BÀI 10. BA ĐỊNH LUẬT NUITƠN

Nhà thơ Alexander Pope đã viết:

“Nature and Nature's laws lay hid in night
God said, Let Newton be!
and all was light”

Tự nhiên im lìm trong bóng tối
Chúa bảo rằng Newton ra đời!
Và ánh sáng bừng lên khắp lối

BA ĐỊNH LUẬT NIU-TƠN

1. Kiến thức

- Phát biểu được: Định nghĩa quán tính, định luật I và II Niu-tơn, định nghĩa của khối lượng và nêu được tính chất của khối lượng.

- Viết được công thức của định luật II.

- Phát biểu được định luật III Niu-tơn.

- Viết được biểu thức của định luật III Niu-tơn và của trọng lực.

- Nêu được đặc điểm của cặp lực và phản lực.

2. Kỹ năng

- Vận dụng được định luật I, II Niu-tơn và khái niệm quán tính để giải thích một số hiện tượng vật lí đơn giản và để giải các bài tập trong bài.

- Chỉ ra được điểm đặt của cặp “lực và phản lực”. Phân biệt được cặp lực trực đối và cặp lực cân bằng.

- Vận dụng phối hợp định luật II và III Niu-tơn để giải các bài tập ở trong bài.

3. Thái độ

- GDMT: Từ ĐL III Niu-tơn: tác động xấu đến môi trường thì sẽ nhận lấy hậu quả (tương tác).

Lực là gì? Lực gây ra tác dụng gì đối với vật bị lực tác dụng? Lực có cần thiết duy trì chuyển động không?

- Quan niệm của Aristotle:

- Quan niệm của Galile:

- Quan niệm của Newton:

I - ĐỊNH LUẬT I NIU-TƠN

Lực có cần thiết để duy trì chuyển động của một vật hay không? Ta hãy thử đẩy một quyển sách trên bàn. Khi ta ngừng đẩy thì nó dừng lại ngay. Nếu đặt mình vào thời đại mà mọi người chưa biết đến lực ma sát, thì ta sẽ tin ngay rằng lực là cần thiết để duy trì chuyển động của vật. Người đầu tiên không tin như vậy, đó là nhà bác học người Italia - Ga-li-lê.

1. Thí nghiệm lịch sử của Ga-li-lê

Ông dùng hai máng nghiêng giống như máng nước rất trơn rồi thả một hòn bi cho lăn xuống theo máng nghiêng 1. Hòn bi lăn ngược lên máng 2 đến một độ cao gần bằn độ cao ban đầu. Khi hạ thấp độ nghiêng của máng 2, hòn bi lăn trên máng 2 được một đoạn đường dài hơn (Video 10.1).
Ông cho rằng hòn bi không lăn được đến độ cao ban đầu là vì có ma sát. Ông tiên đoán nếu không có ma sát và nếu hai máng nằm ngang thì hòn bi sẽ lăn với vận tốc không đổi mãi mãi.

Video 10.1. Minh hoạ thí nghiệm lịch sử của Ga-li-lê

1. Nhận xét quãng đường hòn bi lăn được trên máng nghiêng 2 (độ cao) khi thay đổi độ nghiêng của máng? Xác định các lực tác dụng lên hòn bi khi máng 2 nằm ngang? Giải thích kết quả thí nghiệm: Tại sao viên bi dừng lại?

2. Trình bày dự đoán của Galilê. Như vậy nếu bỏ qua lực ma sát thì dự đoán hòn bi sẽ chuyển động như thế nào?

2. Định luật I Niu-tơn

Nhà bác học người Anh là Niu-tơn đã khái quát các kết quả của quan sát và thí nghiệm thành định luật I Niu-tơn:

Nếu một vật không chịu tác dụng của lực nào hoặc chịu tác dụng của các lực có hợp lực bằng không, thì vật đứng yên sẽ tiếp tục đứng yên, đang chuyển động sẽ tiếp tục chuyển động thẳng đều.

3. Quán tính

Quán tính là tính chất của mọi vật có xu hướng bảo toàn vận tốc cả về hướng và độ lớn.

Định luật I đựợc gọi là định luật quán tính và chuyển động thẳng đều được gọi là chuyển động theo quán tính.

Một số ví dụ:

+ Xe đạp vẫn còn lăn được một quãng đường nữa mặc dụ ta đã ngừng đạp.

+ Một ô tô đang chạy, nếu đột nhiên xe dừng lại thì hành khách bị ngả về phía trước (Video 10.2). Nếu đột nhiên xe rẽ sang trái thì hành khách bị ngả sang phải.

+ Buộc một hòn đá vào đầu một sợ dây rồi quay tròn, khi dây bị đứt, hòn đá văng ra theo phương tiếp tuyến, tức là theo phương và chiều của vận tốc.

3. Điều gì chứng tỏ mọi vật đều có quán tính? Vậy lực có phải là nguyên duy trì chuyển động không?

Video 10.2. Minh hoạ quán tính

Video 10.3. Minh hoạ quán tính

* Thí nghiệm cho thấy, định luật I Niu-tơn không đúng đối với mọi hệ quy chiếu mà chỉ đúng đối với hệ quy chiếu quán tính (hệ quy chiếu Ga-li-lê). Những hệ quy chiếu gắn với mặt đất hoặc chuyển động thẳng đều so với mặt đất có thể coi là hệ quy chiếu quán tính.

II - ĐỊNH LUẬT II NIU-TƠN

Cùng một lực tác dụng lên các vật có khối lượng khác nhau sẽ làm cho chúng thu được những gia tốc khác nhau, nhưng trong mọi trường hợp, tích của khối lượng m của vật với gia tốc mà nó thu được luôn là một số không đổi.

1. Định luật II Niu-tơn

Gia tốc của một vật cùng hướng với lực tác dụng lên vật. Độ lớn của gia tốc tỉ lệ thuận với độ lớn của lực và tỉ lệ nghịch với khối lượng của vật (Video 10.4).

(10.1)

Trong trường hợp chất điểm chịu nhiều lực tác dụng thì:

4. Khi đẩy cùng 1 xe (cùng khối lượng) lực đẩy càng lớn thì xe chuyển động như thế nào? Khi đẩy cùng 1 lực nhưng với 2 xe có khối lượng khác nhau thì 2 xe chuyển động như thế nào?

Video 10.4. Minh hoạ định luật II Niu-tơn

Video 10.5. Thí nghiệm kiểm chứng định luật II Niu-tơn

Video 10.6. Thí nghiệm kiểm chứng định luật II Niu-tơn

* Lưu ý: vectơ gia tốc không phải luôn cùng hướng với vectơ vận tốc, tìm hợp lực trước khi áp dụng công thức: .

5. Một vật có khối lượng 8kg trượt xuống một mặt phẳng nghiêng nhẵn với gia tốc là 2m/s². Lực gây ra gia tốc này bằng bao nhiêu?

2. Khối lượng và mức quán tính

a) Định nghĩa

Khối lượng là đại lượng đặc trưng cho mức quán tính của vật.

Định nghĩa này cho phép ta so sánh khối lượng của các vật bất kỳ, dù làm cùng một chất hay làm bằng các chất khác nhau.

b) Tính chất

- Khối lượng là đại lượng vô hướng, dương và không đổi đối với mỗi vật.

- Khối lượng có tính chất cộng: Khi nhiều vật được ghép lại thành một hệ vật thì khối lượng của hệ bằng tổng khối lượng của các vật đó.

6. Ta có thể dùng khối lượng để so sánh mức quán tính của hai vật bất kỳ hay không?

3. Trọng lực và trọng lượng

a) Trọng lực là lực do Trái đất tác dụng lên vật, gây cho chúng gia tốc rơi tự do (xem lại bài 4), kí hiệu là .

Ở gần Trái Đất, trọng lực có phương thẳng đứng, có chiều từ trên xuống và đặt vào trọng tâm của vật.

b) Độ lớn của trọng lực tác dụng lên vật gọi là trọng lượng của vật, kí hiệu là P. Trọng lượng được đo bằng lực kế, đơn vị là Niu-tơn (N).

c) Công thức của trọng lực

Áp dụng định luật Niu-tơn II vào trường hợp vật rơi tự do ta tìm được biểu thức của trọng lực:

(10.2)

Khi các vật rơi tự do, chúng đều rơi theo phương thẳng đứng hướng về tâm Trái Đất với gia tốc không đổi g = 9,81 (m/s²).

III - ĐỊNH LUẬT III NIU-TƠN

1. Sự tương tác giữa các vật

Ta hãy xét một vài thí dụ dưới đây:

1. Bắn một hòn bi A vào một hòn bi B đang đứng yên, ta thấy bi B lăn đi, đồng thời chuyển động của bi A cũng thay đổi (Video 10.7).

2. Hình 10.1 chụp một cái vợt đang đập vào một quả bóng tennis. Ta thấy cả quả bóng lẫn mặt vợt đều bị biến dạng.

3. Hai người trượt băng đang đứng sát nhau (Video 10.8). Một người dùng tay đẩy người kia chuyển động về phía trước thì thấy chính mình cũng bị đẩy về phía sau.

4. Một thanh nam châm và một thanh sắt có cùng kích thước và cùng khối lượng được treo gần nhau trên một giá đỡ. Giữ cho các dây treo thẳng đứng rồi buông tay ra, ta thấy cả hai thanh đều bị hút về phía nhau làm các dây treo lệch khỏi phương thẳng đứng một góc như nhau.

Giải thích các hiện tượng trên ta rút ra kết luận: Tác dụng giữa hai vật bất kì bao giờ cũng có tính chất tương hỗ.

Video 10.7. Mô phỏng

Hình 10.1

Video 10.8. Mô phỏng

2. Định luật

Từ những quan sát và thí nghiệm về sự tương tác giữa các vật (bao gồm cả các quan sát thiên văn), Niu-tơn đã phát hiện ra định luật III Niu-tơn:

Trong mọi trường hợp, khi vật A tác dụng lên vật B một lực, thì vật B cũng tác dụng lại vật A một lực. Hai lực này khác điểm đặt, cùng giá, ngược chiều và cùng độ lớn.

Video 10.9. Minh họa định luật III Niu-tơn

7. Hai người kéo co tại sao có 1 người thắng, người thua? Điều đó có trái với định luật III Niu-tơn hay không?

3. Lực và phản lực

Một trong hai lực tương tác giữa hai vật. Một lực được gọi là lực tác dụng, một lực được gọi là phản lực.

a) Tính chất của lực và phản lực

- Lực và phản lực luôn xuất hiện (hoặc mất đi) đồng thời.

- Lực và phản lực có cùng giá, cùng độ lớn nhưng ngược chiều, gọi là hai lực trực đối.

- Lực và phản lực không phải là hai lực cân bằng vì chúng đặt vào hai vật khác nhau (Video 10.10).

b) Ví dụ

Khi ta muốn bước chân phải về phía trước thì chân trái phải đạp vào mặt đất một lực hướng về phía sau. Ngược lại, đất cũng đẩy lại chân một phản lực hướng về trước (Hình 10.3). Vì trái đất có khối lượng rất lớn nên lực hút của ta không gây được gia tốc nào đáng kể. Còn ta có khối lượng nhỏ hơn rất nhiều nên phản lực của mặt đất gây ra cho ta một gia tốc làm ta chuyển động về phía trước. Trái đất tác dụng lên hòn đá một lực làm nó rơi tự do với gia tốc g = 9,8m/s². Theo định luật Niu-tơn III thì hòn đá cũng tác dụng trở lại trái đất một phản lực có độ lớn đúng bằng trọng lượng của hòn đá. Nhưng vì khối lượng của hòn đá rất lớn nên gia tốc nó thu được coi như bằng không.

c) Ghi chú

Hệ vật là tập hợp nhiều vật tương tác lẫn nhau.

Nội lực là lực tác dụng lẫn nhau giữa các vật trong hệ. Các nội lực không gây gia tốc cho hệ vì chúng xuất hiện từng cặp trực đối nhau.

Ngoại lực là lực của các vật ở ngoài hệ tác dụng lên các vật trong hệ.

Khi các vật trong một hệ chuyển động với cùng một gia tốc thì gia tốc đó được gọi là gia tốc của hệ, còn m = m₁ + m₂ + ... được gọi là khối lượng của hệ. Khi ấy, ta có thể áp dụng định luật II Niu-tơn cho hệ vật:

Video 10.7. Mô phỏng

8. Hãy vận dụng định luật Niu-tơn III vào ví dụ dùng búa đóng đinh vào một khúc gỗ (Hình 10.1 ) trả lời các câu hỏi sau:
- Có phải búa tác dụng vào đinh còn đinh không tác dụng vào búa? Lực có thể xuất hiện đơn lẻ được không?
- Tại sao đinh lại không đứng yên? Lực và phản lực có cân bằng nhau không?

Hình 10.2

Hình 10.3

	Lực là đại lượng đặc trưng cho tác dụng của vật này vào vật khác mà kết quả là gây ra gia tốc cho vật hay làm cho vật biến dạng.
	Quán tính là tính chất của mọi vật có xu hướng bảo toàn vận tốc cả về hướng và độ lớn.
	Định luật Newton I: Khi không chịu tác dụng của lực nào hoặc khi chịu tác dụng của các lực cân bằng, một vật đang đứng yên sẽ tiếp tục đứng yên, đang chuyển động sẽ tiếp tục chuyển động thẳng đều.
	Hệ quy chiếu quán tính là hệ quy chiếu trong đó định luật Newton I được nghiệm đúng. Hệ quy chiếu gắn với mặt đất hoặc chuyển động thẳng đều so với mặt đất là hệ quy chiếu quán tính.
	Gia tốc của một vật cùng hướng với lực tác dụng lên vật. Độ lớn của gia tốc tỉ lệ thuận với độ lớn của lực và tỉ lệ nghịch với khối lượng của vật.

	**Lưu ý: Trong trường hợp chất điểm chịu nhiều lực tác dụng thì**
	Trong mọi trường hợp , khi vật A tác dụng lên vật B một lực thì vật B cũng tác dụng lại vật A một lực. Hai lực này cùng nằm trên một đường thẳng, có cùng độ lớn nhưng ngược chiều.

Câu 1. Khái niệm trọng lực, đặc điểm của trọng lực?

Câu 2. Trọng lượng là gì?

Câu 3. Phát biểu và viết biểu thức định luật II Niutơn.

Câu 4. Phát biểu và viết biểu thức định luật III Niutơn. Đặc điểm của lực và phản lực?

10.1. Ghép nội dung ở cột bên trái với nội dung tương ứng ở cột bên phải để thành một câu có nội dung đúng.

1. Quán tính là	a) các lực cân bằng.
2. Lực làm cho mọi vật chuyển động chậm dần rồi dừng lại gọi là	b) lực ma sát.
3. Các lực tác dụng vào một vật mà vật đó vẫn đứng yên hay chuyển động thẳng đều thì các lực đó là	c) các lực không cân bằng.
4. Các lực tác dụng vào một vật đang chuyển động có gia tốc là	d) tính chất của mọi vật có xu hướng chống lại sự thay đổi vận tốc.

10.2. Câu nào đúng? Khi một xe buýt tăng tốc đột ngột thì các hành khách

A. đứng lại ngay. C. chúi người về phía trước.

B. ngả người về phía sau. D. ngả người sang bên cạnh.

10.3. Câu nào sau đây là câu đúng?

A. Nếu không có lực tác dụng vào vật thì vật không thề chuyển động được.

B. Không cần có lực tác dụng vào vật thì vật vẫn chuyển động tròn đều được.

C. Lực là nguyên nhân duy trì chuyển động của một vật .

D. Lực là nguyên nhân làm biến đổi chuyển động của một vật.

10.4. Một vật đang đứng yên. Ta có thể kết luận rằng vật không chịu tác dụng của lực nào được không?

10.5. Một hành khách ngồi ở cuối xe phàn nàn rằng, do lái xe phanh gấp mà một túi sách ở phía trước bay về phía anh ta làm anh ta bị đau. Người đó nói đúng hay sai? Tại sao?

10.6. Nếu định luật I Niu – tơn đúng thì tại sao các vật chuyển động trên mặt đất cuối cùng đều dừng lại?

10.7. Tại sao không thể kiểm tra định luật I Niu – tơn bằng một thí nghiệm trong phòng thí nghiệm?

10.8. Điều gì sẽ xảy ra với người lái xe máy chạy ngay sau một xe tải nếu xe tải đột ngột dừng lại?

10.9. Hãy giải thích sự cần thiết của dây an toàn và cái tựa đầu ở ghế ngồi trong xe tắc-xi.

II – ĐỊNH LUẬT II NIU – TƠN

10.10. Ghép nội dung ở cột bên trái với nội dung tương ứng ở cột bên phải để thành một câu có nội dung đúng.

1. Lực còn lại khi một lực chỉ khử được một phần của một lực khác ngược hướng với nó lại gọi là	a) nguyên nhân làm thay đổi vận tốc của một vật đang chuyển động.
2. Đơn vị của lực là	b) lực của Trái Đất tác dụng vào các vật ở gần mặt đất.
3. Lực là	c) hợp lực.
4. Khối lượng là	d) niutơn.
5. Trọng lực là	đ) đại lượng đặc trưng cho mức quán tính của một vật.

10.11. Nếu một vật đang chuyển động có gia tốc mà lực tác dụng lên vật giảm đi thì vật sẽ thu được gia tốc

A. Lớn hơn. C. Không thay đổi.

B. Nhỏ hơn. D. Bằng 0.

10.12. Một hợp lực 1,0 N tác dụng vào một vật có khối lượng 2,0 kg lúc đầu đứng yên , trong khoảng thời gian 2,0 s. Quãng đường mà vật đi được trong khoảng thời gian đó là

A. 0,5 m. C. 1,0 m.

B. 2,0 m. D. 4,0 m.

10.13. Một quả bóng có khối lượng 500 g đang nằm trên mặt đất thì bị đá bằng một lực 250 N. Nếu thời gian quả bóng tiếp xúc với bàn chân là 0,020 s, thì bóng sẽ bay đi với vận tốc bằng bao nhiêu?

A. 0,01 m/s. C. 0,1m/s.

B. 2,5 m/s. D. 10 m/s.

10.14. Một vật có khối lượng 2,0 kg chuyển động thẳng nhanh dần đều từ trạng thái nghỉ. Vật đi được 80 cm trong 0,50 s. Gia tốc của vật và hợp lực tác dụng vào nó là bao nhiêu?

A. 3,2 m/s² ; 6,4 N. C. 6,4 m/s² ; 12,8 N.

B. 0,64 m/s² ; 1,2 N. D. 640 m/s² ; 1280 N.

10.15. Một lực không đổi tác dụng vào một vật có khối lượng 5,0 kg làm vận tốc của nó tăng từ 2,0 m/s đến 8,0 m/s trong 3,0 s. Hỏi lực tác dụng vào vật là bao nhiêu?

A. 15 N. C. 1,0 N.

B. 10 N. D. 5,0 N.

10.16. Một ô tô đang chạy với vận tốc 60 km/h thì người lái xe hãm phanh , xe đi tiếp được quãng đường 50 m thì dừng lại. Hỏi nếu ô tô chạy với tốc độ 120 km/h thì quãng đường đi được từ lúc hãm phanh đến khi dừng lại là bao nhiêu? Giả sử lực hãm trong hai trường hợp bằng nhau.

A. 100 m. C. 141 m.

B. 70,7 m. D. 200 m.

III – ĐỊNH LUẬT III NIU – TƠN

10.17. Câu nào đúng? Trong một cơn lốc xoáy , một hòn đá bay trúng vào một cửa kính , làm vỡ kính.

A. Lực của hòn đá tác dụng vào tấm kính lớn hơn lực của tấm kính tác dụng vào hòn đá.

B. Lực của hòn đá tác dụng vào tấm kính bằng (về độ lớn) lực của tấm kính tác dụng vào hòn đá.

C. Lực của hòn đá tác dụng vào tấm kính nhỏ hơn lực của tấm kính tác dụng vào hòn đá.

D.Viên đá không tương tác với tấm kính khi làm vỡ kính.

10.18. Một người thực hiện động tác nằm sấp, chống tay xuống sàn nhà để nâng người lên. Hỏi sàn nhà đẩy người đó như thế nào?

A. Không đẩy gì cả. C. Đẩy lên.

B. Đẩy xuống. D. Đẩy sanh bên.

10.19. Câu nào đúng? Khi một con ngựa kéo xe, lực tác dụng vào con ngựa làm nó chuyển động về phía trước là

A. lực mà ngựa tác dụng vào xe.

B. lực mà xe tác dụng vào ngựa.

C. lực mà ngựa tác dụng vào mặt đất.

D. lực mà mặt đất tác dụng vào ngựa.

10.20. Câu nào đúng? Một người có trọng lượng 500 N đứng trên mặt đất. Lực mà mặt đất tác dụng lên người đó có độ lớn

A. bằng 500 N.

B. bé hơn 500 N.

C. lớn hơn 500 N.

D. phụ thuộc vào nơi mà người đó đứng trên Trái Đất.

10.21. Lực nào làm cho thuyền (có mái chèo) chuyển động được trên mặt hồ? Lực nào làm cho máy bay cánh quạt chuyển động được trong không khí?

10.22. Một vật có khối lượng 1 kg, chuyển động về phía trước với tốc độ 5 m/s, va chạm vào một vật thứ hai đang đứng yên. Sau va chạm, vật thứ nhất chuyển động ngược trở lại với vận tốc 1 m/s, còn vật thứ hai chuyển động với tôc độ 2 m/s. Hỏi khối lượng của vật thứ hai bằng bao nhiêu kg?

ĐO KHỐI LƯỢNG BẰNG TƯƠNG TÁC

Muốn đo khối lượng của một vật, ta cho vật đó tương tác với một vật có khối lượng m₀ đã biết. Vật m₀ thu được gia tốc a₀, còn vật m thu được gia tốc a. Theo định luật Niu-tơn III ta có:

hay

Suy ra:

Phương pháp trên đây được dùng để đo khối lượng của các hạt vi mô (êlectron, prôtôn, nơtron...) cũng như của các vật siêu vĩ mô (Mặt Trăng, Trái Đất...).

Ở đâu các vật nặng hơn?

Cá Hà Lan nhẹ hơn cá xích đạo?