm hệ qui
chiếu phi qn tính lực qn tính Tuy nhiên, lực qn tính khơng phải lực
thật nên người ta ngần ngại sử dụng sách vật lý phổ thơng Chính
điều gây nên lẫn lộn khó khăn việc hiểu sử dụng hệ qui chiếu
phi quán tính dạy học vật lý
2. Hệ qui chiếu phi quán tính lực quán tính 2.1. Định nghĩa
Xét hệ qui chiếu O’ chuyển động với gia tốc a0
so với hệ qui chiếu quán tính O
(2)Ý kiến trao đổi Trần Quốc Hà
Xét vật có khối lượng m chuyển động với gia tốc a ' hệ O’ Khi đó,
so với hệ O theo nguyên lý Galillee ta có gia tốc acủa vật hệ O sau:
0
aa a ' Nhân vế với m chuyển đổi sau:
0
mama ma ' (1) Trong hệ qn tính O ta có:
Fma Giả sử đặt -ma0 F
nào ta viết (1) là: F F nào ma '
hay Fma '
(2)
Cơng thức (2) hình thức định luật hai Newton cho hệ phi quán
tính O’
Như vậy, cơng nhận có lực Fnào đó hệ phi qn tính O’ sử dụng định luật Newton Lực gọi lực qn tính (hay cịn gọi lực
qn tính kéo theo) Cơng thức (2) viết lại là:
qt
F F ma ' Tính chất lực quán tính:
qt
F m.a
- Lực quán tính xuất hệ phi quán tính
- Lực qn tính khơng phải tương tác thực nên cịn bị coi giả lực
(pseudoforces) Nhưng lực bỏ qua muốn áp dụng định
luật Newton hệ phi quán tính
- Lực quán tính tỷ lệ với khối lượng vật (đây tính chất quan trọng mà
Einstein vận dụng để phát biểu nguyên lý tương đương) - Lực quán tính khơng có phản lực
Một số sách cũ muốn tránh né hệ phi quán tính thường thay lực quán tính
(3)Ý kiến trao đổi Số 14 năm 2008
3. Áp dụng cho trái đất
Xét toán học cho vật trái đất Hệ qui chiếu đặt bề mặt Trái đất khơng phải hệ qui chiếu qn tính hai lý do:
- Trái đất tự quay quanh trục
- Trái đất quay quanh mặt trời
Khi đó, xét chuyển động vật ta thấy xuất lực qn tính Có
hai trường hợp sau:
- Vật đứng yên bề mặt trái đất: chịu tác dụng lực ly trục quán
tính (một số sách gọi lực ly tâm quán tính)
- Vật chuyển động với vận tốc v: ngồi lực vật cịn chịu tác động
lực Coriolis
Xét toán lực Coriolis
Lực Coriolis lực quán tính tên theo nhà bác học Pháp Coriolis Lực giải thích tượng xói mịn bờ sơng phía tay phải dòng chảy bắc
bán cầu chảy theo kinh tuyến Trái đất; lệch phía đơng vật tự do, gió mùa đơng bắc, tây nam… Dưới ta minh họa hướng tác động lực Coriolis trường hợp cụ thể
Bài toán lực Coriolis
Lực Coriolis tác động lên vật chuyển động bề mặt trái đất trái đất chuyển động quay quanh trục
c
F 2m v
Trong đó: Fc
: lực Coriolis
m: khối lượng vật
: Vận tốc góc Trái Đất Trái đất chuyển động quay.
v: Vận tốc chuyển động vật. Xét bán cầu bắc:
1 Chuyển động theo kinh tuyến:
a Từ xích đạo cực:
Lực Coriolis hướng phía đơng
(4)Ý kiến trao đổi Trần Quốc Hà
b Từ cực xích đạo: Lực hướng phía tây
(Tức lệch sang phải hướng người chuyển động)
2 Chuyển động theo vĩ tuyến:
a. Từ đông sang tây:
Lực hướng vào lòng trái đất
v
c
F
O
v
c
F
v
c
F
O Hình1
Hình
(5)Ý kiến trao đổi Số 14 năm 2008
b. Từ tây sang đông:
Lực hướng trái đất
3 Chuyển động vật theo phương trọng trường:
a Rơi tự do:
Lực hướng vật rơi lệch phía đơng
v
c
F
O
v
c
F
O
Hình
(6)Ý kiến trao đổi Trần Quốc Hà
b. Vật ném lên không trung:
Lực hướng vật lệch phía tây
4. Kết luận
Nhờ đưa vào khái niệm lực qn tính người ta giải thích
nhiều vấn đề sống Ngay nhà bác học thiên tài Einstein nhận thấy vai
trị lực qn tính, từ rút nguyên lý tương đương để xây dựng thuyết tương đối rộng vĩ đại Trong khn khổ báo tác giả nhấn mạnh đến lực Coriolis nhằm giải đáp câu hỏi giáo viên dạy địa lý 10,
trong sách địa lý lớp 10 nâng cao đề cập đến trường hợp lực Coriolis
(chuyển động theo kinh tuyến) Vấn đề khó khăn giáo viên tính tốn
hướng lực tích vectơ hai vectơ: vectơ vận tốc góc trái đất vận tốc dài vật Bằng hình vẽ minh họa cho thấy hướng lực Coriolis trường hợp cụ thể: Chuyển động theo kinh tuyến, vĩ tuyến theo
đường trọng trường trái đất
Vấn đề lực qn tính cịn tác giả đề cập số báo sau
nhằm giúp giáo viên sinh viên hiểu rõ khái niệm trọng lượng tượng tăng giảm trọng lượng, v.v…
O
v
c
F
(7)Ý kiến trao đổi Số 14 năm 2008
TÀI LIỆU THAM KHẢO
[1] Lương Duyên Bình (chủ biên) (1999), Vật lý đại cương tập 1, NXB Giáo dục
[2] Nguyễn Thế Khôi (Tổng chủ biên) (2002), Vật lý 10; NXB Giáo dục
[3] Nguyễn Hữu Mình (chủ biên) (1999), Cơ học, NXB Giáo dục
[4] Lê Thông (Tổng chủ biên) (2006), Địa lý 10 nâng cao, NXB Giáo dục
[5] Trần Quốc Trân (1997), Giáo trình vật lý đại cương Cơ nhiệt I, I, Tủ sách Đại học đại cương Tp HCM
[6] L.D.Landau, AI Kitaigorodxki (2001), Vật lý đại chúng, NXB KH&KT [7] Halliday, Resnick, Krane (1992), Physics , 4thed, JohnWiley& Sons, Inc [8] X.P.Strencop (1975), Cơ học, NXB Khoa học (bảng tiếng Nga)
Tóm tắt
Gần đây, khái niệm hệ qui chiếu phi quán tính lực quán tính đưa vào chương trình vật lý địa lý phổ thông Tuy nhiên, việc giảng dạy vận dụng nhiều lúng túng Đây viết giúp người đọc hiểu rõ
vấn đề
Abstract
The noninertial Frames and inertial (pseudoforces) forces