SGK Vật Lí 10 - Bài 10. Ba định luật Niu-tơn

Ba định luật NIU-TƠN
Thí nghiệm của Ga-li-lê để nghiên cứu chuyển động.
- ĐỊNH LUẬT I NIU-TƠN
Lực có cần thiết để duy trì chuyển động của một vật hay không ? Để trả lời câu hỏi này, ta hãy thử đẩy một quyển sách trên bàn. Ta phải đẩy thì nó mới chuyển động và khi ngừng đẩy thì nó dừng lại. Hiện nay ai cũng biết có lực ma sát cản trở chuyển động của vật. Nhưng nếu đặt mình vào thời đại mà mọi người còn chưa biết đến 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 vật lí Ga-li-lê.
Thí nghiệm lịch sử của Ga-li-lê
Ga-li-lê là người đầu tiên đã làm thí nghiệm để nghiên cứu chuyển động. Ông dùng hai máng nghiêng giống như máng nước, bố trí như Hình 10.1 rồi thả một hòn bi cho lăn xuống theo máng nghiêng 1. Ông nhận thấy hòn bi lăn ngược lên máng 2 đến một độ cao gần bằng độ cao ban đầu (Hình 10.la). Khi hạ thấp độ nghiêng của máng 2, ông thấy hòn bi lăn trên máng 2 được một đoạn đường dài hơn (Hình 10. lb). Ông cho rằng, hòn bi không lãn được đến độ cao ban đầu là vì có ma sát. Ông tiên đoán rằng, nếu không có ma sát và nếu máng 2 nằm ngang thì hòn bi sẽ lăn với vận tốc không đổi mãi mãi (Hình 10. lc).
Như vậy, bằng thực nghiệm Ga-li-lê đã phát hiện ra một loại lực “giấu mặt” là lực ma sát và tin rằng nếu không có ma sát thì không cần đến lực để duy trì chuyển động của một vật.
Dinh iuật I Niu-tơn
Về sau, Niu-tơn đã khái quát các kết quả quan sát và thí nghiệm thành định luật sau đây, gọi là 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 đang đứng yên sẽ tiếp tục đứng yên, đang chuyển động sẽ tiếp tục chuyển động thẳng đêu.
Quán tính
Định luật I cho phép ta phát hiện ra rằng, mọi vật đều có một tính chất mà nhờ nó vật tiếp tục chuyển động được, ngay cả khi các lực tác dụng vào vật mất đi. Tính chất ấy gọi là quán tính.
Quán tính là tính chất của mọi vật có xu hướng bảo toàn vận tốc cả về hướng và độ lớn.
Tại sao xe đạp chạy được thêm một quãng đường nữa mặc dù ta đã ngừng đạp ? Tại sao khi nhảy từ bậc cao xuống, ta phải gập chân lại ?
Định luật I được gọi là định luật quán tính và chuyển động thẳng đều được gọi là chuyển động theo quán tính. Q3
- ĐỊNH LUẬT II NIU-TƠN
Ta hãy hình dung phải đẩy một chiếc xe ô tô bị hỏng máy trên đường bằng phẳng. Nếu ít người đẩy thì chỉ gây ra cho xe một gia tốc nhỏ đến nỗi phải mất một thời gian dài thì ta mới nhận thấy sự tăng tốc độ của nó. Nhưng nếu nhiều người đẩy thì hợp lực tác dụng vào xe sẽ lớn hơn nhiều và xe sẽ chuyển động nhanh đến mức ta phải chạy theo xe. Đó là vì lực lớn hơn gây ra cho xe một gia tốc lớn hơn.
Kinh nghiệm còn cho thấy rằng, khối lượng của vật cũng ảnh hưởng đến gia tốc của nó. Cùng chịu một lực, vật nào có khối lượng nhỏ hơn sẽ thu được gia tốc lớn hơn và sẽ chuyển động nhanh hơn.
Tuy nhiên mối liên hệ định lượng giữa gia tốc, lực và khối lượng như thế nào thì ta còn chưa biết.
Định luật II Niu-ton
Từ những quan sát và thí nghiệm (bao gồm cả những quan sát thiên văn), Niu-tơn đã xác định được mối liên hệ giữa gia tốc, lực và khối lượng của vật (coi là chất điểm) và nêu lên thành định luật sau đây, gọi là 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.
ã = ^ (10-1) m
Suy ra : F = mã
Trong trường hơp vật chịu nhiều lực tác dụng Fỵ, F2, F3,... thì F là hợp lực của các lực đó :
F = Fl + F2 + Fi + ...
Khối luọng và mức quán tính
Định nghĩa
Lúc đầu khối lượng chỉ được hiểu là một đại lượng dùng để chỉ lượng chất chứa trong vật. Nhưng định luật II Niu-tơn còn cho ta một cách hiểu mới về khối lượng. ÍS
Thật vậy, theo định luật II Niu-tơn, khối lượng còn được dùng để chỉ mức quán tính của vật. Cách hiểu mới này cho phép ta so sánh khối lượng của các vật bất kì, dù làm bằng cùng một chất hay làm bằng các chất khác nhau. Cứ vật nào có mức quán tính lớn hơn thì có khối lượng lớn hơn và ngược lại. Từ đó ta có định nghĩa :
Khối lượng là đại lượng đặc trưng cho mức quán tính của vật. HD
Tính chất của khối lượng
Khối lượng là một đại lượng vô hướng, dương và không đổi đối với mỗi vật.
Trọng lượng của quả cân 1 kg : 9,8 N
Lực kéo của một người đàn ông cố gắng vừa phải
200 N
Lực kéo của con ngựa :
cố gắng vừa phải:
cố gắng hết sức :
700 N
4 000 N
Lực kéo của một ô tô trên đường phẳng:
1 000 N
Lực hút của một nam châm điện lớn :
30 000 N
Lực kéo của một đầu máy xe lửa :
200 000 N
Bảng 1.1. Độ lớn của một số lựe
ra Cho hai vật chịu tác dụng của những lực có độ lớn bằng nhau. Hãy vận dụng định luật II Niu-tơn để suy ra rằng, vật nào có khối lượng lớn hơn thì khó làm thay đổi vận tốc của nó hơn, tức là có mức quán tính lớn hơn.
ra Tại sao máy bay phải chạy một quãng đường dài trên đường băng mới cất cánh được ?
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.
Trọng lục. Trọng luọng
BE Hãy giải thích tại sao ở cùng
.... *	' P\ mì
một nơi ta luôn có -7 = —.
P2 m2
Hình 10.2
Hình 10.3
Hình 10.4
L
Trọng lực là lực của Trái Đất tác dụng vào các vật, gây ra cho chúng gia tốc red tự do. Trọng lực được kí hiệu là p.
ở gần Trái Đất, trọng lực có phưcmg thẳng đứng, có chiều từ trên xuống và đặt vào một điểm đặc biệt của mỗi vật, gọi là trọng tâm của vật.
Độ lớn của trọng lực tác dụng lên một vật gọi là trọng lượng của vật, kí hiệu là p.
Công thức của trọng lực
Áp dụng định luật II Niu-tcfn vào trường hợp một vật red tự do, ta tìm được công thức của trọng lực :
p = nig	(10.2)
K3
- ĐỊNH LUẬT III NIU-TON
Sự tuong tác giũa các vật
Ta hãy xét một vài ví dụ :
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 bị thay đổi (Hình 10.2).
Hình 10.3 chụp một cái vợt đang đập vào một quả bóng tennit. Ta thấy cả quả bóng và mặt vợt đều bị biến dạng.
Hai người trượt băng đang đứng sát nhau (Hình 10.4). Một người dùng tay đẩy người kia cho chuyển động về phía trước thì thấy chính mình cũng bị đẩy về phía sau.
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-tcm đã phát hiện ra định luật, gọi là 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 có cùng giá, cùng độ lớn, nhưng ngược chiều.
^B—>A =
W^BA^-^AB	(10.3)
Lục và phản lục
Một trong hai lực tương tác giữa hai vật gọi là lực tác dụng còn lực kia gọi là phản lực.
Lực và phản lực có những đặc điểm gì ?
H3
Lực và phản lực luôn luôn xuất hiện (hoặc mất đi) đồng thời.
Lực và phản lực có cùng giá, cùng độ lớn, nhưng ngược chiều. Hai lực có đặc điểm như vậy gọi là hai lực trực đối.
Lực và phản lực không cân bằng nhau vì chúng đặt vào hai vật khác nhau.
Ví dụ
Khi ta muốn bước chân phải về phía trước thì chân trái phải đạp vào mặt đất một lực F' hướng về phía sau. _NgượcJại, đất cũng đẩy lại chân ta một phản lực F = -F' hướng về phía trước (Hình 10.6). Vì Trái Đất có khối lượng rất lớn nên lực của ta không gây ra cho Trái Đất một gia tốc nào đáng kể. Còn ta có khối lượng nhỏ hơn khối lượng Trái Đất rất nhiều, nên phản lực của mặt đất gây ra cho ta một gia tốc, làm ta chuyển động về phía trước.
Hãy vận dụng định luật III Niu-tơn vào ví dụ dùng búa đóng đinh vào một khúc gỗ (Hình 10.5) để trả lời các câu hỏi sau đây :
Có phải búa tác dụng lực lên đinh còn đinh không tác dụng lực lên búa ? Nói một cách khác, lực có thể xuất hiện đơn lẻ được không ?
Nếu đinh tác dụng lên búa một lực có độ lớn bằng lực mà búa tác dụng lên đinh thì tại sao đinh lại không đứng yên ? Nói một cách khác, cặp “lực và phản lực” có cân bằng nhau không ?
Hình 10.5
Ghi chú : Khi xét tương tác giữa hai vật thì hai vật đó tạo thành một hệ. Lực tương tác giữa hai vật được gọi là nội lực. Các lực khác tác dụng lên hai vật gọi là các ngoại lực.
Định luật I Niu-ton : Nếu không chịu tác dụng của lục nào hoặc chịu tác dụng của các lực có họp lục bằng không, thì vật đang đúng yên sẽ tiếp tục đúng yên, đang chuyền động sẽ tiếp tục chuyển động thẳng đều.
Quán tinh là tính chất của mọi vật có xu huúng bào toàn vận tốc cà về huúng và độ lớn. Chuyển động thẳng đều đuọc gọi là chuyển động theo quán tính.
Định luật II Niu-ton :
Gia tốc cùa một vật cùng huóng với lực tác dụng lên vật Độ lớn của gia tốc tỉ lệ thuận vói độ lớn của lục và tì lệ nghịch với khối luọng cùa vật
F
(Trong truòng họp vật chịu nhiêu lục tác dụng thì F là họp lục cùa các lục đó). Khối luọng là đại luọng vô huúng, đặc trung cho múc quán tinh của các vật
Trọng lực là lục của Trái Đất tác dụng vào các vật gây ra cho chúng gia tốc roi tự do. Độ lớn của trọng lục tác dụng lên một vật gọi là trọng luọng của vật.
Công thúc của trọng lục : p = mg.
Định luật III Niu-ton :
Trong mọi truòng họp, khi vật A tác dụng lên vật B một lục, thì vật B cũng tác dụng lại vật A một lục. Hai lục này có cùng giá, cùng độ lớn, nhung nguọc chiêu.
FB~ a = ~FẦ~ B hav fba = ~fhb
Trong tuvng tác giũa hai vật, một lục gọi là lục tác dụng, còn lục kia gọi là phàn lục. Cặp lục và phàn lục có nhũng đặc điểm sau đây :
Lục và phản lục luôn luôn xuất hiện (hoặc mất đi) đồng thời.
Lục và phàn lục là hai lục ưục đối.
Lục.và phàn lục không cân bằng nhau vì chúng đặt vào hai vật khác nhau.
CÂU HỎI VÀ BÀI TẬP
Phát biểu định luật I Niu-tơn. Quán tính là gì ?
Phát biểu và viết hệ thức của định luật II Niu-tơn.
Nêu định nghĩa và các tính chất của khối lượng.
Trọng lượng của một vật là gì ? Viết công thức của trọng lực tác dụng lên một vật.
Phát biểu và viết hệ thức của định luật III Niu-tơn.
Nêu những đặc điểm của cặp “lực và phản lực” trong tương tác giữa hai vật.
▼ ‘•
Một vật đang chuyển động với vận tốc 3 m/s. Nếu bỗng nhiên các iực tác dụng lên nó mất đi thỉ
vật dừng lại ngay.
vật đổi hướng chuyển động.
c. vật chuyển động chậm dần rồi mới dừng lại. D. vật tiếp tục chuyển động theo hướng cũ với vận tốc 3 m/s.
Chọn đáp án đúng.
Câu nào đúng ?
Nếu không chịu lực nào tác dụng thì mọi vật phải đứng yên.
Khi không còn lực nào tác dụng lên vật nữa, thì vật đang chuyển động sẽ lập tức dừng lại.
c. Vật chuyển động được là nhờ có lực tác dụng lên nó.
D. Khi thấy vận tốc của vật thay đổi thì chắc chắn là đã có lực tác dụng lên vật.
Một vật đang nằm yên trên mặt bàn nằm ngang. Tại sao ta có thể khẳng định rằng bàn đã tác dụng một lực lên nó ?
Trong các cách viết hệ thức của định luật II Niu-tơn sau đây, cách viết nào đúng ?
A. F = ma ;	B. F = - mã ;
c. F = mã ;	D. -F = mã.
Một vật có khối lượng 8,0 kg trượt xuống một mặt phẳng nghiêng nhẩn với gia tốc 2,0 m/s2. Lực gây ra gia tốc này bằng bao nhiêu ?
So sánh độ lớn của lực này với trọng lượng của vật. Lấy g = 10 m/s2.
1,6 N, nhỏ hơn.
16N, nhỏ hơn. c. 160 N, lớn hơn.
D. 4 N, lớn hơn.
Một quả bóng, khối lượng 0,50 kg đang nằm yên trên mặt đất. Một cầu thủ đá bóng với một lực 250 N. Thời gian chân tác dụng vào bóng là 0,020 s. Quả bóng bay đi với tốc độ
A. 0,01 m/s.	B. 0,1 m/s.
c. 2,5 m/s.	D. 10m/s.
Trong một tai nạn giao thông, một ô tô tải đâm vào một ô tô con đang chạy ngược chiều, ô tô nào chịu lực lớn hơn ? ô tô nào nhận được gia tốc lớn hơn ? Hãy giải thích.
Để xách một túi đựng thức ăn, một ngTười tác dụng vào túi một lực bằng 40 N hướng lên trên. Hãy miêu tả "phản lực” (theo định luật III) bằng cách chỉ ra
độ lớn của phản lực.
hướng của'phản lực.
phản lực tác dụng lên vật nào ?
vật nào gây ra phản lực này ?
Hãy chỉ ra cặp "lực và phản lực” trong các tình huống sau :
ô tô đâm vào thanh chắn đường ;
Thủ môn bắt bóng ;
Gió đập vào cánh cửa.
CHUYẾN ĐỘNG TRÊN "ĐỆM KHÍ"
Mấy thế kí đã trôi qua mà người ta vẫn không tạo ra được một thí nghiệm nào có thể kiếm chứng trực tiếp được định luật I Niu-tơn vì không loại bỏ được ma sát và lực hút cúa Trái Đất. Nhưng người ta vẫn tin vào định luật này vì nó đã đưa đến nhiều hệ quả có thể kiếrh chứng được.
Chí đến thời đại hiện nay, bằng kĩ thuật tạo ra "đệm khí", người ta gần như loại bỏ được lực ma sát.
Vật chuyển động trên "đệm khí" chỉ chịu tác dụng cúa hai lực cân bằng, đó là trọng lực và phản lực của "đệm khí".
Các hình dưới đây miêu tả một thí nghiệm về chuyển động của một vật trên "đệm khí" gồm :
— Một băng đệm khí có tiết diện ngang hình chữ Vngược, trên hai mặt băng có nhiều lỗ nhỏ được phân bố đều dọc theo băng (Hình 10.7 và 10.8).
Thước đo khoảng cách
Lỗ thoát khí
Hình 10.7. Hệ thống băng đệm khí
Hình 10.8. Tiết diện ngang của băng đệm khí
Một vật trượt có tiết diện ngang hình chữ V ngược, phía trên có rãnh đế cắm các tấm cán quang có chiều dài l khác nhau (Hình 10.9).
Hai cổng quang điện.
— Một đồng hồ hiện số có thế đo được những khoáng thời gian rất nhỏ, cỡ 1 ms đến 10 ms (Hình 10.10).
Dùng một máy bơm đẩy không khí đã bị nén vào trong lòng máng. Luồng khí phụt ra từ các lỗ tạo ra một "đệm khí" giữa vật và máng khiến vật chuyển động dễ dàng. Muốn đo vận tốc của vật, ta cắm một tấm cản quang vào rãnh của vật. Khi mép trước của tấm cản quang tới cổng quang điện thì đồng hồ bắt đầu tính thời gian và khi mép sau đi qua cổng quang điện thì nó ngừng lại. Đồng hồ sẽ hiện lên thời gian để vật đi được đoạn đường l. Từ đó tính được vận tốc cúa vật đi qua mỗi cổng quang điện, Ư = Ạịr' Thí nghiệm cho thấy vật chuyển động đều trên máng trượt.
Hình 10.10. Đồng hồ đo thời gian hiện số.