BÀI 10: BA ĐỊNH LUẬT NEWTON VỀ CHUYỂN ĐỘNG
Ảnh
Trang bìa
Trang bìa
Ảnh
BÀI 10 BA ĐỊNH LUẬT NEWTON VỀ CHUYỂN ĐỘNG
Mở đầu
Nội dung bài học
- Ba định luật Newton. - Quán tính, mức quán tính. - Lực bằng nhau, lực không bằng nhau.
Khởi động
Trên đường đi du lịch hè, xe ô tô chở gia đình của một bạn bất chợt gặp sự cố về máy và không thể tiếp tục di chuyển. Người bố đã nhờ xe cứu hộ đến và kéo xe ô tô về nơi sửa chữa (Hình 10.1). Tác động nào giúp chiếc xe có thể chuyển động được từ khi đứng yên?
Ảnh
Định luật I Newton
Nhắc lại về khái niệm lực
- Lực là sự kéo hoặc đẩy. - Lực có các tác dụng: làm biến dạng hoặc làm thay đổi vận tốc của vật. - Lực luôn do một vật tạo ra và tác dụng lên vật khác. Có hai loại lực: lực tiếp xúc và lực không tiếp xúc (Hình 10.2).
Ảnh
Thảo luận 1
Hình vẽ
Hãy nêu tên một số lực mà em đã biết hoặc đã học trong môn Khoa học tự nhiên.
Thảo luận 2
Quan sát Hình 10.4, dự đoán về chuyển động của vật sau khi được đẩy đi trên các bề mặt khác nhau.
a) Đĩa sẽ bị dừng lại khi đi được một đoạn ngắn do ma sát lớn. b) Đĩa sẽ đi được quãng đường dài hơn so với trường hợp a do ma sát nhỏ hơn. c) Đĩa sẽ chuyển động liên tục với tốc độ không đổi nếu không gặp vật cản vì ma sát không đáng kể.
Ảnh
Ảnh
Ảnh
Quán tính
Hình vẽ
Từ một số ví dụ trên, ta có kết luận: Vật luôn có xu hướng bảo toàn vận tốc chuyển động của mình. Tính chất này được gọi là quán tính của vật.
Thảo luận 3
Hình vẽ
Đưa ra nhận định và giải thích về sự tồn tại của vật tự do trên thực tế.
Trên thực tế, vật luôn chịu tác dụng của một lực nào đó. Ví dụ, bất kì vật nào cũng chịu lực hấp dẫn từ những vật khác. Tuy nhiên, khi các tương tác này vô cùng bé ta có thể xem như vật không chịu tác dụng lực và ở trạng thái tự do. Hoặc trong trường hợp thứ hai, vật chịu tác dụng của nhiều lực nhưng chúng lại cân bằng nhau thì vật cũng được xem là một vật "giả tự do".
Định luật I Newton
Hình vẽ
Định luật I Newton được phát biểu như sau: Một vật nếu không chịu tác dụng của lực nào (vật tự do) thì vật đó giữ nguyên trạng thái đứng yên, hoặc chuyển động thẳng đều mãi mãi. * Ý nghĩa của định luật I Newton: Lực không phải là nguyên nhân gây ra chuyển động, mà là nguyên nhân làm thay đổi vận tốc chuyển động của vật.
Luyện tập
Hình vẽ
Aristotle nhận định rằng " Lực là nguyên nhân của chuyển động". Nhận định này đã tồn tại hàng ngàn năm trước thời đại của Newton. Hãy nêu ví dụ minh họa để phản bác lại nhận định này.
Khi bạn đang đi xe trên đường, bạn cảm thấy cây hai bên đường đang chuyển động lùi về phía sau trong khi không xuất hiện thêm một lực nào tác dụng lên hàng cây. Đây là tính tương đối của chuyển động đã được học ở Bài 5. Như vậy cảm giác chuyển động của các vật là do sự chuyển động tương đối của các vật đối với nhau chứ không liên quan đến lực.
Vận dụng
Hình vẽ
Một quả bóng được đặt trong toa tàu ban đầu đứng yên, giả sử lực ma sát giữa quả bóng và sàn tàu không đáng kể. Tàu bắt đầu chuyển động nhanh dần đều. Hãy nhận xét về chuyển động của quả bóng đối với bạn học sinh đứng ở sân ga (Hình 10.7). Giải thích tính chất của chuyển động này.
Ta thấy khoảng cách giữa quả bóng và bạn HS là không đổi trong quá trình tàu dịch chuyển. Điều này có thể được giải thích như sau: Trên phương chuyển động, quả bóng không chịu tác dụng của bất kì lực nào. Do đó theo định luật I Newton thì quả bóng phải giữ nguyên trạng thái đứng yên ban đầu của nó.
Ảnh
Định luật II Newton
Thảo luận 4
Hình vẽ
Dựa vào đồ thị 1, trả lời các câu hỏi sau: a) Đồ thị 1 có dạng gì? b) Gia tốc của vật có mối liên hệ thế nào với lực tác dụng vào vật khi khối lượng của vật không đổi?
a) Đồ thị 1 có dạng đường thẳng. b) Khi khối lượng không đổi, độ lớn gia tốc tỉ lệ thuận với độ lớn lực tác dụng.
Ảnh
Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của gia tốc (trục tung) vào lực tác dụng (trục hoành) khi khối lượng của xe được giữ nguyên.
Định luật II Newton
Dạng phổ biến của định luật II Newton được rút ra từ những quan sát, thực nghiệm và được phát biểu như sau: Gia tốc của vật có 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. latex(vec(a) = vec(F)/m) Trong hệ SI, đơn vị của lực là N (niu tơn). 1N = 1 kg 1m/latex(s^2) Trong trường hợp vật chịu tác dụng của nhiều lực (Hình 10.9) thì lực latex(vec(F)) trong biểu thức trên là lực tổng hợp của tất cả các lực thành phần: latex(vec(F) = vec(F)_1 + vec(F)_2 + vec(F)_3 + ...)
Thảo luận 5
Hình vẽ
Dựa vào đồ thị 2, trả lời các câu hỏi sau: a) Đồ thị 2 có dạng gì? b) Độ lớn gia tốc của vật có mối liên hệ như thế nào với khối lượng của vật khi lực tác dụng vào vật không đổi?
a) Đồ thị 2 có dạng đường thẳng. b) Khi lực tác dụng vào vật có độ lớn không đổi, độ lớn gia tốc tỉ lệ nghịch với khối lượng của vật.
Ảnh
Đồ thị biểu diễn sự phụ thuộc của gia tốc (trục tung) vào nghịc đảo khối lượng của xe (trục hoành) khi lực tác dụng và xe có độ lớn không đổi.
Thảo luận 6
Hình vẽ
Quan sát Hình 10.10, nhận xét trong trường hợp nào thì ta có thể dễ dàng làm xe chuyển ộng từ trạng thái đứng yên. Giả sử lực tác dụng trong hai trường hợp có độ lớn tương đương nhau. Giải thích.
Khi cả hai xe đang đứng yên, nếu lực tác dụng và xe máy và ô tô là như nhau thì việc làm xe máy chuyển động sẽ dễ hơn rất nhiều so với việc làm xe ô tô chuyển ộng do xe máy có khối lượng nhỏ hơn.
Ảnh
Ảnh
Thảo luận 7
Hình vẽ
Áp dụng công thức định luật II Newton (10.1) để lập luận rằng khối lượng là đại lượng đặc trưng cho mức quán tính của vật.
Từ biểu thức định luật II Newton a = F/m, khi lực F có độ lớn không đổi, khối lượng của vật càng lớn thì gia tốc a của vật càng nhỏ. Nghĩa là sự thay đổi vận tốc của vật trong một đơn vị thời gian càng nhỏ, hay ta nói vật càng khó thay đổi trạng thái chuyển động (cụ thể là vận tốc chuyển động). Do đó, khối lượng chính là đại lượng đặc trưng cho mức quán tính của vật.
Luyện tập
Hình vẽ
Một xe bán tải khối lượng 2,5 tấn đang di chuyển trên cao với tốc độ 90km/h. Các xe cần giữ khoảng cách an toàn so với xe chạy phía trước 70m. Khi xe đi trước có sự cố và dừng lại đột ngột. Hãy xác định lực cản tối thiểu để xe bán tải có thể dừng lại an toàn.
Xe chuyển động chậm dần đều dưới tác dụng của lực cản. latex(v^2 - v_0^2 = 2a.s => a = (v^2 - v_0^2)/(2s) = (0^2 - (90/(3,6))^2)/(2.70)) ≈ -4,5 m/latex(s^2) => F = m.a = 2500.(-4,5) = -11250 N. Như vậy, lực cản tối thiểu phải có độ lớn khoảng 11250 N thì xe mới có thể dừng lại an toàn.
Vận dụng
Hình vẽ
Ảnh
Trong trò trơi thổi viên bi, mỗi bạn sử dụng một ống bơm khí từ vật liệu đơn giản như Hình 10.11, thổi khí vào viên bi được đặt trên ray định hướng. Người chơi sẽ chiến thắng khi thổi viên bi đi xa hơn sau ba lần. hãy sử dụng định luật II Newton giải thích làm thế nào để có thể thắng trò chơi này.
Bóp mạnh chai để khí phụt ra mạnh, sau đó chờ chai hồi phục hình dạng (khí tràn vào chai) rồi tiếp tục bóp mạnh. Lực do khí tạo ra sẽ tác dụng vào viên bi làm cho viên bi di chuyển. Lực càng mạnh thì viên bi có gia tốc càng lớn và di chuyển càng xa. Bạn nào làm cho viên bi di chuyển càng xa sẽ thắng trò chơi này.
Lực bằng nhau, không bằng nhau
Định luật II Newton là cơ sở giúp xác định các lực bằng nhau và không bằng nhau: - Hai lực bằng nhau: khi lần lượt tác dụng vào cùng một vật sẽ gây ra lần lượt hai vecto gia tốc bằng nhau (giống nhau về hướng và bằng nhau về độ lớn). - Hai lực không bằng nhau: khi tác dụng lần lượt vào cùng một vật sẽ gây ra lần lượt hai vecto gia tốc khác nhau (về hướng hoặc độ lớn). Nếu cho hai lực đồng thời tác dụng vào cùng một vật theo hướng ngược nhau, ta có hai trường hợp có thể xảy ra: - Vật đứng yên hoặc chuyển động thẳng đều. Hai lực này được gọi là hai lực cân bằng. - Vật thu gia tốc và chuyển động theo hướng của lực có độ lớn lớn hơn. Hai lực này được gọi là hai lực không cân bằng.
Thảo luận 9
Ảnh
Ảnh
Nhận xét về chuyển động của thùng hàng khi chịu tác dụng của lực đẩy và kéo cùng độ lớn trong Hình 10.12 và chuyển động của quyển sách khi lần lượt chịu tác dụng của lực theo các hướng khác nhau như trong Hình 10.13.
Trả lời
- Trong hình 10.12, hai cậu bé lần lượt đẩy và ké thùng hàng với lực có hướng và độ lớn như nhau nên gia tốc của thùng hàng trong hai trường hợp là giống nhau về hướng và sự bằng nhau về độ lớn. Nghĩa là thùng hàng có tính chất chuyển động như nhau khi lần lượt chịu sự tác dụng của lực đẩy và lực kéo. - Trong hình 10.13, khi đẩy quyển tập bằng hai lực có hướng khác nhau thì quyển tập dịch chuyển với gia tốc khác nhau về hướng (và có thể cả độ lớn nếu hai lực có độ lớn khác nhau).
Thảo luận 10
Hãy xác định cặp lực bằng nhau, không bằng nhau tác dụng lên tạ và tên lửa trong hình 10.14.
Ảnh
a) Lực nâng tay và trọng lực của quả tạ. Độ lớn hai lực bằng nhau. b) Lực đẩy của nhiên liệu thoát ra và trọng lực của tên lửa, trong đó độ lớn của lực đẩy lớn hơn độ lớn trọng lực của tên lửa. Hoặc lực đẩy của nhiên liệu lớn hơn lực cản của môi trường.
Định luật III Newton
Thảo luận 11
Ảnh
Quan sát Hình 10.15 và trả lời các câu hỏi: a) Khi ta đấm vào bao cát thì tay ta có chịu tác dụng lực không?
b) Khi đưa hai cực cùng tên của hai nam châm thẳng lại gần nhau thì tác dụng lực lên từng nam châm có tính chất gì?
a) Tay có chịu lực tác động. b) Lực tác dụng lên từng nam châm ngược hướng nhau nên hai tay của ta có cảm giác bị đẩy ra xa nhau.
Định luật III Newton
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 điểm đặt lên hai vật khác nhau, có cùng giá, cùng độ lớn nhưng ngược chiều latex(vec(F)_(AB) = -vec(F)_(BA)) Một trong hai lực trong định luật III Newton được coi là lực tác dụng, lực kia gọi là phản lực. Cặp lực này: - Có cùng bản chất. - Là hai lực trực đối. - Xuất hiện và biến mất cùng lúc. - Tác dụng vào hai vật khác nhau nên không thể triệt tiêu lẫn nhau.
Luyện tập
Hình vẽ
Xét trường hợp con ngựa kéo xe như hình 10.17. Khi ngựa tác dụng một lực kéo lên xe, theo định luật III Newton sẽ xuất hiện một phản lực có cùng độ lớn nhưng ngược hướng so với lực kéo. Vậy tại sao xe vẫn chuyển động về phía trước? Giải thích hiện tượng.
Ảnh
Vì điểm đặt phản lực của lực kéo do ngựa gây ra là trên ngựa. Tức là lực kéo của ngựa đặt lên xe và phản lực của xe đặt lên ngựa không thể triệt tiêu nhau. Ngựa tiến về phía trước do có lực kéo đóng vai trò là lực phát động cho xe chở hàng.
Vận dụng
Một số hiện tượng trong đời sống liên quan đến định luật III Newton: - Pháo tác dụng lực lên viên đạn làm viên đạn bay ra ngoài, đồng thời pháo chịu phản lực của viên đạn tác dụng ngược lại nên bị lùi về sau. - Khi quả bóng rổ chạm đất, đất xuất hiện phản lực đẩy quả bóng này ngược lên.