Trọng lực và Khối lượng Hướng dẫn

Tổng quan

Trọng lực là lực mà các vật thể chịu tác động do sự hấp dẫn của Trái đất. Đây là lực mà chúng ta quen thuộc nhất trong cuộc sống: những quả táo chín rơi xuống đất và nước chảy xuống thấp đều là tác động của trọng lực. Thí nghiệm này nhằm mục đích điều tra định lượng xem có mối quan hệ tỷ lệ cố định giữa trọng lực của một vật thể và khối lượng của nó hay không bằng cách treo số lượng quả cân móc khác nhau trên lực kế lò xo.

Bối cảnh

• 1687: Isaac Newton đề xuất Định luật Vạn vật hấp dẫn trong 'Philosophiæ Naturalis Principia Mathematica', giải thích tại sao táo rơi và các hành tinh quay quanh mặt trời.
• Newton chỉ ra rằng: Có một lực hấp dẫn giữa hai vật thể bất kỳ. Trọng lực trên bề mặt Trái đất thực chất là (một thành phần của) lực hấp dẫn của Trái đất lên các vật thể.
• Ông cũng phân biệt rõ ràng giữa các khái niệm 'Khối lượng' (thước đo quán tính) và 'Trọng lượng' (thước đo lực hấp dẫn).

Khái niệm chính

Công thức và diễn giải

Các bước thí nghiệm

1. 1

   Hiệu chuẩn về không

   Khi không có quả cân móc nào được gắn vào, hãy quan sát xem kim của lực kế lò xo có chỉ vào vạch chia độ không hay không (tự động hiệu chuẩn trước khi thí nghiệm bắt đầu).
2. 2

   Tải tuần tự

   Nhấp vào 'Thêm quả cân 50g' hoặc 'Thêm quả cân 100g'. Mỗi lần bạn treo một quả, hãy đọc giá trị Newton (N) hiển thị trên lực kế.
3. 3

   Ghi chép và Tính toán

   Quan sát bảng bên phải. Chia trọng lực đo được $G$ cho khối lượng $m$ (chú ý chuyển đổi đơn vị, 100g = 0.1kg) để tính tỷ số $G/m$.
4. 4

   Vẽ đồ thị

   Quan sát những thay đổi trong đồ thị $G-m$. Nếu các điểm thực nghiệm này phân bố trên một đường thẳng đi qua gốc tọa độ, điều đó cho thấy mối quan hệ tỷ lệ thuận trực tiếp giữa chúng.
5. 5

   So sánh đa môi trường

   Chuyển sang môi trường 'Mặt trăng'. Lặp lại các bước trên để xem trọng lực tác dụng lên một vật thể có cùng khối lượng thay đổi như thế nào trên Ttrăng.

Mục tiêu học tập

• Xác nhận mối quan hệ tỷ lệ thuận trực tiếp giữa trọng lực và khối lượng, và nắm vững công thức $G = mg$.
• Hiểu ý nghĩa của hằng số trọng trường $g$ và đơn vị của nó $\text{N/kg}$.
• Học cách xử lý dữ liệu thực nghiệm bằng phương pháp đồ thị và phân tích trực quan các quy luật giữa các đại lượng vật lý.
• Nhận ra rằng độ lớn của trọng lực bị ảnh hưởng bởi môi trường (các hành tinh khác nhau), trong khi khối lượng vẫn không đổi.

Ứng dụng thực tế

• Cân: Cân điện tử trên thị trường thực chất đo áp suất (trọng lực), sau đó chuyển đổi lại thành khối lượng thông qua $1/g$ để hiển thị cho người dùng.
• Kỹ thuật xây dựng: Trọng lượng bản thân của vật liệu phải được tính toán chính xác trong thiết kế cầu và các tòa nhà cao tầng để đảm bảo an toàn kết cấu.
• Thám hiểm không gian: Các phi hành gia ở trạng thái không trọng lượng trong không gian, không phải vì trọng lực biến mất, mà vì trọng lực đóng vai trò hoàn toàn là lực hướng tâm do quỹ đạo tốc độ cao.

Sự hiểu lầm phổ biến

Đọc thêm

• Gravity - Wikipedia
• Khan Academy - Mass and Weight