Chuyển động tròn đều, Công thức tính Tốc độ góc, Tốc độ dài và Gia tốc hướng tâm - Vật lý 10 bài 5

Vậy chuyển động tròn đều là gì? Tốc độ góc, tốc độ dài, gia tốc hướng tâm của chuyển động tròn được tính theo công thức nào? Chúng ta cùng tìm hiểu qua bài viết dưới đây.

I. Chuyển động tròn

1. Chuyển động tròn là gì?

• Định nghĩa: Chuyển động tròn là chuyển động có quỹ đạo là một đường tròn.

2. Vận tốc trung bình trong chuyển động tròn

• Định nghĩa: Tốc độ trung bình trong chuyển động tròn

- Tốc độ trung bình = (Độ dài cung tròn mà vật đi được)/(Thời gian chuyển động)

3. Chuyển động tròn đều

• Định nghĩa: Chuyển động tròn đều là chuyển động có quỹ đạo tròn và có tốc độ trung bình trên mọi cung tròn là như nhau.

II. Tốc độ góc và Tốc độ dài trong chuyển động tròn

1. Tốc độ dài trong chuyển động tròn

- Công thức tính tốc độ dài (độ lớn tức thời trong chuyển động tròn đều):

- Trong chuyển động tròn đều, tốc độ dài của vật không đổi.

2. Vectơ vận tốc trong chuyển động tròn đều

- Với điều kiện cung tròn có độ dài rất nhỏ, có thể coi như một đoạn thẳng, người ta dùng một vectơ vừa để chỉ quãng đường đi được vừa để chỉ hướng của chuyển động, được gọi là vectơ độ dời.

- Vì trùng với một đoạn cung tròn tại M nên nó nên nó nằm dọc theo tiếp tuyến với đường tròn quỹ đạo tại M, cùng hướng với nên nó cũng nằm theo tiếp tuyến tại M.

- Vectơ vận tốc trong chuyển động tròn đều luôn có phương tiếp tuyến với đường tròn quỹ đạo.

3. Công thức tính Tốc độ góc, chu kỳ, tần số trong chuyển động tròn đều

a) Tốc độ góc là gì?

• Định nghĩa: Tốc độ góc của chuyển động tròn là đại lượng đo bằng góc mà bán kính OM quét được trong một đơn vị thời gian. Tốc độ góc của chuyển động tròn đều là đại lượng không đổi.

- Công thức:

b) Đơn vị đo tốc độ góc

- Nếu Δα: đo bằng rađian; Δt: đo bằng giây thì đơn vị của ω là rad/s.

c) Chu kì của chuyển động tròn đều

- Chu kì T của chuyển động tròn đều là thời gian để vật đi được một vòng.

- Công thức liên hệ giữa Tốc độ góc ω và chu kỳ T:

- Đơn vị của chu kỳ T là giây (s).

d) Tần số của chuyển động tròn đều

- Tần số f của chuyển động tròn đều là số vòng mà vật đi được trong 1 giây.

- Công thức liên hệ giữa chu kỳ T và tần số f:

- Đơn vị của f là vòng/s hoặc héc (Hz).

e) Công thức liên hệ giữa tốc độ dài và tốc độ góc

- Công thức:

III. Gia tốc hướng tâm trong chuyển động tròn đều

1. Hướng của vectơ gia tốc trong chuyển động tròn đều

- Trong chuyển động tròn đều, vân tốc tuy có độ lớn không đổi, nhưng hướng luôn thay đổi, nên chuyển động này có gia tốc. Gia tốc trong chuyển động tròn đều luôn hướng vào tâm của quỹ đạo nên gọi là gia tốc hướng tâm.

2. Độ lớn của gia tốc hướng tâm

- Công thức tính gia tốc hướng tâm:

IV. Bài tập vận dụng v, ω, T, f trong chuyển động tròn đều.

- Như vậy để vận dụng nội dung lý thuyết của chuyển động tròn đều để tính các chỉ số: Vận tốc góc, vận tốc dài, chu kỳ, tần số chúng ta cần ghi nhớ những ý chính sau:

• Chuyển động tròn đều là chuyển đọng có các đặc điểm:

- Quỹ đạo là một đường tròn

- Tốc độ trung bình trên mọi cung tròn là như nhau.

• Vectơ vận tốc của vật chuyển động tròn đều có:

- Phương tiếp tuyến với đường tròn quỹ đạo

- Độ lớn (vận tốc dài):

• Tốc độ góc: , là góc mà bán kính nối từ tâm đến vật quét được trong thời gian , đơn vị tốc độ góc là rad/s.

• Công thức liên hệ giữa tốc độ dài và tốc độ góc: v = rω

• Chu kỳ của chuyển động tròn đều là thời gian để vật đi được 1 vòng. Công thức liên hệ giữa chu kỳ và tốc độ góc là:

• Tần só của chuyển động tròn đều là số vòng mà vật đi được trong 1 giây. Đơn vị tần số là vòng/s hoặc héc (Hz). Công thức liên hệ giữa chu kỳ và tần số là:

• Gia tốc trong chuyển động tròn đều luôn hướng vào tâm quỹ đạo và có độ lớn là:

* Bài 8 trang 34 SGK Vật Lý 10: Chuyển động của vật nào dưới đây là chuyển động tròn đều?

A. Chuyển động của một con lắc đồng hồ.

B. Chuyển động của một mắt xích xe đạp.

C. Chuyển động của cái đầu van xe đạp đối với người ngồi trên xe, xe chạy đều.

D. Chuyển động của cái đầu van xe đạp đối với mặt đường, xe chạy đều.

° Lời giải bài 8 trang 34 SGK Vật Lý 10:

- Chọn đáp án: C. Chuyển động của cái đầu van xe đạp đối với người ngồi trên xe, xe chạy đều.

* Bài 9 trang 34 SGK Vật Lý 10: Câu nào đúng?

A. Tốc độ dài của chuyển động tròn đều phụ thuộc vào bán kính qũy đạo.

B. Tốc độ góc của chuyển động tròn đều phụ thuộc vào bán kính qũy đạo.

C. Với v và ω cho trước, gia tốc hướng tâm phụ thuộc vào bán kính qũy đạo.

D. Cả ba đại lượng trên không phụ thuộc vào bán kính qũy đạo.

° Lời giải bài 9 trang 34 SGK Vật Lý 10:

- Chọn đáp án: C. Với v và ω cho trước, gia tốc hướng tâm phụ thuộc vào bán kính qũy đạo.

- Vì ta có:

* Bài 10 trang 34 SGK Vật Lý 10: Chỉ ra câu sai. Chuyển động tròn đều có đặc điểm sau:

A. Quỹ đạo là đường tròn.

B. Vectơ vận tốc không đổi.

C. Tốc độ góc không đổi.

D. Vectơ gia tốc luôn hướng vào tâm.

° Lời giải bài 10 trang 34 SGK Vật Lý 10:

- Chọn đáp án: B.Vectơ vận tốc không đổi.

- Vì Vectơ vận tốc trong chuyển động tròn đều có độ lớn không đổi nhưng có hướng luôn thay đổi, do đó vectơ vận tốc thay đổi.

* Bài 11 trang 34 SGK Vật Lý 10: Một quạt máy quay với tần số 400 vòng/ phút. Cách quạt dài 0,8m. Tính tốc độ dài và tốc độ góc của một điểm ở đầu cánh quạt.

° Lời giải bài 11 trang 34 SGK Vật Lý 10:

- Ta có: f = 400 (vòng/phút) = 400/60 = 20/3 (vòng/s).

- Tốc độ góc của một điểm bất kì ở đầu cánh quạt là:

- Tốc độ dài của điểm trên đầu cánh quạt là: V = R.ω = 0,8.41,867 = 33,493 (m/s).

* Bài 12 trang 34 SGK Vật Lý 10: Bánh xe đạp có đường kính 0,66 m. Xe đạp chuyển động thẳng đều với vận tốc 12 km/h. Tính tốc độ dài và tốc độ góc của một điểm trên vành bánh đối với người ngồi trên xe.

° Lời giải bài 12 trang 34 SGK Vật Lý 10:

- Ta có bán kinh của xe đạp là: R=d/2 = 0,66/2 = 0,33(m).

- Khi xe đạp chuyển động thẳng đều, một điểm M trên vành bánh xe đối với người quan sát ngồi trên xe chỉ chuyển động tròn đều, còn đối với mặt đất, điểm M còn tham gia chuyển động tịnh tiến khi đó tốc độ dài của M bằng tốc độ dài của xe: v = 12 km/h = 12000(m)/3600(s) = 10/3 (m/s).

- Tốc độ góc của một điểm trên vành bánh đối với người ngồi trên xe là:

* Bài 13 trang 34 SGK Vật Lý 10: Một đồng hồ treo tường có kim phút dài 10 cm và kim giờ dài 8 cm. Cho rằng các kim quay đều. Tính tốc độ dài và tốc độ góc của điểm đầu hai kim.

° Lời giải bài 13 trang 34 SGK Vật Lý 10:

- Ta thấy, khi kim phút quay 1 vòng được 1h → Chu kì quay tròn của điểm đầu kim phút là: Tp = 1h = 3600 s

- Kim giờ quay 1 vòng hết 12 h → Chu kì quay tròn của điểm đầu kim giờ là: Tg = 12h = 43200 s.

- Áp dụng công thức liên hệ giữa tốc độ dài và tốc độ góc:

◊ Như vậy:

- Tốc độ dài của kim phút là:

- Tốc độ góc của kim phút là:

- Tốc độ dài của kim giờ: Ta có, bán kính R=8cm=0,08m, kim giờ quay 1 vòng hết 12 nên chu kỳ quay của kim giờ là Tg = 12h = 43200(s), nên:

* Bài 14 trang 34 SGK Vật Lý 10: Một điểm nằm trên vành ngoài của một lốp xe máy cách trục của xe 30 cm. Xe chuyển động thẳng đều. Hỏi bánh xe phải quay bao nhiêu vòng thì số chỉ trên đồng hồ tốc độ của xe sẽ nhảy một số ứng với 1 km.

° Lời giải bài 14 trang 34 SGK Vật Lý 10:

- Ta có, R = 30(cm) = 0,3(m).

- Khi bánh xe quay được một vòng thì xe đi được quãng đường bằng chu vi của bánh xe. Quãng đường mà một vòng đi được là chu vi của vòng tròn:

s = C = 2πR = 2. 3,14. 0,3 = 1,884(m).

⇒ Vậy để đi được 1km = 1000m thì bánh xe phải quay số vòng là: (vòng).