Vật Lý 10 KNTT Bài 15: Định luật II Newton

- Từ những quan sát và thử nghiệm cho thấy gia tốc của một vật không chỉ phụ thuộc vào lực tác dụng mà còn phụ thuộc vào khối lượng của vật.

- Mối liên hệ giữa ba đại lượng: gia tốc, lực và khối lượng đã được Newton khái quát trong một phương trình vectơ đơn giản gọi là định luật II Newton:

+ 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.

\(\overrightarrow a  = \frac{{\overrightarrow F }}{m}\)            (15.1)

+ Xét về mặt Toán học, định luật II Newton có thể viết là \(\overrightarrow F  = m\overrightarrow a \)

+ Trong trường hợp vật chịu nhiều lực tác dụng \(\overrightarrow {{F_1}} \),\(\overrightarrow {{F_2}} \), \(\overrightarrow {{F_3}} \)... thì \({\overrightarrow F }\) là hợp lực của các lực đó:

\(\overrightarrow F  = \overrightarrow {{F_1}}  + \overrightarrow {{F_2}}  + \overrightarrow {{F_3}}  + ...\)

- Định luật II Newton: Gia tốc của một vật cùng hướng với lực tác dụng lên vật. Độ lớn của gia tộc tỉ lệ thuận với độ lớn của lực và tỉ lệ nghịch với khối lượng của vật. \(\overrightarrow a  = \frac{{\overrightarrow F }}{m}\)   - Xét về mặt Toán học, định luật 2 Newton có thể viết là \(\overrightarrow F  = m\overrightarrow a \)

- Lúc đầu, khối lượng chỉ được hiểu là một đại lượng dùng để chỉ lượng của chất chứa trong vật. Nhưng định luật II Newton còn cho ta một cách hiểu mới về khối lượng.

- Thật vậy, theo định luật II Newton, nếu có nhiều vật khác nhau lần lượt chịu tác dụng của cùng một lực không đổi, thì vật nào có khối lượng lớn hơn sẽ có gia tốc nhỏ hơn. Vậy, vật nào có khối lượng càng lớn thì càng khó thay đổi vận tốc, tức là càng có mức quán tính lớn hơn. Từ đó ta có thể nói: Khối lượng của vật là đại lượng đặc trưng cho mức quán tính của vật.

- Khối lượng trong định luật II Newton còn được gọi là khối lượng quán tính.

- Khối lượng là đại lượng vô hướng dương, không đổi với mỗi vật và có tính chất cộng được.

Điều đó cho phép ta so sánh được khối lượng của những vật làm bằng các chất khác nhau. Một xe chở cát và một xe chở gạo được coi là có khối lượng bằng nhau nếu dưới tác dụng của hợp lực như nhau, chúng có giá tốt như nhau.

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

(1) Tấm chắn sáng

(2) Máng trượt đệm khí

(3) Cổng quang điện 1

(4) Cổng quang điện 2

(5) Ròng rọc

(6) Các quả nặng

(7) Đồng hồ đo thời gian hiện số

(8) Cân điện tử

(9) Bơm khí

Hình 15.2. Thí nghiệm minh hoạ định luật II Newton

Tiến hành:

- Bước 1: Lực kéo F có độ lớn tăng dân 1N, 2N và 3N (bằng cách móc thêm các quả nặng vào đầu dây vắt qua ròng rọc).

- Bước 2: Ghi vào Bảng 15.1 độ lớn lực kéo F và tổng khối lượng của hệ (gồm xe trượt và các quả nặng đặt vào xe), ứng với mỗi lần thí nghiệm.

- Bước 3: Đo thời gian chuyển động của xe; đồng hồ bắt đầu đếm từ lúc tấm chắn sáng đi qua cổng quang điện 1 và kết thúc đến khi tấm chắn vượt qua cổng quang điện 2.

- Bước 4: Gia tốc 4 được tính từ công thức: \(s = {v_o}.t + \frac{1}{2}.a.{t^2}\) (đặt xe trượt có gắn tấm chắn súng sao cho tấm chắn này sát với cổng quang điện 1 để V_o = 0; s = 0,5 m là khoảng cách giữa hai cổng quang điện trong thí nghiệm). Đo thời gian tứng với mỗi lần thử nghiệm, ta tỉnh được: \(a = \frac{{2.a}}{{{t^2}}} = \frac{{2.0,5}}{{{t^2}}} = \frac{1}{{{t^2}}}\) (m/s²). Ghi giá trị của gia tốc a vào Bảng 15.1.

Kết quả thí nghiệm ghi trong Bảng 15.1.

Bảng 15.1. Bảng ghi kết quả thí nghiệm

Thảo luận:

a) Dựa vào số liệu trong Bảng 15.1, hãy vẽ đồ thị chỉ sự phụ thuộc của gia tốc a:

- Vào F (ứng với m + M = 0,5 kg), (Hình 15.3a). Đồ thị có phải là đường thẳng không? Tại sao?

- Vào \(\frac{1}{{m + M}}\) (ứng với F 1 N). (Hình 15.3b). Đồ thị có phải là đường thẳng không? Tại sao?

b) Nếu kết luận về sự phụ thuộc của gia tộc vào độ lớn của lực tác dụng và khối lượng của vật.

      

m + M = 0,5 kg                                       F = 1N     \(\frac{1}{{m + M}}\)    (1/kg)

Hình 15.3

- Khi thực hiện đo gia tốc theo phương án thí nghiệm trên cần lưu ý: Để đồng hồ bắt đầu đếm thời gian khi xe có vận tốc ban đầu bằng 0, cần đặt tấm chắn sáng sát cổng quang điện 1.

- Có thể xác định gia tốc theo công thức \(a = \frac{{v_2^2 - v_1^2}}{{2s}}\), trong đó v₁, v₂ lần lượt là vận tốc tức thời 2s qua hai cổng quang điện v1, v2 được đo bằng cách thay tấm chắn sáng có chiều dài l= 1cm và đặt đồng hồ đo thời gian ở chế độ đo thời gian chắn cổng quang điện.