Giáo án Vật lý 10 bài 40: Các định luật Kepler, chuyển động của vệ tinh

Ngày soạn: 15/02/2011 Ngày dạy: 21/02/2011
Tiết 60 Lớp 10A3
Bài 40
CÁC ĐỊNH LUẬT KEPLER. CHUYỂN ĐỘNG CỦA VỆ TINH
I - MỤC TIÊU
Kiến thức
Có khái niệm đúng về hệ nhật tâm
Nắm được nội dung của ba định luật Ke-ple và hệ quả suy ra tự nó!
Kỹ năng
Vận dụng định luật keple để giải một số bài toán.
II - CHUẨN BỊ 
1 Giáo viên
- Dụng cụ thí nghiệm mô phỏng hệ mặt trời và các hành tinh.
- Bảng số liệu về hệ mặt trời.
2 Học sinh
- Chuyển động tròn, chuyển động tròn đều.
- Định luật vạn vật hấp dẫn và biểu thức.
3. Gợi ý ứng dụng công nghệ thông tin.
- Mô phỏng hệ mặt trời và chuyển động của nó.
III - TỔ CHỨC HOẠT ĐỘNG DẠY HỌC
1. Ổn định lớp.
2. Kiểm tra bài cũ: (3 phút)
Phát biểu và viết công thức về định luật vạn vật hấp dẫn, gia tốc hướng tâm trong chuyển động tròn đều ?
Đáp án:
+ Lực hấp dẫn giữa hai vật (coi như chất điểm) có độ lớn tỉ lệ thuận với tích của hai khối lượng của chúng và tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng.
Trong đó:
G là hằng số hấp dẫn
 ( G=6,67.10-11 Nm2/Kg2 )
m1, m2 là khối lượng hai vật
r2 là khoảng cách hai vật
52%
TT Vĩnh Bình, Ngày  tháng  năm 2011.
Giáo sinh thực hiện
Ký tên
Trần Ngọc Thới
+ Gia tốc hướng tâm của một vật tỉ lệ thuận với lực tác dụng vào vật và tỉ lệ nghịch với khối lượng của nó.
3. Đặt vấn đề: (2 phút)
 Mỗi buổi sáng ngủ dậy ta thấy Mặt trời ở hướng Đông, đến chiều ta thấy Mặt trời ở hướng Tây. Điều đó có phải do Mặt trời quay quanh Trái đất không hay ngược lại và chúng vì sao chúng lại tự quay như thế? Bài học hôm nay sẽ giúp chúng ta hiểu rõ hơn về các hiện tượng này, qua Bài 40: Các định luật bảo toàn. Chuyển động của vệ tinh.
4. Nội dung bài học:
Hoạt động 1: Mở đầu (5 phút)
Hoạt động của GV
Hoạt động của HS
Nội dung
Giới thiệu về việc nghiên cứu vũ trụ.
Từ xa xưa con người đã nghiên cứu vị trí các vì sao, thời tiết thay đổi bốn mùa và hiện tượng hằng ngày mỗi sáng chúng ta thấy Mặt Trời rất to ở phía Đông, chiều về nó nằm hướng Tây, phải chăng nó đã quay quanh Trái Đất, hay nó mọc phía Đông và lặn phía Tây? 
- Thuyết địa tâm của Ptô-lê-mê cho rằng Trái Đất là trung tâm của vũ trụ.
- Thuyết nhật tâm của Cô-péc-nic (1543) lại nói Mặt Trời đứng yên còn các hành tinh quay quanh nó.
Dựa trên thực tế quan sát đựơc vị trí các hành tinh trong nhiều năm thì nhà bác học Kê-ple đã tìm ra 3 định luật mô tả chính xác quy luật chuyển động của các hành tinh năm 1619.
Học sinh lắng nghe và ghi nhớ
Nghe và chú ý các hình minh hoạ. Vẽ hình:
O
M
F2
b
F1
a
Hình 40.1
Mỗi elip có hai trục vuông nhau. Trong đó:
a là bán trục lớn
b là bán trục nhỏ
F1, F2 là hai tiêu điểm của elip, chúng nằm đối xứng với hai trục lớn sao cho:
MF1 + MF2 = 2a = hằng số
1.Mở đầu
Trong hệ Mặt Trời, các hành tinh chuyển động quanh Mặt Trời theo quỹ đạo hình elip.
+ Thuyết địa tâm của Ptô-lê-mê cho rằng Trái Đất là trung tâm của vũ trụ.
+ Thuyết nhật tâm: Mặt trời là trung tâm vũ trụ hay các hành tinh chuyển động quay quanh Mặt Trời.
Dựa vào những hiện tượng thiên văn và qua quan sat thực tế trong nhiều năm thì nhà bác học Kê-ple đã tìm ra 3 định luật mô tả chính xác quy luật chuyển động của các hành tinh năm 1619.
Họat động 2: Tìm hiểu các định luật Kê-ple. (20 phút)
Hoạt động của GV
Hoạt động của HS
Nội dung
Định luật 1:
Thực tế Trái Đất chuyển động quanh Mặt Trời nhưng vì Trái Đất quay xung quanh nó nên ta thấy như vậy.
Các hành tinh trong hệ Mặt Trời cũng quay xung quanh Mặt Trời quỹ đạo của chúng là hình Elip mà Mặt Trời là một tiêu điểm. Quy luật này được nhà bác học Kê-ple tìm thấy năm 1619 chính là quy luật I Kê-ple.
- Học sinh nhìn vào SGK phát biểu lại?
Định luật 2: 
Ông còn tìm ra một quy luật là đoạn thẳng nối Mặt Trời và các hành tinh sẽ quét được diện tích bằng nhau trong khoảng thời gian như nhau.
- GV vẽ hình minh hoạ.
- Từ hình vẽ chúng ta nhận xét gì khi các hành tinh đi gần và xa Mặt Trời?
Gợi ý học sinh trả lời câu hỏi C1:
Ta rút ra hệ quả.
GV cũng cố lại: Do diện tích quét bằng nhau trong khoảng thời gian như nhau nên khi đi gần Mặt Trời các hành tinh sẽ chuyển động nhanh hơn khi ở xa Mặt Trời.
Định luật 3: 
Nếu ta coi quỹ đạo các hành tinh là hình tròn thì ta thấy có mối liên hệ gì giữa bán kính và chu kì chuyển động? 
Lực hướng tâm tác dụng vào các hành tinh được viết như thế nào? 
Biểu diễn gia tốc hướng tâm theo chu kỳ chuyển động của hành tinh?
 Thử tìm biểu thức toán học biểu diễn mối quan hệ đó?
Gợi ý: 
Ta viết biểu thức lực hướng tâm tác dụng và đó chính là lực hấp dẫn của Mặt Trời từ đó tìm mối liên hệ.
Suy ra định luật III Keple.
Hoc sinh phát biểu định luật I.
Mọi hành tinh đều chuyển động theo các quỹ đạo Elip mà Mặt Trời là một tiêu điểm.
Dựa vào hướng dẫn GV, HS suy nghĩ trả lời.
 Từ gợi ý của GV, HS suy nghĩ trả lời câu hỏi C1.
Ba diện tích gạch chéo là bằng nhau ứng với cùng một khoảng thời gian, do đó các độ dời sẽ là s1 > s2 > s3. Từ đó suy ra v1 > v2 > v3, tức là khi đi gần Mặt Trời, hành tinh có vận tốc lớn và khi đi xa Mặt Trời, hành tinh có vận tốc nhỏ.
- HS chú ý và lắng nghe gợi ý.
HS trả lời.
F1= M1.a1
 = M1.(v2/R1) 
 = M1 (2R2 /T12)
 = M1R1. 42/ T12 
F2= M2.a2
 = M2.(v2/R2) 
 = M2(2R2 /T22 )
 = M2R2. 42/ T22
HS nhắc lại định luật III.
Tỉ số giữa lập phương bán trục lớn và bình phương chu kỳ quay là giống nhau cho mọi hành tinh quay quanh Mặt Trời.
Các định luật kê-ple
a/ Định luật 1: Mọi hành tinh đều chuyển động theo các quỷ đạo elip mà Mặt Trời là một tiêu điểm.
b/ Định luật 2: Đoạn thẳng nối mặt trời và một hành tinh bất kỳ quét những diện tích bằng nhau trong những khoảng thời gian như nhau.
S3
S2
S1
Mặt Trời
Hình 40.2
Hệ quả:
Khi đi gần Mặt Trời, hành tinh có tốc độ lớn; khi đi xa MặtTrời, hành tinh có tốc độ nhỏ.
c/ Định luật 3:
Xét chuyển động của hai hành tinh có khối lượng lần lượt là M1 và M2 quanh Mặt Trời (MT:khối lượng Mặt Trời)
Lực hướng tâm tác dụng lên mỗi hành tinh là:
F1= M1.a1
 = M1.(v2/R1) 
 = M1 (2R2 /T12)
 = M1R1. 42/ T12 (1)
F2= M2.a2
 = M2.(v2/R2) 
 = M2(2R2 /T22 )
 = M2R2. 42/ T22 (2)
 Lực hướng tâm chính là lực hấp dẫn của Mặt Trời và mỗi hành tinh đó. Từ (1) và (2) ta được:
G.(M1MT/R12)=M1R1(42/T12) G.(M2MT/R22)=M2R2(42/T22)
Suy ra:
R13/T12 = GMT/42
R23/T22 = GMT/42
So sánh hai biểu thức, ta được:
R13/T12= R23/T22=....= Ri3/Ti2
Công thức đúng của định luật:
a13/T12= a23/T22=....= ai3/Ti2
Định luật 3: Tỉ số giữa lập phương bán trục lớn và bình phương chu kỳ quay là giống nhau cho mọi hành tinh quay quanh Mặt Trời.
Hay đối với hai hành tinh bất kỳ:
Hoạt động 3: Vệ tinh nhân tao. Vận tốc vụ trụ. (10 phút)
Hoạt động của GV
Hoạt động của HS
Nội dung
Chúng ta đã học về vật ném xiên lên độ cao nào đó thì nó sẽ rơi trở lại Trái Đất do lực hấp dẫn của Trái Đất.
Vậy chúng ta nghiên cứu xem vận tốc ném xiên rất lớn thì vị trí rơi sẽ như thế nào?
Nếu tiếp tục tăng vận tốc của vật đến giá trị nào đó thì vật sẽ không rơi trở lại mà sẽ chuyển động quanh mặt đất. Lúc đó lực hấp dẫn đóng vai trò là lực hướng tâm giữ cho vật quay quanh Trái Đất.
Vật có khối lượng m được ném lên từ Mặt Đất vậy độ lớn vận tốc phải bằng bao nhiêu để vật trở thành vệ tinh nhân tạo của Trái Đât?
Gợi ý: Áp dụng định luật II Niutơn cho vật chuyển động quanh Trái Đất.
Coi vệ tinh chuyển động trên quỹ đạo tròn thì lực nào đóng vai trò là lực hướng tâm?
- Vận tốc ta tính chính là vân tõc vũ trụ câp I.
GV nêu ý nghĩa của vận tốc vũ trụ cấp I.
v1 = 7,9 km/s
Sau đó thông báo các vận tốc vũ trụ cấp II, III :
vII = 11,2km/s và vIII= 16,7km/s.
Gv nhận xét và cũng cố lại bài học.
HS lắng nghe và ghi nhận.
HS trả lời.
Lực hấp dẫn đóng vai trò là lực hướng tâm.
Vệ tinh nhân tạo. Tốc độ vũ trụ.
Tốc độ cần thiết để phóng một vệ tinh lên quỹ đạo quanh Trái Đất mà không trở về Trái Đất gọi là tốc độ vũ trụ cấp 1.
Giả sử m là khối lượng của Vệ tinh
 M là khối lượng của Trái đất.
=>Lúc này lực hấp dẫn đóng vai trò là lực hướng tâm cần thiết giữ cho Vệ tinh chuyển động tròn đều xung quanh Trái đất.
Theo định luật II Nitơn, ta có:
 Fhd = m.aht
ó G.mM/R2 = mv2/R
=> 
=> 
Là tốc độ vũ trụ cấp I
Ký hiệu: v1 = 7,9.103 m/s
Nếu vận tốc của vệ tinh lớn hơn 7,9.103m/s thì vệ tinh sẽ có quỹ đạo elip.
+ Với v2 = 11,2km/s là vận tốc vũ trụ cấp hai. Khi đó, vệ tinh sẽ trở thành vệ tinh nhân tạo của Mặt trời.
+ Với v3 = 16,7km/s là vận tốc vũ trụ cấp ba. Khi đó, vệ tinh chuyển động theo quỹ đạo hyperbol và thoát khỏi hệ Mặt trời.
Hoạt động 4: Bài tập vận dụng. (5 phút)
Hoạt động của GV
Hoạt động của HS
Giải
Bài 1: Khoảng cách R1 từ Hoả tinh tới Mặt trời lớn hơn 52% khoảng cách R2 giữa Trái đất và Mặt trời.
Hỏi một năm trên Hoả tinh bằng bao nhiêu so với một năm trên Trái đất?
Bài 2: Tìm khối lượng MT của Mặt trời từ các dự kiện của Trái đất: khoảng cách từ Mặt trời r= 1,5.1011m, chu kỳ quay
T=365.24.3600=3,15107s
Cho hằng số hấp dẫn G=6,67.10-11Nm2/kg2
Đọc kỹ đề và giải; kết hợp với hướng dẫn của GV.
Giải:
Ta có:
R1 là khoảng cách từ Hoả tinh tới Mặt trời.
R2 là khoảng cách từ Trái đất tới Mặt trời.
Theo đề bài ta lại có:
R1 = 52%.R2 + R2
Gọi T1 là năm trên Hoả tinh
 T2 là năm trên Trái đất.
AD định luật III Keple:
 hay 
Suy ra:
(T1/T2)2=(1,52R2/R2)3
 =(1,52)3
 =3,5
T1 = 1,87T2
Đọc kỹ đề và giải; kết hợp với hướng dẫn của GV.
Giải:
G.MTĐ.MT/r2=MTĐ.(4π2r/T2)
=>
 = 2.1030 kg.
MT
R1
R2
Bài 1:
Ta có:
R1 là khoảng cách từ Hoả tinh tới Mặt trời.
R2 là khoảng cách từ Trái đất tới Mặt trời.
Theo đề bài ta lại có:
R1 = 52%.R2 + R2
Gọi T1 là năm trên Hoả tinh
 T2 là năm trên Trái đất.
AD định luật III Keple:
 hay 
Suy ra:
(T1/T2)2=(1,52R2/R2)3
 =(1,52)3
 =3,5
T1 = 1,87T2
Vậy một năm trên Hoả tinh bằng 1,87 năm trên Trái đất.
Bài 2:
Vì Fhd do Mặt trời tác dụng lên Trái đất đóng vai trò là lực hướng tâm
Nên ta có:
Fht = MTĐ.aht
G.MTĐ.MT/r2= MTĐ.(4π2r/T2)
=>
 = 2.1030 kg.
Hoạt động 5: Vận dụng, củng cố
Hoạt động của GV
Hoạt động của HS
GV nhắc lại các định luật Keple và biểu thức.
- Nêu ý nghĩa của vận tốc vũ trụ cấp I, II, III.
- Vệ tinh nhân tạo.
HS lắng nghe và ghi nhớ.
4. RÚT KINH NGHIỆM:
Giáo viên hướng dẫn phê duyệt
Ký tên
Lý Thanh Toàn