nghiên cứu về tính hợp lý của ba định luật newton báo cáo tổng kết đề tài nghiên cứu khoa học cấp trường

BỘ CÔNG THƯƠNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH BÁO CÁO TỔNG KẾT ĐỀ TÀI KHOA HỌC KẾT QUẢ THỰC HIỆN ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌCCẤP TRƯỜNG Tên đề tài: NGHIÊN CỨU VỀ TÍNH HỢP LÝ CỦA BA ĐỊNH LUẬT NEWTON Mã số đề tài: 2.ĐL01 Chủ nhiệm đề tài: TS ĐỖ VĂN NĂNG Đơn vị thực hiện: Khoa Cơng nghệ Động lực Tp Hồ Chí Minh, … LỜI CÁM ƠN Trong suốt trình thực đề tài nghiên cứu khoa học Trường Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh, tơi nhận nhiều quan tâm, giúp đỡ học quý báu từ quý đồng nghiệp Tôi trân trọng gửi đến người lời cảm ơn chân thành thông qua đề tài nghiên cứu khoa học Tôi gửi lời cảm ơn đến Trường Đại học Cơng nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh tạo điều kiện cho làm việc nghiên cứu khoa học suốt q trình cơng tác thực đề tài nghiên cứu khoa học Tôi trân trọng cảm ơn đến quý đồng nghiệp, quý thầy cô Khoa CNĐL Trường Đại học Công nghiệp Thành phố Hồ Chí Minh ln ủng hộ, giúp đỡ tạo cho môi trường tốt để làm việc nghiên cứu suốt trình thực đề tài nghiên cứu khoa học Trân trọng Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 03 năm 2023 TS Đỗ Văn Năng PHẦN I THƠNG TIN CHUNG I Thơng tin tổng quát 1.1 Tên đề tài: TÍNH HỢP LÝ CỦA BA ĐỊNH LUẬT NEWTON VỀ CHUYỂN ĐỘNG 1.2 Mã số: 2.ĐL01 1.3 Danh sách chủ trì, thành viên tham gia thực đề tài TT Họ tên (học hàm, học vị) Đơn vị cơng tác Vai trị thực đề tài TS Đỗ Văn Năng Khoa CNĐL, Trường Đại học Công nghiệp TP.HCM Chủ nhiệm ThS Trương Đặng Hoài Thu Khoa Vật lý, Trường Đại học Sư phạm TP.HCM Thành viên 1.4 Đơn vị chủ trì: 1.5 Thời gian thực hiện: 1.5.1 Theo hợp đồng: từ tháng 03 năm 2022 đến tháng 03 năm 2023 1.5.2 Gia hạn (nếu có): đến tháng 09 năm 2023 1.5.3 Thực thực tế: từ tháng 11 năm 2021 đến tháng 03 năm 2023 1.6 Những thay đổi so với thuyết minh ban đầu (nếu có): (Về mục tiêu, nội dung, phương pháp, kết nghiên cứu tổ chức thực hiện; Nguyên nhân; Ý kiến Cơ quan quản lý) 1.7 Tổng kinh phí phê duyệt đề tài: 20 triệu đồng II Kết nghiên cứu Đặt vấn đề Khoa học kĩ thuật phát triển không ngừng, muốn bắt kịp nhịp độ này, việc xây dựng cho thân tảng kiến thức vững nghi ngờ điều bắt buộc Ba định luật chuyển động Newton đá tảng học cổ điển Tuy nhiên, thảo luận ba định luật Newton diễn sơi Đã có nhiều báo cáo nghiên cứu vấn đề đa dạng xoay quanh ba định luật hầu hết mang tính riêng lẻ Do đó, việc tổng hợp kiện, khái quát vấn đề cụ thể điều vô cần thiết Đây nhu cầu cấp thiết ngành giáo dục vật lý Ba định luật Newton nghi ngờ cánh cửa động lực học nói riêng, học cổ điển nói chung Do đó, cơng trình này, mong muốn làm rõ mối quan tâm xoay quanh ba định luật này, có ý nghĩa định luật một, hạn chế xuất phát từ định luật hai nguyên nhầm lẫn thường mắc phải áp dụng định luật ba Newton Mục tiêu a) Mục tiêu tổng quát Phân tích cấu trúc logic việc xây dựng ba định luật Newton Từ phạm vi áp dụng quan niệm sai lầm áp dụng định luật b) Mục tiêu cụ thể + Khảo cứu lịch sử việc hình thành ba định luật Newton chuyển động + Tìm hiểu logic xếp định luật Newton + Tìm hiểu quan điểm sai lầm áp dụng định luật Newton phạm vi áp dụng định luật Phương pháp nghiên cứu Nghiên cứu lý thuyết Tổng kết kết nghiên cứu + Giải thích thành công logic xếp định luật Newton + Phân tích làm rõ nguyên nhân dẫn đến quan điểm sai lầm áp dụng định luật Newton + Xác định phạm vi áp dụng định luật Newton Đánh giá kết đạt kết luận Cơng trình khảo cứu tổng quát ba định luật chuyển động Newton, sâu vào vướng mắc thảo luận năm gần Bài báo cáo làm rõ trình tự logic ba định luật chuyển động Isaac Newton đưa từ kỉ XVII, khẳng định định luật I Newton phải đặt vị trí để xác định phạm vi áp dụng hai định luật lại Các định luật chuyển động Newton mối quan hệ trạng thái chuyển động vật lực tác dụng lên chúng Trong đó, định luật I cho biết trạng thái vật khơng có lực tác dụng, định luật II cho biết trạng thái vật chịu lực tác dụng định luật III cho biết mối liên hệ lực tương tác vật với Kết hợp định luật II định luật III, thu quy luật chuyển động hệ vật tác dụng ngoại lực, nội lực bị triệt tiêu Đồng thời, cơng trình nghiên cứu ý nghĩa định luật hạn chế áp dụng định luật Sự không tuyệt đối định luật III đặt nhu cầu mối quan hệ lực tương tác giới vi mô Quy luật tương tác nghiên cứu cơng trình nghiên cứu chúng tơi Tóm tắt kết (tiếng Việt tiếng Anh) Tóm tắt Trong nghiên cứu này, tính hợp lý ba định luật chuyển động Newton phạm vi áp dụng chúng phân tích cách chi tiết Kết cho thấy định luật I khơng đơn định luật qn tính, mà đặt hệ quy chiếu, điểm nhìn để xem xét chuyển động vật Đây lý định luật xếp vị trí ba định luật ông Đồng thời, nghiên cứu khẳng định hệ quy chiếu phi qn tính khơng phải hạn chế định luật II định luật II định nghĩa lực Bên cạnh đó, báo cáo đề cập tới nhầm lẫn áp dụng định luật III Newton chứng minh định luật tuyệt đối Cụ thể, lực Coulomb dựa tính tốn lý thuyết thuyết tương đối hẹp không phù hợp với phát biểu định luật III Newton Abstract In this study, the rationale and extent of application of Newton's laws of motion are explored in depth The results demonstrate that the first law is more than just a law of inertia; it also establishes a frame of reference, a vantage point from which to examine the motion of things This is the reason why the law ranks first in his laws of motion In addition, the analysis indicates that the non-inertial frame of reference is not a limitation of the second law and that the second law does not define force In addition, the study describes the difficulty in implementing Newton's third law and demonstrates that it is not absolute Specifically, the Coulomb force derived from theoretical calculations in special relativity is incompatible with Newton's third law III Sản phẩm đề tài, công bố kết đào tạo 3.1 Kết nghiên cứu ( sản phẩm dạng 1,2,3) TT Tên sản phẩm Yêu cầu khoa học hoặc/và tiêu kinh tế - kỹ thuật Đăng ký Tính hợp lý ba định luật Newton chuyển động Ghi chú: Đạt Bài báo chấp nhận đăng tạp chí IHU Tạp chí KHCN IUH nhận đăng - Các ấn phẩm khoa học (bài báo, báo cáo KH, sách chuyên khảo…) chấp nhận có ghi nhận địa cảm ơn trường ĐH Công Nghiệp Tp HCM cấp kính phí thực nghiên cứu theo quy định - Các ấn phẩm (bản photo) đính kèm phần phụ lục minh chứng cuối báo cáo (đối với ấn phẩm sách, giáo trình cần có photo trang bìa, trang trang cuối kèm thông tin định số hiệu xuất bản) 3.2 Kết đào tạo Thời gian Tên đề tài Tên chuyên đề NCS TT Họ tên thực đề tài Đã bảo vệ Tên luận văn Cao học Nghiên cứu sinh Học viên cao học Sinh viên Đại học Ghi chú: - Kèm photo trang bìa chun đề nghiên cứu sinh/ luận văn/ khóa luận bằng/giấy chứng nhận nghiên cứu sinh/thạc sỹ học viên bảo vệ thành công luận án/ luận văn;( thể phần cuối báo cáo khoa học) IV Tình hình sử dụng kinh phí T T A Nội dung chi Chi phí trực tiếp Th khốn chun mơn Nguyên, nhiên vật liệu, Thiết bị, dụng cụ Cơng tác phí Dịch vụ th ngồi Hội nghị, hội thảo,thù lao nghiệm thu kỳ In ấn, Văn phòng phẩm Chi phí khác Kinh phí duyệt (triệu đồng) 19.653100 Kinh phí thực (triệu đồng) 19.653100 Ghi B Chi phí gián tiếp Quản lý phí Chi phí điện, nước Tổng số 0.346900 0.346900 V Kiến nghị ( phát triển kết nghiên cứu đề tài) Cần áp dụng kết nghiên cứu vào việc giảng dạy Vật lý đại cương Phương pháp dạy học vật lý cho sinh viên khối ngành Sư phạm Vật lý Trường ĐH Sư phạm VI Phụ lục sản phẩm ( liệt kê minh chứng sản phẩm nêu Phần III) 1.Giấy Nhận đăng báo tạp chí Khoa học Cơng nghệ - Trường Đại học Công nghiệp TP.HCM Chủ nhiệm đề tài Tp HCM, ngày tháng năm (ĐƠN VỊ) Phòng QLKH&HTQT Trưởng (đơn vị) (Họ tên, chữ ký) PHẦN II BÁO CÁO CHI TIẾT ĐỀ TÀI NGHIÊN CỨU KHOA HỌC (báo cáo tổng kết sau nghiệm thu, bao gồm nội dung góp ý hội đồng nghiệm thu) NGHIÊN CỨU VỀ TÍNH HỢP LÝ CỦA BA ĐỊNH LUẬT NEWTON VỀ CHUYỂN ĐỘNG Tóm tắt Trong nghiên cứu này, tính hợp lý ba định luật chuyển động Newton phạm vi áp dụng chúng phân tích cách chi tiết Kết cho thấy định luật I không đơn định luật qn tính, mà đặt hệ quy chiếu, điểm nhìn để xem xét chuyển động vật Đây lý định luật xếp vị trí ba định luật ông Đồng thời, nghiên cứu khẳng định hệ quy chiếu phi qn tính khơng phải hạn chế định luật II định luật II định nghĩa lực Bên cạnh đó, báo cáo đề cập tới nhầm lẫn áp dụng định luật III Newton chứng minh định luật tuyệt đối Cụ thể, lực Coulomb dựa tính tốn lý thuyết thuyết tương đối hẹp không phù hợp với phát biểu định luật III Newton Từ khóa Tính hợp lý, định luật Newton, hạn chế RESEARCH ON THE RATIONALITY OF THREE NEWTON’S LAWS Abstract In this study, the rationale and extent of application of Newton's laws of motion are explored in depth The results demonstrate that the first law is more than just a law of inertia; it also establishes a frame of reference, a vantage point from which to examine the motion of things This is the reason why the law ranks first in his laws of motion In addition, the analysis indicates that the non-inertial frame of reference is not a limitation of the second law and that the second law does not define force In addition, the study describes the difficulty in implementing Newton's third law and demonstrates that it is not absolute Specifically, the Coulomb force derived from theoretical calculations in special relativity is incompatible with Newton's third law Keyword Rationality, Newton’s law, restriction GIỚI THIỆU Vào năm 1687, Newton công bố ba định luật chuyển động sách tiếng có tựa đề Principia Trong đó, khái niệm logic việc dẫn dắt đến định luật khơng ơng giải thích tường minh Vì vậy, việc phân tích tính logic ba định luật Newton chuyển động (NLM – Newton’s Laws of Motion) nhận quan tâm nhiều nhà khoa học giới chúng đóng vai trị quan trọng việc đặt móng cho học cổ điển Hệ thống NLM bao gồm nhiều mối quan hệ tương quan chặt chẽ đại lượng vật lý lực, gia tốc, khối lượng mối quan hệ logic định luật với Năm 2012, Stocklmayer, Rayner Gore đề xuất thứ tự xếp cho NLM cách đưa định luật III lên vị trí (Stocklmayer et al., 2012) Trong cơng trình trên, tác giả đưa lập luận thực thí nghiệm để khẳng định lợi ích việc tiếp cận tương tác lực – phản lực trước hai định luật NLM Tuy nhiên, Stocklmayer cộng tập trung vào định luật III mà chưa thảo luận tầm quan trọng định luật I, nguyên nhân Newton đưa thứ tự xếp định luật ban đầu, chưa đưa lập luận việc tiếp cận định luật III trước định luật I (Stocklmayer et al., 2012) Trong năm 2012, Ford phản biện lại báo Stocklmayer cách khẳng định vai trò quan trọng định luật I (Ford, 2012) Năm 2015, Hecht đề cập nghi vấn ông cần thiết định luật I chưa giải thích vấn đề cách tường tận cơng trình (Hecht, 2015) NLM tồn nhiều kỉ trải qua nhiều tranh cãi tính hợp lý, tính logic điều kiện để áp dụng chúng Bên cạnh mối tương quan ba định luật, thân định luật chủ đề nhiều thảo luận Năm 1963, Bottaccini phân tích tốn học để chứng minh định luật II Newton áp dụng cho hệ nhiều hạt hệ có khối lượng thay đổi (Bottaccini, 1963) Vào đầu kỉ XX, định luật II Newton sửa đổi xét tới tốc độ giới hạn c khối lượng tương đối tính (Javadi et al., 2013) Năm 2007, Ignatiev nghiên cứu hạn chế định luật II gia tốc trở nên vơ bé (Ignatiev, 2007) Dù có nhiều tranh luận “giới hạn” định luật II Tuy nhiên nghiên cứu sâu hạn chế định luật II Newton chưa thực để trả lời cho câu hỏi hệ quy chiếu phi qn tính có phải hạn chế định luật Mặt khác, ý nghĩa định luật II Newton nhận nhiều ý kiến trái chiều Năm 1985, Brehme khẳng định định luật II định nghĩa lực cơng trình (Brehme, 1985), Anderson cho nhận định không (Anderson, 1990) Tuy nhiên, nghiên cứu Anderson chưa thuyết phục thiếu lời giải thích rõ ràng Do đó, báo cáo này, chúng tơi phân tích lý thuyết để chứng minh định luật II Newton định nghĩa lực, mà biểu thức định lượng ảnh hưởng lực tác động lên vật Trong năm đầu kỉ XXI, định luật III Newton chủ đề thảo luận khơng nhà khoa học Năm 2002, Hughes viết trải nghiệm ông tham gia buổi thảo luận xoay quanh định luật III Newton (Hughes, 2002) Từ đó, ơng cho thân có nhầm lẫn việc xác định cặp lực – phản lực theo định luật III Trong năm tiếp theo, Aguilar (Aguilar, 2007) Dykstra (Dykstra, 2009) làm thí nghiệm để rõ nhầm lẫn việc áp dụng định luật III Tuy nhiên, cơng trình chưa nêu nguyên nhân cốt lõi dẫn đến sai lệch Chính vậy, chúng tơi mong muốn phân tích chi tiết nguyên nhân quan niệm sai lầm áp dụng định luật III Newton Đồng thời, mong muốn khảo sát giới hạn định luật III Newton phạm vi vĩ mô vi mô, vật lý cổ điển vật lý đại Đã có nhiều cơng trình nghiên cứu vấn đề (Kneubil, 2016; Ivlev et al., 2015; Cornille, 1999) muốn đề cập trường hợp đơn giản để chứng tỏ định luật III Newton tuyệt đối Dù nhận nhiều quan tâm, kết nghiên cứu liên quan đến NLM mang tính đơn lẻ Do đó, cơng trình này, làm rõ logic ba định luật Newton phân tích ý nghĩa định luật KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU 2.1 Định luật I Newton 2.1.1 Ý nghĩa định luật I Newton Trong Principia, Newton trình bày định luật I sau: “Mọi vật trì trạng thái nghỉ chuyển động thẳng đều, trừ buộc phải thay đổi trạng thái lực tác dụng lên nó” (Newton, 1729) Định luật I gọi “định luật quán tính” nói lên xu hướng chuyển động vật vật trạng thái tự (không chịu lực tác dụng) (Cornille, 1999; Marquit, 1990; Leemann, 2000) Tính phổ biến định luật I bắt nguồn từ tính trực quan Do đó, chương trình giáo dục Việt Nam hành, học sinh quen với thuật ngữ “qn tính” thơng qua ví dụ trực quan đơn giản lớp tiếp cận định luật I cách chi tiết lớp 10 Định luật I lực nguyên nhân gây chuyển động vật, mà nguyên nhân tạo thay đổi vận tốc động lượng vật, nghĩa ta không cần phải liên tục tác dụng lực để trì chuyển động vật Chuyển động vật so với vật khác chuyển động không đồng (với vận tốc khác nhau) hệ quy chiếu so với Trong cơng trình năm 2012 mình, Ford khẳng định “Định luật I Newton xứng đáng nhận nhiều quan tâm Việc Newton xếp thứ tự NLM chắn khơng có tính ngẫu nhiên Đồng thời, định luật I Newton định luật riêng biệt, trường hợp đặc biệt định luật II Newton Định luật I Newton khơng có giả định kiến thức lực khơng địi hỏi tính hợp lệ định luật II Newton” (Ford, 2012) Như vậy, định luật I Newton trình bày trạng thái vật trường hợp khơng có lực tác dụng (vật tự lý tưởng) mà không đề cập đến việc trạng thái chuyển động vật thay đổi có lực tác dụng, từ đề điểm nhìn xem xét trạng thái vật, hay gọi hệ quy chiếu qn tính mà NLM áp dụng cách hợp lệ Ngoài ra, ta cần khẳng định định luật I Newton trường hợp riêng định luật II Newton, ngược lại định luật II Newton phải có dạng công thức tuân theo định luật I Newton Dù lực tác dụng lên vật định luật I Newton áp dụng được, ta khơng thể áp dụng định luật II Newton định luật cho ta biết biến đổi trạng thái chuyển động vật bị ảnh hưởng nhân tố bên ngoài, tức sau chịu tác dụng lực 2.1.2 Khái niệm hệ quy chiếu Như phân tích mục 2.1.1, khái niệm hệ quy chiếu quán tính đến từ ý nghĩa định luật I Newton Đó nơi mà định luật chuyển động Newton nghiệm Thông thường, khái niệm hệ quy chiếu hiểu nhầm bao gồm ba yếu tố: vật mốc, hệ tọa độ đồng hồ đo thời gian Tuy nhiên, hệ quy chiếu thực chất bao gồm vật làm mốc, hệ tọa độ đồng hồ đo thời gian công cụ người quan sát để xác định vị trí vật khơng gian theo thời gian Do đó, thường sử dụng “chọn hệ quy chiếu gắn đất” hay “chọn hệ quy chiếu gắn thang máy” để phản ánh điều Hệ quy chiếu hình ảnh giới phản chiếu vào vật làm mốc Hệ quy chiếu quán tính hệ quy chiếu gắn với vật làm mốc đứng yên chuyển động thẳng Một cách định nghĩa khác, hệ quy chiếu quán tính hệ quy chiếu NLM nghiệm (Brehme, 1985) 2.2 Định luật II Newton 2.2.1 Ý nghĩa định luật II Newton Trong Principia, Newton trình bày định luật II sau: “Sự biến thiên động lượng vật tỉ lệ thuận với xung lực tác dụng lên nó, vector biến thiên động lượng 10 hướng với vector xung lực gây nó” (Newton, 1729) Định luật II Newton định luật định lượng cho biết quy luật chuyển động vật vật chịu tác động ngoại lực Nó cho phép ta dự đoán trạng thái chuyển động vật khứ, tương lai biết tác động bên vật trạng thái chuyển động vật khoảng thời gian định, từ dự đốn số tượng xảy Nói cách khác, định luật II Newton xác định ảnh hưởng lực lên vật Trên thực tế, có nhầm lẫn ý nghĩa thực định luật II có nhận định định luật II định nghĩa lực (Brehme, 1985) Tuy nhiên, nhận định khơng xác gia tốc kết tác dụng lực lên vật, hay nói cách khác lực đại lượng có trước gia tốc Định luật II công thức liên hệ, định lượng nhằm thể ảnh hưởng lực tác dụng lên vật lên trạng thái chuyển động vật (Ludwig, 1992) Vì lực khơng phải đại lượng vật lý nên có cơng thức định nghĩa, công thức cụ thể cho lực khác nhau, ví dụ lực tĩnh điện F  kqQ , lực đàn hồi F  kx r2 2.2.2 Ảnh hưởng hệ quy chiếu Vì ý nghĩa quan trọng định luật II, nhà vật lý quan tâm đến phạm vi áp dụng định luật II đề cập định luật II áp dụng hệ quy chiếu phi quán tính, muốn áp dụng cần phải thêm vào lực quán tính (Arnold, 1989; Taylor, 2005) Tuy nhiên, hệ quy chiếu phi qn tính khơng phải điểm hạn chế định luật II Điều lý giải cơng trình chúng tơi Cơng thức định luật II Newton viết dạng vi phân (Arnold, 1989; Morin, 2008): F dp dt (1) Khi vật xét có khối lượng khơng thay đổi q trình chịu tác dụng ngoại lực, cơng thức (1) viết lại dạng: F  ma (2) Công thức (2) thể quan điểm Newton: Gia tốc a đại lượng “tuyệt đối” Vì lực khối lượng đại lượng khách quan, không phụ thuộc người quan sát nên không hợp lí nói gia tốc đại lượng tương đối Trong hệ quy chiếu qn tính gia tốc đại lượng không đổi, không phụ thuộc người quan sát Trong hệ quy chiếu phi quán 11 tính, lực qn tính (hay cịn gọi lực ảo) thêm vào cơng thức (2) để đảm bảo tính hợp lệ cho hai định luật Newton (Arnold, 1989; Taylor, 2005): F  Fqt  ma (3) Công thức (3) định luật II nguyên Newton, đồng thời khắc phục hạn chế định luật II Newton Như đề cập Mục 2.1.1, định luật II Newton nghiệm định luật I Newton nghiệm Do đó, hệ quy chiếu có gia tốc, cần công thức liên hệ khác lực gia tốc vật Nói cách khác, cơng thức (3) xây dựng dựa công thức (2) Bản chất lực quán tính đến từ chuyển động tương đối hệ quy chiếu (Taylor, 2005) Chúng tơi đưa ví dụ cụ thể để minh hoạ cho nhận định Xét tình đồn tàu lửa chạy thẳng đường ray với gia tốc A người soát vé di chuyển tàu Gọi K hệ quy chiếu quán tính gắn với đường ray, K hệ quy chiếu phi qn tính gắn với đồn tàu, r0 , r vector vận tốc người soát vé K K , V vận tốc K so với K Trong hệ quy chiếu quán tính K , định luật II Newton cho ta mr  F , (4) đó, F tổng ngoại lực tác dụng lên người soát vé Mặt khác, công thức cộng vận tốc cho ta r0  r  V (5) Kết hợp (4) (5) ta thu phương trình cho phép xác định trạng thái chuyển động người soát vé hệ quy chiếu phi quán tính K mr  F  mV  F  mA (6) Người ta gọi Fqt  mA để đưa phương trình (6) dạng với biểu thức định luật II Newton (3) Fqt gọi “lực ảo” khơng có vật gây lực, tuý đồng biểu thức toán học Tuy nhiên, thực tế, hệ quy chiếu phi quán tính, tác động lực ảo thật! Nếu bạn lái xe chuyển động đường gặp tình bất ngờ 12 phải hãm phanh gấp, bạn cảm nhận lực buộc bạn phải ngả người phía trước Đây nguồn gốc khái niệm “lực quán tính” (Galili, 2022) Trong hệ quy chiếu quay, định luật II Newton thay biểu thức phức tạp   mr  F  2mr  Ω  m Ω  r  Ω , đó, Ω vận tốc góc K  (7) so với K Trong trường hợp này,  Fqt  2mr  Ω  m Ω  r  Ω bao gồm hai thành phần Chúng ta hồn tồn chứng minh phương trình (7) từ hướng tiếp cận chuyển động tương đối (tham khảo cách chứng minh chi tiết Classical Mechanics Taylor phát hành năm 2005) Tuy nhiên, thành phần lực quán tính tìm độc lập từ nhiều nhà khoa học thời điểm khác Thành phần thứ gọi lực Coriolis (đặt tên theo nhà khoa học Gaspard-Gustave de Coriolis, người lần đề cập đến vào năm 1835) Fcor  2mr  Ω (8) Thành phần thứ hai gọi lực ly tâm, Huygens đề cập nghiên cứu cơng trình ơng vào năm 1659 1673 (Galili, 2022)   Flt  m Ω  r  Ω (9) Như vậy, hệ quy chiếu phi quán tính, quy luật chuyển động vật thay đổi dẫn đến ảnh hưởng lực khơng cịn đo đạc theo quy tắc định luật II Newton Do đó, người ta xây dựng cơng thức định lượng dựa tảng định luật II “nguyên bản” quy tắc cộng vận tốc hệ quy chiếu, từ hình thành “định luật II hệ quy chiếu phi quán tính” Điều lần khẳng định tầm quan trọng định luật I Newton ơng đưa vị trí đầu tiên, đóng vai trị xác định phạm vi áp dụng hai định luật lại 2.3 Định luật III Newton 2.3.1 Ý nghĩa định luật III Newton Định luật III Newton trình bày Principia sau: “Đối với tác động, ln có phản ứng ngược lại tác động tương hỗ hai vật luôn ngược hướng nhau” (Newton, 1729) Định luật III Newton cho biết mối quan hệ lực tương tác, từ đó, kết hợp với định luật II Newton để tính tốn chuyển động hệ vật Khác với định luật II Newton đóng vai trị quan trọng việc xác định 13 chuyển động vật tác động lực, định luật III Newton giữ vai trò quan trọng xét hệ vật tương tác Lưu ý “định luật II Newton cho hệ vật” hệ định luật II định luật III Newton Vì lực tương tác vật phương, ngược chiều, độ lớn (biểu diễn toán học F12 = F21 ) nên nội lực tác dụng lên hệ bị triệt tiêu Do đó, áp dụng định luật II cho hệ vật, ta coi vật chịu tác dụng ngoại lực Nếu định luật III khơng cịn nghiệm hệ không xảy 2.3.2 Những nhầm lẫn thường mắc phải áp dụng định luật III Newton Định luật III có dạng phát biểu tương đối đơn giản, thực tế nhiều trường hợp nhầm lẫn việc xác định cặp lực – phản lực định luật III Newton sử dụng chúng cách đắn (Hughes, 2002; Aguilar, 2007; Hellingman, 1992) Để minh họa cho số quan điểm sai lầm cặp lực – phản lực định luật III Newton, ta xét số ví dụ sau Xét tác dụng lực từ lên viên bi sắt thí nghiệm đề xuất Aguilar vào năm 2007 (Aguilar, 2007) Hình mơ tả mơ hình thí nghiệm, bao gồm giá đỡ cuộn solenoid, hai đầu cuộn solenoid nối vào nguồn hộp kiểm soát để cung cấp điều chỉnh cường độ dòng điện chiều qua dây Hệ thống giá đỡ - cuộn solenoid đặt lên cân điện tử chuẩn hóa nhằm đảm bảo xác thí nghiệm Hình Viên bi sắt đặt bàn cân chưa bật nguồn điện (Aguilar, 2007) Ban đầu, ta chưa đặt viên bi sắt vào hệ thống thí nghiệm, khối lượng M h hệ đo ghi nhận Sau đó, ta đặt viên bi sắt có khối lượng m  360 g cho dòng điện chiều chạy qua cuộn solenoid, điều chỉnh cường độ dòng điện cho viên bi trì trạng thái lơ lửng khoảng cách mm tính từ đầu cuộn solenoid Khi này, khối lượng hệ M h tiếp tục đo ghi nhận Trước tiến hành thí nghiệm, nhiều học sinh dự đốn khối lượng mơ hình khơng thay đổi việc viên bi lơ lửng khơng 14 đóng góp vào hệ thống giá đỡ - cuộn solenoid, trọng lượng hệ thống không thay đổi (Aguilar, 2007) Đây quan điểm khơng xác cân không đo trọng lượng hệ đặt lên cân mà đo độ lớn áp lực hệ tác dụng lên cân điểm tiếp xúc, từ quy số đo khối lượng Hình (a) Phân tích lực điểm tiếp xúc cân mơ hình cuộn solenoid (b) Viên bi sắt lơ lửng bật nguồn điện Gọi N , Fm Fm áp lực mặt cân tác dụng lên giá đỡ, lực từ cuộn solenoid tác dụng lên viên bi sắt lực từ viên bi sắt tác dụng lên cuộn solenoid Khi viên bi sắt hệ giá đỡ - cuộn solenoid đạt trạng thái cân bằng, ta có: + Viên bi sắt: Fm  mg  (10) + Hệ giá đỡ - cuộn solenoid: N  Fm  M g  (11) Chiếu (4) (5) lên phương thẳng đứng, chiều dương hướng lên, ta có Fm  mg  0, N  Mg  Fm  (12) Từ đây, ta suy áp lực mặt cân tác dụng lên hệ giá đỡ - cuộn solenoid có độ lớn N   M  m g (13) Công thức (13) giải thích lý số đo cân tăng lên lượng tương ứng với khối lượng viên bi sắt Ngồi ra, điều chỉnh cường độ dịng điện qua cuộn solenoid, cho độ lớn lực từ cuộn solenoid tác dụng lên viên bi sắt tăng lên, đủ để giữ viên bi tiếp xúc với cuộn solenoid, số đo cân có tiếp tục tăng lên hay không? Trong khảo sát Aguilar (Aguilar, 2007), hầu hết học sinh đưa nhận định số đo cân tăng độ lớn lực từ tăng lên Tuy nhiên, kết đo thực nghiệm cho thấy số đo cân 15 không thay đổi (vẫn tổng khối lượng viên bi sắt hệ giá đỡ - cuộn solenoid) Cần lưu ý rằng, trình viên bi sắt từ trạng thái cân lơ lửng bị hút lên cuộn solenoid tăng cường độ dòng điện, số đo cân tăng lên, điều thể rõ cơng thức (12) Trong thí nghiệm mà xét, ta số cặp lực – phản lực quan trọng theo định luật III Newton: + Áp lực N mặt cân tác dụng lên hệ giá đỡ - cuộn solenoid phản lực N  hệ giá đỡ - cuộn solenoid tác dụng lên mặt cân + Lực từ Fm cuộn solenoid tác dụng lên viên bi sắt lực từ Fm viên bi sắt tác dụng lên cuộn solenoid Việc khơng phân biệt phân tích sót cặp lực – phản lực định luật III Newton dẫn đến dự đoán sai lầm Năm 2002, Hughes đặt câu hỏi sau: “khi bóng rơi tự do, lực có độ lớn ngược hướng với trọng lực?” Một số đáp án ghi nhận lực ma sát khơng khí (Hughes, 2002) Tuy nhiên, bóng có gia tốc hai lực khơng thể Ở đây, đáp án xác lực hấp dẫn bóng tác dụng lên Trái Đất Trái Đất tác dụng lực hấp dẫn lên bóng (thường gọi trọng lực tác dụng lên bóng) bóng tác dụng lực lên Trái Đất Hai lực hướng nhau, có độ lớn ngược hướng cặp lực – phản lực định luật III Newton Một phần nguyên nhân dẫn đến quan niệm sai lầm cách gọi lực hấp dẫn phạm vi bé bề mặt Trái Đất “trọng lực” Cách gọi bỏ qua vật tác dụng vật bị tác dụng, làm ta khó nhận lực – phản lực định luật III Newton Xét câu hỏi khác: “Khi đặt bóng lên tay, lực có độ lớn ngược hướng với phản lực bàn tay lên bóng?” (Hughes, 2002) Đối với câu hỏi này, khái niệm “phản lực” nguyên nhân gây nhầm lẫn cho học sinh Chúng muốn lưu ý thuật ngữ “phản lực” phản lực định luật III Newton (reaction force) lực bề mặt tác dụng lên vật theo phương vng góc với mặt tiếp xúc hai vật (normal force) Ngoài ra, nghe cụm từ “bằng độ lớn ngược hướng nhau”, người ta thường nghĩ đến cặp lực cân thay cặp lực – phản lực định luật III Newton Khi hai vật xảy tương tác, cặp lực – phản lực tồn tại, cặp lực cân xuất Những nhầm lẫn mà chúng tơi vừa phân tích xảy Hellingman đặt câu hỏi “Đâu phản lực định 16 luật III Newton trọng lực tác dụng lên chai nước đặt bàn?” Câu trả lời ghi nhận nhiều phản lực (“normal force”) mà bàn tác dụng lên chai nước (Hellingman, 1992) Tiếp theo muốn đề cập đến nhận định sai độ lớn cặp lực – phản lực định luật III Newton cảm nhận cảm tính Ví dụ, bạn tác dụng lực vào người khác, đối phương thường cảm thấy đau Khi bạn đấm tay vào tường, tay bạn đau tường không bị biến dạng Tại lại vậy? Thật ra, nguyên nhân xuất phát từ khơng bình đằng cấu tạo hai nơi tiếp nhận lực Trong trường hợp thứ nhất, dây thần kinh cảm giác hai vị trí tác động chịu tác động không nhau, nên lực hai người lại cảm nhận “độ đau” khác Thêm vào đó, người chủ động công thường dùng phận nắm tay, củ trỏ, đầu gối, bàn chân công vào điểm yếu thể đối phương mặt bụng Do đó, dù lực tiếp nhận nhau, khả cảm thụ hai nơi tiếp nhận khác dẫn tới cảm nhận hai người khác nhau, gây khó hiểu cho học sinh Trường hợp thứ hai có cách giải thích tương tự, ta lưu ý rằng, muốn phá vỡ cấu trúc vật rắn cần lực tương đối lớn, mà tay ta khả chịu đựng lực tương đương khơng có khả tự phát lực Năm 2002, Hughes đề cập đến vấn đề thú vị định luật III Newton: “Một người đàn ông đẩy dàn khoan nặng lên đồi dốc dàn khoan đè nặng anh anh bắt đầu bị lùi sau Phải lực đẩy mà dàn khoan tác dụng lên người đàn ông lớn lực anh tác dụng lên dàn khoan?” (Hughes, 2002) Câu hỏi đánh lừa độc giả cách nhấn mạnh vào cảm giác người đàn ông phối hợp nhiều quy luật chuyển động Câu trả lời rõ ràng hai lực theo định luật III Newton Câu hỏi thực gây bất đồng kết tiếp nhận lực người dàn khoan? Đó khác biệt khối lượng hai đối tượng xét Ta biết lực có vai trị làm thay đổi vận tốc chuyển động vật, với tốc độ thay đổi tỉ số lực/khối lượng Do đó, dù chịu lực tác động tốc độ thay đổi trạng thái chuyển động dàn khoan chậm so với người đẩy Ta lưu ý rằng, người đàn ông đẩy dàn khoan lên dốc nên lực đẩy lên người có phần dùng để triệt tiêu tác dụng trọng lượng dàn khoan; đồng thời người đàn ông bị trọng lực thân kéo xuống dù người có động tác “đẩy đất” để mượn lực chống lại trọng lực thân, việc góp phần gây khó cho động tác tự phát lực đẩy dàn khoan 17 Qua minh họa trên, chúng tơi nhận thấy có nhiều nguyên nhân gây nhầm lẫn áp dụng sai định luật III Newton Chúng tổng kết thành hai nguyên nhân Nguyên nhân đến từ khơng rõ ràng quy luật Newton Năm 2009, Dykstra Jr đưa nhận định vấn đề Đã có khơng rõ ràng tên gọi, góp phần tạo nên nhầm lẫn cho học sinh: “lực tương hỗ hai vật hướng nhau” (Nguyên Principia, 1687) Câu nói đề cập tới hai lực hai vật thể tác dụng lên nhau, hay ta nói điểm đặt hai lực hai vật thể khác Sự nhầm lẫn cặp lực cân cặp lực theo định luật III xuất phát từ nguyên nhân Cả hai cặp lực cặp lực trực đối điểm đặt lực cặp khác Cặp lực cân hai vật B C tác dụng lên vật A Trong cặp lực theo định luật III có hai điểm đặt riêng biệt, lực A tác dụng lên B lực B tác dụng lên A Nguyên nhân thứ hai việc áp dụng định luật theo cảm tính chủ quan (Aguilar, 2007) Điều khơng có nghĩa cảm nhận không tuân theo quy luật vật lý mà lý giải cảm giác cách cảm tính Một tượng đời sống kết hợp nhiều hiệu ứng, định luật 2.3.3 Phạm vi áp dụng định luật III Newton Bên cạnh hạn chế cách phát biểu định luật dẫn đến nhiều trường hợp áp dụng sai định luật III, thân định luật III tồn hạn chế nội điều kiện áp dụng Trong ba định luật chuyển động Newton, định luật III xem định luật vững Dù hai định luật Newton liên tục đối mặt với nhiều ý kiến trái chiều đề giới hạn áp dụng định, phạm vi áp dụng định luật III đề tài gây tranh cãi thảo luận sôi (Kneubil, 2016; Ivlev et al., 2015; Cornille, 1999) Trong phần này, đề cập đến trường hợp tương tác điện từ mà định luật III Newton bị vi phạm Trong học cổ điển, định luật Coulomb thỏa mãn định luật III Newton độ lớn lực không phụ thuộc vào hệ quy chiếu theo công thức: F12  F21  q1q2 r 4 r q1 , q2 điện tích hạt mang điện xét (14) r khoảng cách chúng Ta biết tương tác Coulomb (hay lực tĩnh điện) hợp lệ quan sát hệ quy chiếu mà điện tích đứng n Khi điện tích chuyển động, điện tích gây dịng điện, tạo nên từ trường theo định luật Ampere, tương tác với theo lực Lorentz Trong học cổ điển, độ lớn lực hệ quy chiếu không đổi khoảng 18 cách r điện tích điểm nên ta có biểu thức (14) Tuy nhiên, hai điều kiện khơng cịn hợp lệ chuyển động tương đối tính Giả sử q1 đặt cố định vị trí P( x, y, z, t ) hệ quy chiếu  đứng yên, q2 chuyển động thẳng với vận tốc v theo phương Ox từ gốc tọa độ Trong hệ quy chiếu  gắn với q2 , q1 P  có tọa độ tương ứng P( x, y, z, t) Hình (a) Trong hệ quy chiếu  , điện tích q2 chuyển động thẳng với vận tốc v theo Ox (b) Trong hệ quy chiếu  , điện tích q2 đứng yên (Rosser, 2013) Xét tương tác Coulomb hai điện tích điểm q1 q2 thời điểm t  , lúc q2 gốc tọa độ O  Xét hệ quy chiếu  Ε2  q2r , 4 r3 F21  q1 E2  q1q2r 4 r3 (15) (16) Mặt khác, ta có biểu thức liên hệ toạ độ hai hệ quy chiếu (Rosser, 2013) r  v2 sin  c2 v2 1 c r 1 (17) Phân tích lực F21 theo hai phương toạ độ Ox, Oy sử dụng công thức biến đổi lực hai hệ quy chiếu (tham khảo cách chứng minh chi tiết Classical Electromagnetism via 19 relativity: An alternative approach to Maxwell’s equations Rosser phát hành năm 2013), ta thu  v2  q1q2r 1    c  F21  3/2 v2  3 4 r 1  sin    c  (18) Vậy lực tương tác Coulomb hai điện tích lúc F12  q2 E1   q1q2r , 4 r  v2  q1q2r 1    c  F21   F12 3/2  v  4 r 1  sin    c  (19) (20) Khi v  c , biểu thức (20) F21 tiến tới giá trị F12 , hay ta nói tương tác Coulomb học cổ điển tuân theo định luật III Newton Ở đây, đề cập đến trường hợp bản: điện tích đứng yên, điện tích chuyển động thẳng nên điều kiện toán trở nên đơn giản Theo đó, cơng thức lực rút gọn Khi q1 có vận tốc, lực tương tác chúng khơng cịn trường xun tâm (Rosser, 2013) định luật III áp dụng KẾT LUẬN Cơng trình khảo cứu tổng quát ba định luật chuyển động Newton, sâu vào vướng mắc thảo luận năm gần Bài báo cáo làm rõ trình tự logic ba định luật chuyển động Isaac Newton đưa từ kỉ XVII, khẳng định định luật I Newton phải đặt vị trí để xác định phạm vi áp dụng hai định luật lại Các định luật chuyển động Newton mối quan hệ trạng thái chuyển động vật lực tác dụng lên chúng Trong đó, định luật I cho biết trạng thái vật khơng có lực tác dụng, định luật II cho biết trạng thái vật chịu lực tác dụng định luật III cho biết mối liên hệ lực tương tác vật với Kết hợp định luật II định luật III, thu quy luật chuyển động hệ vật tác dụng ngoại lực, nội lực bị triệt tiêu Đồng thời, cơng trình nghiên cứu ý nghĩa định luật hạn chế áp 20 dụng định luật Sự không tuyệt đối định luật III đặt nhu cầu mối quan hệ lực tương tác giới vi mô Quy luật tương tác nghiên cứu cơng trình nghiên cứu TÀI LIỆU THAM KHẢO Aguilar, H M (2007) Magnetic levitation and Newton's third law The Physics Teacher, 45(5), 278-279 Anderson, J L (1990) Newton’s first two laws of motion are not definitions American Journal of Physics, 58(12), 1192-1195 Arnold, V I (1989) Mathematical methods of classical mechanics (phiên 2.) Springer Science & Business Media Bottaccini, M (1963) An alternate interpretation of Newton's second law AIAA Journal, 1(4), 927-927 Brehme, R W (1985) On force and the inertial frame American Journal of Physics, 53(10), 952-955 Cornille, P (1999) Review of the application of Newton's third law in physics Progress in energy and combustion science, 25(2), 161-210 Dykstra Jr, D I (2009) Newton and Newton’s third law American Journal of Physics, 77(8), 677-677 Ford, K W (2012) Newton's “peripheral” laws, the first and third The Physics Teacher, 50(8), 452-452 Galili, I (2022) Scientific Knowledge as a Culture: The Pleasure of Understanding Springer Nature Hecht, E (2015) Origins of Newton's first law The Physics Teacher, 53(2), 80-83 Hellingman, C (1992) Newton's third law revisited Physics Education, 27(2), 112 Hughes, M J (2002) How I misunderstood Newton’s third law The Physics Teacher, 40(6), 381-382 Ignatiev, A Y (2007) Is violation of Newton’s second law possible? Physical review letters, 98(10), 101101 21 Ivlev, A V., Bartnick, J., Heinen, M., Du, C R., Nosenko, V., & Löwen, H (2015) Statistical mechanics where Newton’s third law is broken Physical Review X, 5(1), 011035 Javadi, H., Forouzbakhsh, F., Jahanshir, A., & PourImani, H (2013) New Discoveries and the Necessity of Reconsidering the Perspectives on Newton's Second Law Journal of Nuclear and Particle Physics, 2(3), 31-35 Kneubil, F B (2016) Breaking Newton’s third law: electromagnetic instances European Journal of Physics, 37(6), 065201 Leemann, C (2000) Newton's law of inertia and time Physics Education, 35(1), 31 Ludwig, B (1992) What Is Newton's Law of Inertia About? Philosophical Reasoning and Explanation in Newton's Principia Science in Context, 5(1), 139-163 Marquit, E (1990) A plea for a correct translation of Newton’s law of inertia American Journal of Physics, 58(9), 867-870 Morin, D (2008) Introduction to classical mechanics: with problems and solutions Cambridge University Press Newton, I (1729) The Mathematical Principles of Natural Philosophy, translated into English by Andrew Motte London: Benjamin Motte Rosser, W G V (2013) Classical Electromagnetism via relativity: An alternative approach to Maxwell’s equations Springer Stocklmayer, S., Rayner, J P., & Gore, M M (2012) Changing the order of Newton's laws—Why & how the third law should be first The Physics Teacher, 50(7), 406-409 Taylor, J R (2005) Classical mechanics Sausalito, California: University Science Books 22 PHẦN III PHỤ LỤC ĐÍNH KÈM Hợp đồng thực đề tài nghiên cứu khoa học Thuyết minh đề tài phê duyệt Quyết định nghiệm thu Hồ sơ nghiệm thu (biên họp, phiếu đánh giá, bảng tổng hợp điểm, giải trình, phiếu phản biện) Sản phẩm nghiên cứu (bài báo, vẽ, mơ hình ) 23