Đây là bản xem thử. Phiên bản đầy đủ trong ứng dụng có bài tập, AI chấm ngay và theo dõi tiến độ học.
Bài học
Định luật II Newton
Mục tiêu bài học
Sau bài này, em phát biểu đúng định luật II Newton dưới dạng công thức $F=ma$, xác định đúng đơn vị của lực là newton (N), và vận dụng công thức để tính lực, khối lượng hoặc gia tốc khi biết hai đại lượng còn lại — kể cả khi có nhiều lực cùng tác dụng lên vật.
Kiến thức nền cần nhớ
Bài trước cho em biết khi hợp lực bằng không, vật giữ nguyên vận tốc (same-grade bridge). Bài này xử lý trường hợp còn lại: hợp lực khác không. Em cũng cần nhớ lại khái niệm gia tốc — đại lượng đặc trưng cho độ nhanh chậm của sự thay đổi vận tốc — đã học ở phần động học đầu năm.
Khởi động
Đẩy một chiếc xe đẩy hàng trống với một lực nhất định, nó lướt đi khá nhanh. Đẩy đúng lực đó lên chiếc xe đang chất đầy hàng hoá, nó gần như không nhúc nhích. Cùng một lực, vì sao kết quả lại khác nhau đến vậy?
Kiến thức trọng tâm
Định luật II Newton phát biểu: gia tốc của một vật tỉ lệ thuận với hợp lực tác dụng lên vật và tỉ lệ nghịch với khối lượng của vật, cùng hướng với hợp lực. Viết dưới dạng công thức quen thuộc: $F=ma$, trong đó $F$ là độ lớn hợp lực (N), $m$ là khối lượng (kg), $a$ là gia tốc ($m/s^2$). Đơn vị newton được định nghĩa chính từ công thức này: 1 N là độ lớn của lực gây ra gia tốc $1 \, m/s^2$ cho vật có khối lượng 1 kg, tức là $1N = 1kg \cdot m/s^2$.
Công thức này giải thích ngay hiện tượng ở phần khởi động: với cùng một lực đẩy $F$, xe càng nặng (khối lượng $m$ càng lớn) thì gia tốc $a=F/m$ càng nhỏ, nghĩa là xe tăng tốc chậm hơn rõ rệt. Ngược lại, nếu giữ khối lượng không đổi mà tăng lực đẩy, gia tốc tăng theo đúng tỉ lệ — đẩy mạnh gấp đôi thì gia tốc tăng gấp đôi.
Chữ "hợp lực" trong định luật II rất quan trọng: khi một vật chịu tác dụng của nhiều lực cùng lúc, ta phải cộng các lực đó theo quy tắc vectơ để tìm hợp lực rồi mới áp dụng $F=ma$, chứ không được dùng riêng lẻ một lực nào. Với các lực cùng phương, việc cộng vectơ đơn giản hoá thành phép cộng đại số có dấu: lực cùng chiều chuyển động mang dấu dương, lực ngược chiều mang dấu âm. Nếu hai lực cùng chiều tác dụng lên một vật, ta cộng trực tiếp độ lớn của chúng để được hợp lực, giống như hai người cùng đẩy một chiếc xe theo một hướng; nếu ngược chiều, ta trừ lực nhỏ hơn ra khỏi lực lớn hơn, và hợp lực có chiều theo lực lớn hơn. Khi các lực không cùng phương — chẳng hạn một lực nằm ngang và một lực thẳng đứng — ta cần phân tích lực theo hai trục vuông góc trước khi cộng; kỹ năng này sẽ được vận dụng nhiều khi phân tích lực trên mặt phẳng nghiêng ở chương sau.
Để hình dung độ lớn của 1 N, em có thể liên tưởng: một quả táo khối lượng khoảng 100 g, khi đặt trên tay, tác dụng lên tay một lực gần bằng 1 N. Một học sinh khối lượng 50 kg có trọng lượng khoảng 490 N — một lực đủ lớn để cảm nhận rõ khi mang vác. Những con số này giúp em kiểm tra nhanh một đáp số tính được có hợp lý hay không: nếu tính ra lực tác dụng lên một chiếc hộp nhỏ mà kết quả lên tới hàng nghìn newton, rất có thể em đã tính nhầm ở đâu đó.
Khi hợp lực bằng không, công thức $a=F/m$ cho $a=0$ — vật không có gia tốc, tức giữ nguyên vận tốc, khớp hoàn toàn với định luật I đã học ở bài trước. Nói cách khác, định luật I là một trường hợp riêng của định luật II khi hợp lực bằng không; một số sách trình bày định luật I như hệ quả của định luật II, dù về mặt lịch sử Newton phát biểu chúng là hai định luật riêng biệt. Ở mức phổ thông, định luật II áp dụng cho vật có khối lượng không đổi trong suốt quá trình khảo sát; trường hợp khối lượng thay đổi theo thời gian, như tên lửa đốt nhiên liệu, cần một dạng mở rộng nằm ngoài chương trình lớp 10 — bài sau, khi phân tích lực đẩy tên lửa, ta sẽ tạm coi khối lượng tên lửa không đổi để đơn giản hoá bài toán, đúng như quy ước thường gặp ở đề phổ thông. Khi một ô tô đang chuyển động rồi phanh lại, lực hãm (do ma sát phanh) ngược chiều chuyển động, nên gia tốc cũng ngược chiều vận tốc — đây là trường hợp vật chuyển động chậm dần, một ứng dụng khác của định luật II mà em sẽ gặp lại khi phân tích lực ma sát ở chương sau.
Ví dụ
Tính lực cần thiết để tạo gia tốc cho ô tô
1
Một ô tô có khối lượng 1000 kg cần đạt gia tốc $2 \, m/s^2$ khi khởi hành. Tính độ lớn hợp lực mà động cơ và các lực cản tổng hợp lại phải tạo ra cho ô tô.
2
Theo định luật II Newton, $F=ma$, với $m=1000$ kg và $a=2 \, m/s^2$.
3
Ta có $F = 1000 \times 2 = 2000$ N.
4
Vậy hợp lực cần thiết là 2000 N. Đây chính là hợp lực còn lại sau khi lực kéo của động cơ đã trừ đi các lực cản như ma sát và sức cản không khí.
5
Nếu ô tô xuất phát từ trạng thái đứng yên và duy trì gia tốc này trong 5 giây, áp dụng công thức vận tốc đã học ở Course 2: $v=v_0+at=0+2 \times 5=10 \, m/s$, tức 36 km/h — một tốc độ hợp lý cho ô tô mới bắt đầu di chuyển.
Ví dụ
Hộp chịu đồng thời lực đẩy và lực cản
1
Một hộp khối lượng 2 kg đặt trên mặt phẳng nằm ngang không ma sát, chịu một lực đẩy 10 N theo phương ngang, đồng thời chịu một lực cản 4 N ngược hướng lực đẩy. Tính hợp lực và gia tốc của hộp.
2
Ta có chọn chiều lực đẩy làm chiều dương. Hợp lực dọc theo phương ngang là $F = 10 - 4 = 6$ N, cùng chiều lực đẩy.
3
Theo $F=ma$, ta có $a = F/m = 6/2 = 3 \, m/s^2$.
4
Ta có gia tốc dương và nhỏ hơn gia tốc nếu chỉ có lực đẩy tác dụng một mình ($10/2=5 \, m/s^2$) — hợp lý, vì lực cản đã làm giảm bớt hợp lực. Vậy hộp chuyển động nhanh dần với gia tốc 3 $m/s^2$, cùng hướng với lực đẩy.
Sai lầm thường gặp
Sai lầm phổ biến nhất là quên trừ lực cản, dẫn đến tính gia tốc từ lực đẩy 10 N thay vì hợp lực 6 N. Một sai lầm khác là quên đổi đơn vị khối lượng từ gam sang kilôgam trước khi thay vào công thức — $F=ma$ chỉ đúng khi $m$ tính bằng kg, $a$ tính bằng $m/s^2$ và $F$ tính bằng N.
Luyện tập có hướng dẫn
Luyện tập độc lập
Kiểm tra nhanh
Ghi nhớ
Định luật II Newton: $F=ma$, với $F$ là hợp lực. Gia tốc tỉ lệ thuận với hợp lực, tỉ lệ nghịch với khối lượng, và cùng hướng với hợp lực. Đơn vị lực là newton: $1N=1kg\cdot m/s^2$.
Bài tiếp theo hỏi thêm một câu: khi vật này tác dụng lực lên vật khác, vật kia có tác dụng ngược lại không? Đó là nội dung của định luật III Newton.
Sau bài này, em phát biểu đúng định luật II Newton dưới dạng công thức F=ma, xác định đúng đơn vị của lực là newton (N), và vận dụng công thức để tính lực, khối lượng hoặc gia tốc khi biết hai đại lượng còn lại — kể cả khi có nhiều lực cùng tác dụng lên vật.
Định luật II Newton phát biểu: gia tốc của một vật tỉ lệ thuận với hợp lực tác dụng lên vật và tỉ lệ nghịch với khối lượng của vật, cùng hướng với hợp lực. Viết dưới dạng công thức quen thuộc: F=ma, trong đó F là độ lớn hợp lực (N), m là khối lượng (kg), a là gia tốc (m/s2). Đơn vị newton được định nghĩa chính từ công thức này: 1 N là độ lớn của lực gây ra gia tốc 1m/s2 cho vật có khối lượng 1 kg, tức là 1N=1kg⋅m/s2.
Công thức này giải thích ngay hiện tượng ở phần khởi động: với cùng một lực đẩy F, xe càng nặng (khối lượng m càng lớn) thì gia tốc a=F/m càng nhỏ, nghĩa là xe tăng tốc chậm hơn rõ rệt. Ngược lại, nếu giữ khối lượng không đổi mà tăng lực đẩy, gia tốc tăng theo đúng tỉ lệ — đẩy mạnh gấp đôi thì gia tốc tăng gấp đôi.
Chữ "hợp lực" trong định luật II rất quan trọng: khi một vật chịu tác dụng của nhiều lực cùng lúc, ta phải cộng các lực đó theo quy tắc vectơ để tìm hợp lực rồi mới áp dụng F=ma, chứ không được dùng riêng lẻ một lực nào. Với các lực cùng phương, việc cộng vectơ đơn giản hoá thành phép cộng đại số có dấu: lực cùng chiều chuyển động mang dấu dương, lực ngược chiều mang dấu âm. Nếu hai lực cùng chiều tác dụng lên một vật, ta cộng trực tiếp độ lớn của chúng để được hợp lực, giống như hai người cùng đẩy một chiếc xe theo một hướng; nếu ngược chiều, ta trừ lực nhỏ hơn ra khỏi lực lớn hơn, và hợp lực có chiều theo lực lớn hơn. Khi các lực không cùng phương — chẳng hạn một lực nằm ngang và một lực thẳng đứng — ta cần phân tích lực theo hai trục vuông góc trước khi cộng; kỹ năng này sẽ được vận dụng nhiều khi phân tích lực trên mặt phẳng nghiêng ở chương sau.
Để hình dung độ lớn của 1 N, em có thể liên tưởng: một quả táo khối lượng khoảng 100 g, khi đặt trên tay, tác dụng lên tay một lực gần bằng 1 N. Một học sinh khối lượng 50 kg có trọng lượng khoảng 490 N — một lực đủ lớn để cảm nhận rõ khi mang vác. Những con số này giúp em kiểm tra nhanh một đáp số tính được có hợp lý hay không: nếu tính ra lực tác dụng lên một chiếc hộp nhỏ mà kết quả lên tới hàng nghìn newton, rất có thể em đã tính nhầm ở đâu đó.
Khi hợp lực bằng không, công thức a=F/m cho a=0 — vật không có gia tốc, tức giữ nguyên vận tốc, khớp hoàn toàn với định luật I đã học ở bài trước. Nói cách khác, định luật I là một trường hợp riêng của định luật II khi hợp lực bằng không; một số sách trình bày định luật I như hệ quả của định luật II, dù về mặt lịch sử Newton phát biểu chúng là hai định luật riêng biệt. Ở mức phổ thông, định luật II áp dụng cho vật có khối lượng không đổi trong suốt quá trình khảo sát; trường hợp khối lượng thay đổi theo thời gian, như tên lửa đốt nhiên liệu, cần một dạng mở rộng nằm ngoài chương trình lớp 10 — bài sau, khi phân tích lực đẩy tên lửa, ta sẽ tạm coi khối lượng tên lửa không đổi để đơn giản hoá bài toán, đúng như quy ước thường gặp ở đề phổ thông. Khi một ô tô đang chuyển động rồi phanh lại, lực hãm (do ma sát phanh) ngược chiều chuyển động, nên gia tốc cũng ngược chiều vận tốc — đây là trường hợp vật chuyển động chậm dần, một ứng dụng khác của định luật II mà em sẽ gặp lại khi phân tích lực ma sát ở chương sau.
Một ô tô có khối lượng 1000 kg cần đạt gia tốc 2m/s2 khi khởi hành. Tính độ lớn hợp lực mà động cơ và các lực cản tổng hợp lại phải tạo ra cho ô tô.
Theo định luật II Newton, F=ma, với m=1000 kg và a=2m/s2.
Ta có F=1000×2=2000 N.
Nếu ô tô xuất phát từ trạng thái đứng yên và duy trì gia tốc này trong 5 giây, áp dụng công thức vận tốc đã học ở Course 2: v=v0+at=0+2×5=10m/s, tức 36 km/h — một tốc độ hợp lý cho ô tô mới bắt đầu di chuyển.
Ta có chọn chiều lực đẩy làm chiều dương. Hợp lực dọc theo phương ngang là F=10−4=6 N, cùng chiều lực đẩy.
Theo F=ma, ta có a=F/m=6/2=3m/s2.
Ta có gia tốc dương và nhỏ hơn gia tốc nếu chỉ có lực đẩy tác dụng một mình (10/2=5m/s2) — hợp lý, vì lực cản đã làm giảm bớt hợp lực. Vậy hộp chuyển động nhanh dần với gia tốc 3 m/s2, cùng hướng với lực đẩy.
Sai lầm phổ biến nhất là quên trừ lực cản, dẫn đến tính gia tốc từ lực đẩy 10 N thay vì hợp lực 6 N. Một sai lầm khác là quên đổi đơn vị khối lượng từ gam sang kilôgam trước khi thay vào công thức — F=ma chỉ đúng khi m tính bằng kg, a tính bằng m/s2 và F tính bằng N.
Định luật II Newton: F=ma, với F là hợp lực. Gia tốc tỉ lệ thuận với hợp lực, tỉ lệ nghịch với khối lượng, và cùng hướng với hợp lực. Đơn vị lực là newton: 1N=1kg⋅m/s2.